汽車前照燈反射器設(shè)計(jì)與仿真模擬

1、<p>　　汽車前照燈反射器設(shè)計(jì)與仿真模擬</p><p>　　[摘 要]基于對(duì)汽車前照燈的概述，確立自由曲面前照燈是最具發(fā)展?jié)摿Φ那罢諢糁唬⑻岢鲆环N新型自由曲面反射器設(shè)計(jì)方法。首先，利用Matlab對(duì)反射器曲面進(jìn)行擬合，并進(jìn)行初模擬；然后利用LightTools對(duì)此方法進(jìn)行了仿真模擬，結(jié)果與 Matlab 中的模擬結(jié)果一致，從而論證此方法的正確性。 </p><p>　　[

2、關(guān)鍵詞]自由曲面；反射器設(shè)計(jì)；LightTools；仿真模擬 </p><p>　　中圖分類號(hào)：TM923.34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2015）09-0301-02 </p><p><b>　　1 引言 </b></p><p>　　隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展和市場(chǎng)需求的日益增長(zhǎng)，對(duì)汽車前照燈的研究與應(yīng)用已刻不容緩。常見(jiàn)

3、的汽車前照燈主要由光源、反射器和配光鏡3部分組成，如圖1所示。且根據(jù)反射器類型的不同將汽車前照燈分為四類：拋物面前照燈、多塊反射面前照燈、投影式前照燈和自由曲面前照燈。而相比與其他類型的前照燈，自由曲面前照燈具有具有光能利用率高、車燈高度低和空氣動(dòng)力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)[1]，其主要由反射器面型來(lái)保證配光效果，不僅不需要使用配光鏡對(duì)光線束進(jìn)行二次控制，而且能防止眩目[2]，如圖2所示。 </p><p>　　本文提出了

4、一種自由曲面反射器設(shè)計(jì)方法，并分別利用Matlab和LightTools對(duì)此方法進(jìn)行分析與仿真模擬，為我國(guó)進(jìn)行自由曲面前照燈的自主研發(fā)提供了理論依據(jù)。 </p><p><b>　　2 反射器設(shè)計(jì) </b></p><p>　　2.1 光線追蹤法 </p><p>　　光線追蹤法是汽車前車燈反射器設(shè)計(jì)中最常用的一種，其基本原理為假設(shè)光源發(fā)出無(wú)數(shù)

5、條光線，這些光線與場(chǎng)景發(fā)生反射和折射作用，其中一部分投射到投影平面上，形成圖像。此算法將具備定值光通量的光線視為最小單元，對(duì)光線的傳播方式進(jìn)行具體的追蹤，通過(guò)七個(gè)不同參數(shù)對(duì)光線進(jìn)行描述，即光線出射點(diǎn)的坐標(biāo)，出射方向余弦以及光線所含的光通量L。前照燈反射面比較接近理想鏡面，所以能夠通過(guò)光的基礎(chǔ)反射定律進(jìn)行算法的確定，對(duì)光源產(chǎn)生的各個(gè)光線進(jìn)行針對(duì)追蹤。 </p><p><b>　　2.2 總體方案 <

6、;/b></p><p>　　目前反射面設(shè)計(jì)方法主要有如下三種：（1）通過(guò)對(duì)現(xiàn)有光型對(duì)應(yīng)的曲面方程中參數(shù)的改變來(lái)達(dá)到所需的光型曲面；（2）利用專用反射面設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行反射面的設(shè)計(jì)，如 Tracepro 軟件；（3）將光源的光通量的有效反射區(qū)域等通量離散化（這里是將光源看作是一個(gè)小球體，但是光線都經(jīng)過(guò)球心的），與光源的離散化相對(duì)應(yīng)的將照亮區(qū)域也按照等光通量的方式離散化。然后建立兩個(gè)離散區(qū)域的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。然后根

7、據(jù)此對(duì)應(yīng)關(guān)系以及連續(xù)曲面的性質(zhì)得出曲面離散點(diǎn)云，最后將點(diǎn)云擬合得到曲面并對(duì)其進(jìn)行模擬分析。 </p><p>　　方案一是通過(guò)修改參數(shù)來(lái)達(dá)到目的，這樣具有一定的局限性。方案二中的軟件通常是專業(yè)軟件，并且多為企業(yè)內(nèi)部用版權(quán)有所限制，這樣給我們的設(shè)計(jì)帶來(lái)了不便。方案三相比前兩種方案具有廣泛性，所以本文選擇方案三。同時(shí)考慮到在對(duì)汽車前照燈進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，近光燈的設(shè)計(jì)相比較遠(yuǎn)光燈復(fù)雜，所以本文主要對(duì)近光燈反射面進(jìn)行具體的

8、設(shè)計(jì)。 </p><p>　　2.3 反射面劃分 </p><p>　　本文的方法是對(duì)光通量進(jìn)行等光通量離散化，并且主要針對(duì)的是前照燈反射 </p><p>　　面的設(shè)計(jì)研究。而光通量的問(wèn)題實(shí)際就是光線密度的問(wèn)題，故要明確反射面與光通量之間的聯(lián)系，就要明白反射面設(shè)計(jì)與光線密度的關(guān)系，明白其之間的關(guān)系就可對(duì)反射面進(jìn)行正確的研究與設(shè)計(jì)，這里本文運(yùn)用圖解的方式表達(dá)出其之間

9、的關(guān)系如圖3所示，由此圖可知，反射面的問(wèn)題的實(shí)質(zhì)即為光線的分配問(wèn)題。 </p><p><b>　　（1）環(huán)數(shù)劃分 </b></p><p>　　環(huán)數(shù)劃分分析如圖4所示。 </p><p>　　根據(jù)以往研究可知，反射面包角越大，光源利用率越高，但反射器的尺寸是有限的，當(dāng)超過(guò)220°時(shí)，隨包角值的逐漸增加光能利用率提高的并不明顯，所以在

10、通常的研究設(shè)計(jì)中將包角值控制在 220°以內(nèi)，本文在研究過(guò)程中取=220°。 </p><p>　　根據(jù)以上數(shù)據(jù)可定義每環(huán)包角為，則： </p><p><b>　　（1） </b></p><p>　　式中n―設(shè)定的環(huán)數(shù)。 </p><p>　?。?）每環(huán)份數(shù)劃分 </p><p

11、>　　當(dāng)緯角在之間時(shí)，對(duì)應(yīng)光源光通量面積為： </p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　且即可理解為每環(huán)光通量的值。則每環(huán)要分的份數(shù)為： </p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　式中―每份對(duì)應(yīng)的面積。 </p><p&g

12、t;　　3 反射器曲面擬合與仿真模擬 </p><p>　　根據(jù)反射器設(shè)計(jì)方法，本文總體的技術(shù)路線如圖5所示。 </p><p>　　在 LightTools 照明模塊中要針對(duì)光線進(jìn)行跟蹤，其中所用光線跟蹤原理使用的是第二節(jié)所提到的方法，即蒙特卡洛光線追跡法[3]。 </p><p><b>　　3.1 曲面擬合 </b></p>

13、<p>　　本文所述方法在運(yùn)算中很重要的一步即為反射面初始點(diǎn)的確定問(wèn)題，一旦確定初始點(diǎn)反射面就可以根據(jù)本文所設(shè)計(jì)的算法在 Matlab中將點(diǎn)云計(jì)算出來(lái)。這里本文所使用的光源為鹵素?zé)艄庠矗疫x擇 H7 型。故將光源中心O距離反射面底部的距離定為27.25mm，且將光源設(shè)定為反射區(qū)域原點(diǎn)位置[4]。而初始點(diǎn)處 </p><p>　　反射面的法向向量 n在這里定義為沿 z 軸正方向。如圖 6所示： <

14、/p><p>　　如圖6所示，初始點(diǎn)定義為A0，此處法向矢量為n，光源中心點(diǎn)定義為O且位于坐標(biāo)原點(diǎn)處。A0點(diǎn)沿z軸方向距離O點(diǎn)為27.25mm，則反射面初始點(diǎn)定義完畢，這樣就可以由初始點(diǎn)的參數(shù)來(lái)進(jìn)行下一步的計(jì)算。 </p><p>　　根據(jù)初始點(diǎn)的定義及照亮面光型的要求，可以在 Matlab 中進(jìn)行計(jì)算，并在軟件中表示點(diǎn)云圖如圖 7所示，其對(duì)應(yīng)矢量圖如圖8所示。 </p><

15、;p>　　圖8中，箭頭所指的方向?yàn)槌绦蜻\(yùn)算結(jié)果中反射面在該點(diǎn)處的法線方向[5]， </p><p>　　并且箭頭指向內(nèi)部，在此可以初步判斷計(jì)算結(jié)果正確。 </p><p>　　3.2 Matlab初模擬 </p><p>　　由上節(jié)的計(jì)算結(jié)果，在 Matlab 中進(jìn)行初模擬即驗(yàn)證照亮面照亮區(qū)域中光型的模擬。模擬結(jié)果二維圖、三維圖分別如圖9、10所示。從二維圖中

16、可以看到右側(cè)15°截止線清晰可見(jiàn)。從立體圖中可以清楚地看到亮度是平滑過(guò)渡的一個(gè)過(guò)程，從而認(rèn)定滿足設(shè)計(jì)要求。 　　3.3 LightTools模擬 </p><p>　　根據(jù)云數(shù)據(jù)可在三維軟件UG中建立反射面實(shí)體模型，將其保存成IGES格式文件導(dǎo)入到LightTools中，如圖11所示。 </p><p>　　在距離反射面 25 米遠(yuǎn)處建立測(cè)試屏幕。根據(jù)前面設(shè)計(jì)要求，設(shè)置反射面包

17、角為220°。在距離反射面 25 米遠(yuǎn)的地方定義光源接收器，在模擬過(guò)程中，光線會(huì)通過(guò)反射面反射到達(dá)接收器。為了保證仿真結(jié)果的精確性，這里定義為光線條數(shù)10 000，且將追蹤的光線定義為可視[6]，仿真模擬示意圖如圖12所示。 </p><p>　　從圖12 中可以看到在實(shí)際情況中光線所走的路徑。為了便于分析，故將接收面上的亮度分布顯示出來(lái)，如圖13所示。在圖13 中能夠清楚看到亮度在中心區(qū)域強(qiáng)，并且向四

18、周減弱，此種結(jié)果符合所設(shè)計(jì)預(yù)想的結(jié)果。 </p><p>　　從圖13中可以清晰看到右側(cè)15°截止線，中間區(qū)域明顯比周圍亮一些，與在Matlab 中模擬的圖相比，明暗區(qū)域和15°截止線都符合，故在 LightTools中的模擬正確反映出了預(yù)期的照亮區(qū)域圖。 </p><p><b>　　4 結(jié)論 </b></p><p>　

19、　本文探討了汽車前照燈反射器曲面設(shè)計(jì)的方法。研究?jī)?nèi)容主要包括汽車前照燈的概述、自由曲面反射器的設(shè)計(jì)和自由曲面反射器曲面擬合與仿真模擬三大部分，得到如下結(jié)論： </p><p>　?。?）根據(jù)本文所設(shè)計(jì)的算法，利用Matlab得到了點(diǎn)云示意圖，并得到了陰暗模擬圖。 </p><p>　?。?）運(yùn)用LightTools對(duì)反射面進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果與Matlab中模擬結(jié)果一致， </p>

20、;<p>　　從而也論證了此方法的正確性。 </p><p>　　本文所采用的設(shè)計(jì)思想和方法具有一定的創(chuàng)新性，但是此方法在交互性、精確性等方面有待改進(jìn)。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 王霄.汽車自由曲面前照燈反射器仿真設(shè)計(jì)及照明模擬[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006. </p>

21、;<p>　　[2] 林淵.汽車自由曲面反射器光學(xué)設(shè)計(jì)[J].照明工程學(xué)報(bào)，2005. </p><p>　　[3] 胡志威，彭潤(rùn)玲，秦漢，林朋飛.LightTools 軟件在均勻光分布的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].光學(xué)儀器，2012. </p><p>　　[4] 徐文巖，周莉，周太明，皇甫炳炎，范奇，趙亮.汽車光源的計(jì)算機(jī)建模-H4 光源的計(jì)算機(jī)模擬的探索與實(shí)現(xiàn)[C].中

22、國(guó)照明電器，2000. </p><p>　　[5] 伍衛(wèi)國(guó)，萬(wàn)群，張輝. 數(shù)值方法和 MATLAB 實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004. </p><p>　　[6] 鄭建鋒譯. LightTools入門(mén)指南[C].北京：光學(xué)應(yīng)用，2002. </p><p><b>　　基金資助 </b></p><p&g