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文檔簡介
1、<p> 汽車前照燈反射器設計與仿真模擬</p><p> [摘 要]基于對汽車前照燈的概述,確立自由曲面前照燈是最具發(fā)展?jié)摿Φ那罢諢糁?,并提出一種新型自由曲面反射器設計方法。首先,利用Matlab對反射器曲面進行擬合,并進行初模擬;然后利用LightTools對此方法進行了仿真模擬,結果與 Matlab 中的模擬結果一致,從而論證此方法的正確性。 </p><p> [
2、關鍵詞]自由曲面;反射器設計;LightTools;仿真模擬 </p><p> 中圖分類號:TM923.34 文獻標識碼:A 文章編號: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)展和市場需求的日益增長,對汽車前照燈的研究與應用已刻不容緩。常見
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力學性能好等優(yōu)點[1],其主要由反射器面型來保證配光效果,不僅不需要使用配光鏡對光線束進行二次控制,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計方法,并分別利用Matlab和LightTools對此方法進行分析與仿真模擬,為我國進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 反射器設計 </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計中最常用的一種,其基本原理為假設光源發(fā)出無數(shù)
5、條光線,這些光線與場景發(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,對光線的傳播方式進行具體的追蹤,通過七個不同參數(shù)對光線進行描述,即光線出射點的坐標,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,所以能夠通過光的基礎反射定律進行算法的確定,對光源產(chǎn)生的各個光線進行針對追蹤。 </p><p><b> 2.2 總體方案 <
6、;/b></p><p> 目前反射面設計方法主要有如下三種:(1)通過對現(xiàn)有光型對應的曲面方程中參數(shù)的改變來達到所需的光型曲面;(2)利用專用反射面設計軟件進行反射面的設計,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小球體,但是光線都經(jīng)過球心的),與光源的離散化相對應的將照亮區(qū)域也按照等光通量的方式離散化。然后建立兩個離散區(qū)域的一一對應關系。然后根
7、據(jù)此對應關系以及連續(xù)曲面的性質得出曲面離散點云,最后將點云擬合得到曲面并對其進行模擬分析。 </p><p> 方案一是通過修改參數(shù)來達到目的,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)內部用版權有所限制,這樣給我們的設計帶來了不便。方案三相比前兩種方案具有廣泛性,所以本文選擇方案三。同時考慮到在對汽車前照燈進行設計過程中,近光燈的設計相比較遠光燈復雜,所以本文主要對近光燈反射面進行具體的
8、設計。 </p><p> 2.3 反射面劃分 </p><p> 本文的方法是對光通量進行等光通量離散化,并且主要針對的是前照燈反射 </p><p> 面的設計研究。而光通量的問題實際就是光線密度的問題,故要明確反射面與光通量之間的聯(lián)系,就要明白反射面設計與光線密度的關系,明白其之間的關系就可對反射面進行正確的研究與設計,這里本文運用圖解的方式表達出其之間
9、的關系如圖3所示,由此圖可知,反射面的問題的實質即為光線的分配問題。 </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,當超過220°時,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、通常的研究設計中將包角值控制在 220°以內,本文在研究過程中取=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> ?。?) </b></p><p> 式中n―設定的環(huán)數(shù)。 </p><p> ?。?)每環(huán)份數(shù)劃分 </p><p
11、> 當緯角在之間時,對應光源光通量面積為: </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―每份對應的面積。 </p><p&g
12、t; 3 反射器曲面擬合與仿真模擬 </p><p> 根據(jù)反射器設計方法,本文總體的技術路線如圖5所示。 </p><p> 在 LightTools 照明模塊中要針對光線進行跟蹤,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> 本文所述方法在運算中很重要的一步即為反射面初始點的確定問題,一旦確定初始點反射面就可以根據(jù)本文所設計的算法在 Matlab中將點云計算出來。這里本文所使用的光源為鹵素燈光源,且選擇 H7 型。故將光源中心O距離反射面底部的距離定為27.25mm,且將光源設定為反射區(qū)域原點位置[4]。而初始點處 </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,初始點定義為A0,此處法向矢量為n,光源中心點定義為O且位于坐標原點處。A0點沿z軸方向距離O點為27.25mm,則反射面初始點定義完畢,這樣就可以由初始點的參數(shù)來進行下一步的計算。 </p><p> 根據(jù)初始點的定義及照亮面光型的要求,可以在 Matlab 中進行計算,并在軟件中表示點云圖如圖 7所示,其對應矢量圖如圖8所示。 </p><
15、;p> 圖8中,箭頭所指的方向為程序運算結果中反射面在該點處的法線方向[5], </p><p> 并且箭頭指向內部,在此可以初步判斷計算結果正確。 </p><p> 3.2 Matlab初模擬 </p><p> 由上節(jié)的計算結果,在 Matlab 中進行初模擬即驗證照亮面照亮區(qū)域中光型的模擬。模擬結果二維圖、三維圖分別如圖9、10所示。從二維圖中
16、可以看到右側15°截止線清晰可見。從立體圖中可以清楚地看到亮度是平滑過渡的一個過程,從而認定滿足設計要求。 3.3 LightTools模擬 </p><p> 根據(jù)云數(shù)據(jù)可在三維軟件UG中建立反射面實體模型,將其保存成IGES格式文件導入到LightTools中,如圖11所示。 </p><p> 在距離反射面 25 米遠處建立測試屏幕。根據(jù)前面設計要求,設置反射面包
17、角為220°。在距離反射面 25 米遠的地方定義光源接收器,在模擬過程中,光線會通過反射面反射到達接收器。為了保證仿真結果的精確性,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,如圖13所示。在圖13 中能夠清楚看到亮度在中心區(qū)域強,并且向四
18、周減弱,此種結果符合所設計預想的結果。 </p><p> 從圖13中可以清晰看到右側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期的照亮區(qū)域圖。 </p><p><b> 4 結論 </b></p><p>
19、 本文探討了汽車前照燈反射器曲面設計的方法。研究內容主要包括汽車前照燈的概述、自由曲面反射器的設計和自由曲面反射器曲面擬合與仿真模擬三大部分,得到如下結論: </p><p> ?。?)根據(jù)本文所設計的算法,利用Matlab得到了點云示意圖,并得到了陰暗模擬圖。 </p><p> ?。?)運用LightTools對反射面進行仿真模擬,結果與Matlab中模擬結果一致, </p>
20、;<p> 從而也論證了此方法的正確性。 </p><p> 本文所采用的設計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。 </p><p><b> 參考文獻 </b></p><p> [1] 王霄.汽車自由曲面前照燈反射器仿真設計及照明模擬[J].系統(tǒng)仿真學報,2006. </p>
21、;<p> [2] 林淵.汽車自由曲面反射器光學設計[J].照明工程學報,2005. </p><p> [3] 胡志威,彭潤玲,秦漢,林朋飛.LightTools 軟件在均勻光分布的照明系統(tǒng)設計中的應用[J].光學儀器,2012. </p><p> [4] 徐文巖,周莉,周太明,皇甫炳炎,范奇,趙亮.汽車光源的計算機建模-H4 光源的計算機模擬的探索與實現(xiàn)[C].中
22、國照明電器,2000. </p><p> [5] 伍衛(wèi)國,萬群,張輝. 數(shù)值方法和 MATLAB 實現(xiàn)與應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004. </p><p> [6] 鄭建鋒譯. LightTools入門指南[C].北京:光學應用,2002. </p><p><b> 基金資助 </b></p><p&g
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