Технологии автомобильного света: от AFS до матричных фар и систем ночного видения

Системы освещения современного автомобиля — это уже давно не просто лампочки для подсветки дороги. Это сложнейшие оптоэлектронные комплексы, предназначенные для обеспечения максимальной безопасности и комфорта управления транспортным средством в любых условиях: ночью, в сумерках, при неблагоприятных погодных явлениях и на неосвещенных участках дорог. Их роль критически важна не только в движении, но и во время стоянок и маневрирования.

К базовым приборам освещения традиционно относят головные фары, передние и задние габаритные огни, фонари освещения государственного регистрационного знака. Вспомогательные функции выполняют плафоны салона и багажного отсека, подсветка моторного отсека и перчаточного ящика, а также многочисленные индикаторы на приборной панели. Однако технологический прорыв последних десятилетий вывел автомобильную светотехнику на принципиально новый уровень, превратив ее в активный элемент системы безопасности.

В этой статье мы подробно рассмотрим самые передовые технологии в области автомобильного света, от адаптивных фар, заглядывающих в поворот, до систем ночного видения, способных обнаружить пешехода за сотни метров в полной темноте.

1. Адаптивные системы головного освещения (AFS)

Идея заставить фары автомобиля «заглядывать» в поворот вместе с поворотом рулевого колеса не нова. Первые попытки инженеры предпринимали еще на заре автомобилестроения. Однако тогдашние механические приводы, связывающие рулевую колонку с фарами, были несовершенны. Они не могли учитывать ключевой фактор — скорость движения, что делало их малоэффективными и порой даже опасными. Сегодня, благодаря развитию микроэлектроники и сервоприводов, эта концепция переживает второе рождение на совершенно ином технологическом уровне.

Современные адаптивные системы освещения (AFS, Adaptive Front-Lighting System) представляют собой «умные» комплексы, которые в реальном времени изменяют направление и форму светового пучка в зависимости от множества параметров. Требования к таким системам и их установке в Российской Федерации регламентируются Техническим регламентом Таможенного союза ТР ТС 018/2011 «О безопасности колесных транспортных средств», который, в свою очередь, гармонизирован с международными правилами ЕЭК ООН № 123.

1.1. Типы реализации адаптивного света

Существует несколько ступеней сложности реализации адаптивного освещения, каждая из которых решает свои задачи:

• Статическое боковое освещение. Это наиболее простое и доступное решение. При включении указателя поворота или значительном повороте руля на скоростях до 70 км/ч активируется дополнительная секция в фаре или отдельная противотуманная фара. Она подсвечивает боковую зону, что особенно полезно при маневрировании на парковках, проезде темных перекрестков и движении по серпантинам. Впервые такая технология была массово применена на Audi A8.
• Динамическое поворотное освещение. Это следующая ступень эволюции. Здесь уже основной модуль фары (обычно биксеноновый или светодиодный) способен поворачиваться в горизонтальной плоскости. Блок управления анализирует данные с датчиков скорости, угла поворота рулевого колеса и угловой скорости автомобиля (yaw rate sensor). На основе этих данных модуль фары поворачивается вслед за рулем, упреждающе освещая траекторию поворота. Угол поворота во внешнюю сторону может достигать 15-22°, а во внутреннюю – до 7°. Такими системами оснащаются автомобили премиум-сегмента от BMW, Mercedes-Benz, Lexus и модели массового сегмента, как, например, Opel Astra.
• Комбинированные системы. Наиболее продвинутый вариант, объединяющий преимущества обоих подходов. На высоких скоростях (например, на загородном шоссе) активно работает динамический поворотный модуль, обеспечивая плавное освещение виражей. В медленных, крутых поворотах или при въезде во двор дополнительно подключается статический свет, который имеет значительно больший угол охвата (до 90°), устраняя «слепые» зоны непосредственно сбоку от автомобиля. Ярким примером такой реализации является Opel Signum.

Эффективность системы AFS наглядно демонстрирует сравнение освещенности дороги. Если обычная система создает статичное световое пятно, то адаптивная динамически перемещает его, значительно расширяя зону видимости в поворотах.

Рис. 1. Сравнение освещения дороги: а) стандартная система, б) адаптивная система AFS

Важно отметить, что алгоритмы работы AFS предусматривают асимметричное вращение фар: при левом повороте левая фара поворачивается на больший угол, чем правая, и наоборот. Это позволяет оптимально освещать внутреннюю часть поворота, не теряя при этом освещенности дальней обочины.

Рис. 2. Углы поворота фар адаптивной системы при повороте налево (а) и направо (б)

1.2. Устройство адаптивной фары

Сердцем адаптивной фары является исполнительный механизм, управляемый контроллером. Контроллер (электронный блок управления, ЭБУ) непрерывно получает и анализирует данные с CAN-шины автомобиля: скорость, угол поворота руля, работу указателей поворота.

Рис. 3. Конструкция адаптивной фары: 1 — оптический элемент ближнего/дальнего света (линзовый модуль); 2 — актуатор; 3 — червячный редуктор; 4 — высокоточный шаговый электродвигатель; 5 — источник света (лампа); 6 — поворотный механизм оптического элемента

На скоростях до 40 км/ч, при проезде перекрестков и узких проездов, система может задействовать дополнительную статическую подсветку. Она активируется по сигналу включенного указателя поворота или при начале вращения рулевого колеса. В автомобилях Audi A8, например, для этого используется отдельный рефлектор с четырьмя мощными светодиодами, которые включаются в дополнение к ближнему свету, заливая светом боковое пространство.

Рис. 4. Работа адаптивного статического бокового освещения: а — боковая подсветка не активна; б — боковая подсветка включена при повороте

Условием для включения этих дополнительных светодиодов является либо работа указателя поворота при скорости не более 40 км/ч, либо поворот рулевого колеса на значительный угол при скорости не более 70 км/ч.

2. Интеллектуальное управление дальним светом: от ассистента до матричной технологии

Ослепление водителей встречных и попутных транспортных средств — одна из главных опасностей при движении ночью. Для решения этой проблемы были разработаны системы, автоматически управляющие дальним светом.

2.1. Ассистент автоматического переключения дальнего света (High Beam Assist)

Это система первого поколения. Ее основная задача — избавить водителя от необходимости вручную переключаться с дальнего света на ближний. Специализированная видеокамера, обычно расположенная в кронштейне салонного зеркала заднего вида, сканирует дорожную обстановку. Если впереди нет других транспортных средств, система активирует дальний свет для максимальной видимости. Как только камера обнаруживает фары встречного автомобиля или задние фонари попутного, она немедленно дает команду на переключение на ближний свет, чтобы предотвратить ослепление.

Рис. 5. Принцип работы ассистента дальнего света при приближении встречного автомобиля: а, б — дальний свет активен при свободной дороге; в — дальний свет автоматически выключается при обнаружении другого ТС

Программное обеспечение таких систем также способно распознавать освещенность дороги, характерную для населенных пунктов, и деактивировать дальний свет при въезде в город. При выезде на неосвещенную трассу дальний свет вновь включается автоматически. Более того, система может идентифицировать густой туман (по отсутствию четких объектов и сильному рассеиванию света) и принудительно отключать дальний свет, который в таких условиях только ухудшает видимость.

2.2. Плавная коррекция дальности света и системы с адаптивной светотеневой границей

Более совершенные системы не просто переключают свет «вкл/выкл», а плавно регулируют дальность светового пучка. Они создают так называемый «световой туннель». Видеокамера распознает другие транспортные средства, а специальный механизм внутри фары изменяет светотеневую границу, «вырезая» из пучка дальнего света сектор, в котором находится другой автомобиль. Таким образом, водитель продолжает ехать с почти включенным дальним светом, который освещает обочины и пространство перед автомобилем, но при этом не ослепляет других участников движения.

Рис. 6. Динамическое изменение светового пучка при наличии встречного автомобиля

В биксеноновых фарах это реализуется с помощью специальной вращающейся шторки-маски сложной формы, которая приводится в движение шаговым электродвигателем. Она за миллисекунды изменяет свою позицию, формируя нужную светотеневую границу. Система способна отслеживать сразу несколько автомобилей, создавая для каждого свою «теневую» зону. Время реакции такой системы составляет около 350 мс, что стало возможным благодаря использованию высокоскоростных шин передачи данных, таких как FlexRay (10 Мбит/с).

Рис. 7. Освещение дороги с активным светом (технология Dynamic Light Assist)

Интеграция с навигационной системой позволяет фарам работать проактивно. Получая данные о приближении к перекрестку, система заранее активирует дополнительную боковую подсветку для лучшего обзора.

Рис. 8. Освещение перекрестка: а) без дополнительной подсветки, б) с превентивной подсветкой от навигации

Вершиной развития этой технологии являются матричные (Matrix LED) или пиксельные (Pixel Light) фары. В них источник света состоит из множества (от нескольких десятков до сотен) индивидуально управляемых светодиодов. Камера обнаруживает встречный или попутный транспорт, а процессор отключает именно те светодиоды, которые светят в его сторону. Это позволяет создавать «теневые коридоры» с высочайшей точностью и скоростью, практически не теряя в освещенности остальной части дороги.

Рис. 9. Принцип работы матричной фары, создающей теневую зону вокруг встречного автомобиля

3. Автоматическое регулирование угла наклона фар

Чтобы исключить ослепление встречных водителей из-за изменения загрузки автомобиля (пассажиры на заднем сиденье, груз в багажнике), современные автомобили оснащаются системами автоматической коррекции угла наклона фар. Наличие такой системы является обязательным требованием для автомобилей с газоразрядными (ксеноновыми) и светодиодными источниками света согласно ТР ТС 018/2011 из-за их высокой интенсивности светового потока.

Система состоит из нескольких ключевых компонентов:

• Датчики загрузки (сенсоры): Устанавливаются на передней и задней осях автомобиля (обычно с одной стороны). Они отслеживают положение рычагов подвески и определяют крен кузова.
• Блок управления (БУ): Получает информацию от сенсоров, обрабатывает ее и вычисляет необходимый угол коррекции.
• Серводвигатели (актуаторы): Встроены в корпус каждой фары и по команде от БУ изменяют вертикальный угол наклона оптического элемента, поддерживая правильную светотеневую границу независимо от загрузки.

Рис. 10. Схема системы автокоррекции угла наклона фар: а — автомобиль не нагружен, световой пучок направлен корректно; б — автомобиль нагружен, система опускает пучок для компенсации крена; 1 — серводвигатель; 2 — блок управления; 3, 4 — сенсоры загрузки на осях

Различают статические и динамические корректоры. Статические корректируют угол наклона один раз при включении зажигания, а динамические делают это постоянно, компенсируя не только загрузку, но и «клевки» кузова при интенсивном разгоне и торможении.

4. Системы ночного видения (Night Vision)

Система ночного видения — это технология, которая позволяет водителю «видеть» в полной темноте далеко за пределами светового конуса фар. Ее главная цель — заблаговременное обнаружение пешеходов, животных и других препятствий на неосвещенной дороге. Системы устанавливаются в качестве опции на автомобили премиум-класса и делятся на два основных типа.

4.1. Пассивные системы ночного видения

Эти системы используют тепловизионную камеру (тепловизор), которая улавливает собственное инфракрасное (тепловое) излучение объектов. Любое тело с температурой выше абсолютного нуля излучает тепло. Тепловизор преобразует это излучение в видимое черно-белое изображение, где более теплые объекты (люди, животные) выглядят светлыми, а холодные (дорога, деревья) — темными.

Преимущества:

• Большая дальность обнаружения (до 300 метров).
• Высокий контраст при обнаружении живых существ.
• Не подвержены «ослеплению» от фар встречных автомобилей.

Недостатки:

• Более низкое разрешение изображения по сравнению с активными системами.
• Плохо распознают холодные объекты (например, упавший на дорогу камень).

Примеры: Night Vision Assistant от Audi, Night Vision от BMW.

4.2. Активные системы ночного видения

Активные системы работают по иному принципу. Они имеют собственный источник инфракрасного излучения (ИК-прожектор), встроенный в фары. Этот свет невидим для человеческого глаза, но прекрасно улавливается специальной ИК-камерой. Система работает как ИК-фонарик и камера, освещая дорогу в невидимом спектре.

Преимущества:

• Высокое разрешение и четкость изображения, сравнимое с черно-белой видеозаписью.
• Хорошо распознают любые объекты, независимо от их температуры.

Недостатки:

• Меньшая дальность действия (150-250 метров).
• Эффективность может снижаться в плохих погодных условиях (дождь, туман).
• Могут быть «ослеплены» ИК-прожекторами других автомобилей с такой же системой.

Примеры: Night View Assist от Mercedes-Benz, Night View от Toyota.

Рис. 11. Компоновка активной системы ночного видения с инфракрасным излучателем

Изображение с камеры проходит цифровую обработку и выводится на дисплей на приборной панели или на проекционный дисплей. Современные системы способны не просто показывать картинку, но и анализировать ее. Электроника распознает силуэты людей и животных, выделяя их на экране рамкой. Если объект находится вне траектории движения, рамка желтая. Если система прогнозирует опасность столкновения, рамка становится красной, и раздается предупреждающий звуковой сигнал.

Рис. 12. Селекция отображаемых объектов: выделение пешехода на обочине желтой рамкой

Комбинация адаптивного освещения и инфракрасной системы дает синергетический эффект. Фары могут формировать различные световые сценарии в зависимости от скорости и условий:

Рис. 13. Режимы освещения в комплексной адаптивной системе: 1 — базовый свет; 2 — городской свет; 3 — противотуманный свет; 4 — автомагистральный свет; 5 — освещение кривых; 6 — освещение поворотов

5. Сканирующие системы освещения и будущее технологий

Следующий шаг в эволюции — это интеграция систем освещения с датчиками, сканирующими пространство перед автомобилем в трехмерном формате, такими как лидары (LIDAR) или PMD-сенсоры.

Технология Photonic Mixer Devices (PMD) использует источник модулированного инфракрасного излучения и высокочувствительный датчик. Система измеряет время, за которое отраженный от объекта свет возвращается к каждому пикселю матрицы. На основе этих данных строится точная трехмерная карта пространства перед автомобилем с частотой до 200 раз в секунду.

Рис. 14. Принцип работы сканирующей системы освещения на базе PMD-сенсора

Такая система позволяет не просто «вырезать» другие автомобили из светового пучка, но и точечно подсвечивать потенциальные опасности, например, пешехода на обочине, или даже проецировать на дорогу предупреждающие символы или навигационные подсказки с помощью фар сверхвысокого разрешения (технология Digital Light).

6. Сравнительная таблица технологий автомобильного освещения

Для наглядного понимания преимуществ и недостатков различных типов фар, приведем их ключевые характеристики в сравнительной таблице.

7. Интересные факты об автомобильном освещении

• Первый серийный автомобиль с электрофарами: Им стал Cadillac Model 30 в 1912 году. До этого использовались ацетиленовые или керосиновые фонари, которые нужно было зажигать вручную.
• Почему противотуманки были желтыми: Долгое время считалось (особенно во Франции, где это было стандартом), что желтый свет меньше рассеивается в тумане и дожде. Современные исследования показали, что длина волны не играет решающей роли, гораздо важнее — форма и расположение светового пучка. Сегодня желтый цвет — скорее дань традиции.
• Лазерные фары: Технология, впервые примененная на BMW i8 и Audi R8. В фаре синий лазер светит на фосфорный элемент, который преобразуется в идеально белый свет. Дальность луча лазерной фары дальнего света может превышать 600 метров — вдвое больше, чем у лучших светодиодных систем.
• Скорость света: Современные матричные фары реагируют на изменение дорожной обстановки за миллисекунды. За это время свет успевает пройти несколько сотен километров, а автомобиль — проехать всего несколько сантиметров.

Заключение

Автомобильная светотехника прошла колоссальный путь развития: от примитивных фонарей до интеллектуальных систем, которые являются неотъемлемой частью комплекса активной безопасности. Современные адаптивные фары не просто освещают дорогу — они анализируют окружающую обстановку, взаимодействуют с другими системами автомобиля и проактивно адаптируются к любым условиям, значительно снижая риск ДТП в темное время суток. Технологии Matrix LED, Night Vision и сканирующие сенсоры превращают ночь в день для водителя, при этом сохраняя комфорт и безопасность для всех участников движения. В будущем нас ждут еще более совершенные системы, способные проецировать информацию прямо на дорожное полотно, что сделает ночное вождение еще более интуитивным и безопасным.

• Об авторе
• Недавние публикации

Алексей Громов

Ведущий специалист-консультант в Современные технологии производства

Старший инженер по обслуживанию транспорта с 25 летним стажем

Алексей Громов недавно публиковал (посмотреть все)

• Диагностика электронных систем автомобиля: этапы, оборудование и расшифровка кодов ошибок - 06.09.2023
• Грузовые автомобили: виды, типы, назначение и особенности - 07.02.2023
• Арамидные волокна — кевлар и композиты на их основе: свойства, производство, применение - 16.07.2022