技术文章 | 先进的转弯指示灯功能

原文标题：Advanced Turn Indicator Functionality

作者:Andreas Nix ，ZKW Lighting Systems（Dalian）Co.，Ltd.

编译：李奕帆 井硕

指导老师：林燕丹

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前言

近年来，汽车照明行业的焦点是通过AFS和ADB系统来改善近光灯和远光灯的功能。随着LED和激光的高分辨率投影车灯的使用，汽车照明将会有更多发展的可能性。在信号灯方面，LED技术的使用促进了车灯造型的多样性。但是除了取代转弯指示灯外，在改进照明功能和提高司机与其他道路参与者的安全方面取得的进步较小。

目前，行业内的专家针对如何改进车辆的信号元件提出了不少建议，特别是在转弯指示灯方面。下面，我们主要围绕转弯指示灯的投影显示功能进行讨论。

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美国和欧盟地区的交通安全性

当引入一个新技术时，其应用的必要性分析一直都是焦点话题。这个问题可以通过交通安全性情况进行分析。通过对交通事故统计数据的深入调查，美国与欧盟地区的交通安全性现状如下：

美国高速公路安全管理局(NHTSA)提供了美国所有州交通事故的深度统计数据。在低速行驶情况下，在车辆转弯时发生的交通事故占40%(不包括行人)。对于行人而言更加危险，在车辆转弯时发生的事故占63%。2014年和2015年，超过70%的行人交通事故死亡发生在夜间或黄昏。在几乎90%的案例中，碰撞区域是车辆前部。

2016年欧盟委员会(European Commission)发布的行人碰撞事故报告中显示，在下午6点至9点之间，行人的交通事故死亡人数增加，并且通常在冬季的比例较高。

除了保证行人的安全，根据其他方面的要求，仍然具有改善信号灯功能的必要性。根据美国1999年收集的数据，在车辆与车辆之间的交通事故中，9%发生在变道过程中，其中占比最大的是“简单变道”情况，即一辆车在没有注意到另一辆车的情况下转向另一条车道。我们有理由认为，对于意外的快速识别，可能会给其他道路参与者足够的时间做出相应的反应来预防事故。

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汽车照明灯与信号灯

基于法规对汽车外部照明系统的规定，它们可以分为两大类：①在夜间或环境照明不足的情况下(例如：隧道等)为司机提供照明的灯具。例如：AFS、ADB和转弯指示灯。②提供信号显示功能的灯具。其目的是告知其他道路参加者车辆的位置、方向及速度。

目前汽车照明灯的灯光颜色主要为白色，具有不同功能的汽车信号灯的颜色存在差异，例如：倒车灯为白色，制动灯、后雾灯为红色，转向信号灯为琥珀色。

不同类型的灯具光强分布也存在较大差异。汽车照明灯具光强较大，可以实现道路照明功能，汽车信号灯的光强较小，几乎不会在路面形成光分布。

需要注意的是，当前的信号灯只有在其直接可见的情况下才能实现其功能。例如：在道路拥挤的情况下发生的追尾事故中，如果后车司机能较早的看到前车亮起的制动灯，就会延长刹车时间，降低追尾的概率。车辆在盲区变道也是如此。

因此，我们建议在车辆中安装额外的照明系统，以补充信号灯的功能。具体实施方案是利用此照明系统在地面投影，将信号的可见范围扩大。

这种解决方案最大的优点是在使用区域不会对其他道路使用者造成不良影响，无法使用或可能造成危险的区域依然采用传统方式。该方案也会提高路人的安全性，在车辆经过时，给予路人警示信息，以便路人提前做出反应，以防司机看不到他们。

综上所述，在许多交通事故中，照明不足是一个不可忽视的因素。在之前没有被照明覆盖的区域增加照明可能是一个好的解决方案，因此需要在地面设置投影。同时，根据灯具位置不同，投影的要求也不同，因此我们将车辆的周围环境划分为四个区域(图1)。

图1：机动车周围投影区域模型

区域1：主要为大灯照明区域。范围通常从HV到两侧35°。这一区域的光照强度非常高，因此在汽车前方的投影也需要非常高的光照强度，而且可能仍然看不清楚。因此在该区域增加转弯指示灯可能是徒劳的。

区域2：在近光灯旁边，沿驾驶方向向外，大约从35°到90°。它可能是转弯指示灯进行信息投影的最重要的区域。上文中提到，40%的交通事故发生在车辆转弯过程中，并且行人的交通事故中主要影响区域是车辆的前部，由于可视度不足导致的事故数量较多。目前在许多汽车中这个区块的灯具设置为转向灯的形式，但法规中规定的光照强度很低，并且通常车辆达到某个转向角才会激活。这意味着，激活时车辆已经准备进入该区域。通常情况下，转弯指示灯是在低速的情况下启动的，白光几乎没有信号效应。特别是在白天，琥珀色的光比同等强度的白光更容易识别。

综上所述，汽车需要安装额外的照明装置，该照明装置不仅可以提供与转向灯相同的照明，并且激发时间较早，可以增加额外的信号投影功能。

区域3：车辆侧面区域。该区域的照明效果与二区相比并不重要，同时额外的地面投影只需在距离车辆几米之内即可。然而，这个区域的信息传递效果可能是最好的，因为即使汽车或卡车挡住了后转向指示器，这个区域也仍然可以提供信息。因此，可以考虑在现有的侧面指示灯上增加区域3投影。

区域4：汽车后面的区域。该区域的要求与区域3类似，但如果这一区域投影是可见的，那信号灯具也可能在视线之内。因此这一区域处在一个相对较低的优先级，并将更多的用于开发投影制动灯。

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区域2转向指示灯投影

本文将重点研究投影区域2中的投影，但大部分结论可以应用于其他区域的投影。这个区域对光的功能要求最高，同时也需要考虑与转向灯的叠加。

首先讨论地面投影的形状和位置。关于这个话题，经常有人提出在道路上投射箭头等形状的建议。虽然该方案对于改善自动驾驶车辆与周围环境的交流是合理的，但对于驾驶员来说是否如此尚未可知。根据常识，当黄色灯光开始闪烁时，车辆即将改变方向。如果在这个信号中增加额外的信息，司机的对信息的处理时间可能需要更久。此外，也会增加误解的可能性。保持当前指示灯的简单概念可能是更好的方法。

图2：区域2转弯指示灯地面动态投影示意图，包括基本的移动显示(2a)、交替闪烁显示(2b)、扇形与移动显示的组合(2c)。

该装置的主要目的是增加信息的可见范围，所以应该优先考虑信息投影。可以参考转向灯的分布。转向灯的目标区域是一个很好的范围，转向指示灯在地面的投影也应该在这个区域。最重要的是，它应该涵盖汽车行进中附近的区域。因此，从根本上说，地面投影应该以恒定的光照覆盖整个地面，这对于标准光学来说无疑是一项具有挑战性的任务。

如果考虑到转向指示灯的发展，投影可以选择的形状。一个移动的物体容易引起观察者的注意，因此比一个静止的物体更容易被识别，这一点是确定无疑的。如果投影被分成不同的部分，这些部分连续激活就可以在地面上获得动态效果，从而进一步吸引道路参与者的注意力，如图2a所示。

我们设计了一个照明系统模型，该模型是由五个相同的透镜组成的阵列，每个透镜都将琥珀色LED的光定向到所需的方向(图3a)。将阵列的各个部分旋转到所需的角度。同时激活所有LED将得到一个闪烁的投影，单独激活LED将得到各种动态场景。根据这个模型，可以得到结论：在现在的技术水平下，完全可以实现汽车灯具的投影功能。

我们还开发了另一个基于反射器的模型，将转向灯功能与地面投影相结合(图3b)。方案中将转向灯分割成投影所需的几部分。因此，现在可以分别激活每个转向灯，实现动态投影功能，并且不会影响到转向灯的照明功能。闪烁、扇形、移动的动态效果如图2b、2c所示。

图3：基于透镜(3a)和基于反射镜(3b)的CAD模型

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法规要求

综上所述，由于信号灯增加地面投影功能的提出时间较短，因此法规并没有做出详细规定。如果要在汽车前照灯上安装地面投影装置，目前需要将其作为转向指示灯的一部分，并符合相应区域的转向指示灯法规要求。对于地面投影的动态场景，适用当前关于去除转弯指示灯的规定。这导致了对于可用动态场景的一些限制。

在美国地区(FMVSS)，指示灯的光强没有最大限度要求。而在欧洲(ECE)，转向指示灯的最大限度是为了防止眩光的产生。总的来说这些要求是非常不具体的。为了在确定的法规范围内提供最佳的照明功能，可能需要标准制定者对投影照明灯具做出明确的规定。

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总结

目前的交通统计数据显示，大部分的交通事故都与车辆转弯时的通信或照明不足有关。通过对汽车上常见照明系统的分析，得出可以通过增加地面投影来改善信号功能的结论。因此，我们深入研究了方向指示灯安装的最适合的区域，并提出了各种各样的动态投影效果。通过建立一个模型，可以证明这样的系统已经可以通过现有的技术在汽车上实现。

文章来自中国国际汽车照明论坛论文集