Che cosa sono i fari adattivi?

I fari adattivi utilizzano una combinazione di tecnologie per controllare la direzione, la distanza, la luminosità e il fascio luminoso dei fari per fornire una migliore illuminazione notturna e ridurre al minimo il riflesso per i conducenti di altri veicoli. 

I due tipi comuni di sistemi di fari adattivi sono denominati sistemi di fari a fascio adattivo (ADB) e sistemi di illuminazione anteriore adattativi (AFS). I fari adattivi utilizzano telecamere, radar, lidar e sensori di luce, oltre alle informazioni su condizioni meteorologiche, velocità e guida per rispondere attivamente alle mutevoli situazioni. 

La maggior parte delle funzioni del sistema di fari adattativi può essere classificata in una delle tre seguenti tecnologie dei fari: 

• Abbaglianti automatici: accensione automatica degli abbaglianti quando non ci sono auto davanti al veicolo e ritorno automatico agli anabbaglianti quando vengono rilevate altre auto.
• Fari adattativi in curva: sistema AFS che regola uno o entrambi i fari in curva, in modo che il conducente possa vedere meglio in curva.
• Fari a fascio adattivo (ADB): regola la luminosità delle diverse parti del fascio di luce per fornire più luce nelle aree non occupate e meno in quelle occupate.

La maggior parte dei nuovi veicoli include abbaglianti adattativi o sistemi in cui i fari ruotano durante la marcia in curva. I fari a fascio adattivo che utilizzano la funzione di modellazione del fascio sono disponibili in Europa. I recenti standard NHTSA (National Highway and Traffic Safety Administration) adottati negli Stati Uniti hanno innescato una competizione tra produttori e fornitori di automobili che vendono nel mercato statunitense per sviluppare prodotti che soddisfino i nuovi standard. Lo standard FMVSS 108, in particolare, definisce l'uso della simulazione per la certificazione virtuale ADB. 

Una grande quantità di dati mostra che gli incidenti tra veicoli e quelli tra veicoli e pedoni sono più frequenti durante la notte. Una sconcertante percentuale del 76% degli incidenti mortali che coinvolge i pedoni si verifica di notte. Tra il 12-15% di tutti gli incidenti stradali riferisce come fattore determinante il riflesso dei fari dei veicoli in avvicinamento. I sistemi più recenti che consentono ai conducenti di vedere meglio la strada e più lontano hanno un effetto positivo, riducendo gli incidenti tra veicoli e pedoni fino al 23%. 

Questi numeri hanno portato i produttori automobilistici, tra cui Tesla, Audi, BMW, Ford, Honda, Mercedes-Benz, Porsche e Toyota a esplorare le nuove tecnologie di illuminazione adattiva. Al momento, la tecnologia non è obbligatoria. Tuttavia, il settore automobilistico vede le diverse forme di fari adattivi come un modo per fornire ai consumatori ulteriori caratteristiche di sicurezza e differenziare i loro nuovi veicoli in un mercato altamente competitivo.

I fari non sono più costituiti da un singolo faro anabbagliante e da una singola lampada abbagliante in un riflettore, con interruttori manuali per attivare o disattivare uno o entrambi. I fari sono ora sistemi avanzati con software, assiemi complessi e interfacce di rete dei veicoli. 

Per fornire abbaglianti automatici, luci in curva e modellazione, ogni produttore ha una configurazione e un sistema con nomi specifici, ma la maggior parte dei componenti può essere raggruppata nelle seguenti categorie. 

Sensori

Una serie di sensori raccolgono informazioni, tra cui svolta, velocità del veicolo, condizioni di illuminazione, condizioni meteorologiche, condizioni di guida, larghezza della strada e posizione degli altri veicoli. I veicoli di modello-anno più recente utilizzano ora anche la posizione GPS e i dati delle mappe per fornire proattivamente informazioni al sistema. I sensori possono essere complessi come telecamere ottiche o termiche/a infrarossi e radar, lidar o dispositivi di misurazione sonar già presenti sui veicoli per supportare altri sistemi di sicurezza. Questi dispositivi forniscono le dimensioni, la posizione e la velocità degli oggetti, in particolare delle auto in arrivo. I sensori più semplici forniscono la posizione del volante, le condizioni di illuminazione ambientale e le informazioni meteo. Per ottenere prestazioni precise dei sistemi ADB occorre stabilire un circuito di feedback preciso tra i sensori e l'ECU per consentire l'esecuzione dell'azione necessaria.

Software e componenti elettronici

Le informazioni provenienti dai sensori vengono inviate all'hardware di controllo dei fari adattativi in modo che il software di controllo del sistema possa adattarsi alla situazione corrente. I componenti elettronici possono essere integrati nel gruppo faro, in una centralina separata o nel computer di controllo del veicolo. Oltre alla responsabilità del controllo, il software e i componenti elettronici forniscono alimentazione al gruppo faro con tensione, modulazione ampiezza impulso (PWM) e qualità corrette. 

Gruppo faro

La maggior parte dei sistemi di fari adattativi è costituita dal gruppo faro stesso. Il sistema di controllo indica al gruppo come ruotare i fari, la luminosità di ciascuna sorgente luminosa e le zone chiare e scure per i fari adattativi. Soprattutto, il gruppo faro contiene il percorso ottico della luce. Gli ingegneri utilizzano simulazioni e prototipi estesi per ottimizzare le caratteristiche ottiche del gruppo.

Di seguito è riportata una descrizione di ciascun componente secondario nel gruppo faro: 

Alloggiamento

Il gruppo faro è posizionato all'interno di un modulo di alloggiamento sigillato dall'ambiente, integrato nella parte anteriore del veicolo e sostituibile come unità. 

Lenti e riflettori

La forma e la qualità del fascio di ciascuna sorgente luminosa sono modellate da lenti ottiche integrate nella parte anteriore del gruppo di alloggiamento o dai riflettori dietro la sorgente luminosa. Alcuni riflettori sono adattivi e possono essere regolati o inclinati secondo le istruzioni del sistema adattivo. 

Attuatori

Molti sistemi di fari adattivi modificano il fascio dei fari utilizzando motori passo-passo o attuatori per spostare i componenti nel percorso della luce o per ruotare la direzione di puntamento dell'intero gruppo. Gli attuatori presenti nei gruppi fari devono essere sufficientemente robusti da resistere a urti e vibrazioni del veicolo, a condizioni climatiche estreme e, potenzialmente, all'uso quotidiano per lunghi periodi di tempo. 

Sorgente luminosa

La sorgente luminosa è il cuore di qualsiasi sistema di fari adattativi. Può essere costituita da una o più lampadine alogene, lampade per proiettori allo xeno, lampade a LED, matrice a LED o laser in alcune auto nuove. La scelta della luce determina il costo, il colore della luce e l'intensità. Ogni tipo di sorgente luminosa presenta vantaggi e svantaggi, ma il controllo e la luminosità delle lampade a LED o dei gruppi a matrice le rendono attualmente la sorgente luminosa preferita. 

Modellazione del fascio

Per modificare l'intensità della luce in un fascio vengono utilizzate diverse tecnologie. La luce viene creata o mascherata selettivamente per produrre lo schema desiderato. Di seguito è riportato un elenco degli approcci più comuni: 

• Mascheramento: l'approccio più semplice consiste nell'utilizzare un pezzo di materiale colorato che viene azionato per bloccare la parte superiore del fascio e rimuovere gli abbaglianti quando viene rilevato traffico in avvicinamento, oscurare un veicolo specifico o bloccare la luce che si illumina sul lato della strada. È possibile anche posizionare filtri LCD fissi nel percorso di luce tra la sorgente e le lenti per mascherare il fascio in modo selettivo. 
• Microspecchi: questi sistemi di modellazione funzionano come i proiettori DLP (Digital Light Processing), in cui una sorgente luminosa rivolta all'indietro proietta la luce su un gruppo di microspecchi, che riflette a sua volta la luce in base al modello di luminosità desiderata in avanti attraverso la lente. Questo approccio non solo può fornire ombreggiature selettive, ma può anche essere utilizzato per proiettare messaggi sulla pavimentazione davanti al veicolo. 
• Matrice LED: l'approccio più comune per la modellazione del fascio, spesso chiamato fari a LED adattivi, utilizza una serie di piccole luci a LED luminose disposte in una matrice. Ogni LED diventa un pixel che può essere illuminato o spento secondo necessità. 

Sistema di gestione termica

La creazione di una luce brillante, indipendentemente dalla sorgente luminosa, crea calore significativo. Tuttavia, le nuove sorgenti luminose come i LED creano meno energia a infrarossi rispetto a quelle generate dai sistemi precedenti, che potevano utilizzare tale energia per sciogliere la neve e il ghiaccio dalle lenti. Pertanto, una parte importante di un robusto sistema di fari adattivi è la soluzione di gestione termica che mantiene fredde le sorgenti luminose, il sistema di alimentazione e i componenti elettronici mentre sposta il calore di scarto verso il gruppo lente. 

Gli ingegneri che progettano sistemi di fari adattivi, dai semplici assistenti abbaglianti ai più recenti sistemi AFS, devono affrontare diverse sfide significative:

1. Urti e vibrazioni del veicolo
2. Packaging
3. Tempo di risposta
4. Riflesso 
5. Posizione e modellazione della luce 
6. Gestione termica
7. Ciclo termico
8. Integrazione di sistema
9. Standard di sicurezza
10. Ottimizzazione delle prestazioni
11. Riduzione dei costi
12. Convalida del sistema/test di guida notturna

La maggior parte dei produttori di veicoli ha imparato a integrare lo sviluppo di prodotti basati sulla simulazione nel relativo processo di progettazione al fine di superare queste sfide e ottimizzare i sistemi di fari adattivi in continua evoluzione. La simulazione è spesso utilizzata nei sistemi di illuminazione anteriore adattativi, in particolare nei seguenti modi:

Progettazione e ottimizzazione delle ottiche dei componenti

La simulazione modella la sorgente luminosa, le lenti, i riflettori attivi e passivi nel gruppo faro. Molti esperti di fari utilizzano il software Ansys Zemax OpticStudio per ottimizzare ciascun componente e il gruppo ottico. La natura parametrica dello strumento, l'interfaccia utente intuitiva e i tempi di risoluzione rapidi consentono di osservare facilmente l'ampia varietà di situazioni ottiche visto da un sistema adattivo. 

Visualizzazione virtuale delle prestazioni ottiche

Una volta creata l'ottica dei componenti, gli ingegneri possono posizionare il fascio risultante in uno strumento di modellazione a livello di sistema, come il software Ansys Speos, per visualizzare ciò che il conducente vede mentre percorre la strada. Ogni possibile condizione di guida può essere simulata per verificare il funzionamento del sistema prima che venga realizzato un prototipo. Facendo un ulteriore passo avanti, gli strumenti di simulazione in tempo reale come il software Ansys AVxcelerate Headlamp possono utilizzare l'intero sistema per una guida notturna virtuale e testare il funzionamento dell'intero sistema in qualsiasi scenario di guida. Uno dei passaggi più lunghi e costosi nello sviluppo di un sistema ADB è il test notturno. La simulazione per il test di guida e la convalida può ridurre notevolmente entrambi. 

Progettazione e ottimizzazione elettromeccanica

I componenti e i gruppi, compresi connettori, attuatori, componenti dei fari, moduli elettronici e sistemi di alimentazione, sono tutti sottoposti a carichi elettrici e meccanici che possono essere verificati e progettati nelle prime fasi del processo di progettazione con strumenti quali:

• Software Ansys Mechanical per componenti e gruppi meccanici
• Software Ansys Sherlock per gruppi elettronici
• Software Ansys Maxwell per motori e attuatori

La gestione termica può essere simulata con software meccanico, come il software Ansys Icepak o la soluzione Ansys Fluent. 

Verifica e convalida del software di controllo

Poiché il software di controllo è una parte importante di qualsiasi sistema automobilistico adattivo, è possibile utilizzare uno strumento come l'ambiente Ansys SCADE Suite per modellare e sviluppare il software di controllo dei fari. In combinazione con strumenti di simulazione come il software AVxcelerate Headlamp, il funzionamento del software di controllo può essere verificato e testato in qualsiasi situazione e i requisiti normativi possono essere valutati virtualmente.

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