Que sont les phares adaptatifs ?

Les phares adaptatifs allient de multiples technologies pour contrôler la direction, la distance, la luminosité et la forme du faisceau afin de fournir un meilleur éclairage la nuit tout en limitant l'éblouissement pour les conducteurs des autres véhicules. 

Les deux types les plus courants de systèmes de phares adaptatifs sont les systèmes de feux de route adaptatifs (ADB) et les systèmes d'éclairage avant adaptatifs (AFS). Pour réagir activement aux changements de situation, les phares adaptatifs utilisent des caméras, un radar, un capteur LiDAR et des capteurs de lumière, mais aussi des informations météorologiques, de vitesse et de direction. 

La plupart des fonctions du système de phares adaptatifs peuvent être classées dans l'une des trois technologies de projecteurs suivantes : 

• Feux de route automatiques : les feux de route s'allument lorsqu'aucune autre voiture ne se trouve devant le véhicule, et reviennent aux feux de croisement dès que d'autres véhicules sont détectés.
• Feux de virage adaptatifs : système AFS qui fait pivoter l'un ou les deux faisceaux de phares pour que le conducteur puisse mieux voir dans les virages.
• Feux de route adaptatifs (ADB) : règle la luminosité des différentes parties du faisceau de route pour augmenter la luminosité hors agglomération et la diminuer dans les zones urbaines.

La plupart des nouveaux véhicules sont équipés de feux de route adaptatifs ou de systèmes faisant pivoter les phares dans les virages. Des feux de route adaptatifs modulant la forme des faisceaux sont disponibles en Europe. Les nouvelles normes de la National Highway and Traffic Safety Administration (NHTSA) adoptées aux États-Unis ont lancé les constructeurs et les fournisseurs automobiles du marché américain dans une course au développement pour s'y conformer. La norme FMVSS 108, en particulier, définit l'utilisation de la simulation pour la certification virtuelle ADB. 

De nombreuses données montrent que les accidents entre véhicules et entre véhicules et piétons sont plus fréquents la nuit. Les accidents mortels impliquant des piétons se produisent de nuit dans une proportion effarante de 76 %. Entre 12 et 15 % de tous les accidents de la circulation invoquent l'éblouissement des phares des véhicules venant en sens inverse comme facteur important. Les nouveaux systèmes qui permettent aux conducteurs de voir la route plus en détail et plus loin en avant ont un effet positif, réduisant les collisions entre piétons et véhicules de près de 23 %. 

Ces chiffres ont amené les constructeurs automobiles, notamment Tesla, Audi, BMW, Ford, Honda, Mercedes-Benz, Porsche et Toyota, à explorer de nouvelles technologies d'éclairage adaptatif. À l'heure actuelle, cette technologie n'est pas obligatoire. L'industrie automobile considère néanmoins les diverses formes de phares adaptatifs comme un moyen d'offrir aux consommateurs des fonctionnalités de sécurité supplémentaires et de différencier leurs nouveaux véhicules sur un marché hautement concurrentiel.

Les phares actuels ne se composent plus d'une ampoule de feu de croisement et d'une autre de feu de route dans un réflecteur, avec des commutateurs manuels pour allumer ou éteindre l'un ou les deux. Ce sont désormais des systèmes de pointe comprenant des logiciels, des assemblages complexes et des interfaces réseau de véhicule. 

Chaque fabricant commercialise ses systèmes automatisés de feux de route, de virage et de forme de faisceau sous des configurations et des noms qui lui sont propres. Par contre, la plupart des composants peuvent être regroupés dans les catégories suivantes : 

Capteurs

Des capteurs variés recueillent des informations, notamment sur les virages, la vitesse du véhicule, les conditions d'éclairage, les conditions météorologiques, les conditions de conduite, la largeur de la route et l'emplacement d'autres véhicules. Les véhicules des années-modèles les plus récentes utilisent également les données de localisation GPS et cartographiques pour fournir des informations de manière proactive au système. Il peut s'agir de capteurs aussi complexes que les caméras optiques ou thermiques/infrarouges et les radars, capteurs LiDAR ou sonars déjà installés sur les véhicules en appui à d'autres systèmes de sécurité. Ces dispositifs indiquent la taille, l'emplacement et la vitesse des objets, en particulier des voitures venant en sens inverse. D'autres capteurs plus simples indiquent la position du volant, les conditions d'éclairage ambiant et les informations météorologiques. La performance précise des systèmes ADB est tributaire d'une boucle de rétroaction précise entre les capteurs et l'ECU qui contribue à l'exécution de l'action recherchée.

Logiciel et électronique

Les informations provenant des capteurs sont transmises au matériel de contrôle adaptatif des phares afin que le logiciel de commande pilotant le système puisse s'adapter à la situation en temps réel. L'électronique peut être intégrée dans le bloc optique, dans une unité de commande séparée ou dans l'ordinateur de commande du véhicule. Outre le contrôle, le logiciel et l'électronique ont aussi pour responsabilité d'alimenter le bloc optique avec la tension, la modulation de largeur d'impulsion (PWM) et la qualité appropriées. 

Bloc optique

L'essentiel d'un système de phares adaptatifs est constitué par le bloc optique lui-même. Le système de commande indique au bloc comment faire pivoter les phares, la force de chaque source lumineuse, ainsi que les zones claires et sombres pour les faisceaux de route adaptatifs. Plus important encore, le bloc optique contient le trajet optique de la lumière. Les ingénieurs font appel à une simulation et à un prototypage approfondis pour en optimiser les caractéristiques optiques.

Les sous-composants du bloc optique peuvent être décrits comme suit : 

Boîtier

L'unité est logée dans un module de boîtier étanche à l'environnement, intégré à l'avant du véhicule et pouvant être remplacé en bloc. 

Lentilles et réflecteurs

La forme et la qualité du faisceau de chaque source lumineuse sont modulées par des lentilles optiques intégrées à l'avant du boîtier, ou par des réflecteurs situés derrière la source lumineuse. Certains réflecteurs adaptatifs peuvent être réglés ou inclinés selon les instructions du système adaptatif. 

Actionneurs

De nombreux systèmes de phares adaptatifs modifient le faisceau des phares à l'aide de moteurs pas-à-pas ou d'actionneurs, en déplaçant les composants situés sur le trajet de la lumière, ou en faisant pivoter la direction de pointage de l'ensemble. Les actionneurs des phares doivent être suffisamment robustes pour résister aux chocs et aux vibrations du véhicule, aux conditions météorologiques extrêmes et à une utilisation quotidienne sur de longues périodes. 

Source lumineuse

La source lumineuse est le cœur de tout système de phares adaptatifs. Elle peut être constituée d'une ou plusieurs ampoules halogènes, de projecteurs au xénon, d'ampoules LED, d'une matrice LED, ou même de lasers dans certains nouveaux véhicules. Le choix de la source détermine le coût, la couleur et l'intensité de la lumière. Chaque type présente des avantages et des inconvénients, mais le contrôle et la luminosité des ampoules ou des matrices LED en font la source lumineuse la plus populaire actuellement. 

Modulation de la forme du faisceau

Diverses technologies sont utilisées pour modifier l'intensité de la lumière dans un faisceau. La lumière est soit générée sélectivement, soit masquée pour produire la forme désirée. Les approches les plus courantes sont récapitulées ci-après : 

• Masquage : L'approche la plus simple consiste à utiliser un morceau de matériau teinté qui est actionné pour bloquer la partie supérieure du faisceau et ainsi couper le feu de route lorsque des véhicules roulant en sens inverse sont détectés, ombrer un véhicule spécifique, ou éviter les scintillements sur le côté de la route. Des filtres LCD fixes peuvent également être placés dans le trajet de la lumière entre la source et les lentilles pour masquer le faisceau de manière sélective. 
• Micro-miroirs : Ces systèmes de modulation de forme fonctionnent comme des projecteurs de traitement numérique de la lumière (DLP), dans lesquels une source lumineuse orientée vers l'arrière projette la lumière sur un ensemble de micro-miroirs. Celui-ci réfléchit ensuite la lumière en lui conférant la forme souhaitée vers l'avant à travers la lentille. Outre sa capacité à fournir un ombrage sélectif, cette technique peut également être utilisée pour projeter des messages sur la chaussée devant le véhicule. 
• Matrice LED : L'approche la plus courante pour moduler la forme du faisceau, souvent appelée phares à LED adaptatifs, utilise un réseau de petites ampoules LED brillantes disposées en matrice. Chaque LED devient un pixel qui peut être éclairé ou obscurci selon les besoins. 

Système de gestion thermique

La production d'une lumière vive, quelle que soit la source lumineuse, génère une chaleur importante. Cependant, les nouvelles sources telles que les LED génèrent moins d'énergie infrarouge que les systèmes plus anciens. Ceux-ci, d'ailleurs, pouvaient auparavant utiliser cette énergie pour faire fondre la neige et la glace des lentilles. À cet égard, la solution de gestion thermique constitue une partie importante d'un système de phares adaptatifs robuste. Elle empêche en effet les sources lumineuses, le système d'alimentation et l'électronique de surchauffer tout en déplaçant la chaleur perdue vers l'ensemble de lentilles. 

Les ingénieurs qui conçoivent des systèmes de phares adaptatifs, des simples assistants de feux de route à l'AFS le plus récent, doivent relever plusieurs défis importants :

1. Chocs et vibrations du véhicule
2. Encapsulation
3. Temps de réponse
4. Éblouissement 
5. Emplacement et forme de la lumière 
6. Gestion thermique
7. Cyclage thermique
8. Intégration du système
9. Normes de sécurité
10. Optimisation des performances
11. Réduction des coûts
12. Validation du système/test de conduite nocturne

La plupart des constructeurs automobiles ont appris à intégrer le développement de produits piloté par la simulation dans leur processus de conception afin de surmonter ces défis et d'optimiser leurs systèmes de phares adaptatifs en constante évolution. La simulation est la plus couramment utilisée sur les systèmes de feux avant adaptatifs comme suit :

Conception et optimisation de composants optiques

La simulation modélise la source lumineuse, les lentilles, et les réflecteurs actifs et passifs du bloc optique. De nombreux experts en phares utilisent le logiciel Ansys Zemax OpticStudio pour optimiser chaque composant et le bloc optique dans son ensemble. La nature paramétrique de l'outil, l'interface utilisateur intuitive et les temps de résolution rapides facilitent l'examen de la grande variété de situations optiques qu'un système adaptatif rencontrera. 

Visualisation virtuelle des performances optiques

Une fois l'optique des composants terminée, les ingénieurs peuvent placer le faisceau ainsi obtenu dans un outil de modélisation au niveau système, comme le logiciel Ansys Speos, pour visualiser ce que le conducteur voit lorsqu'il roule sur la route. Toutes les conditions de conduite possibles peuvent être simulées pour voir comment le système fonctionne avant la construction d'un prototype. Pour aller plus loin, des outils de simulation en temps réel comme le logiciel Ansys AVxcelerate Headlamp peuvent embarquer le système complet dans une excursion nocturne virtuelle. Le comportement de l'ensemble du système y sera testé dans n'importe quel scénario de conduite. L'une des étapes les plus coûteuses et les plus chronophages du développement d'un système ADB est le test nocturne. La simulation des tests de conduite et de la validation peut réduire considérablement ces deux facteurs. 

Conception et optimisation électromécaniques

Les composants et assemblages, tels que les connecteurs, les actionneurs, les composants de phare, les modules électroniques et les systèmes d'alimentation, sont tous exposés à des charges électriques et mécaniques qui peuvent être étudiées et conçues dès les premières étapes de la conception, avec des outils tels que :

• Le logiciel Ansys Mechanical pour les composants et assemblages mécaniques
• Le logiciel Ansys Sherlock pour les assemblages électroniques
• Le logiciel Ansys Maxwell pour les moteurs et actionneurs

La gestion thermique peut être simulée avec le logiciel Mechanical, le logiciel Ansys Icepak ou la solution Ansys Fluent. 

Vérification et validation du logiciel de commande

Le logiciel de commande étant une partie importante de tout système automobile adaptatif, un outil comme l'environnement Ansys SCADE Suite peut être utilisé pour modéliser et développer le logiciel de commande des phares. Combiné à des outils de simulation tels que le logiciel AVxcelerate Headlamp, il permet de vérifier et tester le comportement du logiciel de commande dans n'importe quelle situation, et les exigences réglementaires peuvent être évaluées virtuellement.

Ressources connexes