智能車傳感技術(shù)

1、智能車的傳感器技術(shù)智能車的傳感器技術(shù)匯報人：雷威指導(dǎo)老師：彭永勝傳感器的作用傳感器是一種變換器，可以將來自外界的各種信號轉(zhuǎn)變成計算機能夠識別的電信號。在智能車輛技術(shù)中，傳感器負(fù)責(zé)采集車輛所需要的信息，包括感知汽車自身，汽車行駛的周圍環(huán)境及駕駛員本身的狀態(tài)等，為智能車的安全行駛提供及時、準(zhǔn)確、可靠的決策依據(jù)。因此，在智能車輛技術(shù)中，傳感器就相當(dāng)于系統(tǒng)的感受器官，快速、精確地獲取信息，是實現(xiàn)車輛安全行駛的保證。傳感器技術(shù)作為促進(jìn)汽車智能化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，承擔(dān)著重要的角色，已被廣泛用于智能車的防碰撞、車道保持、自巡航等系統(tǒng)中。智能汽車設(shè)計中涉及到的傳感器主要有三種：光電式傳感器、圖像傳感器和測速

2、傳感器。1.圖像傳感器技術(shù) 技術(shù)特點圖像傳感技術(shù)是在光電技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，利用光電器件的光電轉(zhuǎn)化功能，將其感光面上的光信號轉(zhuǎn)換為與光信號成對應(yīng)比例關(guān)系的電信號“圖像”的一門技術(shù)，該技術(shù)將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成一維時序信號，其關(guān)鍵器件是圖像傳感器。使用特點圖像傳感器又稱為成像器件或攝像器件，可實現(xiàn)可見光、紫外線、X射線、近紅外光等的探測，是現(xiàn)代視覺信息獲取的一種基礎(chǔ)器件。因其能實現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴展（光譜拓寬、靈敏度范圍擴大），能給出直觀、真實、多層次、多內(nèi)容的可視圖像信息。圖像傳感器的類型按感光波長：可見光，紅外可見光傳感器將可見光作為被測量，并轉(zhuǎn)化成輸出信號的器件。特性1.暗電流小

3、，低照度響應(yīng)，靈敏度高，電流隨光照度增強曾線性變化2.內(nèi)置雙敏感源，自動衰減近紅外，光譜響應(yīng)接近人眼函數(shù)曲線3.內(nèi)置微信號CMOS放大器、高精度電壓源和修正電路，輸出電流大，工作電壓范圍寬，溫度穩(wěn)定性好。4.可選光學(xué)納米材料封裝，可見光透過，紫外線截止、近紅外相對衰減，增強了光學(xué)濾波效果。紅外傳感器紅外傳感器是一種以紅外線為介質(zhì)來完成測量功能的傳感器。工作原理1)待測目標(biāo)：根據(jù)其紅外輻射特性來對紅外系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定2)大氣衰減：待測物的紅外輻射通過大氣層時會受到多種物質(zhì)的影響發(fā)生衰減現(xiàn)象3)光學(xué)接收器：用于接受部分紅外輻射并將其傳輸至紅外傳感器4)輻射調(diào)制器：又稱為調(diào)制盤或斬波器，用于將紅外輻射調(diào)

4、制成交變的形式以提供待測物的方位信息，并濾除干擾信號5)紅外探測器：是紅外系統(tǒng)的核心，用于探測紅外輻射6)探測器制冷器：用于給系統(tǒng)制冷以提高工作效率7)信號處理系統(tǒng)：將信號進(jìn)行放大、濾波等處理以提取所需信息并將有效信息輸送至顯示設(shè)備8)顯示設(shè)備：是紅外系統(tǒng)的終端設(shè)備，用于有效信息的顯示按成像器件：CCD，CMOSCCD圖像傳感器（電荷耦合原件）從結(jié)構(gòu)上可以分為兩類：一類是用于獲取線圖像的，稱為線陣CCD；另一類是用于獲取面圖像的，稱為面陣CCD。（1）線陣CCD圖像傳感器對于線陣CCD，它可以直接接收一維光信息，而不能直接將二維圖像轉(zhuǎn)換為一維的電信號輸出，為了得到整個二維圖像的輸出，就必須用行

5、掃描的方法來實現(xiàn)。（2）面陣CCD圖像傳感器面陣CCD圖像傳感器的感光單元呈二維矩陣排列，能檢測二維平面圖像。由于傳輸與讀出方式不同，面陣圖像傳感器有許多類型，常見的傳輸方式有行傳輸、幀傳輸和行間傳輸三種。CMOS傳感器（金屬氧化物半導(dǎo)體元件）CMOS傳感器采用一般半導(dǎo)體電路最常用的CMOS工藝，具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等特點，最近幾年在寬動態(tài)、低照度方面發(fā)展迅速。CMOS即互補性金屬氧化物半導(dǎo)體，主要是利用硅和鍺兩種元素所做成的半導(dǎo)體，通過CMOS上帶負(fù)電和帶正電的晶體管來實現(xiàn)基本的功能。CCD與CMOS的對比CCD提供很好的圖像質(zhì)量、抗噪能力和相機設(shè)計時的靈活性。盡管由于增加了

6、外部電路使得系統(tǒng)的尺寸變大，復(fù)雜性提高，但在電路設(shè)計時可更加靈活，可以盡可能的提升CCD相機的某些特別關(guān)注的性能。CCD更適合于對相機性能要求非常高而對成本控制不太嚴(yán)格的應(yīng)用領(lǐng)域，如天文，高清晰度的醫(yī)療X光影像、和其他需要長時間曝光，對圖像噪聲要求嚴(yán)格的科學(xué)應(yīng)用。CMOS是能應(yīng)用當(dāng)代大規(guī)模半導(dǎo)體集成電路生產(chǎn)工藝來生產(chǎn)的圖像傳感器，具有成品率高、集成度高、功耗小、價格低等特點。CMOS技術(shù)是世界上許多圖像傳感器半導(dǎo)體研發(fā)企業(yè)試圖用來替代CCD的技術(shù)。經(jīng)過多年的努力，作為圖像傳感器，CMOS已經(jīng)克服早期的許多缺點，發(fā)展到了在圖像品質(zhì)方面可以與CCD技術(shù)較量的水平。CMOS的水平使它們更適合應(yīng)用于要

7、求空間小、體積小、功耗低而對圖像噪聲和質(zhì)量要求不是特別高的場合。按使用方式：單目，雙目(立體)，全景單目視覺技術(shù)通過單個相機實現(xiàn)所有路面場景感知的技術(shù)。立體視覺技術(shù)從2個（或多個）視點觀察同一景物，以獲得在不同視角下的感知圖像。通過三角測量原理計算圖像像素間的位置偏差（即視差）來獲取景物的三維信息。全景視覺技術(shù)全景攝像機是一款水平接近180度的全景監(jiān)控設(shè)備，它采用三個高清720p攝像機進(jìn)行采集，全景分辨率最高可以達(dá)到2800720，后端采用高端圖形工作站進(jìn)行圖像處理。1.2 圖像傳感器的結(jié)構(gòu)原理 成像物鏡將外界照明光照射下的(或自身發(fā)光的)景物成像在物鏡的像面上（焦平面）,并形成二 維空間的光

8、強分布(光學(xué)圖像)。能夠?qū)⒍S光強分布的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成一維時序電信號的傳感器稱為圖像傳感器。圖像傳感器輸出的一維時序信號經(jīng)過放大和同步控制處理后，送給圖像顯示器，可以還原并顯示二維光學(xué)圖像。當(dāng)然，圖像傳感器與圖像顯示器之間的信號傳輸與接收都要遵守一定的規(guī)則，這個規(guī)則被稱為制式。1.2.1 相機的結(jié)構(gòu)和工作原理攝像頭以隔行掃描的方式采樣圖像，當(dāng)掃描到某點時，就通過圖像傳感芯片將該點處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度對應(yīng)的電壓值，然后將此電壓值通過視頻信號端輸出。具體而言（參見圖1），攝像頭連續(xù)地掃描圖像上的一行，就輸出一段連續(xù)的視頻信號，該電壓信號的高低起伏正反映了該行圖像的灰度變化情況。當(dāng)掃描完一行，視

9、頻信號端就輸出一個低于最低視頻信號電壓的電平（如0.3 V），并保持一段時間。這樣相當(dāng)于緊接著每行圖像對應(yīng)的電壓信號之后會有一個電壓“凹槽”，此“凹槽”叫做行同步脈沖，它是掃描換行的標(biāo)志。然后掃描新的一行，如此下去，直到掃描完該場的信號，接著會出現(xiàn)一段場消隱信號。其中有若干個復(fù)合消隱脈沖（簡稱消隱脈沖），在這些消隱脈沖中，有一個消隱脈沖遠(yuǎn)寬于其他的消隱脈沖（即該消隱脈沖的持續(xù)時間遠(yuǎn)長于其他的消隱脈沖的持續(xù)時間），該消隱脈沖又稱為場同步脈沖，標(biāo)志著新的一場的到來。攝像頭每秒掃描25幀圖像，每幀又分奇、偶兩場，故每秒掃描50場圖像。圖11.2.2 雙目視覺結(jié)構(gòu)和工作原理立體視覺系統(tǒng)由左右兩部攝像機

10、組成。如右所示，圖中分別以下標(biāo)L和r標(biāo)注左、右攝像機的相應(yīng)參數(shù)。世界空間中一點A(X，Y，Z)在左右攝像機的成像面CL和CR上的像點分別為al(ul，vl)和ar(ur，vr)。這兩個像點是世界空間中同一個對象點A的像，稱為“共軛點”。知道了這兩個共軛像點，分別作它們與各自相機的光心Ol和Or的連線，即投影線alOl和arOr，它們的交點即為世界空間中的對象點A(X，Y，Z)。這就是立體視覺的基本原理。1.2.3 全景視覺中的相機布置和圖像處理要求對于無人駕駛平臺的應(yīng)用，一般采用魚眼鏡頭相機成像和折反射全景成像這兩種成像技術(shù)。采用魚眼鏡頭相機成像，需要安裝兩個魚眼鏡頭相機，一個捕捉車輛前方18

11、0視場范圍的視覺信息，一個捕獲車輛后方180視場范圍的視覺信息，從而達(dá)到全景視覺效果。1.2.4 紅外相機的結(jié)構(gòu)和成像特點紅外遙感是指借助對紅外線敏感的探測器，不直接接觸物體，來記錄物體對紅外線的輻射、反射、散射等信息，通過分析，揭示出物體的特征及其變化的科學(xué)技術(shù)。紅外遙感技術(shù)中能獲得圖像信息的儀器有：使用紅外線膠片的照相機，具有紅外攝影功能的數(shù)碼相機，熱像儀等。雖然它們都利用紅外線工作，但成像原理和所成的圖像的物理意義有很大的區(qū)別。紅外攝影通常指利用紅外線膠片和數(shù)碼相機進(jìn)行的攝影；前者屬于光學(xué)攝影類，后者屬于光電攝影類。2. 激光雷達(dá)技術(shù)n2.1激光雷達(dá)概述雷達(dá)屬于主動傳感器，即雷達(dá)對物體的

12、感知信息來源于自身，而攝像機作為被動傳感器則是被動接受外界環(huán)境中物體的信息，因此相對于機器視覺而言，雷達(dá)受外界環(huán)境影響很小，在深度信息的獲取上，其可靠性和精確性要高于被動傳感器。其優(yōu)點可概括為以下幾點：（1）激光雷達(dá)采用主動測距法，因此對環(huán)境光的強弱和物體色彩具有很強的魯棒性。（2）激光雷達(dá)直接返回被測物體到雷達(dá)的距離，與立體視覺復(fù)雜的視差深度轉(zhuǎn)換算法相比更直接，而且測距更準(zhǔn)確。（3）速度快，時效性好，視距大，測距范圍大。激光雷達(dá)的類型按感光波長：民用（950nm），軍用（1250nm）按探測原理：單線激光雷達(dá)，多線激光雷達(dá)按掃描方式：機械掃描，固態(tài)2.2 激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)原理2.2.1 二維激

13、光雷達(dá)二維激光雷達(dá)也稱為單線激光雷達(dá)，其中只有一條掃描線，通過旋轉(zhuǎn)掃描得到一條線上的深度信息。二維激光雷達(dá)的激光脈沖束通過旋轉(zhuǎn)鏡面實現(xiàn)角度變換，得到周圍環(huán)境的扇形掃描。目標(biāo)物體的外部輪廓由接收到的反射脈沖的順序決定。2.2.2 三維激光雷達(dá)三維激光雷達(dá)可以分為單向多線和三維全向激光雷達(dá)。其中單線掃描激光雷達(dá)只有一條掃描線，通過旋轉(zhuǎn)掃描得到一條線上的深度信息，多線掃描激光雷達(dá)通過多條掃描線的旋轉(zhuǎn)掃描，得到多條線上的深度信息。2.3 不同激光雷達(dá)的成像特點二維掃描型雷達(dá)是通過掃描鏡與指向鏡的協(xié)同作用來對目標(biāo)面進(jìn)行二維掃描，它可以避免因單面45旋轉(zhuǎn)掃描鏡產(chǎn)生反射旋轉(zhuǎn)造成多遠(yuǎn)列探測器并掃波段的掃描圖像

14、產(chǎn)生像旋畸變得情況。但由于二維激光雷達(dá)只能探測一個平面，反映在目標(biāo)探測結(jié)果探測到目標(biāo)的一條切線，一方面會極大降低雷達(dá)對三維環(huán)境所有目標(biāo)的感知能力，另一方面也使得對于重要目標(biāo)的形狀感知能力降低。三維激光雷達(dá)能夠在一定垂直角度范圍內(nèi)感知全向所有目標(biāo)，而且能夠給出目標(biāo)的結(jié)構(gòu)特征，這樣就對于區(qū)分行人，車輛，靜止路表等功能提供非常有利的前提。3. 毫米波雷達(dá)技術(shù)3.1毫米波雷達(dá)概述毫米波雷達(dá)使用毫米波 （millimeter wave ）通常毫米波是指30300GHz頻域(波長為110mm)的。毫米波的波長介于厘米波和光波之間，因此毫米波兼有微波制導(dǎo)和光電制導(dǎo)的優(yōu)點。同厘米波導(dǎo)引頭相比，毫米波導(dǎo)引頭具有

15、體積小、質(zhì)量輕和空間分辨率高的特點。與紅外、激光、電視等光學(xué)導(dǎo)引頭相比，毫米波導(dǎo)引頭穿透霧、煙、灰塵的能力強，具有全天候(大雨天除外)全天時的特點。另外，毫米波導(dǎo)引頭的抗干擾、反隱身能力也優(yōu)于其他微波導(dǎo)引頭 。3.2 毫米波雷達(dá)的結(jié)構(gòu)與工作理如右圖所示，發(fā)射信號按雷達(dá)計算機控制的速率，通過雙工器輸出?；夭ㄐ盘柕姆祷貢r間也由該計算機控制，該信號被輸入到接收機，在此，它經(jīng)下變頻處理并采樣。得到的信號由數(shù)字脈沖壓縮系統(tǒng)壓縮處理。該數(shù)字信號被記錄在一個“廉價硬盤冗列”(redundant array of inex-pensive disks)(RAID)記錄系統(tǒng)上，并且也輸入到一個陣列處理機上，該陣

16、列處理機對這些數(shù)字實施綜合處理。4. 其它傳感器簡介4.1 超聲波傳感器超聲波傳感器是將超聲波信號轉(zhuǎn)換成其他能量信號（通常是電信號）的傳感器。超聲波是振動頻率高于20KHz的機械波。它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。由發(fā)送傳感器(或稱波發(fā)送器)、接收傳感器(或稱波接收器)、控制部分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成，換能器作用是將陶瓷振子的電振動能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中輻射；而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收波產(chǎn)生機械振動，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出。4.2 轉(zhuǎn)速測量傳感器霍爾傳感器的工作原理霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)，下是三種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動，固定在轉(zhuǎn)盤