汽車試驗學(xué)課件 第3章 汽車測試系統(tǒng)的傳感器2-

3.8光電式傳感器

1.光電式傳感器的工作原理

光電式傳感器是將被測量的變化通過光信號（如光的強度、頻率）轉(zhuǎn)換為電信號或稱電量的一種傳感器，屬于非接觸式測量。

光電式傳感器的工作原理是利用光電效應(yīng)。光電效應(yīng)是指某些半導(dǎo)體器件，在受到可見光照射后，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出的效應(yīng)，即光生電的效應(yīng)。在汽車試驗中，用到的光電器件或光電式傳感器主要有光敏電阻、發(fā)光二極管、光敏二極管、光敏三極管。2.常用的幾種光電式傳感器

光敏電阻是在玻璃底板上涂一層對光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，兩端有梳狀金屬電極，然后在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜或壓入塑料封裝體內(nèi)，就制成一只光敏電阻。圖3-24光敏電阻

把光敏電阻

連接到如圖3-25所示電路中，在外加電壓的作用下，回路中電流，隨光敏電阻的阻值變化而變化，通過光照強弱可以改變光敏電阻的阻值，從而改變電路中電流的大小。圖3-25光敏電阻基本電路（1）光敏電阻（2發(fā)光二極管

發(fā)光二極管又稱LED，其工作原理是利用固體材料的電致發(fā)光，半導(dǎo)體摻雜材料不同時，發(fā)光二極管發(fā)出的光顏色不同，有紅、綠、黃色等，它是一種將電能轉(zhuǎn)換為光能的器件。在P-N結(jié)加正向電壓時，電子與空穴結(jié)合過程中發(fā)射一定頻率的光信號。光敏二極管加反向電壓。電路符號如圖3-26所示。圖3-26發(fā)光二極管電路符號發(fā)光二極管（3）光敏二極管

光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，它們都有一個P-N結(jié)，并且都是單向?qū)щ姷姆蔷€性元件，一般光敏二極管封裝在透明玻璃外殼中，P-N結(jié)在管子的頂部，可以直接受到光的照射，為了提高轉(zhuǎn)換效率，增大受光面積，P-N結(jié)的面積比一般二極管大。圖3-27光敏二極管

光敏二極管加反向電壓，在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)，無光照時反向電阻很大，反向電流很小，此反向電流稱為暗電流。當(dāng)有光照在P-N結(jié)時，P-N結(jié)處產(chǎn)生光生電子-空穴對，光生電子-空穴對在反向偏壓和P-N結(jié)內(nèi)電場作用下作定向運動，形成光電流，光電流隨入射光強度變化，光照越強，光電流越大。圖3-28光敏二極管工作原理（4）光敏三極管

光敏三極管在結(jié)構(gòu)上與一般三極管相似，與普通三極管不同的是，光敏三極管是將集電結(jié)作為光敏二極管，無論是NPN型還是PNP型，都用集電結(jié)做受光結(jié)。大多數(shù)光敏三極管的基極無引線，集電結(jié)加反向偏置技能電壓。玻璃封裝上有個小孔，讓光照射到基區(qū)，結(jié)構(gòu)上有單體型和集合型。圖3-29光敏三極管結(jié)構(gòu)

當(dāng)光照射在集電結(jié)上時，集電結(jié)附近產(chǎn)生光生電子-空穴對，在外電場作用下光生電子被拉向集電極，基區(qū)留下正電荷（空穴），同時使基極與發(fā)射極之間的電壓升高，發(fā)射極便有大量電子經(jīng)基極流向集電極，形成三極管輸出電流，使光敏三極管具有電流增益，從而在集電極回路中得到一個放大了的信號電流。該電流信號在負(fù)載電阻上的輸出電壓為圖3-30光敏三極管電路符號及等效電路（3-17）2.光電式傳感器的應(yīng)用

（2）測量轉(zhuǎn)速和計數(shù)光電式傳感器可用于轉(zhuǎn)速的測量。3-31a的結(jié)構(gòu)是在圓盤上開孔，被稱作“投射式”，轉(zhuǎn)盤2固定在被測軸1上，被測軸1帶動轉(zhuǎn)盤2旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤上開有一圈孔（或光柵）。光源3發(fā)出的光由透光器4匯聚，投向轉(zhuǎn)盤上孔所在的半徑處。如果轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)到孔對準(zhǔn)光源的方位，光線就穿過孔并被受光器5里面的光敏二極管或光敏三極管的光電元件6所接受，產(chǎn)生一個電信號脈沖，電脈沖的頻率等于單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)過的孔數(shù)，也就是和轉(zhuǎn)速成正比。

圖3-31b的結(jié)構(gòu)是在圓盤的外緣涂上黑白相間的條紋，被稱作“反射式”所示，光源持續(xù)發(fā)光，圓盤的軸轉(zhuǎn)動時，反光與不反光交替出現(xiàn)，光敏二極管或光敏三極管的光電元件接受間斷的反光信號，進(jìn)而形成電脈沖頻率輸出。圖3-31光電式傳感器測量轉(zhuǎn)速和計數(shù)2.光電式傳感器的應(yīng)用

（2）測量轉(zhuǎn)速和計數(shù)光電式傳感器可用于計數(shù)，構(gòu)成計數(shù)器，用于變速器、傳動軸的疲勞試驗中，計數(shù)軸轉(zhuǎn)過的圈數(shù)。若在圖3-32中的投射式的圓盤上只開一個孔或在反射式的圓盤的外緣只涂上一條白色的條紋，則軸轉(zhuǎn)一圈，受光器只接受一個光信號，通過計數(shù)光信號的個數(shù)，可計數(shù)軸轉(zhuǎn)過的圈數(shù)。圖3-32光電式傳感器測量轉(zhuǎn)速和計數(shù)2.光電式傳感器的應(yīng)用

（3）檢測汽車左右車輪的對稱度和前后軸的平行度

檢測汽車左右車輪的對稱度和前后軸的平行度如圖3-32所示，輪與車輪之間或車軸與車軸之間相互發(fā)光、受光，通過受光器上光敏元件感受到的光點位置，檢測汽車左右車輪的對稱度和前后軸的平行度，判定車輪或車軸之間的相對位置是否正常。這種光電測試系統(tǒng)的發(fā)光器發(fā)出的通常是不可見的紅外光線。圖3-32檢測汽車左右車輪的對稱度和前后軸的平行度2.光電式傳感器的應(yīng)用

平板車尋跡行駛

平板車在企業(yè)的車間內(nèi)尋跡行駛，引導(dǎo)線為地面上白色或黃色或其它有色的引導(dǎo)平板車行駛的線；兩個光源和兩個受光器均在平板車上并分布在引導(dǎo)線的中心線的兩側(cè)，引導(dǎo)線的上方的光源發(fā)出的光經(jīng)引導(dǎo)線反射后，由光敏二極管或光敏三極管的受光器接收。如果平板車沿引導(dǎo)線行駛，則兩個受光器均接收到較穩(wěn)定的光信號；如果有一個光源發(fā)出的光不經(jīng)引導(dǎo)線反射，受光器接收的光的強度變?nèi)?，則可判別平板車偏離引導(dǎo)線行駛，并可通過前輪轉(zhuǎn)向，使平板車回到沿引導(dǎo)線行駛。平板車尋跡行駛2.光電式傳感器的應(yīng)用光電式傳感器非接觸檢測3.9熱電式傳感器1.幾種熱電式傳感器

（1）熱電偶圖3-33熱電偶

兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)體A和B，兩端緊密地連接在一起，形成一個回路。當(dāng)兩個結(jié)合點T0和T存在溫差時，則在導(dǎo)體A和B之間產(chǎn)生電勢差，形成一個原電池，稱為熱電動勢，進(jìn)而在回路中形成電流。由這兩種對偶導(dǎo)體材料組成并將溫度（實際上是T與T0的溫差）轉(zhuǎn)換成熱電動勢的傳感器就稱為熱電偶，這種效應(yīng)稱為熱效應(yīng)。

如果在由A、B兩極構(gòu)成的熱電偶回路中接人中間電路，只要確保中間電路的兩端溫度相同，那么熱電偶的輸出熱電動勢仍只取決于兩端的溫度差T-T0，和引入的中間電路無關(guān)，如圖3-34所示。在實際應(yīng)用中，中間電路可以是其他測量儀表、電路或連接導(dǎo)線。圖3-34熱電偶兩極間接入中間電路的方式1.幾種熱電式傳感器

（2）熱電阻

熱電阻是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化測溫。熱電阻的熱敏元件是金屬導(dǎo)體電阻。一般來說，金屬導(dǎo)體的電阻率隨著溫度的升高而增大。常用的熱電阻材料是鉑、銅、鎳、鐵等純金屬。為進(jìn)行低溫和超低溫測量，開發(fā)了銦、錳、碳等材料熱電阻。

熱電阻傳感器一般用于測量的溫度范圍為-200~500℃。材料的電阻一溫度特性穩(wěn)定，其對應(yīng)關(guān)系一般是非線性的，試驗結(jié)果的精度和重復(fù)性好。與熱電偶相比，不存在冷端溫度To的控制問題。1.幾種熱電式傳感器

（3）熱敏電阻

熱敏電阻是利用的電阻隨溫度變化測溫。熱敏電阻的半導(dǎo)體材料通常是鈷、錳、鎳等金屬氧化物的混合燒結(jié)物。熱敏電阻的電阻率隨溫度的升高可能升高，也可能降低。

熱敏電阻的優(yōu)點主要在于溫度系數(shù)高，而且熱慣性很小，靈敏度高，適于動態(tài)測量。缺點是溫度系數(shù)隨溫度變化而變化，也就是輸出電阻率與輸入溫度不成線性關(guān)系。

另外，熱敏電阻的自身電阻值很高，因此導(dǎo)線電阻對于測量的影響很小，這是優(yōu)點。但是，電阻值過高，使得通過不大的電流就會產(chǎn)生較大的發(fā)熱量和溫升，這種溫升是施加測量電流產(chǎn)生的、而不是被測對象產(chǎn)生的，對測量來說是一種誤差，因此要嚴(yán)格控制測量電流。2.熱電式傳感器的應(yīng)用

發(fā)動機的進(jìn)氣溫度傳感器用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻制成，如圖3-35所示，熱敏電阻被包在殼體中，溫度升高，電阻呈非線性降低。發(fā)動機的冷卻液溫傳感器與進(jìn)氣溫度傳感器的結(jié)構(gòu)類似。圖3-35進(jìn)氣溫度傳感器3.10圖像式傳感器

1.圖像式傳感器的工作原理及功能

圖像式傳感器的核心器件是電荷藕合器。它是一種大規(guī)模集成電路的半導(dǎo)體光敏器件。CCD是以半導(dǎo)體為襯底，在其上覆蓋一層Si02絕緣層，再在Si02表面排列金屬電極（也稱像素或像元）而成，如圖3-36所示，各像素間縫隙很小，只有0.2~2μm。圖3-36CCD的結(jié)構(gòu)、光電轉(zhuǎn)換原理根據(jù)像素排列的方法不同，CCD可分為一維線陣式（如圖3-37所示）和二維面陣式（如圖3-38所示）。圖3-37線陣CCD圖像式傳感器圖3-38面陣CCD圖像式傳感器3.10圖像式傳感器圖3-36CCD的結(jié)構(gòu)、光電轉(zhuǎn)換原理

CCD器件有如下三種處理電荷的功能：1)光電變換功能（由光產(chǎn)生電荷）。當(dāng)光照射在CCD的像素上時，像素將產(chǎn)生電子形成電荷，光照越強，產(chǎn)生的電荷越多，如圖3-36所示。2)電荷存儲功能。當(dāng)某電極（像素）上加上一個正電壓時，由于電場作用，就會在該電極下產(chǎn)生“勢阱”，實現(xiàn)電荷在像素上存儲。

3)電荷轉(zhuǎn)移功能。CCD是采用“勢阱”，一個一個地分別獲得各個像素的電荷信息的。假如在第一個電極上加一個+5V的電壓，那么在此電極下就會產(chǎn)生一個“勢阱”，如果在第二個電極上加上+10V的電壓，電荷就會流入這個新的“勢阱”“桶”內(nèi)，如圖3-39所示。圖3-39CCD電荷轉(zhuǎn)移2.圖像式傳感器的應(yīng)用

（1）利用CCD圖像式傳感器檢測汽車車輪的定位參數(shù)

四組測量頭分別對著四個車輪，每個測量頭由三個傳感器總成組成，每個傳感器都包含一個激光器和一個CCD器件。三個激光器所發(fā)出的三條激光線分別射在被測車輪側(cè)壁的三個特定位置A、B、C上，再反射到CCD器件，得三個特定位置A、B、C到測量頭的距離

LA、LB、LC，由于車輪存在外傾角和前束角，因此車輪側(cè)壁上的三個特定位置距測量頭的距離

LA、LB、LC各不相等。可得被測參數(shù)：圖3-40車輪定位參數(shù)的測量（3-18）（3-19）2.圖像式傳感器的應(yīng)用2.圖像式傳感器的應(yīng)用車輪定位參數(shù)測試2.圖像式傳感器的應(yīng)用

（2）利用CCD圖像式傳感器進(jìn)行三維掃描測量

將激光線（也可用白光）射在被測物體上，利用CCD傳感器對被測物體上的激光線進(jìn)行攝像，影像在CCD上水平方向的位置，反映了被測形線上的對應(yīng)點距CCD的距離，即被測形線對應(yīng)點的x坐標(biāo)；影像在CCD上鉛垂方向上的位置即為被測形線對應(yīng)點的z坐標(biāo)；將射在被測物體上的激光線自左向右間隔地移動，每移動一相等距離

就可得到一幅圖像，顯然激光線移動的次數(shù)n與

的乘積即為被測點的y坐標(biāo)，如此便可得到密布在被測車門表面上各點的三維坐標(biāo)，再根據(jù)車門表面上各點的三維坐標(biāo)，可繪出車門曲面，并可與設(shè)計的曲面值比較，進(jìn)一步得測量誤差。圖3-41對汽車車門進(jìn)行三維掃描測量2.圖像式傳感器的應(yīng)用2.圖像式傳感器的應(yīng)用

（3）利用CCD圖像式傳感器測量車外物體的位置

單攝像頭為單目視覺傳感器，可獲得物體的平面圖像，單攝像頭的感光元件是CCD圖像式傳感器，為二維面陣式，獲得物體的二維點云，二維點云不能準(zhǔn)確反映物體的深度尺寸信息。汽車倒車影像顯示屏，通過安裝在車身上的攝像頭獲得車體后部的圖像。2.圖像式傳感器的應(yīng)用

兩個攝像頭或單目視覺傳感器構(gòu)成雙目視覺傳感器，可獲得物體的立體圖像，也即獲得物體的三維點云，該三維點云可用于物體的位置識別，能準(zhǔn)確反映物體的深度尺寸信息。智能汽車通過安裝在車頂?shù)任恢玫膬蓚€攝像頭或更多個攝像頭獲得車外人、物體等位置。雙目視覺傳感器是智能汽車識別人、物體等位置的基礎(chǔ)，也是智能汽車測試中圖像識別的基礎(chǔ)。雙目視覺傳感器測量物體的位置的原理主要基于三角法的原理，一個視覺傳感器或一個攝像頭獲得一幅平面圖像，兩個視覺傳感器或兩個攝像頭和被測物體之間構(gòu)成三角形，如圖3-43所示，獲兩幅相交的平面圖像，由于兩個視覺傳感器或兩個攝像頭之間的距離及角度是已知的，CCD芯片上的像素點陣是已知的，通過三角計算，可得物體上點a的三維坐標(biāo)，物體上多個點的三維坐標(biāo)構(gòu)成物體的三維點云，由該三維點云，可確定物體相對兩個視覺傳感器或兩個攝像頭的空間位置，并可確定物體的深度尺寸。圖3-42雙目視覺傳感器圖3-43雙目視覺傳感器測量物體位置的原理3.11軸角編碼器

1.絕對式編碼器

絕對式編碼器是一個四位二進(jìn)制直接編碼的碼盤示意圖。絕對式編碼器的每一個角位置對應(yīng)一個確定的數(shù)字碼。一個公共電源的正端被接到碼盤所有的導(dǎo)電部分，另一端接至負(fù)載。四個電刷沿一固定的徑向安裝，它們分別與四個碼道（黑白相間的一圈為一個碼道）相接觸。電刷的引線分別接至各自負(fù)載的另一端。根據(jù)軸角位置狀態(tài)，電刷將分別輸出“1”電平或“0”電平。Cl對應(yīng)最高位、C4對應(yīng)最低位，軸轉(zhuǎn)角對應(yīng)輸出的二進(jìn)制數(shù)為ClC2C3C4，每一個軸的轉(zhuǎn)角對應(yīng)唯一的一個四位二進(jìn)制數(shù)的編碼。根據(jù)四位二進(jìn)制數(shù)的編碼，由測量的起始角位置和終止角位置，可確定轉(zhuǎn)角內(nèi)的編碼數(shù)，再根據(jù)每個四位二進(jìn)制數(shù)的編碼對應(yīng)的軸的轉(zhuǎn)角，可確定軸的轉(zhuǎn)角的大小，實現(xiàn)對軸的轉(zhuǎn)角的測量和控制。圖3-44二進(jìn)制絕對編碼器碼盤2.增量式編碼器

增量式編碼器只需3條碼道。光電元件也只需要3個。碼盤上最外圈碼道上只有一條透光的狹縫與光電元件A配合，它作為碼盤的基準(zhǔn)位置，所產(chǎn)生的脈沖將給計數(shù)系統(tǒng)提供一個初始的零位（清零）信號；中間一圈碼道稱為增量碼道，它與光電元件B配合，用來產(chǎn)生計數(shù)脈沖；最內(nèi)一圈碼道稱為辨向碼道，它與光電元件C配合，用于辨識軸的轉(zhuǎn)向。

增量碼道和辨向碼道都等角距地分布著m個透光與不透光的扇形區(qū)，但彼此錯開半個扇形區(qū)即90°/m。

增量式編碼器是將角位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示角位移的大小。工作時，與A光電元件產(chǎn)生的零位脈沖配合，如果檢測到N個增量脈沖，則對應(yīng)角位移為360°N/m（N≤m），從而得到軸的轉(zhuǎn)角。圖3-45增量式編碼器圖3-46增量碼道與辨向碼道3.軸角編碼器的應(yīng)用

絕對式編碼器應(yīng)用于對伺服電機軸的轉(zhuǎn)角的測量和控制，設(shè)定測量的起始角位置，根據(jù)編碼，確定軸的轉(zhuǎn)角的大小。

增量編碼器用于測量平均轉(zhuǎn)速，其方法就是在給定的時間間隔內(nèi)對編碼器的輸出脈沖進(jìn)行計數(shù)，例如，一個每轉(zhuǎn)360脈沖的編碼器，若1s時間間隔輸出360個脈沖，則平均轉(zhuǎn)速為60r/min；若1s時間間隔輸出3600個脈沖，則平均轉(zhuǎn)速為600r/min。3.12超聲波傳感器

1.超聲波的特性

超過20kHz的稱為超聲波。超聲波具有很高的穿透能力，在鋼材中甚至可穿透10m以上。

超聲波在均勻介質(zhì)中按直線方向傳播，但到達(dá)界面或遇到另一種介質(zhì)時，也像光波一樣產(chǎn)生反射和折射，并服從幾何光學(xué)的反射、折射定律。

超聲波在界面上反射能量與透射能量的變化，取決于兩種介質(zhì)的聲阻抗特性。介質(zhì)密度ρ與聲速c的乘積稱為聲阻抗特性(Zc=ρc)，它是表征彈性介質(zhì)聲學(xué)性質(zhì)的一個重要參量。若兩介質(zhì)的聲阻抗差別越大，則反射的強度越大。

超聲波在介質(zhì)中傳播時，能量的衰減（損失）決定于波的擴(kuò)散、散射（或漫射）及吸收。所謂擴(kuò)散衰減，是超聲波隨著傳播距離的增加，引起聲能減弱。散射衰減是指超聲波在介質(zhì)中傳播時，其中一部分超聲波不再沿原有方向運動，形成向其它方向的散射；超聲波被介質(zhì)吸收后，將聲能直接轉(zhuǎn)換為熱能。

利用超聲波反射、折射、衰減等物理性質(zhì)，可以實現(xiàn)物質(zhì)結(jié)構(gòu)無損探傷以及液位、流量、溫度、粘度、厚度、距離等參數(shù)的測量。2.超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3-47所示，壓電晶片的兩面鍍銀，為圓形薄片，超聲波的頻率與壓電晶片的厚度成反比。壓電晶片的極板用導(dǎo)線與接線端連接，用于對外的電路連接。阻尼塊吸收聲能，降低機械品質(zhì)，避免無阻尼時電脈沖停止后壓電晶片繼續(xù)振蕩，導(dǎo)致脈沖寬度加長，使分辨率變差。

超聲波傳感器的工作原理：超聲波發(fā)射器利用逆壓電效應(yīng)制成發(fā)射元件，將高頻電壓波動或稱高頻電振動轉(zhuǎn)換為壓電晶片的機械振動，產(chǎn)生超聲波；超聲波接收器利用正壓電效應(yīng)制成接收元件，將超聲波引起壓電晶片的機械振動轉(zhuǎn)換為波動的電信號。圖3-47超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)3.超聲波傳感器的型式

超聲波傳感器能產(chǎn)生超聲波信號和接收超聲波信號，有反射型、分立式反射型和透射型。反射型傳感器是將發(fā)送(TX)和接收(RX)元件制作在一起，發(fā)送器件和接收器件放置在被測物體的同一側(cè)，發(fā)送器件發(fā)送的超聲波通過被測物體反射后由接收器件接收，器件可同時完成超聲波的發(fā)射和接收。分立式反射型傳感器的發(fā)送(TX)和接收(RX)器件各自獨立，放置在被測物體的同一側(cè)。透射型傳感器的發(fā)送(TX)和接收(RX)器件各自獨立，分別放置在被測物體的兩側(cè)。a)反射型

b）分立式反射型

c)透射型圖3-48超聲波傳感器的型式4.超聲波傳感器的應(yīng)用

倒車?yán)走_(dá)就是利用超聲波測距原理工作，倒車?yán)走_(dá)是反射型超聲波傳感器，由安裝在車尾保險杠上的反射型超聲波傳感器發(fā)送超聲波，撞擊障礙物后反射此超聲波，倒車?yán)走_(dá)主機內(nèi)的微電腦，根據(jù)超聲波在空氣中傳播的時間及聲速，計算出汽車與障礙物之間的距離d，再與安全距離比較，由報警器發(fā)出不同的報警聲。汽車與障礙物之間的距離圖3-50倒車?yán)走_(dá)的測距原理（3-20）圖3-49倒車?yán)走_(dá)3.13

激光雷達(dá)

1.激光雷達(dá)的工作原理激光雷達(dá)是利用激光技術(shù)進(jìn)行測量的傳感器。激光雷達(dá)工作時，先由激光發(fā)射二極管（激光發(fā)送器）對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到激光接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上，根據(jù)激光在空氣中傳播的時間及光速，計算出汽車與障礙物之間的距離，反射型激光雷達(dá)的汽車與障礙物之間的距離計算公式見式（3-20），式中c的取光速。（3-20）2.激光雷達(dá)的類型（1）根據(jù)工作方式的不同分類機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)是指發(fā)射模塊和接收模塊存在宏觀轉(zhuǎn)動的激光雷達(dá)，這一類激光雷達(dá)在豎直方向上排布多束激光，通過不斷旋轉(zhuǎn)發(fā)射頭，將傳播速度遠(yuǎn)高于發(fā)射頭旋轉(zhuǎn)速度的多束激光線變成多個激光面，動態(tài)掃描并動態(tài)接收信息。圖3-50是一款經(jīng)典的機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)，通過底座固定在汽車上，激光雷達(dá)的上半部分在電機的帶動下以固定轉(zhuǎn)速作360o轉(zhuǎn)動，激光源（激光發(fā)射器）和激光接收器在轉(zhuǎn)動的同時進(jìn)行激光的發(fā)射和接收，激光源產(chǎn)生的激光束被鏡子反射后射向目標(biāo)物，目標(biāo)物反射回的激光束經(jīng)過鏡子反射后被接收。伺服電動機通過調(diào)整鏡子的姿態(tài)實現(xiàn)對發(fā)射和接收激光束角度的調(diào)整，從而控制激光束的垂向張角與垂向分辨率。圖3-51機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)垂向張角2.激光雷達(dá)的類型2.激光雷達(dá)的類型固態(tài)激光雷達(dá)是指自身不存在任何移動和轉(zhuǎn)動部件的激光雷達(dá)，這種激光雷達(dá)通過控制光源陣列中各光源發(fā)光的時間差，合成具有特定方向的主激光束，從而實現(xiàn)對不同方向掃描的激光雷達(dá)。固態(tài)激光雷達(dá)精度高、體積小、生產(chǎn)成本低，但研發(fā)成本高。半固態(tài)激光雷達(dá)又稱混合固態(tài)激光雷達(dá)，是一種非完全旋轉(zhuǎn)的激光雷達(dá)，采用固態(tài)激光光源，通過內(nèi)部玻璃片轉(zhuǎn)動的方式改變，激光束的方向。這種激光雷達(dá)具備固態(tài)雷達(dá)的一般性能特點，如分辨率高、具備前向感知視野而非360o感知視野等。圖3-52固態(tài)激光雷達(dá)圖3-53半固態(tài)激光雷達(dá)2.激光雷達(dá)的類型固態(tài)激光雷達(dá)2.激光雷達(dá)的類型（2）根據(jù)線束數(shù)量的不同分類單線激光雷達(dá)只有一條激光線，主要用于規(guī)避障礙物，其掃描速度快、分辨率強、可靠性高。但是，單線雷達(dá)只能平面式掃描，建立2D地圖，不能測量物體高度，有一定局限性。主要應(yīng)用于服務(wù)機器人身上，如我們常見的掃地機器人。多線激光雷達(dá)有多條激光線，并構(gòu)成激光線束。激光線有4線、8線、16線、32線、64線、128線等，分別有4、8、16、32、64、128條激光線線等，多線激光雷達(dá)在垂直方向上具有多個發(fā)射器和接收器，通過電機的旋轉(zhuǎn)，獲得多條線束。多線激光雷達(dá)用于構(gòu)建3D地圖等3D建模，線數(shù)越多，物體表面輪廓越完善，地圖的分辨率越高，當(dāng)然處理的數(shù)據(jù)量越大，對硬件要求越高。多線雷達(dá)主要應(yīng)用在智能汽車上。圖3-54多線激光雷達(dá)2.激光雷達(dá)傳感器的應(yīng)用

（1）激光雷達(dá)傳感器用于測量流速和車速

激光雷達(dá)傳感器可以測量風(fēng)洞氣流速度、大氣風(fēng)速和汽車速度等。

基于激光的傳播特性，激光傳感器具有測量速度快、精度很高的優(yōu)點。同時，由于激光傳播容易受到傳播介質(zhì)的干擾并且鏡頭是否清潔、傳感器自身干擾對測量結(jié)果影響很大，導(dǎo)致激光傳感器在汽車輔助駕駛系統(tǒng)中表現(xiàn)并不十分理想。3.激光雷達(dá)的應(yīng)用

（2）激光SLAM

1）激光SLAM的基本原理

將激光雷達(dá)用于同步定位與地圖構(gòu)建，構(gòu)成激光SLAM。激光SLAM用于車輛導(dǎo)航。

激光SLAM的基本原理就是根據(jù)激光雷達(dá)獲取的一幀幀連續(xù)運動的點云數(shù)據(jù)，進(jìn)行點云拼接，從中推斷出激光雷達(dá)自身的運動以及周圍環(huán)境的情況。激光SLAM根據(jù)其所用的激光雷達(dá)的線束不同可細(xì)分為2D激光SLAM和3D激光SLAM。2.激光雷達(dá)傳感器的應(yīng)用

2）激光SLAM的組成

激光SLAM主要分為定位與建圖兩個部分，主要解決三個基本問題：一是特征值提取問題，環(huán)境中信息量非常大，不可能全部拿來用，則需要解決如何從周圍環(huán)境中提取出有用信息的問題；二是數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)問題，即不同時刻觀測到的環(huán)境信息之間的關(guān)系問題；三是地圖表示問題，即如何來描述周圍的環(huán)境問題。激光SLAM的框圖如圖3-55所示。圖3-55激光SLAM的框圖3.14

毫米波雷達(dá)

1.毫米波雷達(dá)的結(jié)構(gòu)及工作原理毫米波雷達(dá)的結(jié)構(gòu)如圖3-56所示，主要由發(fā)射機和接收機、天線、處理器等組成，安裝在由雷達(dá)圓頂、機身、底板等構(gòu)成的盒中。毫米波雷達(dá)的工作原理如圖3-57所示，雷達(dá)發(fā)射機產(chǎn)生發(fā)射信號，通過雷達(dá)天線以電磁波的形式輻射出去，遇到目標(biāo)后反射，再由雷達(dá)天線接收回波信號，傳輸給雷達(dá)接收機，處理器處理接收到的信號，根據(jù)發(fā)射頻率和反射回來的頻率的差異，得到目標(biāo)的距離、速度和方位角等信息。圖3-57毫米波雷達(dá)的工作原理圖3-56毫米波雷達(dá)的結(jié)構(gòu)3.14

毫米波雷達(dá)毫米波雷達(dá)等在智能汽車上的應(yīng)用

（1）毫米波雷達(dá)測距實際環(huán)境中的時間間隔受噪聲等因素影響，發(fā)射信號與動態(tài)、靜態(tài)目標(biāo)反射信號的頻率不等，如圖3-58所示，反射信號的頻率差為，根據(jù)圖3-58及三角關(guān)系，得，再由式(3-20)得目標(biāo)距離：2.毫米波雷達(dá)的應(yīng)用（3-21)圖3-58毫米波雷達(dá)的測距和測速原理式中，是信號的調(diào)頻帶寬；是信號的發(fā)射周期。

（2）毫米波雷達(dá)測速

毫米波雷達(dá)測速一般根據(jù)多普勒原理，雷達(dá)電磁波經(jīng)由天線發(fā)射，遇到目標(biāo)后產(chǎn)生回波，回波的頻率隨目標(biāo)的運動速度發(fā)生改變，并產(chǎn)生動態(tài)與靜態(tài)目標(biāo)反射信號的頻率差。若目標(biāo)朝著雷達(dá)的方向運動，則反射電磁波的頻率會增加：若目標(biāo)背離雷達(dá)方向運動，則反射回來的電磁波頻率也會隨之減小。動態(tài)與靜態(tài)目標(biāo)反射信號的頻率差為多普勒頻移或頻率差為，取發(fā)射信號的中心頻率為，根據(jù)圖3-58、多普勒原理及相對運動的原理，可得目標(biāo)的相對移動速度：2.毫米波雷達(dá)的應(yīng)用（3-22)多普勒原理圖3-58毫米波雷達(dá)的測距和測速原理

（3）毫米波雷達(dá)測角度

毫米波雷達(dá)測角度需要兩個或兩個以上并排放置的接收天線，目標(biāo)車輛的方位角

通過車載毫米波雷達(dá)接收天線1和接收天線2之間的幾何距離d，和兩個天線收到的反射回波的相位差

，采用三角函數(shù)計算得到2.毫米波雷達(dá)的應(yīng)用（3-23)圖3-59毫米波雷達(dá)的測角度原理3.15全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)

1.全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)是由美國國防部建設(shè)的基于衛(wèi)星的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。它能連續(xù)為世界各地的陸?？沼脩舭ㄆ囋囼炗脩籼峁┻B續(xù)、實時、高精度的三維位置、三維速度和時間信息。

GPS是由導(dǎo)航衛(wèi)星、地面監(jiān)控設(shè)備和GPS用戶組成的。圖3-60全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成1.全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成

（1）導(dǎo)航衛(wèi)星

導(dǎo)航衛(wèi)星有24顆，其中，21顆衛(wèi)星為工作衛(wèi)星，3顆為備用衛(wèi)星。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面上，即每個軌道面上有4顆衛(wèi)星，在距離地球約20000km的高空上進(jìn)行監(jiān)測，每12h環(huán)繞地球一圈；最少只需其中4顆衛(wèi)星，就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及海拔高度；測試時，最少需要8顆衛(wèi)星，才能保證汽車測試精度。所能接收連接到的衛(wèi)星數(shù)越多，解碼出來的位置就越精確。導(dǎo)航衛(wèi)星的任務(wù)是接收和存儲來自地面監(jiān)控設(shè)備發(fā)送來的導(dǎo)航定位控制指令，通過微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在空中連續(xù)發(fā)送帶有時間和空間位置信息的無線電導(dǎo)航定位信息，供用戶的GPS接收機接收。圖3-60全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成1.全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成

（2）地面監(jiān)控設(shè)備

地面監(jiān)控設(shè)備由1個主控站、4個注入站和6個監(jiān)測站組成，它們的任務(wù)是實現(xiàn)對導(dǎo)航衛(wèi)星的控制。圖3-60全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成1.全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成

（3）GPS用戶GPS用戶是接收GPS導(dǎo)航定位信息的用戶，主要由GPS接收機和GPS數(shù)據(jù)處理軟件組成。

GPS接收機的主要功能是接收、追蹤和放大衛(wèi)星發(fā)射的信號，獲取定位的觀測值，提取導(dǎo)航電文中的廣播星歷以及衛(wèi)星時鐘改正參數(shù)等。接收機通過記錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時間，再將其乘以光速，得到或測量出已知空間位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離。

GPS數(shù)據(jù)處理軟件的主要功能是對GPS接收機獲取的衛(wèi)星測量記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并對處理的結(jié)果進(jìn)行平差計算、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和分析綜合處理，計算出用戶所在位置的三維坐標(biāo)、速度、方向和精確時刻等。圖3-60全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成2.全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的工作原理

GPS定位的基本原理是三球交匯原理，用戶位置在A點，用戶到衛(wèi)星O1的距離是R1，到衛(wèi)星O2的距離是R2，到衛(wèi)星O3的距離是R3，如圖3-61所示。以衛(wèi)星為球心，用戶到衛(wèi)星的距離可以表示為圖3-61全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的工作原理（3-24）

如果有3顆衛(wèi)星，則可以解出方程，然而，實際上由于大氣層電離層的干擾，用戶接收機的時鐘不是十分準(zhǔn)確，不與衛(wèi)星同步，所以衛(wèi)星與用戶之間的距離R不是真實距離，稱為偽距。設(shè)接收機和GPS的時鐘差為t，光速為c，則公式改為（3-25）2.全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的工作原理

室外無遮蓋環(huán)境下，GPS定位精度高。GPS相對定位精度在50km以內(nèi)可達(dá)10~6m，100~500km可達(dá)10~7m，1000km可達(dá)10~9m。

GPS也存在諸多不足，比如，受天氣和位置的影響較大。當(dāng)遭遇不佳天氣或者接收器上空存在遮蓋時，會屏蔽GPS信號，定位精度就會受到相當(dāng)大的影響，甚至無法進(jìn)行定位服務(wù)。此外，GPS更新頻率低，并不能滿足實時計算的要求。GPS的定位精度，影響GPS在汽速測速、測制動距離中的應(yīng)用，產(chǎn)生一定的測試誤差。圖3-61全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的工作原理3.16北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)

1.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組成

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成。

（1）空間段

北斗系統(tǒng)空間段由若干地球靜止軌道衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和中圓地球軌道衛(wèi)星三種軌道衛(wèi)星組成混合導(dǎo)航星座。

（2）地面段

北斗系統(tǒng)地面段包括主控站、時間同步/注入站和監(jiān)測站等若干地面站。

（3）用戶段

北斗系統(tǒng)用戶段包括北斗兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的芯片、模塊、天線等基礎(chǔ)產(chǎn)品，以及終端產(chǎn)品、應(yīng)用系統(tǒng)與應(yīng)用服務(wù)等。圖3-62北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的組成2.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的區(qū)別

（1）BDS是一個有源系統(tǒng)

用戶在定位過程中必須發(fā)射信號，具備通信能力，這是它與GPS系統(tǒng)最大