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(bào)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(lái)自外界的各種信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的電信號(hào)。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(shí)、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(shí)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(jì)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(cè)速

2、傳感器。1.圖像傳感器技術(shù) 技術(shù)特點(diǎn)圖像傳感技術(shù)是在光電技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)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(hào)轉(zhuǎn)換為與光信號(hào)成對(duì)應(yīng)比例關(guān)系的電信號(hào)“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(shí)序信號(hào)，其關(guān)鍵器件是圖像傳感器。使用特點(diǎn)圖像傳感器又稱為成像器件或攝像器件，可實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光、紫外線、X射線、近紅外光等的探測(cè)，是現(xiàn)代視覺(jué)信息獲取的一種基礎(chǔ)器件。因其能實(shí)現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺(jué)功能的擴(kuò)展（光譜拓寬、靈敏度范圍擴(kuò)大），能給出直觀、真實(shí)、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(zhǎng)：可見(jiàn)光，紅外可見(jiàn)光傳感器將可見(jiàn)光作為被測(cè)量，并轉(zhuǎn)化成輸出信號(hào)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(qiáng)曾線性變化2.內(nèi)置雙敏感源，自動(dòng)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(hào)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(jiàn)光透過(guò)，紫外線截止、近紅外相對(duì)衰減，增強(qiáng)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(lái)完成測(cè)量功能的傳感器。工作原理1)待測(cè)目標(biāo)：根據(jù)其紅外輻射特性來(lái)對(duì)紅外系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定2)大氣衰減：待測(cè)物的紅外輻射通過(guò)大氣層時(shí)會(huì)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(cè)物的方位信息，并濾除干擾信號(hào)5)紅外探測(cè)器：是紅外系統(tǒng)的核心，用于探測(cè)紅外輻射6)探測(cè)器制冷器：用于給系統(tǒng)制冷以提高工作效率7)信號(hào)處理系統(tǒng)：將信號(hào)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(duì)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(hào)輸出，為了得到整個(gè)二維圖像的輸出，就必須用行

5、掃描的方法來(lái)實(shí)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(cè)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(jiàn)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(diǎn)，最近幾年在寬動(dòng)態(tài)、低照度方面發(fā)展迅速。CMOS即互補(bǔ)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(guò)CMOS上帶負(fù)電和帶正電的晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)基本的功能。CCD與CMOS的對(duì)比CCD提供很好的圖像質(zhì)量、抗噪能力和相機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)時(shí)可更加靈活，可以盡可能的提升CCD相機(jī)的某些特別關(guān)注的性能。CCD更適合于對(duì)相機(jī)性能要求非常高而對(duì)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(zhǎng)時(shí)間曝光，對(duì)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(lái)生產(chǎn)的圖像傳感器，具有成品率高、集成度高、功耗小、價(jià)格低等特點(diǎn)。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(lái)替代CCD的技術(shù)。經(jīng)過(guò)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(diǎn)，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(duì)圖像噪聲和質(zhì)量要求不是特別高的場(chǎng)合。按使用方式：?jiǎn)文?，雙目(立體)，全景單目視覺(jué)技術(shù)通過(guò)單個(gè)相機(jī)實(shí)現(xiàn)所有路面場(chǎng)景感知的技術(shù)。立體視覺(jué)技術(shù)從2個(gè)（或多個(gè)）視點(diǎn)觀察同一景物，以獲得在不同視角下的感知圖像。通過(guò)三角測(cè)量原理計(jì)算圖像像素間的位置偏差（即視差）來(lái)獲取景物的三維信息。全景視覺(jué)技術(shù)全景攝像機(jī)是一款水平接近180度的全景監(jiān)控設(shè)備，它采用三個(gè)高清720p攝像機(jī)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(qiáng)分布(光學(xué)圖像)。能夠?qū)⒍S光強(qiáng)分布的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成一維時(shí)序電信號(hào)的傳感器稱為圖像傳感器。圖像傳感器輸出的一維時(shí)序信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)傳輸與接收都要遵守一定的規(guī)則，這個(gè)規(guī)則被稱為制式。1.2.1 相機(jī)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(diǎn)時(shí)，就通過(guò)圖像傳感芯片將該點(diǎn)處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度對(duì)應(yīng)的電壓值，然后將此電壓值通過(guò)視頻信號(hào)端輸出。具體而言（參見(jiàn)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(hào)，該電壓信號(hào)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(hào)端就輸出一個(gè)低于最低視頻信號(hào)電壓的電平（如0.3 V），并保持一段時(shí)間。這樣相當(dāng)于緊接著每行圖像對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)之后會(huì)有一個(gè)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(chǎng)的信號(hào)，接著會(huì)出現(xiàn)一段場(chǎng)消隱信號(hào)。其中有若干個(gè)復(fù)合消隱脈沖（簡(jiǎn)稱消隱脈沖），在這些消隱脈沖中，有一個(gè)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(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于其他的消隱脈沖的持續(xù)時(shí)間），該消隱脈沖又稱為場(chǎng)同步脈沖，標(biāo)志著新的一場(chǎng)的到來(lái)。攝像頭每秒掃描25幀圖像，每幀又分奇、偶兩場(chǎng)，故每秒掃描50場(chǎng)圖像。圖11.2.2 雙目視覺(jué)結(jié)構(gòu)和工作原理立體視覺(jué)系統(tǒng)由左右兩部攝像機(jī)

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(jī)的相應(yīng)參數(shù)。世界空間中一點(diǎn)A(X，Y，Z)在左右攝像機(jī)的成像面CL和CR上的像點(diǎn)分別為al(ul，vl)和ar(ur，vr)。這兩個(gè)像點(diǎn)是世界空間中同一個(gè)對(duì)象點(diǎn)A的像，稱為“共軛點(diǎn)”。知道了這兩個(gè)共軛像點(diǎn)，分別作它們與各自相機(jī)的光心Ol和Or的連線，即投影線alOl和arOr，它們的交點(diǎn)即為世界空間中的對(duì)象點(diǎn)A(X，Y，Z)。這就是立體視覺(jué)的基本原理。1.2.3 全景視覺(jué)中的相機(jī)布置和圖像處理要求對(duì)于無(wú)人駕駛平臺(tái)的應(yīng)用，一般采用魚眼鏡頭相機(jī)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(jī)成像，需要安裝兩個(gè)魚眼鏡頭相機(jī)，一個(gè)捕捉車輛前方18

11、0視場(chǎng)范圍的視覺(jué)信息，一個(gè)捕獲車輛后方180視場(chǎng)范圍的視覺(jué)信息，從而達(dá)到全景視覺(jué)效果。1.2.4 紅外相機(jī)的結(jié)構(gòu)和成像特點(diǎn)紅外遙感是指借助對(duì)紅外線敏感的探測(cè)器，不直接接觸物體，來(lái)記錄物體對(duì)紅外線的輻射、反射、散射等信息，通過(guò)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(jī)，具有紅外攝影功能的數(shù)碼相機(jī)，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(jī)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(dòng)傳感器，即雷達(dá)對(duì)物體的

12、感知信息來(lái)源于自身，而攝像機(jī)作為被動(dòng)傳感器則是被動(dòng)接受外界環(huán)境中物體的信息，因此相對(duì)于機(jī)器視覺(jué)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(dòng)傳感器。其優(yōu)點(diǎn)可概括為以下幾點(diǎn)：（1）激光雷達(dá)采用主動(dòng)測(cè)距法，因此對(duì)環(huán)境光的強(qiáng)弱和物體色彩具有很強(qiáng)的魯棒性。（2）激光雷達(dá)直接返回被測(cè)物體到雷達(dá)的距離，與立體視覺(jué)復(fù)雜的視差深度轉(zhuǎn)換算法相比更直接，而且測(cè)距更準(zhǔn)確。（3）速度快，時(shí)效性好，視距大，測(cè)距范圍大。激光雷達(dá)的類型按感光波長(zhǎng)：民用（950nm），軍用（1250nm）按探測(cè)原理：?jiǎn)尉€激光雷達(dá)，多線激光雷達(dá)按掃描方式：機(jī)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(guò)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(guò)旋轉(zhuǎn)鏡面實(shí)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(guò)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(guò)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(diǎn)二維掃描型雷達(dá)是通過(guò)掃描鏡與指向鏡的協(xié)同作用來(lái)對(duì)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(cè)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(cè)一個(gè)平面，反映在目標(biāo)探測(cè)結(jié)果探測(cè)到目標(biāo)的一條切線，一方面會(huì)極大降低雷達(dá)對(duì)三維環(huán)境所有目標(biāo)的感知能力，另一方面也使得對(duì)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(duì)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(zhǎng)為110mm)的。毫米波的波長(zhǎng)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(diǎn)。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(diǎn)。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(qiáng)，具有全天候(大雨天除外)全天時(shí)的特點(diǎn)。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(hào)按雷達(dá)計(jì)算機(jī)控制的速率，通過(guò)雙工器輸出。回波信號(hào)的返回時(shí)間也由該計(jì)算機(jī)控制，該信號(hào)被輸入到接收機(jī)，在此，它經(jīng)下變頻處理并采樣。得到的信號(hào)由數(shù)字脈沖壓縮系統(tǒng)壓縮處理。該數(shù)字信號(hào)被記錄在一個(gè)“廉價(jià)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(gè)陣列處理機(jī)上，該陣

16、列處理機(jī)對(duì)這些數(shù)字實(shí)施綜合處理。4. 其它傳感器簡(jiǎn)介4.1 超聲波傳感器超聲波傳感器是將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成其他能量信號(hào)（通常是電信號(hào)）的傳感器。超聲波是振動(dòng)頻率高于20KHz的機(jī)械波。它具有頻率高、波長(zhǎng)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(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)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(dòng)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(jī)械振動(dòng)，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(cè)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(cè)轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在轉(zhuǎn)盤