1、智能車的傳感器技術智能車的傳感器技術匯報人：雷威指導老師：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。在智能車輛技術中，傳感器負責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、準確、可靠的決策依據(jù)。因此，在智能車輛技術中，傳感器就相當于系統(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。傳感器技術作為促進汽車智能化發(fā)展的關鍵技術之一，承擔著重要的角色，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 技術特點圖像傳感技術是在光電技術基礎上發(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比例關系的電信號“圖像”的一門技術，該技術將光學圖像轉(zhuǎn)換成一維時序信號，其關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，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：根據(jù)其紅外輻射特性來對紅外系統(tǒng)進行設定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備8)顯示設備：是紅外系統(tǒng)的終端設備，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（金屬氧化物半導體元件）CMOS傳感器采用一般半導體電路最常用的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體，主要是利用硅和鍺兩種元素所做成的半導體，通過CMOS上帶負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，復雜性提高，但在電路設計時可更加靈活，可以盡可能的提升CCD相機的某些特別關注的性能。CCD更適合于對相機性能要求非常高而對成本控制不太嚴格的應用領域，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，對圖像噪聲要求嚴格的科學應用。CMOS是能應用當代大規(guī)模半導體集成電路生產(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技術是世界上許多圖像傳感器半導體研發(fā)企業(yè)試圖用來替代CCD的技術。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技術較量的水平。CMOS的水平使它們更適合應用于要

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)，全景單目視覺技術通過單個相機實現(xiàn)所有路面場景感知的技術。立體視覺技術從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。全景視覺技術全景攝像機是一款水平接近180度的全景監(jiān)控設備，它采用三個高清720p攝像機進行采集，全景分辨率最高可以達到2800720，后端采用高端圖形工作站進行圖像處理。1.2 圖像傳感器的結(jié)構原理 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(光學圖像)。能夠?qū)⒍S光強分布的光學圖像轉(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圖像。當然，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)構和工作原理攝像頭以隔行掃描的方式采樣圖像，當掃描到某點時，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。這樣相當于緊接著每行圖像對應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，有一個消隱脈沖遠寬于其他的消隱脈沖（即該消隱脈沖的持續(xù)時間遠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L和r標注左、右攝像機的相應參數(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。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，從而達到全景視覺效果。1.2.4 紅外相機的結(jié)構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技術。紅外遙感技術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)碼相機進行的攝影；前者屬于光學攝影類，后者屬于光電攝影類。2. 激光雷達技術n2.1激光雷達概述雷達屬于主動傳感器，即雷達對物體的

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）激光雷達直接返回被測物體到雷達的距離，與立體視覺復雜的視差深度轉(zhuǎn)換算法相比更直接，而且測距更準確。（3）速度快，時效性好，視距大，測距范圍大。激光雷達的類型按感光波長：民用（950nm），軍用（1250nm）按探測原理：單線激光雷達，多線激光雷達按掃描方式：機械掃描，固態(tài)2.2 激光雷達的結(jié)構原理2.2.1 二維激

13、光雷達二維激光雷達也稱為單線激光雷達，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 三維激光雷達三維激光雷達可以分為單向多線和三維全向激光雷達。其中單線掃描激光雷達只有一條掃描線，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 不同激光雷達的成像特點二維掃描型雷達是通過掃描鏡與指向鏡的協(xié)同作用來對目標面進行二維掃描，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只能探測一個平面，反映在目標探測結(jié)果探測到目標的一條切線，一方面會極大降低雷達對三維環(huán)境所有目標的感知能力，另一方面也使得對于重要目標的形狀感知能力降低。三維激光雷達能夠在一定垂直角度范圍內(nèi)感知全向所有目標，而且能夠給出目標的結(jié)構特征，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. 毫米波雷達技術3.1毫米波雷達概述毫米波雷達使用毫米波 （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和光電制導的優(yōu)點。同厘米波導引頭相比，毫米波導引頭具有

15、體積小、質(zhì)量輕和空間分辨率高的特點。與紅外、激光、電視等光學導引頭相比，毫米波導引頭穿透霧、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，毫米波導引頭的抗干擾、反隱身能力也優(yōu)于其他微波導引頭 。3.2 毫米波雷達的結(jié)構與工作理如右圖所示，發(fā)射信號按雷達計算機控制的速率，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。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，下是三種不同結(jié)構的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連，當被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動，固定在轉(zhuǎn)盤