第2章智能汽车设计基础--硬件

第2章智能汽车设计基础--硬件武汉科技大学信息科学与工程学院第2章智能汽车设计基础—硬件从外观上看，智能车系统主要表现为由一系列的硬件组成，包括组成车体的底盘、轮胎、舵机装置、马达装置、道路检测装置、测速装置和控制电路板等。本章主要介绍智能车设计中使用到的传感器（包括光电式传感器、图像传感器和测速传感器等）和控制电路板中的功能电路设计。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1传感器系统12.2电路设计2思考题3第2章智能汽车设计基础—硬件武汉科技大学信息科学与工程学院2.1传感器系统在工程上，系统中各种物理量都必须转换成一定规格的信号（电信号或气压信号）才能被检测、采集和显示。所谓传感器，即是将被测量按照一定的物理或化学原理转换成某种规定的输出信号的装置或器件。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1传感器系统通常，传感器由敏感元件和转换元件组成。敏感元件能够随着被测量的变化而引起某种易被测量的信号的变化，而转换元件则将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分，具体的电量形式取决于敏感元件的原理。除此之外，由于转换元件的输出信号一般都很微弱，为方便传输、转换、处理及显示，通常有信号调理转换电路、辅助电路等，将转换元件输出的电信号进行放大或运算调制。因此，传感器的组成通常包括敏感元件、转换元件、信号调理转换电路和辅助电路，如图2.1所示。随着半导体器件与集成技术的发展，传感器的信号调理转换电路与敏感元件、转换元件等一起集成在同一芯片上，安装在传感器的壳体里。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1传感器系统图2.1传感器组成方框图图2.1传感器组成方框图武汉科技大学信息科学与工程学院2.1传感器系统智能汽车设计中涉及到的传感器主要有三种：光电式传感器、图像传感器和测速传感器。12.1.1光电式传感器22.1.2图像传感器32.1.3测速传感器武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.1光电式传感器光电式传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置。光电式传感器工作时，先将被测量转换为光量的变化，然后通过光电器件再把光量的变化转换为相应的电量变化，从而实现非电量的测量。光电式传感器的核心（敏感元件）是光电器件，光电器件的基础是光电效应。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.1光电式传感器光电式传感器的结构简单，响应速度快，可靠性较高，能实现参数的非接触测量，因此广泛地应用于各种工业自动化仪表中。光电式传感器可用来测量光学量或测量已先行转换为光学量的其他被测量，然后输出一定形式的电信号。在测量光学量时，光电器件是作为敏感元件使用；而测量其他物理量时，它是作为转换元件使用。光电式传感器由光路及电路两大部分组成，光路部分实现被测量信号对光量的控制和调制，电路部分完成从光信号到电信号的转换。图2.2(a)所示为测量光量时的组成框图，图2.2(b)所示为测量其他物理量时的组成框图。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.1光电式传感器图2.2光电式传感器的基本组成武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.1光电式传感器1．光电管的结构与工作原理光电管有真空光电管和充气光电管两类，两者在结构上比较相似，均由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。当光照在阴极上时，中央阳极可收集从阴极上逸出的电子，在外电场作用下形成电流。充气光电管的灵敏度好，但其稳定性较差、惰性大，容易受温度影响。在智能车的光电式传感器模块设计中，由于要求温度影响小和灵敏度稳定，所以一般都采用真空式光电管。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.1光电式传感器2．主要性能光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。其中，伏安特性、光照特性和光谱特性是选择光电器件的主要指标。（1）光电管的伏安特性在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生电流之间的关系称为光电管的伏安特性。它是应用光电式传感器参数的主要依据。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.1光电式传感器（2）光电管的光照特性当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之比）称为光电管的灵敏度。（3）光电管的光谱特性一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率因此它们可用于不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量也不会相同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.2图像传感器图像传感器在智能车设计中非常常见。智能车路径识别模块中的摄像头的重要组成部分就是图像传感器。图像传感器又称为成像器件或摄像器件，可实现可见光、紫外线、X射线、近红外光等的探测，是现代视觉信息获取的一种基础器件。因其能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展（光谱拓宽、灵敏度范围扩大），能给出直观、真实、多层次、多内容的可视图像信息，图像传感器在现代科学技术中得到越来越广泛的应用。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.2图像传感器1．CCD图像传感器的分类CCD图像传感器从结构上可以分为两类：一类是用于获取线图像的，称为线阵CCD；另一类是用于获取面图像的，称为面阵CCD。（1）线阵CCD图像传感器对于线阵CCD，它可以直接接收一维光信息，而不能直接将二维图像转换为一维的电信号输出，为了得到整个二维图像的输出，就必须用行扫描的方法来实现。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.2图像传感器（2）面阵CCD图像传感器面阵CCD图像传感器的感光单元呈二维矩阵排列，能检测二维平面图像。由于传输与读出方式不同，面阵图像传感器有许多类型，常见的传输方式有行传输、帧传输和行间传输三种。2．CCD图像传感器的特性参数CCD图像器件的性能参数包括灵敏度、分辨率、信噪比、光谱响应、动态范围和暗电流等，CCD器件性能的优劣可由上述参数来衡量。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.2图像传感器（1）光电转换特性CCD图像传感器的光电转换特性如图2.3所示。图中x轴表示曝光量，y轴表示输出信号幅值，QSAT表示饱和输出电荷，QDARK表示暗电荷输出，ES表示饱和曝光量。图2.3CCD光电转换特性武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.2图像传感器由图2.3可以看出，输出电荷与曝光量之间有一个线性工作区域，在曝光量不饱和时，输出电荷正比于曝光量，当曝光量达到饱和曝光量后，输出电荷达到饱和值，并不随曝光量的增加而增加。曝光量等于光强乘以积分时间，即(2.1)式中，为光强；为积分时间，即起始脉冲的周期。暗电荷输出为无光照射时CCD的输出电荷。一只良好的CCD传感器，应具有低的暗电荷输出。intEHT武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.2图像传感器（2）灵敏度和灵敏度不均匀性CCD图像传感器的灵敏度或称为量子效率，标志着器件光敏区的光电转换效率，用在一定光谱范围内单位曝光量下器件输出的电流或电压表示。实际上，图2.3中CCD光电转换特性曲线的斜率就是器件的灵敏度，即(2.2)理想情况下，CCD器件受均匀光照时，输出信号幅度完全一样。实际上，由于半导体材料不均匀和工艺条件因素影响，在均匀光照下，CCD器件的输出幅度出现不均匀现象。SATs/SQE武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.2图像传感器（3）分辨率分辨率是用来表示分辨图像中明细细节的能力的。它通常有两种不同的表示方式：①极限分辨率。一黑一白两个线条称为一个“线对”，透过对应光的亮度为一明一暗。而极限分辨率是指人眼能够分辨的最细线条数，通常用每毫米线对数（1P/mm）来表示。②调制传递函数。每毫米长度上所包含的线对数称为空间频率，其单位是1P/mm。设调幅波信号的最大值为最小值为，平均值为，振幅为，如图2.4所示，定义调制度M为maxAminA0AmA武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.2图像传感器maxminmaxminAAMAA(2.4)图2.4调制度的定义武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.2图像传感器调幅波信号通过器件传递输出后，通常调制度受到的损失减小。一般来说，调制度随空间频率增加而减小。为了客观地表示CCD传感器的分辨率，一般采用调制传递函数（ModulationTransferFunction,MTF）来表示。MTF的定义为：在各个空间频率下，CCD器件的输出信号的调制度与输入信号的调制度的比值，即(2.5)式中，为空间频率。outin()MTF()()MvvMvv武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.2图像传感器MTF能够客观地反映CCD器件对于不同频率的目标成像的清晰程度。随着空间频率的增加，MTF值减小。当MTF减小到某一值时，图像就不能够清晰分辨，该值对应的空间频率为图像传感器能分辨的最高空间频率。（4）CCD的噪声CCD的噪声源可归纳为三类：散粒噪声、暗电流噪声和转移噪声。①散粒噪声光注入光敏区产生信号电荷的过程可以看成是独立、均匀连续发生的随机过程。单位时间内光产生的信号电荷数并非绝对不变，而是在一个平均值上作微小波动，这一微小波动的起伏便形成散粒噪声，又称为白噪声。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.2图像传感器②暗电流噪声暗电流噪声可以分为两部分：其一是耗尽层热激发产生的，可用泊松分布描述；其二是复合产生中心非均匀分布，特别是在某些单元位置上形成暗电流尖峰。由于器件工作时各个信号电荷包的积分地点不同，读出路径也不同，这些尖峰对各个电荷包贡献的电荷量不等，于是形成很大的背景起伏，这就是常称的固定图像噪声的起因。③转移噪声转移噪声产生的主要原因有：转移损失引起的噪声、界面态俘获引起的噪声和体态俘获引起的噪声。输出结构采用浮置栅放大器，噪声最小。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.2图像传感器3．摄像头的工作原理摄像头以隔行扫描的方式采样图像，当扫描到某点时，就通过图像传感芯片将该点处图像的灰度转换成与灰度对应的电压值，然后将此电压值通过视频信号端输出。具体而言（参见图2.5），摄像头连续地扫描图像上的一行，就输出一段连续的视频信号，该电压信号的高低起伏正反映了该行图像的灰度变化情况。当扫描完一行，视频信号端就输出一个低于最低视频信号电压的电平（如0.3V），并保持一段时间。这样相当于紧接着每行图像对应的电压信号之后会有一个电压“凹槽”，此“凹槽”叫做行同步脉冲，它是扫描换行的标志。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.2图像传感器然后扫描新的一行，如此下去，直到扫描完该场的信号，接着会出现一段场消隐信号。其中有若干个复合消隐脉冲（简称消隐脉冲），在这些消隐脉冲中，有一个消隐脉冲远宽于其他的消隐脉冲（即该消隐脉冲的持续时间远长于其他的消隐脉冲的持续时间），该消隐脉冲又称为场同步脉冲，标志着新的一场的到来。摄像头每秒扫描25帧图像，每帧又分奇、偶两场，故每秒扫描50场图像。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.2图像传感器图2.5摄像头视频信号武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.2图像传感器通常，摄像头产品说明上会给出有效像素和分辨率，但通常不会具体介绍视频信号行的持续时间、行消隐脉冲的持续时间等参数，而这些参数又关系到图像采样的时序控制。因此需要设计软、硬件方法对这些参数进行实际测量。表2.1给出了常见的1/3OmniVisionCMOS摄像头的时序参数，以供参考。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.2图像传感器表2.1常见的1/3OmniVisionCMOS摄像头的时序参数武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.3测速传感器在智能汽车设计中，测速传感器的设计主要有两种方案：霍尔传感器和光电式脉冲编码器。1．霍尔传感器霍尔传感器是基于霍尔效应原理，将电流、磁场、位移、压力、压差转速等被测量转换成电动势输出的一种传感器。虽然转换率低、温度影响大、要求转换精度较高时必须进行温度补偿