1、智能车的传感器技术智能车的传感器技术汇报人：雷威指导老师：彭永胜传感器的作用传感器是一种变换器，可以将来自外界的各种信号转变成计算机能够识别的电信号。在智能车辆技术中，传感器负责采集车辆所需要的信息，包括感知汽车自身，汽车行驶的周围环境及驾驶员本身的状态等，为智能车的安全行驶提供及时、准确、可靠的决策依据。因此，在智能车辆技术中，传感器就相当于系统的感受器官，快速、精确地获取信息，是实现车辆安全行驶的保证。传感器技术作为促进汽车智能化发展的关键技术之一，承担着重要的角色，已被广泛用于智能车的防碰撞、车道保持、自巡航等系统中。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
2、传感器。1.图像传感器技术 技术特点图像传感技术是在光电技术基础上发展起来的，利用光电器件的光电转化功能，将其感光面上的光信号转换为与光信号成对应比例关系的电信号“图像”的一门技术，该技术将光学图像转换成一维时序信号，其关键器件是图像传感器。使用特点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。图像传感器的类型按感光波长：可见光，红外可见光传感器将可见光作为被测量，并转化成输出信号的器件。特性1.暗电流小
3、，低照度响应，灵敏度高，电流随光照度增强曾线性变化2.内置双敏感源，自动衰减近红外，光谱响应接近人眼函数曲线3.内置微信号CMOS放大器、高精度电压源和修正电路，输出电流大，工作电压范围宽，温度稳定性好。4.可选光学纳米材料封装，可见光透过，紫外线截止、近红外相对衰减，增强了光学滤波效果。红外传感器红外传感器是一种以红外线为介质来完成测量功能的传感器。工作原理1)待测目标：根据其红外辐射特性来对红外系统进行设定2)大气衰减：待测物的红外辐射通过大气层时会受到多种物质的影响发生衰减现象3)光学接收器：用于接受部分红外辐射并将其传输至红外传感器4)辐射调制器：又称为调制盘或斩波器，用于将红外辐射调
4、制成交变的形式以提供待测物的方位信息，并滤除干扰信号5)红外探测器：是红外系统的核心，用于探测红外辐射6)探测器制冷器：用于给系统制冷以提高工作效率7)信号处理系统：将信号进行放大、滤波等处理以提取所需信息并将有效信息输送至显示设备8)显示设备：是红外系统的终端设备，用于有效信息的显示按成像器件：CCD，CMOSCCD图像传感器（电荷耦合原件）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
5、扫描的方法来实现。（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。CMOS传感器（金属氧化物半导体元件）CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等特点，最近几年在宽动态、低照度方面发展迅速。CMOS即互补性金属氧化物半导体，主要是利用硅和锗两种元素所做成的半导体，通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能。CCD与CMOS的对比CCD提供很好的图像质量、抗噪能力和相机设计时的灵活性。尽管由于增加了
6、外部电路使得系统的尺寸变大，复杂性提高，但在电路设计时可更加灵活，可以尽可能的提升CCD相机的某些特别关注的性能。CCD更适合于对相机性能要求非常高而对成本控制不太严格的应用领域，如天文，高清晰度的医疗X光影像、和其他需要长时间曝光，对图像噪声要求严格的科学应用。CMOS是能应用当代大规模半导体集成电路生产工艺来生产的图像传感器，具有成品率高、集成度高、功耗小、价格低等特点。CMOS技术是世界上许多图像传感器半导体研发企业试图用来替代CCD的技术。经过多年的努力，作为图像传感器，CMOS已经克服早期的许多缺点，发展到了在图像品质方面可以与CCD技术较量的水平。CMOS的水平使它们更适合应用于要
7、求空间小、体积小、功耗低而对图像噪声和质量要求不是特别高的场合。按使用方式：单目，双目(立体)，全景单目视觉技术通过单个相机实现所有路面场景感知的技术。立体视觉技术从2个（或多个）视点观察同一景物，以获得在不同视角下的感知图像。通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差（即视差）来获取景物的三维信息。全景视觉技术全景摄像机是一款水平接近180度的全景监控设备，它采用三个高清720p摄像机进行采集，全景分辨率最高可以达到2800720，后端采用高端图形工作站进行图像处理。1.2 图像传感器的结构原理 成像物镜将外界照明光照射下的(或自身发光的)景物成像在物镜的像面上（焦平面）,并形成二 维空间的光
8、强分布(光学图像)。能够将二维光强分布的光学图像转变成一维时序电信号的传感器称为图像传感器。图像传感器输出的一维时序信号经过放大和同步控制处理后，送给图像显示器，可以还原并显示二维光学图像。当然，图像传感器与图像显示器之间的信号传输与接收都要遵守一定的规则，这个规则被称为制式。1.2.1 相机的结构和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1），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
9、频信号端就输出一个低于最低视频信号电压的电平（如0.3 V），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。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。图11.2.2 双目视觉结构和工作原理立体视觉系统由左右两部摄像机
10、组成。如右所示，图中分别以下标L和r标注左、右摄像机的相应参数。世界空间中一点A(X，Y，Z)在左右摄像机的成像面CL和CR上的像点分别为al(ul，vl)和ar(ur，vr)。这两个像点是世界空间中同一个对象点A的像，称为“共轭点”。知道了这两个共轭像点，分别作它们与各自相机的光心Ol和Or的连线，即投影线alOl和arOr，它们的交点即为世界空间中的对象点A(X，Y，Z)。这就是立体视觉的基本原理。1.2.3 全景视觉中的相机布置和图像处理要求对于无人驾驶平台的应用，一般采用鱼眼镜头相机成像和折反射全景成像这两种成像技术。采用鱼眼镜头相机成像，需要安装两个鱼眼镜头相机，一个捕捉车辆前方18
11、0视场范围的视觉信息，一个捕获车辆后方180视场范围的视觉信息，从而达到全景视觉效果。1.2.4 红外相机的结构和成像特点红外遥感是指借助对红外线敏感的探测器，不直接接触物体，来记录物体对红外线的辐射、反射、散射等信息，通过分析，揭示出物体的特征及其变化的科学技术。红外遥感技术中能获得图像信息的仪器有：使用红外线胶片的照相机，具有红外摄影功能的数码相机，热像仪等。虽然它们都利用红外线工作，但成像原理和所成的图像的物理意义有很大的区别。红外摄影通常指利用红外线胶片和数码相机进行的摄影；前者属于光学摄影类，后者属于光电摄影类。2.激光雷达技术n2.1激光雷达概述雷达属于主动传感器，即雷达对物体的感
12、知信息来源于自身，而摄像机作为被动传感器则是被动接受外界环境中物体的信息，因此相对于机器视觉而言，雷达受外界环境影响很小，在深度信息的获取上，其可靠性和精确性要高于被动传感器。其优点可概括为以下几点：（1）激光雷达采用主动测距法，因此对环境光的强弱和物体色彩具有很强的鲁棒性。（2）激光雷达直接返回被测物体到雷达的距离，与立体视觉复杂的视差深度转换算法相比更直接，而且测距更准确。（3）速度快，时效性好，视距大，测距范围大。激光雷达的类型按感光波长：民用（950nm），军用（1250nm）按探测原理：单线激光雷达，多线激光雷达按扫描方式：机械扫描，固态2.2 激光雷达的结构原理2.2.1 二维激光
13、雷达二维激光雷达也称为单线激光雷达，其中只有一条扫描线，通过旋转扫描得到一条线上的深度信息。二维激光雷达的激光脉冲束通过旋转镜面实现角度变换，得到周围环境的扇形扫描。目标物体的外部轮廓由接收到的反射脉冲的顺序决定。2.2.2 三维激光雷达三维激光雷达可以分为单向多线和三维全向激光雷达。其中单线扫描激光雷达只有一条扫描线，通过旋转扫描得到一条线上的深度信息，多线扫描激光雷达通过多条扫描线的旋转扫描，得到多条线上的深度信息。2.3 不同激光雷达的成像特点二维扫描型雷达是通过扫描镜与指向镜的协同作用来对目标面进行二维扫描，它可以避免因单面45旋转扫描镜产生反射旋转造成多远列探测器并扫波段的扫描图像产
14、生像旋畸变得情况。但由于二维激光雷达只能探测一个平面，反映在目标探测结果探测到目标的一条切线，一方面会极大降低雷达对三维环境所有目标的感知能力，另一方面也使得对于重要目标的形状感知能力降低。三维激光雷达能够在一定垂直角度范围内感知全向所有目标，而且能够给出目标的结构特征，这样就对于区分行人，车辆，静止路表等功能提供非常有利的前提。3.毫米波雷达技术3.1毫米波雷达概述毫米波雷达使用毫米波（millimeter wave）通常毫米波是指30300GHz频域(波长为110mm)的。毫米波的波长介于厘米波和光波之间，因此毫米波兼有微波制导和光电制导的优点。同厘米波导引头相比，毫米波导引头具有体积小、
15、质量轻和空间分辨率高的特点。与红外、激光、电视等光学导引头相比，毫米波导引头穿透雾、烟、灰尘的能力强，具有全天候(大雨天除外)全天时的特点。另外，毫米波导引头的抗干扰、反隐身能力也优于其他微波导引头。3.2 毫米波雷达的结构与工作理如右图所示，发射信号按雷达计算机控制的速率，通过双工器输出。回波信号的返回时间也由该计算机控制，该信号被输入到接收机，在此，它经下变频处理并采样。得到的信号由数字脉冲压缩系统压缩处理。该数字信号被记录在一个“廉价硬盘冗列”(redundant array of inex-pensive disks)(RAID)记录系统上，并且也输入到一个阵列处理机上，该阵列处理机对
16、这些数字实施综合处理。4.其它传感器简介4.1 超声波传感器超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号（通常是电信号）的传感器。超声波是振动频率高于20KHz的机械波。它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射
17、；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出。4.2 转速测量传感器霍尔传感器的工作原理霍尔式转速传感器的结构，下是三种不同结构的霍尔式转速传感器。转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。根据磁性转盘上小磁铁数目多少，就可以确定传感器测量转速的分辨率。光电式脉冲编码器的工作原理光电编码器采用光电方法，将转角和位移转换为各种代码形式的数字脉冲，如下图所示光电式脉冲编码器，在发光元件和光电接收元件中间，有一个直接装在旋转轴上的具有相当数量的透光扇形区的编码盘，在光源经光学系统形成一束平行光投在透光和不透光区的码盘上时，转动码盘，在码盘的另一侧就形成光脉冲，脉冲光照射在光电元件上就产生与之对应的电脉冲信号。
