智能汽车设计基础--硬件讲解

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1、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 1 2.2 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

2、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

3、、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。 1 2.1.1 光电式传 感器 2 2.1.2 图像传感器 3 2.1.3 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

4、 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

5、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

6、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

7、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

8、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 1CCD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；

9、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。 2CCD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

10、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2.3 CCD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，

11、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。 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。 武

12、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： 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（1 P/mm）来 表示。 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1 P/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 武汉科技大学信息科学与工程学院* 2.1.2 图像传感器 (2.4) 图2.4 调制度的定义 武汉科技大学信息科学

13、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（Modulation Transfer Function, 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。 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

14、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。 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 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

15、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。 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

16、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0.3 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。 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