智能车教程 第2章

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
1 2.1
传感器系统
2 2.2
电路设计
3
思考题
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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。
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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) S QSAT / Es 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。
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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。
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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。
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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
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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（1 P/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1 P/mm。设调幅波信号的最大值为 Amax 最小值为 Amin ，平均值为 A0 ，振幅为 Am ，如图2.4所示， 定义调制度 M 为
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2.1.2
图像传感器
图2.5 摄像头视频信号
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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 1/3 OmniVision CMOS 摄像头的时序参数，以供参 考。
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2.1.1
2．主要性能
光电式传感器
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。
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
E HTint
(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。
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2.1.2
图像传感器
Amax Amin M Amax Amin
(2.4)
图2.4
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调制度的定义
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 M out (v) (2.5) MTF(v) M in (v) 式中，v 为空间频率。
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2.1.1
光电式传感器
图2.2 光电式传感器的基本组成
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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。
次、多内容的可视图像信息，图像传感器在现代科学技术中
பைடு நூலகம்得到越来越广泛的应用。
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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。
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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。
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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0.3 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。
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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。
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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
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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
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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。
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
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。
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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。
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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。
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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
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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。