第2章智能汽车设计基础硬件精选PPT.ppt
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1、第2章智能汽车设计基础硬件第1页,此课件共56页哦第2章 智能汽车设计基础硬件 从从外外观观上上看看,智智能能车车系系统统主主要要表表现现为为由由一一系系列列的的硬硬件件组组成成,包包括括组组成成车车体体的的底底盘盘、轮轮胎胎、舵舵机机装装置置、马马达达装装置置、道道路路检检测测装装置置、测测速速装装置置和和控控制制电电路路板板等等。本本章章主主要要介介绍绍智智能能车车设设计计中中使使用用到到的的传传感感器器(包包括括光光电电式式传传感感器器、图图像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。传感器和测速传感器等)和控制电路板中的功能电路设计。第2页,此课件共56页哦2.1 2.1
2、传感器系统传感器系统12.2 2.2 电路设计电路设计2 思考题思考题3第2章 智能汽车设计基础硬件第3页,此课件共56页哦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。原理转换成某种规定的输出信号的装置或器件。第4页,此课件共56页哦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
3、随着通常,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,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有信号调理转换电
4、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,如图件、信号调理转换电路和辅助电路,如图2.12.1所示。随着半导体器件所示。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元件等一起集成在同一芯片上,安装在传感器的壳体里。第5页,此课件共56页哦2.1 传感器系统图2.1 传感器组成方框图图图2.1 2.1 传感器组成方框图
5、传感器组成方框图第6页,此课件共56页哦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:智能汽车设计中涉及到的传感器主要有三种:光电式传感器光电式传感器、图图像传感器像传感器和和测速传感器测速传感器。1 2.1.1 2.1.1 光电式传光电式传 感器感器2 2.1.2 2.1.2 图像传感器图像传感器3 2.1.3 2.1.3 测速传感器测速传感器第7页,此课件共56页哦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
6、的核心(敏感元件)是光电器件,光电器件的基础是光电效应。第8页,此课件共56页哦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
7、量时,它是作为转换元件使元件使用;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。图从光信号到电信号的转换。图2.2(a)所示为测量光量时所示为测量光量时的组成框图,图的组成框图,图2.2(b)2.2(b)所示为测量其他物理量时的组成框所示为测量其他物理量时的组成框图。图。第9页,此课件共56页哦2.1.1 光电式传感器图图2.2 2.2 光电式传感器的基本组成光电式传感器的基本组成第10页
8、,此课件共56页哦2.1.1 光电式传感器 1 1光电管的结构与工作原理光电管的结构与工作原理 光光电电管管有有真真空空光光电电管管和和充充气气光光电电管管两两类类,两两者者在在结结构构上上比比较较相相似似,均均由由一一个个阴阴极极和和一一个个阳阳极极构构成成,并并且且密密封封在在一一只只真真空空玻玻璃璃管管内内。阴阴极极装装在在玻玻璃璃管管内内壁壁上上,其其上上涂涂有有光光电电发发射射材材料料。阳阳极极通通常常用用金金属属丝丝弯弯曲曲成成矩矩形形或或圆圆形形,置置于于玻玻璃璃管管的的中中央央。当当光光照照在在阴阴极极上上时时,中中央央阳阳极极可可收收集集从从阴阴极极上上逸逸出出的的电电子子,
9、在在外外电电场场作作用用下下形形成成电电流流。充充气气光光电电管管的的灵灵敏敏度度好好,但但其其稳稳定定性性较较差差、惰惰性性大大,容容易易受受温温度度影影响响。在在智智能能车车的的光光电电式式传传感感器器模模块块设设计计中中,由由于于要要求求温温度度影影响响小小和和灵灵敏敏度度稳稳定定,所所以以一般都采用真空式光电管。一般都采用真空式光电管。第11页,此课件共56页哦2.1.1 光电式传感器 2 2主要性能主要性能 光光电电器器件件的的性性能能主主要要由由伏伏安安特特性性、光光照照特特性性、光光谱谱特特性性、响响应应时时间间、峰峰值值探探测测率率和和温温度度特特性性来来描描述述。其其中中,伏
10、伏安安特特性性、光光照照特特性性和光谱特性是选择光电器件的主要指标。和光谱特性是选择光电器件的主要指标。(1 1)光电管的伏安特性)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式传感器参数的主要依据。第12页,此课件共56页哦2.1.1 光电式传感器 (2 2)光电管的光照特性)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,光通量与光电流之当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时,光通量
11、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。射光光通量之比)称为光电管的灵敏度。(3 3)光电管的光谱特性)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,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
12、的光电子的数量也不会相同,即同一光电管对于不同频率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。的光的灵敏度不同,这就是光电管的光谱特性。第13页,此课件共56页哦2.1.2 图像传感器图图像像传传感感器器在在智智能能车车设设计计中中非非常常常常见见。智智能能车车路路径径识识别别模模块块中中的的摄摄像像头头的的重重要要组组成成部部分分就就是是图图像像传传感感器器。图图像像传传感感器器又又称称为为成成像像器器件件或或摄摄像像器器件件,可可实实现现可可见见光光、紫紫外外线线、X X射射线线、近近红红外外光光等等的的探探测测,是是现现代代视视觉觉
13、信信息息获获取取的的一一种种基基础础器器件件。因因其其能能实实现现信信息息的的获获取取、转转换换和和视视觉觉功功能能的的扩扩展展(光光谱谱拓拓宽宽、灵灵敏敏度度范范围围扩扩大大),能能给给出出直直观观、真真实实、多多层层次次、多多内内容容的的可可视视图图像信息,图像传感器在现代科学技术中得到越来越广泛的应用。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。第14页,此课件共56页哦2.1.2 图像传感器 1 1CCDCCD图像传感器的分类图像传感器的分类 CCD CCD图像传感器从结构上可以分为两类:一类是用于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,称为线阵获取线图像的
14、,称为线阵CCDCCD;另一类是用于获取面图像;另一类是用于获取面图像的,称为面阵的,称为面阵CCDCCD。(1 1)线阵)线阵CCDCCD图像传感器图像传感器 对于线阵对于线阵CCDCCD,它可以直接接收一维光信息,而不能直接,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。的输出,就必须用行扫描的方法来实现。第15页,此课件共56页哦2.1.2 图像传感器 (2 2)面阵)面阵CCDCCD图像传感器图像传感器 面阵面阵CCDCCD图像传感器的感光单元呈二维矩阵
15、排列,能检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。间传输三种。2 2CCDCCD图像传感器的特性参数图像传感器的特性参数 CCDCCD图像器件的性能参数包括灵敏度、分辨率、信噪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,比、光谱响应、动态范围和暗电流等,CCDCCD器件性能的优器件性能的优劣可由上述参数来衡量。劣可由上述参数来衡量。第16页,此课件共56
16、页哦2.1.2 图像传感器 (1 1)光电转换特性)光电转换特性 CCDCCD图像传感器的光电转换特性如图图像传感器的光电转换特性如图2.32.3所示。图中所示。图中x x轴表示曝轴表示曝光量,光量,y y轴表示输出信号幅值,轴表示输出信号幅值,Q QSATSAT表示饱和输出电荷,表示饱和输出电荷,Q QDARKDARK表表示暗电荷输出,示暗电荷输出,E ES S表示饱和曝光量。表示饱和曝光量。图图2.3 CCD光电转换特性光电转换特性第17页,此课件共56页哦2.1.2 图像传感器 由图由图2.32.3可以看出,输出电荷与曝光量之间有一个线性工作区域,可以看出,输出电荷与曝光量之间有一个线性
17、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,即曝光量等于光强乘以积分时间,即 (2.1)(2.1)式中,为光强;为积分时间,即起始脉冲的周期。暗电荷输式中,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出为无光照射时CCDCCD的输出电荷。一只良好的的输出电荷。一只良好的CCDCCD传感器,应具传感器,应具有低的暗电荷输出。有低的暗电荷输出。第18页,此课件共56页
18、哦2.1.2 图像传感器 (2 2)灵敏度和灵敏度不均匀性)灵敏度和灵敏度不均匀性 CCD 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,图电流或电压表示。实际上,图2.32.3中中CCDCCD光电转换特性曲线的斜率光电转换特性曲线的斜率就是器件的灵敏度,即就是器件的灵敏度,即 (2.2)(2.2)理想情况下,理想情况下,CCDCCD器件受均匀光照时,输出信号幅度完全一样。器件受均匀光照时,输出信号幅
19、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,下,CCDCCD器件的输出幅度出现不均匀现象。器件的输出幅度出现不均匀现象。第19页,此课件共56页哦2.1.2 图像传感器 (3 3)分辨率)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:种不同的表示方式:极限分辨率。极限分辨率。一黑一白两个线条称为一个一黑一白两个线条称为一个“线对线对”,透过对应,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光的亮度为
20、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(数,通常用每毫米线对数(1 P/mm1 P/mm)来表示。)来表示。调制传递函数。调制传递函数。每毫米长度上所包含的线对数称为空间频每毫米长度上所包含的线对数称为空间频率,其单位是率,其单位是1 P/mm1 P/mm。设调幅波信号的最大值为。设调幅波信号的最大值为 最小值为最小值为 ,平均值为,平均值为 ,振幅为,振幅为 ,如图,如图2.42.4所示,定义所示,定义调制度调制度 M M 为为 第20页,此课件共56页哦2.1.2 图像传感器(2.4)图图2.4 2.4 调制度的定义调制度的定义第21页,此课件共56页哦2.
21、1.2 图像传感器 调调幅幅波波信信号号通通过过器器件件传传递递输输出出后后,通通常常调调制制度度受受到到的的损损失失减减小小。一一般般来来说说,调调制制度度随随空空间间频频率率增增加加而而减减小小。为为了了客客观观地地 表表 示示CCDCCD传传 感感 器器 的的 分分 辨辨 率率,一一 般般 采采 用用 调调 制制 传传 递递 函函 数数(Modulation Modulation Transfer Transfer Function,Function,MTFMTF)来来表表示示。MTFMTF的的定定义义为为:在在各各个个空空间间频频率率下下,CCDCCD器器件件的的输输出出信信号号的的调
22、调制制度度与与输输入入信信号的调制度的比值,即号的调制度的比值,即 (2.5)(2.5)式中,式中,为空间频率。为空间频率。第22页,此课件共56页哦2.1.2 图像传感器 MTFMTF能够客观地反映能够客观地反映CCDCCD器件对于不同频率的目标成像的清晰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,程度。随着空间频率的增加,MTFMTF值减小。当值减小。当MTFMTF减小到某一值减小到某一值时,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。感器能分辨的最高空间频率。(4 4)CCDCCD的噪声的噪声
23、 CCDCCD的噪声源可归纳为三类:散粒噪声、暗电流噪声和转移噪声。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,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。噪声,又称为白噪声。第23页,此课件共56页哦2.1.2 图像传感器 暗电流噪声暗电流噪声 暗电流噪
24、声可以分为两部分:其一是耗尽层热激发产生的,可用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。因。转移噪声转移噪声 转移噪
25、声产生的主要原因有:转移损失引起的噪声、界面态俘获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,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。噪声最小。第24页,此课件共56页哦2.1.2 图像传感器 3 3摄像头的工作原理摄像头的工作原理 摄摄像像头头以以隔隔行行扫扫描描的的方方式式采采样样图图像像,当当扫扫描描到到某某点点时时,就就通通过过图图像像传传感感芯芯片片将将该该点点处处图图像像的的灰灰度度转转换换成成与与灰灰度度对对应应的的电电压压值值,然然后后将将此此电电压压值值通通过过视视频频信信号号端
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