智能車入門設(shè)計(jì)

1.1智能汽車

11.2國外智能汽車設(shè)計(jì)競賽

21.3中國大學(xué)生智能汽車設(shè)計(jì)競賽

3第1章智能汽車設(shè)計(jì)導(dǎo)論第1頁/共86頁1.1智能汽車1.1.1智能汽車設(shè)計(jì)的意義及研究內(nèi)容1.1.2智能汽車設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵第2頁/共86頁1.1.1智能汽車設(shè)計(jì)的意義及研究內(nèi)容智能汽車的體系結(jié)構(gòu)智能汽車的信息采集、處理及傳輸智能汽車的自動(dòng)控制系統(tǒng)智能汽車的通信系統(tǒng)智能汽車的導(dǎo)駛定位技術(shù)智能汽車的電源系統(tǒng)第3頁/共86頁智能汽車的研究意義21世紀(jì)的汽車概念將發(fā)生根本性的變化?，F(xiàn)在的“汽車”是帶有一些電子控制的機(jī)械裝置，將來的“汽車”將轉(zhuǎn)變?yōu)閹в幸恍┹o助機(jī)械的機(jī)電一體化裝置，汽車的主要部分不再僅僅是個(gè)機(jī)械裝置，它正向消費(fèi)類電子產(chǎn)品轉(zhuǎn)移。同時(shí)，智能汽車在傳統(tǒng)汽車上配備了遠(yuǎn)程信息處理器、傳感器和接收器，通過無線網(wǎng)絡(luò)獲取前方交通狀況信息，引導(dǎo)汽車加速或減速。這樣，汽車就能更為平穩(wěn)地行駛，避免不斷剎車、啟動(dòng)的動(dòng)作，以降低油耗。隨著汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展，中國的汽車工業(yè)將面臨著巨大的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)，開展智能汽車技術(shù)的研究與開發(fā)工作具有重要意義。第4頁/共86頁智能汽車的體系結(jié)構(gòu)智能汽車的體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須包含實(shí)現(xiàn)用戶功能的全部子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。智能汽車的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)該闡述這種車輛的結(jié)構(gòu)體系，列出用戶服務(wù)功能，定義實(shí)現(xiàn)用戶服務(wù)功能的各個(gè)子系統(tǒng)。研究各個(gè)子系統(tǒng)之間的通信方式和組織方式。第5頁/共86頁智能汽車的信息采集、處理及傳輸信息就是智能汽車的靈魂，智能汽車將用實(shí)時(shí)的、全面的、有效的信息流來驅(qū)動(dòng)汽車系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。因此，研究智能汽車系統(tǒng)的信息環(huán)境模型、信息處理方法與技術(shù)、高效的信息傳輸技術(shù)就顯得尤其重要。第6頁/共86頁智能汽車的自動(dòng)控制系統(tǒng)越來越多的交通問題專家認(rèn)為，交通系統(tǒng)的諸多問題的根源就出在駕駛員身上。駕駛員的技術(shù)水準(zhǔn)、法制觀念、身體狀況和對交通環(huán)境的適應(yīng)能力等因素都直接影響行車的效果，進(jìn)而影響交通系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。解決問題的出路在于汽車駕駛的自動(dòng)化，即用自動(dòng)控制器取代駕駛員。由于交通環(huán)境信息的復(fù)雜化和多變性、交通任務(wù)的多樣性等原因，汽車控制策略必須基于智能控制理論來設(shè)計(jì)。第7頁/共86頁智能汽車的通信系統(tǒng)在智能汽車與智能汽車之間、智能汽車與交通監(jiān)控中心之間、智能汽車與道路附屬設(shè)施之間，都存在著大量信息的實(shí)時(shí)交換。通信子系統(tǒng)是智能汽車系統(tǒng)獲取和傳遞信息的神經(jīng)中樞，必須研究適合于智能汽車信息交換的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式、軟件技術(shù)、傳輸介質(zhì)、編碼糾錯(cuò)技術(shù)等。第8頁/共86頁智能汽車的導(dǎo)駛定位技術(shù)智能汽車導(dǎo)駛定位系統(tǒng)的任務(wù)是對行駛中的智能汽車進(jìn)行實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位，如在車輛內(nèi)顯示目的地的地圖，確定車輛的位置，選擇合適的行車路徑等。同時(shí)，車輛同交通監(jiān)控中心可以通信，使用一個(gè)數(shù)據(jù)庫記錄車輛及途經(jīng)道路的歷史狀況信息，該子系統(tǒng)研究涉及GPS定位技術(shù)、電子地圖技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、顯示技術(shù)以及接口技術(shù)和應(yīng)用軟件技術(shù)等。第9頁/共86頁智能汽車的電源系統(tǒng)汽車的傳統(tǒng)能源以石油為主，隨著世界環(huán)境問題的突出顯現(xiàn)，由燃油引發(fā)的交通事業(yè)可持續(xù)發(fā)展問題顯得十分急迫。當(dāng)前，最有可能被成功應(yīng)用于汽車的替代動(dòng)力能源就是電能，電能具有效率高、清潔、易于變換、易于輸送等特點(diǎn)，應(yīng)用于智能汽車系統(tǒng)，前景廣闊，是必然的選擇。但是，電能的大容量儲(chǔ)存比較困難，因而將電能應(yīng)用于移動(dòng)的智能汽車系統(tǒng)，還有很多理論和技術(shù)工作有待深入研究。第10頁/共86頁1.1.2智能汽車設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵智能汽車體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)智能汽車的信息采集與處理技術(shù)智能汽車控制策略的設(shè)計(jì)智能汽車導(dǎo)駛定位技術(shù)智能汽車電源研究第11頁/共86頁智能汽車體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)智能汽車體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于：如何根據(jù)智能汽車的性能，劃分智能汽車各個(gè)功能子系統(tǒng)的問題，這些子系統(tǒng)之間既相對獨(dú)立，又存在信息流動(dòng)，共同實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的功能。第12頁/共86頁智能汽車的信息采集與處理技術(shù)汽車在行駛過程中，必須得到的信息包括車輛自身狀況的信息、道路信息、近鄰行駛汽車的信息及導(dǎo)航定位信息等。這些信息一般被外界噪聲所干擾，如何精確、實(shí)時(shí)、有效地采集到這些信息，并進(jìn)行處理，需要特別研究。第13頁/共86頁智能汽車控制策略的設(shè)計(jì)目前，在智能控制領(lǐng)域內(nèi)，已經(jīng)提出了模糊控制理論、神經(jīng)控制理論、專家控制理論、分層遞階控制理論等智能控制方案。所有這些智能控制策略，其核心思想就是模仿人的思維和行動(dòng)，去完成或部分完成只有人類專家才能完成的控制任務(wù)。設(shè)計(jì)一個(gè)“類人”的汽車控制器，是智能汽車控制策略研究中的終極方案。但由于汽車駕駛?cè)蝿?wù)的復(fù)雜性，研究設(shè)計(jì)這種汽車智能控制器的任務(wù)是十分艱巨的。第14頁/共86頁智能汽車導(dǎo)駛定位技術(shù)智能汽車作為一種自動(dòng)或半自動(dòng)交通工具系統(tǒng)，如何選擇交通路線、如何識(shí)別道路、如何精確實(shí)時(shí)地確定自己的地理位置、如何記錄自己的行車路線等問題，是當(dāng)前研究的技術(shù)熱點(diǎn)，而數(shù)字導(dǎo)駛技術(shù)就是解決這些問題的綜合方案。從硬件上講，車載計(jì)算機(jī)、控制器、顯示器、數(shù)字地圖、定位系統(tǒng)是必不可少的。車輛數(shù)字導(dǎo)駛技術(shù)研究已經(jīng)取得了一些結(jié)果，但是要完全徹底地解決問題，還需要做很多研究。第15頁/共86頁智能汽車電源研究目前，車載動(dòng)力電源的弊端是容量偏小、功率較低、持續(xù)穩(wěn)定工作時(shí)間短，國內(nèi)外不少學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究，智能汽車作為新一代汽車的代表，為應(yīng)對日益嚴(yán)重的環(huán)境問題，必須采用電能作為動(dòng)力。但至目前為止，智能汽車動(dòng)力電源仍是一個(gè)有待突破的技術(shù)關(guān)鍵。第16頁/共86頁1.2國外智能汽車設(shè)計(jì)競賽1.2.1美國智能汽車大賽1.2.2韓國大學(xué)生智能汽車競賽第17頁/共86頁1.2.1美國智能汽車大賽美國國防部與民間的大學(xué)、企業(yè)和發(fā)明家聯(lián)合開展了全球領(lǐng)先的智能汽車競賽。2007年11月，美國第三屆智能汽車大賽日前在加利福尼亞州維克托維爾舉行，這是美國國防部第三次主辦這樣的大賽。參賽的無人駕駛汽車的車頂上有旋轉(zhuǎn)的激光器，兩邊有轉(zhuǎn)動(dòng)的照相機(jī)，內(nèi)部安有電腦裝置。這些無人駕駛汽車完全由電腦控制，利用衛(wèi)星導(dǎo)航、攝像、雷達(dá)和激光，人工智能系統(tǒng)可判斷出汽車的位置和去向，隨后將指令傳輸?shù)截?fù)責(zé)駕駛車輛的系統(tǒng)，絲毫不受人的干涉，用傳感器策劃和選擇它們的路線。參賽的無人駕駛智能汽車沿著附近公路飛奔。第18頁/共86頁1.2.1美國智能汽車大賽這次智能汽車比賽的目標(biāo)是對未來科學(xué)家的激勵(lì)。大學(xué)、企業(yè)和發(fā)明家們期望制造出通過洛杉磯和拉斯維加斯間荒地、行程100mile（160km）的自我控制汽車。圖1.1美國的智能汽車

圖1.1美國的智能汽車

圖1.1美國的智能汽車第19頁/共86頁1.2.2韓國大學(xué)生智能汽車競賽韓國大學(xué)生智能汽車競賽是韓國漢陽大學(xué)汽車控制實(shí)驗(yàn)室在飛思卡爾半導(dǎo)體公司資助下舉辦的，以HCS12單片機(jī)為核心的大學(xué)生智能模型汽車競賽。組委會(huì)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的汽車模型、直流電機(jī)和可充電式電池，參賽隊(duì)伍要制作一個(gè)能夠自主識(shí)別路線的智能車，在專門設(shè)計(jì)的跑道上自動(dòng)識(shí)別道路行駛，誰最快跑完全程而沒有沖出跑道并且技術(shù)報(bào)告評分較高，誰就是獲勝者。第20頁/共86頁1.2.2韓國大學(xué)生智能汽車競賽2000年智能車比賽首先由韓國漢陽大學(xué)承辦，每年全韓國大約有100余支大學(xué)生隊(duì)伍參賽，該項(xiàng)賽事得到了眾多高校和大學(xué)生的歡迎，也逐漸得到了企業(yè)界的關(guān)注。圖1.2韓國SUNMOON大學(xué)參賽的模型車第21頁/共86頁1.3中國大學(xué)生智能汽車設(shè)計(jì)競賽1.3.1中國大學(xué)生智能汽車設(shè)計(jì)競賽簡介1.3.2中國大學(xué)生智能汽車設(shè)計(jì)競賽歷程1.3.3中國大學(xué)生智能汽車設(shè)計(jì)競賽的基本規(guī)則第22頁/共86頁1.3.1中國大學(xué)生智能汽車設(shè)計(jì)競賽簡介我國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽，是在統(tǒng)一汽車模型平臺(tái)上，使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的8位、16位微控制器作為核心控制模塊，自主構(gòu)思控制方案進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括傳感器信號采集處理、動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制以及控制算法軟件開發(fā)等，完成智能車工程制作及調(diào)試，于指定日期與地點(diǎn)參加各分賽區(qū)的場地比賽，在獲得決賽資格后，參加全國決賽區(qū)的場地比賽。參賽隊(duì)伍之名次（成績）由賽車現(xiàn)場成功完成賽道比賽時(shí)間為主、技術(shù)報(bào)告和制作工程質(zhì)量評分為輔來決定。第23頁/共86頁1.3.1中國大學(xué)生智能汽車設(shè)計(jì)競賽簡介每屆比賽的難度依次增加——自2007年開始，比賽中增加了15°的上下坡道；自2008年開始，大賽分為光電與攝像頭兩個(gè)賽題組，在車模中使用透鏡成像進(jìn)行道路檢測方法屬于攝像頭賽題組，除此之外則屬于光電管賽題組，并增加了終點(diǎn)自動(dòng)停駛功能。圖1.4比賽賽道圖1.3參賽模型車第24頁/共86頁1.3.2中國大學(xué)生智能汽車設(shè)計(jì)競賽歷程第一屆（2006年）：清華大學(xué)第二屆（2007年）：上海交通大學(xué)第三屆（2008年）：東北大學(xué)第25頁/共86頁1.3.3中國大學(xué)生智能汽車設(shè)計(jì)競賽的基本規(guī)則1．有關(guān)模型車改裝的規(guī)定2．有關(guān)賽場的規(guī)定第26頁/共86頁有關(guān)模型車改裝的規(guī)定必須采用統(tǒng)一提供的車模必須采用限定的飛思卡爾16位微控制器MC9S12DG128作為唯一控制處理器車模改裝完畢后，尺寸不能超過：250mm寬和400mm長，高度無限制。第27頁/共86頁有關(guān)賽場的規(guī)定賽道基本參數(shù)：①賽道路面用紙制作，跑道所占面積不大于5000mm×7000mm，跑道寬度不小于600mm；②跑道表面為白色，中心有連續(xù)黑線作為引導(dǎo)線，黑線寬25mm；③跑道最小曲率半徑不小于500mm；④跑道可以交叉，交叉角為90°；⑤賽道為二維水平平面；⑥賽道有一個(gè)長為1000mm的出發(fā)區(qū)，計(jì)時(shí)起始點(diǎn)兩邊分別有一個(gè)長度100mm黑色計(jì)時(shí)起始線，賽車前端通過起始線作為比賽計(jì)時(shí)開始或者比賽結(jié)束時(shí)刻。第28頁/共86頁有關(guān)賽場的規(guī)定初賽賽道實(shí)際布局將在初賽當(dāng)日揭示，在賽場內(nèi)將安排與實(shí)際賽道具有相同材料的局部賽道供參賽隊(duì)進(jìn)行調(diào)試。決賽賽道實(shí)際布局將根據(jù)初賽情況由技術(shù)評判組和現(xiàn)場裁判組共同商定，并在決賽開賽前1小時(shí)揭示，不再安排賽前試車。圖1.5比賽賽道標(biāo)準(zhǔn)示例（第一屆）第29頁/共86頁第2章智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)--硬件第30頁/共86頁第2章智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)—硬件

從外觀上看，智能車系統(tǒng)主要表現(xiàn)為由一系列的硬件組成，包括組成車體的底盤、輪胎、舵機(jī)裝置、馬達(dá)裝置、道路檢測裝置、測速裝置和控制電路板等。本章主要介紹智能車設(shè)計(jì)中使用到的傳感器（包括光電式傳感器、圖像傳感器和測速傳感器等）和控制電路板中的功能電路設(shè)計(jì)。第31頁/共86頁2.1傳感器系統(tǒng)12.2電路設(shè)計(jì)2思考題3第2章智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)—硬件第32頁/共86頁2.1傳感器系統(tǒng)

在工程上，系統(tǒng)中各種物理量都必須轉(zhuǎn)換成一定規(guī)格的信號（電信號或氣壓信號）才能被檢測、采集和顯示。所謂傳感器，即是將被測量按照一定的物理或化學(xué)原理轉(zhuǎn)換成某種規(guī)定的輸出信號的裝置或器件。第33頁/共86頁2.1傳感器系統(tǒng)通常，傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件能夠隨著被測量的變化而引起某種易被測量的信號的變化，而轉(zhuǎn)換元件則將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分，具體的電量形式取決于敏感元件的原理。除此之外，由于轉(zhuǎn)換元件的輸出信號一般都很微弱，為方便傳輸、轉(zhuǎn)換、處理及顯示，通常有信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路、輔助電路等，將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號進(jìn)行放大或運(yùn)算調(diào)制。因此，傳感器的組成通常包括敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路和輔助電路，如圖2.1所示。隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)的發(fā)展，傳感器的信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路與敏感元件、轉(zhuǎn)換元件等一起集成在同一芯片上，安裝在傳感器的殼體里。第34頁/共86頁2.1傳感器系統(tǒng)圖2.1傳感器組成方框圖圖2.1傳感器組成方框圖第35頁/共86頁2.1傳感器系統(tǒng)

智能汽車設(shè)計(jì)中涉及到的傳感器主要有三種：光電式傳感器、圖像傳感器和測速傳感器。12.1.1光電式傳感器22.1.2圖像傳感器32.1.3測速傳感器第36頁/共86頁2.1.1光電式傳感器

光電式傳感器是利用光電器件把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。光電式傳感器工作時(shí)，先將被測量轉(zhuǎn)換為光量的變化，然后通過光電器件再把光量的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量變化，從而實(shí)現(xiàn)非電量的測量。光電式傳感器的核心（敏感元件）是光電器件，光電器件的基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。第37頁/共86頁2.1.1光電式傳感器光電式傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快，可靠性較高，能實(shí)現(xiàn)參數(shù)的非接觸測量，因此廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)自動(dòng)化儀表中。光電式傳感器可用來測量光學(xué)量或測量已先行轉(zhuǎn)換為光學(xué)量的其他被測量，然后輸出一定形式的電信號。在測量光學(xué)量時(shí)，光電器件是作為敏感元件使用；而測量其他物理量時(shí)，它是作為轉(zhuǎn)換元件使用。光電式傳感器由光路及電路兩大部分組成，光路部分實(shí)現(xiàn)被測量信號對光量的控制和調(diào)制，電路部分完成從光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。圖2.2(a)所示為測量光量時(shí)的組成框圖，圖2.2(b)所示為測量其他物理量時(shí)的組成框圖。第38頁/共86頁2.1.1光電式傳感器圖2.2光電式傳感器的基本組成第39頁/共86頁2.1.1光電式傳感器1．光電管的結(jié)構(gòu)與工作原理

光電管有真空光電管和充氣光電管兩類，兩者在結(jié)構(gòu)上比較相似，均由一個(gè)陰極和一個(gè)陽極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。當(dāng)光照在陰極上時(shí)，中央陽極可收集從陰極上逸出的電子，在外電場作用下形成電流。充氣光電管的靈敏度好，但其穩(wěn)定性較差、惰性大，容易受溫度影響。在智能車的光電式傳感器模塊設(shè)計(jì)中，由于要求溫度影響小和靈敏度穩(wěn)定，所以一般都采用真空式光電管。第40頁/共86頁2.1.1光電式傳感器2．主要性能光電器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應(yīng)時(shí)間、峰值探測率和溫度特性來描述。其中，伏安特性、光照特性和光譜特性是選擇光電器件的主要指標(biāo)。

（1）光電管的伏安特性在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。它是應(yīng)用光電式傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。第41頁/共86頁2.1.1光電式傳感器

（2）光電管的光照特性當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之比）稱為光電管的靈敏度。

（3）光電管的光譜特性一般對于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率因此它們可用于不同的光譜范圍。除此之外，即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率，并且強(qiáng)度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量也不會(huì)相同，即同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。第42頁/共86頁2.1.2圖像傳感器圖像傳感器在智能車設(shè)計(jì)中非常常見。智能車路徑識(shí)別模塊中的攝像頭的重要組成部分就是圖像傳感器。圖像傳感器又稱為成像器件或攝像器件，可實(shí)現(xiàn)可見光、紫外線、X射線、近紅外光等的探測，是現(xiàn)代視覺信息獲取的一種基礎(chǔ)器件。因其能實(shí)現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴(kuò)展（光譜拓寬、靈敏度范圍擴(kuò)大），能給出直觀、真實(shí)、多層次、多內(nèi)容的可視圖像信息，圖像傳感器在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。第43頁/共86頁2.1.2圖像傳感器

1．CCD圖像傳感器的分類CCD圖像傳感器從結(jié)構(gòu)上可以分為兩類：一類是用于獲取線圖像的，稱為線陣CCD；另一類是用于獲取面圖像的，稱為面陣CCD。（1）線陣CCD圖像傳感器對于線陣CCD，它可以直接接收一維光信息，而不能直接將二維圖像轉(zhuǎn)換為一維的電信號輸出，為了得到整個(gè)二維圖像的輸出，就必須用行掃描的方法來實(shí)現(xiàn)。第44頁/共86頁2.1.2圖像傳感器（2）面陣CCD圖像傳感器面陣CCD圖像傳感器的感光單元呈二維矩陣排列，能檢測二維平面圖像。由于傳輸與讀出方式不同，面陣圖像傳感器有許多類型，常見的傳輸方式有行傳輸、幀傳輸和行間傳輸三種。2．CCD圖像傳感器的特性參數(shù)

CCD圖像器件的性能參數(shù)包括靈敏度、分辨率、信噪比、光譜響應(yīng)、動(dòng)態(tài)范圍和暗電流等，CCD器件性能的優(yōu)劣可由上述參數(shù)來衡量。第45頁/共86頁2.1.2圖像傳感器

（1）光電轉(zhuǎn)換特性

CCD圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換特性如圖2.3所示。圖中x軸表示曝光量，y軸表示輸出信號幅值，QSAT表示飽和輸出電荷，QDARK表示暗電荷輸出，ES表示飽和曝光量。

圖2.3CCD光電轉(zhuǎn)換特性第46頁/共86頁2.1.2圖像傳感器由圖2.3可以看出，輸出電荷與曝光量之間有一個(gè)線性工作區(qū)域，在曝光量不飽和時(shí)，輸出電荷正比于曝光量，當(dāng)曝光量達(dá)到飽和曝光量后，輸出電荷達(dá)到飽和值，并不隨曝光量的增加而增加。曝光量等于光強(qiáng)乘以積分時(shí)間，即

(2.1)

式中，為光強(qiáng)；為積分時(shí)間，即起始脈沖的周期。暗電荷輸出為無光照射時(shí)CCD的輸出電荷。一只良好的CCD傳感器，應(yīng)具有低的暗電荷輸出。第47頁/共86頁2.1.2圖像傳感器

（2）靈敏度和靈敏度不均勻性CCD圖像傳感器的靈敏度或稱為量子效率，標(biāo)志著器件光敏區(qū)的光電轉(zhuǎn)換效率，用在一定光譜范圍內(nèi)單位曝光量下器件輸出的電流或電壓表示。實(shí)際上，圖2.3中CCD光電轉(zhuǎn)換特性曲線的斜率就是器件的靈敏度，即

(2.2)理想情況下，CCD器件受均勻光照時(shí)，輸出信號幅度完全一樣。實(shí)際上，由于半導(dǎo)體材料不均勻和工藝條件因素影響，在均勻光照下，CCD器件的輸出幅度出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。第48頁/共86頁2.1.2圖像傳感器

（3）分辨率分辨率是用來表示分辨圖像中明細(xì)細(xì)節(jié)的能力的。它通常有兩種不同的表示方式：

①極限分辨率。一黑一白兩個(gè)線條稱為一個(gè)“線對”，透過對應(yīng)光的亮度為一明一暗。而極限分辨率是指人眼能夠分辨的最細(xì)線條數(shù)，通常用每毫米線對數(shù)（1P/mm）來表示。

②調(diào)制傳遞函數(shù)。每毫米長度上所包含的線對數(shù)稱為空間頻率，其單位是1P/mm。設(shè)調(diào)幅波信號的最大值為最小值為，平均值為，振幅為，如圖2.4所示，定義調(diào)制度M為第49頁/共86頁2.1.2圖像傳感器(2.4)

圖2.4調(diào)制度的定義第50頁/共86頁2.1.2圖像傳感器

調(diào)幅波信號通過器件傳遞輸出后，通常調(diào)制度受到的損失減小。一般來說，調(diào)制度隨空間頻率增加而減小。為了客觀地表示CCD傳感器的分辨率，一般采用調(diào)制傳遞函數(shù)（ModulationTransferFunction,MTF）來表示。MTF的定義為：在各個(gè)空間頻率下，CCD器件的輸出信號的調(diào)制度與輸入信號的調(diào)制度的比值，即(2.5)式中，為空間頻率。第51頁/共86頁2.1.2圖像傳感器

MTF能夠客觀地反映CCD器件對于不同頻率的目標(biāo)成像的清晰程度。隨著空間頻率的增加，MTF值減小。當(dāng)MTF減小到某一值時(shí)，圖像就不能夠清晰分辨，該值對應(yīng)的空間頻率為圖像傳感器能分辨的最高空間頻率。

（4）CCD的噪聲

CCD的噪聲源可歸納為三類：散粒噪聲、暗電流噪聲和轉(zhuǎn)移噪聲。

①散粒噪聲光注入光敏區(qū)產(chǎn)生信號電荷的過程可以看成是獨(dú)立、均勻連續(xù)發(fā)生的隨機(jī)過程。單位時(shí)間內(nèi)光產(chǎn)生的信號電荷數(shù)并非絕對不變，而是在一個(gè)平均值上作微小波動(dòng)，這一微小波動(dòng)的起伏便形成散粒噪聲，又稱為白噪聲。第52頁/共86頁2.1.2圖像傳感器

②暗電流噪聲暗電流噪聲可以分為兩部分：其一是耗盡層熱激發(fā)產(chǎn)生的，可用泊松分布描述；其二是復(fù)合產(chǎn)生中心非均勻分布，特別是在某些單元位置上形成暗電流尖峰。由于器件工作時(shí)各個(gè)信號電荷包的積分地點(diǎn)不同，讀出路徑也不同，這些尖峰對各個(gè)電荷包貢獻(xiàn)的電荷量不等，于是形成很大的背景起伏，這就是常稱的固定圖像噪聲的起因。

③轉(zhuǎn)移噪聲轉(zhuǎn)移噪聲產(chǎn)生的主要原因有：轉(zhuǎn)移損失引起的噪聲、界面態(tài)俘獲引起的噪聲和體態(tài)俘獲引起的噪聲。輸出結(jié)構(gòu)采用浮置柵放大器，噪聲最小。第53頁/共86頁2.1.2圖像傳感器3．?dāng)z像頭的工作原理

攝像頭以隔行掃描的方式采樣圖像，當(dāng)掃描到某點(diǎn)時(shí)，就通過圖像傳感芯片將該點(diǎn)處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度對應(yīng)的電壓值，然后將此電壓值通過視頻信號端輸出。具體而言（參見圖2.5），攝像頭連續(xù)地掃描圖像上的一行，就輸出一段連續(xù)的視頻信號，該電壓信號的高低起伏正反映了該行圖像的灰度變化情況。當(dāng)掃描完一行，視頻信號端就輸出一個(gè)低于最低視頻信號電壓的電平（如0.3V），并保持一段時(shí)間。這樣相當(dāng)于緊接著每行圖像對應(yīng)的電壓信號之后會(huì)有一個(gè)電壓“凹槽”，此“凹槽”叫做行同步脈沖，它是掃描換行的標(biāo)志。

第54頁/共86頁2.1.2圖像傳感器然后掃描新的一行，如此下去，直到掃描完該場的信號，接著會(huì)出現(xiàn)一段場消隱信號。其中有若干個(gè)復(fù)合消隱脈沖（簡稱消隱脈沖），在這些消隱脈沖中，有一個(gè)消隱脈沖遠(yuǎn)寬于其他的消隱脈沖（即該消隱脈沖的持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)長于其他的消隱脈沖的持續(xù)時(shí)間），該消隱脈沖又稱為場同步脈沖，標(biāo)志著新的一場的到來。攝像頭每秒掃描25幀圖像，每幀又分奇、偶兩場，故每秒掃描50場圖像。第55頁/共86頁2.1.2圖像傳感器圖2.5攝像頭視頻信號第56頁/共86頁

2.1.2圖像傳感器通常，攝像頭產(chǎn)品說明上會(huì)給出有效像素和分辨率，但通常不會(huì)具體介紹視頻信號行的持續(xù)時(shí)間、行消隱脈沖的持續(xù)時(shí)間等參數(shù)，而這些參數(shù)又關(guān)系到圖像采樣的時(shí)序控制。因此需要設(shè)計(jì)軟、硬件方法對這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)際測量。表2.1給出了常見的1/3OmniVisionCMOS攝像頭的時(shí)序參數(shù)，以供參考。第57頁/共86頁

2.1.2圖像傳感器表2.1常見的1/3OmniVisionCMOS攝像頭的時(shí)序參數(shù)第58頁/共86頁

2.1.3測速傳感器

在智能汽車設(shè)計(jì)中，測速傳感器的設(shè)計(jì)主要有兩種方案：霍爾傳感器和光電式脈沖編碼器。

1．霍爾傳感器

霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理，將電流、磁場、位移、壓力、壓差轉(zhuǎn)速等被測量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢輸出的一種傳感器。雖然轉(zhuǎn)換率低、溫度影響大、要求轉(zhuǎn)換精度較高時(shí)必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，但霍爾傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、堅(jiān)固、頻率響應(yīng)寬（從直流到微波）、動(dòng)態(tài)范圍（輸出電動(dòng)勢的變化）大、無觸點(diǎn)、壽命長、可靠性高，以及易于微型化和集成電路化等優(yōu)點(diǎn)。

第59頁/共86頁

2.1.3測速傳感器（1）霍爾效應(yīng)原理金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。如圖2.6所示，假設(shè)薄片為型半導(dǎo)體，磁場方向垂直于薄片，磁感應(yīng)強(qiáng)度為。在薄片左右兩端通以電流（稱為控制電流），那么半導(dǎo)體中的截流子（電子）將沿著與電流的相反方向運(yùn)動(dòng)。由于外磁場的作用，使電子受到磁場力（洛侖茲力）作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，結(jié)果在半導(dǎo)體的后端面上電子有所積累而帶負(fù)電，前端面則因缺少電子而帶正電，在前后兩個(gè)端面之間形成電場。

第60頁/共86頁

2.1.3測速傳感器圖2.6霍爾效應(yīng)原理圖第61頁/共86頁

2.1.3測速傳感器這時(shí)，在半導(dǎo)體前后兩個(gè)端面之間（即垂直于電流和磁場的方向）建立的電場稱為霍爾電場，相應(yīng)的電勢就稱為霍爾電勢。利用霍爾效應(yīng)制成的傳感元件稱為霍爾傳感器，的大小正比于控制電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度，即

(2.6)

式中，為霍爾系數(shù)，，其中為載流體的電阻率；為載流子的遷移率；為靈敏度，。若磁場方向與元件平面成角度時(shí)，則作用在元件上的有效磁場是其法線方向的分量，即，則有

(2.7)第62頁/共86頁

2.1.3測速傳感器由式(2.6)和式(2.7)可以看出，霍爾電勢的大小正比于控制電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度，靈敏度表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)輸出霍爾電勢的大小，一般要求越大越好，元件的厚度d越薄，就越大，所以霍爾元件的厚度都很薄。當(dāng)載流電流材料和幾何尺寸確定后，霍爾電勢的大小只和控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān)，因此霍爾式傳感器可用來探測磁場和電流，由此可測量壓力、振動(dòng)等。第63頁/共86頁2.1.3測速傳感器（2）霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡單，由霍爾片、四根引線和殼體組成?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體單晶薄片，從中引出四根引線，其中兩根引線上施加激勵(lì)電壓或電流，稱為激勵(lì)電極（控制電極），另外兩根引線稱為霍爾輸出引線，又稱為霍爾電極?；魻栐臍んw是用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝的。

（3）霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)圖2.7是三種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，檢測出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，便可知被測轉(zhuǎn)速。根據(jù)磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目多少，就可以確定傳感器測量轉(zhuǎn)速的分辨率。第64頁/共86頁2.1.3測速傳感器圖2.7三種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器圖2.7三種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器第65頁/共86頁2.1.3測速傳感器2．光電式脈沖編碼器光電式脈沖編碼器可將機(jī)械位移、轉(zhuǎn)角或速度變化轉(zhuǎn)換成電脈沖輸出，是精密數(shù)控采用的檢測傳感器。光電編碼器的最大特點(diǎn)是非接觸式，此外還具有精度高、響應(yīng)快、可靠性高等特點(diǎn)。光電編碼器采用光電方法，將轉(zhuǎn)角和位移轉(zhuǎn)換為各種代碼形式的數(shù)字脈沖，如圖2.8所示光電式脈沖編碼器，在發(fā)光元件和光電接收元件中間，有一個(gè)直接裝在旋轉(zhuǎn)軸上的具有相當(dāng)數(shù)量的透光扇形區(qū)的編碼盤，在光源經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)形成一束平行光投在透光和不透光區(qū)的碼盤上時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)碼盤，在碼盤的另一側(cè)就形成光脈沖，脈沖光照射在光電元件上就產(chǎn)生與之對應(yīng)的電脈沖信號。第66頁/共86頁2.1.3測速傳感器圖2.8光電式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)第67頁/共86頁2.1.3測速傳感器光電編碼器的精度和分辨率取決于光電碼盤的精度和分辨率，取決于刻線數(shù)。目前，已能生產(chǎn)徑向線寬為6.7×10-8rad的碼盤，其精度達(dá)1×10-8，比接觸式的碼盤編碼器的精度要高很多個(gè)數(shù)量級。如進(jìn)一步采用光學(xué)分解技術(shù)，可獲得更多位的光電編碼器。光電編碼器按其結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)方式可分為直線型的線性編碼器和轉(zhuǎn)角型的軸角編碼器兩種類型，按脈沖信號的性質(zhì)可分為有增量式和絕對式兩種類型。第68頁/共86頁2.1.3測速傳感器增量式編碼器碼盤圖案和光脈沖信號均勻，可將任意位置為基準(zhǔn)點(diǎn)，從該點(diǎn)開始按一定量化單位檢測。該方案無確定的對應(yīng)測量點(diǎn)，一旦停電則失掉當(dāng)前位置，且速度不可超越計(jì)數(shù)器極限相應(yīng)速度，此外由于噪聲影響可能造成計(jì)數(shù)積累誤差。該方案的優(yōu)點(diǎn)是其零點(diǎn)可任意預(yù)置，且測量速度僅受計(jì)數(shù)器容量限制。第69頁/共86頁2.1.3測速傳感器絕對式編碼器的碼盤圖案不均勻，編碼器的碼盤與碼道位數(shù)相等，在相應(yīng)位置可輸出對應(yīng)的數(shù)字碼。其優(yōu)點(diǎn)是坐標(biāo)固定，與測量以前狀態(tài)無關(guān)，抗干擾能力強(qiáng)，無累積誤差，具有斷電位置保持，不讀數(shù)時(shí)移動(dòng)速度可超越極限相應(yīng)速度，不需方向判別和可逆計(jì)數(shù)，信號并行傳送等；其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高。要想提高光電編碼器的分辨率，需要提高碼道數(shù)目或者使用減速齒輪機(jī)構(gòu)組成雙碼盤機(jī)構(gòu)，將任意位置取作零位時(shí)需進(jìn)行一定的運(yùn)算。第70頁/共86頁2.2電路設(shè)計(jì)

12.2.1電源系統(tǒng)22.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路32.2.3傳感器接口電路第71頁/共86頁2.2.1電源系統(tǒng)

在智能車設(shè)計(jì)中，電源關(guān)系到整個(gè)電路設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和可靠性，是電路設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。本節(jié)將介紹直流穩(wěn)壓電源的基本原理和三端固定式正壓集成穩(wěn)壓器的典型電路設(shè)計(jì)。

1．直流穩(wěn)壓電源的基本原理直流穩(wěn)壓電源電路一般由電源變壓器、整流濾波器電路及穩(wěn)壓電路組成，如圖2.9所示。

圖2.9直流穩(wěn)壓電源電路第72頁/共86頁2.2.1電源系統(tǒng)電源變壓器的作用是將220V的交流電壓變成整流電路所需要低壓的交流電壓。整流電路的作用是將交流電壓變換成脈動(dòng)的直流電壓，它主要有半波整流和全波整流等方式，通常由整流二極管構(gòu)成的整流橋堆來執(zhí)行。常見的整流二極管有1N4007和1N5148等，橋堆有RS210等。濾波電路的作用是將脈動(dòng)直流中的紋波濾除獲得紋波小的直流，常見的有濾波、濾波、Π型濾波等電路，常選用的是濾波電路。其中各參量的關(guān)系為

(2.8)式中，為變壓器的變比。

～第73頁/共86頁2.2.1電源系統(tǒng)每只二極管或橋堆所承受的最大反向電壓為

(2.9)對于橋式整流電路，每只二極管的平均電流為

(2.10)濾波電路中，的選擇應(yīng)適應(yīng)下式，即放電時(shí)間常數(shù)應(yīng)滿足

(2.11)式中，為輸入交流信號的周期；為整流濾波電路的等效負(fù)載電阻。穩(wěn)壓電路的作用是將濾波電路輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，輸出較穩(wěn)定的電壓。常見的穩(wěn)壓電路有三端穩(wěn)壓器、串聯(lián)式穩(wěn)壓電路等。第74頁/共86頁2.2.1電源系統(tǒng)2．三端固定式正壓穩(wěn)壓器國內(nèi)外各廠家生產(chǎn)的三端（電壓輸入端、電壓輸出端和公共接地端）固定式正壓穩(wěn)壓器均命名為78系列，該系列穩(wěn)壓器有過流、過熱和調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)，以防過載而損壞。其中78后面的數(shù)字代表穩(wěn)壓器輸出的正電壓數(shù)值（一般有5V,6V,8V,9V,10V,12V,15V,18V和24V共9種輸出電壓），各廠家用78和電壓數(shù)字之間的字母來表示。插入L表示100mA，M表示500mA，如不插入字母則表示1.5A。此外，78(L,M)XX的后面往往還附有表示輸出電壓容差和封裝外殼類型的字母。常見的封裝形式有TO-3金屬和TO-220的塑料封裝，金屬封裝形式的穩(wěn)壓器的輸出電流可以達(dá)到5A。第75頁/共86頁2.2.1電源系統(tǒng)78系列三端固定式穩(wěn)壓器的基本應(yīng)用電路如圖2.10所示，只要把正輸入電壓加到MC7805的輸入端，MC7805的公共端接地，其輸出端便能輸出芯片標(biāo)稱正電壓。在實(shí)際應(yīng)用電路中，芯片輸入端和輸出端與地之間除分別接大容量濾波電容外，通常還需在芯片引出根部接小容量（0.1～10μF）電容,到地。用于抑制芯片自激振蕩，用于壓窄芯片的高頻帶寬，減小高頻噪聲。和的具體取值應(yīng)隨芯片輸出電壓的高低及應(yīng)用電路的方式不同而異。第76頁/共86頁2.2.1電源系統(tǒng)圖2.1078系列三端穩(wěn)壓器基本應(yīng)用電路第77頁/共86頁2.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路在智能車競賽中，智能車的速度較快，通常達(dá)到2m/s以上，因此對電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的要求較高，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路必不可少。圖2.11是一個(gè)典型實(shí)用的簡單直流電機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)電路，功率管的選擇由電機(jī)的功率決定，其標(biāo)稱電流是電機(jī)正常工作時(shí)電流的3～5倍（電機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候存在較大的浪涌電流）。PWM信號的占空比決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，故電機(jī)的調(diào)速可通過改變PWM信號的占空比實(shí)現(xiàn)。直流電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制在很多場合會(huì)碰到。下面將介紹用功率管驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)正、反轉(zhuǎn)的常用兩種方法。第78頁/共86頁2.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖2.11直流電機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)電路第79頁/共86頁2.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路