智能汽车设计基础硬件.ppt
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1、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 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
2、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。 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
3、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。 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
4、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。 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
5、,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 。 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
6、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。 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
7、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。 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
8、电管的光谱特性。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 2.1.2 图像传感器 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
9、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。 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
10、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。 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”
11、,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
12、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。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 2.1.2 图像传感器 表2.1 常见的1/3 OmniVision CMOS摄像头的时序 参数 武汉科技大学信息科学与工程学院* 2.1.3 测速传感器 在智能汽车设计中,测速传感器的设计主要有 两种方案:霍尔传感器和光电式脉冲编码器。 1霍尔传感器
13、霍尔传感器是基于霍尔效应原理,将电流、磁 场、位移、压力、压差转速等被测量转换成电动势输出的一 种传感器。虽然转换率低、温度影响大、要求转换精度较高 时必须进行温度补偿,但霍尔传感器具有结构简单、体积小 、坚固、频率响应宽(从直流到微波)、动态范围(输出电 动势的变化)大、无触点、寿命长、可靠性高,以及易于微 型化和集成电路化等优点。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 2.1.3 测速传感器 (1)霍尔效应原理 金属或半导体薄片置于磁场中,当有电流流过 时,在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势,这种物理 现象称为霍尔效应。如图2.6所示,假设薄片为型半导体, 磁场方向垂直于薄片,磁感应强度为
14、。在薄片左右两端通以 电流(称为控制电流),那么半导体中的截流子(电子)将 沿着与电流的相反方向运动。由于外磁场的作用,使电子受 到磁场力(洛仑兹力)作用而发生偏转,结果在半导体的后 端面上电子有所积累而带负电,前端面则因缺少电子而带正 电,在前后两个端面之间形成电场。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 2.1.3 测速传感器 图2.6 霍尔效应原理图 武汉科技大学信息科学与工程学院* 2.1.3 测速传感器 这时,在半导体前后两个端面之间(即垂直于 电流和磁场的方向)建立的电场称为霍尔电场,相应的电势 就称为霍尔电势 。利用霍尔效应制成的传感元件称为霍 尔传感器, 的大小正比于控制电流和磁感
15、应强度,即 (2.6) 式中, 为霍尔系数, ,其中 为载流体的 电阻率; 为载流子的迁移率; 为灵敏度, 。 若磁场方向与元件平面成角度 时,则作用在元件 上的有效磁场是其法线方向的分量,即 ,则有 (2.7) 武汉科技大学信息科学与工程学院* 2.1.3 测速传感器 由式(2.6)和式(2.7)可以看出,霍尔电势 的 大小正比于控制电流 和磁感应强度 ,灵敏度 表示在 单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电势的大小,一 般要求越大越好,元件的厚度d越薄, 就越大,所以霍尔 元件的厚度都很薄。当载流电流材料和几何尺寸确定后,霍 尔电势的大小只和控制电流I和磁感应强度B有关,因此霍尔 式传感
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