探索CCD傳感器在智能汽車(chē)中的應(yīng)用

李帥

摘 要：本文主要圍繞智能汽車(chē)行業(yè)發(fā)展和建立的過(guò)程中，最重要的需要攻克的技術(shù)難題：智能輔助駕駛，自動(dòng)駕駛展開(kāi)論述。對(duì)于這樣兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)都是讓汽車(chē)長(zhǎng)上眼睛，讓汽車(chē)能夠識(shí)別道路，并對(duì)于路上出現(xiàn)的各種情況進(jìn)行及時(shí)的判斷及反應(yīng)，而本文主要介紹的CCD傳感器可以作為智能汽車(chē)的眼睛，讓汽車(chē)按照我們的要求行駛。

關(guān)鍵詞：CCD傳感器 智能汽車(chē) 循跡功能

對(duì)于中國(guó)“智”造，我國(guó)明確了優(yōu)先發(fā)展的十個(gè)行業(yè)，包括新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)、高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人、航空航天裝備、海洋工程裝備及高技術(shù)船舶、先進(jìn)軌道交通裝備、節(jié)能與新能源汽車(chē)、電力裝備、農(nóng)機(jī)裝備、新材料、生物醫(yī)藥及高性能醫(yī)療器械等十個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域。其中，智能汽車(chē)作為節(jié)能與新能源汽車(chē)的延伸，對(duì)于我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)彎道超車(chē)，超越現(xiàn)在的汽車(chē)大國(guó)，同樣也具有十分重要的地位。

《智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)技術(shù)路線圖2.0》對(duì)于智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)發(fā)展給出了明確的目標(biāo)：到2035年中國(guó)方案智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)體系全面建成，產(chǎn)業(yè)生態(tài)健全完善，整車(chē)智能化水平顯著提升，網(wǎng)聯(lián)式高度自動(dòng)駕駛智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)大規(guī)模應(yīng)用。

通過(guò)對(duì)文件的解讀，提出智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展是必須的，也是勢(shì)在必行的。對(duì)于智能汽車(chē)，在現(xiàn)階段的發(fā)展過(guò)程中，最重要的需要攻克的技術(shù)難題，一是智能輔助駕駛，二是自動(dòng)駕駛。

無(wú)論是要實(shí)現(xiàn)智能汽車(chē)的智能輔助駕駛功能，還是要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛功能，智能汽車(chē)都要按照駕駛員需要的路線行駛，要實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)，就像是要幫助智能汽車(chē)安裝上眼睛和大腦，讓它像駕駛員一樣，能夠看清楚路況，并且對(duì)路上發(fā)生的各種情況及時(shí)進(jìn)行處理。

因此，智能汽車(chē)從結(jié)構(gòu)到控制策略上，與傳統(tǒng)汽車(chē)，甚至新能源汽車(chē)都有非常大的區(qū)別。為了滿(mǎn)足智能汽車(chē)能夠在路上安全的行駛，智能汽車(chē)需要搭載先進(jìn)的車(chē)用傳感器、控制器以及執(zhí)行器的同時(shí)，還要結(jié)合先進(jìn)的現(xiàn)代通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。車(chē)輛在路上行駛的時(shí)候，還需要對(duì)外部的信息反饋點(diǎn)實(shí)現(xiàn)信息的共享與交互，對(duì)道路上的路線危險(xiǎn)、行人危險(xiǎn)以及機(jī)動(dòng)車(chē)危險(xiǎn)進(jìn)行及時(shí)的判斷，并通過(guò)智能汽車(chē)控制器對(duì)以上危險(xiǎn)迅速的作出反應(yīng)，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

為了能夠讓智能汽車(chē)滿(mǎn)足以上需求，安全的上路行駛，智能汽車(chē)必須搭載高精度的光電傳感器，來(lái)對(duì)行車(chē)路線以及路況進(jìn)行探測(cè)，并向控制器反饋信號(hào)，對(duì)行車(chē)路線及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，本篇文章主要介紹的就是適用于智能汽車(chē)循跡系統(tǒng)功能的傳感器——CCD傳感器。

1 CCD傳感器的結(jié)構(gòu)與原理

CCD傳感器又叫作電荷耦合器件圖像傳感器，該傳感器是最早由美國(guó)科學(xué)家在20世紀(jì)70年代提出的概念，隨著CCD圖像傳感器集成工藝的提高，陣列元素的不斷增加，CCD圖像傳感器的圖像識(shí)別、攝錄功能得到了大幅的提高，在保持?jǐn)z錄精度的同時(shí)將數(shù)據(jù)壓縮、存儲(chǔ)，而且CCD圖像傳感器可識(shí)別的距離較遠(yuǎn)，在路線預(yù)測(cè)中有一定的前瞻性，因此，CCD圖像傳感器也可以滿(mǎn)足智能汽車(chē)循跡功能的要求。

1.1 CCD傳感器的結(jié)構(gòu)

CCD圖像傳感器的實(shí)質(zhì)是由有光敏感特性的半導(dǎo)體組成的光電二極管，主要功能是將光線轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)通過(guò)壓縮由存儲(chǔ)器進(jìn)行存儲(chǔ)，在使用的時(shí)候方便調(diào)取數(shù)據(jù)。

CCD圖像傳感器由光敏單元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器和其他輸入電阻與輸出電阻組成。也就是說(shuō)，從結(jié)構(gòu)上來(lái)講，MOS器件是組成CCD傳感器的的基本單元，它是在P型硅MOS單元表層氧化一層二氧化硅，再在二氧化硅表面鍍上個(gè)金屬層，此時(shí)，在硅襯底上和金屬電極間加入一個(gè)偏置電壓，一個(gè)MOS電容器單元就形成了。

1.2 CCD傳感器的工作原理

CCD圖像傳感器可以感知光線，將其轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?hào)電荷，而信號(hào)電荷是可以存儲(chǔ)以及讀取的。由此可見(jiàn)，CCD圖像傳感器可以作為智能汽車(chē)循跡系統(tǒng)中的重要組成部分使用，其主要功能為：根據(jù)CCD圖像傳感器儲(chǔ)存的有圖像轉(zhuǎn)換而來(lái)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析，幫助智能汽車(chē)能夠按照規(guī)定的路線行駛。

CCD圖像傳感器通過(guò)將光反射的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?hào)電荷，以此來(lái)完成光電的轉(zhuǎn)換，因此CCD圖像傳感器的精度和靈敏度直接決定了智能汽車(chē)控制系統(tǒng)反應(yīng)的精度以及靈敏度。

2 CCD傳感器在智能車(chē)循跡過(guò)程中的應(yīng)用

智能汽車(chē)的循跡系統(tǒng)主要由電源管理模塊、圖像采集模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊以及舵機(jī)模塊等幾部分組成。電池管理模塊主要有電池及電池管理系統(tǒng)組成的，主要功能是對(duì)整個(gè)電路提供能源;圖像采集模塊主要是CCD圖像傳感器，它在車(chē)輛行駛過(guò)程中主要識(shí)別車(chē)道線;數(shù)字信號(hào)處理模塊主要由DSP系統(tǒng)組成的，主要是對(duì)電路中的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)取、分析和反饋;舵機(jī)模塊主要由電機(jī)組成，當(dāng)由CCD傳感器識(shí)別的路線發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，及時(shí)對(duì)車(chē)輛的速度以及車(chē)輛進(jìn)行調(diào)整。

2.1 智能汽車(chē)的環(huán)境感知

智能汽車(chē)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛技術(shù)，需要環(huán)境感知、計(jì)算分析、控制執(zhí)行三大模塊相互配合，才能達(dá)到對(duì)周?chē)h(huán)境的感知，從而進(jìn)行分析判斷，最終實(shí)現(xiàn)智能車(chē)的自動(dòng)駕駛功能。對(duì)車(chē)輛周?chē)h(huán)境進(jìn)行感知需要多種傳感器配合來(lái)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，如道路、車(chē)輛、行人等。環(huán)境感知的方法總體說(shuō)來(lái)可分為視覺(jué)感知和雷達(dá)感知。攝像頭等光電傳感器能夠?yàn)檐?chē)輛提供視覺(jué)感知信息，毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)等傳感器能夠?yàn)檐?chē)輛提供雷達(dá)感知信息。在時(shí)間同步、空間統(tǒng)一的前提下，感知融合后為智能車(chē)輸入置信度更高的感知信息。

2.2 CCD傳感器進(jìn)行圖像采集的優(yōu)勢(shì)

攝像頭在環(huán)境感知過(guò)程中始終采集圖像信息，圖像信息有著識(shí)別率高、目標(biāo)分類(lèi)強(qiáng)等特點(diǎn)，這樣既能夠彌補(bǔ)雷達(dá)的弱勢(shì)，又能限定或縮減雷達(dá)不必要的探測(cè)范圍。例如，攝像頭提供目標(biāo)分類(lèi)，感知融合后可以減少雷達(dá)中不感興趣區(qū)域目標(biāo)輸出;又如攝像頭提供車(chē)道線信息，因此可以對(duì)雷達(dá)目標(biāo)進(jìn)行邊界劃定。

目前，市場(chǎng)上與CCD傳感器同類(lèi)型的產(chǎn)品還有CMOS傳感器，從成像效果來(lái)看，CCD傳感器的成像效果時(shí)遠(yuǎn)高于CMOS傳感器的，而CMOS傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，價(jià)格更低廉，但是由于CCD傳感器技術(shù)發(fā)展較為成熟，而且近年來(lái)集成化發(fā)展也使得CCD傳感器的成本有所下降，因此未來(lái)特別是在高精度像素領(lǐng)域，CCD傳感器還是具有非常大的優(yōu)勢(shì)的。

2.3 CCD傳感器的智能車(chē)系統(tǒng)流程

智能汽車(chē)在行駛時(shí)是如何改變行車(chē)線路的呢？首先，智能汽車(chē)通過(guò)前端安裝的CCD圖像傳感器對(duì)車(chē)道線進(jìn)行識(shí)別，由于CCD圖像傳感器可以識(shí)別距離較遠(yuǎn)，因此可以利用CCD傳感器對(duì)車(chē)輛的行駛軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)。CCD圖像傳感器通過(guò)識(shí)別信號(hào)點(diǎn)將車(chē)道線反射的圖像信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成為信號(hào)電荷，然后將電荷信號(hào)傳輸至信號(hào)處理模塊。在信號(hào)處理模塊中，DSP系統(tǒng)對(duì)電荷信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并作出判斷，車(chē)輛前方道路正常行駛或者轉(zhuǎn)彎。信號(hào)處理模塊再將判斷的結(jié)果通過(guò)數(shù)字信號(hào)傳輸至舵機(jī)模塊，舵機(jī)模塊根據(jù)指令直行或轉(zhuǎn)彎，此時(shí)CCD圖像傳感器完成了一次對(duì)智能汽車(chē)行車(chē)軌跡的引導(dǎo)作用。

2.4 CCD傳感器在智能汽車(chē)中的裝配與調(diào)試

2.4.1 CCD攝像頭的安裝與調(diào)焦

選用數(shù)字?jǐn)z像頭，首先要做的就是給攝像頭調(diào)焦，可以使用視頻采集卡將攝像頭與電腦連接，然后在電腦上看攝像頭的圖像調(diào)節(jié)攝像頭焦距直至圖像最清晰為止，攝像頭和采集卡的連接很簡(jiǎn)單只要把攝像頭的VTO和GND接口與采集卡的視頻線接口連接好就OK，然后把視頻卡插在電腦上安裝好驅(qū)動(dòng)和相應(yīng)的軟件即可。

2.4.2 CCD攝像頭的配置

焦距調(diào)好后，配置攝像頭，以實(shí)現(xiàn)攝像頭的功能。配置攝像頭也就是對(duì)攝像頭內(nèi)部芯片寄存器的配置，寄存器的具體配置要參考所使用攝像頭芯片的datesheet，寄存器的配置就和配置單片機(jī)寄存器一樣的，不同寄存器的不同數(shù)值代表著攝像頭的不同功能。不過(guò)這個(gè)配置是需要和單片機(jī)進(jìn)行通信的，通過(guò)單片機(jī)給攝像頭的寄存器寫(xiě)入數(shù)值，通信協(xié)議一般是用IIC通信。單片機(jī)沒(méi)有IIC接口，可以通過(guò)IO端口軟件模擬出時(shí)序來(lái)通信，按照它協(xié)議規(guī)定的時(shí)序讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。通過(guò)配置寄存器實(shí)現(xiàn)攝像頭的數(shù)字量輸出，也可以配置攝像頭的分辨率和對(duì)比度，或者曝光率。

攝像頭寄存器的配置調(diào)試完成后，就可以編寫(xiě)攝像頭采集數(shù)據(jù)的時(shí)序程序了，這個(gè)需嚴(yán)格根據(jù)攝像頭的場(chǎng)中斷和行中斷的時(shí)序來(lái)編寫(xiě)，否則時(shí)序亂了就會(huì)導(dǎo)致攝像頭采集到消隱區(qū)的數(shù)據(jù)都是無(wú)效的數(shù)據(jù)，采集思路是在攝像頭的一幀圖像中利用行中斷來(lái)采集數(shù)據(jù)，消隱區(qū)的時(shí)間來(lái)處理數(shù)據(jù)。

如果按照正確的時(shí)序采集數(shù)據(jù)的話基本上是沒(méi)問(wèn)題了，大家可以通過(guò)調(diào)試軟件查看采集到的數(shù)據(jù)，觀察是否為有效數(shù)據(jù)，一般黑色的灰度值小于100，白色灰度值為200左右，這樣的數(shù)據(jù)就是正常的，有個(gè)別數(shù)據(jù)異常那可能是噪點(diǎn)，程序上就要通過(guò)濾波來(lái)濾除這些噪點(diǎn)。

3 CCD傳感器在智能汽車(chē)領(lǐng)域發(fā)展前景的展望

CCD傳感器由于其與計(jì)算機(jī)良好的傳輸性能，便于數(shù)據(jù)的連接，因此，未來(lái)CCD傳感器在智能汽車(chē)中的應(yīng)用更為廣泛，不僅可以協(xié)助完成智能汽車(chē)的循跡功能，還可以完成智能汽車(chē)行駛時(shí)對(duì)道路、行人、車(chē)輛進(jìn)行識(shí)別及運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量，是的其在智能汽車(chē)應(yīng)用中更為重要。

在未來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)科技及智能汽車(chē)控制系統(tǒng)的發(fā)展，CCD傳感器作為智能汽車(chē)的前端探測(cè)及圖像輸出設(shè)備，在車(chē)輛行駛時(shí)與整車(chē)控制系統(tǒng)能夠更好的交互，從而成為智能汽車(chē)安全上路必不可少的重要元件。

4 結(jié)束語(yǔ)

區(qū)別于其他同類(lèi)論文通過(guò)測(cè)試，分析數(shù)據(jù)再探討CDD傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的論述方式，本論文主要依托于智能汽車(chē)技術(shù)專(zhuān)業(yè)背景，從專(zhuān)業(yè)需求的角度出發(fā)，闡述了CCD傳感器結(jié)構(gòu)原理，和它在智能汽車(chē)循跡功能中的起到的作用，以及CCD傳感器在與智能汽車(chē)匹配的過(guò)程中體現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，具有一定的實(shí)用價(jià)值和前瞻性。

參考文獻(xiàn)：

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[3]《我國(guó)智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展困境與應(yīng)對(duì)策略》馮春林.