第13章 车辆周围识别用传感器

第13章车辆周围识别用传感器13.1超声波传感器13.2利用激光雷达的车辆周围识别系统13.3采用CCD摄像机的立体图像识别系统13.4采用红外线传感器的夜间步行者报警系统13.1超声波传感器测量距离的传感器可以分为采用三角法测距的光学式传感器和超声波传感器两种，汽车一般采用超声波传感器。超声波传感器的成本较低，很早以前已经批量生产作为倒车传感器及转向传感器使用，主要是检测近距离的障碍物。下一页返回13.1超声波传感器通常为了减少传感器的个数，采用测向范围宽的传感器，但这样一来，就无法检测出本来可以测出的到障碍物的距离。为了测定较准确的位置，就需要缩小传感器的检测范围，但在检测范围变窄的场合下，受被测对象物表面粗糙度及角度的影响，有时反射波难以反射而造成无法检测。上一页下一页返回13.1超声波传感器超声波距离传感器上采用了压电元件错钦化铅，一般称为PZT，这种传感器的特点在于它具有方向性，传感器用蜂鸣器的纸盒为椭圆形，其目的就是使传感器的水平方向特性宽，而垂直方向受到限制。超声波距离传感器的工作原理如下所述。大多数人都经历过这样的事:当有人对着山大声呼喊，过一会儿那个声音就会返回来，一般把这种现象叫回声。利用这种现象制成了汽车所用的距离检测系统。一般把人耳无法听到的高频声波称为超声波，声纳装置向车辆后方发射超声波，再测定超声波遇到障碍物后返回的时间，再把这一时间置换成距离并加以显示。上一页下一页返回13.1超声波传感器13.1.1短距离用超声波传感器将检测50cm之内有无物体的传感器称为短距离用超声波传感器，它采用了发射兼接收的工作方式。在要发射超声波时，因交流电压加到压电陶瓷振子上，产生了机械振动，所以就能发出超声波;反之，在接收时，障碍物产生的反射波将机械振动加在压电陶瓷振子上，产生交流电压，经前置放大器放大后输出，利用微机检测从发射到接收所用时间，就可以算出到障碍物的距离。图13一1是短距离用超声波传感器的结构。图13一2是使用这种传感器检测车辆四周障碍物的转向声纳系统，其检测范围如图13一3所示。上一页下一页返回13.1超声波传感器13.1.2中距离用超声波传感器中距离用超声波传感器用于检测2m之内有无障碍物，与上节一样，它采用的也是发射兼接收的工作方式，其工作原理与短距离超声波传感器的完全相同，其结构如图13一4所示图13一5是使用这种传感器检测后方障碍物的系统(倒车声纳)构成图。图13一6是其检测范围。上一页下一页返回13.1超声波传感器后、侧方报警系统是为了防止车辆变道及左转弯时与后、侧方车辆发生碰撞而开发的。此系统可将后、侧方10m之内处(包括邻车道上的死角)存在车辆的信息通知司机，根据需要发出报警信号。众所周知，超声波传感器作为廉价的传感器在后声纳系统上得到了广泛的应用。但行车中的风力、涡旋会对超声波产生影响，即其性能受行车环境所左右。本节介绍的报警系统利用高灵敏度且低价的超声波传感器实现了检测后、侧方车辆的目的。上一页下一页返回13.1超声波传感器后、侧方报警系统适用场合的一个例子如图13一7所示。后、侧方报警系统的构成如图13一8所示。从防止在车道上造成失误的角度来看，没有必要检测车辆左侧所存在的障碍物，所以除实际环境中邻近车道车辆之外，本系统对不必要道路侧的结构物并不接收钻反射波。本报警装置上采用了脉冲雷达式传感器，它可以在时速100km/h的车辆上检测10m后方的车辆。传感器上设有静电电容型变换器，随着传感器的高灵敏化，为了滤去干扰将2个变换器设置成一对，以使发射、接收的相位相反。上一页返回13.2利用激光雷达的车辆周围识别系统13.2.1概述这是利用从激光发射起到接收到物体反射回来的激光的时间来计算车辆到障碍物距离的。早期的车前激光雷达采用的方法是:发射数条固定的激光束，利用从前车反射镜的反射时间来测定距离的。新型的检测装置为了识别多台车，采用了扫描式激光雷达，这样不仅可以测量至前车的距离，而且可以检测横向位置。下一页返回13.2利用激光雷达的车辆周围识别系统车辆行驶过程中检测周围障碍物的状况如图13一9所示，在障碍物的旁边通过时，除了可检测出障碍物的位置之外，还可以检测出其概略形状，这种情况表明，一是要进一步提高检测精度，二是说明除图像处理法之外还有其他方法可以识别物体。上一页下一页返回13.2利用激光雷达的车辆周围识别系统激光的反射光量随物体的反射特性有很大变化，可以检测出的距离是变化的。因为车辆后部的反射镜容易产生反射，所以可以稳定地测定长距离。但凹凸很少的铁板等收不到足够的反射光，往往测得的距离变短。而在检测侧向与后方障碍物的场合下，与车前的情况不同，有时障碍物上没有反射装置，障碍物的反射特性有很大变化，所以可以稳定检测出的距离就要缩短。此外，激光雷达所用近红外线的波长为900nm，比雾等的粒子尺寸还小，所以很难测出因雾粒反射后的物体的距离，因此，要根据距离的长短改变测定的临界值。上一页下一页返回13.2利用激光雷达的车辆周围识别系统13.2.2激光雷达式车辆周围识别系统(1)系统的概述。采用了雷达传感器的车辆周围识别系统的方框图如图13一10所示。一个“前车距离雷达”设置在车内的仪表盘上方，在车辆后端左右设置1个检测后、侧方接近车的激光雷达，数据的控制器设置在车厢内，将信息传至司乘人员的显示装置设置在仪表盘的中间，激光光束的发射概念如图13一11所示。上一页下一页返回13.2利用激光雷达的车辆周围识别系统(2)与前车车间距离的检测。检测与前车之间距离时，向前面的车辆发射激光光束，并接收其反射光，根据其时间差计算距离。反射光束是由整个车身反射出来的，因车身形状及色彩等的不同，反射性能也不同，所以不能指望车体本身的反射会稳定在几十米之内，因而本装置利用的都是各个车辆后部设置的反射器，即接收到夜间光束时，反射出红光的部分。本系统采用了光脉冲方式，与其他方式相比，这种方式的优点是输出功率大，耗电少，体积小，但当仅采用单脉冲情况下，对感光波形时间轴的可靠性很低，因此，利用复数脉冲进行取样，再扩大时间轴，减少感光波形失真的影响，以保证总是稳定地测量与前车之间的距离。上一页下一页返回13.2利用激光雷达的车辆周围识别系统信号处理过程如图13一12所示。车前雷达的激光头及其检测范围如图13一13所示。车前雷达的规格见表13一1。(3)后、侧方车辆的检测。为了检测后、侧方的车辆，在车后保险杆的左右两端设有激光雷达，此雷达的特点是可把图13一14所示的细窄光束在水平方向270℃的范围内进行扫描，并测量物体上反射光的返回时间，然后再检测出至激光光束发出方向物体的距离，此外，因为光学系统的自身是可以旋转的，检测角度范围可以任意设定，所以，可以检测出横向角度数据及识别物体的形状。通过装设两个这样的雷达，时刻都可以检测车辆后、侧方大致整个区域的车辆及障碍物。上一页返回13.3采用CCD摄像机的立体图像识别系统13.3.1概述对两台CCD摄像机，所摄两个图像的偏移，根据三角测距的原理，可以算出车辆到物体的距离。间的距离。为了从两台摄像机中选出同一图像，通常是抽出纵或横的边缘，将两者对比之后测定图像之间的偏离的。检测后、侧方接近车辆用的摄像机规格如表13一2所示。下一页返回13.3采用CCD摄像机的立体图像识别系统因为这种方法属于无源探测，因此它具有两个优点，一是与检测对象的反射特性等物理性质无关，二是可以识别经图像处理后的物体另一方面，采用CCD摄像机时，需要根据周围的亮度调整摄像机的灵敏度，在夜间，需要对被检测物体加上照明，或物体自身能够发光。此外，水平方向的检测角度与摄像机的水平视场角有关，当打一大视场角时，所摄图像的周围失真增大，检测精度下降，所以，不能将检测范围加的太宽。另外，CCD摄像机的像素数是有限的，检测角度增大时，可能检测的距离变短。上一页下一页返回13.3采用CCD摄像机的立体图像识别系统13.3.2采用CCD摄像机的立体摄像识别系统对车道线、道路边界以及车辆之外的障碍物可以采用普通的识别方法，但若提高对环境的识别，就需要采用图像传感器进行立体识别，下面就来介绍采用CCD摄像机作图像传感器的识别系统利用图13-15进行说明，立体摄像法也叫区域基础法，其作法是将画面的纵向按50,横向按150分成小的单元区，按各单元分别求出距离，形成一个整体的按距离分布的图像，各单元是由4x4的像素构成的，设左、右摄像机到所摄对象同一距离为L，图像上两者的位置偏离为Z，那么距离L可用下式表示上一页下一页返回ZfBL/13.3采用CCD摄像机的立体图像识别系统相对于标准摄像机(这里是左摄像机)图像中的一个单元，找出参照摄像机(这里是右摄像机)的图像上一致的区域，一致的程度可用“市区间距离”来评定。这样就可以得出距离分布图像，近处地方比较亮，远处比较暗。从这种图像中抽出道路表面及立体物等就很简单了，它们属于二维图像。以道路表面的范围为窗口，其中伸向远处的(变暗的部分)是自线，由此就可以确定道路表面，在其表面上，如能选出可汇总在一起的辉度(距离)，就可以确定立体物。上一页下一页返回13.3采用CCD摄像机的立体图像识别系统这种立体图像识别法主要有以下几个特点。①几乎所有的物体，例汽车、自行车、步行者、立木、墙壁、打‘栏等都可以识别。②可以获得为检测出物体三维位置、大小、形状、动作等物体的特征及危险程度的所有信息。③因为可以同时识别周围的许多物体，所以在复杂的交通环境中，对危险程度具有高水平的判断能力。④因为视角很宽，即使对横向的突然过车也能检测出来。⑤除可判断人行道之外，可以较容易检测主要的自线及路面。⑥因为本身不会发出光及电磁波，所以没有对其他车辆干扰的问题，而且也安全。上一页下一页返回13.3采用CCD摄像机的立体图像识别系统立体图像识别系统的方框图如图13一16所示。距离信息检测部分进行市区间距离的运算，市区间距离计算电路的构成如图13一17所示。上一页返回13.4采用红外线传感器的夜间步行者报警系统13.4.1热红外线技术作为防止夜间发生事故的措施之一是利用红外线技术，由此可能事先预测及检测步行者。有选择性地检测步行者、动物、排气管及车用发动机等温热体是红外线技术的特点，是用于汽车安全方面很有希望的技术之一，只因其需要冷却及成本较高而进展不快，本节介绍红外线的特点，热红外线技术的现状，开发中的红外元件的状况。下一页返回13.4采用红外线传感器的夜间步行者报警系统(1)红外光的特点。红外光是波长从0.78~1000μm的电磁波，是光波中的一种。从实用角度来讲，在大气的高透过率频带区(称为大气之窗)可分为近红外、中红外及远红外三个区。红外线的特点是肉眼看不见，所以对视觉没有影响;它具有电磁波特性，可以传输大量的信息，从许多物体(背景)中选出发热体，对人体、车辆来说具有无害的热源特性。与可见光相比，红外线可从雨、雾、烟中检测出发热体。上一页下一页返回13.4采用红外线传感器的夜间步行者报警系统(2)热红外线技术的发展现状。热红外元件处的温度变化时，其元件特性发生变化，视变化情况，可按如下方法分类温度变化时电压变化的温差电元件，电容变化的热电元件，电阻变化的热敏电阻型红外元件。图13一18是老式电容变化型热电元件与相转变型热电元件的原理图。图13一19是相转变型热敏电阻式热电原件的原理图.两相转变型元件在常温下可以工作，但因温度是固定的，所以一般用拍耳帖元件.上一页下一页返回13.4采用红外线传感器的夜间步行者报警系统(3)热型红外元件的开发状况。前述的相转变热型红外元件因为采用了拍耳帖元件、混合式构成及特殊材料等，对汽车用来说，价格还太高，需进一步降低价格。为降低成本，采用CMOS工艺也可制出温差电元件，其结构原理如图13-20所示。在很薄的膜片上，很多对的P型与N型的多晶硅热电偶串联成元件，温点在膜片上形成，冷点在硅片上形，改进热分离以便提高灵敏度。中间是用真空蒸发法形成的黑化金膜，其热吸收效率非常高，再利用氧化膜的剥离工艺形成图案。上一页下一页返回13.4采用红外线传感器的夜间步行者报警系统13.4