探索CCD傳感器在智能汽車中的應(yīng)用

李帥

摘 要：本文主要圍繞智能汽車行業(yè)發(fā)展和建立的過程中，最重要的需要攻克的技術(shù)難題：智能輔助駕駛，自動駕駛展開論述。對于這樣兩項關(guān)鍵技術(shù)，主要實現(xiàn)的目標都是讓汽車長上眼睛，讓汽車能夠識別道路，并對于路上出現(xiàn)的各種情況進行及時的判斷及反應(yīng)，而本文主要介紹的CCD傳感器可以作為智能汽車的眼睛，讓汽車按照我們的要求行駛。

關(guān)鍵詞：CCD傳感器 智能汽車 循跡功能

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

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

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

無論是要實現(xiàn)智能汽車的智能輔助駕駛功能，還是要實現(xiàn)自動駕駛功能，智能汽車都要按照駕駛員需要的路線行駛，要實現(xiàn)這項技術(shù)，就像是要幫助智能汽車安裝上眼睛和大腦，讓它像駕駛員一樣，能夠看清楚路況，并且對路上發(fā)生的各種情況及時進行處理。

因此，智能汽車從結(jié)構(gòu)到控制策略上，與傳統(tǒng)汽車，甚至新能源汽車都有非常大的區(qū)別。為了滿足智能汽車能夠在路上安全的行駛，智能汽車需要搭載先進的車用傳感器、控制器以及執(zhí)行器的同時，還要結(jié)合先進的現(xiàn)代通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。車輛在路上行駛的時候，還需要對外部的信息反饋點實現(xiàn)信息的共享與交互，對道路上的路線危險、行人危險以及機動車危險進行及時的判斷，并通過智能汽車控制器對以上危險迅速的作出反應(yīng)，規(guī)避風險。

為了能夠讓智能汽車滿足以上需求，安全的上路行駛，智能汽車必須搭載高精度的光電傳感器，來對行車路線以及路況進行探測，并向控制器反饋信號，對行車路線及時進行調(diào)整，本篇文章主要介紹的就是適用于智能汽車循跡系統(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科學家在20世紀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別、攝錄功能得到了大幅的提高，在保持攝錄精度的同時將數(shù)據(jù)壓縮、存儲，而且CCD圖像傳感器可識別的距離較遠，在路線預(yù)測中有一定的前瞻性，因此，CCD圖像傳感器也可以滿足智能汽車循跡功能的要求。

1.1 CCD傳感器的結(jié)構(gòu)

CCD圖像傳感器的實質(zhì)是由有光敏感特性的半導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，數(shù)字信號通過壓縮由存儲器進行存儲，在使用的時候方便調(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，從結(jié)構(gòu)上來講，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金屬層，此時，在硅襯底上和金屬電極間加入一個偏置電壓，一個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)樾盘栯姾?，而信號電荷是可以存儲以及讀取的。由此可見，CCD圖像傳感器可以作為智能汽車循跡系統(tǒng)中的重要組成部分使用，其主要功能為：根據(jù)CCD圖像傳感器儲存的有圖像轉(zhuǎn)換而來的數(shù)字信號進行分析，幫助智能汽車能夠按照規(guī)定的路線行駛。

CCD圖像傳感器通過將光反射的圖像信號轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘栯姾桑源藖硗瓿晒怆姷霓D(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傳感器在智能車循跡過程中的應(yīng)用

智能汽車的循跡系統(tǒng)主要由電源管理模塊、圖像采集模塊、數(shù)字信號處理模塊以及舵機模塊等幾部分組成。電池管理模塊主要有電池及電池管理系統(tǒng)組成的，主要功能是對整個電路提供能源;圖像采集模塊主要是CCD圖像傳感器，它在車輛行駛過程中主要識別車道線;數(shù)字信號處理模塊主要由DSP系統(tǒng)組成的，主要是對電路中的數(shù)字信號進行調(diào)取、分析和反饋;舵機模塊主要由電機組成，當由CCD傳感器識別的路線發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，及時對車輛的速度以及車輛進行調(diào)整。

2.1 智能汽車的環(huán)境感知

智能汽車實現(xiàn)無人駕駛技術(shù)，需要環(huán)境感知、計算分析、控制執(zhí)行三大模塊相互配合，才能達到對周圍環(huán)境的感知，從而進行分析判斷，最終實現(xiàn)智能車的自動駕駛功能。對車輛周圍環(huán)境進行感知需要多種傳感器配合來采集環(huán)境數(shù)據(jù)，如道路、車輛、行人等。環(huán)境感知的方法總體說來可分為視覺感知和雷達感知。攝像頭等光電傳感器能夠為車輛提供視覺感知信息，毫米波雷達、激光雷達、超聲波雷達等傳感器能夠為車輛提供雷達感知信息。在時間同步、空間統(tǒng)一的前提下，感知融合后為智能車輸入置信度更高的感知信息。

2.2 CCD傳感器進行圖像采集的優(yōu)勢

攝像頭在環(huán)境感知過程中始終采集圖像信息，圖像信息有著識別率高、目標分類強等特點，這樣既能夠彌補雷達的弱勢，又能限定或縮減雷達不必要的探測范圍。例如，攝像頭提供目標分類，感知融合后可以減少雷達中不感興趣區(qū)域目標輸出;又如攝像頭提供車道線信息，因此可以對雷達目標進行邊界劃定。

目前，市場上與CCD傳感器同類型的產(chǎn)品還有CMOS傳感器，從成像效果來看，CCD傳感器的成像效果時遠高于CMOS傳感器的，而CMOS傳感器的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)更簡單，價格更低廉，但是由于CCD傳感器技術(shù)發(fā)展較為成熟，而且近年來集成化發(fā)展也使得CCD傳感器的成本有所下降，因此未來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)勢的。

2.3 CCD傳感器的智能車系統(tǒng)流程

智能汽車在行駛時是如何改變行車線路的呢？首先，智能汽車通過前端安裝的CCD圖像傳感器對車道線進行識別，由于CCD圖像傳感器可以識別距離較遠，因此可以利用CCD傳感器對車輛的行駛軌跡進行預(yù)測。CCD圖像傳感器通過識別信號點將車道線反射的圖像信號通過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成為信號電荷，然后將電荷信號傳輸至信號處理模塊。在信號處理模塊中，DSP系統(tǒng)對電荷信號進行數(shù)據(jù)分析，并作出判斷，車輛前方道路正常行駛或者轉(zhuǎn)彎。信號處理模塊再將判斷的結(jié)果通過數(shù)字信號傳輸至舵機模塊，舵機模塊根據(jù)指令直行或轉(zhuǎn)彎，此時CCD圖像傳感器完成了一次對智能汽車行車軌跡的引導作用。

2.4 CCD傳感器在智能汽車中的裝配與調(diào)試

2.4.1 CCD攝像頭的安裝與調(diào)焦

選用數(shù)字攝像頭，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，以實現(xiàn)攝像頭的功能。配置攝像頭也就是對攝像頭內(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。不過這個配置是需要和單片機進行通信的，通過單片機給攝像頭的寄存器寫入數(shù)值，通信協(xié)議一般是用IIC通信。單片機沒有IIC接口，可以通過IO端口軟件模擬出時序來通信，按照它協(xié)議規(guī)定的時序讀寫數(shù)據(jù)。通過配置寄存器實現(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，就可以編寫攝像頭采集數(shù)據(jù)的時序程序了，這個需嚴格根據(jù)攝像頭的場中斷和行中斷的時序來編寫，否則時序亂了就會導致攝像頭采集到消隱區(qū)的數(shù)據(jù)都是無效的數(shù)據(jù)，采集思路是在攝像頭的一幀圖像中利用行中斷來采集數(shù)據(jù)，消隱區(qū)的時間來處理數(shù)據(jù)。

如果按照正確的時序采集數(shù)據(jù)的話基本上是沒問題了，大家可以通過調(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，有個別數(shù)據(jù)異常那可能是噪點，程序上就要通過濾波來濾除這些噪點。

3 CCD傳感器在智能汽車領(lǐng)域發(fā)展前景的展望

CCD傳感器由于其與計算機良好的傳輸性能，便于數(shù)據(jù)的連接，因此，未來CCD傳感器在智能汽車中的應(yīng)用更為廣泛，不僅可以協(xié)助完成智能汽車的循跡功能，還可以完成智能汽車行駛時對道路、行人、車輛進行識別及運動速度測量，是的其在智能汽車應(yīng)用中更為重要。

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

4 結(jié)束語

區(qū)別于其他同類論文通過測試，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技術(shù)專業(yè)背景，從專業(yè)需求的角度出發(fā)，闡述了CCD傳感器結(jié)構(gòu)原理，和它在智能汽車循跡功能中的起到的作用，以及CCD傳感器在與智能汽車匹配的過程中體現(xiàn)的優(yōu)勢，具有一定的實用價值和前瞻性。

參考文獻：

[1]《基于CCD傳感器視覺圖像定位方法的研究與應(yīng)用》魏大為.

[2]《基于CCD傳感器的路徑識別方法研究與應(yīng)用》馮玉如.

[3]《我國智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展困境與應(yīng)對策略》馮春林.