探索CCD傳感器在智能汽車中的應用

李帥

摘 要：本文主要圍繞智能汽車行業發展和建立的過程中，最重要的需要攻克的技術難題：智能輔助駕駛，自動駕駛展開論述。對于這樣兩項關鍵技術，主要實現的目標都是讓汽車長上眼睛，讓汽車能夠識別道路，并對于路上出現的各種情況進行及時的判斷及反應，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，我國明確了優先發展的十個行業，包括新一代信息技術產業、高檔數控機床和機器人、航空航天裝備、海洋工程裝備及高技術船舶、先進軌道交通裝備、節能與新能源汽車、電力裝備、農機裝備、新材料、生物醫藥及高性能醫療器械等十個重點領域。其中，智能汽車作為節能與新能源汽車的延伸，對于我國汽車產業實現彎道超車，超越現在的汽車大國，同樣也具有十分重要的地位。

《智能網聯汽車技術路線圖2.0》對于智能網聯汽車發展給出了明確的目標：到2035年中國方案智能網聯汽車技術和產業體系全面建成，產業生態健全完善，整車智能化水平顯著提升，網聯式高度自動駕駛智能網聯汽車大規模應用。

通過對文件的解讀，提出智能網聯汽車行業的發展是必須的，也是勢在必行的。對于智能汽車，在現階段的發展過程中，最重要的需要攻克的技術難題，一是智能輔助駕駛，二是自動駕駛。

無論是要實現智能汽車的智能輔助駕駛功能，還是要實現自動駕駛功能，智能汽車都要按照駕駛員需要的路線行駛，要實現這項技術，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，并且對路上發生的各種情況及時進行處理。

因此，智能汽車從結構到控制策略上，與傳統汽車，甚至新能源汽車都有非常大的區別。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、控制器以及執行器的同時，還要結合先進的現代通信技術和網絡技術。車輛在路上行駛的時候，還需要對外部的信息反饋點實現信息的共享與交互，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，規避風險。

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整，本篇文章主要介紹的就是適用于智能汽車循跡系統功能的傳感器——CCD傳感器。

1 CCD傳感器的結構與原理

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據壓縮、存儲，而且CCD圖像傳感器可識別的距離較遠，在路線預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傳感器的結構

CCD圖像傳感器的實質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變為數字信號，數字信號通過壓縮由存儲器進行存儲，在使用的時候方便調取數據。

CCD圖像傳感器由光敏單元、轉移柵、移位寄存器和其他輸入電阻與輸出電阻組成。也就是說，從結構上來講，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，將其轉變為信號電荷，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中的重要組成部分使用，其主要功能為：根據CCD圖像傳感器儲存的有圖像轉換而來的數字信號進行分析，幫助智能汽車能夠按照規定的路線行駛。

CCD圖像傳感器通過將光反射的圖像信號轉變為信號電荷，以此來完成光電的轉換，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反應的精度以及靈敏度。

2 CCD傳感器在智能車循跡過程中的應用

智能汽車的循跡系統主要由電源管理模塊、圖像采集模塊、數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;數字信號處理模塊主要由DSP系統組成的，主要是對電路中的數字信號進行調取、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生偏轉時，及時對車輛的速度以及車輛進行調整。

2.1 智能汽車的環境感知

智能汽車實現無人駕駛技術，需要環境感知、計算分析、控制執行三大模塊相互配合，才能達到對周圍環境的感知，從而進行分析判斷，最終實現智能車的自動駕駛功能。對車輛周圍環境進行感知需要多種傳感器配合來采集環境數據，如道路、車輛、行人等。環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勢

攝像頭在環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傳感器的優點在于結構更簡單，價格更低廉，但是由于CCD傳感器技術發展較為成熟，而且近年來集成化發展也使得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域，CCD傳感器還是具有非常大的優勢的。

2.3 CCD傳感器的智能車系統流程

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轉換電路轉換成為信號電荷，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系統對電荷信號進行數據分析，并作出判斷，車輛前方道路正常行駛或者轉彎。信號處理模塊再將判斷的結果通過數字信號傳輸至舵機模塊，舵機模塊根據指令直行或轉彎，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試

2.4.1 CCD攝像頭的安裝與調焦

選用數字攝像頭，首先要做的就是給攝像頭調焦，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節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動和相應的軟件即可。

2.4.2 CCD攝像頭的配置

焦距調好后，配置攝像頭，以實現攝像頭的功能。配置攝像頭也就是對攝像頭內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值，通信協議一般是用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，按照它協議規定的時序讀寫數據。通過配置寄存器實現攝像頭的數字量輸出，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試完成后，就可以編寫攝像頭采集數據的時序程序了，這個需嚴格根據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的數據都是無效的數據，采集思路是在攝像頭的一幀圖像中利用行中斷來采集數據，消隱區的時間來處理數據。

如果按照正確的時序采集數據的話基本上是沒問題了，大家可以通過調試軟件查看采集到的數據，觀察是否為有效數據，一般黑色的灰度值小于100，白色灰度值為200左右，這樣的數據就是正常的，有個別數據異常那可能是噪點，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域發展前景的展望

CCD傳感器由于其與計算機良好的傳輸性能，便于數據的連接，因此，未來CCD傳感器在智能汽車中的應用更為廣泛，不僅可以協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用中更為重要。

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

4 結束語

區別于其他同類論文通過測試，分析數據再探討CDD傳感器應用領域的論述方式，本論文主要依托于智能汽車技術專業背景，從專業需求的角度出發，闡述了CCD傳感器結構原理，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的優勢，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用》魏大為.

[2]《基于CCD傳感器的路徑識別方法研究與應用》馮玉如.

[3]《我國智能網聯汽車產業的發展困境與應對策略》馮春林.