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智能车的传感器和执行器
摘要：现在的汽车比以往配备了更多的电子系统，有着数百个微型传感系统，如温度、轮胎压力、加速度计和速度传感器。尽管真正的干预体系的市场还不成熟，执行机构也已安装了用于优化制动和辅助转向的高级系统的部件。
本章重点介绍了不同的传感器和执行器。本章的目的是概述这些系统，而不是深入探讨这些系统背后的不同技术。传感器分为三类：通用车内传感器、感知传感器和虚拟传感器。一方面，许多通用车内传感器已经在多数商用车的汽车市场上销售。另一方面，除了超声波传感器外，感知传感器的市场渗透率非常低，这主要是因为它们的成本太高。最后，有一些信息源不是真正的传感器，但在汽车应用中发挥着重要作用，例如数字地图。执行器首先根据其能量来源区分和描述为机械执行器、电动执行器、气动或液压执行器、压电执行器和热双晶片。接下来，本章介绍了先进的干预系统，即ABS、电子稳定控制系统、自动巡航控制系统、辅助转向系统的设计。本章最后提出了一个全自动汽车的设想，以及伴随着它的考虑因素，并着重介绍了朝这个方向发展的一些最初的原型和研究工作。
1 介绍
汽车电子现在正开始以几年前似乎不可能的方式从根本上改变汽车。基于电子子系统的发动机控制系统和ABS系统是目前大多数汽车的标准配置，如今的汽车能够感知环境并在紧急情况下采取行动。在车辆中，感知环境比执行更为常见。其原因是，传感技术在车辆制造过程中已经使用了几十年，而最近才引入了执行器作为干预系统的一部分。此外，还有一些其他问题限制了干预系统的广泛使用，从而限制了执行器的广泛使用。例如，如果发生事故，谁应该负责：干预系统还是司机？一般来说，市场上传感器和执行器等电子系统成功渗透的基本要素是部件的小型化、成本降低、功能增强和质量提高。智能车辆系统的输入层是传感层，其中包括各种传感器，例如GPS、雷达和激光雷达，而输出层包括执行层。因此，传感器和执行器正在关闭智能车辆系统的开发回路，如图3.1所示。
图3.1 智能交通的概念
2 传感器
感知环境是未来智能交通系统的关键要素之一。汽车行业中使用的传感器种类繁多：包括与汽车一起组装的车内传感器、雷达和激光雷达等感知传感器以及“虚拟”传感器。用“虚拟”这个词，我们指的是在汽车工业中广泛使用的信息源，而不是通常意义上的真实传感器。
2.1 通用车内传感器
此类传感器包括在车辆组装阶段安装在车辆上的通用传感器。有数以百计的传感器属于这一类，但这里的重点将放在这些传感器ADAS应用的关键上。下面基于作者的经验简要介绍的传感器的选择。
2.1.1 横摆角速度传感器
横摆角速度传感器是测量物体沿选定轴的旋转。专业术语“陀螺仪”和“角速率传感器”在某些情况可以与其交替使用。在汽车领域，横摆角速度传感器是用来测量车辆绕其垂直轴的角速度。测量横摆角速度的单位通常是度/秒（°/s）或弧度/秒（rad/s）。
在车辆中使用的横摆角速度传感器需要特别注意。必须正确检测mg范围内的科里奥利加速度，同时在几个g范围内发生的加速度不得干扰传感器功能。
利用该传感器在汽车领域的应用主要包括：
●电子稳定控制系统（ESP）或车辆动力学控制（VDC）
●导航（结合GPS和加速度计信息）
●翻车保护
●曲线速度警告（结合数字地图）
2.1.2 加速度计
加速度计是一种测量适当加速度的装置，即相对于自由落体所经历的加速度。市场上有单轴和多轴加速度计两种型号。在这一点上，应该强调的是，在某些情况下，横摆角速度和加速度传感器放在同一个集成电路中。
从医学和生物学到游戏和导航，有大量基于加速度计的应用。在汽车领域，加速度传感器主要用于导航。惯性导航系统（INS）是利用计算机和运动传感器（如加速度计和横摆角速度传感器）通过航位推算法连续计算运动物体的位置、方向和速度而无需外部参考的导航辅助设备。
2.1.3 轮速传感器
轮速传感器是一种转速表。它不直接监测车速，但能感应轮胎的圆周运动。它实际上读取的是汽车车轮旋转的速度。轮速传感器有两大类：被动和主动。被动传感器不需要电源，而主动传感器需要外部电源才能工作。
分别安装在车辆车轮上以检测行驶车辆车轮速度的车轮速度传感器，其设计用于检测转子的旋转，转子与连接到相应车轮的车轴一起旋转。汽车的轮速传感器通常利用安装在车轮和皮卡上的分度盘来检测轮转动时由分度盘携带的标记元件。这种传感器可以是机械的、 光学的或磁性的。
车轮转速传感器是防抱死制动系统（ABS）、牵引力控制系统（TCS）和类似功能的关键部件。
2.1.4 转向角传感器
整个方向盘角度由转向角传感器测量。转向角传感器安装在转向轴上。转向角传感器是20世纪90年代中期发展起来的。在汽车应用中，可以使用光学、磁学、电感、电容或电阻式传感器原理，以各种方式检测转向角。
此传感器有两个电位计，其偏移量为90°。由这两个电位计确定的方向盘角度包括一个完整的方向盘转动；每个值在180°后重复。传感器知道这一点，并相应地计算方向盘的转数。因此，整个方向盘角度由当前方向盘角度和方向盘旋转的次数。为了在任何时候都能获得整个方向盘的角度，需要不间断地检测所有方向盘的运动，即使车辆静止不动。
转向角传感器用于汽车的智能电子控制和辅助系统，如ESP、主动转向、先进的前照灯、车道偏离警告和导航。
2.1.5 其他传感器
在一辆汽车上还有数百个其他的传感器。其中一些是轮胎压力传感器、温度传感器、雨量传感器和燃油传感器。有关更多信息，感兴趣的读者可以参考Marek等人的文献。（2003年）
2.2 感知传感器
感知传感器在全球范围内被广泛用于研究目的，但由于其成本高，因此其对市场的渗透并不是那么直接，这使其成为豪华车的特权。用于驾驶员辅助和安全功能的环境感知系统基于雷达、激光、视觉或超声波传感器。这些是最重要的感知传感器，下面分析它们的特性。
2.2.1 雷达传感器
雷达技术开始在汽车工业中发展，主要是为了道路安全的利益。雷达传感器主要有两大类，一类是为不同用途而设计，另一类是为不同应用而定制的，即短距离雷达和长距离雷达。这些雷达种类具有不同的技术特点，工作频率也不同。有关雷达传感器的更多详细信息将在以下段落中突出显示。
短距离雷达（SSR）
为短程雷达传感器分配了一个24千兆赫的“临时”频带，使设备能够在短期内上市。然而，如果在同一区域同时操作过多的雷达设备，该波段也被其他无线电服务所使用，这些服务将受到干扰。由于这个原因，在使用变得过于密集之前，这个波段将被关闭以引入新设备。一个“永久”频段被分配到79GHz，允许长期发展这项雷达服务。欧盟委员会第2004/545/EC号决定要求在所有欧盟成员国提供该波段。
测量的目标量包括距离、速度和探测角度。SRR是一种超宽带（UWB）脉冲雷达，其工作频率为24GHz。原则上，发射超宽带脉冲，测量脉冲通过物体返回传感器的飞行时间（TOF），以计算到反射物体的距离。
这些传感器主要安装在车辆的侧面区域，用于检测车辆旁边的物体（其他车辆、护栏等），而且经常用于监控车辆的后部区域，有时还补充了前部的远程雷达传感器。由于这些传感器的视场有限，为了覆盖车辆周围的感兴趣区域，通常将它们作为安装多个。
防撞是SRR传感器的主要功能。这是一个系统的一部分，用于警告驾驶员即将发生的碰撞，从而采取避免碰撞的行动。在碰撞不可避免的情况下，车辆可以自行准备（例如，通过应用制动器、预张紧安全带）来减少对乘客和其他人的伤害。
此外，该传感器还提供了实现以下功能的可能性：
●停车辅助
●盲点检测
●前后碰撞检测
●用于ACC停止和运行功能的短程传感器
表3.1给出了SRR传感器的一些一般技术特性。
长距离雷达（LRR）
LRR传感器的工作频率通常在76-77GHz频带内，应用调频连续波（FMCW）或脉冲多普勒操作。该传感器的范围可达150-200米，其视野仅为11-12度（详见表3.2）。通常，该传感器位于前保险杠的中间，用于避免正面碰撞。很少也能在后保险杠向后看或在前保险杠上安装两个，以扩展前覆盖的区域。
表3.1 短程雷达规格
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检测范围 |
0.2-50 m |
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检测角度 |
35° |
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频率 |
24 GHz (79 GHz) |
表3.2 远程雷达规格
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检测范围 |
2–150 m |
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检测角度 |
6° |
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频率 |
76–77 GHz |
原则上，该传感器检测车辆周围的金属物体。它能够检测多个物体，同时测量到物体的距离、相对速度和角度。
与LRR传感器密切相关的典型应用是自适应巡航控制（ACC），它使装备的车辆能够与前面的车辆保持安全距离和速度。然而，LRR传感器也可以用于其他安全应用，例如避免碰撞。
尽管LRR采用了耐候技术，但无法实现对天气的整体鲁棒性。在极端天气情况下，无法保证传感器的全部功能。大量的灰尘也会降低传感器的功能，而且由于传感器水平探测角度较窄，在弯道路段存在拓扑限制。
2.2.2 激光扫描仪
激光扫描仪根据飞行时间原理进行测量。一个具有一定持续时间的激光脉冲被一个物体发射和反射。来自物体的反射被光电二极管捕获并在光电电路中转换成信号。在适当考虑光速的情况下，发出的光脉冲与其接收到的反射光脉冲之间的时间间隔表示到反射光的物体的距离。
激光扫描仪通常很坚固，但在恶劣天气条件下灵敏度降低。这一事实限制了它们的可用性和可靠性。最常见的激光扫描仪提供的距离和方位信息，在10-50米范围内的分辨率和精度约为1-10厘米。
激光扫描仪可用于检测道路场景中的其他车辆或障碍物以及行人和骑自行车者等易受攻击的道路使用者。此外，激光扫描仪可以检测到道路，尤其是道路边界。
与雷达传感器相比，激光扫描仪显示出更好的横向分辨率，但它们具有相对较慢的扫描重复率、相当大的物理尺寸和相对较高的生产成本。此外，它们还受到天气条件的显著影响。
不同厂家的激光扫描仪规格不尽相同。然而，表3.3中突出显示了激光规范的指示性示例。
基于激光扫描仪的纵向和横向车辆控制应用都存在，但它们仅在昂贵的车辆中可用。目前，这些传感器的市场普及率较低。一些示例应用可以在一些欧洲项目中找到，例如PReVENT和SAFESPOT。还有一个名为MINIFAROS的欧洲项目，其目标是开发一种微型激光扫描仪，与现成的激光扫描仪相比，这种扫描仪价格低廉，性能优越，市场渗透率高。
表3.3 激光扫描仪规格
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检测范围 |
min 0.3 m |
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max 80 m(行人，自行车) 120 m(摩托车) 200 m（汽车，卡车） |
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视野 |
水平 150–240° |
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垂直 plusmn;2° |
2.2.3 视觉系统
汽车视觉系统就是在众多新兴的车辆应用技术中一个主要的例子。事实上，视频和视觉处理已经成为车辆中发展最快的技术。
这一类包括各种不同的视觉系统和支持的功能，这些功能可以从车道识别和交通标志识别到目标检测（行人、车辆等）。汽车应用中使用的视觉系统可分为：
●电荷耦合器件（CCD）传感器
●互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器
●红外传感器
●立体视觉系统
CCD和CMOS视觉系统
CCD视觉系统是最常见的图像传感器类型。使用CCD，光被单独的光电二极管传感器捕获。撞击传感器的光子被转换成存储在各个传感器位置的等量电子。这些电子随后被电子读取，并从电荷转移寄存器中步出。一旦脱离CCD阵列，它们就被转换成相对数字值。
数码相机中的另一种视觉传感器是CMOS传感器。CMOS和CCD传感器都是由硅构成的。它们在可见光和近红外光谱上有相似的感光度。在最基本的层面上，两者通过相同的光转换过程将入射光转换成电荷。
CCD传感器产生高质量、低噪声的图像，而CMOS传感器更容易受到噪声的影响。然而，在过去的几年里，这些限制已经被充分克服了，因为CMOS传感器不会因为分辨率的提高而受到信号音调比降低的影响。此外，CMOS芯片的光敏感度较低，CMOS传感器消耗的功率较小，而CCD则消耗的功率较大。成本在芯片层面上是相似的。CMOS相机可能需要更少的组件和较少的功率，但它们也可能需要后处理电路来补偿较低的图像质量。
红外视觉系统 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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