探索CCD传感器在智能汽车中的应用

李帅

摘 要：本文主要围绕智能汽车行业发展和建立的过程中，最重要的需要攻克的技术难题：智能辅助驾驶，自动驾驶展开论述。对于这样两项关键技术，主要实现的目标都是让汽车长上眼睛，让汽车能够识别道路，并对于路上出现的各种情况进行及时的判断及反应，而本文主要介绍的CCD传感器可以作为智能汽车的眼睛，让汽车按照我们的要求行驶。

关键词：CCD传感器 智能汽车 循迹功能

对于中国“智”造，我国明确了优先发展的十个行业，包括新一代信息技术产业、高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、农机装备、新材料、生物医药及高性能医疗器械等十个重点领域。其中，智能汽车作为节能与新能源汽车的延伸，对于我国汽车产业实现弯道超车，超越现在的汽车大国，同样也具有十分重要的地位。

《智能网联汽车技术路线图2.0》对于智能网联汽车发展给出了明确的目标：到2035年中国方案智能网联汽车技术和产业体系全面建成，产业生态健全完善，整车智能化水平显著提升，网联式高度自动驾驶智能网联汽车大规模应用。

通过对文件的解读，提出智能网联汽车行业的发展是必须的，也是势在必行的。对于智能汽车，在现阶段的发展过程中，最重要的需要攻克的技术难题，一是智能辅助驾驶，二是自动驾驶。

无论是要实现智能汽车的智能辅助驾驶功能，还是要实现自动驾驶功能，智能汽车都要按照驾驶员需要的路线行驶，要实现这项技术，就像是要帮助智能汽车安装上眼睛和大脑，让它像驾驶员一样，能够看清楚路况，并且对路上发生的各种情况及时进行处理。

因此，智能汽车从结构到控制策略上，与传统汽车，甚至新能源汽车都有非常大的区别。为了满足智能汽车能够在路上安全的行驶，智能汽车需要搭载先进的车用传感器、控制器以及执行器的同时，还要结合先进的现代通信技术和网络技术。车辆在路上行驶的时候，还需要对外部的信息反馈点实现信息的共享与交互，对道路上的路线危险、行人危险以及机动车危险进行及时的判断，并通过智能汽车控制器对以上危险迅速的作出反应，规避风险。

为了能够让智能汽车满足以上需求，安全的上路行驶，智能汽车必须搭载高精度的光电传感器，来对行车路线以及路况进行探测，并向控制器反馈信号，对行车路线及时进行调整，本篇文章主要介绍的就是适用于智能汽车循迹系统功能的传感器——CCD传感器。

1 CCD传感器的结构与原理

CCD传感器又叫作电荷耦合器件图像传感器，该传感器是最早由美国科学家在20世纪70年代提出的概念，随着CCD图像传感器集成工艺的提高，阵列元素的不断增加，CCD图像传感器的图像识别、摄录功能得到了大幅的提高，在保持摄录精度的同时将数据压缩、存储，而且CCD图像传感器可识别的距离较远，在路线预测中有一定的前瞻性，因此，CCD图像传感器也可以满足智能汽车循迹功能的要求。

1.1 CCD传感器的结构

CCD图像传感器的实质是由有光敏感特性的半导体组成的光电二极管，主要功能是将光线转变为数字信号，数字信号通过压缩由存储器进行存储，在使用的时候方便调取数据。

CCD图像传感器由光敏单元、转移栅、移位寄存器和其他输入电阻与输出电阻组成。也就是说，从结构上来讲，MOS器件是组成CCD传感器的的基本单元，它是在P型硅MOS单元表层氧化一层二氧化硅，再在二氧化硅表面镀上个金属层，此时，在硅衬底上和金属电极间加入一个偏置电压，一个MOS电容器单元就形成了。

1.2 CCD传感器的工作原理

CCD图像传感器可以感知光线，将其转变为信号电荷，而信号电荷是可以存储以及读取的。由此可见，CCD图像传感器可以作为智能汽车循迹系统中的重要组成部分使用，其主要功能为：根据CCD图像传感器储存的有图像转换而来的数字信号进行分析，帮助智能汽车能够按照规定的路线行驶。

CCD图像传感器通过将光反射的图像信号转变为信号电荷，以此来完成光电的转换，因此CCD图像传感器的精度和灵敏度直接决定了智能汽车控制系统反应的精度以及灵敏度。

2 CCD传感器在智能车循迹过程中的应用

智能汽车的循迹系统主要由电源管理模块、图像采集模块、数字信号处理模块以及舵机模块等几部分组成。电池管理模块主要有电池及电池管理系统组成的，主要功能是对整个电路提供能源;图像采集模块主要是CCD图像传感器，它在车辆行驶过程中主要识别车道线;数字信号处理模块主要由DSP系统组成的，主要是对电路中的数字信号进行调取、分析和反馈;舵机模块主要由电机组成，当由CCD传感器识别的路线发生偏转时，及时对车辆的速度以及车辆进行调整。

2.1 智能汽车的环境感知

智能汽車实现无人驾驶技术，需要环境感知、计算分析、控制执行三大模块相互配合，才能达到对周围环境的感知，从而进行分析判断，最终实现智能车的自动驾驶功能。对车辆周围环境进行感知需要多种传感器配合来采集环境数据，如道路、车辆、行人等。环境感知的方法总体说来可分为视觉感知和雷达感知。摄像头等光电传感器能够为车辆提供视觉感知信息，毫米波雷达、激光雷达、超声波雷达等传感器能够为车辆提供雷达感知信息。在时间同步、空间统一的前提下，感知融合后为智能车输入置信度更高的感知信息。

2.2 CCD传感器进行图像采集的优势

摄像头在环境感知过程中始终采集图像信息，图像信息有着识别率高、目标分类强等特点，这样既能够弥补雷达的弱势，又能限定或缩减雷达不必要的探测范围。例如，摄像头提供目标分类，感知融合后可以减少雷达中不感兴趣区域目标输出;又如摄像头提供车道线信息，因此可以对雷达目标进行边界划定。

目前，市场上与CCD传感器同类型的产品还有CMOS传感器，从成像效果来看，CCD传感器的成像效果时远高于CMOS传感器的，而CMOS传感器的优点在于结构更简单，价格更低廉，但是由于CCD传感器技术发展较为成熟，而且近年来集成化发展也使得CCD传感器的成本有所下降，因此未来特别是在高精度像素领域，CCD传感器还是具有非常大的优势的。

2.3 CCD传感器的智能车系统流程

智能汽车在行驶时是如何改变行车线路的呢？首先，智能汽车通过前端安装的CCD图像传感器对车道线进行识别，由于CCD图像传感器可以识别距离较远，因此可以利用CCD传感器对车辆的行驶轨迹进行预测。CCD图像传感器通过识别信号点将车道线反射的图像信号通过A/D转换电路转换成为信号电荷，然后将电荷信号传输至信号处理模块。在信号处理模块中，DSP系统对电荷信号进行数据分析，并作出判断，车辆前方道路正常行驶或者转弯。信号处理模块再将判断的结果通过数字信号传输至舵机模块，舵机模块根据指令直行或转弯，此时CCD图像传感器完成了一次对智能汽车行车轨迹的引导作用。

2.4 CCD传感器在智能汽车中的装配与调试

2.4.1 CCD摄像头的安装与调焦

选用数字摄像头，首先要做的就是给摄像头调焦，可以使用视频采集卡将摄像头与电脑连接，然后在电脑上看摄像头的图像调节摄像头焦距直至图像最清晰为止，摄像头和采集卡的连接很简单只要把摄像头的VTO和GND接口与采集卡的视频线接口连接好就OK，然后把视频卡插在电脑上安装好驱动和相应的软件即可。

2.4.2 CCD摄像头的配置

焦距调好后，配置摄像头，以实现摄像头的功能。配置摄像头也就是对摄像头内部芯片寄存器的配置，寄存器的具体配置要参考所使用摄像头芯片的datesheet，寄存器的配置就和配置单片机寄存器一样的，不同寄存器的不同数值代表着摄像头的不同功能。不过这个配置是需要和单片机进行通信的，通过单片机给摄像头的寄存器写入数值，通信协议一般是用IIC通信。单片机没有IIC接口，可以通过IO端口软件模拟出时序来通信，按照它协议规定的时序读写数据。通过配置寄存器实现摄像头的数字量输出，也可以配置摄像头的分辨率和对比度，或者曝光率。

摄像头寄存器的配置调试完成后，就可以编写摄像头采集数据的时序程序了，这个需严格根据摄像头的场中断和行中断的时序来编写，否则时序乱了就会导致摄像头采集到消隐区的数据都是无效的数据，采集思路是在摄像头的一帧图像中利用行中断来采集数据，消隐区的时间来处理数据。

如果按照正确的时序采集数据的话基本上是没问题了，大家可以通过调试软件查看采集到的数据，观察是否为有效数据，一般黑色的灰度值小于100，白色灰度值为200左右，这样的数据就是正常的，有个别数据异常那可能是噪点，程序上就要通过滤波来滤除这些噪点。

3 CCD传感器在智能汽车领域发展前景的展望

CCD传感器由于其与计算机良好的传输性能，便于数据的连接，因此，未来CCD传感器在智能汽车中的应用更为广泛，不仅可以协助完成智能汽车的循迹功能，还可以完成智能汽车行驶时对道路、行人、车辆进行识别及运动速度测量，是的其在智能汽车应用中更为重要。

在未来，随着计算机网络科技及智能汽车控制系统的發展，CCD传感器作为智能汽车的前端探测及图像输出设备，在车辆行驶时与整车控制系统能够更好的交互，从而成为智能汽车安全上路必不可少的重要元件。

4 结束语

区别于其他同类论文通过测试，分析数据再探讨CDD传感器应用领域的论述方式，本论文主要依托于智能汽车技术专业背景，从专业需求的角度出发，阐述了CCD传感器结构原理，和它在智能汽车循迹功能中的起到的作用，以及CCD传感器在与智能汽车匹配的过程中体现的优势，具有一定的实用价值和前瞻性。

参考文献：

[1]《基于CCD传感器视觉图像定位方法的研究与应用》魏大为.

[2]《基于CCD传感器的路径识别方法研究与应用》冯玉如.

[3]《我国智能网联汽车产业的发展困境与应对策略》冯春林.