Датчик расстояния для автомобиля

Парковка: датчики и устройства. Что следует выбрать?

Что датчики парковки способны сделать для нас и нашего автомобиля? Прежде всего, они облегчает сложные манёвры, такие как, например, парковка на людной улице. Они помогают избежать препятствий, таких как столбы или дороги, невидимые в зеркале заднего вида. Установка парковочных датчиков в автомобиле кажется оправданной на улицах, полных автомобилей. Разумеется, они не освобождают водителя от обычного внимания и повышенной бдительности при маневрировании.

Парковочный радар (парктроник) — вспомогательная система бесконтактных датчиков, опционально устанавливаемая на автомобилях для облегчения маневрирования при парковке. Она предупреждает водителя о приближении к препятствию в слепой зоне автомобиля.

До появления активных электронных датчиков препятствия приближение автомобиля к препятствию пытались обозначать механическими датчиками, например т.н. карбфиллерами. Карбфиллер представлял собой штырь, закрепленный на уровне бордюра по углам или по борту автомобиля, скрежетом обозначая контакт с препятствием.

Комплект: парктроник и датчики

Также габарит автомобиля обозначали усами, видимыми из кабины и обозначающими невидимый водителю габарит автомобиля. Усы обычно устанавливали на передних углах автомобиля.

Слово «радар» в названии является, строго говоря, некорректным, так как устройство чаще всего использует не радио-, а звуковые волны. Таким образом, корректно называть подобные устройства не радарами, а сонарами.

В России парковочные радары впервые стали известны под торговой маркой Парктро́ник (англ. Parktronic) — так называется парковочная система на автомобилях Mercedes-Benz. В разговорном русском языке словом «парктроник» стали обозначать парковочные радары в общем смысле. Другие производители используют свои названия: так, BMW и Audi называют систему «помощник при парковке» — нем. Parkassistent; Audi также использует сокращение APS, которое расшифровывается как Audi Parkassistenzsysteme на немецком или Audi parking system на английском; Opel использует название «Парковочный пилот».

При обнаружении препятствия система издаёт предупреждающий звук и, в некоторых вариантах исполнения, отображает информацию о дистанции на дисплее. Первые сигналы появляются при приближении к препятствию на 1—2 метра, а при опасном сближении с препятствием (0,1—0,4 м) сигнализация становится тревожной. В некоторых моделях система может быть отключена (например, для использования на бездорожье). Как правило, система с задними датчиками автоматически включается вместе с задней передачей. В системах с передними датчиками (также называемыми угловыми датчиками, англ. corner sensors) включение происходит при низкой скорости движения (до 20 км/ч).

Как правило, блок индикации соединяется с датчиками при помощи провода, проложенного вдоль кузова автомобиля, но существуют и беспроводные системы, отличающиеся удобством установки.

Ультразвуковой датчик

Ультразвуковой датчик был запатентован в 1978 году. Принцип действия аналогичен эхолоту: датчик генерирует короткий ультразвуковой (порядка 40 кГц) импульс, а затем воспринимает отражённый окружающими объектами сигнал. Электронный блок измеряет время, прошедшее между излучением и приёмом отражённого сигнала, и, принимая скорость звука в воздухе за константу, вычисляет расстояние до объекта.

Ультразвуковые датчики устанавливаются на бампер автомобиля, а направленный характер излучателей позволяет сформировать требуемую зону чувствительности. Первоначальные системы имели раздельный излучающий и принимающий сенсоры, впоследствии передачей и приёмом занимался один пьезоэлемент. Дороговизна электроники первоначально привела к механическому сканированию задней полусферы одним сенсором. Сегодня сенсоры монтируются стационарно, а отсутствия мёртвых зон добиваются установкой нескольких датчиков. Самые простые системы используют два датчика. Наиболее распространены системы, использующие 4 датчика, расположенных на заднем бампере на расстоянии 30—40 см друг от друга. Такое расположение датчиков позволяет исключить появление «мёртвых зон». В более сложных системах 2 или 4 датчика устанавливаются и на передний бампер. Исключительные системы могут использовать большее количество датчиков, а также датчики, расположенные по бокам автомобиля.

Какой датчик парковки выбрать?

Установка парктроника

Однако, если мы хотим снизить затраты на установку датчиков парковки, мы можем создать их сами. Полезными будут простые инструменты, такие как отвёртка, линейка, несколько гаечных ключей, изолента. Вам также понадобится паяльник. С чего начать? Сначала определите подходящие места для установки парктоника. Указания для этих мест должны быть включены в инструкцию по эксплуатации и рекомендации производителя датчика парковки. Датчики должны быть установлены на подходящем расстоянии друг от друга и от земли.

Полезный совет! Если вы направите внешние датчики больше в стороны, их диапазон вокруг автомобиля увеличится.

Для установки парктроника на большинство моделей автомобилей вам, вероятно, потребуется снять бампер. Затем мы просверлим отверстия в бамперах и установим парктроник. Если они другого цвета, чем кузов автомобиля, мы можем перекрасить его.

Установка парктроника спереди и сзади

Хотя большинство проблем с маневрированием автомобиля связано, прежде всего, с парковкой сзади, датчики парковки лучше всего устанавливать спереди и сзади автомобиля. Установка датчиков парковки не должна быть сложной, если мы выбираем высококачественные беспроводные датчики, которые работают благодаря сетям Wi-Fi. Беспроводные датчики парковки стоят дороже, чем комплект с кабелями, но установка беспроводных датчиков парковки намного удобнее.

Мы можем ещё больше упростить установку датчиков парковки, выбрав комплект, который не требует сверления в бамперах. В этом случае мы устанавливаем электромагнитные датчики парковки на передней и задней части автомобиля.

Датчики внутри бампера прикреплены металлической клейкой лентой, выступающей в роли антенны. Эти типы датчиков пользуются хорошей репутацией среди водителей, в основном потому, что они проще в использовании и не требуют технического обслуживания.

Парковочный помощник является одним из элементов автомобильного оборудования. Система, которая благодаря излучению ультразвука измеряет расстояние между автомобилем и внешними препятствиями (стена, другой автомобиль, высокий бордюр) и облегчает маневрирование автомобиля. Установка работает благодаря датчикам, которые производители автомобилей устанавливают на передний и задний бамперы автомобилей. Это также может поддерживаться работой камер (также установленных на передней или задней панели), с которых изображение отображается на приборной панели, а расстояние от препятствия сигнализируется звуковыми сигналами. Датчиков так много в базовой версии, потому что помощник при парковке не только «подхватывает» датчики, но и продвинутую систему поддержки, которая на улице выполняет часть действий, связанных с парковкой, от водителя.

Датчик парковки

Датчики сигнализируют о приближении препятствия все громче и громче, камера заднего вида показывает угол наклона ведущей дуги, и все же мы не можем справиться с парковкой между двумя транспортными средствами «в бухте». В конце концов, число автомобилей, предлагаемых производителями с каждым днём растёт, а городское пространство определённо становится всё меньше. Что производители автомобилей предлагают в этом случае? Здесь может быть полезен более продвинутый помощник при парковке.

Система, которая измеряет расстояние между препятствиями и самостоятельно маневрирует автомобиль и помогает водить автомобиль в свободное пространство между двумя транспортными средствами или обеспечивает параллельную парковку. Как это обычно делается на практике?

Во-первых, инициатива принадлежит водителю, который должен определить режим парковки, необходимый на данный момент. Помощник при парковке, которым оснащены большинство автомобилей, доступных на рынке, не распознает, как устроены автомобили, стоящие в том месте, где они должны парковаться. Поэтому мы выбираем перпендикулярную или параллельную парковку. Чтобы сканирование окружающей среды было эффективным, нам необходимо облегчить работу нашего помощника по парковке и замедлить автомобиль примерно до 20 км/ч.

Когда датчики в бамперах сканируют правильное место, водитель получает информацию о том, что он должен делать. Когда дело доходит до параллельной парковки, компьютер обычно просит переключиться на задний ход, а затем помощник по парковке берет на себя инициативу, и машина катится в отсек. Водитель управляет только педалью акселлератора или тормозом, маневрирование берет на себя машина. В зависимости от типа парковки, при маневрировании компьютер может попросить вас внести исправления, например, сдать немного вперёд.

Различные системы автоматической парковки помогают при выполнении параллельной парковки, перпендикулярной парковки. Больше распространены системы с параллельной парковкой. Автоматическая парковка осуществляется за счет согласованного управления углом поворота рулевого колеса и скорости движения автомобиля.

Известными интеллектуальными системами помощи при парковке являются:

Конструкция системы автоматической парковки включает ультразвуковые датчики, выключатель, электронный блок управления, а также исполнительные устройства систем автомобиля.

Эффективен ли помощник при парковке?

И сколько мы можем заплатить за такой гаджет? Цена парковочного помощника для Skoda или Ford колеблется от 15 до 50 тысяч рублей. Volkswagen использует парковочные решения (ассистент парковки Passat) цена которых составляет около 45 000 рублей. Мы заплатим больше за помощника по парковке в Audi, а самыми дорогими являются технологические решения в самых дорогих типах автомобилей, в которых помощник при парковке будет также работать в гараже.

Источник

Ультразвуковой датчик расстояния

Приветствую всех читателей моего блога!
И сегодня снова речь пойдет про учебу. На этот раз хочу поделиться результатами недавно прошедшей у меня лабораторной работы по курсу Управление в Технических Системах: «Изучение принципов работы ультразвукового датчика расстояния». Данная запись будет сделана в виде моего отчета по лабораторной работе.
Лабораторных по этому курсу было несколько, но самая, так сказать, наглядно представляющие наши труды является именно эта.
Итак, поехали:

В современных автомобилях ультразвуковые датчики расстояния широко используются в парковочных радарах – Парктрониках, а также в системах автоматической парковки.
Ультразвуковой датчик представляет собой приёмо-передатчик, работающий в ультразвуковом диапазоне. Каждые несколько десятков миллисекунд датчик генерирует короткий ультразвуковой импульс продолжительностью несколько миллисекунд. Затем датчик переключается в режим приема отраженных волн. Расстояние до препятствия, от которого отражаются звуковые волны, вычисляется по длительности прохождения волн от передатчика до приемника и известной скорости звука в воздухе.

Скорость распространения звука в воздухе значительно зависит от его температуры, поэтому в системах автоматической парковки и Парктрониках используется датчик наружной температуры, по показаниям которого корректируются получаемые данные.

В данной лабораторной работе используется ультразвуковой датчик расстояний LV-MaxSonar-EZ1. Его особенность в том, что совместно с ультразвуковым приемо-передатчиком и другими элементами, необходимыми для его работы, на плате датчика расположен микроконтроллер, который производит необходимые вычисления расстояния и обеспечивает различные интерфейсы для считывания показаний датчика.

Возможны 3 способа считывания показаний данного датчика:
1. По ширине импульса на выводе PW датчика (он и используется в данной лабораторной работе)
2. По напряжения на выводе AN датчика
3. В цифровом виде по последовательному интерфейсу
Поскольку ультразвуковые датчики нацелены на то, чтобы вести обнаружение преград в определенном направлении или области, то они имеют, так называемую, диаграмму направленности, которая показывает ширину распространения ультразвуковых волн во всем диапазоне обнаружения.

Паспортные данные диаграммы направленности составляются при отражении от тестовой мишени при температуре окружающей среды 20 С, давлении 1 атм, относительной влажности воздуха 80%. Поэтому диаграммы имеют лишь практическое значение при первоначальном выборе модели датчика и при выборе места для его установки. Для надежного функционирования систем с ультразвуковыми датчиками расстояния их диаграммы определяются экспериментально.
В лабораторной работе используется плата индикации, к которой подсоединяется ультразвуковой датчик. Плата индикации соединяется с микроконтроллерной платой Arduino Uno, с помощью которой происходит считывание показаний датчика и выполняются необходимые действия по индикации измеренного расстояния. Светодиоды, зумер и вывод PW датчика подсоединены к цифровым платам Arduino. Также на плате установлена кнопка сброса и имеются выводы для подключения к АЦП.

Тарировка ультразвукового датчика расстояния.
В данной работе расстояние до преграды считывается с датчика по ширине импульса на его PW выводе. Поэтому необходимо определить коэффициент пропорциональность между длительностью импульса на его выводе PW и измеренным расстоянием. Для этого напишем программу, которая будет измерять длительность импульса при известном расстоянии до объекта и выводить ее в последовательный порт.

Для просмотра данных необходимо на компьютере в среде Arduino открыть монитор последовательного порта Tools — Serial Monitor.
Параллельно ведем запись с вывода PW датчика с помощью АЦП, подключив плату индикации к АЦП и, настроив параметры в программе LGraph2, записать и экспортировать данные во внешний файл.
С помощью MatLab определяем длину импульса.

Источник

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Датчики систем безопасности при движении автомобиля

Развитие технологий производства датчиков, позволило их применять в интеллектуальных системах безопасности, к которым относятся системы помощи водителю. В стремлении обеспечить конкурентоспособность своих автомобилей, производители поддерживая передовые технологии, внедряют их на новые машины. Вот о том, какими бывают датчики для систем повышения безопасности при движении автомобиля, мы и поговорим в этой статье.

Ультразвуковая технология

В современных системах, помогающих при движении задним ходом и парковке (см. «Системы парковки автомобилей») исполь­зуются ультразвуковые датчики малой даль­ности действия (порядка 2,5 м). Они встраи­ваются в бамперы автомобилей и служат для вычисления расстояний до препятствий с целью контроля пространства при парковке и маневрировании. При приближении к пре­пятствию система выдает водителю звуковые и световые сигналы.

Более новые датчики с дальностью дей­ствия до 4,5 м позволяют использовать си­стему помощи при парковке, которая либо выдает водителю инструкции по оптималь­ной парковке, либо осуществляет руление при въезде на парковочное место, а водителю остается лишь следить за перемещением ав­томобиля в продольном направлении.

Конструкция ультразвукового датчика

Ультразвуковой датчик (рис. «Вид ультрозвукового датчика в разрезе» ) состоит из пластмассового корпуса со встроенным штырьковым разъемом, ультразвукового преобразователя (алюминиевого блока с диа­фрагмой, на внутреннюю часть которой при­клеен пьезокерамический элемент) и печатной платы с передающей и оценивающей электро­никой. Они электрически соединены с ЭБУ с помощью трех выводов, два из которых — пи­тающие. Третий, служащий в качестве двуна­правленной сигнальной линии, используется для активизации функции передачи сигналов и принятия возвращенного сигнала.

Принцип работы ультразвукового датчика

Ультразвуковой датчик принимает от ЭБУ циф­ровой импульс. Затем электроника заставляет колебаться алюминиевую диафрагму с прямоу­гольными импульсами на резонансной частоте (около 48 кГц) с типичным периодом порядка 300 мкс, в результате чего испускаются ультра­звуковые импульсы. Отраженный от препят­ствия звук снова заставляет колебаться диа­фрагму, между тем уже успокоившуюся (прием невозможен в течении периода успокоения, порядка 900 мкс). Эти колебания выводятся пьезоэлектрическим элементом в виде анало­гового электрического сигнала, который затем усиливается и преобразуется в цифровой.

Обычно ультразвуковые датчики для опи­санной области применения имеют селектив­ную характеристику испускания с широким диапазоном чувствительности по горизон­тали (для определения как можно большего количества объектов) и узким диапазоном чувствительности по вертикали (во избежа­ние отражений от земли).

Радарная технология на автомобиле

Радарная технология используется, помимо прочего, в адаптивном круиз-контроле (АСС) для определения движущихся впереди ав­томобилей и соответственной адаптации скорости движения. Излучаемые радаром электромагнитные волны отражаются от металлических поверхностей и других отра­жающих материалов и затем регистрируются приемной частью радара. Расстояние до объ­ектов в диапазоне чувствительности можно измерить на основании времени распростра­нения этих волн. Для измерения относитель­ной скорости используется эффект Допплера.

Благодаря своим превосходным свойствам в плане быстрого и точного измерения рас­стояния и относительной скорости радар также очень хорошо подходит для исполь­зования в системах активной и пассивной безопасности. Примерами таких систем являются прогнозирующие системы аварий­ного торможения и раннего распознавания столкновений.

Методы испытаний

Принимаемые сигналы сравниваются с пере­даваемыми по времени распространения или частоте. Используемые методы значительно различаются по способу сравнения сигналов. Передаваемые волны модулируются, чтобы принимаемый сигнал можно было уникально сопоставить передаваемому. Самыми рас­пространенными формами модуляции яв­ляются импульсная, где генерируются им­пульсы в 10-30 нс, что соответствует длине волны 3-10 м, и частотная, где вовремя пере­дачи мгновенная частота волн изменяется в зависимости от времени.

У всех радарных датчиков измерение рас­стояния основано на прямом или косвенном измерении времени распространения сиг­нала с момента его передачи и до момента его приема в виде отраженного сигнала.

Импульсная модуляция

В случае импульсной модуляции измеряется время распространения τ сигнала от его передачи до его приема. Принятый волновой пакет нужно демодулировать, чтобы извлечь нужную информацию. Учитывая скорость света, можно вычислить расстояние до дви­жущегося впереди автомобиля по разности времени. При прямом отражении оно опреде­ляется как двойное расстояние d до отража­теля, поделенное на скорость света с:

τ = 2d/с

Для расстояния d = 150 м и с ≈ 300 000 км/с время распространения τ≈1,0 мкс.

Импульсный радар испускает очень ко­роткие импульсы. Эти сигналы отражаются от предметов и возвращаются к датчику. Требуется измерить время распространения этих сигналов. На рис. «Блок-схема импульсного радара» показана блок-схема импульсного радара. Генератор с частотой, к примеру, 24 ГГц, передает сигналы на дели­тель мощности. Его выходные сигналы по­даются на два высокоскоростных переключа­теля в двух каналах, изображенных на схеме. В верхнем тракте (передающем) сигналы от генератора импульсов сначала модулируются и затем выдаются на высокоскоростной пере­ключатель (высокочастотный модулирую­щий переключатель). Из этого блока сигналы проходят на передающую антенну. В нижнем параллельном тракте (принимающем) ре­гулируемая задержка генерирует опорные сигналы, подаваемые на высокоскоростной переключатель в передающем тракте. При­нятый отраженный сигнал смешивается с выходным сигналом генератора, что слу­жит когерентным опорным значением для определения измерений частоты в принятом отраженном сигнале. Когерентность в этом контексте означает, что фаза переданного импульса остается сохраненной в опорном сигнале. Изменение определяется фильтром Допплера.

Излучаемая пиковая мощность в 20 дБм EIRP (уровень мощности при опорном зна­чении 1 мВт) дает расстояние измерения 20-50 м, в зависимости от размера и отражающих свойств данного предмета. Минимальное рас­стояние измерения составляет около 25 см.

Модуляция FMCW

На рис. «Блок-схема 4-х канального радара с частотно-модулированной незатухающей гармонической волной FMCW» показана блок-схема радара FMCW (частотно-модулированная незатухающая гар­моническая волны). Генератор на диоде Ганна в эхорезонаторе или новый генератор на базе SiGe параллельно подает сигналы, к примеру, на четыре патч-антенны, расположенные ря­дом друг с другом и также служащие для од­новременного приема отраженных сигналов. Установленная спереди пластмассовая линза Френеля фокусирует передаваемые и прини­маемые лучи, относительно оси автомобиля, в горизонтальном и вертикальном направле­ниях. Характеристики антенны в плане пере­дачи и приема имеют веерообразную форму в четырех разных направлениях из-за смещения антенн от центра. По расстоянию а до транс­портных средств, движущихся впереди, и по их относительной скорости Δv можно оценивать изменение ситуации относительно той, при которой они были обнаружены. Этот метод используется для обнаружения нескольких автомобилей.

Направленные ответвители разделяют передаваемые и принимаемые отраженные сигналы. Путем смешивания частоты приема и частоты передачи, находящиеся далее мик­шеры переносят частоту приема на более низ­кие частоты (0-300 кГц). Чтобы оценить их, низкочастотные сигналы оцифровываются и проходят высокоскоростной (гармонический) анализ Фурье для определения частот.

Метод работы разъясняется ниже на при­мере генератора Ганна. Частота генератора на основе диода Ганна непрерывно сравнивается с эталоном частоты диэлектрического резо­нансного генератора (DRO) и регулируется до определенной заданной величины. В данном случае напряжение питания диода Ганна изме­няется до тех пор, пока частота снова не будет соответствовать заданной. Через эту цепь с обратной связью, с пилообразными колеба­ниями, частота передачи f_s генератора Ганна кратковременно повышается и понижается на 300 МГц каждые 100 мс (частотная модуляция). Сигнал, отраженный от впереди идущей ма­шины, изменяется в соответствии со временем его прохождения, как показано на рис. 4, т.е., при увеличении расстояния до впереди идущей машины — путем понижения частоты, а при уменьшении расстояния — путем повышения частоты f_e на ту же величину Δf. Разность ча­стот Δf является прямой мерой расстояния а:

Если же между двумя движущимися автомо­билями будет дополнительная относительная скорость Δv, то принимаемая частота f_е уве­личивается (при приближении) или уменьша­ется, на основании эффекта Допплера, как при возрастании, так и при снижении расстояния между машинами пропорционально величине:

Иными словами, имеются две дифферен­циальных частоты Δf₁ и Δf₂. Их сумма соот­ветствует расстоянию между автомобилями, а разность — относительной скорости Δv их движения (рис. «Измерение расстояния и скорости с помощью радиолокационной установки с частотно-модулированной незатухающей гармонической волной FMCW» ). При увеличении расстоя­ния:

При уменьшении расстояния:

Определение угла смещения объекта

Третьей основной величиной, помимо рас­стояния и относительной скорости, явля­ется боковое смещение (угол) объекта. Единственный способ измерить его — путем испускания луча радара в нескольких на­правлениях. Затем по отраженным сигна­лам определяется направление, из которого принят самый сильный отраженный сигнал. Чтобы определить угол, под которым радар находит объект, либо направляется один луч (сканирование), либо параллельно испуска­ются и анализируются несколько лучей.

Для измерения угла требуются не менее двух перекрывающихся лучей. Усиления амплитуд, измеряемых для определенного объекта в соседних лучах, позволяют сделать вывод об угле обзора. На практике сегодня используется четыре луча, с угловым разре­шением 1-2°.

Радар малой дальности (24 ГГц)

Используются два типа радаров малой даль­ности: узкополосные датчики и ультра широкополосные датчики (UWB). Диапазон узко­полосных датчиков составляет несколько МГц в диапазоне ISM (промышленность, наука и медицина) при 24 ГГц и они отли­чаются низкой разделяемостью объектов. Разделяемость объектов у датчика UWB с типичным диапазоном 5 ГГц — высокая, по­рядка нескольких сантиметров при удаленно­сти объектов около 1,5 м. Функции безопас­ности, реализованные с помощью датчиков этого типа (например, датчиков раннего рас­познавания столкновения) требуют коротких циклов измерения, порядка 2 мс и менее.

Диапазон типичных радарных датчиков ма­лой дальности составляет от 2 до 20-50 м, в зависимости от функции помощи водителю.

Датчики этого типа были впервые пред­ставлены в 2005 году в системах адаптивного круиз-контроля (АСС) с помощью при дви­жении в пробках. Здесь используются два радарных датчика малой дальности. Если с помощью этой сенсорной технологии потре­буется реализовать дополнительные функ­ции, то спереди и сзади автомобиля потребу­ется установить до четырех датчиков.

Радар большой дальности

Радар большой дальности (LRR), используе­мый для адаптивного круиз-контроля (АСС), сканирует зону перед движущимся автомоби­лем на расстояние до 250 м. Рабочая частота 76,5 ГГц (длина волны λ = 3,8 мм) допускает относительно низкопрофильные конструк­ции, необходимые в автомобилях.

Лидар

Лидары (лазерные локаторы ИК-диапазона) для адаптивного круиз-контроля (АСС) уже несколько лет используются в Японии. В принципе, лидары работают так же, как и радары, но отличаются от последних тем, что используют электромагнитные волны в инфракрасном диапазоне 800-1000 нм, а не микроволны в миллиметровом диапазоне. Лучи лидара могут иногда значительно за­глушаться туманом и условиями плохой видимости, особенно брызгами. Это может, соответственно, уменьшить дальность из­мерения. Поэтому они подходят для систем безопасности хуже, чем радары.

Инфракрасное излучение модулируется по интенсивности, но не по частоте. Блок-схема лидара показана на рис. «Блок-схема лидара«. Лидар создает модулированное инфракрасное излучение, отражаемое от предметов и принимаемое одним или несколькими фотодиодами в дат­чике. Модуляция может иметь следующие формы: прямоугольные волны, синусои­дальные колебания или импульсы. Модуля­тор передает информацию о модуляции на приемник. Таким образом, принятый сигнал можно сравнить с переданным, чтобы опре­делить либо фазовую разность сигналов, либо время их распространения, и на основа­нии этого вычислить расстояние до объекта. Отношение «сигнал-шум» очень сильно зависит от типа модуляции, наилучшие ре­зультаты достигаются при импульсной моду­ляции. Поэтому импульсная модуляция ис­пользуется на практике для лидаров большой дальности. Типичные значения длительности импульсов находятся в наносекундном диа­пазоне. Соответственно, длина импульсов со­ставляет порядка 1 метра. Для достижения точности измерения сантиметрового порядка можно использовать подходящие методы об­работки сигналов.

Горизонтальное и вертикальное разреше­ние достигается либо путем многолучевой конфигурации, либо путем механического сканирования. Преимущество механического сканирования состоит в очень высоком угло­вом разрешении при использовании всего одного приемно-передающего блока. Луче­вое сканирование реализуется либо путем использования поворотного зеркала, либо путем перемещения оптического элемента передатчика или приемника вперед-назад.

В отличие от большинства радарных дат­чиков, лидар не измеряет непосредственно скорость объекта. Скорость вычисляется путем дифференцирования сигнала расстоя­ния, в результате происходит определенная задержка и ухудшается качество сигнала. С другой стороны, хорошее горизонтальное разрешение сканирующего лидара намного превосходит разрешение типичного совре­менного радарного датчика.

Видеотехнология

Изображения несут в себе наибольшую часть информации, воспринимаемой чело­веком. Следовательно, очевидным методом в контексте разработки систем повышения безопасности при движении (DAS) является запись изображений, извлечение из них нуж­ных деталей и выявление опасных ситуаций посредством обработки изображений.

На первом этапе на рынок были выведены функции на основе видео — например, систем ночного видения, систем слежения за дорож­ной разметкой и распознавания дорожных знаков. На втором этапе функции, корректи­рующие динамику автомобиля через тормоза, рулевое управление и дроссельную заслонку (прежде всего при взаимодействии несколь­ких датчиков) открывают новые, эффектив­ные перспективы для надежного предотвра­щения ДТП и смягчения их последствий.

В этом контексте в автомобильной системе выполняются две различные задачи. Когда требуется создать особенно контрастное, яркое изображение, необходимое в системах ночного видения, производится обработка изображе­ния. Затем обработанное изображение выво­дится непосредственно на дисплей. Вторая за­дача предусматривает извлечение конкретного содержания изображения с помощью специ­альных алгоритмов (например, распознавание дорожных знаков). Принятую информацию можно затем использовать для предупрежде­ния водителя сигналами на дисплее или актива­ции соответствующих исполнительных органов.

Основные принципы фотосчитывания

Когда полупроводник освещается фотонами, создаются пары «электрон-дырка». Они, в свою очередь, генерируют электрическое поле, рекомбинируют и создают фотоэлек­трический ток. Здесь показатель «квантовая эффективность η» описывает количество пар «электрон-дырка», создаваемых одним фотоном.

Практически все проникающие в полупро­водник фотоны преобразуются в электри­ческие заряды. Однако существует сильная спектральная зависимость от средней длины поглощения, в которой возникает это фото­преобразование. Коротковолновый свет в принципе поглощается на поверхности по­лупроводника, а длинноволновый проникает глубоко внутрь него. Поэтому изображения с большим содержанием волн красного и инфракрасного диапазонов (например, си­стемы улучшения ночного видения) имеют гораздо меньший контраст, чем изображе­ния, записанные в коротковолновой части спектра. Поэтому для систем ночного виде­ния важно обрабатывать изображения в сто­рону улучшения контрастности. В системах любительского уровня перед камерой часто устанавливаются оптические фильтры для отсечки инфракрасной части спектра.

Фотоэлектрический ток растет пропор­ционально, на много порядков, падающему световому потоку и строго линеен в широ­ком динамическом диапазоне. Именно это делает полупроводниковые фотодатчики такой привлекательной перспективой для многочисленных систем массового спроса и измерительных систем.

Двумя наиболее важными фоточувствительными полупроводниковыми структурами являются фотодиод (рис. «Фотодиод» ) и металло­оксидный полупроводниковый конденсатор (МОП-конденсатор, рис. «МОП-канденсатор, работающий как интегрирующий фотодатчик» ), используемый в ПЗС-датчиках приборах с зарядовой связью. Обе эти полупроводниковых структуры изго­тавливаются по стандартным полупроводни­ковым технологиям.

Фотодиод состоит из сочетания полупрово­дниковых материалов с различными проводя­щими свойствами. В области пространствен­ного заряда на стыке двух полупроводниковых материалов существует электрическое поле. В то же время область пространственного за­ряда имеет определенную емкость, обратно пропорциональную ее толщине. Фотодиоды типично заряжаются до определенного по­тенциала и затем подвергаются воздействию света. Теперь фотоэлектрически генерируе­мые заряды распространяются по всей области пространственного заряда и накапливаются в фотодиодном конденсаторе. Остаточное на­пряжение измеряется сразу после облучения фотодиода светом. Разница между этим на­пряжением и напряжением сброса является мерой падающего света.

МОП-конденсатор (рис. «МОП-канденсатор, работающий как интегрирующий фотодатчик» ) состоит из по­лупроводникового материала, покрытого тонким оксидным слоем. На оксидный слой наносится металлический проводящий слой. При подаче положительного напряжения на металлический электрод МОП-элемента под изолирующим оксидным слоем создается область пространственного заряда стацио­нарных положительных зарядов. В случае падения света через прозрачный изолиро­ванный электрод (переднее облучение) или через подложку (заднее облучение) в этой зоне собираются фотоэлектрически генери­руемые электроны без возможности реком­бинирования и опока.

Типичное значение емкости фотодиода и МОП-конденсатора составляет 0,1 фФ/мкм.

ПЗС-матрицы

Для изготовления датчиков формирования изображений многие фотодиоды или МОП-конденсаторы соединяются в матрицы с большим числом пикселов. В то время как выходные сигналы фотодиодов соответ­ствуют мгновенным значениям светового потока (освещенности), следующие две структуры являются, по своей сути, интегри­рующими. Их сигнал соответствует общему количеству фотонов, проникших в датчик за время освещения. Такие датчики, в основном, нужны для изготовления линейных или одно­плоскостных матриц по принципу ПЗС (при­боры с зарядовой связью, CCD).

В случае с этими р-гс-фотодиодами лишь небольшая часть р-я-перехода чувствительна к излучению из-за экрана с вакуумным напы­лением. Но фотоэлектрически генерируемые заряды распространяются по всей области пространственного заряда и накапливаются там (в МОП-конденсаторе). Когда каналь­ный полевой униполярный МОП-транзистор закрыт, они могут опекать к совместно ис­пользуемой сигнальной линии (видеовыходу). МОП-транзистором управляет генератор син­хронизирующих импульсов через сдвиговый регистр (рис. «Линейное расположение фотодиодов с линией последовательного вывода«). Заряды, последовательно протекающие через видеовыход, являются мерой дозы излучения фотодиодов, активи­руемых в каждом случае.

Чтобы после облучения можно было сместить измерительный заряд по горизонтали, рядом с освещаемой зоной или коллекторным электро­дом располагаются дополнительные электроды, как показано на рис. «МОП-конденсатор с задней подсветкой и передающими электродами для переноса заряда«; вовремя интеграцион­ной фазы они находятся на нулевом потенциале. Если затем увеличить потенциал бокового пере­ходного электрода на положительное значение при одновременном уменьшении потенциала коллекторного электрода, то заряд можно сме­стить на соседний МОП-элемент, защищенный экраном от падения света.

Этот принцип переноса заряда формирует основу приборов с зарядовой связью. Со­гласно этому принципу аналоговые заряды можно смещать или передавать через мно­гие станции до полного преобразования в конце цепочки преобразований посредством усилителя заряда, к примеру, в сигнал напря­жения, который можно подать на быстрый аналогово-цифровой преобразователь.

Этот метод передачи заряда, который можно также рассматривать как аналоговый сдвиго­вый регистр, обеспечивает простую настройку длинных линейных множественных структур, а также матричных структур. Мельчайший элемент этих структур также называют пиксе­лом (pixel, сокращение от picture element). На данный момент максимально возможное ко­личество пикселов для линейных датчиков со­ставляет около 6000, а у матричных — порядка 2000-2000, т.е. четыре миллиона. Сегодняш­ние датчики для формирования изображе­ний в автомобилях работают с разрешением менее одного миллиона пикселов. Для более сложных автомобильных систем желательно иметь гораздо большее количество писелов. В камерах уровня потребительской электроники используются датчики с более чем 10 миллио­нами пикселов.

Ограничивается даже заряд, поглощаемый отдельными, интегрирующими ячейками. При превышении этого предела заряд может «перетечь» в соседние ячейки. Это также называют эффектом расплывания изобра­жения, который в принципе ограничивает динамическую реакцию «светлый/темный» в ПЗС-технологии. Даже с дополнительными мерами против расплывания изображения эту динамическую реакцию едва удается уве­личить сверх величины около 50 дБ без до­полнительных мер, таких как регулируемые экран и время выдержки.

Как показано на рис. «Принцип работы ПЗС-матрицы«, создаваемые в фотодиоде фотоэлектрические заряды сна­чала смещаются из зоны экспозиции посред­ством перемещающихся электродов и управ­ляющих сигналов в сторону, в столбцовую структуру. Затем заряды всех столбиков по тому же принципу одновременно смещаются вниз, где они рядами перетекают в горизон­тальный «сдвиговый регистр». Оттуда они последовательно считываются и обрабаты­ваются.

Сегодня ПЗС-матрицы — наиболее распро­страненная полупроводниковая технология с датчиками для формирования изображений. Однако ограниченная реакция «светлый/тем­ный», относительно высокая потребляемая мощность по сравнению с другими техноло­гиями при трех разных рабочих напряжениях, и ограниченный диапазон температур не по­зволили им получить широкого распростра­нения в автомобилях.

КМОП-матрицы

Сегодня КМОП-матрицы являются более перспективным решением по сравнению с ПЗС-матрицами, и уже широко используются во многих областях. Здесь понятие «КМОП- матрица» может внести путаницу, потому что КМОП (сокращение от «комплементар­ный металлооксидный полупроводник») — это особая полупроводниковая технология. С другой стороны, ПЗС-матрица тоже со­держит МОП-структуры (структуры металлооксидных полупроводников). КМОП-матрицы существенно отличаются от ПЗС-матриц не только технологией изготовления, но и рядом особенностей.

Пикселы здесь считываются не последо­вательно, а по аналогии с ячейкой памяти в оперативном запоминающем устройстве, мо­гут активироваться по-отдельности, так как расположены в матричной структуре. С этой целью для каждого пиксела также интегри­рована активная электроника (APS, активный датчик пиксела).

Интегрирующие фотодиоды не исполь­зуются. Вместо них используются те, что в большой степени не зависят от времени вы­держки.

Значения яркости не пропорционально преобразуются в электрические сигналы, а логарифмируются. Поэтому они имеют схо­жую характеристику с человеческим глазом. Только это позволило увеличить динамиче­скую реакцию «светлый/темный» до более чем 100 дБ без дополнительных мер.

КМОП-матрицы реализуются не на основе стандартной КМОП-технологии. Вместо этого используется КМОП-технология, оптимизи­рованная до фотоэлектрического элемента, который, благодаря гораздо меньшей потре­бляемой мощности, чем у ПЗС-матриц, по­зволяет добавлять на матричный чип другую активационную и оценочную электронику.

Поскольку время доступа к отдельным пик­селам составляет порядка нескольких десят­ков нс, КМОП-матрицы допускают несколько более высокую частоту смены кадров, осо­бенно при использовании возможности счи­тывания только фрагментов изображения (субфрейминг), чего не позволяют сделать ПЗС-матрицы.

На рис. «КМОП-матрица» показан фрагмент структуры КМОП-матрицы. Отдельный пиксел состоит из фотодиода и канального полевого униполяр­ного МОП-транзистора (M0SFET) в качестве переключающего элемента. Каждый пиксел можно индивидуально активировать и считы­вать с него сигналы через матричную структуру.

Все фотодиоды заряжаются до противодей­ствующего напряжения смещения величиной около 5 В. Отдельные пикселы разряжаются до определенного напряжения под влиянием падающего света. Сигнал пискеля считывается путем активации соответствующих формиро­вателей строк и столбцов, в результате чего создается проводное соединение от пиксела к выходному усилителю. Затем пиксел снова заряжается через это соединение до ис­ходного противодействующего напряжения. Усилитель измеряет необходимый заряд для каждого пиксела. Это точно соответствует фотозаряду, накопленному пикселом. Таким образом, каждый пиксел можно считывать ин­дивидуально, а время выдержки можно опре­делить через внешнюю схему выборки адреса.

Эта APS-технология, при которой в ма­трицу интегрируется транзистор MOSFET, обеспечивает низкий уровень шумов. Самый простой пиксел APS состоит из фотодиода и трех MOSFET. Fla рис. «Схема пиксела HDRC в разрезе» схематично изо­бражена структура пиксела HDRC (КМОП — технология с расширенным динамическим диапазоном). Светочувствительным элемен­том этого варианта КМОП-матрицы является фотодиод, поляризованный в направлении блокировки, последовательно соединенный с р-канальным МОП-транзистором (М1), работающим ниже напряжения открывания. Диодный ток, пропорциональный освещен­ности, также должен протекать через блоки­рованный транзистор. Напряжение его по­токового перехода U_Gs в широком диапазоне практически идеально логарифмически за­висит от протекающего фототока. Два других транзистора М2 и М3 служат для развязки сигнала, подаваемого через мультиплексор на быстрый 10-битный аналого-цифровой преобразователь.

Технология определения дальности

Формирователи изображений для определе­ния дальности — это датчики, все еще нахо­дящиеся на стадии разработки, сочетающие характеристики лидаров и видеокамер. Их можно считать видеодатчиками с дополни­тельной функцией измерения расстояния до ближайшего объекта каждым пикселом камеры. Наиболее известной технологией в современном автомобилестроении является фотонное смешивающее устройство (PMD).

Находящийся перед автомобилем объект подвергается модулированному облучению светодиодами в диапазоне, близком к инфра­красному. Для принятого фоточувствительным датчиком сигнала также оценивается время его распространения. Это создает трехмерное изображение окружающей автомобиль обстановки. Если все еще суще­ствующие проблемы можно преодолеть, то технологию PMD следует рассматривать как серьезную альтернативу другим датчикам в коротком и среднем диапазонах дальности.

Источник