基于光學(xué)鼠標(biāo)傳感器的轉(zhuǎn)速測量方法研究_圖文

1、年第卷第期傳感器與微系統(tǒng)（）基于光學(xué)鼠標(biāo)傳感器的轉(zhuǎn)速測量方法研究水劉冬冬，姜煒，張?zhí)旌辏暇┖娇蘸教齑髮W(xué)能源與動力學(xué)院。江蘇南京）摘要：提出了一種基于光學(xué)鼠標(biāo)傳感器的轉(zhuǎn)速測量方法。分析了轉(zhuǎn)速測量原理，解決了光學(xué)鼠標(biāo)傳感器的軟件初始化和鏡頭對焦等關(guān)鍵問題，設(shè)計(jì)了基于光學(xué)鼠標(biāo)傳感器的轉(zhuǎn)速測量試驗(yàn)系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：這種方法能準(zhǔn)確判別轉(zhuǎn)向，對于本試驗(yàn)系統(tǒng)，在范圍內(nèi)具有良好的線性度和快速響應(yīng)性。該方法適用于低速轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)速測量與轉(zhuǎn)向判別。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)速測量；轉(zhuǎn)向判別；光學(xué)鼠標(biāo)傳感器；相機(jī)中圈分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：文章編號：（）術(shù)，（，）：，：；引育轉(zhuǎn)速測量是機(jī)電產(chǎn)品的研究開發(fā)、測試分析、質(zhì)量檢驗(yàn)、安全及

2、優(yōu)化控制等工作中所必不可少的內(nèi)容。目前，對轉(zhuǎn)子速度的測量方法主要有機(jī)械式測量、基于電感式傳感器、電渦流傳感器及光電傳感器測量等幾種。這些傳統(tǒng)的測量方法通常只能測量轉(zhuǎn)速大小，如要進(jìn)行方向判別會使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜；且存在較大的測速閾值，在轉(zhuǎn)速比較高時(shí)測速效果較好，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)誤差就逐漸增大、實(shí)時(shí)性變差，甚至無法測速舊。在現(xiàn)代運(yùn)動測量中，基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的轉(zhuǎn)速測量裝置得到了廣泛的應(yīng)用“。這些裝置彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測量裝置的缺點(diǎn)，但設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂，難以作為一般的轉(zhuǎn)速測量設(shè)備推廣使用。 針對以上問題，本文提出了一種基于光學(xué)鼠標(biāo)傳感器的轉(zhuǎn)速測量方法。分析了轉(zhuǎn)速測量原理，重點(diǎn)研究了光學(xué)鼠標(biāo)傳感器的軟件初始化、鏡

3、頭對焦及轉(zhuǎn)速收稿日期：一基金項(xiàng)目：總裝預(yù)研基金資助項(xiàng)目計(jì)算等關(guān)鍵問題，并對這種方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證?；诠鈱W(xué)鼠標(biāo)傳感器的轉(zhuǎn)速測量原理光學(xué)鼠標(biāo)傳感器光學(xué)鼠標(biāo)傳感器是一種高度集成的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)，其內(nèi)部集成了相機(jī)和微處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)在二維平面的定位。定位原理如圖所示，相機(jī)伴隨著鼠標(biāo)移動對探測表面連續(xù)拍照，處理器提取每張照片里的特征像素，通過比較相鄰張照片里同一個(gè)特征像素的位置變化，就可以計(jì)算得到鼠標(biāo)在這張照片拍攝時(shí)間間隔內(nèi)的位移增量。圈光學(xué)鼠標(biāo)傳感器定位原理傳感器與微系統(tǒng)第卷轉(zhuǎn)速測量原理光學(xué)鼠標(biāo)傳感器輸出的定位信息反映了鼠標(biāo)在一段時(shí)間內(nèi)位移的大小和方向，若知道運(yùn)動時(shí)間就可以根據(jù)定位信息計(jì)算出鼠標(biāo)在

4、這段時(shí)間內(nèi)的平均速度?；谶@種思想，本文提出采用光學(xué)鼠標(biāo)傳感器探測轉(zhuǎn)軸表面切向速度的大小和方向，從而進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算和轉(zhuǎn)向判別。轉(zhuǎn)速測量原理如圖所示，系統(tǒng)上電與初始化完成后開始工作，半導(dǎo)體激光器照亮轉(zhuǎn)軸測量段表面，光學(xué)鼠標(biāo)傳感器探測轉(zhuǎn)軸照亮部分，單片機(jī)模塊定時(shí)讀取傳感器輸出的定位信息，并計(jì)算、判別得到轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。一圖轉(zhuǎn)速測量原理示意圖表為光學(xué)鼠標(biāo)傳感器輸出的定位信息的數(shù)據(jù)格式，表示相對上一次定位信息輸出時(shí)刻鼠標(biāo)的位移增量，其輸出值在一之間。數(shù)值的正負(fù)表示了位移增量的方向，所以，由定位信息可以輕易、準(zhǔn)確地判別當(dāng)前轉(zhuǎn)向。但要得到真實(shí)的轉(zhuǎn)速，就是要準(zhǔn)確地測量轉(zhuǎn)軸表面的切向速度，用切向速度除以轉(zhuǎn)軸的橫截面

5、周長就可以得到轉(zhuǎn)速大小。在用作轉(zhuǎn)速測量時(shí)，根據(jù)光學(xué)鼠標(biāo)傳感器安裝方向，只需要，中一個(gè)方向的數(shù)據(jù)就可以計(jì)算轉(zhuǎn)速。由于光學(xué)鼠標(biāo)傳感器內(nèi)部的相機(jī)的分辨率有限，它的每一次位移測量都存在取整誤差，實(shí)際測量時(shí)安裝誤差、對焦誤差，振動等因素也會影響傳感器的測量精度。因此，需要對傳感器輸出的定位信息進(jìn)行處理，以得到可信度較高的位移增量，進(jìn)而計(jì)算轉(zhuǎn)軸表面的切向速度和轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速。本文采用平均值法對多組定位信息進(jìn)行濾波，給出轉(zhuǎn)速的計(jì)算方法，采用方向的位移增量計(jì)算轉(zhuǎn)速。表光學(xué)鼠標(biāo)傳感器的輸出數(shù)據(jù)格式工比設(shè)轉(zhuǎn)軸測量段直徑為（），測量段表面的切向速度乃”。（），轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為。（），成像倍率（像高：物高）。為，。，相機(jī)的分辨率

6、為（），這里，分辨率的物理意義指在成像倍率為時(shí)方向發(fā)生位移傳感器輸出的位移增量，每個(gè)定時(shí)間隔內(nèi)傳感器方向輸出的位移增量為。，定時(shí)間隔為（），每次轉(zhuǎn)速計(jì)算讀取組數(shù)據(jù)，則次位移增量的平均值為百。；（）測量段表面的切向速度為曠籌（）（）所以，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為。，而。（）（）由公式（）式（）可以看出：在一定的測量系統(tǒng)中。，都為確定值，轉(zhuǎn)速僅取決于光學(xué)鼠標(biāo)傳感器在單位時(shí)間輸出的位移增量。，而該傳感器在設(shè)計(jì)速度范圍內(nèi)是線性的。所以，理論上基于光學(xué)鼠標(biāo)傳感器的轉(zhuǎn)速測量方法是線性的。試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了驗(yàn)證這種轉(zhuǎn)速測量方法的可行性，設(shè)計(jì)了基于光學(xué)鼠標(biāo)傳感器的轉(zhuǎn)速測量試驗(yàn)系統(tǒng)。如圖所示，試驗(yàn)系統(tǒng)由光學(xué)鼠標(biāo)傳感器、測速平臺

7、、半導(dǎo)體激光器、鏡頭及單片機(jī)模塊組成。其中，單片機(jī)模塊以普通位單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)光學(xué)鼠標(biāo)傳感器的軟件初始化、圖像獲取、定位信息讀取、轉(zhuǎn)速計(jì)算、轉(zhuǎn)向判別、顯示及通信等功能。本試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于光學(xué)通道設(shè)計(jì)和光學(xué)鼠標(biāo)傳感器的軟件初始化。光學(xué)通道設(shè)計(jì)如圖所示，測速平臺為可以正反轉(zhuǎn)的電機(jī)帶動的一根旋轉(zhuǎn)軸，在該轉(zhuǎn)軸末端延伸一段直徑為的測量段。對測量段表面做紋理化處理，這有利于提高光學(xué)鼠標(biāo)傳感器的探測靈敏度。由于傳感器內(nèi)部的相機(jī)只對波長在附近的光敏感，所以，采用自帶光束調(diào)制透鏡、發(fā)射波長為的半導(dǎo)體激光器作為光源。通過透鏡調(diào)制激光投射到測量段表面的光斑大小，保證在此光斑范圍內(nèi)光照強(qiáng)度盡量一致，這

8、有利于傳感器的可靠工作。光學(xué)鼠標(biāo)傳感器的軟件初始化圖為軟件初始化流程圖。首先，必須按規(guī)定時(shí)序下載一段字節(jié)的固件代碼到傳感器內(nèi)部的中；然后，讀取固件的校驗(yàn)結(jié)果，若正確，則可以進(jìn)行后續(xù)操作，否則，必須重新下載，直到讀到正確的校驗(yàn)結(jié)果。最后，對傳感器的幀速率、工作模式等寄存器進(jìn)行配置。初始化完成后，單片機(jī)每次必須連續(xù)訪問，這個(gè)寄存器，才可以獲得有效的定位信息。第期劉冬冬，等：基于光學(xué)鼠標(biāo)傳感器的轉(zhuǎn)速測量方法研究圖光學(xué)鼠標(biāo)傳感器軟件初始化流程圖還提供了圖像獲取功能，通過特殊的寄存器操作可以獲得傳感器內(nèi)部相機(jī)拍攝的照片，這個(gè)功能在試驗(yàn)時(shí)可以用來對焦、計(jì)算成像倍率。試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析試驗(yàn)方法按照圖搭建好試

9、驗(yàn)系統(tǒng)，取轉(zhuǎn)軸測量段直徑，使用光電式轉(zhuǎn)速表標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果。在轉(zhuǎn)軸靜止時(shí)，用單片機(jī)讀取相機(jī)拍攝到的照片的像素信息并通過串口上傳到計(jì)算機(jī)，在環(huán)境下利用這些像素信息復(fù)現(xiàn)相機(jī)拍攝到的照片。然后，不斷調(diào)節(jié)物距、像距直到得到較清晰的照片。對焦后根據(jù)測量段表面的實(shí)際紋理寬度，相機(jī)的有效感光面積和紋理在照片里面的比例可以計(jì)算得到當(dāng)前的成像倍率為曠糕甓糕器擎等乩”物高實(shí)際紋理寬度一”測速精度試驗(yàn)結(jié)果表明：本方法對轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)向的判別非常準(zhǔn)確。由于試驗(yàn)用電機(jī)的最低轉(zhuǎn)速只能達(dá)到左右，并不能充分體現(xiàn)本方法測量低轉(zhuǎn)速的優(yōu)勢，但由表可以看出：轉(zhuǎn)速越低，測速精度越高。為了進(jìn)一步提高測速精度，采用最小二乘法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合。根據(jù)

10、試驗(yàn)結(jié)果將擬合級數(shù)設(shè)置為，得到的擬合公式為（）表中，為標(biāo)定用光電轉(zhuǎn)速表的測量值，。，表示擬合前的測量值。為擬合前。相對，的示值誤差，。為擬合后的測量值，。為擬合后。相對，的示值誤差?？梢钥闯觯簲M合后在較高轉(zhuǎn)速時(shí)，測速精度有明顯提高，但在較低轉(zhuǎn)速時(shí)效果不明顯。表試驗(yàn)結(jié)果序號。（）（）測速范圍由光學(xué)鼠標(biāo)傳感器的工作原理可以推知，只要轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動，不論轉(zhuǎn)速多小，傳感器都能探測到轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動，因此，可以認(rèn)為這種方法能測量的最小轉(zhuǎn)速。（）（）由式（）一式（）可以得到本方法能測量的最大轉(zhuǎn)速。警（）（）公式（）中”是當(dāng)成像倍率為時(shí)光學(xué)鼠標(biāo)傳感器所能測量的最大線速度，可以看出：為了增大測速范圍可以減小成像倍率。

11、和轉(zhuǎn)軸測量段的直徑。在本試驗(yàn)系統(tǒng)中，口。，代人公式（）得。（）。響應(yīng)速度根據(jù)本方法的測速原理可以推知，只要光學(xué)鼠標(biāo)傳感器在相鄰幀的時(shí)間間隔內(nèi)探測到了移動就可以計(jì)算一次轉(zhuǎn)速，而光學(xué)鼠標(biāo)傳感器的幀速率一般在幀以上，再考慮到數(shù)據(jù)傳輸延遲和轉(zhuǎn)速計(jì)算耗時(shí)，本方法的理論響應(yīng)時(shí)間在毫秒級。但當(dāng)轉(zhuǎn)速太低以至于傳感器在相鄰幀的時(shí)間間隔內(nèi)探測不到移動的時(shí)候，響應(yīng)速度取決于轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速越慢響應(yīng)時(shí)間越長。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高測速精度，相鄰次定位信息的讀取必須相隔一定的時(shí)間間隔，并讀取組定位信息后，才能計(jì)算一次轉(zhuǎn)速。在本試驗(yàn)系統(tǒng)中，時(shí)間間隔，所以，響應(yīng)約為。結(jié)論本文提出了一種基于光學(xué)鼠標(biāo)傳感器的轉(zhuǎn)速測量方法，分析了轉(zhuǎn)速

12、測量原理，解決了光學(xué)鼠標(biāo)傳感器的軟件初始化、鏡頭對焦及轉(zhuǎn)速計(jì)算等關(guān)鍵問題，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速測量試驗(yàn)系統(tǒng)。試驗(yàn)表明：這種方法能準(zhǔn)確地判別旋轉(zhuǎn)方向，在以下時(shí)具有良好的線性度和快速響應(yīng)性。這種轉(zhuǎn)速測量方法適用于低速轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)速測量和轉(zhuǎn)向判別。此外，這種方法也可以用于微型機(jī)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測量。（下轉(zhuǎn)第頁）傳感器與微系統(tǒng)第卷革一要一簧一鬻。蛋頻率圖相位噪聲的功率譜密度將咖（）。，。，代入式（），可以求出環(huán)形振蕩器輸出電壓的時(shí)域采樣（），。利用功率譜估計(jì)法，可以估計(jì)出輸出電壓的功率譜密度，如圖所示。要一囂一鬻。唇頻率圖輸出電壓的功率譜密度從圖和圖可知，利用譜綜合法求出的相位噪聲的時(shí)域采樣數(shù)據(jù)，能夠有效逼近理論上

13、的功率譜密度。而且，（）一。（。，仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果比較吻合。結(jié)論由以上分析可知，利用譜綜合法得到的相位噪聲的時(shí)域采樣序列，其功率譜能有效逼近環(huán)形振蕩器線性化模型的奇異功率譜。根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了環(huán)形振蕩器輸出電壓信號的理論通帶譜和相位噪聲信號基帶譜的近似關(guān)系。通過分析相位噪聲時(shí)域采樣序列的自相關(guān)序列，可知相位噪聲是一個(gè)非平穩(wěn)信號，并有長期的相關(guān)性，因此，可以將相位噪聲看作是一個(gè)長記憶過程。利用譜綜合法得到的相位噪聲的時(shí)域采樣信號，可以作為一個(gè)相位噪聲源，用于分析電荷泵鎖相環(huán)的離散模型的噪聲；也可以作為數(shù)字通信仿真中的信道噪聲源，用于分析信道相位噪聲對調(diào)制方式的誤碼率影響。參考文獻(xiàn)：，

14、（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，：，：，：，：作者簡介：譚曉昀（一），男，黑龍江哈爾濱人，教授，主要研究方向?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)。字，。擴(kuò)；、擴(kuò)擴(kuò)、。、，擴(kuò)擴(kuò)礦，乜；妒、尹、屯擴(kuò)。、它。、；、（上接第頁），參考文獻(xiàn)：錢建強(qiáng)，徐平四象限光電探測器用于轉(zhuǎn)速測量的研究，（）：光電工程，（）：，劉海鷗，陳慧巖，余春暉車輛起步車速測量技術(shù)的研究傳感器與微系統(tǒng)，（）：，（）：王凡，孫文豐，李曉青提高光電型紅外轉(zhuǎn)速傳感器測量準(zhǔn)確度的方法傳感器與微系統(tǒng)，（）：作者簡介：姜益軍，董海風(fēng)，何小元微電子機(jī)械系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速測量的光學(xué)劉冬冬（一），男，陜西西安人，博士研究生，主要從事航空方法實(shí)驗(yàn)力學(xué)，（）：發(fā)動機(jī)測

15、試與控制研究。 基于光學(xué)鼠標(biāo)傳感器的轉(zhuǎn)速測量方法研究作者：劉冬冬， 姜煒， 張?zhí)旌辏?LIU Dong-dong， JIANG Wei， ZHANG Tian-hong作者單位：南京航空航天大學(xué),能源與動力學(xué)院,江蘇,南京,210016刊名：傳感器與微系統(tǒng)英文刊名：TRANSDUCER AND MICROSYSTEM TECHNOLOGIES年，卷(期：2008,27(9被引用次數(shù)：2次參考文獻(xiàn)(6條1. Chou Chien;Kuo Wenchuan;Hsieh Tungsheng A phase sensitive optical rotation measurement in ascattered chiral medium using a Zeeman laser外文期刊 2004(2302. Wang Shigang;Li Qian;Guan Baiqing A computer vision method for measuring angular velocity外文期刊 2007(453. 姜益軍;董海鳳;何小元 微電子機(jī)械系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速測量的光學(xué)方法期刊論文-實(shí)驗(yàn)力學(xué) 20