《電子技術(shù)應(yīng)用》
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光電鼠標(biāo)技術(shù)在汽車上的應(yīng)用設(shè)計
摘要: 光電鼠標(biāo)是由成像系統(tǒng)IAS,、信號處理系統(tǒng)DSP,、接口系統(tǒng)SPI三大系統(tǒng)組成,。其中IAS系統(tǒng)由光源,、光學(xué)透鏡和光感應(yīng)器件CMOS三部分組成,。鼠標(biāo)工作時通過內(nèi)部的光源(一個發(fā)光二極管),,照亮鼠標(biāo)底部,,底部表面反射一部分光線經(jīng)光學(xué)透鏡傳到CMOS感光芯片上,,CMOS感光芯片是由數(shù)百個光電器件組成的矩陣,,映像就在CMOS上轉(zhuǎn)換為矩陣電信號,,傳輸?shù)叫盘柼幚硐到y(tǒng)DSP,DSP將此影像信號與存儲的上一采樣周期的影像進行比較,,如果某一采樣點在先后兩個影像中的位置有移動,,就發(fā)出縱、橫兩方向位移信號到接口系統(tǒng)SPI,,否則繼續(xù)
Abstract:
Key words :

  光電鼠標(biāo)的原理

  光電鼠標(biāo)集現(xiàn)代高分辨率成像技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)于一體,,是鼠標(biāo)技術(shù)的重大發(fā)明,以其獨特的技術(shù)和價格優(yōu)勢迅速成為計算機的標(biāo)準(zhǔn)配置,。

  光電鼠標(biāo)是由成像系統(tǒng)IAS,、信號處理系統(tǒng)DSP,、接口系統(tǒng)SPI三大系統(tǒng)組成。其中IAS系統(tǒng)由光源,、光學(xué)透鏡和光感應(yīng)器件CMOS三部分組成,。鼠標(biāo)工作時通過內(nèi)部的光源(一個發(fā)光二極管),照亮鼠標(biāo)底部,,底部表面反射一部分光線經(jīng)光學(xué)透鏡傳到CMOS感光芯片上,,CMOS感光芯片是由數(shù)百個光電器件組成的矩陣,映像就在CMOS上轉(zhuǎn)換為矩陣電信號,,傳輸?shù)叫盘柼幚硐到y(tǒng)DSP,,DSP將此影像信號與存儲的上一采樣周期的影像進行比較,如果某一采樣點在先后兩個影像中的位置有移動,,就發(fā)出縱,、橫兩方向位移信號到接口系統(tǒng)SPI,否則繼續(xù)進行下一周期采樣,。接口系統(tǒng)SPI對DSP發(fā)來的信號進行處理輸出,。

  光電鼠標(biāo)有兩個主要技術(shù)參數(shù),一個是分辨率,,單位是dpi(像素/英寸),,比如一個1600dpi的鼠標(biāo)能分辨的最小間距為25.4mm/1600=0.015875mm;另一個是采樣頻率,,即每秒鐘CMOS對采樣面拍攝圖像的幀數(shù)和DSP芯片每秒鐘能處理圖像的幀數(shù),。比如微軟IE4光電鼠標(biāo)采樣頻率為9000幀/秒,可提供1409.7mm/秒的追蹤速度,。

  光電鼠標(biāo)技術(shù)在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的可行性

  光電鼠標(biāo)測量的位移變化,,與真實的物理位移之間存在光學(xué)透鏡造成得實物與成像之間的比例變換。計算機配置的光電鼠標(biāo)的光學(xué)部分是一個高曲光率透鏡,,是近距成像,,使用者在桌面較小的移動,光標(biāo)在計算機屏幕上有較大的反應(yīng),。通過改變光學(xué)透鏡曲光率k,,增大透鏡與實物距離,可以是其追蹤速度成k倍增加,。當(dāng)然,,由于改變鼠標(biāo)近距成像為遠距成像,鼠標(biāo)本身的分辨率也隨之改變,,但這種改變并不影響在汽車上的應(yīng)用,。

  以微軟IE4光電鼠標(biāo)CMOS感光芯片為例,假設(shè)最大車速為200km/h,,則光學(xué)透鏡系數(shù)k=200×1000/3600/1.4097=39.4,,此時分辨率為0.015875×39.4=0.625mm,。由此可以看出,當(dāng)光學(xué)透鏡系數(shù)k=39.4時,,其最大追蹤速度可達200km/h,,分辨率小于1 mm,其測量精度仍然很高,,能滿足車速測量要求,。

  比如在光電鼠標(biāo)底部直接加上相機變焦鏡頭在路面上實驗,設(shè)定一個相同的鼠標(biāo)輸出值,,結(jié)果表明鼠標(biāo)距離路面越遠,,采樣范圍則越大,鼠標(biāo)本身需要移動的距離也越大,;不加鏡頭鼠標(biāo)緊貼路面的移動距離最小,。采取遠距成像時,在光線不足時需要輔助照明,。在本實驗中用普通的手電筒就能滿足要求,。

  光電鼠標(biāo)是近距成像,采樣面很小,,在很小的采樣面內(nèi)有時缺少特征點,,造成對于較均質(zhì)的表面如鏡面等的適應(yīng)性差。汽車行駛的路面相對粗燥得多,,每一點的特征都與其它點有明顯的區(qū)別,,而且由于是遠距成像,采樣面大,,特征點更多,,不存在適應(yīng)性問題,大量的實驗也證明了這一點,。

  光電鼠標(biāo)的圖像處理技術(shù)中沒有機械運動,,全是半導(dǎo)體電路,科技含量高,,重量只有兩三百克,,體積小,把其應(yīng)用到汽車領(lǐng)域十分方便,。因為從圖像采集,、處理到數(shù)據(jù)輸出,,完全由現(xiàn)成的光電鼠標(biāo)技術(shù)實現(xiàn),,只需對其相關(guān)輸出數(shù)據(jù)加以利用即可,開發(fā)應(yīng)用特別簡單,。

  在ABS,、ESP上的應(yīng)用

  汽車防抱死制動系統(tǒng)ABS是在車輪將要抱死時降低制動力,,而當(dāng)車輪不會抱死時增加制動力,反復(fù)動作,,以達到安全制動,。汽車制動過程中,車輪與地面之間有滑移現(xiàn)象,,即滑移率δ=(Vt-Va)/Vt×100%(式中:δ---滑移率,;Vt---汽車車輪線速度;Va---汽車行駛速度,。)

  試驗表明,,為了取得最佳制動效果,滑移率應(yīng)控制在15%~20%范圍內(nèi),。顯而易見,,控制滑移率必須知道車速。由于能精確測量車速的傳感器(如多普勒測速儀)十分昂貴,,大多車輛都只測輪速,,根據(jù)輪速估計車速,把ABS的雙參數(shù)(車速,、輪速)測量簡化成單參數(shù)(輪速)測量,,缺少必要的參數(shù),很大程度上影響了ABS的效果,。

  把光電鼠標(biāo)圖像傳感器技術(shù)應(yīng)用到ABS系統(tǒng)測量車速,,在汽車某一處安裝圖像傳感器,并向下對路面采樣,,同時根據(jù)安裝高度調(diào)整光學(xué)透鏡系數(shù)k,,使其成為遠距成像,再把輸出的位移數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為速度,。

  應(yīng)用到ESP系統(tǒng)上,,需要在車身縱向或橫向直線上兩個位置(如兩個后視鏡支座)分別設(shè)置圖像傳感器,同時測量該兩點縱,、橫兩個方向的加速度變化,,也就是說當(dāng)車身上述兩點在縱方向上的加速度基本一致且橫向無位移時,車身作前行直線運動,;當(dāng)該兩點測量出橫向加速度時,,車身有側(cè)向滑移;當(dāng)兩點的縱向加速度值有差別時,,車身伴隨有橫向旋轉(zhuǎn),,數(shù)值大的一邊在旋轉(zhuǎn)外側(cè),根據(jù)兩點的位移差與車身橫向?qū)挾鹊瓤捎嬎阈D(zhuǎn)角度。

  在倒車后視上的應(yīng)用

  在倒車后視上的應(yīng)用是利用圖像傳感器對車身位置及方向的測量定位方法,。

  現(xiàn)有的倒車后視裝置都是通過車后的攝像頭,,把車后環(huán)境顯示在顯示屏上;有的在顯示屏上同時顯示車身方向及行車軌跡,,以幫助駕駛員判斷車身與外界環(huán)境的位置關(guān)系,。上述裝置的特點是實際車身位置與顯示屏上看到的環(huán)境是隔離的,駕駛員在顯示屏上并不能看到整個車身與環(huán)境的關(guān)系,。

  與上述裝置不同,,利用光電鼠標(biāo)技術(shù)的方法是利用圖像傳感器首先對車身位置及方向進行跟蹤定位,動畫模擬實際車輛的倒車過程,,并與外界環(huán)境照片疊加,。其做法是如前所述在車身上兩個后視鏡支座分別設(shè)置圖像傳感器,根據(jù)開始到車時的車身縱橫方向假設(shè)一個大地坐標(biāo)系,,并設(shè)定其中一個圖像傳感器為坐標(biāo)原點(坐標(biāo)系可根據(jù)計算方法需要任意假設(shè)),。

  開始到車時首先對車后拍照,并計算出此時的照相機坐標(biāo),;同時根據(jù)倒車過程中兩個圖像傳感器點的位移變化量,,計算出車身的坐標(biāo),兩個坐標(biāo)點可以同時確定汽車位置及車身方向,。一個汽車的模型根據(jù)汽車位置坐標(biāo)及車身方向模擬倒車過程,,并與環(huán)境照片疊加。這樣,,實際汽車在地面運動,,車身模型在照片上隨之運動,在顯示屏上看到的是一張環(huán)境照片中有一個運動的車身模型,,駕駛員仿佛置身車外,,俯視整個車身四周環(huán)境,倒車過程一目了然,。倒車中照相機不斷拍照,,當(dāng)車輛運動到當(dāng)前照片邊緣時,根據(jù)車輛位置坐標(biāo)調(diào)用對應(yīng)照片,。需要說明的是,,在車身模型與照片的疊加中,模擬汽車運動的車身模型應(yīng)當(dāng)是三維,,而且追蹤模型的虛擬攝像機與車后拍照的實際照相機的角度,、高度、鏡頭參數(shù)等等要一致,,以使車模與環(huán)境相融,,模擬出的整個過程才可能準(zhǔn)確,、逼真。同時,,盡可能壓低車模高度,以免遮擋車后環(huán)境,。

  總結(jié)

  作為光電鼠標(biāo)的核心技術(shù)--圖像處理的發(fā)展還在繼續(xù),。據(jù)報道,深圳一家公司已研發(fā)成功第三代光電鼠標(biāo),,最大移動速度提高了一個數(shù)量級,,分辨率可達十萬dpi。圖像傳感器體積小,,價格低,,測量精度高,在汽車上應(yīng)用的空間很大,。本文僅簡單介紹了圖像傳感器在測速,、定位方面的應(yīng)用實例,更多的應(yīng)用技術(shù)可以登錄國家知識產(chǎn)權(quán)局網(wǎng)站,,查閱相關(guān)圖像測量法專利文獻,。

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