基於動態視覺傳感器晶片的光電式轉速傳感器及探測方法與流程

2023-05-29 09:27:06

本發明屬於光電領域，特別涉及一種基於仿生視覺、圖像處理以及電路設計等多技術的光電式轉速傳感器。

背景技術：

轉速傳感器將物體的轉速轉換為數字或模擬電信號輸出。按照工作原理，轉速傳感器可以分為磁敏式、變磁阻式、磁電式、電容式以及光電式等，利用旋轉引起的磁場、電場或光照的變化來達到轉速測量的目的。廣泛使用的光電式轉速傳感器是基於光電變換原理，將被測物體轉動產生的光信號轉換為電脈衝信號。由於具有非接觸、抗幹擾能力強、可靠性和測量精度較高等優點，因此光電測速傳感器獲得了較為廣泛的應用。為了提高聚焦度和抗幹擾能力，通常需要使用雷射或紅外光作為光源。

光電式轉速傳感器可分為直射式和反射式兩種。直射式轉速傳感器由帶孔或帶缺口的特製圓盤、光源和光電管組成，通常用於旋轉軸轉速測量。固定在旋轉軸上的圓盤隨被測軸旋轉時，光線只能通過孔或缺口照射到光電管上。光電管被照射時輸出周期脈衝信號，因此根據圓盤上的孔數或缺口數(單位時間的脈衝個數)，即可測出被測軸的轉速。該方法的主要缺點是需使用特製測試圓盤與旋轉軸固定，過程複雜，使用場合受限。

反射式的原理與直射式類似，但應用更加簡便，可普遍用於旋轉軸以及旋轉平面的測量。測試時需在旋轉目標上粘貼或刷塗反光標識，當反光標識被入射光照射時會產生反射光，目標物旋轉一周產生一次反射光束。反射光由光電感應器件接收後產生周期脈衝信號，脈衝信號的頻率即為轉速。該方法的主要缺點一是容易受環境光源及噪聲的幹擾而影響測試精度，突出需要使用特殊光源，如雷射和遠紅外光源。二是通常使用普通的光電二極體作為光電感應器件，解析度低，測試精度不高。

如附圖1所示給出了直射式和反射式兩種光電式轉速傳感器的工作原理。

半導體矽基圖像傳感器(ccd及cmos)是目前最主要的可見光成像(光電感應)器件。其工作原理與最初的碘化銀膠片一樣，都採用「幀採樣」方式完成光強測量：所有像素同步復位後開始收集光電荷，在達到設定曝光時間後讀出每個像素所收集的光電荷，並將其轉換為電壓；該電壓經模數轉換後變為數字量，輸出後存儲。所有像素亮度值組成的二維矩陣即為圖像。通常工作幀頻為30～60幀/秒，即電荷收集時間為幾十微秒，最終每個像素的輸出值是曝光期間感光量的總和，而與此過程中的具體變化無關。「幀採樣」圖像採集方式的最主要優點一是能夠獲取場景中每一點的光強值(彩色通常由單色插補得到)，二是像素只被動的進行光電荷收集，電路結構簡單，像素尺寸小，空間解析度高。然而這種採樣方式同樣存在著一些缺點：一是靜止背景重複採樣，數據冗餘度高，給實時圖像處理和傳輸存儲帶來很大壓力；二是時間解析度低，像素無法分辨電荷收集時間內光強內的任何變化，而只測量此期間內的光電荷累積總和，故不利於高速運動目標的跟蹤與識別。而如果使用高頻幀拍攝，則由高幀頻帶來的海量視覺信號無法做到實時處理。

近年來出現了一種模仿生物視覺感知與處理原理、採樣超大規模集成電路技術實現的新型光電感知器件—動態視覺傳感器(dvs-dynamicvisualsensor)。其工作原理包括：

(1)、模仿生物視覺的成像機理，vs像素只對場景中的光強變化(稱之為activeevent，ae)敏感並採樣輸出。ae按照性質可分為空間變化(與周邊像素比較)和時間變化(自身亮度變化)兩類。其中對時間變化敏感的vs稱為動態時域視覺傳感器(dynamicvisionsensor，dvs)；

(2)、dvs像素獨立檢測所感受的光強變化--每個像素周期測量單位時間內的光生電流變化量。當光電流變化量超過設定的閾值時發出一個ae。像素產生的ae通過串行總線異步輸出，像素間互不關聯；

(3)、ae輸出採用「地址事件表示(address-event-representation，aer)」的方法，即ae＝(x,y,p),其中(x,y)為像素在像素陣列中的行列地址，p表示變化的屬性(例如光強增加為「1」，減小為「0」)；與dvs接口的後端系統賦予每個ae一個時間戳t，指出ae的輸出時間，即ae＝(x,y,p,t)。

dvs時間採樣工作方式的優點包括：(1)數據量小，極低數據冗餘，數據量通常為「整幀採樣」方式的5～10％；(2)時間解析度高，亮度變化可以被實時感知並輸出，微秒級的時間精度相當於幾千～幾萬幀的拍攝速度；(3)寬動態範圍，由於只是檢測亮度變化而非其累計值，因此量程寬，通常動態範圍大於100db。

附圖2給出了「幀採樣」圖像傳感器與時域視覺傳感器的拍攝效果比較，由圖2可見，幀圖像(a)對運動目標和不變背景全部進行採樣、傳輸和記錄；(b)為dvs串行輸出事件在10ms內的累積顯示，其中只有運動目標產生事件，數據量減少，實時性提高；同時可以觀察到正、負事件的分布情況。圖中白點表示光強增加，黑點表示光強減小，背景設置為灰色。

綜上所述，dvs為高精度、可攜式低功耗的轉速傳感器設計提供了一種新的實現方法。

技術實現要素：

本發明要解決的問題是充分利用dvs變化採樣、高時間解析度的特點，實現一種使用動態視覺傳感器dvs的光電式轉速傳感器設計及其探測方法，通過比對反光標識的事件流(空間&時間)的形狀特徵模式來排除幹擾光和噪聲的幹擾，達到提高測試準確度的目的。

為了達到上述目的，本發明採取的技術方案為：一種基於動態視覺傳感器晶片的光電式轉速傳感器，使用dvs傳感器作為光電感應器件。

進一步的，包括：

反光標識,用於附著於旋轉物體表面，隨旋轉物體進行圓周運動；

可控光源，用於當周圍環境光線較暗時，發射良好聚焦度和亮度可調的可見光光束，照射旋轉物體的固定位置，使得附著於旋轉物體的反光標識經過dvs視場時產生顯著的光強變化；

線陣dvs，用於感應旋轉物體表面發生的光強變化並輸出ae事件流

控制處理單元，用於讀取及存儲dvs的輸出ae事件流，並對其進行分析處理，計算轉速輸出/顯示；

所述可控光源和線陣dvs分別信號連接所述控制處理單元。

更進一步的，所述控制處理單元包括：

接口模塊：用於同步啟動/停止光源和dvs，讀取串行輸出的dvs事件流，對每個dvs事件增加時間標記，並在mcu控制下存入dram；

微控制器mcu：是控制處理電路的核心，根據flash中的程序控制整個系統的工作流程，發出其他各模塊工作所需的各種控制信號；對dvs事件流進行計算，實現距離計算；

存儲器：用於保存系統執行程序和預設特徵數據，在mcu控制下存取dvs事件流；

輸入輸出接口：用於輸入系統控制信號，輸出距離測試結果和狀態信號；

flash模塊：用於提供編程接口；

所述微控制器mcu連接並控制所述接口模塊、存儲器、輸入輸出接口、flash模塊。

本發明還提供了使用上述光電式轉速傳感器的探測方法，使用dvs對粘貼於旋轉物體表面上對應位置的反光標識進行檢測，並由處理電路進行信號處理和轉速計算。

進一步的，具體步驟為：

(1)反光標識固定於旋轉表面或旋轉軸，使用垂直於反光標識轉動線速度方向的線陣dvs進行轉速檢測；

(2)轉速達到穩定，配合使用可控光源，使dvs視場線具有良好的照明對比度；

(3)探測反光標識；若探測成功，保存反光標識中心經過的時間點作為返回值tc；

(4)若已保存的tc大於等於3個，取最近過去3個tc的平均差值作為旋轉周期δt：

δt＝(tc3-tc1)/2(1)；

(5)計算轉速f(hz)並輸出：

f＝1/δt(2)；

(6)返回步驟(2)或結束。

進一步的，步驟(3)所述探測反光標識的具體方法為：

(31)採用環形方式存儲dvs事件流，並連續監控dvs單位時間內的事件量，若高於閾值nt，則開始存儲事件，直至事件量小於nt；將此時段作為可能出現反光標識的時間段；此時段長度為t，中點時間為tc；

(32)提取時間段(tc，t)內的事件流形狀特徵；

(33)進行事件流形狀特徵識別；

(34)如果比對成功，記錄tc為一次穿越時間點；返回(301)。

更進一步的，步驟(32)所述事件流形狀特徵提取的具體方法為：

(321)提取步驟(31)產生的以tc為中心，寬度為t的時段內的「正」或「負」事件流作為分析對象，若旋轉物體表面亮度大於反光標識，取「負」事件，否則取「正」事件；得到的事件流是按產生時間排序的事件隊列，按每個事件的地址進一步分為在dvs視場線上半部和下半部的兩個隊列；

(322)將t等分為9等分，統計上下兩個事件隊列在每個時段內的事件數量及地址坐標平均值：

nt、nd表示上下兩個事件隊列在9個時段內的事件數量；at、ad表示9個時段內上下兩個隊列的事件地址平均值；

(323)定義dm為某一時段內事件平均地址到dvs中線的距離(以下稱中線距離)：dmt＝{|at1-am|,|at2-am|,......,|at9-am|}(4)

dmd＝{|ad1-am|,|ad2-am|,......,|ad9-am|}(5)

上式中am為線陣中點的坐標值；

(324)定義dtd為某一時段內上下兩個事件隊列的平均距離：

dtd＝{|dt1-dd1|,|dt2-dd2|,......,|dt10-dd9|}/2(6)

(325)定義nd為上下兩個事件隊列在同一時段的事件數量差：

nd＝{|nt1-nd1|,|nt2-nd2|,......,|nt10-nd9|}(7)

更進一步的，步驟(33)所述事件流形狀特徵識別的具體方法為：

(331)各個時段內上下事件數量差小於總事件量的設定比例：

上式中threshold1為數量差設定閾值；

(332)各時段內中線距離近似相等：

上式中threshold2為直線距離差設定閾值；

(333)中線距離線性比例

|dmt3-dmt7|≤threshold3×dmt3&&|dmd3-dmd7|≤threshold3×dmd3(10)

上式用於驗證(3,7)兩段關於時間中點的對稱性，threshold3為對稱性閾值；

上式用於驗證邊緣直線性，threshold4為左右對稱性閾值。

本發明提出的一種基於動態視覺傳感器晶片的光電式轉速傳感器及探測方法，與現有技術相比，有益效果為：

(1)本發明使用新型的動態視覺傳感器--dvs作為光電接收器件，利用dvs變化驅動、異步輸出和高時間解析度的特點強度，使用線陣dvs對旋轉的反光標識進行特徵分析識別，以此排除幹擾光源和噪聲的幹擾，提高測量準確性；同時可以直接使用普通光源，降低系統成本。

(2)dvs變化採樣的特性可以顯著減少採樣數據量和計算量，降低功耗，適合於可攜式設備的應用。

附圖說明

圖1(a)是直射式光電式轉速測量方法的原理示意圖；

圖1(b)是反射式光電式轉速測量方法的原理示意圖；

圖2是「整幀採樣」圖像傳感器與時域視覺傳感器的拍攝效果比較；

圖3是本發明系統結構框圖；

圖4(a)是本發明的旋轉平面測速原理圖；

圖4(b)是本發明的旋轉軸測速原理圖；

圖5是光源、反光標識及dvs視場的幾何關係示意圖；

圖6是使用線陣dvs進行反光標識形狀檢測的原理圖；

圖7是正方形識別的示意說明圖；

圖8是整體測試流程圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明做進一步說明。

本發明公開了一種使用動態視覺傳感器(dynamicvisionsensor，dvs)的反射式光電轉速傳感器設計原理及方法。

本發明提出的反射式光電轉速傳感器如圖3所示，包括光源、dvs傳感器、控制/處理電路，此外還包括粘貼於旋轉物體表面的固定形狀反光標識。測量時由dvs探測此照射區域內出現的反光標識，經過處理電路計算得到轉速。

本發明利用新型的半導體光電轉換器件—dvs進行光電感應，利用dvs具有的變化採樣、地址事件表示等特點。與現有使用普通光電探測轉換器件的轉速傳感器相比，優點在於使用dvs事件流的空間/時間特徵來排除噪聲及幹擾光源的幹擾，具有抗幹擾能力強、高精度的優點。從而提高測量的準確性，同時對於光源無特殊要求。

本發明的特點是利用dvs變化採樣、高時間解析度的特點，通過比對反光標識的事件流(空間&時間)的形狀特徵模式來排除幹擾光和噪聲的幹擾，達到提高測試準確度的目的。

一、整體構成

如圖3和圖4所示，使用dvs作為光電探測—轉換器的轉速傳感器包括以下幾部分：

1、當背景光源能夠使旋轉物體表面和反光標識具有良好區分度時並不需要使用系統光源。而當周圍環境光線較暗時，則需要使用光源發射良好聚焦度和亮度可調的可見光光束，照射旋轉物體的固定位置，使得附著於旋轉物體的反光標識經過dvs視場時產生顯著的光強變化。對光源的要求：

(1)、聚焦度。為了提高探測的準確性，需要保證光源在適用探測範圍內具有良好的聚焦度，光斑尺寸大於反光標識的尺寸；

(2)、光強。為了使dvs接收到足夠數量的ae來完成計算和時序比對，在預設工作的環境(距離)下，當目標位於最大適用距離時，dvs感受的反射光強度應大於dvs光電靈敏度。

2、線陣dvs感應旋轉物體表面發生的光強變化並輸出ae事件流。本發明中使用垂直於反光標識轉動線速度方向的一列像素進行轉速檢測，可使用面陣dvs(取一列)及線陣dvs。dvs應具有足夠高的(列)空間解析度和時間解析度(微秒級)，其視場寬度應大於反光標識的最大寬度。如附圖5所示。以下使用「視場線」來表示該列像素在旋轉物體表面的視場。

3、控制&處理模塊。該模塊讀取及存儲dvs的輸出ae流，並對其進行分析處理，計算轉速輸出/顯示。具體實現由dsp/嵌入式處理器、ram、flash等器件構成。

4、反光標識附著於旋轉物體表面，隨旋轉物體進行圓周運動。反光標識應具有預定義的規則形狀，表面平滑，顏色一致。除大小滿足前述要求外，反光標示應與旋轉物體表面具有較大的區分度，在最遠工作距離時反光標示應具有足夠的光學辨識度。

對形狀的特徵分析比對是本發明的核心內容之一。為了論述的清晰，以下說明以正方形反光標識為例，且正方形對角線垂直於反光標識的線速度方向。

二、整體測試流程

圖8給出了整體測試流程圖。

1、系統初始化；反光標識固定於旋轉表面或旋轉軸；dvs列像素垂直於拍攝點處的線速度方向。轉速已達穩定；

2、配合使用光源，dvs視場線具有良好的照明對比度；

3、使用算法1探測反光標識；若探測成功，保存返回值tc(反光標識中心經過的時間點)；

4、若已保存的tc大於等於3個，取最近過去3個tc的平均差值作為旋轉周期δt：

δt＝(tc3-tc1)/2(1)

5、計算轉速f(hz)並輸出：

f＝1/δt(2)

6、返回(2)或結束。

三、探測反光標識

3.1探測原理

dvs的輸出事件表明視場內的光強發生變化。在旋轉物體表面平滑一致的情況下，dvs無事件輸出。當視場內出現運動的反光標識、表麵條紋以及其他光源和噪聲幹擾時，dvs將會產生輸出事件。圖6給出反光標識的原理。線陣dvs連續監視視場線的光強變化情況，當反光標識未進入dvs視場線時，dvs無事件輸出(除少量噪聲)；在反光標識穿越dvs視場線的過程時會持續引發事件，且事件產生的位置就是反光標識邊緣與dvs視場線的交點。由於圖5示例中反光標識邊緣的對稱性，因此會產生關於中點位置對稱的兩組規律性事件，且同一時間段內上下兩組事件的對應位置差隨反光標識的前進而規律變化(視場線在反光標識上的投影)。每次反光標識經過dvs視場線時，均會產生這樣一個規律性的變化，因此可以作為特徵來進行識別。而如果是其他原因產生的事件流，則其事件流的空間—事件流變化規律不符合以上特點。

3.2探測方法

算法1：

i.採用環形方式存儲dvs事件流，並連續監控dvs單位時間內(500us)的事件量，若高於閾值nt，則開始存儲事件，直至事件量小於nt；將此時段作為可能出現反光標識的時間段；此時段長度為t，中點時間為tc；

ii.使用算法2提取時間段(tc，t)內的事件流形狀特徵，使用算法3進行特徵識別；

iii.如果比對成功，記錄tc為一次穿越時間點；返回(1)。

四、形狀特徵提取與識別

具有規則形狀的反光標識在穿越dvs視場線時，事件地址隨時間有規律地變化，本發明使用這種規律作為特徵進行提取和識別。參照圖5，以旋轉90度正方形反光標識為例說明事件流形狀特徵的提取與識別。

4.1事件流形狀特徵提取

算法2：

i.提取算法1產生的以tc為中心，寬度為t的時段內的「正」或「負」事件流作為分析對象(若旋轉物體表面亮度大於反光標識，取「負」事件，否則取「正」事件)；得到的事件流是按產生時間排序的事件隊列，按每個事件的地址進一步分為在dvs視場線上半部和下半部的兩個隊列；

ii.將t等分為9等分，統計上下兩個事件隊列在每個時段內的事件數量及地址坐標平均值：

nt、nd表示上下兩個事件隊列在9個時段內的事件數量；at、ad表示9個時段內上下兩個隊列的事件地址平均值。

定義dm為某一時段內事件平均地址到dvs中線的距離(以下稱中線距離)：

dmt＝{|at1-am|,|at2-am|,......,|at9-am|}(4)

dmd＝{|ad1-am|,|ad2-am|,......,|ad9-am|}(5)

上式中am為線陣中點的坐標值。

定義dtd為某一時段內上下兩個事件隊列的平均距離：

dtd＝{|dt1-dd1|,|dt2-dd2|,......,|dt10-dd9|}/2(6)

定義nd為上下兩個事件隊列在同一時段的事件數量差：

nd＝{|nt1-nd1|,|nt2-nd2|,......,|nt10-nd9|}(7)4.2事件流形狀特徵識別

根據算法2得到的各項統計數據進行形狀識別。對於轉轉90度的正方形，其特徵滿足如下規律：

1、上下兩個事件隊列在同一時段的事件數量差近似相等；

2、上下兩個事件隊列在同一時段內的平均地址到dvs中線的距離相等；

3、上下兩個事件隊列各個時段內的中線距離關於時段5對稱，併線性變化。

算法3：

i.各個時段內上下事件數量差小於總事件量的設定比例：

上式中threshold1為數量差設定閾值，經驗值0.15；

ii.各時段內中線距離近似相等：

上式中threshold2為直線距離差設定閾值，經驗值0.15；

iii、中線距離線性比例

參見圖7。

|dmt3-dmt7|≤threshold3×dmt3&&|dmd3-dmd7|≤threshold3×dmd3(10)

上式用於驗證(3,7)兩段關於時間中點的對稱性，threshold3為對稱性閾值，經驗值0.1。

上式用於驗證邊緣直線性，threshold4為左右對稱性閾值，經驗值0.2。

以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限定本發明的保護範圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。