文摘

本文提出的实验表征激光鼠标传感器用于某些光学鼠标设备。传感器的特征被称为twin-eye激光鼠标传感器,并使用多普勒效应测量位移代替基于流的鼠标传感器光学。实验表征显示类似的表演光流传感器测量除了对高度变化和非线性位移测量时,在twin-eye传感器提供了更好的性能。光学传感器的测量原理可以应用于替代廉价的应用程序的开发要求平面位移测量和可怜的敏感性 设在改变移动机器人等。

1。介绍

介绍的电脑鼠标,在1960年代,目前主要的人机接口设备。这是一个电子设备用一只手,是流离失所的支承面,将这些位移转换为电脑屏幕上的光标位移。第一设备实现,鼠标下的表面位移的测量采用机械车轮和球的旋转,而当前版本测量表面位移通过使用集成光传感器,如光流传感器和多普勒传感器。

光流传感器(1,2)测量位移通过成像设备指着支承面和数字信号处理(DSP)单元,计算图像的光流。这些传感器也包含一个外部或内部领导(或激光LED)设备提供定制和控制照明下的支承面传感器。

有大量的相关研究工作的分析和应用光流传感器。在[3- - - - - -5),一些特定的光流传感器评估二维位移传感器,在6轨迹跟踪,和在5,7- - - - - -11)作为机器人测距传感器。在[3),一个光流传感器测试作为一个在不透明的物体位移传感器具有良好的线性。在[5),一个线性位移测量确定系数, 0.99,但获得1%的误差测量的一个偏移量的0.1毫米的相对高度循环位移传感器和也不准确,容易直接应用轨道传感器的移动机器人12]。在[9),侧向照明的效果在测程法应用程序作为一个误差源进行了分析。在[10)、微分光学导航通过使用两个光流传感器提出了改善误差变化的高度,获得的最大误差为1.38% 20毫米的高度补偿。在[11),提出了多个光流传感器测量循环位移时提高测距精度。类似地,microaerial车辆定位系统提出了(13结合光学流量传感器和一个惯性导航系统和磁强计。此外,光学图像获得的流量传感器是用于14- - - - - -19开发特定的低成本的基于图像的应用程序。例如,在[20.),光学鼠标传感器被用来执行手册的光学相干断层扫描图像扫描。

多普勒传感器(21- - - - - -25)基于多普勒效应测量位移通过比较反射光的相位调制转移相对于原始激光(25- - - - - -27]。运动的速度成正比的多普勒频移和位移是通过整合成一个平面运动速度。twin-eye光学传感器,两个独立的自混合干涉激光用于测量位移 设在和 设在(23]。

这项工作的新贡献的实验表征光学twin-eye激光传感器作为双轴位移传感器。获得的结果与基于流的传感器光学的表演。

2。Twin-Eye激光传感器

飞利浦提供的twin-eye激光传感器(图1)[28)是一个紧凑的运动传感器(6.86平方毫米和3.86毫米高)基于两个独立的自混合干涉Vertical-Cavity-Surface-Emitting激光器(27)(VCSELs)表面跟踪(24,25在两个轴);每个激光用于发射和接收反射光。传感器装置包括一个DSP,两个固体激光,塑料镜片集成到相同的芯片(24]。


图1
twin-eye激光传感器,有或没有镜片包装(由飞利浦(28])。

twin-eye传感器的工作原理是基于传感分散的小部分发出的红外线反射回来的激光(到相同的发射腔)的表面(图2)。当设备沿着水面,转变返回激光的频率与原来的相比光为每个独立的激光生成(25- - - - - -27]。这种效果,称为多普勒效应,产生周期性的变化不断的发射频率,多普勒频率定义为: 在哪里 多普勒频率, 的相对角定向激光(固定的包), 是一个速度分量沿激光束的方向,然后呢 激光的波长。内部DSP将多普勒频率转换为瞬时速度和位移是通过整合速度。


图2
twin-eye激光传感器的工作原理。

多普勒频移的频率不产生运动方向的信息。为此,发出的光调制低频三角波形和位移的方向是通过比较多普勒频移的上升和下降的斜坡三角调制(22]。

传感器分析工作是PLN3032模型,根据制造商,高精度传感器和一个独立的决议编程 设在和 设在。主要特点是配置决议从125年到4000年每英寸计数(CPI)在125年CPI步骤,最大支持的速度为1.5米/秒,最大加速度50克,推荐距离2.3毫米(图的表面2)(高度范围从2.1到2.5毫米)。传感器可以被读和写访问的内部寄存器通过串行外围接口(SPI)总线。

主要的内部寄存器状态,三角洲 和δ ,所有16位。三角洲寄存器有16位,但只有10位用来表示的位移 和 轴自上次阅读用二进制补码表示。状态寄存器有几位表明如果一个内部错误发生在操作过程中,如果发生了溢出在三角洲地区的注册,如果发现一个运动,如果传感器已经解除。最后,还有一个寄存器配置为每个独立的轴位移的分辨率。

3所示。实验装置

这项工作中所使用的实验装置是基于PLN2031 twin-eye鼠标激光传感器,与dsPIC33FJ128MC802 Microstick微芯片评估板单片机读取与光学传感器位移测量,和机械位置系统,允许精确的相对位移传感器(图3)在一个预定义的表面(在这种工作,一个标准的胶木桌子)。在实验过程中,包的传感器放置在45°两正交激光测量 和 位移的轴。


图3
描述twin-eye传感器位置和轨迹测试: , 设在向前位移, 、对角位移和 ,电位移。

这个测量设置(图3)和预定义的轨迹 , , 允许以下实验:向前和向后位移,灵敏度测量在不同的决议,电位移,对角位移,灵敏度高,速度依赖性。

3.1。向前和向后位移

在实验中估计进行向前和向后位移的敏感性,光学传感器取代变量的距离, ,沿着 设在,贴上轨迹 在图3。光学传感器内部配置在4000年CPI在两轴每毫米或6.35(157.4脉冲μ每个脉冲m)和放置在推荐的高度(2.3毫米)。图4显示的平均计数测量当取代传感器向前(圈)和向后(三角形)10次实验。图5显示了相同的结果,当取代的光学传感器 设在。一般很少有向前和向后位移测量时的差异。


图4
在向前和向后位移沿计数测量 设在。

图5
在向前和向后位移沿计数测量 设在。

在这两种情况下,获得了良好的线性相关系数的测定 和 = 0.99998 设在和 分别设在。之间的线性关系可以表示为位移和计数 在哪里 和 是毫米的位移沿 设在和 设在和 和 计数测量的传感器在两个轴。图6显示每个距离测量的标准偏差评估。一般来说,标准偏差没有增加之间的距离,总是在5和25项(或从31.75到158.75μ米)。


图6
进化的每个距离测量的标准偏差 设在和 设在。

最后,图7说明了平均、最小和最大灵敏度获得每个距离测量。一方面,这些结果和所示的线性回归(2)提供一个小偏差的敏感性 设在和 设在任何之前,可能需要单独校准精确使用。然而,另一方面,平均灵敏度变化小于2项在距离范围从15到50毫米。


图7
平均、最小和最大灵敏度值获得每个距离测量沿 设在和 设在。
3.2。灵敏度在不同分辨率

twin-eye激光传感器用于这项工作有5位/轴配置运动位移的分辨率(125年从125年CPI 4000 CPI, CPI步骤)。图8显示了平均计算得到的位移(图3, )的光学传感器 设在当使用四个不同分辨率:1000年,2000年、3000年和4000年CPI。


图8
获得传感器计数与twin-eye激光传感器操作在不同的决议。

图9总结了各种传感器的灵敏度测量分辨率。灵敏度和分辨率之间的关系非常直系的确定系数 并且可以表示为 res是CPI和光学传感器的分辨率 传感器的灵敏度,分辨率。毫米的位移, 可以估计,生成在向前移动 在哪里 计数测量的数量和吗b的常数项是线性关系。图10显示这个常数项的值测量沿 设在和不同的光学传感器的分辨率。这个常数项, 在一个狭窄的范围值3至4.5毫米,平均3.6毫米的价值。


图9
平均灵敏度与twin-eye获得激光传感器配置了不同的决议。

图10
平均的常数项的线性回归估计的敏感性twin-eye激光传感器配置了不同的决议。
3.3。对速度的敏感性

在实验中估计的速度运动的敏感性,流离失所的光学传感器 设在,贴上轨迹 在图31秒。光学传感器内部配置在4000年CPI在轴和放置在推荐的高度(2.3毫米)。每个测量重复10次。

图11介绍了平均传感器计数测量在1秒传感器在不同恒定的速度前进时从0.05到1米/秒。结果在图11显示出很好的线性相关系数之间的关系, ,0.99998。因此twin-eye的距离测量传感器的速度位移不敏感。更具体地说,图12显示了平均、最大和最小的位移传感器灵敏度相对于线性速度考虑。在所有情况下,平均位移灵敏度非常接近150项/毫米,恰逢敏感性之前获得的一个值相同的分辨率。


图11
平均数量以一秒相对于不同的运动速度。

图12
平均、最大、最小位移测量器的灵敏度不同的运动速度。
3.4。对高度敏感

在实验中进行评估敏感度高,光学传感器是流离失所的固定距离的50 mm 设在。光学传感器内部配置在4000年CPI在轴和放置在推荐高度2.3毫米的表面(操作高度由制造商定义的范围从2.1到2.5毫米)。

图13显示了计数测量传感器相对于两轴的高度抵消应用(高度偏移0毫米对应的推荐高度2.3毫米)。偏移量在0.1毫米增加到8毫米的步骤。结果在图13表明,该传感器测量运动正确的高度抵消5.5毫米,后位移的值是不正确的。高度偏移7.7毫米以上时,传感器未能发现任何运动。


图13
高度的影响抵消在传感器方面以50 mm的向前位移。0高度偏移量对应的推荐高度2.3毫米。

图14显示细节的相对误差获得向前位移相对于高度偏移量。平均相对误差增加非常缓慢地随着高度偏移量的增加,达到2%,抵消4毫米的高度。这个距离误差代表了一种进步与光学鼠标传感器。在[5),获得的最大相对误差为1毫米的高度补偿光学鼠标流传感器是14.37%,虽然低于0.2% twin-eye传感器,代表一个伟大的进步。


图14
平均、最小和最大相对误差获得50 mm的向前位移相对于高度偏移量。
3.5。对角线位移

以下试验旨在评估传感器时的行为取代固定距离的50 mm对角线(贴上轨迹 在图3)使用一个固定的倾角α。光学传感器内部配置在4000年CPI在轴和放置在推荐的高度(2.3毫米),并且每个测量重复了8次。位移的角度从0°(位移沿 设在)到90°(位移沿 设在)。图15显示了计数测量的传感器 设在和 设在也的欧几里得距离值的评价(贴上对角线距离)。


图15
平均数量的测量 设在和 设在在50 mm对角位移和对角线在不同角度倾向。

图15表明,对角线的角度位移传感器的影响很小的计数测量的传感器。图16显示了这些结果的细节表示为位移测量的相对误差相对于对角线的角度位移。在图16,计数测量传感器转换成距离通过使用校准曲线中定义(2),然后欧氏距离计算,而真正的50 mm对角位移。可以预期,平均相对误差为0°、90°角是零,因为校正曲线应用于传感器得到的位移沿向前发展 设在(0°) 设在(90°)。另外,相对误差增长对称从0°到45°、90°到45°。最大的平均相对误差为2.49%在45°的角度倾斜。


图16
平均、最小和最大相对误差获得50毫米的位移相对于对角线的角度位移。

这些结果并不在同光流传感器的改进。在[5),获得的最大相对误差测量对角线与光学鼠标流位移传感器是2%,一个非常相似的结果。

3.6。电位移

这个传感器的一些应用程序,比如在移动机器人轨迹测量,需要检测和测量旋转。以下试验旨在评估传感器时的行为取代45°的弧形后,贴上轨迹 在图3。光学传感器内部配置在4000年CPI在轴和放置在推荐的高度(2.3毫米),每个测量重复10次。

图17显示了平均、最大、最小位移传感器测量通过使用校准曲线中定义(4)和预期的距离(周长)相对于弧的半径(从100 - 400毫米)。结果在图17显示很少的测量结果和预期值之间的差异。


图17
平均、最小和最大位移传感器测量相对于弧的半径(包括45°的周长)。三角形代表预期值。

图18显示了这些结果的细节表示为位移的相对误差相对于弧的半径。平均相对误差增加从−−2.0%随着半径的增加1.3%。这些结果代表了一个更大的改进光流鼠标传感器。在[5),获得的相对误差在测量位移与光学鼠标流电弧传感器是66%,虽然这个twin-eye传感器总是低于3%。


图18
平均、最小和最大相对误差测量的距离相对于弧的半径(包括45°的周长)。

4所示。结论

这项工作提出了twin-eye激光鼠标传感器的实验表征。专门分析了传感器的工作被飞利浦PLN3032模型制造。这个传感器是使用激光来测量位移的基础上,多普勒效应通过比较移位的反射光的相位调制。位移是通过整合成一个平面运动速度随着时间的推移,作为离散位移计算返回。这个测量方法代表另一种广泛使用的光流传感器的光学鼠标设备。

结论的实验表征进行计数测量在一个向前和向后运动时位移轴非常线性( )和非常相似但需要个人可精确测量运动的测量轴校准。运动灵敏度和分辨率之间的关系是非常线性的( ),可以使用该线性模型来估计运动通过计数的距离测量的传感器。此外,运动灵敏度不受速度影响的位移范围1 m / s。

twin-eye传感器敏感身高不如光流传感器的优势;一个偏移量的相对误差是2% 4毫米,而一个偏移量产生的1毫米的误差14%光流传感器。另外,获得的相对误差在测量一个对角线位移非常相似。之间的主要差异twin-eye和光学流传感器测量时出现了一个圆形的位移(弧形)。twin-eye传感器的误差低于3%,可接受的价值相比,66%在一个光流传感器的情况下获得的。

更好的性能测量的非线性位移结合传感器的变化不太敏感的身高使twin-eye传感器适合应用程序,如移动机器人,要求轨迹测量平板地板表面和可怜的敏感性 设在变化。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者承认政府的支持加泰罗尼亚(Comissionat每一个大学我Recerca Departament d 'Innovacio,大学我senior)和欧洲社会基金。