DE102008006373B4

DE102008006373B4 - Geschwindigkeitsbestimmung unter Verwendung zweier Lichtsensorarrays

Info

Publication number: DE102008006373B4
Application number: DE102008006373A
Authority: DE
Inventors: Srinivasan Lakshmanan Chettiar; Wai Keat Tai; Kuldeep Kumar Saxena
Original assignee: Avago Technologies ECBU IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Pixart Imaging Inc
Priority date: 2007-01-29
Filing date: 2008-01-28
Publication date: 2012-12-06
Anticipated expiration: 2028-01-29
Also published as: DE102008006373A1; US20080180651A1; US7423737B2

Abstract

Verfahren zum Bestimmen der relativen Geschwindigkeit zwischen einer Oberfläche (102) und einem Geschwindigkeitsdetektionssystem (100), wobei das Verfahren aufweist:
Erfassen eines Satzes an Ausgaben einer ersten Lichtsensoranordnung (114) des Geschwindigkeitsdetektionssystems (100) zu einem ersten Zeitpunkt, wobei die erste Lichtsensoranordnung (114) eine Pixelanordnung aufweist, bei der jedes Pixel eine pixelspezifische Ausgabe als Antwort auf Licht, das von der Oberfläche (102) reflektiert wird, erzeugt, wobei die pixelspezifischen Ausgaben für die Stärke des reflektierten Lichts (134) repräsentativ sind;
Erfassen eines Satzes an Ausgaben einer zweiten Lichtsensoranordnung (116) des Geschwindigkeitsdetektionssystems (100) zu einem zweiten Zeitpunkt, der später als der erste Zeitpunkt ist, wobei die zweite Lichtsensoranordnung (116) eine Pixelanordnung aufweist, bei der jedes Pixel eine pixelspezifische Ausgabe als Antwort auf Licht, das von der Oberfläche (102) reflektiert wird, erzeugt, wobei die pixelspezifischen Ausgaben für die Stärke des reflektierten Lichts (134) repräsentativ sind, wobei die erste und die zweite Lichtsensoranordnung (114, 116) durch eine...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In verschiedenen Situationen ist es wünschenswert, die relative Geschwindigkeit zwischen einer Oberfläche und einem Objekt zu kennen. Bei einigen Anwendungen ist es besonders wünschenswert, fähig zu sein, die relative Geschwindigkeit zwischen einer Oberfläche und einem Objekt ohne physischen Kontakt zwischen der Oberfläche und dem Objekt zu bestimmen.
EP 0 222 267 A1 offenbart ein Verfahren zur berührungslosen Geschwindigkeits- und Längenmessung an sich im Wesentlichen linear bewegendem Messgut mit statistisch gemusterter Oberfläche. Dabei werden zwei in Bewegungsrichtung des Messguts hintereinander angeordnete und auf die Messgutoberfläche gerichtete Detektoren verwendet, die im wesentlichen statistisch identische, zeitlich gegeneinander phasenverschobene Signale aufnehmen. Der Betrag der Phasenverschiebung hängt von dem Abstand der Detektoren und der Geschwindigkeit des Messguts ab.
DE 3 922 319 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungs- bzw. kontaktlosen Messung einer Geschwindigkeit eines sich ständig bewegenden Objekts.
US 2005/000 81 94 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bildbearbeitung zum Zwecke einer Ermittlung einer Relativgeschwindigkeit zwischen einem Zielobjekt und einem stationären Beobachtungspunkt.
JP 2000 097 968 A offenbart einen Geschwindigkeitsmesser und ein Verfahren zum Ermitteln von Geschwindigkeit. Der Geschwindigkeitsmesser weist eine erste Kamera und eine zweite Kamera auf. Die erste Kamera ist senkrecht zu der Bewegungsrichtung eines Fahrzeugs an der Frontseite des Fahrzeugs angeordnet. Die zweite Kamera ist senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs an der Rückseite des Fahrzeugs angeordnet. Mittels einer Bildverarbeitungseinheit werden jeweils eine Mehrzahl von Bildern, die von den beiden Kameras aufgenommen wurden, miteinander verglichen. Basierend auf Zeitdifferenzen zwischen den Aufnahmezeitpunkten von jeweils zwei ähnlichen mit verschiedenen Kameras aufgenommenen Bildern wird die Geschwindigkeit des Fahrzeugs ermittelt.
US 4,671,650 A offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln einer Position und einer Geschwindigkeit eines Luftfahrzeugs. Zu diesem Zweck werden mittels einer Kamera mit zwei Sensoren zu unterschiedlichen Zeitpunkten überlappende Aufnahmen von Strukturen der Erdoberfläche gemacht, die digitalisiert und danach z. B. mittels einer Korrelationsmethode ausgewertet werden um daraus verschiedene Bodenabstandssignale zu ermitteln. Aus diesen Bodenabstandssignalen können unterschiedliche navigatorische Informationen abgeleitet werden.
Ein weiteres Verfahren nach dem Stand der Technik zum Bestimmen der relativen Geschwindigkeit zwischen einer Oberfläche und einem Geschwindigkeitsbestimmungssystem beinhaltet das Aufnehmen von Frames digitaler Bildinformationen mit einem Bildsensor und das anschließende Ausführen einer Kreuzkorrelierung zur Identifizierung der relativen Bewegung eines Bildmerkmals, das in beiden Bildframes aufgenommen ist. Die relative Bewegung eines Bildmerkmals kann dann in Kombination mit der Zeit, die zwischen der Frameaufnahme vergangen ist, verwendet werden, um die relative Geschwindigkeit zu bestimmen. Obwohl diese Methode gut funktioniert, sind sowohl die Aufnahme von Frames digitaler Bildinformationen als auch die Kreuzkorrelierung von Bildmerkmalen ressourcenintensive Vorgänge.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ressourcenschonendes Verfahren, zum Bestimmen der relativen Geschwindigkeit zwischen einer Oberfläche und einem Geschwindigkeitsdetektionssystem sowie ein entsprechendes ressourcenschonendes Geschwindigkeitsbestimmungssystem zu schaffen.
Dies Aufgabe wir gelöst durch ein Verfahren zum Bestimmen der relativen Geschwindigkeit zwischen einer Oberfläche und einem Geschwindigkeitsdetektionssystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie durch ein Geschwindigkeitsbestimmungssystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 7.
Ein Verfahren zum Bestimmen der relativen Geschwindigkeit zwischen einer Oberfläche und einem Geschwindigkeitsbestimmungssystem beinhaltet das Erfassen oder Aufnehmen eines Satzes an Ausgaben einer ersten Lichtsensoranordnung oder Lichtsensorarrays und das anschließende Vergleichen nachfolgend aufgenommener Sätze an Ausgaben einer zweiten Lichtsensoranordnung oder Lichtsensorarrays mit dem Satz an Ausgaben der ersten Lichtsensoranordnung, bis eine zufriedenstellende Übereinstimmung zwischen den Ausgaben gefunden ist. Ist eine zufriedenstellende Übereinstimmung gefunden, stellt die zwischen der Erfassung der beiden Sätze an Ausgaben vergangene Zeit die Zeit zur Zurücklegung der bekannten Strecke des Abstands zwischen den beiden Lichtsensoranordnungen dar. Sind die zurückgelegte Strecke, die bekannt ist, und die Zeit, die zur Zurücklegung der Strecke benötigt wird, gegeben, so ist die relative Geschwindigkeit einfach die Berechnung der zurückgelegten Strecke dividiert durch die zur Zurücklegung der Strecke benötigte Zeit.
In einer Ausführungsform beinhaltet das Bestimmen, ob zwei Sätze an Ausgaben miteinander übereinstimmen, das Bestimmen der Differenz zwischen entsprechenden Pixeln auf einer Pixel-für-Pixel-Basis. Die Differenz wird dann mit einem Differenzschwellenwert verglichen, wobei von einer zufriedenstellenden Übereinstimmung ausgegangen wird, wenn die Differenz unterhalb des Differenzschwellenwerts liegt.
Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, die gemeinsam mit den beiliegenden Zeichnungen, die die Prinzipien der Erfindung beispielhaft veranschaulichen, zu lesen ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Ausführungsform eines Geschwindigkeitsbestimmungssystems.
2 zeigt ein Beispiel für zwei eindimensionale Lichtsensoranordnungen mit jeweils 8 Pixeln.
3 zeigt ein Beispiel für zwei zweidimensionale Lichtsensoranordnungen mit jeweils vierundsechzig Pixeln, die in 8-×-8-Matrizen angeordnet sind.
4 zeigt zwei beispielhafte Sätze an pixelspezifischen Ausgaben, die von den beiden Lichtsensoranordnungen aus 1 erzeugt wurden, für jenen Fall, in dem jede Lichtsensoranordnung vier Pixel aufweist.
5 zeigt zwei beispielhafte Sätze an pixelspezifischen Ausgaben, die von den beiden Lichtsensoranordnungen aus 1 erzeugt wurden, für jenen Fall, in dem die Lichtsensoranordnungen acht Pixel aufweisen.
6 ist ein Prozessablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen der relativen Geschwindigkeit.
7 zeigt ein detaillierteres Prozessablaufdiagramm des Blocks der Berechnung der relativen Geschwindigkeit aus 6.
8 zeigt eine Ausführungsform des Geschwindigkeitsbestimmungssystems aus 1, bei dem jedes Lichtsensormodul eine Beleuchtungsquelle aufweist.
9 zeigt ein Prozessablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen der relativen Geschwindigkeit zwischen einer Oberfläche und einem Geschwindigkeitsbestimmungssystem.
In der Beschreibung werden gegebenenfalls ähnliche Bezugszeichen zur Kennzeichnung ähnlicher Elemente verwendet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 zeigt eine Ausführungsform eines Geschwindigkeitsbestimmungssystems 100, das in relativ zu einer Oberfläche 102 angeordnet ist. Relative Bewegung zwischen der Oberfläche und dem Geschwindigkeitsbestimmungssystem mag durch die Bewegung der Oberfläche, die Bewegung des Geschwindigkeitsbestimmungssystems oder durch die Bewegung sowohl der Oberfläche als auch des Geschwindigkeitsbestimmungssystems erzeugt werden. Das Geschwindigkeitsbestimmungssystem weist zwei Lichtsensormodule 104 und 106 (gekennzeichnet als Lichtsensormodule #1 und #2) und eine Prozessoreinheit 110 auf. Jedes Lichtsensormodul weist eine Lichtsensoranordnung oder Lichtsensorarray 114, 116 (gekennzeichnet als Lichtsensoranordnungen #1 und #2) und optische Komponenten oder eine Optik 124, 126 auf. Jede Lichtsensoranordnung weist eine Anordnung an lichtempfindlichen Pixeln auf, die hierin einfach als „Pixel” bezeichnet werden. Jedes Pixel erzeugt eine pixelspezifische Ausgabe als Antwort auf detektiertes Licht, und jede pixelspezifische Ausgabe ist für die Stärke des vom jeweiligen Pixel detektierten Lichts repräsentativ. In einer Ausführungsform sind die pixelspezifischen Ausgaben als analoge Spannungs- oder Stromsignale bereitgestellt, die für die Stärke des detektierten Lichts repräsentativ sind. In einer anderen Ausführungsform werden die Lichtsensorausgaben in digitale Werte umgewandelt und dem Prozessor als digitale Werte, die für die Stärke des detektierten Lichts repräsentativ sind, bereitgestellt. Beispielsweise werden analoge Spannungs- oder Stromsignale in digitale 7-Bit-Werte umgewandelt, die für die Stärke des detektierten Lichts repräsentativ sind.
In einer Ausführungsform sind die Lichtsensoranordnungen 114, 116 eindimensionale Anordnungen von Pixeln. 2 zeigt ein Beispiel für zwei eindimensionale Lichtsensoranordnungen 114, 116 mit jeweils acht Pixeln 130. In einer anderen Ausführungsform sind die Lichtsensoranordnungen zweidimensionale Anordnungen von Pixeln. 3 zeigt ein Beispiel für zwei zweidimensionale Lichtsensoranordnungen 114, 116 mit jeweils vierundsechzig Pixeln, die jeweils in einer 8×8-Matrix angeordnet sind. Beispielhafte Abmessungen von Lichtsensoranordnungen sind unter anderem eine 30×30-Matrix aus 50 μm×50 μm Pixeln und eine 20×20-Matrix aus 10 μm×10 μm Pixeln. In der Ausführungsform aus den 1–3 sind die beiden Lichtsensoranordnungen des Geschwindigkeitsbestimmungssystems identisch. Im Besonderen weisen beide Lichtsensoranordnungen die gleiche Anzahl an Pixeln in der gleichen Anordnung auf, sodass jedes Pixel einer Lichtsensoranordnung ein entsprechendes Pixel in der anderen Lichtsensoranordnung hat.
Wie in den 1–3 dargestellt ist, sind die beiden Lichtsensoranordnungen 114, 116 durch eine bekannte Abstandsstrecke d voneinander getrennt. In einer Ausführungsform ist die Abstandsstrecke d im Geschwindigkeitsbestimmungssystem 100 festgelegt. Die Abstandsstrecke mag auf verschiedene bekannte Strecken einstellbar sein, und die jeweilige Abstandsstrecke ist anwendungsspezifisch.
In einer Ausführungsform sind die beiden Lichtsensormodule 104, 106 und die Prozessoreinheit 110 des Geschwindigkeitsbestimmungssystems 100 in einem Gehäuse 132 untergebracht. Strukturen im Inneren des Gehäuses legen die Abstandsstrecke d zwischen den Lichtsensoranordnungen 114, 116 fest und legen außerdem die Position der Lichtsensormodule im Inneren des Gehäuses fest. Zudem legt das Gehäuse oder eine andere Struktur (nicht dargestellt) die Position des Gehäuses in Bezug auf die Oberfläche 102 so fest, dass Licht 134, das von der Oberfläche reflektiert wird, von den Lichtsensoranordnungen detektiert wird. Ferner sind die Lichtsensoranordnungen in Bezug auf die Oberfläche derart angeordnet, dass beide Lichtsensoranordnungen schlussendlich Licht detektieren, das von derselben Stelle an der Oberfläche, jedoch zu unterschiedlichen Zeitpunkten, reflektiert wird.
Die optischen Komponenten 124, 126 fokussieren Licht, das von der Oberfläche 102 reflektiert wird, auf die entsprechende Lichtsensoranordnung 114, 116. In einer Ausführungsform weisen die optischen Komponenten eines jeden Lichtsensormoduls 104, 106 eine Linse mit einem 1:1-Multiplikationseffekt auf. In anderen Ausführungsformen mögen die optischen Komponenten so gewählt und konfiguriert sein, dass sie den Bereich der Oberfläche, der von jeder Lichtsensoranordnung abgedeckt wird, erweitern oder reduzieren.
Die Prozessoreinheit 110 ist angeschlossen, um die Ausgaben der beiden Lichtsensoranordnungen 114, 116 zu empfangen. Beispielsweise ist die Prozessoreinheit durch Parallelverbindungen 144, 146 mit jedem Pixel der jeweiligen Lichtsensoranordnung verbunden. Zudem könnte die Prozessoreinheit durch Serienverbindungen mit den Lichtsensoranordnungen verbunden sein. Die Prozessoreinheit ist dazu konfiguriert, die relative Geschwindigkeit zwischen der Oberfläche und dem Geschwindigkeitsbestimmungssystem als Antwort auf die von den Lichtsensoranordnungen empfangenen Ausgaben zu bestimmen. Die Technik, die zum Bestimmen der relativen Geschwindigkeit von der Prozessoreinheit implementiert oder herangezogen wird, wird nachstehend detailliert beschrieben. In einer Ausführungsform ist die Prozessoreinheit ein anwendungsspezifischer Prozessor, der dazu entwickelt ist, die relative Geschwindigkeit so wie nachstehend beschrieben zu bestimmen. In anderen Ausführungsformen kann die Prozessoreinheit beispielsweise ein Multifunktions-Mikroprozessor sein.
Der Grundbetrieb des Geschwindigkeitsbestimmungssystems 100 beinhaltet das Erfassen oder Aufnehmen eines Satzes an Ausgaben oder Outputs einer ersten Lichtsensoranordnung 114 (z. B. der Lichtsensoranordnung #1) und das anschließende Vergleichen nachfolgend erfasster Sätze an Ausgaben einer zweiten Lichtsensoranordnung (z. B. der Lichtsensoranordnung #2) mit dem Satz an Ausgaben der ersten Lichtsensoranordnung, bis eine zufriedenstellende Übereinstimmung zwischen den Ausgaben gefunden ist. Eine zufriedenstellende Übereinstimmung ist ein starker Hinweis darauf, dass dieselbe Stelle an der Oberfläche 102 die erste und die zweite Lichtsensoranordnung passiert hat. Ist eine zufriedenstellende Übereinstimmung gefunden, stellt die zwischen der Erfassung der beiden Sätze an Ausgaben vergangene Zeit die Zeit zur Zurücklegung der bekannten Strecke des Abstands zwischen den beiden Lichtsensoranordnungen dar. Sind die zurückgelegte Strecke, die bekannt ist, und die Zeit, die zur Zurücklegung der Strecke benötigt wird, gegeben, so ist die relative Geschwindigkeit einfach die Berechnung der zurückgelegten Strecke dividiert durch die zur Zurücklegung der Strecke benötigte Zeit.
Nun folgt eine detailliertere Beschreibung einer Ausführungsform der Technik oder Methode zum Bestimmen der Geschwindigkeit. Zu einem ersten Zeitpunkt t₁ wird von der ersten Lichtsensoranordnung 114 (z. B. der Lichtsensoranordnung #1) ein erster Satz an Ausgaben erfasst. Zu einem zweiten Zeitpunkt t₂, der später ist als der erste Zeitpunkt, wird von der zweiten Lichtsensoranordnung 116 (z. B. der Lichtsensoranordnung #2) ein zweiter Satz an Ausgaben erfasst. In beiden Fällen enthalten die Sätze an Ausgaben oder Outputs, die von der jeweiligen Lichtsensoranordnung erfasst werden, eine pixelspezifische Ausgabe (einen pixelsspezifischen Output) eines jeden Pixels der jeweiligen Lichtsensoranordnung. 4 veranschaulicht zwei beispielhafte Sätze pixelspezifischer Ausgaben, die von den beiden Lichtsensoranordnungen aus 1 erzeugt wurden, für jenen Fall, in dem jede Lichtsensoranordnung vier Pixel 130 aufweist. Wie in 4 gezeigt ist, erzeugt jedes Pixel eine pixelspezifische Ausgabe, die von den anderen pixelspezifischen Ausgaben in der Anordnung unabhängig ist. Obwohl 4 Lichtsensoranordnungen mit vier Pixeln zeigt, sind Lichtsensoranordnungen mit mehr oder weniger als vier Pixeln möglich. 5 veranschaulicht zwei beispielhafte Sätze pixelspezifischer Ausgaben, die von den beiden Lichtsensoranordnungen aus 1 erzeugt wurden, für jenen Fall, in dem die Lichtsensoranordnungen acht Pixel aufweisen. Da die Lichtsensoranordnungen so angeordnet sind, dass sie Licht von derselben Stelle an der Oberfläche detektieren, wird davon ausgegangen, dass ein Satz an Ausgaben einer Lichtsensoranordnung schlussendlich mit dem Satz an Ausgaben der anderen Lichtsensoranordnung übereinstimmen wird, da dieselbe Stelle an der Oberfläche in das Sichtfeld beider Lichtsensoranordnungen gerät, wenn auch zu unterschiedlichen Zeitpunkten.
Die Anzahl an Pixel 130 in den Lichtsensoranordnungen 114, 116 kann eine Auswirkung auf die Genauigkeit des Geschwindigkeitsbestimmungssystems 100 haben. Beispielsweise kann ein Anheben der Anzahl der Pixel in jeder Anordnung die Genauigkeit der Verarbeitung der Übereinstimmung steigern, wobei jedoch die gesteigerte Genauigkeit auf Kosten zusätzlicher Komplexität geht.
Sobald der zweite Satz an Ausgaben erfasst ist, wird er mit dem ersten Satz an Ausgaben verglichen, um die Differenz zwischen den beiden Sätzen an Ausgaben zu bestimmen. In einer Ausführungsform wird die Differenz durch Vergleichen der Ausgaben der beiden Lichtsensoranordnungen 114, 116 auf einer Pixel-für-Pixel-Basis bestimmt. Die Differenz wird beispielsweise der folgenden Gleichung entsprechend bestimmt: ΔS = (ΔS₁ + ΔS₂ + ΔS₃ + ... + ΔS_n)/n Gl. (1) wobei:
ΔS₁ = s1₁ – s2₁;
ΔS₂ = s1₂ – s2₂;
ΔS₃ = s1₃ – s2₃;
ΔS_n = s1_n – s2_n;
n = Gesamtanzahl der Pixel pro Lichtsensoranordnung;
s1_x = Signal der Lichtsensoranordnung #1, Pixel x;
s2_x = Signal der Lichtsensoranordnung #2, Pixel x, wobei x die Pixelnummer von 1 bis n Pixel ist.
In einer Ausführungsform wird die Differenz ΔS als eine prozentuelle Differenz ausgedrückt. Beispielsweise wird die Differenz in Prozent ausgedrückt als: ΔS_x = [(s1_x – s2_x)/s1_x]·100, Gl.(2) und die kumulierte prozentuelle Differenz zwischen den Ausgaben der zwei unterschiedlichen Lichtsensoren wird ausgedrückt als: ΔS = (ΔS₁ + ΔS₂ + ΔS₃ + ... + ΔS_n)/n. Gl. (3)
Wurde die Differenz bestimmt, so wird die Differenz mit einem vorbestimmten Differenzschwellenwert (DT) verglichen. Der Differenzschwellenwert ist ein Wert, der verwendet wird, um anzugeben, ob eine zufriedenstellende Übereinstimmung zwischen den zwei Sätzen an Ausgaben vorliegt. In einem Idealfall gibt ein Differenzschwellenwert von null die exakte Übereinstimmung zwischen den zwei Sätzen an Ausgaben an. Es wird jedoch keine ideale Leistung der Lichtsensoranordnungen 114, 116 erwartet, und das Festsetzen des Differenzschwellenwerts auf null wäre in den meisten praktischen Anwendungen unpraktisch. Deshalb wird der Differenzschwellenwert auf einen anwendungsspezifischen Nicht-Null-Wert festgesetzt, der einen starken Hinweis darauf gibt, dass dieselbe Stelle an der Oberfläche 102 von beiden Lichtsensoranordnungen abgebildet wurde. In einer Ausführungsform kann der Differenzschwellenwert als eine prozentuelle Differenz zwischen den beiden Ausgaben festgesetzt werden. Beispielsweise kann ein Differenzschwellenwert von 2 Prozent festgelegt werden, sodass eine zufriedenstellende Übereinstimmung gefunden ist, wenn die prozentuelle Differenz gleich oder weniger als 2 Prozent beträgt, und es ist keine Übereinstimmung gefunden, wenn die prozentuelle Differenz gleich oder größer als zwei Prozent ist. Im Folgenden ist ein Beispiel für die Differenzberechung für eine Vier-Pixel-Anordnung gegeben: Pixel 1:

s1₁ (Grundwert): 100

s2₁: 99

ΔS₁ = [|(s1₁ – s2₁)|/s1₁]·100: 1

Pixel 2:

s1₂ (Grundwert): 105

s2₂: 103

ΔS₂ = [|(s1₂ – s2₂)|/s1₂]·100: 1,9048

Pixel 3:

s1₃ (Grundwert): 99

s2₃: 96

ΔS₃ = [|(s1₃ – s2₃)|/s1₃]·100: 3,0303

Pixel 4:

s1₄ (Grundwert): 101

s2₄: 102

ΔS₄ = [|(s1₄ – s2₄)|/s1₄]·100: 0,9901

Kumulierte Differenz = ΔS = (ΔS₁ + ΔS₂ + ΔS₃ + ΔS₄)/4 = 1,7313.
Liegt die so bestimmte Differenz innerhalb des Differenzschwellenwerts (d. h. ΔS ist kleiner als DT), so wird davon ausgegangen, dass die Übereinstimmung der Sätze an Ausgaben der beiden unterschiedlichen Lichtsensoranordnungen 114, 116 zufriedenstellend ist. Überschreitet hingegen die so bestimmte Differenz den Differenzschwellenwert, so wird davon ausgegangen, dass die Sätze an Ausgaben nicht übereinstimmen. Im obigen Beispiel wird eine zufriedenstellende Übereinstimmung gefunden, da die Differenz von 1,7313 Prozent unter dem Differenzschwellenwert von 2 Prozent liegt.
Wurde bestimmt, dass eine Übereinstimmung zwischen zwei Sätzen an Ausgaben besteht, so wird die Zeit T, die zwischen der Erfassung des Satzes an Ausgaben der ersten Lichtsensoranordnung 114 und der Erfassung des Satzes an Ausgaben der zweiten Lichtsensoranordnung 116 vergangen ist, ermittelt. Da sowohl die vergangene Zeit T als auch die Abstandsstrecke d bekannt sind, wird die relative Geschwindigkeit zwischen der Oberfläche und dem Geschwindigkeitsbestimmungssystem als v = d/T berechnet.
Die Genauigkeit des Geschwindigkeitsbestimmungssystems ist eine Funktion der Größe des Differenzschwellenwerts. Der jeweilige optimale Differenzschwellenwert hängt von der Anwendung ab. In einer Ausführungsform kann das zu starke Anheben des Differenzschwellenwerts zu einer Reduktion der Genauigkeit des Geschwindigkeitsbestimmungssystems führen. Gleichermaßen wird es bei einem zu niedrigen Differenzschwellenwert unwahrscheinlicher, dass eine zufriedenstellende Übereinstimmung gefunden wird, sodass keine Geschwindigkeitsbestimmung vorgenommen werden kann. In einer Ausführungsform weist die Prozessoreinheit ein programmierbares Register und eine Programmierschnittstelle auf, um den Differenzschwellenwert festzusetzen. Das Verwenden eines programmierbaren Registers zum Festsetzen des Differenzschwellenwerts ermöglicht die Konfiguration des Geschwindigkeitsbestimmungssystems zur Handhabe von Oberflächen mit abbildbaren Merkmalen von unterschiedlicher Beschaffenheit.
Im Betrieb wird die Erfassung der Sätze an Ausgaben der Lichtsensoranordnungen und die Verarbeitung der erfassten Ausgaben gesteuert, um effektiv die relative Geschwindigkeit zwischen der Oberfläche und dem Geschwindigkeitsbestimmungssystem zu bestimmen. Ein beispielhaftes Prozessablaufdiagramm einer Methode der Bestimmung der relativen Geschwindigkeit wird unter Bezugnahme auf die 6 und 7 beschrieben. Mit Bezug auf 6 werden nach dem Anschalten des Systems in Block 200 die Lichtsensoranordnungen (z. B. die Lichtsensoranordnungen #1 und #2) in Block 202 rückgesetzt. Das Rücksetzen der Lichtsensoranordnungen beinhaltet beispielsweise das Laden oder Entladen eines jeden Pixels auf einen bestimmten bekannten Spannungspegel. Am Entscheidungspunkt 204 wird bestimmt, ob die Ausgabe der Lichtsensoranordnung #1 zum Zeitpunkt t₁, S1(t₁), größer als null ist. Ist die Ausgabe nicht größer als null, so kehrt der Prozess zu Block 202 zurück. Ist die Ausgabe größer als null, so wird ein Zeitmesser gestartet, Block 206. Am Entscheidungspunkt 208 wird bestimmt, ob ein Timeout aufgetreten ist. In einer Ausführungsform wird ein Timeout als Fehlerkontrolle eingeführt. Die Länge des Timeout-Intervalls hängt von der Anwendung ab. Tritt ein Timeout auf, so kehrt der Prozess zu Block 206 zurück, und wenn kein Timeout aufgetreten ist, wird die Ausgabe S1(t₁), gespeichert und/oder aufgezeichnet, Block 210. Am Entscheidungspunkt 212 wird bestimmt, ob die Ausgabe der Lichtsensoranordnung #2 zum Zeitpunkt t₂, S2(t₂), größer als null ist. Ist die Ausgabe nicht größer als null, so kehrt der Prozess zu Block 202 zurück. Ist die Ausgabe größer als null, wird die Ausgabe S2(t₂) gespeichert und/oder aufgezeichnet, Block 214. Bei Block 216 wird unter Verwendung der Ausgaben S1(t₁) und S2(t₂) und der bekannten Abstandsstrecke d die relative Geschwindigkeit bestimmt. Eine detailliertere Beschreibung der mit Block 216 in Zusammenhang stehenden Operationen wird unter Bezugnahme auf 7 gegeben. Wurde die relative Geschwindigkeit bestimmt, so wird am Entscheidungspunkt 218 bestimmt, ob ein Fehler oder ein Timeout vorliegt. Liegt ein Fehler oder ein Timeout vor, so kehrt der Prozess zu Block 202 zurück. Liegt hingegen kein Fehler oder ein Timeout vor, wird die so bestimmte relative Geschwindigkeit angezeigt, gespeichert und/oder auf eine andere Weise verwendet, Block 220.
7 zeigt ein detaillierteres Prozessablaufdiagramm der Berechnung der relativen Geschwindigkeit, die erfolgt, nachdem zwei Sätze an Ausgaben erfasst wurden. Bei Block 300 wird der Unterschied zwischen den Ausgaben S1(t₁) und S2(t₂) bestimmt. Insbesondere wird die Differenz beispielsweise unter Verwendung von Gl. 1 als ΔS(t) = S1(t₁) – S2(t₂) berechnet. Am Entscheidungspunkt 302 wird die Differenz mit einem zuvor festgelegten Differenzschwellenwert DT verglichen. Ist die Differenz ΔS(t) größer als der Differenzschwellenwert DT, so liegt keine zufriedenstellende Übereinstimmung vor, und der Prozess geht zurück zu Block X, um auf neue Sätze an Ausgaben zu warten. Ist die Differenz ΔS(t) nicht größer als der Differenzschwellenwert DT, so liegt eine zufriedenstellende Übereinstimmung vor, Block 304. Bei Block 306 wird die Zeit T, die zwischen der Erfassung der zwei Sätze an Ausgaben vergangen ist, ermittelt und gespeichert und/oder aufgezeichnet. In diesem Beispiel wird die vergangene Zeit T als T = t₂ – t₁ ausgedrückt. Bei Block 308 wird die relative Geschwindigkeit als v = d/T berechnet, worin d die Abstandsstrecke ist.
In einer Ausführungsform weist jedes Lichtsensormodul eine Beleuchtungsquelle auf, die dazu konfiguriert ist, eine Stelle an der Oberfläche zu beleuchten. Die Beleuchtungsquellen sind beispielsweise so angeordnet, dass ein großer Anteil des reflektierten Lichts zur entsprechenden Lichtsensoranordnung gelenkt wird. 8 zeigt eine Ausführungsform des Geschwindigkeitsdetektionssystems 100 aus 1, bei der jedes Lichtsensormodul 104, 106 eine Beleuchtungsquelle 164, 166 aufweist. In einer alternativen Ausführungsform mag eine einzige Beleuchtungsquelle zum Beleuchten der Oberfläche verwendet zu werden, um reflektiertes Licht für beide Lichtsensoranordnungen bereitzustellen.
9 zeigt ein Prozessablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen der relativen Geschwindigkeit zwischen einer Oberfläche und einem Geschwindigkeitsbestimmungssystem. Bei Block 400 wird zu einem ersten Zeitpunkt ein Satz an Ausgaben einer ersten Lichtsensoranordnung erfasst, wobei die erste Lichtsensoranordnung eine Pixelanordnung aufweist, bei der jedes Pixel eine pixelspezifische Ausgabe als Antwort auf Licht, das von der Oberfläche reflektiert wird, erzeugt, wobei die pixelspezifischen Ausgaben für die Stärke des reflektierten Lichts repräsentativ sind. Bei Block 402 wird zu einem zweiten Zeitpunkt, der später als der erste Zeitpunkt ist, ein Satz an Ausgaben einer zweiten Lichtsensoranordnung erfasst, wobei die zweite Lichtsensoranordnung eine Pixelanordnung aufweist, bei der jedes Pixel eine pixelspezifische Ausgabe als Antwort auf Licht, das von der Oberfläche reflektiert wird, erzeugt, wobei die pixelspezifischen Ausgaben für die Stärke des reflektierten Lichts repräsentativ sind, wobei die erste und die zweite Lichtsensoranordnung durch eine bekannte Abstandsstrecke getrennt sind. Bei Block 404 wird die Differenz zwischen dem Satz an Ausgaben der ersten Lichtsensoranordnung und dem Satz an Ausgaben der zweiten Lichtsensoranordnung bestimmt. Bei Block 406 wird die Differenz zwischen dem Satz an Ausgaben der ersten Lichtsensoranordnung und dem Satz an Ausgaben der zweiten Lichtsensoranordnung mit einem vorgegebenen Differenzschwellenwert verglichen. Bei Block 408 wird die Zeit, die zwischen der Erfassung des Satzes an Ausgaben der ersten Lichtsensoranordnung und der Erfassung des Satzes an Ausgaben der zweiten Lichtsensoranordnung vergangen ist, ermittelt, wenn der Vergleich der Differenz zwischen den Sätzen angibt, dass die Differenz innerhalb des vorgegebenen Differenzschwellenwerts liegt. Bei Block 410 wird die relative Geschwindigkeit zwischen der Oberfläche und dem Geschwindigkeitsdetektionssystem unter Verwendung der vergangenen Zeit und der bekannten Abstandsstrecke berechnet.
Obwohl eine Methode zur Bestimmung, ob eine zufriedenstellende Übereinstimmung zwischen zwei Sätzen an Ausgaben vorliegt, beschrieben wurde, können auch andere Methoden zur Bestimmung, ob eine zufriedenstellende Übereinstimmung zwischen zwei Sätzen an Ausgaben vorliegt, verwendet werden. Beispielsweise mag eine Methode zum Vergleichen der Ausgaben der zwei Lichtsensoranordnungen eine Faltung beinhalten. In einer Ausführungsform werden die Ausgaben der zwei Lichtsensoranordnungen als Funktionen f bzw. g definiert, und wenn f·g = 1 gilt, so werden die beiden Ausgaben als übereinstimmend betrachtet. Eine andere Methode beinhaltet das Ermitteln des Mittelwerts für die Ausgabe einer jeden Lichtsensoranordnung und das anschließende Vergleichen der beiden Mittelwerte. Diese Methode kann beispielsweise wie folgt ausgedrückt werden: S1_ave = (s1₁ + s1₂ + s1₃ + ... + s1_n)/n; S2_ave = (s2₁ + s2₂ + s2₃ + ... + s2_n)/n; wobei:
S1_ave = das mittlere Signale des Lichtsensors #1;
S2_ave = das mittlere Signale des Lichtsensors #2;
n = die Anzahl der Pixel in jedem Lichtsensor,
sodass eine Übereinstimmung gefunden ist, wenn S1_ave = S2_ave gilt.
In einer Ausführungsform sind die beiden Lichtsensoranordnungen 114 und 116 identifizierte Unteranordnungen von Pixeln innerhalb einer großen Pixelanordnung. Das bedeutet, dass eine große Pixelanordnung auf einem einzigen Substrat hergestellt ist und die Lichtsensoranordnungen 114 und 116 zwei separate Unteranordnungen in der großen Pixelanordnung sind. Obwohl sich die beiden separaten Unteranordnungen innerhalb derselben großen Pixelanordnung befinden, sind die funktionell als zwei separate Lichtsensoranordnungen identifiziert. Unter Verwendung dieser Konfiguration läuft die Geschwindigkeitsbestimmung so wie oben beschrieben ab.

Claims

Verfahren zum Bestimmen der relativen Geschwindigkeit zwischen einer Oberfläche (102) und einem Geschwindigkeitsdetektionssystem (100), wobei das Verfahren aufweist: Erfassen eines Satzes an Ausgaben einer ersten Lichtsensoranordnung (114) des Geschwindigkeitsdetektionssystems (100) zu einem ersten Zeitpunkt, wobei die erste Lichtsensoranordnung (114) eine Pixelanordnung aufweist, bei der jedes Pixel eine pixelspezifische Ausgabe als Antwort auf Licht, das von der Oberfläche (102) reflektiert wird, erzeugt, wobei die pixelspezifischen Ausgaben für die Stärke des reflektierten Lichts (134) repräsentativ sind; Erfassen eines Satzes an Ausgaben einer zweiten Lichtsensoranordnung (116) des Geschwindigkeitsdetektionssystems (100) zu einem zweiten Zeitpunkt, der später als der erste Zeitpunkt ist, wobei die zweite Lichtsensoranordnung (116) eine Pixelanordnung aufweist, bei der jedes Pixel eine pixelspezifische Ausgabe als Antwort auf Licht, das von der Oberfläche (102) reflektiert wird, erzeugt, wobei die pixelspezifischen Ausgaben für die Stärke des reflektierten Lichts (134) repräsentativ sind, wobei die erste und die zweite Lichtsensoranordnung (114, 116) durch eine bekannte Abstandsstrecke getrennt sind; Bestimmen der Differenz zwischen dem Satz an Ausgaben der ersten Lichtsensoranordnung (114) und dem Satz an Ausgaben der zweiten Lichtsensoranordnung (116); Einstellen eines vorbestimmten Differenzschwellenwerts; Vergleichen der Differenz zwischen dem Satz an Ausgaben der ersten Lichtsensoranordnung (114) und dem Satz an Ausgaben der zweiten Lichtsensoranordnung (116) mit dem vorbestimmten Differenzschwellenwert, wobei das Vergleichen der Differenz zwischen Ausgaben der ersten Lichtsensoranordnung (114) und Ausgaben der zweiten Lichtsensoranordnung (116) mit dem vorbestimmten Differenzschwellenwert auf einer Pixel-für-Pixel-Basis durchgeführt wird; Identifizieren der Zeit, die zwischen dem Erfassen des Satzes an Ausgaben der ersten Lichtsensoranordnung (114) und dem Erfassen des Satzes an Ausgaben der zweiten Lichtsensoranordnung (116) vergangen ist, wenn der Vergleich der Differenz zwischen den Sätzen angibt, dass die Differenz innerhalb des vorbestimmten Differenzschwellenwerts liegt; und Berechnen der relativen Geschwindigkeit zwischen der Oberfläche (102) und dem Geschwindigkeitsdetektionssystem (100) unter Verwendung der vergangenen Zeit und der bekannten Abstandsstrecke.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der Differenz zwischen dem Satz an Ausgaben das Bestimmen der Differenz der pixelspezifischen Ausgaben auf einer Pixel-für-Pixel-Basis zwischen der ersten und der zweiten Lichtsensoranordnung (114, 116) umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erste und die zweite Lichtsensoranordnung (114, 116) korrespondierende Pixel aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Differenzen der pixelspezifischen Ausgaben für korrespondierende Pixel bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die erste und die zweite Lichtsensoranordnung (114, 116) gleichartig sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die erste und die zweite Lichtsensoranordnung (114, 116) die gleiche Anzahl an Pixel in der gleichen Anordnung aufweisen.
Geschwindigkeitsbestimmungssystem (100) zur Bestimmung der relativen Geschwindigkeit zwischen einer Oberfläche (102) und dem Geschwindigkeitsbestimmungssystem (100), wobei das Geschwindigkeitsbestimmungssystem (100) aufweist: eine erste Lichtsensoranordnung (114), die eine Pixelanordnung aufweist, wobei jedes Pixel dazu konfiguriert ist, eine pixelspezifische Ausgabe als Antwort auf Licht, das von der Oberfläche (102) reflektiert wird, zu erzeugen, wobei die pixelspezifischen Ausgaben für die Stärke des reflektierten Lichts (134) repräsentativ sind; eine zweite Lichtsensoranordnung (116), die eine Pixelanordnung aufweist, wobei jedes Pixel dazu konfiguriert ist, eine pixelspezifische Ausgabe als Antwort auf Licht, das von der Oberfläche (102) reflektiert wird, zu erzeugen, wobei die pixelspezifischen Ausgaben für die Stärke des reflektierten Lichts (134) repräsentativ sind; wobei die erste und die zweite Lichtsensoranordnung (114, 116) durch eine bekannte Abstandsstrecke getrennt sind; und eine Prozessoreinheit (110) mit Mitteln zum Einstellen eines vorbestimmten Differenzschwellenwertes, wobei die Prozessoreinheit (110) konfiguriert ist, um: die Differenz zwischen einem Satz an Ausgaben, die von der ersten Lichtsensoranordnung (114) zu einem ersten Zeitpunkt erfasst wurden, und einem Satz an Ausgaben, die von der zweiten Lichtsensoranordnung (116) zu einem zweiten Zeitpunkt, der später als der erste Zeitpunkt ist, erfasst wurden, zu bestimmen; die Differenz zwischen dem Satz an Ausgaben der ersten Lichtsensoranordnung (114) und dem Satz an Ausgaben der zweiten Lichtsensoranordnung (116) mit dem vorbestimmten Differenzschwellenwert zu vergleichen, wobei das Vergleichen der Differenz zwischen Ausgaben der ersten Lichtsensoranordnung (114) und Ausgaben der zweiten Lichtsensoranordnung (116) mit dem vorbestimmten Differenzschwellenwert auf einer Pixel-für-Pixel-Basis durchführbar ist; die Zeit, die zwischen der Erfassung des Satzes an Ausgaben der ersten Lichtsensoranordnung (114) und der Erfassung des Satzes an Ausgaben der zweiten Lichtsensoranordnung (116) vergangen ist, zu identifizieren, wenn der Vergleich der Differenz zwischen den Sätzen angibt, dass die Differenz innerhalb des vorbestimmten Differenzschwellenwerts liegt; und die relative Geschwindigkeit zwischen der Oberfläche (102) und dem Geschwindigkeitsdetektionssystem (100) unter Verwendung der vergangenen Zeit und der bekannten Abstandsstrecke zu berechnen.
Geschwindigkeitsbestimmungssystem (100) nach Anspruch 7, wobei die Prozessoreinheit (110) derart konfiguriert ist, dass das Bestimmen der Differenz das Bestimmen der Differenz der pixelspezifischen Ausgaben auf einer Pixel-für-Pixel-Basis zwischen der ersten und der zweiten Lichtsensoranordnung (114, 116) aufweist.
Geschwindigkeitsbestimmungssystem (100) nach Anspruch 8, wobei die erste und die zweite Lichtsensoranordnung (114, 116) korrespondierende Pixel aufweisen.
Geschwindigkeitsbestimmungssystem (100) nach Anspruch 9, wobei die Differenzen der pixelspezifischen Ausgaben für korrespondierende Pixel bestimmt werden.
Geschwindigkeitsbestimmungssystem (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die erste und die zweite Lichtsensoranordnung (114, 116) gleichartig sind.
Geschwindigkeitsbestimmungssystem (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die erste und die zweite Lichtsensoranordnung (114, 116) die gleiche Anzahl an Pixeln in der gleichen Anordnung aufweisen.
Geschwindigkeitsbestimmungssystem (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei die erste und die zweite Lichtsensoranordnung (114, 116) eindimensionale Anordnungen sind.
Geschwindigkeitsbestimmungssystem (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei die erste und die zweite Lichtsensoranordnung (114, 116) zweidimensionale Anordnungen sind.
Geschwindigkeitsbestimmungssystem (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 14 ferner aufweisend Parallelverbindungen (144, 146) zwischen jedem Pixel der Lichtsensoranordnungen (114, 116) und der Prozessoreinheit (110).