ITMO20010084A1 - Metodo per realizzare la lettura di frazioni dell'intervallo tra gli elementi fotosensibili o pixel contigui di un sensore ottico lineare - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

annessa a domanda di breveto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo: METODO PER REALIZZARE LA LETTURA DI FRAZIONI DELL’INTERVALLO TRA GLI ELEMENTI FOTOSENSIBILI O PIXEL CONTIGUI DI UN SENSORE OTTICO LINEARE

Forma oggeto del presente trovato metodo per realizzare la lettura di frazioni dell’ intervallo tra gli elementi fotosensibili o pixel contigui di un sensore ottico (di immagine) lineare, del tipo utilizzato in un goniometro otico per la misura degli angoli carateristici delle ruote di un autoveicolo.

In tali tipi di goniometri l’angolo misurato è l’angolo formato con l’asse di riferimento del goniometro (che è perpendicolare al sensore otico medesimo e che definisce un’origine per la misura delle distanze in direzione longitudinale) da un fascio di luce che viene convogliato sul sensore otico medesimo da un dispositivo otico.

II fascio di luce è costituito da raggi paralleli che sono generati da un illuminatore posto ad una distanza sufficientemente grande rispetto alla distanza tra il detto dispositivo ottico (lente cilindrica o fessura) e il sensore lineare.

Nel caso di impiego di una lente cilindrica come dispositivo ottico la lunghezza focale della lente è uguale alla distanza che intercorre tra la lente medesima e il sensore. In questo caso tutti i raggi paralleli che colpiscono la superficie frontale della lente vengono concentrati in una linea che interseca il sensore lineare in una zona (o macchia) la cui estensione non è nulla ed è condizionata, oltre che dalla esattezza del posizionamento della lente, dall’angolo da misurare che è l’angolo formato dal fascio di luce incidente con la normale al sensore lineare. E’ evidente che maggiore diventa l’angolo maggiori diventano le alterazioni della macchia di luce che investe il sensore lineare con la immediata conseguenza di dar luogo a corrispondenti immagini alterate prodotte dal sensore che si traducono in progressivo aumento della indeterminazione nella esecuzione della misura.

Il fenomeno è tanto più accentuato quanto è minore è la distanza focale e quanto maggiore è l’angolo da misurare.

Una possibilità di ridurre il fenomeno consiste nell’adottare un gruppo ottico correttore da associare al sensore. Ciò però al prezzo di consistenti complicazioni costruttive ed aggravi di costi.

A quanto descritto va aggiunto il fatto che la stessa risoluzione del sensore lineare è fisicamente legata alla distanza tra un elemento fotosensibile o pixel e l’altro immediatamente adiacente.

Questo significa che, secondo le realizzazioni note non appare possibile determinare una distanza dall’origine che non sia uguale a un multiplo intero dell’intervallo (costante) tra pixel e pixel. Non appare cioè in generale possibile effettuare la lettura di frazioni di tale intervallo.

Analoga indeterminazione si verificherebbe anche nell’ipotesi di riuscire a collimare un fascio di luce con una dimensione trasversale tale da generare sul sensore lineare una macchia luminosa più piccola delle dimensioni di un pixel. A queste condizioni il sensore lineare potrebbe addirittura non essere attivato in tutti quei casi in cui il fascio di luce non colpisse alcun pixel.

La possibile soluzione di incrementare la soglia di sensibilità aumentando il numero dei pixel per unità di lunghezza del sensore lineare, ovvero riducendo sensibilmente l’ampiezza dell’intervallo tra un pixel e l’altro, si presenta attualmente talmente costosa da risultare improponibile.

In ogni caso una maggior risoluzione nei goniometri ottici per la misura degli angoli caratteristici delle ruote di un autoveicolo utilizzanti sensori lineari insieme con una maggior ampiezza del campo di misura rappresentano concrete esigenze della tecnica.

Scopo del presente trovato è propriamente quello di ovviare ai limiti ed alle manchevolezze della tecnica nota.

Un vantaggio del trovato in oggetto è rappresentato dal fatto di non introdurre particolari modifiche dal punto di vista costruttivo alle apparecchiature. Questi scopi e vantaggi ed altri ancora vengono tutti raggiunti dal trovato in oggetto così come esso risulta caratterizzato dalle rivendicazioni sotto riportate.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del presente ritrovato meglio appariranno dalla descrizione dettagliata che segue di una forma preferita, ma non esclusiva, di realizzazione del trovato medesimo, illustrata a titolo puramente esemplificativo, ma non limitativo, nelle allegate figure in cui:

la figura 1 ne mostra una schematica vista in pianta di un sensore di misura applicato alla ruota di un autoveicolo ;

la figura 2 mostra uno schema di un goniometro equipaggiante il sensore di figura 1;

la figura 3 mostra schematicamente in formato digitale l immagine formata sul sensore lineare l’andamento del segnale;

la figura 4 mostra un possibile schema elettronico di elaborazione del segnale dei sensori lineari;

la figura 5 un grafico relativo alla generazione di sincronismo per il convertitore analogico digitale;

la figura 6 mostra la relazione tra il segnale di sincronizzazione e l’immagine generata dal sensore lineare;

la figura 7 mostra, in scala fortemente ingrandita, la relazione di fase e temporale tra il segnale di sincronizzazione del convertitore analogico-digitale e il segnale disponibile all’uscita dello amplificatore del sensore lineale del goniometro.

Con riferimento alle menzionate figure, con 1 si è indicato complessivamente un sensore di misura che è impegnato e reso solidale al cerchione di una ruota 2 di un autoveicolo per realizzare la determinazione degli angoli caratteristici. Il sensore di misura 1 comprende in realtà due goniometri ottici 3 e 4 che sono correlati con corrispondenti goniometri ottici applicati su altri tre sensori di misura che sono montati sulle rimanenti tre ruote dell’autoveicolo.

Ciascun goniometro ottico è schematicamente costituito da un sensore ottico lineare di immagine 5, che è composto da una riga di elementi fotosensibili o pixel 6 e da un dispositivo ottico 7 al quale è affidato il compito di “convogliare” sul sensore lineare 6 un fascio di luce 8 rispetto alla direzione del quale deve essere effettuata la misura angolare. Nella fattispecie il fascio di luce 8 proviene da un illuminatore associato al sensore di misura montato su una delle due ruote contigue a quella sulla quale è montato il sensore di misura 1.

L’angolo che viene misurato è l’angolo compreso tra la direzione del detto fascio di luce 8 e l’asse di riferimento 9 del goniometro che è definito come l’asse del detto dispositivo ottico 7 che è perpendicolare al sensore lineare 5 nel suo punto medio.

In modo molto schematico si sono indicati: con Γ la distanza, misurata sull’asse 9 tra il dispositivo ottico 7 e il sensore lineare 5 (corrispondente alla distanza focale nel caso dell’impiego di un dispositivo ottico 7 costituito da una lente); con d la distanza dall’origine della scala delle distanze definita dal sensore lineare 5; con a l’angolo oggetto della misura costituito dall’angolo compreso tra l’asse 9 e la direzione del fascio di luce 8.

La realizzazione della lettura di distanze dall’origine o che non siano soltanto multipli interi dell’intervallo esistente tra un pixel e l’altro, ma che comprendano anche l’apprezzamento di frazioni di tale intervallo è attuabile mediante un metodo che comprende:

- l’acquisizione dell’ “immagine” corrente costituita dall’insieme ordinato delle intensità delle radiazioni incidenti registrate sugli elementi fotosensibili viciniori (in figura 3 è rappresentato un diagramma che vede in ascisse la distanze dall’origine o e in ordinate le intensità luminose rilevate dai singoli pixel)

- l’elaborazione dei dati ricavabili dalla detta immagine corrente mediante un procedimento convergente verso un risultato che definisce, rispetto ad un’origine determinata dalla intersezione del detto asse di riferimento con l’asse del detto sensore, la distanza del punto di incidenza sul sensore di un asse ottico ideale del detto fascio di luce.

La detta distanza è determinata mediante un procedimento di interpolazione su una misura di distanza che si basa sul confronto dell’immagine corrente con una immagine nota precedentemente acquisita mediante una operazione di calibrazione (modello “pattern”, “template”) che viene fatta scorrere sull’immagine corrente e confrontata con questa mediante una appropriata metrica.

In particolare, secondo una prima forma di attuazione, posto Ί\, i=l,... ,n l’insieme dei pixel costituenti il modello o template, e Ii; i=l,... ,m, m>n, l’insieme dei pixel costituenti l’immagine corrente, una metrica possibile utilizzabile è la somma delle distanze pixel per pixel ove la distanza potrà essere la distanza euclidea, la distanza del valore assoluto o altro; la distanza

nel pixel k essendo:

con la metrica del valore assoluto; essendo previsto che la frazione di intervallo tra due elementi fotosensibili contigui o pixel sia determinata con un 'interpolazione ottenuta considerando il minimo locale nell’intervallo k+1, k-1 della parabola passante per le distanze corrispondenti ai pixel k, k+1 e k-1 ; ovvero la frazione di intervallo essendo determinabile con la relazione:

ove f costituisce la parte frazionaria della posizione del detto punto di incidenza del detto asse ottico ideale del detto fascio di luce.

In una seconda forma di realizzazione posto Tj, i=l ,... ,n l’insieme dei pixel costituenti il modello o template, e I;, i=l,... ,m, m>n, l’insieme dei pixel costituenti l’immagine corrente, una metrica possibile è la correlazione, ovvero la somma dei prodotti pixel per pixel tra l’immagine corrente il modello o pattern determinato in calibrazione con la relazione standard

e normalizzata:

essendo previsto che la frazione di intervallo tra due elementi fotosensibili contigui o pixel sia determinata con un’ interpolazione ottenuta considerando il minimo locale nell’ intervallo k+1, k-1 della parabola passante per le distanze corrispondenti ai pixel k, k+1 e k-1; ovvero la frazione di intervallo essendo

determinabile con la relazione:

ove f costituisce la parte frazionaria della posizione del detto punto di incidenza del detto asse ottico ideale del detto fascio di luce.

La distanza d del detto punto di incidenza sul sensore lineare può anche essere determinata mediante un procedimento di interpolazione sull’immagine corrente ottenuto interpolando direttamente il modello (pattern o template). La medesima distanza può ulteriormente essere determinata attraverso la valutazione di simmetrie nell’immagine corrente determinandone la posizione dell’eventuale centro di simmetria e/o del centro di massa. Questa determinazione è attuabile mediante espressioni del tipo

ove p rappresenta la posizione del centro di massa riferito all’immagine corrente stessa.

Può essere buona norma utilizzare insieme alcune delle tecniche descritte al fine di minimizzare gli errori introdotti o amplificati da ciascuna di esse. Operativamente in pratica per realizzare l’analisi del segnale su più elementi sensibili occorre sincronizzare esattamente l’operazione di conversione analogico-digitale con la scansione sul sensore, cioè con l’operazione con la quale un opportuno segnale di sincronizzazione viene usato per analizzare il contenuto di segnale di ciascun elemento sensibile o pixel del sensore colpito dalla luce convogliata dall’elemento ottico.

In fig. 4 viene descritto un sistema elettronico di elaborazione del segnale dei sensori lineari sopra descritti: il segnale del sensore lineare 5 montato sul goniometro 3 e il sensore 5 montato sul goniometro 4 vengono elaborati da un unico circuito elaboratore di segnale comprendente rispettivamente lo stadio amplificatore-condizionatore 9 e 10, il convertitore analogico-digitale multiplatore 1 le il circuito generatore di sincronismi 12.

Il circuito elaboratore di segnale consente di realizzare la necessaria sincronizzazione tra la scansione dei segnali prodotti dai singoli elementi sensibili dei sensori lineari 5 e l’operazione di conversione analogico-digitale in modo da consentire una esatta valutazione numerica da parte di un circuito di calcolo del contenuto di segnale di ciascun elemento sensibile, in modo di poter di conseguenza elaborare l’informazione concernente il valore angolare corrispondente all’angolo sotto il quale è guardato un intervallo tra due pixel consecutivi.

Il generatore di sincronismi genera i segnali necessari al funzionamento dei sensori lineari, in particolare genera i sincronismi di scansione secondo una procedura nota, tipica dei sensori lineari di immagine e che non é oggetto della presente invenzione.

In particolare il generatore di sincronismi genera, in maniera sincrona con la scansione del singolo elemento sensibile, il segnale RDAD; tale segnale informa il convertitore analogico-digitale sull’istante tl in cui è necessario iniziare l’operazione di conversione, cioè l’istante in cui il segnale disponibile è sicuramente relativo all’elemento sensibile voluto, e in cui il segnale é sufficientemente stabile (fig. 5).

Nella fig. 5 sono indicati in maniera molto ingrandita il segnale di sincronizzazione 14 RDAD e il segnale all’uscita del sensore lineare (o meglio all’uscita del relativo circuito amplificatore condizionatore) relativo all’elemento sensibile, e il tempo tl in cui il convertitore inizia la conversione.

11 convertitore, dotato di multiplatore interno, analizza, sincronizzato dal segnale RDAD, alternativamente il segnale del sensore del goniometro 3 o 4 e rende disponibile il segnale digitalizzato Dout; contemporaneamente a fine conversione viene generato il segnale AD irqinput che una opportuna rete di ritardo, realizzata con lo stesso generatore di sincronismi 12, condiziona e restituisce in modo da informare l’unità di calcolo con il segnale AD irqout che il dato relativo all’ elemento sensibile e’ disponibile.

Il risultato é quanto indicato in fig. 3, in cui viene indicato in formato digitale, con indicazioni binarie sull’asse delle ordinate, il contenuto di segnale dei singoli elementi sensibili indicati in ascissa, limitatamente ad una zona ingrandita nell 'intorno della immagine formata sul sensore lineare.

In fig. 6 é indicata in maniera meno ingrandita la relazione tra il segnale di sincronizzazione 14 e l’immagine 13 generata dal sensore lineare; la fig. 7 indica in maniera fortemente ingrandita la relazione di fase e temporale tra il segnale di sincronizzazione 14 del convertitore analogico-digitale e il segnale 13 disponibile all’ uscita dello amplificatore 9 o 10, rispettivamente del sensore lineare del goniometro 3 o 4.

Solo mediante la esatta sincronizzazione tra l’operazione di scansione del segnale sui singoli elementi sensibili del sensore lineare e l’operazione di conversione é possibile ricavare l’informazione sul contenuto di segnale degli elementi sensibili “vicini” per ricavare l’informazione di angolo con una risoluzione maggiore del pixel intero e cosi determinare l’angolo minimo richiesto.

Ovviamente al trovato potranno essere apportate numerose modifiche di natura pratico-applicativa dei dettagli costruttivi senza che per altro si esca dall'ambito di protezione dell'idea inventiva come sotto rivendicata.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per realizzare la lettura di frazioni dell’ intervallo tra gli elementi fotosensibili o pixel contigui di un sensore ottico (di immagine) lineare, del tipo utilizzato in un goniometro, nel quale l’angolo misurato è l’angolo formato con l’asse di riferimento del goniometro, perpendicolare al detto sensore ottico lineare, da un fascio di luce che viene convogliato sul sensore ottico medesimo da un dispositivo ottico, caratterizzato per il fatto che comprende: - l’acquisizione dell’ “immagine” corrente costituita dall’insieme ordinato delle intensità delle radiazioni incidenti registrate sugli elementi fotosensibili viciniori; - l’elaborazione dei dati ricavabili dalla detta immagine corrente mediante un procedimento convergente verso un risultato che definisce, rispetto ad un’origine determinata dalla intersezione del detto asse di riferimento con l’asse del detto sensore, la distanza d del punto di incidenza sul sensore di un asse ottico ideale del detto fascio di luce.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato per il fatto che la detta distanza è determinata mediante un procedimento di interpolazione su una misura di distanza che si basa sul confronto dell’immagine corrente con una immagine precedentemente acquisita mediante una operazione di calibrazione ( modello, “pattern”, “template”), ovvero nota per via analitica, ovvero altrimenti nota, che viene fatta scorrere sull’immagine corrente e confrontata con questa mediante una appropriata metrica.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 2 , caratterizzato per il fatto che posto T„ i=l ,... ,n l’insieme dei pixel costituenti il modello o pattern o template, e li, i=l,... ,m, m>n, l’insieme dei pixel costituenti l’immagine corrente, una metrica possibile è la somma delle distanze pixel per pixel ove la distanza potrà essere la distanza euclidea, la distanza del valore assoluto o altro; la distanza nel pixel k essendo: con la metrica euclidea, oppure

   con la metrica del valore assoluto; essendo previsto che la frazione di intervallo tra due elementi fotosensibili contigui o pixel sia determinata con un’ interpolazione ottenuta considerando il minimo locale nell’intervallo k+1, k-1 della parabola passante per le distanze corrispondenti ai pixel k, k+1 e k-1 ; ovvero la frazione di intervallo essendo determinabile con la relazione:

   ove f costituisce la parte frazionaria della posizione del detto punto di incidenza del detto asse ottico ideale del detto fascio di luce.
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 2 , caratterizzato per il fatto che posto Tj, i=l,... ,n l’insieme dei pixel costituenti il modello o template, e Il5 i=l,... ,m, m>n, l’insieme dei pixel costituenti l’immagine corrente, una metrica possibile è la correlazione, ovvero la somma dei prodotti pixel per pixel tra i’ immagine corrente il modello o pattern determinato in calibrazione con la relazione standard

   e, normalizzata:

   essendo previsto che la frazione di intervallo tra due elementi fotosensibili contigui o pixel sia determinata con un’interpolazione ottenuta considerando il minimo locale nell’intervallo k+1, k-1 della parabola passante per le distanze corrispondenti ai pixel k, k+1 e k-1; ovvero la frazione di intervallo essendo determinabile con la relazione:

   ove f costituisce la parte frazionaria della posizione del detto punto di incidenza del detto asse ottico ideale del detto fascio di luce.
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato per il fatto che la detta distanza è determinata mediante un procedimento di interpolazione sull’ immagine corrente.
6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato per il fatto che la detta distanza è determinata mediante un procedimento di interpolazione del modello (pattern o template).
7. 7. Metodo secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato per il fatto che la detta distanza è determinata attraverso la valutazione di simmetrie nell’immagine corrente, ovvero di qualche attributo della immagine, determinandone la posizione dell’eventuale centro di simmetria e/o del centro di massa; detta determinazione essendo attuabile mediante espressioni del tipo

   ove p rappresenta la posizione del centro di massa riferito all’immagine corrente stessa.
8. 8. Metodo per realizzare la lettura di frazioni dell’ intervallo tra gli elementi fotosensibili o pixel contigui di un sensore ottico (di immagine) lineare secondo le rivendicazioni precedenti e secondo quanto descritto ed illustrato con riferimento alle figure dei disegni allegati e per gli scopi sopra citati.