ITMO20010093A1

ITMO20010093A1 - Metodo per distinguere dal rumore ambientale il segnale luminoso utilizzato in un sensore ottico lineare di un goniometro

Info

Publication number: ITMO20010093A1
Application number: IT2001MO000093A
Authority: IT
Inventors: Marco Matteucci; Francesco Braghiroli; Norberto Castagnoli; Fabrizio Cagnolati
Original assignee: G S Srl Unipersonale
Priority date: 2001-05-11
Filing date: 2001-05-11
Publication date: 2002-11-11
Also published as: ES2267968T3; US6714291B2; ITMO20010093A0; US20020167658A1; EP1256780A2; EP1256780A3; EP1256780B1; DE60214278T2; DE60214278D1

Description

DESCRIZIONE

annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo: METODO PER DISTINGUERE DAL RUMORE AMBIENTALE IL SEGNALE LUMINOSO UTILIZZATO IN UN SENSORE OTTICO LINEARE DI UN GONIOMETRO.

Forma oggetto del presente trovato un metodo per distinguere dal “rumore” ambientale il segnale luminoso utilizzato in un sensore ottico lineare di un goniometro, del tipo usato per la misurazione degli angoli caratteristici delle ruote degli autoveicoli. In tali tipi di sensori il segnale luminoso è originato da un fascio luminoso che ha una direzione prestabilita rispetto alla quale è determinato l angolo oggetto di misura che é l’angolo formato tra detta direzione e un asse di riferimento del goniometro perpendicolare al sensore ottico lineare. Quest’ultimo è normalmente costituito da una pluralità di elementi fotosensibili o pixel contigui ordinatamente allineati attraverso i quali è acquisibile una “immagine” del segnale luminoso costituita dall’insieme ordinato delle intensità delle radiazioni incidenti registrate sugli elementi fotosensibili. La misura dell’angolo è funzione diretta della distanza della detta “immagine” daH’origine per le misure delle distanze in direzione longitudinale che é definita dall’intersezione del detto asse di riferimento con l’asse longitudinale del sensore. Perciò dalla misura di tale distanza, in base alle caratteristiche geometriche del sistema, si risale con facilità e precisione alla misura dell’angolo.

E’ evidente che l’effettuazione corretta della misura presuppone la capacità da parte del ricevitore (che comprende il sensore) di individuare correttamente il segnale luminoso “giusto”, cioè quello originato dal fascio luminoso predisposto allo scopo di effettuare la misura, distinguendolo da segnali luminosi estranei (“rumore”) che inevitabilmente sono presenti nell’ambiente in cui operano i goniometri che formano l’apparecchiatura per la misura degli angoli caratteristici delle ruote di autoveicoli.

Nella apparecchiature note l’immunità dal “rumore”, o meglio la distinzione del segnale luminoso emesso dal’illuminatore per l’effettuazione della misura angolare dagli altri segnali luminosi provenienti dall’ambiente, è realizzata mediante un procedimento che prevede l’acquisizione di almeno due “immagini” da parte del ricevitore in due momenti distinti e caratterizzati da due condizioni diverse dello stato dell illuminatore che produce il fascio luminoso che origina il segnale utilizzabile per l’effettuazione della misura. In altre parole una acquisizione viene effettuata quando l’illuminatore è acceso (ciò che dà la certezza della ricezione del segnale luminoso utilizzabile per l’effettuazione della misura da parte del sensore e quindi della sua presenza nella “immagine” corrispondente), mentre l’altra viene effettuata quando l illuminatore è spento (ciò assicura che il segnale luminoso utilizzabile per l’effettuazione della misura non è ricevuto dal sensore e quindi non è sicuramente presente nella corrispondente “immagine” ). Perché questo sia possibile è necessaria una sincronizzazione tra lo stato deH’illuminatore (acceso o spento) e l’acquisizione delle due corrispondenti immagini. La individuazione dell’immagine del segnale luminoso utilizzabile per l’effettuazione della misura da parte del sensore è poi effettuata da un’unità di controllo mediante un procedimento di confronto per sottrazione delle due “immagini” acquisite nelle condizioni sopra descritte.

Il principale limite di queste realizzazioni note consiste nel fatto che è necessario stabilire una relazione o un collegamento tra illuminatore e ricevitore per poter associare con sicurezza la singola immagine acquisita con lo stato dell’ illuminatore. Ciò comporta la predisposizione di appositi mezzi idonei allo scopo che comportano una certa complicazione costruttiva delle apparecchiature per la misura degli angolo caratteristici delle ruote dei veicoli. Altre tecniche di eliminazione del “rumore” ambientale, peraltro limitate, prevedono l’abbinamento di illuminatori con particolari caratteristiche della luce emessa abbinati a filtri ottici predisposti davanti al sensore. Tali dispositivi presentano la limitazione di poter funzionare correttamente soltanto nel caso in cui il “rumore” ambientale non presenti componenti che abbiano caratteristiche uguali o simili a quelle della luce emessa dall’illuminatore. Scopo del presente trovato è propriamente quello di ovviare ai limiti ed alla manchevolezze della tecnica nota.

Un vantaggio del trovato in oggetto è rappresentato dalla sua sostanziale semplicità.

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 i grafici della situazione del ricevitore e dell’ illuminatore;

la figura 4 mostra grafici relativi all immagine prodotta sul sensore lineare, del segnale di scansione e quello che regola l’esposizione del sensore. 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.

11 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 effetuata la misura angolare. Nella fatispecie 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 deto dispositivo otico 7 che è perpendicolare al sensore lineare 5 nel suo punto medio (punto medio della riga di elementi fotosensibili 6). Atraverso la pluralità degli elementi fotosensibili o pixel contigui che formano il sensore otico lineare 5 è acquisibile una “immagine” del segnale luminoso costituita dall’insieme ordinato delle intensità delle radiazioni incidenti registrate sugli elementi fotosensibili stessi. La misura angolare è funzione diretta della distanza della deta “immagine” dall’origine per le misure delle distanze in direzione longitudinale definita dall’intersezione del deto asse di riferimento con l’asse longitudinale del sensore.

Secondo il trovato, la distinzione dal “rumore” ambientale del segnale luminoso emesso dall’illuminatore che deve essere utilizzato dal sensore lineare 5 per l’effetuazione della misura angolare, comprende.

- l’acquisizione di almeno due dete “immagini” in tempi noti diversi;

- il confronto tra le dete “immagini”;

- l’elaborazione dei dati emersi dal deto confronto mediante un procedimento convergente verso un risultato che definisce il “rumore” ambientale rendendolo distinguibile dal deto segnale luminoso o viceversa.

In particolare l’emissione del deto segnale luminoso, originato dal fascio luminoso prodotto dall’illuminatore, è intermittente con frequenza (anche solo approssimativamente) costante.

Secondo una forma di attuazione é prevista l’acquisizione di una pluralità delle dette “immagini” ad intervalli di tempo determinati in modo completamente casuale.

Un sufficiente numero di acquisizioni consente di avere a disposizione un numero di immagini da confrontare sufficiente al raggiungimento del risultato. Una variante della forma di attuazione descritta prevede che sia il segnale luminoso, originato dal detto fascio luminoso, ad essere intermittente con frequenza variabile nel tempo in modo totalmente casuale, mentre l’acquisizione di una pluralità delle dette “immagini” avviene ad intervalli di tempo costanti (con periodo o frequenza costanti).

Secondo un’altra forma di attuazione, conoscendo anche solo approssimativamente il periodo (costante), di emissione del segnale luminoso da parte dell’illuminatore si può prevedere di operare l’acquisizione di almeno due “immagini” ad un intervallo di tempo l’una dall’altra determinato in funzione del periodo di emissione del detto segnale luminoso. In particolare tale intervallo di tempo tra una detta acquisizione e la successiva è determinato in modo da non risultare un multiplo intero del periodo di emissione intermittente del detto segnale luminoso. Ciò consente di realizzare una delle acquisizioni in corrispondenza della fase di non emissione del segnale da parte dell’emettitore.

Si può anche prevedere che almeno una delle dette acquisizioni di “immagine” venga effettuata in condizioni controllate o note di rumore ambientale mediante una operazione di calibrazione così da determinare un “modello” (pattern o template) che viene memorizzato e utilizzato per il confronto con le “immagini” correnti ottenute con la(e) acquisizione(i) eseguita(e) nelle condizioni di impiego operative.

E’ anche previsto di operare l’acquisizione di almeno due dette “immagini” ad un intervallo di tempo l’una dall’altra determinato in funzione del periodo di emissione del detto segnale luminoso nonché l’acquisizione di una “immagine” “modello” (pattern o template) che viene effettuata in condizioni controllate, o note, di rumore ambientale mediante una operazione di calibrazione e memorizzata. Il successivo confronto viene effettuato tra la generica “immagine” corrente ottenuta con un’acquisizione eseguita in condizioni di impiego operative e le “immagini” acquisite nelle due modalità sopra descritte.

Il confronto tra le dette “immagini” può essere effettuato, ad esempio, per sottrazione.

Un problema che si può presentare è determinato dal fatto che nei normali sensori ottici il tempo di integrazione utile al fine di acquisire una immagine non è nullo, ma può durare alcuni millisecondi.

Se l illuminatore o sorgente cambia stato (da acceso a spento o viceversa) durante questo periodo di tempo, il ricevitore rileverà per quell’ immagine solo una frazione della potenza ottica della sorgente, frazione corrispondente alla porzione del tempo di esposizione durante la quale la sorgente è rimasta accesa. Questo risulta in una sequenza di immagini successive in cui la sorgente si presenta ad un livello intermedio, rendendo difficile una efficace sottrazione del rumore.

A questo si aggiunga che la relazione di fase tra sorgente e ricevitore non è fissata una volta per tutte, ma cambia lentamente a causa della tolleranza sulle frequenze degli oscillatori.

Il problema può essere risolto in modi diversi.

In un primo modo, (modo del ciclo a vuoto) la sorgente lampeggia ad una frequenza pari alla metà di quella massima consentita dalle prestazioni del ricevitore. Il ricevitore, da parte sua, campiona le due immagini utili alla sottrazione del rumore non in due cicli consecutivi, bensì attendendo un ciclo “a vuoto”, appunto, tra le due successive acquisizioni, (fig. 11)

Nel diagramma riportato superiormente in fig. 11 sono indicati schematicamente gli impulsi di sincronismo del ricevitore: il tempo incluso tra due impulsi consecutivi è il tempo di esposizione del sensore e anche il tempo utile al campionamento del segnale d’uscita. Nel diagramma inferiore di fig.

11 è indicato lo stato della sorgente (acceso/spento).

Durante i periodi indicati con B e D, il sensore non integrerà tutta la potenza della sorgente, con l’inconveniente sopraccennato.

Si può allora procedere in due modi.

Nel primo il sistema di acquisizione al ricevitore è progettato in modo da consentire una nuova coppia di acquisizioni solo dopo che è trascorso un numero dispari di cicli. Ciò garantisce che, anche in presenza della situazione indicata in figura, il sistema sia in grado di acquisire coppie valide a misure alterne, garantendo una prestazione accettabile anche se ridotta.

Nel secondo il sistema di acquisizione al ricevitore è progettato in modo da consentire una nuova coppia di acquisizioni solo dopo che è trascorso un numero pari di cicli. Inoltre, il sistema è in grado di rilevare quando la situazione anomala si verifica. In questo caso il sistema inserisce una sola volta un ulteriore ciclo a vuoto, in modo da sfasare stabilmente ricevitore ed emettitore. Questo garantisce una prestazione uniforme in qualsiasi condizione di sincronizzazione, al costo di una complicazione tecnica non trascurabile. Si può anche operare sfruttando uno scorrimento di fase.

In questo caso l illuminatore (sorgente) viene fatto lampeggiare ad una frequenza pari a quella massima consentita dalle prestazioni del ricevitore. Il ricevitore, da parte sua, campiona le due immagini utili alla sottrazione del rumore in due cicli strettamente consecutivi e fa si in che la relazione di fase tra sorgente e ricevitore cambi in modo significativo, così che la situazione anomala non si presenti stabilmente e per lunghi periodi di tempo.

Ciò può essere ottenuto, ad esempio, mantenendo leggermente diverse le frequenze base di ricevitore e sorgente, oppure attraverso l intervento esplicito del sistema di acquisizione che, intervenendo sul sistema di generazione dei sincronismi del ricevitore, ne faccia variare la fase rispetto all’ illuminatore sorgente, ad esempio aumentandone o diminuendone la frequenza base per un breve periodo. Questo intervento del sistema di acquisizione può avvenire periodicamente oppure in base alla rilevazione della situazione anomala, qualora sia possibile rilevarla.

Un ulteriore metodo non alternativo alla tecnica di sottrazione del rumore né al confronto con un “modello” o “template”, ma operante con esso per garantire immunità al rumore, é il controllo della esposizione del sensore di immagine. Il metodo infatti utilizza la possibilità di controllare la sensibilità del sensore di immagine controllando il tempo cui gli elementi sensibili sono esposti al segnale luminoso.

Questa é una prerogativa dei sensori lineari della ultima generazione; ad esempio in Fig. 9 sono indicati in 15 l’immagine prodotta dall’ illuminatore sul sensore su tutto l’assieme degli elementi sensibili, in 17 il segnale di scansione di tutto il sensore e in 16 il segnale che, in relazione alla scansione stessa, regola l’esposizione del sensore.

Secondo il ritrovato un’analisi del segnale ricevuto, una volta che sia stato ritenuto valido secondo le tecniche di ricerca sopra descritte, con una semplice operazione di integrazione nell’intorno del segnale stesso, consente di determinare se il livello del segnale é sufficiente o no per le elaborazioni, o se può essere aumentato agendo sul controllo dell’esposizione nel senso di aumentare la sensibilità del dispositivo per avere un segnale corretto; ciò é molto utile ad esempio per avere sempre lo stesso livello di segnale sia con autoveicoli il cui passo é molto grande sia con autoveicoli il cui passo é molto piccolo.

Un’altra possibilità é analizzare al di fuori del segnale utile, ma ad esempio nelle vicinanze di esso, il contenuto del segnale di rumore, decidendo ad esempio di ridurre l’esposizione del sensore in quanto il contenuto della luce ambiente potrebbe far pensare alla possibilità di saturazione del dispositivo. Il ritrovato pertanto, consentendo di variare l’esposizione del dispositivo in base ad un analisi del segnale utile e del rumore ricevuti, può adeguare il funzionamento del singolo goniometro alle mutevoli condizioni di luce ambiente, e rendere il sistema tollerante nei riguardi delle condizione geometriche (passo) dell’autoveicolo.

Il controllo dell’esposizione può avvenire in maniera separata per ciascuno dei goniometri 3 o 4 do figura 1.

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

RIVENDICAZIONI 1. Metodo per distinguere dal “rumore” ambientale il segnale luminoso utilizzato in un sensore ottico lineare di un goniometro, del tipo usato per la misurazione degli angoli caratteristici delle ruote degli autoveicoli, in cui il segnale luminoso è originato da un fascio luminoso che ha una direzione prestabilita rispetto alla quale è determinato l’angolo oggetto di misura (che é l’angolo formato tra detta direzione e un asse di riferimento del goniometro perpendicolare al sensore ottico lineare), il detto sensore ottico lineare essendo costituito da una pluralità di elementi fotosensibili o pixel contigui allineati attraverso i quali è acquisibile una “immagine” del segnale luminoso costituita dall’insieme ordinato delle intensità delle radiazioni incidenti registrate sugli elementi fotosensibili, la misura del detto angolo essendo funzione diretta della distanza della detta “immagine” dall’origine per le misure delle distanze in direzione longitudinale definita dall’intersezione del detto asse di riferimento con l’asse longitudinale del sensore, caratterizzato per il fatto che comprende: - l’acquisizione di almeno due dette “immagini” in tempi noti diversi; - il confronto tra le dette “immagini”; - l’elaborazione dei dati emersi dal detto confronto mediante un procedimento convergente verso un risultato che definisce il “rumore” ambientale rendendolo distinguibile dal detto segnale luminoso o viceversa.
2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato per il fatto che 1’emissione del detto segnale luminoso, originato dal detto fascio luminoso, è intermittente con frequenza (approssimativamente) costante; essendo prevista l’acquisizione di una pluralità delle dette “immagini” ad intervalli di tempo determinati in modo casuale.
3. Metodo secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato per il fatto che l’emissione del detto segnale luminoso, originato dal detto fascio luminoso, è intermittente con frequenza (approssimativamente) variabile nel tempo in modo casuale; essendo prevista l’acquisizione di una pluralità delle dette “immagini” ad intervalli di tempo costanti (con frequenza costante).
4. Metodo secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato per il fatto che 1’emissione del detto segnale luminoso, originato dal detto fascio luminoso, è intermittente con frequenza (approssimativamente) costante; essendo prevista l’acquisizione di almeno due dette “immagini” ad un intervallo di tempo l’una dall’altra determinato in funzione del periodo di emissione del detto segnale luminoso.
5. Metodo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato per il fatto che il detto intervallo di tempo tra una detta acquisizione e la successiva non è un multiplo intero del periodo di emissione intermittente del detto segnale luminoso.
6. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato per il fatto che almeno una delle dette acquisizioni di “immagine” viene effettuata in condizioni controllate o note di rumore ambientale mediante una operazione di calibrazione così da determinare un “modello” (pattern o template) che viene memorizzato e utilizzato per il confronto con le “immagini” correnti ottenute con la(e) acquisizione(i) eseguita(e) nelle condizioni di impiego operative.
7. Metodo secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato per il fatto che 1’emissione del detto segnale luminoso, originato dal detto fascio luminoso, è intermittente con frequenza (approssimativamente) costante; essendo previste: l’acquisizione di almeno due dette “immagini” ad un intervallo di tempo l’una dall’altra determinato in funzione del periodo di emissione del detto segnale luminoso nonché l’acquisizione di una “immagine” “modello” (pattern o tempiale) che viene effettuata in condizioni controllate, o note, di rumore ambientale mediante una operazione calibrazione e memorizzata; essendo previsto che il detto confronto venga effettuato tra la generica “immagine” corrente ottenuta con un’acquisizione eseguita in condizioni di impiego operative e le “immagini” acquisite nelle due modalità sopra descritte.
8. Metodo secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato per il fatto che il confronto tra le dette “immagini” viene effettuato per sottrazione.
9. Metodo distinguere dal “rumore” ambientale il segnale luminoso utilizzato in un sensore ottico lineare di un goniometro, del tipo usato per la misurazione degli angoli caratteristici delle ruote degli autoveicoli, secondo le rivendicazioni precedenti e secondo quanto descritto ed illustrato con riferimento alle figure dei disegni allegati e per gli scopi sopra citati.