CN101310189A - 用于测量物体相对于表面的运动速度的光学设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地面上的车辆的运动速度的传感器。所述传感器包括用于照明表面的照明构件(S1)和至少一个能够探测由表面返回的辐射的光传感器(C1)。照明构件和光传感器具有相同的光轴(A1)，其相对于表面倾斜。此设置消除了使传感器发眩的镜面反射的风险并避免了由传感器相对于地面的高度中的变化对测量的扰乱。

Description

用于测量物体相对于表面的运动速度的光学设备

本发明涉及用于测量一个物体相对于另一个物体的相对运动的速度的设备，并且更精确地，涉及针对沿表面运动的物体的速度传感器，该表面基本上是平的(无论如何都是局部平的)并且光学上是有纹理的(即，不均匀的)。

本发明能够应用于多种环境中，并且将首先结合证明此传感器在其中尤其有益的环境来解释此发明。此环境是通过光学地观测车辆下面的地面的通过来测量机动车辆的速度：传感器安装在车辆下面。

用于驱动车辆的速度传感器最通常地基于测量车轮的旋转速度，但是它们不是非常精确的，因为总是存在关于车轮的直径的不确定性(取决于轮胎的磨损和波动水平)和关于车轮的旋转是否无滑动的不确定性(打滑和对车轮缺少控制(grip)是扰乱测量的滑动的原因。此外，这些传感器慢，因为仅通过积分脉冲速度才可用，并且当车辆慢行时，脉冲具有很低的重复率。

这就是为什么已经提出将光传感器连接到车辆的下面，该光传感器观测地面相对于车辆的运动并以此推导出车辆的真实速度。由于表面(例如，柏油)的粗糙，地面总是具有高对比度的光纹理。如果车辆向前运动，观测由光源照明的道路的小区域的光敏元件将看到光通量作为此纹理的函数变化。通过成功地测量由在车辆的运行方向上纵向地偏移的两个相同的传感器接收的信号的部分之间的关联并且由此在不同的时刻观测地面的相同部分，如果传感器之间的距离是已知的，找出容许推导车辆相对于地面的速度的最佳关联是可能的。

一种简单的解决方案在于用垂直指向路面的光束投射光斑到道路表面上，并且在于观测在源的方向上反射或散射的光。这样，当地面的反射太高时，发生了困难：光在平面反射面上的镜面反射使传感器发眩(dazzled)并且观测的图像不可用。特别在道路潮湿时，是这种情况：即使镜面反射的强度仅是源发射的强度的3％，对传感器来说，这仍然太多，传感器必须探测由不潮湿的地面或水层下面的地面背向散射的非常弱的照明。

为了解决此问题，一方面，已经提出了基于信号处理的解决方案，例如消除不是来自观测的地面纹理而是来自覆盖所述纹理的水层的信号的部分。由于观测的条件的高度可变的性质，这些解决方案不是非常有效的。

还提出了使用光隔离器，这，从光偏振条件开始(对于由水产生的镜面反射和由地面产生的背向散射，这些是不同的)，容许移除不需要的反射光。这些隔离器(偏振分束器)在该信号中产生显著的强度损耗，使得它们难于被利用。

另一个方案在于倾斜光发射相对于地表面的方向。接收器经由轴垂直于地面的光学器件来观测地面，但是源倾斜地照明地面。如果有水，则镜面反射的光线也是倾斜的并且不到达接收器。仅由地面垂直地背向散射的光线被接收器观测到。通过相对于观测轴倾斜照明轴来消除镜面反射的此技术类似于在显微镜学中使用的暗场照明技术。

然而，已经注意到，在设想的测量车辆相对于地面的运动速度的应用中，此暗场照明技术是不令人满意的。当传感器和地面之间的距离不恒定时，引起了一个缺点。如果该距离相对于观测为最佳的理论距离太大或太小，则源在相对地面倾斜的轴上产生的光斑不再在接收器下面，并且具有相对窄的接收器缝隙的接收器光学器件将不再“看到”光斑。可选地，这样需要大大增大光斑的大小并且随后的关联变得更困难，并且另外，必须对应地增大光源的功率。因此，在距离不固定的环境中，不能接受此解决方案。这正是路面上的车辆的情况下所发生的。

欧洲专利EP0562924描述这样的解决方案：倾斜照明，垂直观测。

当然，原理保持相同，如果垂直地照明地面，而倾斜接收器的观测轴，则具有相同的缺点。

现有技术(US2003/0034959)中还提出了分析计算机的光鼠标的运动的构件，其使用图像传感器和由传感器在鼠标运动时所探测的连续图像的空间关联。通过找出所有可能的运动方向中的最佳关联来实现找出图像移动的方向。

本发明的目的是提出一种设备，用于通过光学构件从对物体相对其运动的表面的观测来测量速度，即使设备和表面之间的距离变化并且即使表面由具有显著镜面反射的透明层覆盖，此设备也能够精确地运作。这里，镜面反射被认为是显著的，即使其仅表示几个百分数。

根据本发明，提出了一种设备，用于通过光学构件从对物体相对其运动的表面的图像的观测来测量物体的速度，该设备包括：照明构件，用于照明所述表面；至少一个光传感器，能够探测由所述表面返回的辐射并且提供所述表面的图像；以及用于关联这些图像的构件，其特征在于：所述照明构件和所述光传感器具有相对于所述表面倾斜的同一光轴，其倾斜度足够使从源发射并且从所述表面镜面地反射开的辐射不被所述传感器获得。

所述光传感器包括光学***，容许在窄的缝隙角度观测由所述照明构件形成的光斑照明的所述表面的区域。相对于法线的倾斜角度选择得足够使从源发射并从所述表面镜面反射开的辐射不被所述光传感器所获得。

所述测量器件能够包括两个光组件，每一个包括：光源，提供沿相对于观测面倾斜的确定的轴的窄光束；及关联的光传感器，用于接收由所述表面背向散射的光。源具有平行光轴并且每个传感器的光轴与与其关联的源的光轴一致。所述传感器的光轴由距离D分开并且提供了时间关联构件来确定时延，该时延提供从一个传感器发射的信号和其它传感器的时间延迟的信号之间的最大关联。

为了获得与光传感器的轴共轴的光束，优选地设置小的反射镜，放置在所述光传感器的输入透镜的一个面的中心，此反射镜由相对于所述轴线侧向地到达的光束照明，此光束由此反射镜返回到所述传感器的轴。

光源可以特别是激光源或发光管，可能与束整形光学器件相联系以给予形成在地面上的光斑以期望的形状和大小。

光传感器还能够提供在两个不同时刻拍摄的两个图像，并且所述关联构件(correlation means)能够实现(effect)所述图像之间的空间关联，以通过确定提供所述移位的图像之间的最佳关联的图像的相对移位来确定此两个时刻之间传感器的相对运动。

探测器可以是矩阵(matrix)探测器，并包括n×m个探测器元件，n和m是整数，其中至少一个大于1，对于空间关联就如对于时间关联。

利用有n×m个探测器元件(n×m＞1)的探测器，能够定义能够提供表面的第一和第二图像的探测器元件的至少第一和第二子集，这些图像的关联是时间的，也就是说寻求最大化该关联的图像之间的时延。

在阅读参照附图给出的详细说明后，本发明的其它特点和优点会显现出来，其中：

图1示出了针对物体相对于平的表面的运动速度的传感器的已知原理；

图2示出了修改设备和表面之间的距离的影响；

图3示出了根据本发明的探测设备的原理；以及

图4示出了具有输入-输出棱镜的变形实施例。

图1示意性地回顾通过对物体20在其上运动的表面10的光学观测来测量速度的原理。物体20携带测量设备，其通过光学地观测表面10的通过来工作。预期的主要应用是测量在地面上运行的车辆的速度，并且因此，物体20表示车辆的底盘并且表面10表示道路，测量设备固定于车辆的底盘下并且朝下以观测道路。应当理解，如果物体20是静止的，而表面10在运动，原理是相同的。例如，表面可以是织物带、金属片等，其相对于支撑用于测量速度的设备的静止框架的运行速度是要被测量的。下述所有都将主要讨论地面的表面10、为运行的车辆的物体20，但是应当理解，本发明不限于此应用。

测量设备包括两个光学组件，距离D将它们彼此分开。第一组件包括光源S1，其将窄光束B1向地面导引以在地面上产生小的光斑F1。束B1的轴的方向与表面10不垂直。它是倾斜的并且与地面的垂线形成入射角A1。第一光学组件还包括正好放置在斑F1上的光传感器，其观测垂直于表面10的方向上的斑。光传感器包括光电接收器(例如，光电二极管或线阵列或矩阵形式的数个光电二极管)和聚焦斑F1的图像到接收器上的光学***。至少由一个聚焦透镜组成的光学***具有垂直于表面10的光轴，因此与离开光源的束B1的轴形成角A1。对于从离开表面10的束B1的镜面反射发射的光，在这是部分反射的情况下，角A1足够大，使得该光不能到达光传感器，并且因此不能，或几乎不能，投射到光电接收器上。应当理解，角度A1的最小值取决于传感器的光学***的缝隙并且还取决于束B1的宽度。

例如，对于25mm直径的输入透镜，选择角度A1大于至少2°(针对传感器和表面之间约200mm的距离)。然而，如果表面不平滑，角度A1仍然必须较大，以便没有由于镜面反射(在更张开的锥中产生)的束到达传感器。在前述示例中，并且如果表面具有道路人行道的粗糙度，则角度选择为约为10°。

在简单示例中，第二光学组件可以与第一光学组件相同，并包括在地面上产生窄光束B2和斑F2的源S2，以及轴垂直于表面10的光传感器C2。窄束B2的入射角与束B1的入射角具有相同的值A1。

第一传感器在时刻t观测地面的纹理的图像，并且如果物体在虚构的分开两个传感器的光学中心的线的方向上运动，则第二传感器在时刻t+dtm观测相同的图像，其中dtm等于D/V，这里V是车辆的速度而D是分开传感器的光学中心的距离。

本设备包括信号处理电路，其能够测量一个信号的时间采样与相同的持续期间的但由时间间隔dt0、dt1、dt2等延时的另一个信号的时间采样的时间关联。信号是数字采样的，以执行这些关联测量。

比较了多个关联的测量并且观测最大关联的时间间隔是接近值dtm的值，从dtm计算车辆的速度：V＝D/dtm。

图1中未示出信号处理电路。

图2示出了当车辆底盘和地面之间的高度不是光传感器的光轴正好垂直于光斑F1或F2的最佳值时产生的困难。如果高度变为H’，斑F1运动到斑F’1并且光传感器开始沿着垂直轴观测难以分析的未照明区域。

图3示出了根据本发明的测量设备的原理。同样的标记用于与图1中相同的元件。

又有两个光学组件E1和E2。组件E1的光源S1再次产生相对于地面的法线以角度A1倾斜地入射的窄束B1，并且此束在地面上产生窄的光斑。组件E1的光传感器C1的光轴与束B1的光轴一致。由地面向光传感器C1背向散射的光由沿此光轴的光传感器C1收集。其在图3中通过宽束R1示出。

这里通过透镜L1和光电探测器D1示意性地示出了光传感器。探测器可以包括一个或并置的多个探测器元件(比如光电二极管)，以形成线阵列或矩阵。

为在与光传感器C1的接收器的轴相同的轴(其是透镜L1的光轴)上传输发射的束B1，一个解决方案是相对光传感器侧向地定位源S1并且放置低表面面积的小反射镜M1在透镜L1的中心。此反射镜必须反射最大的源光量，以便基本将所有源光发送回地面。另一方面，反射镜不准遮蔽(eclipse)透镜的显著部分，并且这就是为什么与透镜的大小相比其大小必须小，以便最大的背向散射光到达传感器。这是可能的，特别是，如果源是激光源。可以在源和反射镜(特别是凹透镜)之间设置针对激光源的束整形光学器件(未示出)，以稍微放大激光束，容许将在地面上产生的光斑F1的面积调整为期望的大小。还可以在输入透镜L1的焦平面上加入光阑(diaphragm)以提高速度测量的精度。

图3示出了与组件E1相同的具有光源S2、传感器C2(透镜L2、探测器D2)、反射镜M2的光学组件E2，反射镜M2用于以与束B1相同的入射角将源的束B2返回到地面(斑F2)。

电子处理的原理与图1中的相同：具有从两个探测器发射的信号之间的不同的时延的多重信号关联和寻求提供最佳关联的时延dtm，然后通过用最佳时延dtm除分开传感器的水平距离D来计算水平速度。在处理电路CT中实现电子处理，CT可以设置在组件E1或E2中或靠近它们，或者甚至是还实现其它功能的车载计算机的部分。

根据本发明的设置，不仅消除了道路潮湿时的镜面反射(其能够选择足够大的角A1)，而且不再存在光学组件和地面之间的高度中的变化的风险的任何麻烦，因为无论高度是多少，光传感器总是观看光斑的方向。

例如，可以选择10°和15°之间的倾斜角A1，但是只要针对两个光学组件此值相同，则它不是关键的。角度越大，越多的镜面反射被消除，但是太大的值减少了正确观测地面的机会。

在前述中，假设光学组件是相同的，并且假设斑F1和F2是点状的并且与每个光学组件相联系的探测器仅包含单个探测器元件。在这种情况下，应当理解，仅在将第一点状的斑F1与第二点状的斑F2分开的方向上能够测量速度。因此，如果存在垂直于此方向的速度分量，则第二斑F2有不能照明先前由第一斑照明的道路的部分的风险，并且获得关联峰值将不可能。因此，优选地，光斑中的一个，例如斑F2，不是点状的，而是在地面上在垂直于车辆运动的主方向的方向上线性地延伸。这样，探测器D2包括线性探测阵列，其包括多个在垂直方向上对准的像素，例如，在大约30mm范围分布的大约100个像素。分别处理每个像素并将其与来自探测器D1的信号关联。在执行的所有关联中寻求最佳关联(如先前解释的，利用D2的多个像素并且针以不同的时延针对D2的每个像素)。这样确定了D2的像素和提供最佳关联的时延，其容许不仅确定速度值，而且确定此速度的方向，从而不仅考虑车辆方向上的有意的变化，而且考虑归因于打滑的滑动。

此外，还应注意，为了精确地确定车辆的两个速度分量，能够将一个传感器设置为具有与车辆的主运动方向对准的多个像素的线阵列(并且将源设置为在此方向上提供扁平的和窄的束)并将另一个传感器设置为具有在垂直方向上对准的多个像素的线阵列(并且将对应的源设置为在此垂直方向上提供扁平的和窄的束)。

在图3中，假设以规定相对于底盘的角度A1的固定机构将光学组件安装在底盘上，使得传感器的光轴相对于地面确实具有期望的入射角。在图4中，指示了稍微不同的可能：实际传感器的光轴是垂直的并且棱镜PR1(用于组件E1)将束偏转角A1。这里的考虑是装配到车辆、容许将组件垂直安装的方面。在任何情况下，车辆和地面之间的发送和接收的光轴具有倾斜的入射角A1。棱镜可以由执行相同功能的其它光学元件(例如，衍射光学器件)代替。

为了小型化或紧凑，仅使用单个源(例如S2)并去掉其它源(S1)是有益的。在这种情况下，必须使用附加的和特定的光学器件，以便从S2发射的束能够部分地通过反射镜或棱镜M2，然后，以多种方式返回，传播直到反射镜或棱镜M1，从反射镜或棱镜M1它被返回到斑F1，产生源S1的等同源。

小型化组件的另一个方式是使用矩阵探测器，其中，规定探测器元件的两个子组件用作探测器D1和D2。在这种情况下，仅使用单个光源是非常有益的。

最后，将本发明应用于在上述现有技术中提出的空间关联的***中是有益的(关于计算机的光鼠标的运动的探测)。在该***中，观测在两个不同时刻由传感器拍摄的连续图像，并且在多个方向上并以多个幅度计算图像中的一个和另一个之间的关联，以便确定哪个图像移位提供图像之间的最佳关联。速度从此移位推导出。

Claims (11)

1、一种设备，用于通过光学构件从对物体(20)相对其运动的表面(10)的图像的观测来测量所述物体的速度，该设备包括：照明构件(S1)，用于照明所述表面；至少一个光传感器(C1)，能够探测由所述表面返回的辐射；以及用于关联这些图像的构件，其特征在于：所述照明构件和所述光传感器具有相对于所述表面倾斜的同一光轴(A1)，其倾斜度足够使从源发射并且被所述表面镜面地反射开的辐射不被所述传感器获得。

2、如权利要求1中所述的测量设备，其特征在于，所述光传感器能够提供在两个不同时刻拍摄的两个图像，并且所述关联构件能够实现图像之间的空间关联，以通过确定提供移位的图像之间的最佳关联的图像的相对运动来确定此两个时刻之间所述传感器的相对运动。

3、如权利要求2中所述的测量设备，其特征在于，所述探测器是矩阵探测器，并包括n×m个探测器元件，n和m是整数，其中至少一个大于1。

4、如权利要求1中所述的设备，其特征在于，所述探测器包括n×m个探测器元件，n和m是整数，其中至少一个大于1，所述探测器被分成能够提供所述表面的第一和第二图像的探测器元件的至少第一和第二子集，并且其特征在于，所述关联构件能够建立这些图像之间的时间关联。

5、如权利要求1中所述的设备，其特征在于：所述照明构件包括两个不同的源，所述光传感器包括两个不同的探测器，每一个源与分别的探测器相联系，并且由所述探测器提供的图像之间的关联是关于时间的关联。

6、如权利要求5中所述的设备，其特征在于，所述源具有平行光轴。

7、如前述权利要求中的一个所述的设备，其特征在于，所述光传感器包括输入透镜和小的反射镜，该反射镜粘接在所述透镜的中心，以沿所述传感器的轴返回相对于此轴侧向地到达的束。

8、如权利要求7中所述的设备，其特征在于，所述输入透镜在其焦平面上包括光阑。

9、如前述权利要求中的一个所述的设备，其特征在于，所述光源是激光源或发光二极管。

10、如权利要求9中所述的设备，其特征在于，所述光源与束整形光学器件相联系，以给予形成在地面上的光斑以期望的形状和大小。

11、如前述权利要求中的一个所述的设备，适用于探测在地面上运动的车辆的速度。

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