专利名称：位移速度测量方法
技术领域：
本发明涉及用于通过固定于移动元件和固定元件之一的光学测量装置来 测量移动元件相对于固定元件的位移速度(displacement speed)的方法，并且， 该光学测量装置包括用于沿着另一个元件的方向发出至少一个入射光束的 部件；第一和第二传感器，其检测由该另一个元件散射(diffose)的光；以及处 理部件，其连接到所述传感器，该测量方法至少包括
-发出入射光束，
-检测由所述第 一和第二传感器散射的光，
-由处理部件通过将由第一和第二传感器提供的信号相关，而确定最大相 关峰值的位置，
-根据第一和第二传感器之间的预定距离、以及所述最大相关峰值的位 置，而确定所估计的速度。
背景技术：
为了测量移动元件相对于固定元件的位移速度，例如地面上机动车的纵 向位移速度，传统上，使用利用了光学相关测量的光学测量装置。如图l非 常示意性地表示的，例如，固定在车体下的测量装置沿着位移轴A而移动。 传统上，该测量装置包括用于沿着地面的方向发出至少一个入射光束的部 件(未示出)；位于朝向车辆前部的第一基准传感器R;以及位于朝向车辆后部 的第二测量传感器M。这两个传感器R与M被设计用于检测由地面散射的光。 该测量装置还包括连接到传感器R与M的处理部件，其被设计为确定车辆 位移速度，其中，已知基准传感器R与测量传感器M之间的距离D。
使用这样的光学测量装置的位移速度测量方法至少包括
-向地面上发出入射光束；
-由第一传感器R和第二传感器M检测由地面散射的光； -例如，通过将传感器R与M所才是供的信号相关，由处理部件确定最大 相关峰值的位置；-根据分离基准传感器R与测量传感器M的预定距离D、以及所述最大 相关峰值的位置，确定所估计的位移速度Ve。
为了在确定最大相关峰值的位置时保留良好的精度，优选地，控制由传 感器R与M接收的信号的采集频率Fe，其也是相关函数采样频率。控制该 频率使得最大相关峰值能够总是被设置在与相关函数的点相对应、并被定义 为n巧xFe的指标n附近，其中，T是延迟时间，而Fe是采样频率。
然而，T=D/Ve，且Fe々e/5,其中Ve是所估计的速度，且5是测量装 置的空间分辨率。指标n则根据下述公式被表示为n=D/5。因此，指标n 是独立于速度Ve的常量。无论所估计的速度Ve是多少，最大相关峰值总是 处于此点n。
然而，对于非常高的位移速度、或对于非常低的空间分辨率5，可能会 达到测量装置的技术极限。例如，测量传感器M是一个具有2. 5 MHz时钟且 最大采集频率速率(acquisition frequency rate)为40 kHz的64个基本纟且 件或像素的光敏二极管阵列。如图2所示，其图解了以km/h为单位表示的速 度V对以誦为单位表示的空间分辨率5 ，其中信号采集频率为10 kHz、 2 0 kHz 、 30 kHz、 40 kHz、 50 kHz、 60 kHz、 70 kHz、 100 kHz和150 kHz,其中，对 于所需要的1 mm的空间分辨率，/人150km/h开始，到达40 kHz的最大频率。 因此，根据所需要的空间分辨率，这样的测量方法并不能够高速进行测量。
此外，当采集频率恒定时，当速度增加时，最大相关峰值指标n减小。 这导致在确定所估计的速度时的精度损失。例如，这导致测量中的大的变化， 从而导致大的不精确，尤其是当记录速度梯度(speedgradient)时(图3)。
如图3所示，其图解了以km/h为单位表示的速度V对时间t,其中最大 采集频率为9kHz,且空间分辨率为1.5 mm,由于在每个测量瞬间，所估计 的速度值变化很大，所以，车辆的速度梯度的记录并不精确。例如，与在速 度110 km/h处的釆样相关联的精度大约为4 km/h。
通常，上面所描述的测量的不精确源于相关函数的次采样(sub-sampling), 其导致在确定最大相关峰值的位置时的大的不精确。为了弥补这些缺点，已 提出了几种测量技术，特别是与印刷电路定位应用相关的文档US 2002/0199164、以及与光学鼠标相关的US 6823077。
第一个方法涉及使用插值技术。第一示例提出了通过传统技术，即， 多项式(polynomial)、质心(barycenter)、样条(spline)、立方(cubic)等等，对与呈现最大幅度的一个样值接近的两个、三个或四个样值进行最大相关峰值位 置的插值。然而，最大相关峰值的形状可能与由插值方程所描述的数学对象 的形状不同。例如，多项式插值使得图3的测量变化被略微地削弱，但并不 能使它们消除。
插值技术的另一个例子提出了通过识别其导数的过零点，而搜寻并定 位最大相关峰值。该技术利用之后更易于过滤的一阶(order l)插值。然而，实 际上，证明难以实时执行对以这种方式计算的估计的令人满意的过滤。
第三种插值技术的例子提出了 通过将与实际速度的偏差列表(tabulate) 而补偿插值误差。然而，该方法带来所估计的速度值的额外的不精确。
第二种方法包括补偿由限制采集速率(其中，所搜寻的速度的量级是先 前已知的)而引入的最大相关峰值的延迟时间。该方法可通过以下步骤来执 行
-在已计算了所采样的相关函数、并已为所需的分辨率估计了最佳的采集 频率之后，恰好在计算速度之前对最大相关峰值指标n移位，
-或者，估计最大相关峰值将被移位多少滞后样值，并将该移位应用到处 理部件，具体地，在输入到与处理部件关联的相关器的一个或两个通道上。
然而，实际上，上面所描述的技术是对要被补偿的差异估计的精度非常 敏感的方法。即使改进了最大相关峰值位置的精度，仍存在与确定所估计的 速度有关的精度问题。
第三种测量方法包括在计算相关性之前，在最佳采集频率上对来自传
感器R和M的信号重新插值(re-interpolating),其中所搜寻的速度的量级是先
前已知的。然而，该方法对于所搜寻的最佳采集频率的预计的质量过于敏感，
并且证明是有些低效。
第四种测量方法包括执行所计算的所估计的速度的后处理。然而，在
不具有过大的存储器的情况下实时应用的传统的平滑滤波器并不能使速度跳 跃被平滑，后者过于陡峭。
第五种测量方法包括在处理部件的级别，减小时间采集谱(time acquisition spectrum),以帮助最大相关峰值的定位。由于最大相关峰值的宽度 与相关信号的谱带成反比，所以，通过对在处理部件的级别对相关器的输入 进行低通滤波，增大了最大相关峰值的宽度，且因此有助于插值。然而，证 明难在实践中构建不考虑所搜寻的速度的有效的滤波器。这证明了太粗略会导致出现次采样的问题，而太精细会导致相关性变得过密，这都将导致在 速度估计时的误差。
通常，已知的测量技术或方法均不能允许进行精确的速度测量。
发明内容
本发明的目的在于补救上述缺点的所有障碍，且目的在于实现用于测量
移动元件相对于固定元件的位移速度的测量方法，其使得能够容易且精确地
确定移动元件的速度，而无论速度的幅度和实现这样的测量方法的装置的空 间分辨率的量级如何。
根据本发明，通过所附权利要求、且更特别地通过下述事实，而获得该
目的光学测量装置包括第一基准传感器、以及基本上沿着移动元件的移动 轴排列的多个不同的第二测量传感器，该测量方法包括
-根据由基准传感器和每个测量传感器提供的信号，来确定所估计的速
度；
-以及计算所估计的速度的平均速度。
的特定实施例的描述中，其它的优势和特征将变得更加清楚和显而易见，其 中
图1非常示意性地表示实现根据现有技术的位移速度测量方法的光学测 量装置。
图2是表示对于才艮据现有技术的测量方法的不同采集频率，速度对空间 分辨率的图。
图3是表示根据图1与图2,当记录测量方法的速度梯度时的速度对时 间的图。
图4非常示意性地表示实现根据本发明的位移速度测量的方法的光学测 量装置。
图5非常示意性地表示实现本发明中位移速度测量的方法的可替换实施 例的光学测量装置。
图6是表示对于根据图4和图5的测量方法，对于测量传感器的所估计的速度和这些所估计的速度的平均速度，所估计的速度对实际速度的图。
图7是图解根据图4到图6的测量方法，所估计的速度上的最大相对误 差对测量传感器的数量的图。
图8是表示当记录根据图4到图7的测量方法的速度梯度时，速度对时 间的图。
图9非常示意性地表示实现本发明的位移速度测量的方法的可替换实施 例的测量装置的传感器。
具体实施例方式
为了解决现有技术的测量方法所引发的问题，第一个解决方案可包括 通过增加处理部件相关器的计算基数(calculation base),即，通过移位测量传 感器M,来补偿延迟的减小(与速度增加的事实相联系)。例如，考虑到测量 传感器M是沿移动轴A的纵向方向放置的光敏检测器阵列，必须使用相对长 的阵列来增加相关器基数(correlator base)。例如，通过将釆集频率限制在40 kHz,以在直到400km/h的速度下将精度保持在1.5%，相关基数必须加倍， 也就是，需要大约180 mm的光敏检测器阵列。然而，由于被点亮的(lighted) 光敏阵列必须使用过长的距离，所以，该解决方案在技术上不是有前景的。
参考附图，根据本发明的测量方法包括使用沿移动轴A、基本上在移 动的纵向方向排列的基准传感器R和多个不同的邻近的测量传感器Mi,其中 i大于或等于2。该测量方法还包括使用与前面同样的原理，根据由基准传 感器R和每个测量传感器Mi所提供的信号，确定所估计的速度Ve(Mi)。最 后，该测量方法包括计算预先计算的不同的所估计的速度Ve(Mi)的平均速 度Vmean。通过计算这些所估计的速度Ve(Mi)的平均值，随后，由于通过每 个测量传感器Mi估计的延迟的离散化而造成的误差则被抵消。
在图4中，实现这样的测量方法的光学测量装置的特定实施例包括基 准传感器R和四个测量传感器Ml至M4(i的范围为/人1到4)。例如，传感器 R和Ml到M4可以是电荷耦合器件(CCD)型的光敏阵列，且基准传感器R与 每个测量传感器Ml到M4之间的距离Dl到D4是已知的。
该测量方法包括利用这样的测量装置，根据由基准传感器R和每个测 量传感器Mi提供的信号，而确定所估计的速度Ve(Mi)。在图4的特定实施 例中，该方法包括为每个测量传感器Ml到M4确定四个所估计的速度Ve(M 1) 、 Ve(M2) 、 Ve(M3) 、 Ve(M4),并确定四个所估计的速度Ve(M 1 )到Ve(M4) 的平均速度Vmean。
图5中的可替换实施例与图4中的考虑到测量传感器Mi而确定所估计的 速度Ve(Mi)的实施例不同。在图5中，该测量装置包括单个测量传感器M。 例如，基准传感器R和测量传感器M可为由多个基本元件或像素构成的光敏 阵列。四组连续且相邻的基本组件組成测量传感器M1、 M2、 M3、以及M4， 基准传感器R和测量传感器M1到M4之间的距离Dl到D4是已知的。每个 测量传感器Mi可包括单个基本组件或多个相邻的基本组件，如图5所示。通 过计算预先为每个测量传感器Ml至M4计算的所估计的速度Ve(Ml)、 Ve(M2) 、 Ve(M3) 、 Ve(M4)的平均值，以与前面同样的方式执行平均速度Vmean 的确定。
通常，基准传感器R和/或测量传感器Mi可由n行m列的基本组件矩阵 的至少一部分形成，其中n和m大于或等于1。如图9中示意性地表示的， 测量传感器Mi可由包括例如四行11到14六列cl到c6的基本组件矩阵形成。
特别地，使用这样的基本组件矩阵使得测量方法的可行性能够得以改进。 事实上，处理基本组件的大表面而不是分离的元件将更加容易。测量方法的 精度也得以改进，因此，矩阵的基本组件相互对齐。此外，这样的测量方法 的成本得以优化，使用完整的基本组件的矩阵比阵列的制作或矩阵的切割更 加经济，并且，只要有可能累积由大量的不同的传感器检测的大量的光，该 测量方法的操作便也得到优化。
通常，根据现有技术的测量方法建议进行多次测量，但总是考虑同一测 量传感器M。这导致在每次测量中出现相同的误差。才艮据本发明的测量方法 建议进行多次测量，但在每次新的测量上考虑不同的测量传感器Mi。为每个 测量传感器Mi计算相应的所估计的速度Ve(Mi)会存在误差，但这通过由所 有测量传感器Mi的所估计的速度Ve(Mi)的计算所产生的误差的集合而被补 偿。随后，这些所估计的速度Ve(Mi)的平均值使得每个传感器Mi的误差得 以减小、或甚至被补偿和完全消除。
实际上，如图6所示，其表示对于21个不同的测量传感器Ml到M21 的所估计的速度Ve(以km/h为单位)对实际速度Vr(以km/h为单位)，对于包 括在250 km/h与255 km/h之间的实际速度Vr、且约为40kHz的极限采集频 率，来测量所估计的速度Ve(Mi),其中i的范围从1到21。
8对于所估计的速度Ve(Mi)的每个值，其中i的范围从1到21，所估计的 速度Ve(Mi)的估值每个稳态(plateau)跳跃几km/h。该稳态与每个所估计的速 度Ve(Mi)基本相等，且基本上对应于在图3的速度梯度上观察的测量变化的 幅度量级。例如，在图3的特定实施例中，该稳态大约是4km/h。
对于不同的测量传感器Mi,在相同的实际速度下，并不出现此离散稳态。 例如，在实际速度250 km/h与251 km/h之间，在图6中被表示为细实线的所 估计的速度Ve(Ml)由248 km/h变为大约253 km/h。在实际速度251 km/h与 253 km/h之间，在图6中被表示为虚线的所估计的速度Ve(M5)由249 km/h 变为254km/h。在实际速度255 km/h与257km/h之间，在图6中也净皮表示为 虚线的所估计的速度Ve(M19)由251 km/h变为大约256 km/h。
因此，对于所有测量传感器Mi,在相同的速度并不出现此离散化效果， 基准传感器R与测量传感器M1到M21之间的距离Dl到D21均不相同。通 过使用不同的传感器R和Mi,该稳态被移位，并且，补偿在每个测量传感器 上观察到的误差，以给出基本上平直的平均速度Vmean,其在图6中由粗黑 线表示。该平均速度Vmean逼近使实际速度和所计算的速度一致的理想的理 论线。
因此，考虑多个所估计的速度Ve(Mi)来确定平均速度Vmean的这种测量 方法使得误差显著减小。如图7所示，其图解了考虑了平均速度Vmean的计 算的、速度的最大相对误差E对所估计的速度的数量N，其中，在对应于单 个测量传感器的单个所估计的速度所观察的最大相对误差(由粗实线所代表) 约为1.6%,也就是，对于速度为400km/h,约为6km/h。对于使用同一测量 传感器作出的每次测量，该误差是持续的。另一方面，当使用五个不同的传 感器产生至少五个所估计的速度时，可注意到，相对"i吴差E下降到5%以下， 逼近4%，并且，利用21个所估计的速度甚至能够下降到3%。
特别地，此误差减小现象被表现为测量变化的几乎完全的衰减、以及 速度估计中更高的精度。在图解速度对时间的图8中，当记录与图3中相同 的特征的速度梯度时，也就是，利用9kHz的最大采集频率、以及1.5mm的 空间分辨率，在已计算了平均速度Vmean之后，8个所估计的速度值(以及由 此的8个测量传感器Ml到M8)将使得能够获得更加平滑且更加精确的曲线。 实际上，将根除与在110 km/h的采样相联系的不精确。
无论使用什么测量传感器Mi，这样的测量方法因此将使得能够在估计移动元件相对于固定元件的速度中获得非常高的精度。此外，根据由每个测量 传感器作出的正确的估计的数量，这样的方法为用户提供了给出计算的估值 的可靠性的指标的可能性。
例如，如果从利用N个传感器Mi获得的N个速度估计相似(排除离散误
差)，则该方法给出可靠性指标N，且如果利用N个传感器Mi中获得的N个 速度估值中只有一个看起来是正确的，则该方法给出可靠性指标1。
本发明并不限于上述的不同实施例。当不限制采集频率时，该测量方法 也能够被应用，以便改进估计精度。
此外，可如图1、 4和5所示而排列实现一个这样的测量方法的光学装置 的基准传感器R与测量传感器Mi，或者也可以基本上垂直地排列它们。例如， 基准传感器R与移动轴A垂直放置，且测量传感器Mi沿与基准传感器R相 垂直的移动轴A放置并对齐。特别地，这样的配置使得除了纵向速度以外， 还能够测量移动元件的横向速度。
特别地，这样的方法可用于测量地面上的机动车的速度，其中，不同地， 该测量装置被固定在地面上或在机动车的下侧。另一个应用可为计算生产 线上的对象的运行速度和高度(所制造对象的最终拣选、识别等等)。另一个应 用还可为测量纺织品生产线(纺纱、织布、压实机等等)上的线或杆的运行速 度。
权利要求
1、一种通过固定于移动元件和固定元件之一的光学测量装置来测量移动元件相对于固定元件的位移速度的测量方法，并且，该光学测量装置包括用于沿着另一个元件的方向发出至少一个入射光束的部件、检测由所述另一个元件散射的光的第一(R)和第二(M)传感器、以及连接到所述传感器(R、M)的处理部件，该测量方法至少包括-发出入射光束，-检测由所述第一(R)和第二(M)传感器散射的光，-由处理部件通过将由第一(R)和第二(M)传感器提供的信号相关，而确定最大相关峰值的位置，-根据第一(R)和第二(M)传感器之间的预定距离(D)、以及所述最大相关峰值的位置，而确定所估计的速度(Ve)；该方法的特征在于，该光学测量装置包括第一基准传感器(R)和基本上沿移动元件的移动轴(A)排列的多个不同的第二测量传感器(Mi)，该测量方法包括-根据由基准传感器(R)和每个测量传感器(Mi)提供的信号，确定所估计的速度(Ve(Mi))；以及-计算所估计的速度(Ve(Mi))的平均速度(Vmean)。
2、 如权利要求l所述的方法，其特征在于，传感器(R、 Mi)由基本组件 矩阵的至少 一部分构成。
3、 如权利要求1和2中的一个所述的方法，其特征在于，所述传感器 (R、 Mi)由至少一个光敏阵列形成。
4、 如权利要求3所述的方法，其特征在于，两个相邻的测量传感器(Mi) 由一个且同一阵列的基本组件的相邻组形成。
5、 如权利要求3所述的方法，其特征在于，两个相邻的测量传感器(Mi) 由两个不同的阵列形成。
全文摘要
本发明涉及测量能够相对于固定元件移动的元件的位移速度的方法。本发明方法使用光学测量装置而执行，其包括第一基准传感器和多个不同的第二测量传感器(Mi)，其基本上沿移动元件的位移轴排列。该测量方法包括通过使由基准传感器和每个测量传感器(Mi)提供的信号相关、并计算来自所估计的速度(Ve(Mi))的平均速度(Vmoy)，而确定所估计的速度(Ve(Mi))。
文档编号G01P3/80GK101297201SQ200680029739
公开日2008年10月29日 申请日期2006年7月27日 优先权日2005年8月16日
发明者伯纳德·吉尔哈马特, 维维安纳·卡廷, 罗索利诺·莱昂蒂 申请人:原子能委员会