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1、设计计算研究 2 0 0 8 年第4 期客车技术与研究 光电鼠标传感技术在汽车上的应用 胡新国 ( 神龙汽车有限公司，武汉4 3 0 0 5 0 ) 摘要：介绍光电鼠标技术原理，分析光电鼠标的图像传感器作为一种测量技术在汽车领域应用的可行 性，并进一步从先电鼠标图像传感器技术在A B S 、E S P 和倒车后视等方面的具体应用进行论证，说明光电鼠 标图像传感器技术在汽车领域应用的优势和空间。 关键词：光电鼠标；图像传感器；汽车领域；应用 中图分类号：T P 2 1 2 9文献标志码：B文章编号：1 0 0 6 - 3 3 3 1 ( 2 0 0 8 ) 0 4 - 0 0 3 7 - 0 2
2、 A b s t r a c t ：T h et e c h n i c a lp r i n c i p l eo fp h o t o e l e c t r i cm o u s ei si n t r o d u c e df i r s t a n dt h e nt h ef e a s i b i l i t yi Sa n a l y z e dt o a p p l yf h ep h o t o e l e c t r i cm o u s ei m a g es e n s o r si na u t o m o b i l ef i e l da sam e a s u
3、 r i n gt e c h n i q u e F u r l h e r m O r e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n so ft h i st e c h n i q u ei nA B S E S Pa n dt h eb a c k s i g h tv i s u a ls y s t e ma r ed i s c u s s e da n dd e m o n s t r a t e di n d e t a i l I tc a nb ec o n c l u d e dt h a tl h ep h o t o e l e
4、 c t r i cm o u s ei m a g es e n s o rt e c h n o l o g y ，w h i c hh a ss o m ea d v a n t a g e s c a nb ee m p l o y e di nt h ea u t o m o b i l ef i e l dw i t hab r o a dp r o s p e c ti nt h en e a rf u t u r e K e yw o r d s ：p h o t o e l e c t r i cm o u s e ；i m a g es e n s o r s ；a u t
5、 o m o b i l ef i e l d ；a p p l i c a t i o n 1光电鼠标的原理及特性2光电鼠标技术在汽车上应用的可行性 光电鼠标集现代高分辨率成像技术和数字图像处 理技术于一体，是鼠标技术的重大突破，以其独特的 技术性能和价格优势迅速成为计算机的标准配置。 光电鼠标是由成像系统I A S 、信号处理系统D S P 、 接口系统S P I 三大系统组成。其中I A S 系统由光源、 光学透镜和光感应器件C M O S 三部分组成。鼠标工作 时通过内部的光源( 一个发光二极管) ，照亮鼠标底 部，底部表面反射一部分光线经光学透镜传到C M O S 感光芯片上。C M
6、 O S 感光芯片是由数百个光电器件组 成的矩阵，影像就在C M O S 上转换为矩阵电信号，传 输到信号处理系统D S P ，D S P 将此影像信号与存储的 上一采样周期的影像进行比较，如果某一采样点在先 后两个影像中的位置有移动，就发出纵、横两方向位 移信号到接口系统S P I ，否则继续进行下一周期采 样。接口系统S P I 对D S P 发来的信号进行处理输出。 光电鼠标有两个主要技术参数：一个是分辨率， 单位是d p i ( 像素，英寸) ，比如一个l6 0 0 d p i 的鼠标能 分辨的最小间距为2 5 4r a m 16 0 0 = 0 0 1 58 7 5m m ；另一 个
7、是采样频率，即每秒钟C M O S 对采样面拍摄图像的 帧数和D S P 芯片每秒钟能处理图像的帧数，如微软 I E 4 光电鼠标采样频率为90 0 0 帧s ，可提供l4 0 9 7 m m s 的追踪速度。 2 1 在车速测量上的应用 光电鼠标测量的位移变化，与真实的物理位移之 间存在光学透镜造成的实物与成像之间的比例变换。 计算机配置的光电鼠标的光学部分是一个高曲光率透 镜，是近距成像，使用者在桌面上较小的移动，光标 在计算机屏幕上就有较大的反应。通过改变光学透镜 曲光率k ，增大透镜与实物距离，可以使其追踪速度 成k 倍增加。当然，由于改变鼠标近距成像为远距成 像，鼠标本身的分辨率也随
8、之改变，但这种改变并不 影响其在汽车上的应用。 以微软I F A 光电鼠标C M O S 感光芯片为例，假设最 大车速为2 0 0 k m h ，则光学透镜系数k = 2 0 0 x10 0 0 36 0 0 1 4 0 97 = 3 9 4 ，此时分辨率为0 0 1 58 7 5X3 9 4 - - 0 6 2 5m m 。 由此可以看出，当光学透镜系数k = 3 9 4 时，其最大追踪 速度可达2 0 0k m h ，分辨率小于1i n t o ，其测量精度仍然 很高，对粗糙的路面，能满足车速测量要求。 比如在光电鼠标底部直接加上相机变焦镜头在路 面上实验，设定一个相同的鼠标输出值。结果表
9、明， 鼠标距离路面越远，采样范围则越大，鼠标本身需要 移动的距离也越大；不加镜头鼠标紧贴路面的移动距 离最小。采取远距成像时，在光线不足时需要辅助照 明。在本实验中用普通的手电筒照明就能满足要求。 万方数据 客车技术与研究2 0 0 8 年第4 期 光电鼠标是近距成像，采样面很小，在很小的采 样面内有时缺少特征点，造成对于较均质的表面如镜 面等的适应性差。汽车行驶的路面相对粗糙得多，每 一点的特征都与其它点有明显的区别，而且由于是远 距成像，采样面大，特征点更多，不存在适应性问 题，大量的实验也证明了这一点。 光电鼠标的图像处理技术中没有机械运动，全是半 导体电路，科技含量高，重量只有两三百克
10、，体积小， 将其应用到汽车测速中十分方便。因为从图像采集、处 理到数据输出，完全由现成的光电鼠标技术实现，只需 对其相关输出数据加以利用即可，开发应用特别简单。 2 2 在A B S 、E S P 上的应用 汽车防抱死制动系统A B S 是在车轮将要抱死时降 低制动力，而当车轮不会抱死时增加制动力，反复动 作，以达到优化制动。汽车制动过程中，车轮与地面 之间有滑移现象，即滑移率6 = ( 阼场) 所X1 0 0 。 式中：6 一一滑移率；玢一一汽车车轮线速度；V a 汽车行驶速度。 试验表明，为了取得最佳制动效果，滑移率应控 制在1 5 一2 0 范围内。显而易见，控制滑移率必须 知道车速。由
11、于能精确测量车速的传感器( 如多普勒 测速仪) 十分昂贵，大多车辆都只测轮速。根据轮速 估计车速，把A B S 的双参数( 车速、轮速) 测量简化 成单参数( 轮速) 测量，缺少必要的参数，这在很大 程度上影响了A B S 的效果。 把光电鼠标图像传感器技术应用至U A B S 系统测量 车速，在汽车某一处安装图像传感器，并向下对路面 采样，同时根据安装高度调整光学透镜系数k ，使其 成为远距成像，再把输出的位移数据转化为速度。 应用至U E S P 系统上，需要在车身纵向或横向直线 上定两个位置( 如两个后视镜支座) 分别设置图像传 感器，同时测量该两点纵、横两个方向的加速度变 化，也就是说
12、，当车身上述两点在纵方向上的加速度 基本一致且横向无位移时，车身作前行直线运动；当 该两点测量出有横向加速度时，即车身有侧向滑移； 当两点的纵向加速度值有差别时，车身伴随有横向旋 转，数值大的一边在旋转外侧。根据两点的位移差与 车身横向宽度等可计算旋转角度。 2 3 在倒车后视上的应用 在倒车后视上的应用是利用图像传感器对车身位置 及方向进行测量定位。现有的倒车后视装置都是通过车 后的摄像头，把车后环境显示在显示屏上；有的在显示 屏上同时显示车身方向及行车轨迹，以帮助驾驶员判断 3 8 设计计算- 研究 车身与外界环境的位置关系。上述装置的特点是实际车 身位置与显示屏上看到的环境是隔离的，驾驶
13、员在显示 屏上并不能看到整个车身与环境的关系。 与上述装置不同，利用光电鼠标技术的方法是 利用图像传感器首先对车身位置及方向进行跟踪定 位，动画模拟实际车辆的倒车过程，并与外界环境 照片叠加。其做法是，如前所述在车身两个后视镜 支座上分别设置图像传感器，根据开始倒车时的车 身纵横方向假设一个大地坐标系，并设定其中一个 图像传感器为坐标原点( 坐标系可根据计算方法需 要任意假设) 。开始倒车时首先对车后环境拍照， 并计算出此时的照相机坐标；同时根据倒车过程中 两个图像传感器点的位移变化量，计算出车身的坐 标，两个坐标点可以同时确定汽车位置及车身方 向。一个汽车的模型根据汽车位置坐标及车身方向 模
14、拟倒车过程，并与环境照片叠加。这样，实际汽 车在地面运动，车身模型在照片上随之运动，在显 示屏上看到的是一张环境照片中有一个运动的车身 模型，驾驶员仿佛置身车外，俯视整个车身四周环 境，倒车过程一目了然。倒车中照相机不断拍照， 当车辆运动到当前照片边缘时，根据车辆位置坐标 调用对应照片。需要说明的是，在车身模型与照片 的叠加中，模拟汽车运动的车身模型应当是三维 的，而且追踪模型的虚拟摄像机与车后环境拍照的 实际照相机的角度、高度、镜头参数等要一致，以 使车模与环境相融，模拟出的整个过程才可能准 确、逼真。同时，尽可能压低车模高度，以免遮挡 车后环境。 3结束语 作为光电鼠标的核心技术图像处理技
15、术还在 继续发展。据报道，深圳一家公司已研发成功第三代 光电鼠标，最大移动速度提高了一个数量级，分辨率 可达1 0 万d p i 。图像传感器体积小，价格低，测量精 度高，通过对单个传感器的组合使用和计算，可以实 现多种用途，在汽车上应用的空间很大。本文仅简单 介绍了两个图像传感器组合在测速、定位方面的应用 实例，更多的应用技术可以登录国家知识产权局网 站，查阅相关图像测量方面的专利文献。 参考文献： 【l 】易建勋计算机维修技术【M 】北京：清华大学出版社，2 0 0 5 收稿日期：2 0 0 7 1 1 1 1 万方数据 光电鼠标传感技术在汽车上的应用光电鼠标传感技术在汽车上的应用 作者：
16、胡新国， Hu Xinguo 作者单位：神龙汽车有限公司,武汉,430050 刊名： 客车技术与研究 英文刊名：BUS TECHNOLOGY AND RESEARCH 年，卷(期)：2008，30(4) 引用次数：0次 参考文献(1条)参考文献(1条) 1.易建勋 计算机维修技术 2005 相似文献(3条)相似文献(3条) 1.期刊论文 胡新国 光电鼠标技术在汽车上的应用 -城市车辆2007(11) 本文介绍光电鼠标技术原理,光电鼠标的图像传感器作为一种测量技术在汽车领域应用的可行性,并进一步从光电鼠标图像传感器技术在ABS、ESP和 倒车后视等方面的具体应用进行论证,说明光电鼠标图像传感器技
17、术在汽车领域应用的优势和空间. 2.学位论文 姜秀彬 CMOS图像传感器系统设计 2006 CMOS图像传感器是一种基于CMOS工艺的技术，在近十年来得到了快速的发展，它通过集成的模拟和数字电路对图像进行采集、传输、处理以及输出 。这种技术相比较于其他类型的图像传感技术，具有高集成度、低功耗、低成本、功能强大等优点，是一种有着广阔前景的技术。 本文以光电鼠 标的应用为背景，设计了一个CMOS图像传感器系统的主要部分，包括像素阵列、相关二次采样电路、模数转换电路和带隙基准电路。像素阵列是一个 1616的像素阵列，像素单元采用有源像素传感器。像素阵列采用逐行扫描的方式采样，实现每秒3125帧的输出
18、。像素阵列每行的扫描结果并行传输到 相关二次采样电路，这是一个116的阵列，每个相关二次采样电路单元对应一列像素单元，它存储像素单元在充电周期和积分周期的采样值，并输出它 们的差值，消除像素单元的固定模式噪声。相关二次采样电路的输出串行输入到模数转换电路，将模拟的电压值转换为数字信号。模数转换电路采用流 水线式的结构，包括具有单端输入/差动输出功能的采样保持电路和九级的子电路，前八级子电路使用1.5位/级的结构，最后一级使用两个比较器实现 ，每个输入值被转换为18位的二进制代码，通过数字纠正技术最终实现10位的输出，按照前端电路的应用要求，这个模数转换器实现1.33MHz的采样速率 。通过输入
19、有限个采样点来测试这个模数转换电路的静态性能，其积分非线性和差动非线性均小于1LSB。带隙基准电路为整个系统提供基准电平，它使 用两个在CMOS工艺中寄生的PNP型的双极性晶体管，通过运算放大器的反馈实现独立于温度和电压的带隙基准电压，在使用理想电阻的情况下仿真，其精 度达到16.6ppm。像素阵列的扫描方式使用多采样技术可以提高传感器动态范围2N倍，相关二次采样技术消除了像素单元之间的固定模式噪声，使用流水 线式的模数转换器可以实现好的分辨率、速度和面积等的折衷。通过晶体管级电路的实现与仿真，系统各部分的性能满足设计与应用的要求。 3.学位论文 蔡巧明 CMOS图像传感器像素设计优化 200
20、5 随着近几年数字消费市场的快速发展，CMOS图像传感器的需求量越来越大，大规模应用于手机摄像头，数码相机，电脑摄像头，光电鼠标，汽车电 子，医疗电子等，在很多方面的性能以及适用性都赶上甚至超过CCD。与CCD相比，CMOS图像传感器由于其低成本，易制造(通用于一般的CMOS制造工艺 )，低功耗，集成度高(可在同一芯片中实现AD转换，信号处理，自动增益控制，精密放大和存储功能)等明显的优势而越来越有取而代之的趋势。但目 前市面上的CMOS图像传感器跟CCD图像传感器相比，在灵敏度，信噪比方面还略有不足。 本论文针对CMOS图像传感器的信号处理流程，分别在像素 的物理结构，电学结构方面进行了像素的优化以提高图像传感器的性能，并根据优化结果设计了一个VGA格式的CIS像素单元。 本文链接： 下载时间：2009年12月1日