Измеритель скорости спортивных снарядов

Дополнительные сложности могут возникнуть из-за прозрачного ледового покрытия трассы.

Учитывая указанные обстоятельства, более целесообразной является установка видеокамеры в носовой части СС, где максимально исключены помехи, обусловленные вылетающими из-под полозьев крошками льда.

Далее приведены чертежи спортивных снарядов (боб – рисунок 1, сани – рисунок 2), с указанием места установки видеокамеры.

 

 

Рисунок 1. Боб

 

 

Рисунок 2. Сани

 

1.2 Принцип работы оптической  мыши

 

Все оптические мыши базируются на общем принципе работы, который был изобретен в исследовательских лабораториях корпорации Hewlett-Packard, в ее подразделении Agilent Technologies. На сегодняшний день Agilent Technologies, Inc. — монополист на рынке оптических сенсоров для мышек, никакие другие компании такие сенсоры не разрабатывают.

 

Рисунок 3. Принцип работы оптической мыши

 

Принцип действия системы состоит в следующем: с помощью светодиода, и системы фокусирующих его свет линз, под мышью подсвечивается участок поверхности. Отраженный от этой поверхности свет, в свою очередь, собирается другой линзой и попадает на приемный сенсор микросхемы — процессора обработки изображений, который делает снимки поверхности под мышью с высокой частотой (кГц). Причем микросхема не только делает снимки, но сама же их и обрабатывает, так как содержит две ключевых части: систему получения изображения Image Acquisition System (IAS) и интегрированный DSP процессор обработки снимков.

 

Рисунок 4. Изображение рабочей поверхности

 

На основании анализа ряда последовательных снимков интегрированный DSP процессор высчитывает результирующие показатели, свидетельствующие о направлении перемещения мыши вдоль осей Х и Y, и передает результаты своей работы вовне по последовательному порту.

 

Рисунок 5. Конструкция оптической системы мыши

 

Система оптического слежения мышей, помимо микросхемы-сенсора, включает еще несколько базовых элементов. Держатель (Clip) в который устанавливаются светодиод (LED) и непосредственно сама микросхема сенсора (Sensor). Эта система элементов крепится на печатную плату (PCB), между которой и нижней поверхностью мыши (Base Plate) закрепляется пластиковый элемент (Lens), содержащий две линзы. Оптимальное расстояние от элемента Lens до отражающей поверхности под мышью должно попадать в диапазон от 2.3 до 2.5 мм. Это рекомендации производителя сенсоров.

 

1.3 Оптические  сенсоры

 

Первыми массово выпускаемыми оптическими сенсорами стали микросхемы HDNS-2000. Эти сенсоры имели разрешение 400 cpi (counts per inch) и были рассчитаны на максимальную скорость перемещения мыши в 12 дюймов/с (около 30 см/с) при частоте осуществления снимков оптическим сенсором в 1500 кадров в секунду. Допустимое (с сохранением стабильной работы сенсора) ускорение при перемещении мыши для чипа HDNS-2000 — не более 0.15 g.

Затем на рынке появились микросхемы оптических сенсоров ADNS-2610 и ADNS-2620. Оптический сенсор ADNS-2620 уже поддерживал программируемую частоту съемки поверхности под мышью, с частотой в 1500 либо 2300 снимков/с. Каждый снимок делался с разрешением 18х18 пикселей. Для сенсора максимальная рабочая скорость перемещения по прежнему была ограничена 12 дюймами в секунду, зато ограничение по допустимому ускорению возросло до 0.25 g,

Вышедший вскоре чип ADNS-2051 представлял собой гораздо более мощное решение, чем микросхемы HDNS-2000 или ADNS-2610. Этот сенсор уже позволял программируемо управлять разрешением оптического датчика, изменяя таковое с 400 до 800 сpi и допускал регулировку частоты снимков поверхности: 500, 1000,1500, 2000 или 2300 снимков/с. Величина снимков составляла всего 16х16 пикселей. При 1500 снимках/с предельно допустимое ускорение мыши составляло по прежнему 0.15 g, максимально возможная скорость перемещения — 14 дюймов/с.

Сенсор ADNS-2030 разрабатывался для беспроводных устройств, а потому имел малое энергопотребление, требуя 3.3 В питания. Чип также поддерживал энергосберегающие функции, например функцию снижения потребления энергии при нахождении мыши в состоянии покоя ( power conservation mode during times of no movement), когда по прошествии одной секунды, если мышь не перемещалась сенсор переходил в режим энергосбережения. Что касается остальных ключевых характеристик сенсора, то они не отличались от таковых у ADNS-2051.

Такими были первые оптические сенсоры. Большой проблемой, возникающей при передвижении оптической мыши по поверхностям, особенно с повторяющимся мелким рисунком, являлось то, что процессор обработки изображений порой путал отдельные похожие участки монохромного изображения, получаемые сенсором и неверно определял направление перемещения мыши. Кроме того при слишком быстром перемещении мыши сенсор мог вообще утратить всякую связь между несколькими последующими снимками поверхности.

Оптический сенсор ADNS-3060, по сравнению со своими предшественниками, обладает впечатляющим набором характеристик. Допустимая максимальная скорость перемещения манипулятора выросла до 40 дюймов/с а ускорение выросло в сто раз, и достигло величины 15 g. Программируемая скорость осуществления снимков поверхности оптическим сенсором у новой модели чипа превышает 6400 кадров/с. Причем чип ADNS-3060 может сам осуществлять подстройку частоты следования снимков для достижения наиболее оптимальных параметров работы, в зависимости от поверхности, над которой перемещается мышь. Разрешение оптического сенсора по прежнему может составлять 400 или 800 cpi. Осуществляемые сенсором ADNS-3060 снимки поверхности (кадры) имеют разрешение 30х30 и представляют собой все ту же матрицу пикселей, яркость каждого из которых закодирована 8-ю битами, т.е. одним байтом (соответствует 256 градациям серого для каждого пикселя).

После того как интегрированный DSP процессор обработает данные снимков, он вычисляет относительные значения смещения манипулятора вдоль осей X и Y, занося данные об этом в память микросхемы ADNS-3060. В свою очередь микросхема внешнего контроллера (мыши) через последовательный порт может читать эти сведения из памяти оптического сенсора с частой примерно 100 Гц. Инициатором передачи данных является внешний контроллер, сам оптический сенсор осуществляет только хранение информации о перемещении. Поэтому вопрос оперативности (частоты) слежения за перемещением мыши во многом лежит на «плечах» микросхемы внешнего контроллера.

 

 

Рисунок 6. Структурная схема оптического сенсора ADNS-3060

 

Рекомендуемая рабочая температура микросхемы ADNS-3060 от 0 0С до +40 0С. Хотя сохранение рабочих свойств своих чипов Agilent Technologies гарантирует в диапазоне температур от -40 0С до +85 0С.

 

1.4 Сравнение  светодиодной и лазерной системы

 

Также стоит уделить внимание категории оптических мышек называемой «лазерные мышки». Эти устройства отличаются от описанных выше только способом подсветки рабочей поверхности. Лазер излучает узконаправленный пучок света, следовательно, освещенность поверхности под мышью при применении лазера гораздо лучше, чем при использовании светодиода. Лазер, работающий в инфракрасном диапазоне, был выбран, вероятно, чтобы не слепить глаза отражением света из-под мыши в видимом спектре. Матрица оптического сенсора обладает хорошей чувствительностью в довольно широком спектре, и поэтому нормально работает в инфракрасном диапазоне. Современные сенсоры без проблем работают даже с голубым светом (существуют манипуляторы и с такой подсветкой). Благодаря более сильной освещенности поверхности и свойствам лазерного излучения на рабочей поверхности разница между местами, поглощающими излучение (темными) и отражающими лучи (светлыми) будет более значительной, чем при использовании обычного светодиода — т.е. изображение будет более контрастными.

 

Рисунок 7. Снимок белой плитки со светодиодной (слева) и лазерной (справа) подсветкой

 

И действительно, если сравнить реальные снимки поверхности, сделанные обычной светодиодной оптической системой, и системой с использованием лазера, «лазерный» вариант будет куда более контрастен — отличия между темными и яркими участками снимка более значительны. Безусловно, это может существенно облегчить работу оптическому сенсору.

Так как сегодняшний день на рынке сенсоров для оптических мышей самыми высокими показателями по максимальной скорости перемещения и разрешению обладает сенсор фирмы Agilent ADNS-3060, его и следует использовать для проектирования. Частота съемки этого сенсора составляет 6469 кадров в секунду, размер кадра 30х30 пикселей. При использовании стандартной оптической системы компьютерной мыши этот сенсор обеспечивает уверенную работу при скорости 0-1 м/с по обоим координатным осям а максимальное разрешение составляет 800 точек на дюйм.

Размер кадра и минимальное перекрытие кадров при перемещении:

Со стандартной оптической системой разрешение составляет 800 dpi, следовательно размер одного пикселя на рабочей поверхности будет составлять 25/800=0,03125 мм, а размер кадра соответственно 0,03125х30=0,9375 мм

Определим минимальное перекрытие кадров по площади, необходимое для безошибочной работы сенсора:

количество кадров в 1 м : 1000/0,9375 = 1066,67 кадров 6469/1066,67 = 6,065 фрагментов в кадре, следовательно один фрагмент это 1/6 кадра, а перекрытие кадров по одной оси должно составлять как минимум 5/6 или 0,78125 мм, значит перекрытие по площади должно составлять (0,78125х0,78125)/(0,9375х0,9375)=0,694 мм2 или 7/10 кадра, так как перемещение спортивного снаряда по трассе в основном происходит только по оси, направленной вдоль снаряда(х), а боковой снос по сравнению с прямолинейным движением незначителен, всю допустимую площадь перекрытия можно использовать для измерения смещения по оси х. Это позволяет несколько увеличить измеряемую скорость (чуть менее чем в два раза). Тогда перекрытие кадров при движении по оси х составит 7/10, что несколько больше 2/3, а значит соответствует требованиям ТЗ.

По заданию на проектирование необходимо измерять скорости в диапазоне от 5 до 50 м/с. Увеличить максимальную измеряемую скорость при таком методе измерения можно двумя путями: увеличивая частоту кадров сенсора или увеличивая размер кадра на рабочей поверхности. Так как частота кадров является предельным техническим параметром сенсора, она не может быть увеличена, а увеличить размер кадра на рабочей поверхности можно, при условии применения специализированной, отличной от компьютерной мыши, оптической системы. Применение специальной оптической системы также позволит обеспечить выполнение ещё одного требования ТЗ - увеличить расстояние между сенсором и рабочей поверхностью до 100 мм.

Определение необходимого размера кадра:

Если перекрытие кадров должно составлять как минимум 7/10 (на максимальной измеряемой скорости), то размер фрагмента составляет 3/10 кадра, а кадр состоит из 1/0,3= 3, 3333 фрагментов. 6496/3,3333=1948,82 кадров должно укладываться в расстояние, пройденное за секунду, а размер кадра будет 50000/1948,82=25,656 мм. Для обеспечения некоторого запаса по максимальной измеряемой скорости и округления геометрических размеров кадра до целого числа, следует принять размер кадра на рабочей поверхности равным 26х26 мм.

 

 

ГЛАВА 2. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

 

2.1 Преобразователь  «время-код»

 

Периодомер (ПМ) строится как преобразователь «время-код» (ПВК), реализующий классический метод последовательного счета. Данный преобразователь представлен на Рис. 7.

 

Рисунок 7 – Преобразователь «время-код»

 

Данный преобразователь преобразует временной интервал между двумя импульсами – начальным (стартовым) и конечным (стоповым) в параллельный двоичный код.

Стартовый и стоповый импульсы – это импульсы, прошедшие через амплитудный детектор реакции двух резонаторов, подключенных к выходу передатчика (ПРД) и настроенных на минимальную и максимальную частоту излучаемого сигнала.

Схема преобразователя «время-код» включает:

1.генератор  тактовых импульсов;

2.управляющий  триггер;

3.конъюнктор;

4.счетчик  импульсов.

На схеме показан двоичный счетчик, хотя в общем случае может быть использован счетчик с любым видом кодирования.

Эпюры в разных точках схемы, поясняющие работу преобразрвателя, приведены на Рис. 8.

 

Рисунок 8 – Принцип работы преобразователя «время-код»

 

Прокомментируем работу преобразователя «время-код». Генератор G вырабатывает счетные импульсы с периодом . В момент времени t 1. на вход (установка единицы) триггера приходит импульс «Старт», соответствующий началу временного интервала, и устанавливает управляющий триггер в единичное состояние.

Счетчик импульсом «Старт» устанавливается в нулевое состояние. В результате на выходе конъюнктора появляется последовательность импульсов генератора G, поступающая на счетный вход счетчика.

В момент времени t 2 на вход R триггера приходит импульс «Стоп» и устанавливает триггер в нулевое состояние, при этом поступлении импульсов на счетчик прекращается.

Таким образом, код в счетчике будет пропорционален величине временного интервала между старт- и стоп- импульсами.

После окончания временного интервала код с выхода счетчика может быть выдан потребителям.

Произведем анализ погрешностей, возникающих при преобразовании временного интервала в код.

Как и при всяком аналого-цифровом преобразовании, при преобразовании временного интервала в код возникают ошибки, связанные с наличием дискретизации, т.е. квантования входной аналоговой величины (временного интервала) по уровню. Код, снимаемый со счетчика, соответствует не точному значению временного интервала, а ближайшему к нему числу периодов счетных импульсов. Ошибки дискретизации временного интервала возникают в силу того, что моменты начала и конца измеряемого интервала не синхронизированы с моментами появления счетных импульсов.

Ошибки дискретизации в начале Vt1 и конце Vt2 временного интервала определяются следующим образом: