Concepts of optical velocity sensors using spatial frequency

Non contact optical correlation / spatial frequency sensors are typically used for the measurement of velocity in relation to a surface. Most of these sensors tend to unacceptable inaccuracy at low as well as at very high velocities. Furthermore uncertainties less than 1% are difficult to achieve. To overcome this problem, new algorithms have been evolved by analyzing the reasons for the imprecision.

Bezdotykowe czujniki optyczne do pomiaru prędkości i wielkości pochodnych znajdują wiele zastosowań (np. wszystkie rodzaje pojazdów, większość pomiarów związanych z ruchem taśmociągów). W przeszłości szczególnie skuteczne - zwłaszcza do pomiaru prędkości - okazały się czujniki wykorzystujące metodę korelacyjną. Zaletą tej metody pomiarowej jest to, że nie wymaga skomplikowanej obróbki sygnału i pozwala na pomiary w czasie rzeczywistym. Stosowane również w tym celu metody bazujące na przetwarzaniu obrazu z kamery są często zbyt wolne, aby być mogły być stosowane np. w systemach sterowania. Niepewność pomiarów prędkości jest najczęściej na poziomie 1% i nie jest łatwo stosunkowo prostymi środkami ją zmniejszyć. Dodatkowo uwzględnienie warunków brzegowych prowadzi do zwiększenia błędów pomiaru. Ponadto nie jest możliwe wykonywanie pomiarów prędkości obiektu w stanie spoczynku. W stosowanych dotychczas czujnikach, na podstawie prowadzonej przestrzennej analizy częstotliwościowej, starano się optymalizować ich budowę. Przeprowadzone badania pokazały, że sygnały wyjściowe czujników mają charakter pojedynczych zaburzeń i badanie ich z zastosowaniem analizy Fouriera nie jest właściwe. W przedstawionym w pracy podejściu zastosowano dwa różne algorytmy do wyznaczania położenia przemieszczającego się obiektu. Główna idea proponowanego podejścia polega na zastosowaniu nakładających się funkcji sinusoidalnych do opisu rozkładu jasności powierzchni odniesienia, w stosunku do której przemieszcza się czujnik. Amplitudy i fazy tych funkcji sinusoidalnych są interpretowane jako wzory powierzchni, które służą do kodowania pozycji czujnika w sposób losowy. Przeprowadzono badania symulacyjne zaproponowanych metod, a ich przydatność potwierdzono eksperymentalnie.