光流传感器:一、光流传感器是做什么的?

2021/11/02 21:05 · 传感器知识资讯 ·  · 光流传感器:一、光流传感器是做什么的?已关闭评论
摘要:

光流传感器:一、光流传感器是做什么的?小编最近刚调试完光流传感器,效果非常理想,无GPS情况下很稳定。小编把调试过程的过程和遇到的问题分享给大家,希望大家少走弯路。在安装和调试光流传感器之前,先保证旋

光流传感器:一、光流传感器是做什么的?  第1张

光流传感器:一、光流传感器是做什么的?

小编最近刚调试完光流传感器,效果非常理想,无GPS情况下很稳定。小编把调试过程的过程和遇到的问题分享给大家,希望大家少走弯路。
在安装和调试光流传感器之前,先保证旋翼机已经安装和调试完毕,在自稳模式下稳定飞行。

PX4Flow简介
PX4Flow光流传感器是一种高分辨率的图像传感器,内置3轴陀螺仪,通过分析摄像头下方相邻两帧图像的像素的移动,得到无人机X和Y方向的地速,光流模块用于定点悬停,采用速度闭环控制,将得到的X和Y方向的速度返回,形成闭环,保证X和Y的速度方向为0,能够增强无人机稳定性,消除晃动。
光流传感器的原理决定了,它只能用于定点悬停模式。

安装PX4Flow
一般情况下,买回来的光流都是已经刷了固件的,以防万一,也可自行刷写固件,刷写过程就不再赘述。
在把光流装上飞机之前,请先进行镜头对焦。
将光流连接到地面站,小编这边用的MP地面站,QGC地面站小编也尝试了,相比之下,小编这边推荐MP地面站,有汉化版的MP地面站,不用担心英语水平不过关。

用USB线连接电脑和光流,在地面站上选择com口或者选择auto,连接到光流。在地面站界面上选择“初始设置”->“可选硬件”->“PX4Flow光流”
将镜头对准3m左右,调整好镜头焦距,使图像最清晰。将镜头固定住,确保在飞行过程中,镜头不会松动。
连线至Pixhawk
光流4pin口连接到飞控I2C口就可以,一定要注意,用的线要是正确的,因为光流的供电正负极刚好在两侧,插反的话,就烧了,小编当时就烧了一个光流,因为当时买了两款光流,一款是那种超声波收发不是一体的,一款是收发一体的,号称是原装的,但是小编看了光流开源的PCB图,发现也不是原装的,好歹看着质量还可以。这两款光流送的线搞混了,结果就烧了一个,还好是便宜的那个。

启用光流
调好了光流之后,要启用光流,将pixhawk连接到地面站上,如图勾选按就可以,或者将参数FLOW_ENABLE设置成“1”。

将PX4Flow安装到飞机上
镜头安装在飞机下方,注意光流的安装是有方向的!!!默认的安装方向是micro USB口和飞控的安装方向一致,当然光流的安装方向在地面站参数列表里也是可以设置的,就是“FLOW_ORIENT_YAW”。

安装激光雷达
为什么要安装激光雷达,精度高,定高稳定,正常情况下,旋翼定高模式的高度信息来源是气压计测量的高度信息,这个很不稳定,高度变化很大,光流上面的超声波测距的高度信息,也不太理想,但是只是玩玩的话还是可以选择的,建议选择收发一体的光流传感器,测距还比较稳定,但是比较昂贵,要600左右,收发 不是一体的大概三四百块钱。小编用的高度信息来自激光雷达,北醒的一款TFO2,在ardupilot官网上可以查的到,TFmini也支持。下面是小编自己实测的激光雷达精度。

精度还是相当准确的。

测试光流传感器
光流连接到飞控后

如果看到非零的opt_m_x,opt_m_y以及opt_qua,则表示光流连接成功了,其实,opt_x和opt_y代表的是经过陀螺仪补偿的X轴和Y轴的移动量,小编的经验得到,这个值越小飞行稳定效果越好,过大的话,不能够定点,甚至切不到光流模式。opt_qua代表光流的像素质量,0代表最差,255代表最高质量。

校准光流传感器
在官网上大家可以看到如何校准光流传感器,小编觉得异常繁琐,就没有按照官网上的步骤一步步来。但是小编的调试经验告诉大家,首先,你的装的旋翼机要没有问题,对自己的装机有信心,其次也是最重要的,就是光流的安装方向一定要对!!!最后,就是在光照充足,地面纹理清晰的地方飞行,这样光流效果比较好。
**除了这些,如果小伙伴还有想按照官网上的校准教程走的话,那小编还需要把如何打开log日志告诉大家,这样大家就可以找到官网上绘制的OF.FlowX OF.bodyX和IMU.GyrX的图形了,因为当时小编也是摸索了一会。
**
首先设置LOG-DISARMED参数为1,启用日志记录。
分析日志

点击通过“Mavlink下载闪存日志”,下载最新的日志,然后再点击“回顾日志”,所有的日志都存在了“QUADROTOR"文件夹下了。再然后打开最新的日志就可以了。

如果OF.flowX与OF.bodyX大小不一致,则需要修改FLOW_FXSCALER参数使其一致,关于FLOW_FXSCALER这个参数的意思可以看参数描述,小编也不记得了。
同理Y方向的也是一样。其实小编并没有修改参数,初始默认的就是0。

参数设定

小编这里给出的超声波测距的参数,针对激光测距的参数设置,有兴趣的小伙伴可以留言,因为激光测距的连接,参数设置还是比较麻烦的。后面小编考虑可以再写一篇关于激光测距连接到PIXHAWK的博客。

飞前检查
光流有其特有的飞行模式,那就是留待模式”Loiter”
起飞前,请设置飞行模式至少有留待模式,自稳模式最好要有,如果事故,可以手飞降落。
试飞最好找个宽阔的地方。

实测效果
实测效果很理想,但是CSDN上上传不了视频,有兴趣的小伙伴可以移步到小编的淘宝店,里面有实测效果,以及F450经典机型的套装。由于光流传感器原装的太过于昂贵,对于学生党不太友好,便宜的光流,小编用着效果也不理想,小编针对原装开源的光流进行了打板制作,实测效果理想后,会在小编的淘宝店里陆续上新,并且提供关于无人机相关的技术支持。

光流地址:
光流传感器:一、光流传感器是做什么的?  第2张

光流传感器:光流传感器

一、光流传感器是做什么的?
通俗的讲:
光流利用的是图像的变化处理,用于检测地面的状态,从而监测飞机的移动;主要用于保持飞机的水平位置,以及在室内实现定高和定点飞行。
其实光流是数字图像处理理论的一部分,详细可以看这篇文章,我觉得讲的不错:计算机视觉—光流。

光流:
光流(optic flow)是什么呢?名字很专业,感觉很陌生,但本质上,我们是最熟悉不过的了。因为这种视觉现象我们每天都在经历。从本质上说,光流就是你在这个运动着的世界里感觉到的明显的视觉运动(呵呵,相对论,没有绝对的静止,也没有绝对的运动)。例如,当你坐在火车上,然后往窗外看。你可以看到树、地面、建筑等等,他们都在往后退。这个运动就是光流。而且,我们都会发现,他们的运动速度居然不一样?这就给我们提供了一个挺有意思的信息:通过不同目标的运动速度判断它们与我们的距离。一些比较远的目标,例如云、山,它们移动很慢,感觉就像静止一样。但一些离得比较近的物体,例如建筑和树,就比较快的往后退,然后离我们的距离越近,它们往后退的速度越快。一些非常近的物体,例如路面的标记啊,草地啊等等,快到好像在我们耳旁发出嗖嗖的声音。

光流除了提供远近外,还可以提供角度信息。与咱们的眼睛正对着的方向成90度方向运动的物体速度要比其他角度的快,当小到0度的时候,也就是物体朝着我们的方向直接撞过来,我们就是感受不到它的运动(光流)了,看起来好像是静止的。当它离我们越近,就越来越大(当然了,我们平时看到感觉还是有速度的,因为物体较大,它的边缘还是和我们人眼具有大于0的角度的)。

光流的概念是Gibson在1950年首先提出来的。它是空间运动物体在观察成像平面上的像素运动的瞬时速度,是利用图像序列中像素在时间域上的变化以及相邻帧之间的相关性来找到上一帧跟当前帧之间存在的对应关系,从而计算出相邻帧之间物体的运动信息的一种方法。一般而言,光流是由于场景中前景目标本身的移动、相机的运动,或者两者的共同运动所产生的。

二、px4FLOW介绍

下面是这款光流传感器的详细介绍:

以后用到的话再记录
光流传感器:一、光流传感器是做什么的?  第3张

光流传感器:光流传感器其它方面的应用

光流传感器可以通过在一定的时间内拍摄两张不同的照片。进而计算出物体运动的速度。光流是一种简单实用的图像运动表达方式。通常定义为一个图像序列中的图像亮度模式的表观运动。
光流法检测运动物体的基本原理是:给图像的每一个像素点赋予一个速度矢量,这就形成一个图像运动场,在运动一个特定时刻,图像上的点与三维物体的点一一对应,这种对应关系可由投影关系得到,根据各个像素点的矢量特征,可以对图像运动状态分析。如果图像中没有运动物体,则光流矢量在整个图像区域是连续变化的。当图像中有运动物体时,目标和图像背景存在相对运动,运动物体所形成的的速度矢量必然和邻域背景速度矢量不同,从而检测出运动物体及位置。
湖南优象科技有限公司是一家专注于数字影像处理技术的科技公司,拥有自主知识产权,主要业务有:视频成像、图像处理、视频智能分析、计算机视觉等。
公司自主研发生产的光流芯片U30-5A,是国内首款拥有自主知识产权的光流芯片,可应用于消费级无人机视觉,包括无人机跟踪、稳象、避障、运动相机等。在无人机上已有大量成熟应用。原厂提供技术支持!
产品概述
优象光流模块英文简称为 UP-FLOW,光流模块包括光流主板、光流摄像头,模块核心芯片采用自主研发的光流芯片U30-5A。
光流模块用于检测无人机在飞行过程中,水平方向的移动,并将结果传输给飞控,飞控再结合高度数据,控制飞机,实现自动悬停。
本文提供了模块的接口说明、尺寸、规格相关参数,以便相关人员基于本模块进行开发。
外形尺寸结构图
本产品型号为UP-FLOW-LC-302-3C,硬件部分主要为主板。如图1所示,主板尺寸结构示意图,尺寸分别为:长22mm、宽14mm。
光流模块接入方式
光流模块可以用UART接口连接飞控,UART数据格式为1个起始位,8个数据位,1个停止位,无校验位,波特率为。光流模块和飞控的接口线序如图4,其中UART_TXD,UART_RXD是以模块为参考, VCC为3.0V—5.0V供电电源输入。3.0V供电时最大功耗为90mW,5.0V供电时最大功耗150mW
这次我们使用湖南优象光流模块LC-302,来测量气旋模型的相关数据
流体可视化测量技术,为流体力学研究提供了一种非接触式,全局,定量的智能检测手段。其中,从图像数据中提取精确,可靠的速度场信息,已成为实验流体力学中的重要环节,并且在航空航天,机械制造等领域(包括零部件气动特性,故障诊断,流动视觉反馈等方面)发挥着至关重要的作用。目前常用的图像测速算法,如相关分析法与传统光流法,能够满足大部分流动测量场景。然而,对于具有高频特性,具有多尺度涡结构且存在噪声的复杂流动实验而言,传统图像测量算法仍然纯在精度,时空分辨率,计算效率等方面存在不足。因此,图像测速算法长期以来一直是流体力学相关学科的研究热点。

光流传感器:光流控传感器及其应用

光流控学是一门综合了微流控学和光子学优势的新兴交叉学科。传统的微流控仅控制流体,而光流控除此之外同时对光进行控制,具有更高的操纵维度。光流控将微流和光学器件有机结合,两个部分互相影响,促生出非常强大的功能。因此,光流控学一经提出,便获得广泛关注,领域研究活跃,发展迅速。流体是光流控系统中的重要载体,可以携带运输各种微纳尺度级的物质通过光流控系统。光同流体及流体携带物质的相互作用,产生特定的光信号响应,基于此可以实现快速高效的检测。光流控芯片可以将传统检测学中复杂的化验过程缩小为1cm量级,从而实现检测的小型化。同时,其核心是利用光学结构对折射率的敏感度进行检测,具有较高的敏感度和精准度。这些特性使得光流控传感器广泛应用于环境检测及生化传感领域。

利用光流控技术,通过流体对光的控制,可以实现很多诸如塔尔博特、离散衍射等经典的光学现象,以及光学隐身衣、光学转角器、光束分离器、光流控开关、光流控波导、光流控光纤等应用。此外,通过光及光学系统对流体的控制,可以实现如粒子分离、光镊、光微流阀、光微流泵等应用。通过光流控实现的应用可以看出,在光流控系统中,折射率的变化可以对光的传播产生很大的影响。而利用这一特性,可以将光流控系统利用到物质探测和生化传感领域,制成光流控传感器。光流控芯片的尺寸量级为厘米量级,而其中的沟道宽度通常只有几百微米,这意味着,仅用很少的样品量,便可以在光流控传感器中实现相应的分析和检测。另外,在光流控芯片中加入特定的光学结构后,可以令光产生谐振效应。此时光对系统中折射率的细微变化可以产生较大的响应,如特征波长的偏移,这使得光流控传感器具有很高的敏感度和精准度。光流控芯片采用软刻蚀工艺,使芯片具有较低的成本。此外,流体是各种微纳尺度粒子(包括化学大分子及生物分子)的天然载体,这些粒子可以随着流体直接流入光流控传感器中被分析和检测,一些传统检测中的复杂过程可以由一个光流控系统直接完成。这些特征使得光流控传感器具备高集成度、低成本的优势,同时其探测的敏感度强、精准度高,在物质检测和生化分析方面拥有巨大的潜力。

本文从光流控传感器的结构和原理入手,介绍不同类型的光流控传感器,同时阐述其特性及相应的应用。

基于光子晶体谐振腔的光流控传感器

在生化传感器领域中,高敏感性、低成本、高精准度的传感器一直是其领域内的追求。光子晶体谐振腔具有小巧而紧凑的结构特征,对光具有高度敏感性,使其适用于生化传感领域。光子晶体谐振腔具有较高的集成度,与光流控系统相结合时,其腔内的折射率由通过的流体决定。当流体发生变化,或者流体中携带的物质发生变化时,其腔内的折射率会发生相应改变,从而导致谐振状态的变化。这种变化对折射率十分敏感,因此基于光子晶体谐振腔的光流控传感器(图1)被广泛地应用于气体浓度测量、液体浓度测量和生化物质浓度的测量中。

图1 基于光子晶体谐振腔的光流控传感器应用

光子晶体谐振腔的基本原理

光子晶体谐振腔通常是在高折射率的电介质材料上制造出的周期性孔洞结构。光在这样的结构中传播时,会发生复杂的折射和反射。产生的折射光和反射光经过一系列干涉作用后,导致只有特定波长的光才能通过该结构,形成光子带隙。此时,一个腔内折射率的微小扰动即可使光子晶体谐振腔的带隙发生偏移。偏移频率的表达式可以根据电磁微扰理论得出,具体为

其中,ω和Δω分别表示频率及其偏移量;ε和Δε分别表示介电常数及其偏移量;n和Δn分别表示折射率及其偏移量;f为[0,1]之间的参数,表示在微扰区域电场能量的填充度。

式(1)可以看出,折射率的变化会直接影响光子晶体谐振腔的光子带隙,利用折射率变化对带隙偏移产生的影响,可以制造出基于光子晶体谐振腔的传感器。

光子晶体谐振腔在光流控传感器的具体应用

在光子晶体中,其谐振腔实际上就是在高折射率物质,如硅板上刻蚀出的规则孔洞,在孔洞中,流体可以随意传播。利用这一特性,通过与光流控技术的结合,可以制成检测气体或液体浓度的传感器。在一些具有有害气体的工作环境中,如矿井,随时监测有害气体的浓度是十分必要的。不同气体的折射率具有微小差异,而光子晶体对折射率的高度敏感性可以使其分辨出不同的气体。对于光流控技术下的光子晶体传感器,气体是实时流动于光流控芯片中的,因此,可以实现对气体浓度的实时检测。

Sünner等将光子晶体的**行孔洞嵌入到光流控波导中,实现了可以辨别真空、氮气和六氟化硫气体的光流控传感器。当折射率改变尺度为10-4时,对于 1.5μm的入射光,可以令其特征波长偏移8pm,即单位折射率的敏感度为80nm。在这一基础上,Zhang等对其做了改进,使得可探测的折射率变化达到10-5,特征波长的偏移为51nm。这种将边缘孔洞集成到光流控波导中的方式对集成时的精准度要求较高,使得其在制备过程中存在较大的困难。Li等将光子晶体孔洞的中间列打通为一个矩形孔洞,然后将其集成到光流控波导中。这种集成方式对精准度的要求较低,可以实现折射率变化为10-4量级的探测,单位折射率变化引起的波长偏移为421nm。以上结构下的气体光流控传感器虽然可以分辨出不同的气体,但是无法针对特定的气体种类进行浓度测量。Zhang等利用穴番E分子浸润光子晶体孔洞,实现了针对甲烷气体的光流控传感器(图1(a)、图1(b)),测量的敏感度可以达到167.348nm,测量的精度可以达到6.9735×10-4。然而,同传统的气体传感器相比,基于光子晶体谐振腔的光流控气体传感器的敏感度和测量精度仍然相对偏低。

相对于气体,液体之间的折射率差异更大,当液体通入光子晶体的孔洞时,对其带隙偏移影响更大。一些研究者通过对光子晶体的加工,制成不同的光子晶体结构,然后将其集成至光流控芯片内,实现了对液体折射率的测量。如将光子晶体的部分孔洞直接集成至光流控芯片中,抹除环形区域(或半环形)的孔洞,抹除一列光子晶体孔洞,抹除特定单个光子晶体孔洞等结构。而另一些研究者则通过采用光子晶体光纤的方式来实现对液体折射率的测量。Domachuk等将一个法布里-珀罗(F-P)腔置于两根准直的布拉格光纤之间,令液体通过F-P腔进行测量,如图1(c)、图1(d)所示。相应地,同为一维光子晶体光纤的长周期光纤光栅亦可应用于其中。利用光子晶体光纤的情况下,若想较好地提高敏感度和精准度,令液体样品直接流过光子晶体光纤的孔洞是十分重要的。Wu等利用一种C型光纤结构,令其分别置于光子晶体光纤两侧,作为液体的入口和出口。光子晶体光纤除了中心两个孔洞外,其余均被堵住。此结构具有很高的能量密度,可使敏感度提高70%。类似地,Zhang等将光纤两侧的边缘剥离一部分后,用聚二甲基硅氧烷(PDMS)封住,封住的两侧打孔可以作为液体的入口和出口,此时液体在光子晶体光纤内将在被剥离的部分流动。这种方式可以令液体对腔内折射率产生充分的影响,进而制成高敏感度的液体折射率光流控传感器。

利用回音壁模式的光流控传感器

当微球型结构置于折射率相对较低的环境中时,在微腔内,大于临界角的光将会在微腔表面不断发生全反射,使光被束缚在微球表面。在不断沿着微腔表面传播时,若光满足一定干涉条件,就可以相互叠加增强,形成回音壁(WGM)模式。外界环境对微腔折射率的影响会导致微腔的模式发生改变,基于这一原理可制作基于WGM模式的传感器。在光流控系统中,可在直接制作微球结构中通入液体,通过液体产生的光响应变化,检测液体携带的生化物质。此外,微球型的结构还可以通过液体直接携带产生,也可以通过两相流产生微液滴的方式产生。相比纯固体结构需要微纳加工技术,在光流控系统中,微球的产生更加方便快捷。

WGM模式的基本原理

当一个WGM结构的壁尺寸很薄时,WGM将对壁内物质的折射率十分敏感,其特征波长同内部的折射率可以表达为

其中,λ为WGM的特征波长;r为WGM的半径;neff为腔体内部的等效折射率, m为WGM角动量的整数。

基于WGM模式的光流控传感器应用

从式(2)可以看出,内部折射率的微小改变将会对WGM的特征波长造成影响。基于这一原理,一系列设计精巧的WGM模式光流控传感器被设计出来。Li等利用两个回音壁互相耦合的模式,通过在其中一个回音壁中通入液体,实现了对牛血清蛋白(BSA)的检测(图2(a))。当携带生物分子的液体通过下方的回音壁时,其内部环境发生了相应变化,从而导致输出光的变化。Luo等和Scholten等利用薄壁毛细管形成回音壁实现了对有机物的测量。对于纯固体的回音壁传感器,生物分子由于尺寸小、重量轻、缺少运输煤质等原因,很难使固体回音壁的模式发生改变。而通过与光流控技术相结合,液体的引入为回音壁模式对生物分子的探测提供了条件。同时,WGM对其腔内折射率变化敏感度极高,这一特性为WGM对生物分子检测的精准度提供了保证。这种通过液体穿过WGM内部实现等效折射率调控的光流控传感器,在微观粒子和生化检测方面已取得丰富的研究成果。具体应用包括对体溶液折射率的检测、DNA分子检测(图2(b))、病毒颗粒检测(图2(c))、对单个纳米颗粒检测、农药检测、醇类蒸汽的检测、淋 巴细胞检测等。

除了直接利用固体通过微纳加工技术制作WGM,然后嵌入到光流控系统中,光流控传感器还可以通过产生液滴(droplet)的方式直接在芯片内部产生WGM。这种方式可以省略微纳加工过程,将制作流程简化,同时芯片尺寸也会相应减小。Lee等利用硅油液体、罗丹明6G染料和LDS722染料通过光流控系统产生内部溶液为两种染料混合物的droplet,这种droplet具备球形结构及WGM的特性。由于WGM腔内的液体为染料,通过控制染料的性质,可以实现对染料携带的物质性质进行检测,在生化传感方面具有很大潜力。

图2 基于WGM模式的生化探测光流控传感器

上一篇:光流控传感器及其应用2
下一篇:前瞻|未来50年,传感器将如何改变世界?

您可能感兴趣的文章

本文地址:https://www.ceomba.cn/1473.html
文章标签: ,  
版权声明:本文为原创文章,版权归 ceomba 所有,欢迎分享本文,转载请保留出处!

文件下载

老薛主机终身7折优惠码boke112

上一篇:
下一篇:

评论已关闭!