CN101782648A - 超音波接收模块、侦测系统及其侦测方法和实物摄影机 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种超音波接收模块、侦测系统及其侦测方法和实物摄影机，超音波接收模块包含超音波接收端、信号放大器和侦测模块。超音波接收端接收至少一超音波信号。信号放大器电性连接超音波接收端，以一预设倍率改变所接收到的超音波信号的振幅。其中，预设倍率随时间增加而增加。侦测模块电性连接信号放大器，透过一阀值来撷取振幅大于阀值的部分的超音波信号。其中，阀值随时间增加而减少。

Description

超音波接收模块、侦测系统及其侦测方法和实物摄影机

技术领域

本发明是有关于一种超音波侦测装置及方法，且特别是有关于一种利用超音波侦测距离的装置及方法。

背景技术

随着工业技术的发展，自动测距系统的需求日益提高。举例而言，车辆的停放、无人搬运车的操作以及空间定位系统的应用，经常会使用自动测距系统，使汽车顺利停放至固定区域，以及使无人搬运车将货物迅速移到预定的地点，而不会受到其它障碍物的干扰。

传统上，测距系统使用超音波作为测距的媒体(Media)，经由空气作为传输介质，利用反射的超音波侦测对象的距离。

图1A和图1B均绘示传统反射式超音波测距系统10的示意图。请参考图1A。举例来说，传统反射式超音波测距系统10包含发射器12、接收器14、待测物体16及周边电路(未标示)。待测物体16与发射器12及/或接收器14之间具有一待测距离。

进行操作时，发射器12产生一入射波f，部份入射波f到达待测物体104的表面，并反射出反射波r，反射至接收器14。

利用发射器12发出的入射波f与接收器14接收到反射波r之间的时间差，计算待测物体16与发射器12及/或接收器14之间的待测距离。

此反射式超音波测距系统10有许多缺点，例如反射波r的信号太弱而难以测量。具体而言，当超音波在空间中传播时，超音波在空气中行进的振幅强度随着距离增加大幅递减。以致于在进行远距离测量时，超音波的振幅强度过小，信号噪声比快速下降，不利于测量准确度。

请参考图1B。另一方面，在实际的测量环境中，除了来自待测物体16反射的反射波r之外，尚存在许多干扰信号，例如因串扰现象而形成串扰噪音c。当进行近距离测量时，待测距离较短，经由待测物体16反射的反射波r会与串扰噪音c重叠，导致侦测结果错误。

有鉴于此，需要一种新的超音波侦测装置及其方法，可提高远距离和近距离侦测模式下的测量准确度。

发明内容

本发明提出一种超音波接收模块，透过时变的方式提高其测量准确度。超音波接收模块包含超音波接收端，其用以接收至少一超音波信号。信号放大器电性连接超音波接收端。信号放大器用以提供一预设倍率，且以预设倍率改变所接收到的超音波信号的振幅。也就是说，信号放大器会将所接收到的超音波信号的振幅乘以预设倍率。其中，预设倍率随时间增加而增加。换句话说，信号放大器所提供的预设倍率是一个时变函数，其预设倍率的值随时间增加而增加。

侦测模块电性连接信号放大器，透过一阀值来撷取部分超音波信号。其中，撷取的超音波信号的振幅大于阀值。阀值随时间增加而减少。换句话说，侦测模块所提供的阀值也是一个时变函数，其阀值随时间增加而减少。

在本发明一实施例中，超音波接收模块包含一处理器，其电性连接侦测模块。当超音波信号的振幅大于阀值时，处理器根据接受到超音波信号的时间计算超音波信号传送的距离。

在本发明另一实施例中，预设倍率是连续时变函数。在本发明另一实施例中，阀值是连续时变函数。

本发明另一方面提出一种超音波侦测系统，可提高超音波信号传递时间较短或较长时的测量准确度。超音波侦测系统具有超音波发射端和超音波接收端。超音波发射端发射至少一第一超音波信号。超音波接收端接收至少一第二超音波信号。其中，接收到的第二超音波信号包含第一超音波信号和至少一干扰信号。

一信号放大器电性连接超音波接收端。信号放大器以一预设倍率改变所接收到的第二超音波信号的振幅。预设倍率是时变函数，其值随时间增加而增加。

一侦测模块电性连接信号放大器。侦测模块撷取部分第二超音波信号，其中撷取的第二超音波信号的振幅大于一阀值。阀值也是时变函数，阀值随时间增加而减少。

本发明另一方面提出一种超音波侦测方法，可提高超音波信号传递时间较短或较长时的测量准确度。超音波侦测方法的第一个步骤为发射至少一第一超音波信号。接着，接收至少一第二超音波信号。接着，以一预设倍率改变接收的第二超音波信号，其中预设倍率随时间增加而增加。接着，根据一阀值撷取部分第二超音波信号，其中撷取的第二超音波信号的振幅大于阀值，且阀值随时间增加而减少。

在一实施例中，过滤出频率合乎一频率范围的部分第二超音波信号，其中该频率范围包含第一超音波信号的频率。在另一实施例中，在撷取振幅大于阀值的部分第二超音波信号的步骤后，计算第一超音波信号传送的距离。

本发明另一方面提出一种实物摄影机，其包含基座、镜头和超音波侦测系统。镜头悬置于基座上，用以撷取至少一待摄物体的影像。超音波侦测系统用以侦测镜头到待摄物体之间的距离。

本发明一实施例中，实物摄影机包含切换器。切换器电性连接超音波发射端，可用来切换近距离模式或远距离模式。其中，在近距离模式时，超音波发射端所发出的第一超音波信号具有第一周期数。在远距离模式时，超音波发射端所发出的第一超音波信号具有第二周期数。第一周期数异于该第二周期数。

由此可知，当超音波信号传递时间短时，例如处理短距离测量。此时，预设倍率小，可压抑串扰信号的干扰。且阀值大，可去除串扰信号。反之，当超音波信号传递时间长时，例如处理远距离测量。此时，预设倍率增加以放大超音波信号，且阀值降低以提高侦测灵敏度。

附图说明

为让本发明的上述和其它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：

图1A和图1B均绘示传统反射式超音波测距系统的示意图；

图2绘示依照本发明一实施例的超音波侦测系统的方块图；

图3A绘示超音波信号对应时间的折线图；

图3B绘示预设倍率对应时间的折线图；

图3C绘示阀值对应时间的折线图；

图4绘示根据本发明另一实施例的实物摄影机的示意图；

图5绘示根据本发明另一实施例的超音波侦测方法的流程图。

【主要组件符号说明】

10：超音波测距系统            12：发射器

14：接收器                    16：待测物体

100：超音波侦测系统           110：超音波发射端

112：信号产生器               120：超音波接收模块

130：超音波接收端             140：信号放大器

150：侦测模块                 160：处理器

170：定时器                   180：切换器

400：实物摄影机               410：基座

420：镜头                     430：机壳

432：表面                     500：超音波侦测方法

510-560：步骤                 c：串扰噪音

c(t₂)：串扰信号               d(t)：阀值

f：入射波                     f(t₁)：第一超音波信号

g(t)：预设倍率                r：反射波

r(t₂)、r(t₃)：待测信号

具体实施方式

请参考图2，其绘示本发明一实施例的超音波侦测系统100的方块图。超音波侦测系统100包含有超音波发射端110和超音波接收模块120。

超音波发射端110连接一信号产生器112。信号产生器112可产生超音波信号，再透过超音波发射端110辐射到空间中。为了方便阅读，后文中将超音波发射端110发出的超音波信号称为第一超音波信号。

图3A到图3C绘示超音波信号、预设倍率和阀值对应时间的折线图。请同时参考图2和图3A。在本发明的实施例中，超音波发射端110是在第一时间t₁将第一超音波信号f(t₁)发射到空气。

超音波接收模块120可用来接收并处理超音波信号。超音波接收模块120包含有超音波接收端130，其用来接收超音波信号。为了方便阅读，后文中将超音波接收端130所接收到的超音波信号称为第二超音波信号。

请同时参考图2到图3B。第二超音波信号包含待测信号以及环境中的干扰信号。在本发明的实施例中，待测信号是指超音波发射端110发出的第一超音波信号f(t₁)经空间传播后而被超音波接收端130所接收者。

超音波发射端110和超音波接收端130可设置互相面对且相隔一间距，使得超音波发射端110朝向超音波接收端130发射第一超音波信号f(t₁)。另外，超音波发射端110也可设置邻近超音波接收端130，且两者互不相对。超音波发射端110所发出的第一超音波信号f(t₁)经由其它物体反射后才回传到超音波接收端130。在本发明的实施例中，超音波发射端110也可设置邻近超音波接收端130，且超音波接收端130是接收到经由其它物体反射后回传的信号。

由于超音波在空间传播时，其强度随着传播的距离增加而下降。传播的距离越长，传播的时间越长。因此，超音波接收端130所接收到的待测信号的强度会随着时间增加而变小。举例来说，在第二时间t2所接收到的待测信号r(t₂)的强度会大于在第三时间t₃所接收到的待测信号r(t₃)的强度。其中，第三时间t₃大于第二时间t₂。传统上，当超音波的强度过小，信号噪声比快速下降，不利于测量准确度。

另一方面，在时间较小的情况下，超音波接收端130会接收到因串扰现象而形成串扰信号c(t₂)。由于串扰信号c(t₂)的波形和强度类似于待测信号r(t₂)，易造成传统的超音波系统的误判。

本发明所提出的超音波侦测系统100透过下述数个装置及方法来解决这些问题，提高测量准确度。

超音波侦测系统100设置有信号放大器140，其电性连接超音波接收端130，用来改变第二超音波信号的振幅，意即放大或缩小第二超音波信号的振幅。具体来说，信号放大器140以一预设倍率g(t)改变第二超音波信号的振幅，预设倍率g(t)会随着时间的增加而增加。换句话说，预设倍率g(t)是一种时变函数，其数值随时间增加而增加。

图3B绘示预设倍率g(t)的折线图，表示预设倍率g(t)随时变化的情况。折线图的横轴表示时间，纵轴表示预设倍率g(t)的大小。

预设倍率g(t)是一个连续时变函数，其值随时间增加而增加。当时间较短时，如在第二时间t₂的情况下，预设倍率g(t)小，以压抑串扰信号c(t₂)的干扰。反之，当时间较长时，如在第三时间t₃的情况下，预设倍率g(t)大，以放大待测信号r(t₃)的强度。

超音波侦测系统100进一步设置有侦测模块150，其电性连接信号放大器140，用来撷取部分第二超音波信号。侦测模块150设定有一阀值d(t)，侦测模块150会撷取经信号放大器140作用后的第二超音波信号的振幅大于阀值d(t)的部分。其中，阀值d(t)随时间增加而减少。换句话说，侦测模块150所提供的阀值d(t)是一个时变函数，其大小随时间增加而减少。

请同时参考图2和图3C。图3C绘示阀值d(t)的折线图，表示阀值d(t)随时变化的情况。折线图的横轴表示时间，纵轴表示阀值d(t)的大小。

阀值d(t)是一种连续时变函数，其值随时递减。当时间较短时，如在第二时间t₂的情况下，阀值d(t)大，可提高侦测的参考值，以避开串扰信号c(t₂)。反之，当时间较长时，如在第三时间t₃的情况下，阀值d(t)小，可提高侦测待测信号r(t₃)的灵敏度。

超音波侦测系统100进一步设置有一带通滤波器190，用以提供一频率范围且过滤出频率符合该频率范围的部分第二超音波信号。具体来说，带通滤波器190会设定一频率范围，并将第二超音波信号中频率符合该频率范围的部分信号留下。基本上，带通滤波器190的频率范围包含第一超音波信号的频率。换句话说，超音波发射端110所发出的第一超音波信号的频率落于该频率范围之内。举例来说，第一超音波信号的频率可为40KHz，带通滤波器190的频宽可为40KHz上下，如38KHz到42KHz之间。借此，过滤出来的部分第二超音波信号极有可能是经空间传播后的第一超音波信号。

带通滤波器190可电性连接信号放大器140及/或侦测模块150。在本发明的实施例中，带通滤波器190设置位于信号放大器140和侦测模块150之间。换句话说，当接收到第二超音波信号后，第二超音波信号会依序经由信号放大器140改变其振幅，再经由带通滤波器190过滤出特定频宽的部分，再经由侦测模块150撷取其振幅大于阀值d(t)的部分。

超音波侦测系统100包含有处理器160，其电性连接侦测模块150。当侦测模块150撷取了部分第二超音波信号后，处理器160会计算此第一超音波信号f(t₁)自发射端110传送到接收端130的距离。

在本发明之实施例中，处理器160透过计算第一超音波信号f(t₁)传送的时间，进而计算第一超音波信号f(t₁)传送的距离。详细来说，超音波侦测系统100设置有定时器170。定时器170电性连接超音波发射端110，以记录超音波发射端110发出第一超音波信号f(t₁)的时间，如第一时间t1。

定时器170进一步电性连接超音波接收端130或侦测模块150，以记录接收到信号的时间。详细来说，定时器170可电性连接超音波接收端130，并记录超音波接收端130接收到信号的时间。另外，定时器170可电性连接侦测模块150，并记录接收到包含有待测信号r(t₂)的信号的时间。换句话说，当侦测模块150撷取部分第二超音波信号时，其表示接收到包含有待测信号r(t₂)的第二超音波信号，故可将此时间记为第二时间t2。在本发明之实施例中，定时器170电性连接侦测模块150。

处理器160电性连接定时器170。当处理器160完成比对的动作后，处理器160会计算第一时间t₁和第二时间t₂的差值，并根据此差值计算第一超音波信号f(t₁)传送的距离。具体来说，处理器160将第一时间t₁和第二时间t₂的差值乘以超音波的传播速度，如此便可算出第一超音波信号f(t₁)传送的距离。

如前所述，本发明的实施例中，超音波发射端110所发出的第一超音波信号f(t₁)经由待测物体反射后才回传到超音波接收端130。因此。第一超音波信号f(t₁)传送的距离是指从超音波发射端110到待测物体的距离加上待测物体到超音波接收端130的距离。在本发明另一实施例中，超音波发射端110和超音波接收端130紧邻设置，故第一超音波信号f(t₁)传送的距离大约等于两倍的待测物体到超音波接收端130的距离，或大约等于两倍的超音波发射端110到待测物体的距离。

另外，在本发明另一实施例中，超音波发射端110和超音波接收端130互相面对且相隔设置。如此一来，第一超音波信号f(t₁)传送的距离代表超音波发射端110和超音波接收端130之间的间距。

另一方面，处理器160可电性连接信号产生器112，以调控信号产生器112产生信号的时间。

为了提高在近距离和远距离侦测的准确度，超音波侦测系统100进一步包含有一切换器180，其电性连接超音波发射端110。切换器180用来切换超音波发射端110处于近距离模式或远距离模式。其中，在近距离模式时，超音波发射端110所发出的第一超音波信号f(t₁)具有第一周期数。在远距离模式时，第一超音波信号f(t₁)具有第二周期数。第一周期数异于第二周期数。

请注意，在此所称的“近距离”或超音波信号传播的“时间较短”的情况是指容易受到串扰信号c(t₂)影响的情况。另外，在此所称的“远距离”或超音波信号传播的“时间较长”等情况是指不易受到串扰信号c(t₂)影响的情况。

在本发明的实施例中，第一周期数小于第二周期数。当处在近距离模式时，第一超音波信号f(t₁)的第一周期数小，可缩短串扰干扰的时间。反之，当处在远距离模式时，第一超音波信号f(t₁)的第二周期数大，累积传送的能量可增加第一超音波信号f(t₁)被侦测到的机会。

图4绘示根据本发明另一实施例的实物摄影机400的示意图。请同时参考图4和图2。实物摄影机400包含有基座410、镜头420和超音波侦测系统100。超音波侦测系统100以详述如上，在此不再多加赘述。

镜头420悬置在基座410的上方，可用来拍摄撷取待摄物体的影像。实物摄影机400的镜头420可以转动，使得镜头420可朝向基座410的方向拍摄，也可转动而朝向其它的方向拍摄。举例来说，当在房间的一端使用实物摄影机400时，镜头420可以拍摄位于基座410上的物体，如书本。镜头420也可拍摄位于房间另一端的物体，如墙上的图。

超音波侦测系统100的超音波发射端110和超音波接收端130均设置邻近镜头420。具体来说，镜头420装设在一机壳430的表面432上，超音波发射端110和超音波接收端130均设置在同样的表面432上，且紧邻镜头420，如图4所示。如此一来，超音波侦测系统100便可用来侦测镜头420到待摄物体之间的距离。

超音波侦测系统100的切换器180可为手动切换或自动切换。举例来说，如图4所绘示的实物摄影机400，切换器180为手动切换。使用者可自行切换切换器180，以改变近距离模式或远距离模式。另外。切换器180也可为自动模式，例如透过传感器感测镜头420目前的位置等来自动切换切换器180。其中，传感器及其作用方式有很多种，在此不一赘述。

举例来说，当镜头420朝向基座410，以拍摄位于基座410上的物体，如书本。切换器180可切换成为近距离模式。当镜头420转向其它方向，如拍摄位于房间另一端的物体，如墙上的图。切换器180可切换成远距离模式。

透过上述各个实施例可知，超音波侦测系统100其应用如实物摄影机400可适用于近距离和远距离的侦测，克服传统侦测的限制，提高测量灵敏度。

请参考图5，图5根据绘示本发明另一实施例的超音波侦测方法500的流程图。

超音波侦测方法500的第一个步骤510为发射至少一第一超音波信号。接着，在步骤520中，接收至少一第二超音波信号。第二超音波信号包含待测信号以及环境中的干扰信号如串扰信号。待测信号指在步骤510中所发出的第一超音波信号经空间传播后而被接收者。

接着，在步骤530中，以一预设倍率改变接收的第二超音波信号的振幅。其中，预设倍率随时间增加而增加。

接着，在步骤540中，过滤出频率合乎一频率范围的部分第二超音波信号。在此步骤中，透过带通滤波器(band-pass filter)对第二超音波信号进行滤波，以过滤出第二超音波信号中频率合乎该频率范围的部分。其中，第一超音波信号的频率落于该频率范围之内。

接着，在步骤550中，根据一阀值撷取部分第二超音波信号，其中撷取的第二超音波信号的振幅大于阀值，且阀值随时间增加而减少。

在本发明的实施例中，当撷取到振幅大于阀值的第二超音波信号时，执行步骤560，计算第一超音波信号传送的距离。

计算第一超音波信号传送距离的方法有很多种。在本发明的实施例中，是透过计算第一超音波信号传送的时间长短来计算其所传送的距离。

具体来说，超音波侦测方法500可在执行步骤510时，并记录发出第一超音波信号的时间为第一时间。接着在执行步骤520时，并记录接收到第二超音波信号的时间为第二时间。或者，在执行步骤550中，并记录撷取到振幅大于阀值的第二超音波信号的时间为第二时间。

接着，计算第一时间和第二时间的差值。最后，根据差值计算第一超音波信号传送的距离。

透过上述各个实施例可知，超音波侦测系统100及其超音波侦测方法500可适用于近距离和远距离的侦测。透过时变的预设倍率、时变的阀值及/或可调动周期数的超音波信号等的设置，可在近距离侦测时压抑或避开串扰信号的干扰，且可在远距离侦测时加强待测信号的强度，克服传统侦测的限制，提高测量灵敏度。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种超音波接收模块，其特征在于，至少包含：

一超音波接收端，接收至少一超音波信号；

一信号放大器，电性连接该超音波接收端，用以提供一预设倍率，并以该预设倍率改变该超音波信号的振幅，其中该预设倍率随时间增加而增加；以及

一侦测模块，电性连接该信号放大器，用以提供一阀值，并撷取振幅大于该阀值的部分该超音波信号，其中该阀值随时间增加而减少。

2.根据权利要求1所述的超音波接收模块，其特征在于，该预设倍率为一连续时变函数，且该阀值为一连续时变函数。

3.一种超音波侦测系统，其特征在于，至少包含：

一超音波发射端，发射至少一第一超音波信号；

一超音波接收端，接收至少一第二超音波信号，其中该第二超音波信号包含该第一超音波信号和至少一干扰信号；

一信号放大器，电性连接该超音波接收端，用以提供一预设倍率，并以该预设倍率改变该第二超音波信号的振幅，其中该预设倍率随时间增加而增加；以及

一侦测模块，电性连接该信号放大器，用以提供一阀值，并撷取振幅大于该阀值的部分该第二超音波信号，其中该阀值随时间增加而减少。

4.根据权利要求3所述的超音波侦测系统，其特征在于，还包含一带通滤波器电性连接该侦测模块，用以提供一频率范围，且过滤出频率符合该频率范围的部分该第二超音波信号，其中该带通滤波器设定该频率范围包含该第一超音波信号的频率。

5.根据权利要求4所述的超音波侦测系统，其特征在于，还包含：

一定时器，电性连接该超音波发射端和该侦测模块，记录该超音波发射端发出该第一超音波信号的时间为一第一时间，且记录该侦测模块撷取到该第二超音波信号的时间为一第二时间；以及

一处理器，电性连接该侦测模块和该定时器，用以根据该第一时间和该第二时间的一差值计算该第一超音波信号传送的距离。

6.根据权利要求3所述的超音波侦测系统，其特征在于，还包含一切换器电性连接该超音波发射端，以切换一近距离模式或一远距离模式，其中在该近距离模式时该第一超音波信号具有一第一周期数，在该远距离模式时该第一超音波信号具有一第二周期数，该第一周期数异于该第二周期数，其中该第一周期数小于该第二周期数。

7.一种超音波侦测方法，其特征在于，至少包含：

发射至少一第一超音波信号；

接收至少一第二超音波信号；

以一预设倍率改变接收的该第二超音波信号的振幅，其中该预设倍率随时间增加而增加；

过滤出频率合乎一频率范围的部分该第二超音波信号，其中该频率范围包含该第一超音波信号的频率；以及

根据一阀值撷取振幅大于该阀值的部分该第二超音波信号，其中该阀值随时间增加而减少。

8.一种实物摄影机，其特征在于，至少包含：

一基座；

一镜头，悬置于该基座上，用以撷取至少一待摄物体的影像；以及

如权利要求3到6任一权利要求所述的超音波侦测系统，用以侦测该镜头到该待摄物体之间的距离。

Images