CN106131375A - 设备以及运动状态检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具备轮状物和运动状态检测装置的设备。所述轮状物能够围绕所述轮状物的圆心轴在第一方向上进行转动，所述运动状态检测装置用于检测所述轮状物的实际运动状态，其中，所述运动状态检测装置包括：光发射器，向所述轮状物的第一侧面射出发射光线，其中在所述第一侧面上设置编码图案，所述编码图案在所述轮状物转动时与所述轮状物一起转动；光探测器，对所述轮状物上的被所述发射光线照射的第一区域进行拍摄，获得所述第一区域的图像数据；以及处理器，根据所述编码图案与所述图像数据，获得所述轮状物在第一方向上的实际转动相关的数据。

Description

设备以及运动状态检测方法

技术领域

本发明涉及一种具备轮状物的设备，特别是涉及一种能够检测轮状物的运动状态的设备。

背景技术

近年，随着GPS导航以及自动驾驶等技术的发展，利用运动指令控制具备轮状物的汽车、智能机器人、智能平板车等设备行驶的技术获得了很大的推进。通过运动指令对设备的轮状物的转动量/转向角进行控制，从而实现对设备行驶情况(速度、路线、位置等)的控制。

但是，由于机械误差、摩擦力、地面状况变化等因素，运动指令的转动量/转向角与轮状物的实际的转动量/转向角之间难免存在误差，预设的行驶路线与实际的行驶轨迹之间的误差会随着行驶距离进一步加大，高时效且精确地控制设备的行驶情况变得困难。

发明内容

鉴于上述的问题，发明人想到采用光学的运动状态检测装置来实时地对轮状物的实际运动状态进行检测并校正，从而能够弥补因转动量/转向角的误差而导致的行驶偏差。

根据本发明的一个方面，提供一种设备。所述设备具备轮状物和运动状态检测装置，所述轮状物能够围绕所述轮状物的圆心轴在第一方向上进行转动，所述运动状态检测装置用于检测所述轮状物的实际运动状态，其中，所述运动状态检测装置包括：光发射器，向所述轮状物的第一侧面射出发射光线，其中在所述第一侧面上设置编码图案，所述编码图案在所述轮状物转动时与所述轮状物一起转动；光探测器，对所述轮状物上的被所述发射光线照射的第一区域进行拍摄，获得所述第一区域的图像数据；以及处理器，根据所述编码图案与所述图像数据，获得所述轮状物在第一方向上的实际转动相关的数据。

上述的设备的特征在于，所述处理器根据所述图像数据，确定位于所述第一区域内的拍摄图案，通过对所述拍摄图案与所述编码图案进行对比，得 到所述轮状物的所述第一方向的转动情况，从而计算所述轮状物在所述第一方向上的实际转动量R，其中，所述编码图案储存在所述运动状态检测装置的存储器中。

上述的设备的特征在于，所述编码图案被设置为预定尺寸以上的任意区域内的图案均是唯一的图案，其中，所述预定尺寸小于或等于所述第一区域的尺寸，在对所述拍摄图案与所述编码图案进行对比时，所述处理器能够确定所述第一区域在所述编码图案上的位置，根据所述第一区域的位置变化，计算所述轮状物在所述第一方向上的实际转动量R。

上述的设备的特征在于，所述轮状物能够围绕所述轮状物的直径轴在第二方向上进行转向，所述运动状态检测装置还包括：光调制器，对所述发射光线进行调制，以使所述发射光线的强度按特定模式在时间上变化，其中，所述发射光线的调制信息存储在所述存储器中，其中，所述处理器根据所述发射光线的调制信息与所述图像数据，获得所述轮状物在第二方向上的实际转向相关的数据。

上述的设备的特征在于，其中，所述处理器通过比较预定时间内所述发射光线的强度变化与所述图像数据的预定位置的亮度变化，获得从所述发射光线被所述光发射器射出直到所述发射光线被所述光探测器接收为止的时间差ΔT，根据所述时间差ΔT来计算光路长度L。

上述的设备的特征在于，所述光发射器和所述光探测器被安装在与所述轮状物连接的车轴的不同位置上，所述光发射器和所述光探测器的位置在所述车轴上具有预设的第一距离ΔX，由所述光发射器射出的所述发射光线与所述车轴之间具有预设的夹角θ，所述光发射器到所述轮状物与所述车轴的连接点具有预设的第二距离S，所述处理器根据所述光路长度L、所述第一距离ΔX以及所述夹角θ，计算所述第一区域内的所述预定位置，并且，根据所述预定位置和所述第二距离S来计算所述轮状物在所述第二方向上的实际转向角度α。

上述的设备的特征在于，所述设备还具备：运动控制器，根据来自所述处理器的运动指令，控制所述轮状物进行运动，其中，所述运动指令包含指令转动量R1和指令转向角度α1，所述处理器根据所述实际转动量R和所述实际转向角度α，指示所述运动控制器对所述设备的行驶状态进行校正。

上述的设备的特征在于，在对所述设备的行驶状态进行校正时，所述处 理器根据所述实际转动量R与所述指令转动量R1之间的差值、和所述实际转向角度α与所述指令转向角度α1之间的差值，对所述运动控制器指示校正后的所述指令转动量R1和校正后的所述指令转向角度α1，所述运动控制器根据校正后的所述指令转动量R1和校正后的所述指令转向角度α1，控制所述轮状物进行运动。

上述的设备的特征在于，在对所述设备的行驶状态进行校正时，所述处理器根据所述实际转动量R和所述实际转向角度α来确定所述设备的实际行驶轨迹，根据所述实际行驶轨迹与预设行驶路线之间的误差，指示所述运动控制器对所述轮状物的运动状态进行校正，以使所述设备能够按所述预设行驶路线进行行驶。

上述的设备的特征在于，所述运动状态检测装置还包括：地面状况记录器，根据所述运动指令和所述实际运动状态，对所述轮状物的所在位置的地面状况进行记录，当所述设备在地面上行驶时，所述处理器基于所述地面状况以及所述预设行驶路线，对所述运动控制器指示所述运动指令。

上述的设备的特征在于，所述运动状态检测装置还包括：背景光过滤器，对由所述光探测器拍摄得到的所述图像数据中的背景光成分进行过滤。

根据本发明的一个实施方式，提供一种运动状态检测方法。所述运动状态检测方法用于检测轮状物的实际运动状态，所述轮状物能够围绕所述轮状物的圆心轴在第一方向上进行转动。所述运动状态检测方法包含：通过光发射器向所述轮状物的第一侧面射出发射光线，其中在所述第一侧面上设置编码图案，所述编码图案在所述轮状物转动时与所述轮状物一起转动；通过光探测器对所述轮状物上的被所述发射光线照射的第一区域进行拍摄，获得所述第一区域的图像数据；以及根据所述编码图案与所述图像数据，获得所述轮状物在第一方向上的实际转动相关的数据。

根据本发明的设备以及运动状态检测方法，提供了一种对设备的轮状物的运动状态的检测以及控制的技术方案。利用光学的检测方法能够高时效且精确地检测轮状物的实际运动状态。通过实时地对轮状物的实际的转动量/转向角进行检测并校正，从而能够校正因转动量/转向角的误差导致的运动轨迹偏差。此外，根据运动指令和实际运动状态，对轮状物的所在位置的地面状况进行记录，基于地面状况以及预设行驶路线，能够更加精确地控制设备的行驶。

附图说明

图1A至图1B是表示设备的轮状物的运动状态的示意图。

图2是表示本发明的一个实施例中的设备的功能框图。

图3是表示在设备中各部件设置方式的一例的示意图。

图4是表示对轮状物的运动状态进行检测时的光路的示意图。

图5是表示检测轮状物在第一方向上的转动量的原理图。

图6是表示对于轮状物在第一方向上的转动量的运动状态检测方法的流程图。

图7是表示检测轮状物在第二方向上的转向角度的原理图。

图8是表示对于轮状物在第二方向上的转向角度的运动状态检测方法的流程图。

图9是表示设备在不同的地面状况行驶的示意图。

具体实施方式

以下，参照附图来说明本发明的具体实施方式。提供以下参照附图的描述，以帮助对由权利要求及其等价物所限定的本发明的示例实施方式的理解。其包括帮助理解的各种具体细节，但它们只能被看作是示例性的。而且，为了使说明书更加清楚简洁，将省略对本领域熟知功能和构造的详细描述。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。

在这里，本发明涉及的设备可以是具备自动行驶功能的汽车、智能机器人、智能平板车等设备。设备根据由处理器或远程服务器发出的运动指令而控制轮状物的运动状态，从而能够按照预设的行驶路线进行行驶。

图1是表示设备的轮状物的运动状态的示意图。下面，参照图1对轮状物的运动状态进行说明。

在通常的设备中，轮状物的运动分为两种运动方式：1)、如图1A所示那样，轮状物能够围绕轮状物的圆心轴在圆周方向上顺时针或者逆时针进行转动；2)、如图1B所示那样，轮状物能够围绕轮状物的直径轴向左或者向右进行转向。

需要注意，这里的顺时针、逆时针、向左、向右均只是为了解释轮状物的运动方式而做出的规定，并不具有任何限制的意义。显然，基于观察者所 处位置的不同，上述方向和朝向也会发生变化。另外，不论轮状物向顺时针转动或者逆时针转动，圆周方向的转动量的检测方法是相同的。同样地，不论轮状物向左转向或者向右转向，轮状物的转向角度的检测方法也是相同。因此，为了简化说明，在后面的记述中不再区分顺时针和逆时针而将轮状物围绕圆心轴在圆周方向上的转动简称为轮状物在第一方向的转动(有时也简称为转动)，且不再区分向左或者向右而将轮状物围绕直径轴的转向定义为在第二方向上的转向(有时也简称为转向)。

在本发明中，采用光学检测的方法，分别检测轮状物在第一方向上的转动以及在第二方向上的转向，从而能够高时效地掌握轮状物的实际的运动状态，进而能够实时地掌握设备的行驶情况。

图2是表示本发明的一个实施例中的设备的功能框图。下面，参照图2，对设备的结构进行说明。

设备1具备轮状物11和运动状态检测装置12。此外，设备1还具备用于存储各种数据的存储器(未图示)。存储器可以作为运动状态检测装置12的一个部件来设置，也可以与运动状态检测装置12分立地设置。

轮状物11能够如图1所示那样进行在第一方向上的转动以及在第二方向上的转向。在轮状物11的一个侧面上预先设置了编码图案，编码图案在轮状物11转动时与轮状物11一起进行转动。编码图案可以是由花纹、字符、方块等构成的图案，并且还可以是不同的颜色的图案，从而使得在编码图案上不同区域内的图案之间具有区别度。从便于实现以及防止外界光线干扰的角度出发，设置编码图案的侧面优选为轮状物11的内侧表面、即轮状物11与车轴连接一侧的侧面。但是，从实现的可能性而言，设置编码图案的侧面也可以根据设备1的实际情况而灵活选择。为了便于说明，下面将轮状物11的设置了编码图案的侧面也简称为第一侧面。与编码图案有关的数据被预先保存在存储器中。关于编码图案的其他细节在后面详细进行叙述。

运动状态检测装置12分别检测轮状物11在第一方向的转动以及第二方向的转向。运动状态检测装置12包括光发射器121、光探测器122、以及处理器123。

光发射器121用于向轮状物11的第一侧面射出发射光线。光发射器121可以是LED灯、激光器等各种的光源。

光探测器122用于对轮状物11上的被发射光线照射的区域(下面也简称 第一区域)进行拍摄，获得第一区域的图像数据。光探测器122可以是能够以尽可能高的拍摄速度对轮状物11的第一区域进行拍摄的高速摄像机或者高速照相机等。通过光探测器122拍摄而生成的图像数据可以直接传送给处理器123，也可以存储在存储器中以供处理器123在需要时进行读取。

处理器123用于进行各种相关的数据处理。处理器123根据编码图案与图像数据，获得轮状物11的实际运动状态。处理器123可以是CPU或者ASIC等。

可选择地，为了消除设备1周围的背景光对检测精度的影响，运动状态检测装置12还可以包括背景光过滤器(未图示)。背景光过滤器用于对由光探测器122拍摄得到的图像数据中的背景光成分进行过滤。由此，根据过滤后的图像数据，能够更加精确地检测轮状物11的实际运动状态。背景光过滤器可以通过各种方式来实现对背景光的过滤。例如，当光发射器121射出的发射光线为特定频段的光时，背景光过滤器对图像数据中其他频段的光进行过滤。

下面，关于在轮状物11的第一侧面上设置的编码图案进行详细说明。

设置编码图案的本质是对轮状物11的第一侧面的各区域赋予位置信息，从而根据拍摄到的图像数据与编码图案的对比，能够检测轮状物11在第一方向上的实际转动的情况。编码图案被设置为预定尺寸以上的任意区域内的图案均是唯一的图案，其中，预定尺寸小于或等于第一区域的尺寸。此外，编码图案也可以被设置为预定尺寸以上的在任意径向上的图案均是唯一的图案。关于编码图案，只要满足处理器123通过对比拍摄图案与编码图案能够唯一地确认轮状物11在第一方向上的实际转动量即可。

如此，在对拍摄图案与编码图案进行对比时，处理器123能够确定第一区域在编码图案上的位置，根据第一区域相对于编码图案的位置变化，计算轮状物11在第一方向上的实际转动量。具体而言，随着轮状物11在第一方向上进行转动，位于被发射光线照射的第一区域内的图案也发生变化。当光探测器122对第一区域进行拍摄时，生成与第一区域内的图案相应的图像数据。如果在编码图案的预定尺寸以上的任意区域内的图案均是唯一的图案，那么处理器123将图像数据与编码图案进行比对，能够确定图像数据所表示的图案(即第一区域内的图案)对应于编码图案的哪一区域内的图案，从而能够确定在进行拍摄时第一区域与编码图案的位置关系，进而确定轮状物11 在第一方向上的转动情况。

图3是表示在设备中各部件设置方式的一例的示意图。需要注意的是，图3仅用于示意性的说明本发明，图中的长度或尺寸的比例关系等并不代表实际情况。下面，参照图3，说明设备1中所设置的各部件之间的位置关系。

如图3所示，光发射器121和光探测器122被安装在与轮状物11连接的车轴的不同位置上，光发射器121和光探测器122的位置在车轴上具有预设的第一距离ΔX，由光发射器121射出的发射光线与车轴之间具有预设的夹角θ，光发射器121到轮状物11与车轴的连接点具有预设的第二距离S。

图4是表示对轮状物的运动状态进行检测时的光路的示意图。下面，参照图4，说明对轮状物11的运动状态进行检测时的光路。

发射光线从光发射器121射出而照射在轮状物11的编码图案上，发射光线在编码图案上发生反射。光探测器122对反射回来的光线进行接收。当轮状物11在第二方向上进行转向时，随着轮状物11的向左或向右的转向，发射光线所照射的第一区域相对于轮状物11的编码图案的位置发生偏移，光路以及光路长度L也发生变化。

图5是表示检测轮状物在第一方向上的转动量的原理图。下面，参照图5来详细说明利用运动状态检测装置12来检测轮状物11在第一方向上的转动量的原理。图5中示出的编码图案只是为了便于说明而简化后的图案，并不起到任何的限制作用。

光探测器122对轮状物11上的被发射光线照射的第一区域进行拍摄，从而获得第一区域的图像数据。处理器123根据图像数据能够识别出第一区域内的图案(即图4中的“A”、“K”)。处理器123将识别出的第一区域内的图案与在存储器中保存的编码图案进行对比。如前面提到的那样，在编码图案中不存在两个的第一区域大小的相同图案，因此，处理器123根据识别出的第一区域内的图案，能够唯一地确认在进行拍摄时轮状物11所处的状态。进而，处理器123根据在任意两个时刻(例如图4中的“T1”、“T2”)拍摄得到的图像数据，能够获得出这两个时刻之间轮状物11在第一方向(圆周方向)上的转动角度β。

在公式(1)中，β为轮状物11在第一方向上的转动角度，r为轮状物11的半径长度，利用公式(1)能够计算出轮状物11在第一方向上的实际转动量R。

下面，说明在设备1中如何检测轮状物11在第一方向上的实际转动量。

轮状物11能够围绕轮状物11的圆心轴在第一方向上进行转动。

光发射器121向轮状物11的第一侧面射出发射光线，其中在第一侧面上设置编码图案，编码图案在轮状物11转动时与轮状物11一起转动。

光探测器122对轮状物11上的被发射光线照射的第一区域进行拍摄，获得第一区域的图像数据。处理器123根据编码图案与图像数据，获轮状物11在第一方向上的实际转动相关的数据。

处理器123根据图像数据，确定位于第一区域内的拍摄图案，通过对拍摄图案与编码图案进行对比，得到轮状物11的第一方向的转动情况，从而计算轮状物11在第一方向上的实际转动量R，其中，编码图案储存在运动状态检测装置的存储器中。

编码图案被设置为预定尺寸以上的任意区域内的图案均是唯一的图案，其中，预定尺寸小于或等于第一区域的尺寸。在对拍摄图案与编码图案进行对比时，处理器123能够确定第一区域在编码图案上的位置，根据第一区域的位置变化，计算轮状物11在第一方向上的实际转动量R。

可选择地，背景光过滤器也可以对由光探测器拍摄得到的图像数据中的背景光成分进行过滤。

图6是表示对于轮状物在第一方向上的实际转动量的运动状态检测方法的流程图。

如图6所示，在步骤S101中，光发射器121对轮状物11的设置了编码图案的第一侧面射出发射光线。

在步骤S102中，光探测器122对被发射光线照射的第一区域进行拍摄，获得与第一区域的图像数据。所获得的图像数据可以发送给处理器123，也可以保存在存储器中以供处理器123在需要时进行读取。此外，在存储器中还保存了轮状物11的第一侧面上的编码图案相关的数据。

在步骤S103中，背景光过滤器对由光探测器122拍摄得到的图像数据中的背景光成分进行过滤。在此，步骤S103只是作为优选的实施方式，也可以在步骤S102之后直接前进至步骤S104。

在步骤S104中，根据图像数据，确定位于第一区域内的拍摄图案，通过将拍摄图案与编码图案进行对比，确定第一区域在编码图案上的位置。

在步骤S105中，根据第一区域的位置变化，计算轮状物11在第一方向上的实际转动量R。

需要说明的是，在轮状物11的运动状态可能会同时包含第一方向的转动以及第二方向的转向时，轮状物11上的第一区域(即被发射光线照射的区域)还会随着轮状物的转向而在轮状物11的径向上产生偏移。但是，由于在步骤S104～S105的处理中，仅需要从图像数据中提取轮状物11在第一方向(圆周方向)上的转动情况，因此，即使第一区域相对于轮状物11的编码图案的位置在径向上发生变化，仍然不会影响到对于轮状物11的第一方向(圆周方向)上的转动的检测精度。

图7是表示检测轮状物在第二方向上的转向角度的原理图。下面，参照图7来详细说明利用运动状态检测装置12来检测轮状物11在第二方向上的转向角度的原理。

光发射器121向轮状物11的第一侧面射出发射光线，发射光线在轮状物11的第一侧面上的第一区域发生反射，光探测器122对反射回来的光线进行接收。由此，光发射器121到轮状物11第一侧面的第一区域到光探测器122这三者之间形成了一条光路。光路长度L随着轮状物11在第二方向上的转向角度而发生变化。相反地，若检测出光路长度L，则能够计算出轮状物11在第二方向上的转向角度α。

为了对光路长度L进行检测，运动状态检测装置还包括光调制器。光调制器用于对光发射器121射出的发射光线进行调制，以使发射光线的强度按特定模式在时间上变化。其中，发射光线的调制信息存储在存储器中以供处理器123在需要时进行读取。在调制信息中保存有发射光线的强度随时间变化的信息。由于光调制器将发射光线的强度按特定的模式进行了时间调制，光探测器122从轮状物11的侧面接收到的反射光线的强度同样会按照特定的模式而变化。处理器123根据发射光线的调制信息与由光探测器122拍摄到的图像数据，获得轮状物11在第二方向上的实际转向相关的数据。

具体而言，由于对发射光线进行了调制，发射光线的强度随时间发生变化，从而在发射光线以及接收光线中都保存有时间信息。如图7所示，处理器123通过比较预定时间内发射光线的强度变化与图像数据的预定位置的亮 度变化，获得从发射光线被光发射器121射出直到发射光线被光探测器122接收为止的时间差ΔT。需要注意的是，图像数据是对第一区域进行拍摄而得到的数据，图像数据的位置与第一区域的位置成为一一对应的关系。考虑到更加精确地测量光路长度L，第一区域的预定位置优选为第一区域的中心位置，图像数据的预定位置则为与第一区域的中心位置对应的位置。如此，所获得的时间差ΔT能够精确地反映出从光发射器121到轮状物11上的第一区域的中心位置再返回到光探测器122为止的光路长度L。

L＝ΔT·C…(2)

在公式(2)中，ΔT为时间差，C为正常大气环境下的光速，利用公式(2)能够计算出光路长度L。

$\left\{\begin{array}{c}\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1\\ y=cx+d\end{array}\right.\mathrm{...}\left(3\right)$

进而，参照图4和图7，在光发射器121与光探测器122的第一距离△X、发射光线与车轴之间的夹角θ、光路长度L均为已知的情况下，可以得知方程组(3)，其中，系数c＝-tanθ，通过求解方程组(3)能够计算出第一区域的预定位置P的坐标。在计算出第一区域的预定位置P的坐标之后，能够进一步根据计算出轮状物11的转向角度α。具体计算过程省略。

下面，说明在设备1中如何检测轮状物11在第二方向上的实际转向角度。

轮状物11还能够围绕轮状物11的直径轴在第二方向上进行转向。

运动状态检测装置12还包括光调制器。光调制器对发射光线进行调制，以使发射光线的强度按特定模式在时间上变化，其中，发射光线的调制信息可以发送给处理器123，也可以存储在存储器中以供处理器123读取。

光发射器121向轮状物11的第一侧面射出经调制的发射光线，其中在第一侧面上设置编码图案，编码图案在轮状物11转动时与轮状物11一起转动。

光探测器122对轮状物11上的被发射光线照射的第一区域进行拍摄，获 得第一区域的图像数据。

处理器123根据发射光线的调制信息与由光探测器122拍摄到的图像数据，获得轮状物11在第二方向上的实际转向相关的数据。

处理器123通过比较预定时间内发射光线的强度变化与图像数据的预定位置的亮度变化，获得从发射光线被光发射器射出直到发射光线被光探测器接收为止的时间差ΔT，根据时间差ΔT来计算光路长度L。

光发射器121和光探测器122被安装在与轮状物11连接的车轴的不同位置上，光发射器121和光探测器122的位置在车轴上具有预设的第一距离ΔX，由光发射器121射出的发射光线与车轴之间具有预设的夹角θ，光发射器121到轮状物11与车轴的连接点具有预设的第二距离S。

处理器123根据光路长度L、第一距离ΔX以及夹角θ，计算第一区域内的预定位置，并且，根据预定位置和第二距离S来计算轮状物11在第二方向上的实际转向角度α。

可选择地，运动状态检测装置12还可以包括背景光过滤器。背景光过滤器对由光探测器122拍摄得到的图像数据中的背景光成分进行过滤。

图8是表示对于轮状物在第二方向上的转向角度的运动状态检测方法的流程图。

如图8所示，在步骤S201中，通过光调制器对光发射器121的发射光线进行调制，以使发射光线的强度按特定模式在时间上变化。发射光线的调制信息可以发送给处理器123，也可以存储在存储器中以供处理器123读取。

在步骤S202中，光发射器121以与车轴成预设的夹角θ的方式，对轮状物11的设置了编码图案的第一侧面射出经过调制后的发射光线。

在步骤S203中，光探测器122对被发射光线照射的第一区域进行拍摄，获得第一区域的图像数据。所获得的图像数据可以发送给处理器123，也可以存储在存储器中以供处理器123在需要时进行读取。

在步骤S204中，背景光过滤器对由光探测器122拍摄得到的图像数据中的背景光成分进行过滤。在此，步骤S204只是作为优选的实施方式，也可以在步骤S102之后直接前进至步骤S205。

在步骤S205中，通过比较预定时间内发射光线的强度变化与图像数据的预定位置的亮度变化，获得从发射光线被光发射器121射出直到发射光线被光探测器122接收为止的时间差ΔT，根据时间差ΔT来计算光路长度L。

在步骤S206中，根据光路长度L、第一距离△X、以及夹角θ，计算第一区域内的预定位置，并且，根据预定位置和第二距离S来计算轮状物11在第二方向上的实际转向角度α。

需要说明的是，在轮状物11的运动状态同时包含第一方向的转动以及第二方向的转向时，随着轮状物11在第一方向上的转动，轮状物11上的第一区域内的编码图案也在发生变化，编码图案的变化也会引起图像数据的亮度的变化。为了更好地区分两种强度变化，考虑可以将光调制器的调制周期设置为足够短的周期(高频调制)，或者将发射光线的强度在特定的时刻设为0，以便于处理器123能够准确地从图像数据中识别出由光调制器的调制而引起的图像数据的亮度变化。

至此，处理器123计算出轮状物11的实际转动量R和实际转向角度α。

下面，说明在设备1中如何对设备1的行驶状态进行校正。

设备1还具备运动控制器。运动控制器根据来自处理器123的运动指令，控制轮状物11进行运动。其中，运动指令包含指令转动量R1和指令转向角度α1。运动控制器可以是电动机等。

在获得轮状物11在第一方向上的实际转动量R以及在第二方向上的实际转向角度α之后，处理器123还可以根据实际转动量R和实际转向角度α，指示运动控制器对设备1的行驶状态进行校正。在此，对设备1的行驶状态的校正可以有两种校正方式。

在第一种校正方式中，在对设备1的行驶状态进行校正时，处理器123根据实际转动量R和实际转向角度α来确定设备1的实际行驶轨迹，根据实际行驶轨迹与预设行驶路线之间的误差，指示运动控制器对轮状物11的运动状态进行校正，以使设备1能够按预设行驶路线进行行驶。

例如，在设备1行驶了30秒后，处理器123根据过去30秒内的各个时刻检测到的实际转动量R和实际转向角度α，计算出设备1当前所在的实际位置。在考虑实际位置与预设位置之间的误差的基础上，处理器123计算用于校正设备1的行驶状态的运动指令，以使在后续的行驶中设备1能够返回到预设的行驶路线上。

第一种校正方式的优点在于，只需要实时地检测轮状物11的实际运动状态，而不需要实时地计算用于校正的运动指令。在经过一定时间的行驶之后计算一次设备1的实际行驶轨迹，。根据实际行驶轨迹与预设行驶路线之间的 误差，计算用于校正设备1的行驶状态的运动指令。由此，能够减少数据的处理量以及节省电力的消耗。

在第二种校正方式中，在对设备1的行驶状态进行校正时，处理器123根据实际转动量R与指令转动量R1之间的差值、和实际转向角度α与指令转向角度α1之间的差值，对运动控制器指示校正后的指令转动量R1和校正后的指令转向角度α1。运动控制器根据校正后的指令转动量R1和校正后的指令转向角度α1，控制轮状物11进行运动。

例如，在处理器123对运动控制器指示指令转动量R1和指令转向角度α1后，运动状态检测12检测到实际转动量R和实际转向角度α。处理器123在考虑运动指令与实际运动状态之间的误差的基础上，处理器123计算用于校正设备1的行驶状态的运动指令，以使弥补上次的运动指令与实际运动状态的误差。另外，考虑到从处理器123发出运动指令到运动控制器控制轮状物11完成相应于该运动指令的运动为止，需要一定的时间。因此，优选为在相应于运动指令的运动完成之后，再开始对实际运动状态的检测。

第二种校正方式的优点在于，根据轮状物11的实际运动状态实时地对运动指令进行校正，能够更加实时且精确地控制设备1的行驶路线。

关于上述两种校正方式，可以根据实际需要而自由进行选择。

图9是表示设备在不同的地面状况下行驶的示意图。下面，参照图9来说明设备1在不同的地面状况下行驶的情况。

当设备1行驶在不同的材质的地面上时，即使对轮状物11作出相同的运动指令，轮状物11的实际运动状态也会不同。例如，在地面上存在大理石区域、木地板区域、毛毯区域。在这3种地面状况下，地面的粗糙程度以及摩擦力的大小依次增加。此时，假设处理器123对运动控制器指示了指令转向角度10°。由于地面状况的不同，轮状物11的实际转向角度可能并不相同。作为示例，将在不同地面状况下运动指令与实际运动状态的关系列为下表。

	指令转向角度	实际转向角度	比例
				大理石区域	10°	10°	1:1
木地板区域	10°	8°	1:0.8
				毛毯区域	10°	6°	1:0.6

表1 不同地面状况的实际转向角度

具体而言，通过运动状态检测装置12对实际转向角度的检测，得到了在不同地面状况下指令转动角度与实际转动角度之间的比例关系。例如，在大理石区域，运动控制器按照指令转向角度10°来控制轮状物11在第二方向上进行转向时，轮状物11实际转动10°，即指令转向角度与实际转向角度的比例为1:1。在木地板区域，指令转向角度与实际转向角度的比例为1:0.8。在毛毯区域，指令转向角度与实际转向角度的比例为1:0.6。

相反地，只要根据上述的比例，当设备1在相应的地面状况行驶时，将指令转向角度乘以相应的校正系数(即上述比例的倒数)，则能够对指令转向角度与实际转向角度之间的误差进行校正。

在下表2中示出作为利用校正系数进行校正的一例。

表2 校正后的不同地面状况的实际转向角度

如表2所示，在判断出设备1的轮状物11所处的地面状况之后，通过对指令转向角度乘以相应的校正系数，能够校正轮状物11的指令转向角度与实际转向角度之间的误差。此外，关于指令转动量与实际转动量的校正方式也是相同的，在此省略说明。

在另一实施例中，运动状态检测装置12还可以包括地面状况记录器(未图示)。地面状况记录器根据运动指令和实际运动状态，对轮状物11的所在位置的地面状况进行记录。当设备1在地面上行驶时，处理器123基于地面状况以及预设行驶路线，对运动控制器指示运动指令。

当设备1在地面上行驶时，运动状态检测装置12对轮状物11的实际运动状态进行检测。根据运动指令和实际运动状态之间的关系，对轮状物11的所在位置的地面状况进行记录。作为对地面状况进行记录的方式，可以将轮 状物11所处的位置、与在该位置上的运动指令和实际运动状态的比例相关联地保存在地面状况记录器中。

如此，当设备1再次在相同的地面上进行行驶时，能够根据所记录的地面状况以及预设行驶路线，预先利用相应的校正系数来对用于指示运动控制器的运动指令进行校正。

下面，说明用于校正设备1的行驶情况的运动状态检测方法。

通过运动控制器根据运动指令来控制轮状物11进行运动，其中，运动指令包含指令转动量R1和指令转向角度α1。

根据实际转动量R和实际转向角度α，指示运动控制器对具备轮状物11的设备的行驶状态进行校正。

在第一校正方式下，在对设备1的行驶状态进行校正时，根据实际转动量R与指示转动量R1之间的差值、以及实际转向角度α与指示转向角度α1之间的差值，对运动控制器指示校正后的指示转动量R1和校正后的指示转向角度α1。通过运动控制器根据校正后的指令转动量R1和校正后的指令转向角度α1，控制轮状物11进行运动。

在第二校正方式下，在对设备1的行驶状态进行校正时，根据实际转动量R和实际转向角度α来确定设备1的实际行驶轨迹，根据实际行驶轨迹与预设行驶路线之间的误差，指示运动控制器对轮状物11的运动状态进行校正，以使设备1能够按预设行驶路线进行行驶。

可选择地，还可以通过地面状况记录器根据运动指令和实际运动状态，对轮状物11的所在位置的地面状况进行记录；以及当设备1在地面上行驶时，基于地面状况以及预设行驶路线，对运动控制器指示运动指令。

根据本发明的设备以及运动状态检测方法，提供了一种对设备的轮状物的运动状态的检测以及控制的技术方案。利用光学的检测方法能够高时效且精确地检测轮状物的实际运动状态。通过实时地对轮状物的实际的转动量/转向角进行检测并反馈，从而能够校正因转动量/转向角的误差导致的运动轨迹偏差。此外，根据运动指令和实际运动状态，对轮状物的所在位置的地面状况进行记录，基于地面状况以及预设行驶路线，能够更加精确地控制设备的行驶。

本领域普通技术人员可以意识到，结合在本发明的实施例描述的各个单元和步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现。并且软件 模块可以置于任意形式的计算机存储介质中。为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在上面详细描述了本发明的各个实施例。然而，本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可对这些实施例进行各种修改，组合或子组合，并且这样的修改应落入本发明的范围内。

Claims (22)

1.一种设备，其具备轮状物和运动状态检测装置，所述轮状物能够围绕所述轮状物的圆心轴在第一方向上进行转动，所述运动状态检测装置用于检测所述轮状物的实际运动状态，其中，

所述运动状态检测装置包括：

光发射器，向所述轮状物的第一侧面射出发射光线，其中在所述第一侧面上设置编码图案，所述编码图案在所述轮状物转动时与所述轮状物一起转动；

光探测器，对所述轮状物上的被所述发射光线照射的第一区域进行拍摄，获得所述第一区域的图像数据；以及

处理器，根据所述编码图案与所述图像数据，获得所述轮状物在第一方向上的实际转动相关的数据。

2.如权利要求1所述的设备，其中，

所述处理器根据所述图像数据，确定位于所述第一区域内的拍摄图案，通过对所述拍摄图案与所述编码图案进行对比，得到所述轮状物的所述第一方向的转动情况，从而计算所述轮状物在所述第一方向上的实际转动量R，其中，所述编码图案储存在所述运动状态检测装置的存储器中。

3.如权利要求2所述的设备，其中，

所述编码图案被设置为预定尺寸以上的任意区域内的图案均是唯一的图案，其中，所述预定尺寸小于或等于所述第一区域的尺寸，

在对所述拍摄图案与所述编码图案进行对比时，所述处理器能够确定所述第一区域在所述编码图案上的位置，根据所述第一区域的位置变化，计算所述轮状物在所述第一方向上的实际转动量R。

4.如权利要求3所述的设备，其中，

所述轮状物能够围绕所述轮状物的直径轴在第二方向上进行转向，

所述运动状态检测装置还包括：

光调制器，对所述发射光线进行调制，以使所述发射光线的强度按特定模式在时间上变化，其中，所述发射光线的调制信息存储在所述存储器中，

其中，所述处理器根据所述发射光线的调制信息与所述图像数据，获得所述轮状物在第二方向上的实际转向相关的数据。

5.如权利要求4所述的设备，其中，

所述处理器通过比较预定时间内所述发射光线的强度变化与所述图像数据的预定位置的亮度变化，获得从所述发射光线被所述光发射器射出直到所述发射光线被所述光探测器接收为止的时间差△T，根据所述时间差△T来计算光路长度L。

6.如权利要求5所述的设备，其中，

所述光发射器和所述光探测器被安装在与所述轮状物连接的车轴的不同位置上，所述光发射器和所述光探测器的位置在所述车轴上具有预设的第一距离△X，由所述光发射器射出的所述发射光线与所述车轴之间具有预设的夹角θ，所述光发射器到所述轮状物与所述车轴的连接点具有预设的第二距离S，

所述处理器根据所述光路长度L、所述第一距离△X以及所述夹角θ，计算所述第一区域内的所述预定位置，并且，根据所述预定位置和所述第二距离S来计算所述轮状物在所述第二方向上的实际转向角度α。

7.如权利要求6所述的设备，其中，

所述设备还具备：

运动控制器，根据来自所述处理器的运动指令，控制所述轮状物进行运动，其中，所述运动指令包含指令转动量R1和指令转向角度α1，

所述处理器根据所述实际转动量R和所述实际转向角度α，指示所述运动控制器对所述设备的行驶状态进行校正。

8.如权利要求7所述的设备，其中，

在对所述设备的行驶状态进行校正时，

所述处理器根据所述实际转动量R与所述指令转动量R1之间的差值、和所述实际转向角度α与所述指令转向角度α1之间的差值，对所述运动控制器指示校正后的所述指令转动量R1和校正后的所述指令转向角度α1，

所述运动控制器根据校正后的所述指令转动量R1和校正后的所述指令转向角度α1，控制所述轮状物进行运动。

9.如权利要求7所述的设备，其中，

在对所述设备的行驶状态进行校正时，

所述处理器根据所述实际转动量R和所述实际转向角度α来确定所述设备的实际行驶轨迹，根据所述实际行驶轨迹与预设行驶路线之间的误差，指示所述运动控制器对所述轮状物的运动状态进行校正，以使所述设备能够按所述预设行驶路线进行行驶。

10.如权利要求7-9所述的设备，其中，

所述运动状态检测装置还包括：

地面状况记录器，根据所述运动指令和所述实际运动状态，对所述轮状物的所在位置的地面状况进行记录，

当所述设备在地面上行驶时，所述处理器基于所述地面状况以及所述预设行驶路线，对所述运动控制器指示所述运动指令。

11.如权利要求10所述的设备，其中，

所述运动状态检测装置还包括：

背景光过滤器，对由所述光探测器拍摄得到的所述图像数据中的背景光成分进行过滤。

12.一种运动状态检测方法，用于检测轮状物的实际运动状态，所述轮状物能够围绕所述轮状物的圆心轴在第一方向上进行转动，所述运动状态检测方法包含：

通过光发射器向所述轮状物的第一侧面射出发射光线，其中在所述第一侧面上设置编码图案，所述编码图案在所述轮状物转动时与所述轮状物一起转动；

通过光探测器对所述轮状物上的被所述发射光线照射的第一区域进行拍摄，获得所述第一区域的图像数据；以及

根据所述编码图案与所述图像数据，获得所述轮状物在第一方向上的实际转动相关的数据。

13.如权利要求12所述的运动状态检测方法，其中，

在获得所述轮状物在第一方向上的运动相关的数据时，

根据所述图像数据，确定位于所述第一区域内的拍摄图案，通过对所述拍摄图案与所述编码图案进行对比，得到所述轮状物的所述第一方向的转动情况，从而计算所述轮状物在所述第一方向上的实际转动量R，其中，所述编码图案储存在所述运动状态检测装置的存储器中。

14.如权利要求13所述的运动状态检测方法，其中，

所述编码图案被设置为预定尺寸以上的任意区域内的图案均是唯一的图案，其中，所述预定尺寸小于或等于所述第一区域的尺寸，

在对所述拍摄图案与所述编码图案进行对比时，能够确定所述第一区域在所述编码图案上的位置，根据所述第一区域的位置变化，计算所述轮状物在所述第一方向上的实际转动量R。

15.如权利要求14所述的运动状态检测方法，还包含：

通过光调制器对所述发射光线进行调制，以使所述发射光线的强度按特定模式在时间上变化，其中，所述发射光线的调制信息存储在所述存储器中；以及

根据所述发射光线的调制信息与所述图像数据，获得所述轮状物在第二方向上的实际转向相关的数据，其中，所述第二方向是所述轮状物围绕所述轮状物的直径轴进行转向的方向。

16.如权利要求15所述的运动状态检测方法，其中，

在获得所述轮状物在第二方向上的转动相关的数据时，通过比较预定时间内所述发射光线的强度变化与所述图像数据的预定位置的亮度变化，获得从所述发射光线被所述光发射器射出直到所述发射光线被所述光探测器接收为止的时间差△T，根据所述时间差△T来计算光路长度L。

17.如权利要求16所述的运动状态检测方法，其中，

所述光发射器和所述光探测器被安装在与所述轮状物连接的车轴的不同位置上，所述光发射器和所述光探测器的位置在所述车轴上具有预设的第一距离△X，由所述光发射器射出的所述发射光线与所述车轴之间具有预设的夹角θ，所述光发射器到所述轮状物与所述车轴的连接点具有预设的第二距离S，

在获得所述轮状物在第二方向上的转动相关的数据时，根据所述光路长度L、所述第一距离△X以及所述夹角θ，计算所述第一区域内的所述预定位置，并且，根据所述预定位置和所述第二距离S来计算所述轮状物在所述第二方向上的实际转向角度α。

18.如权利要求17所述的运动状态检测方法，还包含：

通过运动控制器根据运动指令来控制所述轮状物进行运动，其中，所述运动指令包含指令转动量R1和指令转向角度α1；以及

根据所述实际转动量R和所述实际转向角度α，指示所述运动控制器对具备所述轮状物的设备的行驶状态进行校正。

19.如权利要求18所述的运动状态检测方法，其中，

在对所述设备的行驶状态进行校正时，

根据所述实际转动量R与所述指示转动量R1之间的差值、以及所述实际转向角度α与所述指示转向角度α1之间的差值，对所述运动控制器指示校正后的所述指示转动量R1和校正后的所述指示转向角度α1，

通过所述运动控制器根据校正后的所述指令转动量R1和校正后的所述指令转向角度α1，控制所述轮状物进行运动。

20.如权利要求18所述的运动状态检测方法，其中，

在对所述设备的行驶状态进行校正时，

根据所述实际转动量R和所述实际转向角度α来确定所述设备的实际行驶轨迹，根据所述实际行驶轨迹与预设行驶路线之间的误差，指示所述运动控制器对所述轮状物的运动状态进行校正，以使所述设备能够按所述预设行驶路线进行行驶。

21.如权利要求18-20所述的运动状态检测方法，还包含：

通过地面状况记录器根据所述运动指令和所述实际运动状态，对所述轮状物的所在位置的地面状况进行记录；以及

当所述设备在地面上行驶时，基于所述地面状况以及所述预设行驶路线，对所述运动控制器指示所述运动指令。

22.如权利要求21所述的运动状态检测方法，还包含：

通过背景光过滤器对由所述光探测器拍摄得到的所述图像数据中的背景光成分进行过滤。