CN108226939A - 通过绕射光学元件产生激光图案的路径侦测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过绕射光学元件产生激光图案的路径侦测系统及其方法，路径侦测系统包含：一激光光源；一绕射光学元件，用以使该激光光源通过该绕射光学元件向该移动装置的前进路径投射一结构光；至少一镜头；及一图像处理单元，根据该至少一镜头所撷取该结构光的影像数据来进行比对及计算；其中该结构光还包含一横向基线及至少一横向计算线；当该移动装置的前进路径中存在立体障碍物时，投射在立体障碍物的各横向计算线会随着各立体障碍物的远近及外部形状而产生变化，则该至少一镜头撷取到各横向计算线的影像也同时产生变化，此时该图像处理单元即能根据各横向计算线的影像变化相对于该横向基线在X、Y轴向的位置及距离来进行比对及计算。

Description

通过绕射光学元件产生激光图案的路径侦测系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种前进路径中障碍物的侦测系统及其方法，尤指一种通过绕射光学元件产生激光图案的路径侦测系统及其方法，其利用绕射光学元件(DOE，DiffractiveOptical Element)的方法使激光光源投射包含一横向基线及至少一横向计算线的激光图案的结构光，以用于侦测。

背景技术

本发明公开了一前进路径中障碍物的侦测系统及其方法，供安装在一移动装置上使用，其中该移动装置指可向前移动行进的机器人或可行进移动自动机器，如市面上常见的自动行进室内用吸尘器或机器人，但非用以限制本发明。在此以现有的自动吸尘器(room/clean robot)为例说明，当现有的吸尘器放在一室内使用时，由于没有前进路径中障碍物的侦测系统，故该吸尘器会在前进路径中未遇障碍物时直线前进，遇到障碍物时就随机变换方向以继续行进。虽然另有吸尘器中已设置了超声波侦测系统，但侦测信号不准确，精准度不足，容易产生误判。因此，现有的吸尘器无法有效侦测前进路径中的障碍物并避开，也无法规划前进路径，故工作效率相对降低。

此外，虽然一些公开文献已公开了利用结构光(structured light)来侦测并定位障碍物的技术，但上述现有技术在实际应用上存在系统架构较复杂及不易微型化等缺点，以致使用效率不高，不利于导入各种移动装置中应用。

此外，在利用投影技术构成一虚拟的输入设备如虚拟键盘(virtual keyboard)的领域中，已存在相当多的现有技术，如美国专利案US6,614,422、US2012/0162077、US2014/0055364等，其公开了一种利用一虚拟输入设备(virtual input device)输入数据的系统及方法，虚拟输入设备例如为虚拟键盘或虚拟鼠标。虽然，上述现有技术已公开了如何侦测并定位一操作件(如使用者手指)按压在一虚拟键盘上某一按键上的技术，但其技术手段与本发明的侦测系统及其方法供安装在一移动装置上使用相比，并不相同，故无法直接导入各种移动装置中应用。

此外，遥控式用户接口利用一特征物体(控制件)如手势或人体一部位，使其在一X、Y、Z三维空间产生相对位置及动作的变化，以通过遥控方式控制该显示器的各项功能，如美国专利案US7,348,963、US7,433,024、US2008/0240502、US 2008/0106746、US 2009/0185274、US 2009/0096783、US 2009/0034649、US 2009/0185274、US 2009/0183125、US2010/0020078等。虽然，上述现有技术已公开了如何侦测并定位一特征物体(控制件)在一X、Y、Z三维空间产生相对位置及动作的变化，但其技术手段仍不同于本发明的侦测系统及其方法，因此，现有的遥控式用户接口的系统架构也无法直接导入各种移动装置中应用。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种通过绕射光学元件产生激光图案的路径侦测系统及其方法，供安装在一移动装置上使用，其包含：一激光光源；一绕射光学元件(DOE)，用以使该激光光源通过该DOE向该移动装置的前进路径或区域投射一结构光；至少一镜头，用以撷取该结构光的反射影像；及一图像处理单元，根据该至少一镜头所撷取该结构光的影像数据来进行比对及计算；其中该结构光还包含一横向基线及至少一横向计算线；其中当该移动装置的前进路径中存在立体障碍物时，投射在立体障碍物的各横向计算线会随着各立体障碍物的远近及外部形状而产生变化，则该至少一镜头所撷取到的各横向计算线的影像也同时会产生变化，此时该图像处理单元即能根据各横向计算线的影像变化相对于该横向基线在X、Y轴向的位置及距离来进行比对及计算，以实时侦测并判断立体障碍物在该前进路径区域中的相对位置及距离，使该移动装置在前进时能避开各障碍物。

在本发明一实施例中，该激光光源10所发出的激光束包含可见激光或不可见激光，其中该不可见激光包含红外线激光。

在本发明一实施例中，该侦测系统包含一镜头，其中该镜头设在该激光光源的上方位置或下方位置，且该镜头与该激光光源之间存在一夹角。

在本发明一实施例中，该横向基线与该至少一横向计算线包含相互平行的直线或弧形线。

在本发明一实施例中，该移动装置包含可行进移动机器人或可行进移动自动机器，如自动吸尘器(room/clean robot)。

附图说明

图1为本发明的路径侦测系统形成一模块(具形体)的立体示意图；

图2为本发明的路径侦测系统一使用状态的侧视示意图；

图3为图2的一上视示意图；

图4为本发明的路径侦测系统中由镜头所撷取结构光的反射影像示意图。

附图标记说明：1-路径侦测系统；2-移动装置；3-前进路径；4-障碍物；4a-障碍物；4b-障碍物；5-平面；10-激光光源；20-绕射光学元件；21-结构光；22-横向基线；23-横向计算线；23a-横向计算线；23b-横向计算线；30-镜头；40-图像处理单元。

具体实施方式

为使本发明更加明确详实，兹列举较佳实施例并配合下列图示，将本发明的技术特征详述如后：

如图1所示，本发明为一通过绕射光学元件产生激光图案的路径侦测系统1，其可设计形成一模块化具形体，如图1所示，即各构件设置在一外壳形成的机体内部，亦可与其他相关装置，如移动装置2配合使用而设置在该移动装置2(如自动吸尘器/clean robot)所形成的具形体上，如图2所示，但非用以限制本发明。本发明提供的路径侦测系统1主要包含：一激光光源10、一绕射光学元件(DOE，Diffractive Optical Element)20、至少一镜头30及一图像处理单元(image processing unit)40，图像处理单元40可以为CPU或MCU(microcontroller unit)，但非用以限制本发明。

该激光光源10用以向外投射激光束(21)，如图1-图3所示，该激光光源10所发出的激光束包含可见激光或不可见激光，其中以不可见的红外线激光光源(IR laser light)为最佳，但非用以限制本发明。

该绕射光学元件(DOE)20配置在该激光光源10之前，如图1所示，用以使该激光光源10通过该绕射光学元件20向该移动装置2的前进路径(或区域)3投射一结构光(structured light)21，如图2、图3所示。

该至少一镜头30可只设置一镜头30，如图1所示，但非用以限制本发明。该镜头30以一固定角度，即该镜头30与该激光光源10的法线之间存在一夹角，用来撷取该结构光21在投射至该移动装置2的前进路径(区域)3时的反射影像；其中，该镜头30的设置位置与该激光光源10的设置位置之间的高度差H是被预先设定。此外，该镜头30可设在该激光光源10的上方位置或下方位置，在本实施例中，该镜头30设在该激光光源10的上方位置，如图1、图2所示。

该图像处理单元(image processing unit)40能根据该至少一镜头30撷取该结构光21的反射影像数据，并依据原设定的功能来进行比对及计算。

如图2、图4所示，在本实施例中，通过该绕射光学元件20所产生结构光21的激光图案(laser pattern)包含一横向基线22及至少一横向计算线23，如图2所示，以两条横向计算线23a、23b为例说明，但非用以限制本发明。该横向基线22及该至少一横向计算线23相对于该移动装置2的前进方向F是形成交叉状态，且该横向基线22及各横向计算线23(23a、23b)相对于该移动装置2的前进方向F具有不同的投射角。

如图2所示，在本实施例中，该横向基线22的投射位置是最靠近该移动装置2，且该横向基线22相对于该移动装置2的位置及其与该移动装置2之间的距离D是被预先设定。

如图2、图3所示，使用时，该移动装置2在一平面5上朝前进方向F前进，当该移动装置2前方且在该距离D以外的前进路径(区域)3中存有至少一立体障碍物4时，如图2、图3所示，以一较近且较窄的障碍物4a及一较远且较宽的障碍物4b为例说明，则投射在各立体障碍物4a、4b的各横向计算线23会随着各立体障碍物4a、4b的远近及外部形状而产生变化，则该镜头30所撷取各横向计算线23(23a、23b)的影像也同时会产生变化，例如在图4中，投射在较近且较窄的障碍物4a上的横向计算线23a相对于该横向基线22的Y轴向的距离d1及X轴向的宽度w1就会小于投射在较远且较宽的障碍物4b上的横向计算线23a相对于该横向基线22的Y轴向的距离d2及X轴向的宽度w2。此时该图像处理单元40即能根据各横向计算线23(23a、23b)的影像变化相对于该横向基线22的X、Y轴向的位置及距离(如距离d1及宽度w1)，并依据已设定的距离D(该横向基线22相对于该移动装置2的位置及其与该移动装置2之间的距离)及已设定的高度差H(该镜头30的设置位置与该激光光源10的设置位置之间的高度差)，来进行比对及计算，即能实时判断并取得各立体障碍物4a、4b在该移动装置2的前进路径(区域)3中的相对位置及距离，用以使该移动装置2在前进移动时能避开各障碍物4。此外，进一步通过该图像处理单元40规划出一供移动装置2避开各障碍物4而前进移动的有效路线，如图3中点线箭头P所示，即进一步对该室内空间建构地图(mapping)，供移动装置2循着行进，以提升工作效率。

此外，以该绕射光学元件20所产生结构光21的激光图案(laser pattern)而言，若能包含一横向基线22及两条或以上的横向计算线23，则该横向计算线23越多，越有利于用以判断并取得各立体障碍物4a、4b在该移动装置2的前进路径3中的相对位置、距离及其高度或形状。

在本发明的实施例中，该图像处理单元40包含微控制器(MCU，MicrocontrollerUnit)或中央处理器(CPU，Central Processing Unit)，用以负责及控制该激光光源10、该至少一镜头30之间的信号链接及运算功能，如进行侦测并计算各立体障碍物4a、4b的坐标位置及距离，以实现本发明的路径侦测系统1的使用功能。

此外，如图2、图4所示，该横向基线22与该至少一横向计算线23(23a、23b)以相互平行的直线为最佳，但非用以限制本发明，如在图4中，该横向基线22与该至少一横向计算线23(23a、23b)也可设计为相互平行的弧形线(未图示)。

本发明还提供一种通过绕射光学元件产生激光图案的路径侦测方法，其包含下列步骤：

步骤(1)：在一移动装置2上安装一本发明的路径侦测系统1，供用以侦测该移动装置2在其前进路径(区域)3中的障碍物4位置，该路径侦测系统1包含：一激光光源10，用以向外投射激光束；一绕射光学元件(DOE)20，配置在该激光光源10之前，用以使该激光光源10通过该绕射光学元件20向该移动装置2的前进路径3投射一结构光21；至少一镜头30，其中各镜头30以一固定夹角来撷取该结构光21在投射至该移动装置2的前进路径3时的反射影像，且各镜头30的设置位置与该激光光源10的设置位置之间的高度差H是被预先设定；及一图像处理单元40，其能根据该至少一镜头30所撷取该结构光21的影像数据进行比对及计算。

步骤(2)：使该结构光21设定包含一横向基线22及至少一横向计算线23，其中该横向基线22及该至少一横向计算线23相对于该移动装置2的前进方向F是形成交叉状态，并使该横向基线22及各横向计算线23相对于该移动装置2的前进方向F具有不同的投射角。

步骤(3)：使该横向基线22的投射位置设定最靠近该移动装置2，且使该横向基线22相对于该移动装置2的位置及其与该移动装置2之间的距离D被预先设定。

步骤(4)：当该移动装置2前方且在该距离D以外的前进路径3中存在至少一障碍物4时，投射在各障碍物4的各横向计算线23会随着各立体障碍物4的远近及外部形状而产生变化，则该至少一镜头30所撷取到各横向计算线23的影像也同时会产生变化，此时该图像处理单元40即能根据各横向计算线23的影像变化相对于该横向基线22的X、Y轴向的位置及距离来进行比对及计算，以判断并取得各障碍物4在该移动装置2的前进路径3中的相对位置及距离，用以使该移动装置2在朝其前进方向F移动时能避开各障碍物4。

至于本发明的路径侦测系统1(如图1至图3所示)的系统功能或基本作动流程等相关设计技术，本领域技术人员利用目前电子技术即能完成，故在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，对本发明而言仅是说明性的，而非限制性的；本领域普通技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效变更，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种通过绕射光学元件产生激光图案的路径侦测系统，其安装在一移动装置上，以侦测阻碍在该移动装置的前进路径中的障碍物，其特征在于，其包含：

一激光光源，用以向外投射激光束；

一绕射光学元件，其配置在该激光光源之前，用以使该激光光源通过该绕射光学元件向该移动装置的前进路径投射一结构光；

至少一镜头，其中各镜头以一固定夹角撷取该结构光在投射至该移动装置的前进路径中的反射影像，且各镜头的设置位置与该激光光源的设置位置之间的高度差H是被预先设定；及

一图像处理单元，其根据该至少一镜头所撷取该结构光的影像数据进行比对及计算；

其中通过该绕射光学元件所产生该结构光的激光图案包含一横向基准线及至少一横向计算线，其中该横向基线及该至少一横向计算线相对于该移动装置的前进方向形成交叉状态，且该横向基线及各横向计算线相对于该移动装置的前进方向具有不同的投射角；

其中该横向基线的投射位置最靠近该移动装置，且该横向基线相对于该移动装置的位置及其与该移动装置之间的距离D是被预先设定；

其中当该移动装置在该距离D外的前进路径中存在至少一障碍物时，投射在各障碍物的各横向计算线随着各障碍物的远近及外部形状而产生变化，则该至少一镜头撷取到各横向计算线的影像也同时产生变化，此时该图像处理单元根据各横向计算线的影像变化相对于该横向基线的X、Y轴向的位置及距离来进行比对及计算，以判断并取得各障碍物在该移动装置的前进路径中的相对位置及距离，使该移动装置在前进移动时能避开各障碍物。

2.根据权利要求1所述的路径侦测系统，其特征在于，该激光光源发出的激光束包含可见激光或不可见激光，其中该不可见激光包含红外线激光。

3.根据权利要求1所述的路径侦测系统，其特征在于，该侦测系统包含一镜头，且该镜头设在该激光光源的上方位置或下方位置，且该镜头与该激光光源之间存在一夹角。

4.根据权利要求1所述的路径侦测系统，其特征在于，该横向基线与该至少一横向计算线包含相互平行的直线或弧形线。

5.根据权利要求1所述的路径侦测系统，其特征在于，该移动装置包含可行进移动机器人或可行进移动自动机器，其中该可行进移动自动机器包含自动吸尘器。

6.一种利用一路径侦测系统进行的路径侦测方法，其特征在于，包含下列步骤：

在一移动装置上安装一路径侦测系统，该路径侦测系统用以侦测该移动装置在其前进路径中的障碍物位置，该路径侦测系统包含：一激光光源，用以向外投射激光束；一绕射光学元件，配置在该激光光源之前，用以使该激光光源通过该绕射光学元件向该移动装置的前进路径投射一结构光；至少一镜头，其中各镜头以一固定夹角撷取该结构光在投射至该移动装置的前进路径时的反射影像，且各镜头的设置位置与该激光光源的设置位置之间的高度差H是被预先设定；及一图像处理单元，其根据该至少一镜头所撷取该结构光的影像数据进行比对及计算；

使该结构光设定包含一横向基线及至少一横向计算线，其中该横向基线及该至少一横向计算线相对于该移动装置的前进方向形成交叉状态，并使该横向基线及各横向计算线相对于该移动装置的前进方向具有不同的投射角；

将该横向基线的投射位置设定为最靠近该移动装置，且使该横向基线相对于该移动装置的位置及其与该移动装置之间的距离D被预先设定；

当该移动装置前方且在该距离D以外的前进路径中存在至少一障碍物时，投射在各障碍物的各横向计算线随着各立体障碍物的远近及外部形状而产生变化，则该至少一镜头所撷取到各横向计算线的影像也同时产生变化，此时该图像处理单元即能根据各横向计算线的影像变化相对于该横向基线的X、Y轴向的位置及距离来进行比对及计算，以判断并取得各障碍物在该移动装置的前进路径中的相对位置及距离，以使该移动装置在朝其前进方向F移动时能避开各障碍物。