CN108241356A - 三维轨迹验证装置及其方法 - Google Patents

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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B23/00—Testing or monitoring of control systems or parts thereof
    • G05B23/02—Electric testing or monitoring

Abstract

本发明涉及一种三维轨迹验证装置及其方法，通过信号发射模块与平台模块维持固定的相对位置，使得平台模块的运动轨迹与轨迹播放模块的预录轨迹不同时，轨迹播放模块依据感测信号输出偏差信号，用以实现自动验证平台模块的运动轨迹与用户预录的轨迹是否相同，并记录其误差的技术功效。

Description

三维轨迹验证装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种轨迹验证装置及其方法，特别是三维轨迹验证装置及其方法。
背景技术
随着科技进步，人类对于生活水平的要求质量也相对提高，近年来市面上各种不同功能的电子装置便如雨后春笋般出现。其中，无人机、平衡机器人、扫地机和相机云台等需要时时进行姿态平衡控制的电子装置逐渐受到关注。
上述需要时时进行姿态平衡控制的电子装置通常包括感测模块与平台模块，利用感测模块侦测并定义其平台模块在三维空间的位置，然而，平台模块在三维空间的位置很难被定义与追踪，且该些电子装置时常受外部干扰导致平台模块的运动轨迹与预期的轨迹不相符。此外，平台模块的运动轨迹与预期轨迹之间的差异也很难量化纪录。
综上所述，可知现有技术中长期以来一直存在平台模块在三维空间的位置难以定义与追踪以及平台模块的运动轨迹与预期轨迹之间的差异也很难量化纪录的问题，因此实有必要提出改进的技术手段，来解决此问题。
发明内容
本发明公开了一种三维轨迹验证装置及其方法。
首先，本发明公开了一种三维轨迹验证装置，此装置包括：平台模块、轨迹播放模块、信号发射模块及三维信号接收模块。其中，平台模块用以接收运动轨迹；轨迹播放模块用以输出预录轨迹；信号发射模块连接轨迹播放模块，用以依据预录轨迹发射位置信号，其中信号发射模块与平台模块维持固定的相对位置；以及三维信号接收模块固定于平台模块，用以接收信号发射模块所发射的位置信号，并输出感测信号至轨迹播放模块。当预录轨迹与运动轨迹相同时，轨迹播放模块依据感测信号输出固定信号；当预录轨迹与运动轨迹不同时，轨迹播放模块依据感测信号输出偏差信号。
另外，本发明公开一种三维轨迹验证方法，其步骤包括：利用平台模块接收运动轨迹；利用轨迹播放模块输出预录轨迹；利用信号发射模块依据预录轨迹发射位置信号，其中信号发射模块与平台模块维持固定的相对位置；利用三维信号接收模块接收位置信号，并输出感测信号至轨迹播放模块；当预录轨迹与运动轨迹相同时，轨迹播放模块依据感测信号输出固定信号；以及当预录轨迹与运动轨迹不同时，轨迹播放模块依据感测信号输出偏差信号。
本发明所公开的系统与方法如上，与现有技术的差异在于本发明是通过信号发射模块与平台模块维持固定的相对位置，使得平台模块的运动轨迹与轨迹播放模块的预录轨迹不同时，轨迹播放模块依据感测信号输出偏差信号。
通过上述技术手段，本发明可以达成自动验证平台模块实际的运动轨迹与用户预录的轨迹是否相同，并记录其误差的技术功效。
附图说明
图1为本发明的三维轨迹验证装置的一个实施例的结构示意图。
图2为图1的平台模块、轨迹播放模块与信号发射模块的结构示意图。
图3A为图1的三维信号接收模块的一个视角的结构示意图。
图3B为图1的三维信号接收模块的另一视角的结构示意图。
图4A为预录轨迹与运动轨迹相同时三维轨迹验证装置的一个实施例的结构示意图。
图4B为预录轨迹与运动轨迹不相同时三维轨迹验证装置的一个实施例的结构示意图。
图5为图1的三维轨迹验证装置的三维轨迹验证方法的方法流程图。
图6为图5的步骤220的详细流程图。
附图标记列表
20、20a、20b 二维感测单元
22 五面壳体
40 第一杆件
42 第二杆件
50 第一马达
52 第二马达
54 第三马达
100 三维轨迹验证装置
110 平台模块
120 轨迹播放模块
130 信号发射模块
140 三维信号接收模块
221 内周壁
θError 上仰角
L 距离
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，由此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
在说明本发明所公开的三维轨迹验证装置及其方法之前，先对本发明判断两物体的轨迹之间是否不同进行说明，其中轨迹为一物体的移动路径，也是多个位置点的集合，本发明进行判断两物体的轨迹之间是否不同时，依据同一时间两物体的位置点间的相对位置是否改变为判断依据，若同一时间两物体的位置点间的相对位置发生变化，即判断两物体的轨迹不同；反之，则判断两物体的轨迹相同。此外，本发明所述的偏差信号包括同一时间两物体的位置点间的相对位置发生变化时的变化量，该变化量可为角度或位移。
请先参阅图1、图2、图3A与图3B，图1为本发明的三维轨迹验证装置的一个实施例的结构示意图，图2为图1的平台模块、轨迹播放模块与信号发射模块的结构示意图，图3A为图1的三维信号接收模块的一个视角的结构示意图，图3B为图3A的三维信号接收模块的另一视角结构示意图。三维轨迹验证装置100包括：平台模块110、轨迹播放模块120、信号发射模块130及三维信号接收模块140。
其中，平台模块110用以接收运动轨迹。更详细地说，平台模块110可结合运动平台(即待验证运动轨迹是否符合用户所预期的物体)，因此，平台模块110与运动平台相依，运动平台与平台模块110的运动轨迹完全相同，运动平台可在三维空间进行三维度的运动，当运动平台进行翻滚(Roll)、俯仰(Pitch)或偏摆(Yaw)时，平台模块110接收该运动平台所产生的运动轨迹，使得三维轨迹验证装置100可追踪并验证运动平台的运动轨迹。
轨迹播放模块120用以输出预录轨迹，其中，预录轨迹为用户事先录制好的预录轨迹数据，该预录轨迹数据可包括翻滚、俯仰、偏摆与时间，使得轨迹播放模块120可依据每一时间的翻滚、俯仰与偏摆重现用户想要运行的轨迹。
在本实施例中，轨迹播放模块120可包括处理单元(未绘制)、存储单元(未绘制)与机构单元，处理单元依据存储单元所存储的预录轨迹数据控制机构单元以输出预录轨迹。其中，处理单元与存储单元可配置于平台模块110中的容置空间内，但本实施例并非用以限定本发明，可依据需求进行位置的调整。需注意的是，为避免图过于复杂，处理单元与存储单元的配置位置未绘制于图中。
更详细地说，机构单元可包括第一马达50、第二马达52、第三马达54、第一杆件40与第二杆件42，处理单元连接存储单元、第一马达50、第二马达52与第三马达54，存储单元用以存储预录轨迹数据。第一杆件40的一端连接平台模块110，另一端连接第二杆件42，第二杆件42的另一端连接信号发射模块130。第一马达50配置于第一杆件40与平台模块110的连结处且第一马达50位于第一杆件40与平台模块110之间，用以控制偏摆的动作；第二马达52配置于第二杆件42与信号发射模块130的连结处且第二马达52与信号发射模块130位于第二杆件42的相对两侧，用以控制俯仰的动作﹔第三马达54配置于第二杆件42与第一杆件40的连结处且第三马达54与第二杆件42位于第一杆件40的相对两侧，用以控制翻滚的动作。从上述可知，轨迹播放模块120可通过处理单元依据存储单元所存储的预录轨迹数据利用第一马达50、第二马达52与第三马达54控制第一杆件40与第二杆件42，进而达到输出预录轨迹的目的。此外，上述的连接方式可使得轨迹播放模块120的运动不受运动平台的运动影响(即轨迹播放模块120与运动平台之间是各自独立运作)。
信号发射模块130连接轨迹播放模块120且与平台模块110维持固定的相对位置，用以依据预录轨迹发射位置信号。更详细地说，信号发射模块130连接轨迹播放模块120，并持续沿固定方向发出位置信号，当轨迹播放模块120输出预录轨迹时，信号发射模块130在三维空间中的位置会随着预录轨迹转动，因此，三维信号接收模块140可由其侦测到位置信号的方向改变即可判断信号发射模块130在三维空间中的位置改变。其中，信号发射模块130所发出的位置信号可为但不限于激光。举例而言，信号发射模块130所发出的位置信号也可为红外线或超声波。
三维信号接收模块140固定于平台模块110，用以接收信号发射模块130所发射的位置信号，并输出感测信号至轨迹播放模块120。由于三维信号接收模块140固定于平台模块110，因此，平台模块110与三维信号接收模块140相依，两者具有相同的运动轨迹。在本实施例中，三维信号接收模块140可包括多个二维感测单元20与五面壳体22，这些二维感测单元20以阵列方式排列配置于五面壳体22的内周壁221，且内周壁221遮盖信号发射模块130，以接收信号发射模块130依据预录轨迹转动时所发射的位置信号，进而判断信号发射模块130在三维空间中的位置改变。其中，每一个二维感测单元20可为但不限于激光传感器，可依据实际信号发射模块130所发出的位置信号进行调整。举例而言，当信号发射模块130所发出的位置信号为红外线时，每一个二维感测单元20可为红外线传感器；当信号发射模块130所发出的位置信号为超声波时，每一个二维感测单元20可为超声波传感器。其中，三维信号接收模块140可以利用无线或有线的方式输出感测信号至轨迹播放模块120的处理单元。
当预录轨迹与运动轨迹相同时，轨迹播放模120组依据感测信号输出固定信号；当预录轨迹与运动轨迹不同时，轨迹播放模120组依据感测信号输出偏差信号。其中，偏差信号可包括同一时间预录轨迹与运动轨迹的位置点间的相对位置发生变化时的变化量，该变化量可为角度或位移。
举例而言，请参阅图4A与图4B，图4A为预录轨迹与运动轨迹相同时三维轨迹验证装置的一个实施例的结构示意图，图4B为预录轨迹与运动轨迹不相同时三维轨迹验证装置的一个实施例的结构示意图。需注意的是，为避免图复杂，图4A与图4B的三维信号接收模块140省略绘示了五面壳体中的三面。
由上述段落可知轨迹播放模块120与运动平台之间是各自独立运作，也就是说，轨迹播放模块120与平台模块110之间是各自独立运作(平台模块110与运动平台相依)。
此外，信号发射模块130与平台模块110维持固定的相对位置，因此，平台模块110的运动坐标与三维信号接收模块140的运动坐标具有固定的相对位置，使得三维信号接收模块140的二维感测单元20a会持续收到信号发射模块130所发射的位置信号。
当平台模块110接收运动平台的运动轨迹的同时，轨迹播放模块120也输出预录轨迹，使得当平台模块110所接收的运动轨迹与轨迹播放模块120输出的预录轨迹相同时，二维感测单元20a会持续收到位置信号(因为信号发射模块130与平台模块110维持固定的相对位置)；请参照图4B，当平台模块110所接收的运动轨迹与预录轨迹不相同时，二维感测单元20b会收到位置信号(即信号发射模块130与平台模块110不会维持固定的相对位置，使得不同的二维感测单元收到位置信号)，轨迹播放模块120的处理单元可利用二维感测单元20a与二维感测单元20b之间的相对距离关系以及二维感测单元20a与二维感测单元20b接收到位置信号的时间差计算预录轨迹与运动轨迹之间的误差，并输出偏差信号。更详细地说，请参照图4B，假设预录轨迹在时间t时有一上仰角θError，但是平台模块110没有同步进行上仰角运动(即平台模块110所接收的运动轨迹与预录轨迹不相同)，此时二维感测单元20b会收到位置信号。由于三维信号接收模块140的二维感测单元数组彼此之间的绝对位置都是已知的，因而可通过二维感测单元20a与二维感测单元20b之间相对距离关系以及二维感测单元20a与二维感测单元20b接收到位置信号的时间差T计算出目前轨迹偏差的位置，在本实施例中，平台模块110会有误差ZError，ZError＝L×Sin(θError)×T，其中，L为轨迹播放模块120的坐标原点与二维感测单元20b之间的距离。但上述例子并非用以限定本发明。
换句话说，当平台模块110所接收的运动轨迹与预录轨迹不相同时，处理单元可通过当前接收到位置信号的二维感测单元与先前固定持续接收位置信号的二维感测单元之间的偏差角度以及当前接收到位置信号10的二维感测单元与轨迹播放模块120的坐标原点之间的距离进行计算而得到对应的偏移误差。
通过上述的机制，处理单元能够计算出在每个时间点平台模块110与预设轨迹之间的三维偏移位移误差以及角度误差。同时，通过此机制可以推论出三维轨迹验证装置100的验证精准度与三维信号接收模块140的二维感测单元的阵列密度有正相关性，当二维感测单元的阵列密度越密集时，三维轨迹验证装置100的验证精准度会越高。
接着，请参阅图5，图5为图1的三维轨迹验证装置的三维轨迹验证方法的方法流程图，其步骤包括：利用平台模块接收运动轨迹(步骤210)；利用轨迹播放模块输出预录轨迹(步骤220)；利用信号发射模块依据预录轨迹发射位置信号，其中信号发射模块与平台模块维持固定的相对位置(步骤230)；利用三维信号接收模块接收位置信号，并输出感测信号至轨迹播放模块(步骤240)；当预录轨迹与运动轨迹相同时，轨迹播放模块依据感测信号输出固定信号(步骤250)；以及当预录轨迹与运动轨迹不同时，轨迹播放模块依据感测信号输出偏差信号(步骤260)。其中，步骤210与步骤220同步执行，其它步骤依据其因果关系而有执行先后顺序的差别。
其中，请参阅图6，图6是图5的步骤220的详细流程图。在利用轨迹播放模块输出预录轨迹的步骤(即步骤220)中，还包括：利用存储单元存储的预录轨迹数据(步骤310)；以及利用处理单元依据预录轨迹数据控制机构单元，以输出预录轨迹(步骤320)。其中，预录轨迹数据包括翻滚、俯仰、偏摆与时间，使得轨迹播放模块依据每一时间的翻滚、俯仰与偏摆控制机构单元，以输出预录轨迹。
综上所述，可知本发明与现有技术之间的差异在于通过信号发射模块与平台模块维持固定的相对位置，使得平台模块的运动轨迹与轨迹播放模块的预录轨迹不同时，轨迹播放模块依据感测信号输出偏差信号，通过此技术手段可以解决现有技术所存在的问题。
虽然本发明公开了以上实施例，但其并非用于限定本发明，任何本领域的技术人员都可在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出些许的改变和修正，因此本发明的专利保护范围应以本说明书所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (14)

1.一种三维轨迹验证装置，其包括：
平台模块，用以接收运动轨迹；
轨迹播放模块，用以输出预录轨迹；
信号发射模块，连接该轨迹播放模块，用以依据该预录轨迹发射位置信号，其中该信号发射模块与该平台模块维持固定的相对位置；以及
三维信号接收模块，固定于该平台模块，用以接收该信号发射模块所发射的该位置信号，并输出感测信号至该轨迹播放模块；
其中，当该预录轨迹与该运动轨迹相同时，该轨迹播放模块依据该感测信号输出固定信号；当该预录轨迹与该运动轨迹不同时，该轨迹播放模块依据该感测信号输出偏差信号。
2.如权利要求1所述的三维轨迹验证装置，其中该轨迹播放模块包括处理单元、存储单元与机构单元，该处理单元依据该存储单元所存储的预录轨迹数据控制该机构单元以输出该预录轨迹。
3.如权利要求2所述的三维轨迹验证装置，其中该机构单元包括第一马达、第二马达、第三马达、第一杆件与第二杆件，该第一杆件的一端连接该平台模块，另一端连接该第二杆件的一端，该第二杆件的另一端连接该信号发射模块，该第一马达配置于该第一杆件与该平台模块的连结处且该第一马达位于该第一杆件与该平台模块之间，该第二马达配置于该第二杆件与该信号发射模块的连结处且该第二马达与该信号发射模块位于该第二杆件的相对两侧，该第三马达配置于该第二杆件与该第一杆件的连结处且该第三马达与该第二杆件位于该第一杆件的相对两侧，该轨迹播放模块藉由该处理单元依据该预录轨迹数据利用该第一马达、该第二马达与该第三马达控制该第一杆件与该第二杆件，进而输出该预录轨迹。
4.如权利要求2所述的三维轨迹验证装置，其中该预录轨迹数据包括翻滚、俯仰、偏摆与时间，使得该轨迹播放模块依据每一时间的翻滚、俯仰与偏摆重现轨迹。
5.如权利要求1所述的三维轨迹验证装置，其中该三维信号接收模块包括多个二维感测单元与五面壳体，该些二维感测单元以阵列方式排列配置于该五面壳体的内周壁。
6.如权利要求1所述的三维轨迹验证装置，其中该平台模块与该三维信号接收模块相依。
7.如权利要求1所述的三维轨迹验证装置，其中该信号发射模块所发出的该位置信号为激光、红外线或超声波。
8.一种三维轨迹验证方法，其步骤包括：
利用平台模块接收运动轨迹；
利用轨迹播放模块输出预录轨迹；
利用信号发射模块依据该预录轨迹发射位置信号，其中该信号发射模块与该平台模块维持固定的相对位置；
利用三维信号接收模块接收该位置信号，并输出感测信号至该轨迹播放模块；
当该预录轨迹与该运动轨迹相同时，该轨迹播放模块依据该感测信号输出固定信号；以及
当该预录轨迹与该运动轨迹不同时，该轨迹播放模块依据该感测信号输出偏差信号。
9.如权利要求8所述的三维轨迹验证方法，其中该轨迹播放模块包括处理单元、存储单元与机构单元，在利用该轨迹播放模块输出该预录轨迹的步骤中，还包括：
利用该存储单元存储的预录轨迹数据；以及
利用该处理单元依据该预录轨迹数据控制该机构单元，以输出该预录轨迹。
10.如权利要求9所述的三维轨迹验证方法，其中该机构单元包括第一马达、第二马达、第三马达、第一杆件与第二杆件，该第一杆件的一端连接该平台模块，另一端连接该第二杆件的一端，该第二杆件的另一端连接该信号发射模块，该第一马达配置于该第一杆件与该平台模块的连结处且该第一马达位于该第一杆件与该平台模块之间，该第二马达配置于该第二杆件与该信号发射模块的连结处且该第二马达与该信号发射模块位于该第二杆件的相对两侧，该第三马达配置于该第二杆件与该第一杆件的连结处且该第三马达与该第二杆件位于该第一杆件的相对两侧，该轨迹播放模块控制该第一马达、该第二马达、该第三马达、该第一杆件与该第二杆件以输出该预录轨迹。
11.如权利要求9所述的三维轨迹验证方法，其中该预录轨迹数据包括翻滚、俯仰、偏摆与时间，使得该轨迹播放模块依据每一时间的翻滚、俯仰与偏摆控制该机构单元，以输出该预录轨迹。
12.如权利要求8所述的三维轨迹验证方法，其中该三维信号接收模块包括多个二维感测单元与五面壳体，该二维感测单元以阵列方式排列配置于该五面壳体的内周壁。
13.如权利要求8所述的三维轨迹验证方法，其中该平台模块与该三维信号接收模块相依。
14.如权利要求8所述的三维轨迹验证方法，其中该信号发射模块所发出的该位置信号为激光、红外线或超声波。
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