CN113325431A - 使用飞行时间感测的速度测量和防碰撞保护 - Google Patents

使用飞行时间感测的速度测量和防碰撞保护 Download PDF

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Abstract

本公开的实施例涉及使用飞行时间感测的速度测量和防碰撞保护。使用飞行时间传感器测量物体的旋转速度，该飞行时间传感器被配置为检测物体的一个或多个元件通过给定的位置。飞行时间传感器进一步被安装在单人车辆上，该飞行时间传感器被配置为通过对在单人车辆与障碍物之间的相对速度进行飞行时间测量，来保护单人车辆免受碰撞。

Description

使用飞行时间感测的速度测量和防碰撞保护
优先权要求
本申请要求于2020年2月28日提交的欧洲专利申请No.20160028.5的优先权，该申请内容在法律允许的最大范围内通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及例如车辆的位移速度以及例如车轮的旋转速度的测量。
背景技术
车轮被配备给各种所谓的单座或单人车辆，也称为个人或单人运输车辆。当车辆被设计为一次位移单个人员时，车辆就被称为单人的。单人车辆可以配备有电机以推进车辆。
车轮还被配备给各种运动训练设备，诸如称为健身自行车的自行车。
需要测量单人车辆的速度。
需要确保使用单人车辆的人员的安全。特别地，需要限制碰撞的风险。
需要测量旋转物体的旋转速度，诸如车轮，特别是单人车辆的车轮，或者诸如运动训练设备的车轮。
本领域需要克服用于测量物体的旋转速度和/或用于测量车辆位移速度的已知方法和设备的全部或部分缺点。
本领域需要克服已知的单人车辆的全部或部分缺点。
发明内容
在实施例中，提供了一种用于测量物体的旋转速度的方法，包括对所述物体的一个或多个元件通过给定的位置的飞行时间检测。
实施例提供了一种用于测量物体的旋转速度的设备，该设备被配置为实现对所述物体的一个或多个元件通过给定位置的飞行时间检测。
根据实施例，所述物体是车轮并且所述一个或多个元件包括车轮的一个或多个辐条。备选地，所述一个或多个元件被附接到车轮的一个或多个辐条。
根据实施例，车轮是单人车辆或运动训练设备的车轮，并且基于所测量的旋转速度来传递单人车辆或设备的速度。
根据实施例，通过使用给定数目(大于或等于2)的在所述检测之间的时间间隔来测量表示旋转速度的值，给定数目优选地严格地在所述一个或多个元件的数目的3到10倍之间。
根据实施例，传感器：被牢固地固定到相对于所述位置固定并且朝向所述位置的元件；或者被牢固地固定到在所述通过时朝向相对于所述位置固定的元件的所述物体上。
根据实施例，飞行时间传感器被包含在集成电路封装件中。
根据实施例，该设备被配置为优选地以定期重复的时间，在检测器前方并且距离检测器小于阈值的距离处区分元件是存在还是不存在，所述检测包括从所述不存在切换到所述存在和/或从所述存在切换到所述不存在的检测。
实施例提供了一种单人车辆或运动训练设备，包括诸如上文所定义的设备。
根据实施例，单人车辆或运动训练设备包括臂，该臂包括所述物体的轴承或旋转轴，所述固定元件是臂的一部分或者被附接到臂的一部分。
根据第二方面，实施例提供了一种方法，包括单人车辆碰撞保护的步骤，该保护步骤包括在单人车辆与障碍物之间的相对速度的飞行时间测量。
实施例提供了一种设备，该设备被配置为实现单人车辆碰撞保护步骤，该保护步骤包括在单座车辆与障碍物之间的相对速度的飞行时间测量，以及优选地车辆制动信号的传递。
根据实施例，通过飞行时间检测障碍物的存在。
根据实施例，仅当在障碍物与所述测量的光学脉冲源之间的距离小于第一距离阈值时，才实现保护步骤，第一距离阈值优选地小于或等于4米。
根据实施例，当障碍物位于以下任何位置时，实现保护步骤：在所述脉冲发射锥的内部，锥具有半锥角和基本上在车辆位移方向上的轴线；以及在比第二距离阈值短的距离处，第二距离阈值比第一距离阈值短；以及障碍物是以下任一项：单个障碍物；或多个障碍物中距离车辆最近的障碍物，半锥角优选地大于或等于约10度和/或第二距离阈值优选地大于或等于约2米。
根据实施例，在单人车辆与障碍物之间距离的测量值是优选地定期重复地在多次处获得的，所述相对速度是根据时间通过测量值的线性回归获得的。
根据实施例，当测量的相对速度大于速度阈值时，应用车辆制动命令，速度阈值优选地小于或等于20km/h。
根据实施例，该设备包括在集成电路封装件中包含的飞行时间距离传感器。
实施例提供了一种电动单人车辆，包括一个诸如上文所定义的设备。
附图说明
上述特征和优点以及其他特征和优点将参考附图在以下通过说明而非限制的方式给出的具体实施例的描述中详细描述，其中：
图1示意性地示出了所描述的实施例适用的类型的单人车辆的示例；
图2A示出了根据第一方面的单人车辆实施例的一部分的横截面视图，并且图2B示出了侧视图；
图3在简化的时序图中示出了测量图2的单人车辆的车轮的旋转速度的方法的实施例；
图4以框图的形式示意性地示出了被配置为实现图3的方法的设备的实施例；
图5示意性地示出了根据第二方面的障碍物和单人车辆的实施例；
图6以框图的形式示意性地示出了图5的单人车辆的防碰撞设备的实施例；以及
图7示出了图5的在单人车辆与障碍物之间的距离根据时间变化的曲线。
具体实施方式
相似的特征在各种附图中由相似的参考标记指定。特别地，在各种实施例中共同的结构和/或功能特征可以具有相同的参考标记，并且可以布置相同的结构、尺寸和材料特性。
为了清晰起见，仅详细说明和描述有助于理解本文所述的实施例的步骤和元件。特别地，不详细描述单人车辆，所述的实施例与通常的单人车辆兼容。此外，不详细描述所谓的飞行时间或ToF传感器，所述的实施例与通常的ToF传感器兼容。
除非另有说明，当引用连接在一起的两个元件时，这表示直接连接，除导体外没有任何中间元件，并且当引用连接在一起的两个元件时，这表示这两个元件可以连接或者经由一个或多个其他元件耦合。
在以下描述中，当引用限定绝对位置的术语时，例如术语“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”等，或限定相对位置的术语，诸如术语“上方”、“下方”、“高处”、“低处”等，或引用限定方向的术语，例如术语“水平”、“垂直”等时，除非另有规定，否则指的是附图的方向或处于正常使用位置的车辆。
除非另有规定，否则“约”、“大约”、“基本上”和“近似”是指在10％以内，优选地在5％以内，或者当它们涉及角度或绝对或相对角度方向时，表示在10度以内，优选地在5度以内。
除非另有规定，当元件被称为牢固固定时，这意味着这些元件以牢固方式彼此机械地连接，例如，彼此固定，或形成同一部件的部分。换言之，这些元件彼此不能位移或旋转。
图1示意性地示出了所描述的实施例所适用的类型的单人车辆的示例。
在所示出的示例中，单人车辆是小轮摩托车100(由两个或三个车轮支撑的板110定义)，并且提供有握把120。在本示例中，小轮摩托车100具有两个车轮，即，后车轮130和前车轮140。后车轮130和/或前车轮140分别可以包括辐条132和142。
小轮摩托车100通常配备有电动引擎，因此被称为电动小轮摩托车。
握把120通过杆122继续朝向前车轮140。杆122穿过牢固固定到板110的旋转轴承112，并且一直延伸到用于保持前车轮140的叉部124(即，前叉部)。前叉部124和杆122彼此牢固地固定。
板110进一步被牢固地固定至后叉部114，用于保持后车轮130。
握把120可以包括显示器126，配置为向小轮摩托车100的用户显示信息。不详细描述显示器126和所显示的信息，所描述的实施例与通常的显示器和通常显示的信息兼容。
尽管这里所示出的单人车辆示例是小轮摩托车(例如电动小轮摩托车)，但是下文所述的实施例的应用不限于该具体示例。
因此，在示例中，单人车辆是包括提供的多个支撑中的一个支撑的任何类型的担任车辆，如小轮摩托车100的板110，以支撑用户的至少一只脚。(一个或多个)支撑由一个或多个车轮支撑。然后，单人车辆可以包括握把，(例如，诸如握把120)，或者可以不包括握把。这种单人车辆可以由电机驱动。在单人车辆包括单个车轮或在位移方向任一侧上布置的两个车轮的情况下，这种由电机驱动的方式是优选的。在这种情况下，单人车辆通常包括陀螺仪稳定设备，从而对于单个车轮，形成陀螺仪独轮车(陀螺车轮)，并且对于两个车轮，形成陀螺仪双轮车(gyropod)。
在未示出的其他示例中，单人车辆为自行车类型，即两车轮车辆，优选地用握把引导，车轮中的一个车轮由齿盘驱动。单人车辆还可以是三车轮车，即三车轮车辆，优选地用握把引导，车轮中的一个车轮由齿盘驱动。自行车可以是电动助力自行车类型，也称为电动自行车。电动自行车是由电动机推动的自行车或三车轮车定义的，电动机优选地根据齿盘旋转来启动。
上述单人车辆的示例不是限制性的，并且下文所描述的实施例可以适用于任何单人车辆，其卸载重量优选地小于50kg，更优选地小于30kg。
第一方面：
图2A在横截面视图2A和侧视图2B中示出了根据第一方面的单人车辆200的实施例的一部分。视图2A和视图2B匹配。
在所示的示例中，单人车辆200包括与图1中的小轮摩托车100相同或相似的元件。这些元件不再详细描述。此处仅突出显示单人车辆200与小轮摩托车100之间的差异。
所示的部分包括前车轮140和前叉部124。然而，下文所述的应用于前车轮140和前叉部124的实施例也适用于后车轮130和后叉部114。
单人车辆200配备有用于测量车轮140的旋转速度的设备210。设备210可以通过连接件212耦合到单人车辆200的单元(即，电路系统)226。连接件212可以是有线的或无线的。
在示例中，设备210将车轮140的旋转速度的测量值传递到单元226。然后单元226可以是图1的小轮摩托车100的显示器126的类型的显示器，不同之处在于显示器226接收测量值，基于测量值计算单人车辆200的速度，并且显示单人车辆200的速度。本文不详细描述基于车轮的旋转速度的单人车辆200的速度的计算，所述的实施例与这种通常的计算兼容。单元226例如还可以由电子无线通信设备(诸如移动电话或智能手表)形成，该电子无线通信设备包括程序，该程序的执行导致接收测量值，基于测量值计算单人车辆200的速度，以及显示单人车辆的速度200。
在另一示例中，设备210基于车轮140的旋转速度计算单人车辆200的速度。设备210将单人车辆200的速度值传递到单元226。然后单元226可以是与图1的小轮摩托车100的显示器126不同的显示器，其中显示器226显示由设备210测量的单人车辆200的速度。单元226例如还可以由无线电子通信设备(诸如移动电话或智能手表)形成，该无线电子通信设备包括程序，该程序的执行导致接收测量值，以及显示由设备210测量的单人车辆200的速度。
单元226还可以通过有线或无线连接件耦合(优选地连接)到电动机和/或单人车辆200的制动系统。作为单人车辆200的速度显示的补充或替换，单元226可以基于单人车辆200的速度采取诸如限制单人车辆200的速度的措施。为此目的，单元226可以实现任何通常的单人车辆速度限制方法。
设备210包括飞行时间传感器230或ToF传感器。
这种ToF传感器包括光学脉冲源和光学接收器。当由源发射的光学脉冲由ToF传感器外部的物体的元件反射，并且接收器接收反射脉冲的部分时，ToF传感器基于在每个脉冲的发射和接收之间经过的时间传递与外部物体的存在相关的信息和/或表示ToF传感器与外部物体之间距离的信息。
优选地，ToF传感器230的光学脉冲具有全部或基本上全部在近红外中的波长，即波长在700nm至1,500nm的范围内，优选地在800nm至1,100nm的范围内，更优选地在850nm至940nm的范围内，例如，等于940nm或约为940nm。
优选地，由ToF传感器230执行的飞行时间测量或ToF测量定期重复，每个ToF测量可能对应于多个脉冲。然后，ToF测量的频率优选地在50Hz至5kHz的范围内，例如，等于100Hz或约为100Hz，等于300Hz或约为300Hz，或者还例如，等于600Hz或约为600Hz。ToF测量的频率也可以大于5kHz。
在所示的示例中，ToF传感器230被牢固地固定到前叉部124的臂240的一部分上。前叉部124可以包括另一个臂245，臂245相对于臂240位于车轮140的另一侧，相对于车轮140对称。更具体地说，臂240和245相对于与车轮140的轴线正交的车轮140的中间平面对称地布置。
臂240形成固定元件。在本文中，固定元件是指用作参考以定义旋转物体(诸如，在所示的示例中，车轮140)的旋转的元件。对于单人车辆，该元件相对于单人车辆固定，即，固定元件被牢固地固定到单人车辆。因此，固定元件伴随着单人车辆的位移，并且相对于旋转物体的旋转而固定。
在所示出的示例中，臂240包括用于车轮140的旋转轴承242。车轮140包括旋转轴250。旋转轴250在轴承242中旋转。在另一未示出的示例中，臂240包括车轮140的旋转轴，并且车轮140包括围绕车轮140的旋转轴的旋转轴承。在该另一示例中，车轮140的转轴因此是固定的。
在操作中，ToF传感器230的光学脉冲通常在具有中心轴线262的发射锥260中发射。更具体地，发射锥260由在与轴线262正交的每个平面中定义的边界界定，在脉冲路径上不存在元件或物体的情况下，脉冲的强度在该平面的每单位表面积中等于给定最大强度的百分比。给定百分比优选地小于或等于10％，例如，等于5％。
基于来自ToF传感器230的信息，设备210检测在ToF传感器230前方的辐条142的通过，即，在距离ToF传感器230足够小的距离处在发射锥260中的辐条142的通过，以便检测通过。为此目的，ToF传感器230被定向，使得当车轮140旋转时辐条142一个接一个地通过发射锥260。在所示出的示例中，ToF传感器230位于前叉部124的内部。在单人车辆200的正常使用位置中，轴线262例如是水平的或基本水平的。
因此，设备210检测辐条142通过位置270。位置270由在车轮140旋转期间由在发射锥260与辐条142扫过的体积之间的交点定义。ToF传感器230和位置270相对于彼此固定，特别是在单人车辆200的运动期间。换言之，位置270是相对于单人车辆200的固定位置，并且检测器朝向位置270。
基于对辐条142通过位置270的检测，设备210计算表示车轮140的旋转速度的值。下面结合图3和图4详细说明该计算的实施例。表示值可以是模拟值，或者优选地是数字值。表示车轮140的旋转速度的值也是表示单人车辆200的位移速度的值。实际上，车轮140的旋转速度和单人车辆200的位移速度是恒定的比率。这个比率是车轮140直径的函数。
可以被设计的是，通过定位磁体和线圈使得在辐条每次通过给定位置时在线圈中产生电压来测量车轮旋转速度。与这种旋转速度测量相比，设备210避免了必须添加附接到辐条142中的一个辐条的磁体，并且避免了通常与电动机的操作相关联的电磁发射干扰旋转速度测量。
此外，由设备210实现的速度测量具有与车轮140的辐条142的颜色或脏污状态无关的优点。
根据实施例，发射锥260具有高半锥角，即大于10度，更优选地大于20度，例如，等于27度或约为27度。
优选地，ToF传感器230的脉冲源在单人车辆200的尺寸尺度下是点状或近似点状。更优选地，发射锥2660具有绕轴线262的旋转对称性。因此，发射锥260的锥角是旋转锥的锥角。作为变型，发射锥260不是圆形的，并且锥角由锥的母线之间形成的最大角度定义。
在脉冲源不是点状的变型中，诸如上文所定义的发射锥260可以在其最靠近脉冲源的部分偏离锥体的形状。然后，发射锥260的锥角被定义为距离顶点最远的锥体部分。
与发射锥260的锥角值小于这种高值的变型相比，上述定义的发射锥260的锥角的高值的优点是降低辐条142中的一个辐条通过发射锥260而没有检测到这种通过的风险。
根据实施例，ToF传感器230被包含在集成电路封装件中或形成集成电路封装。术语集成电路封装表示封装，优选地是紧密的，包含一个或多个集成电路，并且包括连接区域和/或引脚。连接区域和/或引脚被电耦合到集成电路，并且旨在电耦合(优选地焊接)到印刷电路板PCB。例如，ToF传感器230是参考“ST VL53L1X”销售的类型。例如，封装足够小，可以内接在具有侧面尺寸等于5mm、3mm和2mm的平行六面体内，例如，封装尺寸分别等于4.5mm、2.5mm和1.56mm。
在集成电路封装件中包含的ToF传感器230使得能够容易地获得发射锥260的锥角的如上所述的高值。此外，与利用磁体和线圈的速度测量设备相比，ToF传感器230具有紧凑的优点。特别地，ToF传感器230特别容易安装。此外，ToF传感器230可以容易地位于位于前叉部124的臂240中的壳体中。在这种壳体中提供ToF传感器230的事实使得能够容易地保护ToF传感器230。
图3在简化的时序图中示出了上文结合图2所述的由设备210实现旋转速度测量方法的示例。更具体地说，它示出了，根据时间t：
–在ToF传感器230与位于ToF传感器230前方的元件之间的距离D；
-表示ToF传感器230前方的辐条142不存在(N)/存在(Y)的二进制值P；以及
-ToF传感器230前方的车轮140的辐条142的通过的检测次数(DET)。
例如，ToF传感器230被配置为在ToF传感器230的每个脉冲处传递表示以下内容的信号：
-当没有元件位于ToF传感器230前方时，ToF传感器230前方的元件不存在；
-当单个元件位于传感器前方时，在ToF传感器230与该元件之间的距离；以及
-当多个元件位于ToF传感器230前方时，在ToF传感器230与位于ToF传感器230前方的最近元件之间的距离。
在所示的示例中，当传感器前方没有辐条时，距离D取值D1。值D1可以对应于在ToF传感器230与臂245之间的距离(图2)。当辐条142经过ToF传感器230的前方时，距离D取小于值D1的值D2。辐条142则是位于传感器前方最近的元件。
在时间ti处，优选地定期重复，ToF传感器230发射光学脉冲并且传递表示由传感器测量的距离D的信号。该信号取表示值D1和D2的测量值。在变型中，例如，当臂245(图2)不位于发射锥260中时，可以将表示值D2的值替换为表示在ToF传感器230前方不存在辐条142的任何值。
设备210将由ToF传感器230传递的信号与表示距离阈值TH的值进行比较。然后，设备210在短于距离TH的距离处区分位于传感器前方的元件存在还是不存在。在规则的脉冲的情况下，以规律的重复次数区分存在和不存在。例如，距离阈值TH在0.5cm至7cm的范围内，例如，约等于7cm，优选地在0.5cm至3cm的范围内，例如，约等于3cm。
信号P源于在由飞行时间测量的距离与阈值TH之间的比较。在ToF传感器230的脉冲期间，当在ToF传感器230前方不存在辐条142的情况下发生光学脉冲时，信号P取电平N，并且当辐条142在ToF传感器230前方时，信号P取电平Y。例如，信号P的电平由设备210存储在ToF传感器230的两个连续脉冲之间。
在所示的示例中，每次信号P从电平N切换到电平Y时，检测到ToF传感器230前方的辐条142的通过(检测310)。在另一示例中，在每次将信号P从电平Y切换到电平N时检测到辐条142的通过。根据检测频率310计算车轮140的旋转速度。下文结合图4描述从检测310计算旋转速度的实施例。
与具有磁体和线圈的速度测量设备相比，飞行时间测量设备210的优点在于，辐条通过的检测对阈值TH的值几乎不敏感，前提是在所示的示例中，阈值TH在值D1与D2之间。因此，阈值TH比基于由线圈前方的磁体通过而引起的电压来检测通过的阈值更容易定义。因此，设备210更可靠且更容易调节。
上文已结合图3描述了对元件(诸如车轮140的辐条142)的通过进行飞行时间检测的方法的具体示例。实施例不限于该具体示例，并且可以实现对在ToF传感器前方的给定元件的存在和/或不存在进行飞行时间检测的任何方法。
图4以框图的形式示意性地示出了图2的单人车辆200的设备210的实施例。
除了上述ToF传感器230之外，设备210还包括顺序数据处理单元410(PU)(诸如微处理器)。处理单元410可以包括存储器和/或被耦合或连接到设备210的存储器。存储器包括由处理单元410执行的程序，该程序引起计算表示测量旋转速度SPD和/或单人车辆200的位移速度的值SPD/RPM。优选地，处理单元410和ToF传感器230位于同一印刷电路PCB上。处理单元410和ToF传感器也可以在同一印刷电路封装件中。
优选地，设备210进一步包括先进先出或FIFO类型的堆栈420。FIFO堆栈420例如在处理单元410、存储器或设备210的另一存储器中具有位置422。该另一存储器优选地位于与处理单元410和ToF传感器230相同的印刷电路上(例如在同一封装件中)。
FIFO堆栈410包括给定数目的N0个位置。在所示的示例中，FIFO堆栈420包括五个位置。
在操作中，在每个检测310处，将该检测310与先前检测310分隔的时间间隔的持续时间被存储在FIFO堆栈420中。一旦FIFO堆栈420被填充，则堆栈在每个检测310处包含由所考虑的检测310与N0个先前检测310形成的在N0+1个连续检测310之间的N0个时间间隔的持续时间。
然后，由设备210传递的值SPD/RPM是表示给定数目N0与存储在FIFO堆栈420中的时间间隔的N0个持续时间之和的比率的值。
在变型中，由设备210传递的SPD/RPM值根据单个时间间隔计算，即，仅基于两个连续检测310。与该变型相比，从多个时间间隔的持续时间计算的SPD/RPM值更接近表示实际旋转速度的值，换言之，单人车辆200的旋转速度和/或位移速度的测量更准确。
优选地，给定数目N0严格地在车轮140的辐条142的数目的3至10倍之间。与给定数目大于十的变型相比，传感器响应时间得到改善。与给定数目小于2的变型相比，测量精度得到改善。因此，给定数目N0优化了在设备210的响应时间与车轮140的测量旋转和/或单人车辆200的位移的速度的精度之间的权衡。
上文结合图4所述的设备210的示例不是限制性的。因此，在其它示例中，设备210例如以在每次检测310时的脉冲的形式传递传达传感器前方的辐条通过的检测信息的信号，而不是值SPD/RPM。信号可以被传递到诸如单元226(图2)的设备。优选地，单元226以类似于上文结合图4所述的方式来实现车轮140的旋转和/或单人车辆200的位移速度的计算。
上文结合图4所述的表示测量旋转速度的SPD/RPM值的计算也不是限制性的。因此，这些实施例与基于检测310计算车轮140的旋转和/或单人车辆200的位移速度的任何方法兼容。优选地，从多个时间间隔的持续时间执行计算。例如，计算可以是在所述时间间隔期间计算的在旋转速度值之间的任何类型的滑动平均。
根据ToF测量频率的优点，如上文所述，ToF测量的频率对于要检测的每一次通过来说足够快。在变型中，ToF测量的频率小于一个极限，短于该极限的一些通过未被检测到。然而，与这种变型相比，上述足够快的频率使得能够简化旋转速度的计算。
实施例及其变型不限于上文结合图2至图4所述的示例。
因此，在上述实施例中，ToF传感器被牢固地固定到叉部臂上。然而，为了测量车轮的旋转速度，传感器可以被附接到包括车轮的轴承或旋转轴的任何臂上。术语臂是指包括从车轮轴线径向延伸使得辐条在传感器前方通过的部分的任何元件。更通常地，ToF传感器可以位于使得辐条能够在传感器的前方通过的单人车辆的任何固定元件上。
在上述实施例中，设备210检测车轮140的多个辐条142的通过。在其它实施例中，所述车轮包括被附接到车轮的一个或多个辐条的目标或附接到车轮的辐条的多个目标。检测(一个或多个)目标通过位于ToF传感器前方的位置。然后定位ToF传感器，使得(一个或多个)目标在车轮旋转期间通过ToF传感器的发射锥。在其它实施例中，车轮不包括辐条，例如，车轮是实心的，并且车轮包括一个或多个目标。
在上述实施例中，ToF传感器230被牢固地固定到固定元件上，并且朝向有车轮140的一个或多个元件穿过的位置。在其它实施例中，通过使用被牢固地固定在车轮上的ToF传感器来测量旋转速度，并且在车轮每次通过给定位置时，定向为朝向相对于给定位置固定的元件。因此，在图2的示例的变型中，ToF传感器230被附接到车轮140的辐条142中的一个辐条，并且固定元件是臂240的一部分。固定元件也可以是牢固地固定到臂240上的目标。根据优点，因此在每次旋转转时减少了通过的数目，这使得能够针对相同的给定测量频率ToF增加可测量旋转速度，和/或针对相同的最大可测量旋转速度降低ToF测量频率。
上述实施例在单人车辆200为小轮摩托车的示例中描述。然而，实施例还适用于任何单人车辆，特别是如上文结合图1所定义的。即，小轮摩托车、电动小轮摩托车、自行车、三轮车、电动自行车、陀螺仪独轮车或陀螺仪双轮车，包括用于测量车轮旋转和/或单人车辆位移速度的设备，速度测量包括对车轮一个或多个元件(诸如辐条或目标)的通过给定位置的飞行时间检测。在不存在辐条(实心车轮)或相对较细辐条(诸如自行车辐条)的情况下，优选包括一个或多个目标的车轮，并且在相对较厚辐条的情况下优选不存在目标。
此外，上述测量车轮旋转速度的方法，包括车轮的一个或多个元件通过给定位置的飞行时间检测，可以适用于单人车辆以外的其他车辆。更通常地，上述实施例的车轮可以用大多数能够旋转的物体来代替。然后，当物体旋转时，ToF传感器可以被牢固地固定到固定元件上，并且朝向具有通过其中的该物体的一个或多个元件的位置。ToF传感器也可以被牢固地固定到该物体上，并且被定位为在物体每次通过给定位置时朝向固定元件。
特别地，旋转物体可以是运动训练设备的车轮，诸如健身自行车。然后，该设备优选地配备有显示器或者通过有线或无线连接耦合到显示器。在操作中，显示器以速度的形式向设备的用户提供指示，表示由用户所消耗的体力。
第二方面：
图5示意性地示出了根据第二方面的单人车辆500和障碍物510(例如卡车)的实施例。
障碍物510可以是能够与单人车辆500和/或其使用者碰撞并导致事故的任何元素或物体，诸如另一车辆，或任何生物，例如动物或人类。
在所示的示例中，单人车辆500包括与图1中的小轮摩托车100相同或相似的元件。这些元件不再详细描述。这里仅突出显示单人车辆500与小轮摩托车100之间的区别。
单人车辆500包括防碰撞保护的设备520或防碰撞设备520。优选地，防碰撞设备520位于单人车辆500的前部。在所示的示例中，防碰撞设备520被附接到握把120或显示器126。在其他示例中，防碰撞设备520还可以被附接到杆122。
防碰撞设备520包括ToF传感器522，如上文结合图2定义的，即，该设备被配置为通过光学脉冲的飞行时间测量来传递，关于ToF传感器外部的物体存在的信息和/或表示在ToF传感器与外部物体之间距离的信息。
优选地，ToF传感器522的光学脉冲的波长全部或基本全部位于近红外，即，波长在700nm至1,500nm的范围内，优选地在940nm至1,500nm的范围内，更优选地等于940nm或约为940nm。
优选地，由ToF传感器522执行的ToF测量定期重复，并且每个ToF测量可以对应于多个脉冲。然后，ToF测量的频率优选地在1Hz至100Hz的范围内，例如，等于30Hz或约为30Hz。尽管作为比较，ToF测量的频率也可以大于100Hz，但是选择小于100Hz的ToF测量频率能够提高测量的准确度。
在操作中，ToF传感器522的光学脉冲通常在具有轴线532的发射锥530中发射。更具体地说，发射锥530由边界界定，该边界在与轴线532正交的每个平面中由点定义，其中在脉冲路径上不存在障碍物的情况下，脉冲强度等于平面的每单位表面积的脉冲最大强度的给定百分比。给定百分比优选地小于或等于10％，例如，等于5％。
ToF传感器522优选地朝向单人车辆500的前部，即，轴线532基本上平行于单人车辆500的位移方向或纵向，在30度以内，优选地在15度以内。当一个或多个障碍物位于单人车辆500的通路上时，(一个或多个)障碍物随后位于ToF传感器522的前方，即，发射锥530中。因此，ToF传感器检测位于单人车辆500的通路上的(一个或多个)障碍物510的存在。如果障碍物在传感器前方是单独的，则ToF传感器522传递表示传感器与障碍物之间的距离的信息，或者如果传感器前方有多个障碍物，则传递表示在传感器与距离传感器最近的障碍物之间的距离的信息。
在操作中，当障碍物位于发射锥530中时，防碰撞设备520基于由ToF传感器522传递的信息，确定在单人车辆500与障碍物之间的相对速度的测量值。测量速度的计算示例如下文结合7所示。防碰撞设备520根据所测量的相对速度值采取旨在避免碰撞的反制措施。
优选地，当在单人车辆500与障碍物510之间的相对速度的测量值大于阈值时，防碰撞设备520传递用于制动单人车辆500的信号S。为此目的，更优选地，单人车辆500是配备有制动设备540的电动车辆，例如，用于制动单人车辆500的后车轮130的设备。制动设备540接收信号S并且使单人车辆500停止或减速。制动使得能够避免与障碍物碰撞。
在变型中，防碰撞设备520分析相对速度的变化，并且作用于单人车辆的速度以避免碰撞，例如，降低相对速度。与这种变型相比，当相对速度超过阈值时触发制动的事实要简单得多。
优选地，速度阈值小于或等于20km/h，更优选地在8km/h至15km/h的范围内。速度阈值特别能够保护单人车辆免受碰撞。
防碰撞设备的优点是，与在不存在该设备的情况下用户自己触发刹车相比，它允许更早地刹车。避免了与用户反应时间相关的延迟。
可以被设计的是当检测到障碍物并且车辆位移速度大于阈值时触发制动。作为与根据单人车辆500的位移速度(绝对速度)触发的比较，根据单人车辆500与障碍物510之间的相对速度的触发使得单人车辆500的用户能够在障碍物510以基本等于单人车辆500的位移速度的速度下位移时跟随障碍物510，而不需要触发制动。
优选地，该方法仅对至少位于距离ToF传感器522的光学脉冲源比第一阈值的距离更近处的一个或多个障碍物实现。为此目的，例如，防碰撞设备520仅确定这些障碍物的测量速度，并且更优选地，ToF传感器522仅检测这些障碍物。优选地，第一阈值小于4米或约小于4米。因此，避免了对在单人车辆500的用户有时间避开或旨在避开障碍物时引起制动。
优选地，针对任何单个障碍物实现防碰撞保护方法，该障碍物至少部分位于发射锥530中的任何位置，并且距离ToF传感器522的光学脉冲源任何距离(短于第二阈值)。当多个障碍物至少部分存在于发射锥530中并且与脉冲源的距离小于第二阈值时，对最近的障碍物实现保护方法。第二阈值比第一阈值短。优选地，第二阈值大于2米或约大于2米。
优选地，发射锥530具有高半锥角，即，大于10度，更优选地大于20度，例如，等于27度或约为27度。发射锥530的半锥角的定义与结合图2所定义的发射锥260(图2)的锥角类似。优选地，ToF传感器522的脉冲源在单人车辆500的尺寸的尺度下是点状的或近似点状的，和/或发射锥530具有绕轴线532的旋转对称性。
与不具有如上文定义的高值的发射锥530的半锥角的变型相比，半锥角的高值能够避免与更远离轴线532的障碍物碰撞的风险。特别地，这使得能够避免与移动障碍物发生碰撞的风险，该移动障碍物横向于单人车辆500的位移的纵向方向而移动。这种类障碍物的示例是穿过单人车辆500的轨迹的行人。
根据实施例，ToF传感器522被包含在集成电路封装件中或形成集成电路封装。例如，ToF传感器522是参考ST VL53L1X销售的类型。例如，封装足够小，可以内接在侧面尺寸等于5mm、3mm和2mm的平行六面体中，例如封装的尺寸分别等于4.5mm、2.5mm和1.56mm。
在集成电路封装件中包括的这种ToF传感器能够容易地获得发射锥530的锥角的上文所定义的高值，并且能够容易地获得上文所定义的第一距离阈值和第二距离阈值。此外，有利地，包括在集成电路封装件中的ToF传感器特别轻并且易于在单人车辆中实现。
图6以框图的形式示意性地示出了图5的单人车辆500的防碰撞设备520的实施例。
除了上述ToF传感器522之外，防碰撞设备520还包括顺序数据处理单元610(PU)(诸如微处理器)。处理单元610可以包括存储器和/或被耦合或连接到防碰撞设备520的存储器。存储器包括由处理单元610执行的程序，该程序使得根据单人车辆500与障碍物之间的相对速度来发射制动信号S。优选地，处理单元610和ToF传感器522位于同一印刷电路PCB上。处理单元610和ToF传感器522也可以在同一印刷电路封装件中。
优选地，防碰撞设备520进一步包括先进先出或FIFO类型的堆栈620。FIFO堆栈620例如在处理单元610中、在存储器中或在防碰撞设备520的另一存储器中具有位置622。然后，该另一存储器优选地位于与处理单元610和ToF传感器522相同的印刷电路上(例如在同一封装件中)。
FIFO堆栈620包括给定数目的N0个位置。在所示的示例中，FIFO堆栈620包括五个位置。
在操作中，对于ToF传感器522的每个脉冲，由ToF传感器522测量的在ToF传感器522与障碍物之间距离的值被存储在FIFO堆栈620中。当FIFO堆栈620满时，它包含在多次测量的距离值。
图7示出了在单人车辆500与障碍物之间的距离根据时间变化的曲线，这是在单人车辆500与障碍物之间测量的相对速度的计算示例。优选地，该计算由图6的防碰撞设备520的示例的处理单元610实现。
在该计算示例中，在单人车辆500与障碍物之间在多次ti(t1、…、t5)的距离的测量值(X1、X2、X3、X4、X5)被存储在例如FIFO堆栈620中。优选地，时间ti对应于ToF传感器522的连续脉冲。优选地，仅当在单人车辆500与障碍物之间的距离小于第一距离阈值TH1时才执行存储。测量的相对速度值根据时间由测量值线性回归获得。
通过线性回归进行计算的优点是，它特别容易实现。然而，所述的实施例不限于该示例，并且可以基于在车辆与物体之间的距离的多次的测量值来实现能够确定在车辆与物体之间的相对速度的任何计算。
第二方面的实施例在上文所述的单人车辆为小轮摩托车的示例中进行了描述。然而，第二方面的实施例还适用于任何单人车辆，特别是诸如上文结合图1所定义的。因此，可以提供包括通过飞行时间测量单人车辆与障碍物之间的相对速度的防碰撞设备的任何单人车辆，诸如小轮摩托车、电动小轮摩托车、自行车、三轮车、电动自行车、陀螺仪独轮车或例如陀螺仪双轮车。
已经描述了各种实施例和变型。本领域技术人员将理解，可以组合这些不同实施例和变型的一些特征，并且本领域技术人员将会想到其他变型。特别地，包括根据第一方面的设备(即，被配置为通过飞行时间测量车辆的车轮的旋转速度和/或车辆的速度)的单人车辆，可以进一步包括根据第二方面的防碰撞设备，即，通过飞行时间测量在单人车辆与障碍物之间的相对速度。
最后，基于上文给出的功能指示，所述的实施例和变型的实际实现在本领域技术人员的能力范围内。
这种变更、修改和改进旨在为本公开的一部分，并且旨在本发明的精神和范围内。因此，上述描述仅作为示例，并且不旨在限制。本发明仅由以下权利要求及其等同物中所定义的而限制。

Claims (44)

1.一种测量旋转物体的旋转速度的方法，包括：
向所述旋转物体发射多个光学脉冲；
从所述旋转物体的多个元件中的一个或多个元件反射所述光学脉冲中的一些光学脉冲；
检测反射的所述光学脉冲的飞行时间；以及
从检测到的所述飞行时间推导所述旋转速度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述旋转物体是车轮，并且所述多个元件包括所述车轮的辐条。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括基于推导的所述旋转速度传递所述物体的线性速度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述旋转物体是单人车辆或运动训练设备的车轮，并且所述方法进一步包括基于推导的所述旋转速度传递所述单人车辆或所述运动训练设备的速度。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括通过使用在反射的所述光学脉冲的飞行时间检测之间的大于或等于二的给定数目的时间间隔，来计算表示推导的所述旋转速度的值。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述给定数目是所述旋转物体的所述多个元件中的所述一个或多个元件的数目的3至10倍。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个光学脉冲是红外脉冲。
8.根据权利要求1所述的方法，其中检测反射的所述光学脉冲的所述飞行时间包括：
生成距离值，所述距离值表示到所述旋转物体的所述多个元件中的所述一个或多个元件的距离；以及
将所述距离值与距离阈值进行比较，以便检测所述旋转物体的所述多个元件中的所述一个或多个元件的通过；以及
其中推导所述旋转速度包括根据检测到的所述通过，确定所述旋转速度。
9.一种用于测量旋转物体的旋转速度的设备，包括：
发射器，被配置为向所述旋转物体发射多个光学脉冲；
其中所述光学脉冲中的一些光学脉冲从所述旋转物体的多个元件中的一个或多个元件反射；
电路，被配置为检测反射的所述光学脉冲的飞行时间，并且从检测到的所述飞行时间检测推导所述旋转速度。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述旋转物体是车轮，并且所述多个元件包括所述车轮的辐条。
11.根据权利要求9所述的设备，其中所述电路进一步被配置为基于推导的所述旋转速度传递所述物体的线性速度。
12.根据权利要求9所述的设备，其中所述旋转物体是单人车辆或运动训练设备的车轮，并且其中所述电路进一步被配置为基于推导的所述旋转速度传递所述单人车辆或所述设备的速度。
13.根据权利要求9所述的设备，其中通过使用在飞行时间检测之间的大于或等于二的给定数目的时间间隔，来计算表示推导的所述旋转速度的值。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述给定数目是所述旋转物体的所述多个元件中的所述一个或多个元件的数目的3至10倍。
15.根据权利要求9所述的设备，其中所述发射器和电路形成飞行时间传感器，所述飞行时间传感器被牢固地固定到相对于所述旋转物体固定的元件。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述飞行时间传感器被包含在集成电路封装件中。
17.根据权利要求9所述的设备，其中所述发射器和电路形成飞行时间传感器，所述飞行时间传感器被配置为以定期重复的时间区分在所述飞行时间传感器前方并且距离所述飞行时间传感器小于阈值的距离处存在还是不存在所述旋转物体的所述多个元件中的一个或多个元件。
18.根据权利要求17所述的设备，其中所述检测包括检测从不存在到存在的切换以及从存在到不存在的切换。
19.根据权利要求9所述的设备：
其中所述电路通过以下方式检测反射的所述光学脉冲的所述飞行时间：
生成距离值，所述距离值表示到所述旋转物体的所述多个元件中的所述一个或多个元件的距离；以及
将所述距离值与距离阈值进行比较，以便检测所述旋转物体的所述多个元件中的所述一个或多个元件的通过；以及
其中，所述电路根据检测到的所述通过确定所述旋转速度，来导出所述旋转速度。
20.一种单人车辆或运动训练设备，包括根据权利要求9所述的设备。
21.根据权利要求20所述的单人车辆或运动训练设备，其中所述发射器和电路形成飞行时间传感器，所述飞行时间传感器被牢固地固定到所述单人车辆或所述运动训练设备的元件。
22.根据权利要求21所述的单人车辆或运动训练设备，进一步包括臂，所述臂包括所述旋转物体的轴承或旋转轴，并且其中所述元件是所述臂的一部分或者被附接到所述臂的一部分。
23.一种方法，包括：
对在单人车辆与障碍物之间的相对速度进行飞行时间测量；以及
响应于所述相对速度的所述飞行时间测量，保护所述单人车辆免受与所述障碍物的碰撞。
24.根据权利要求23所述的方法，进一步包括使用所述飞行时间测量来检测所述障碍物的存在。
25.根据权利要求23所述的方法，其中保护包括：仅当测量的所述相对速度指示在所述障碍物与所述飞行时间测量的光学脉冲源之间的距离小于第一距离阈值时，才实现保护。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述第一距离阈值小于或等于4米。
27.根据权利要求26所述的方法，其中保护包括当所述障碍物如下所述时实现保护：
所述障碍物位于以下任何位置：
在所述光学脉冲的发射锥的内部，所述锥具有半锥角和基本上在所述车辆的位移方向上的轴线；以及
在比第二距离阈值短的距离处，所述第二距离阈值比所述第一距离阈值短；以及
所述障碍物是以下一种：
单个障碍物；或
多个障碍物之中距离所述车辆最近的障碍物；以及
其中，所述半锥角大于或等于约10度。
28.根据权利要求26所述的方法，其中保护包括当所述障碍物如下所述时实现保护：
所述障碍物位于以下任何位置：
在所述光学脉冲的发射锥的内部，所述锥具有半锥角和基本上在所述车辆的位移方向上的轴线；以及
在比第二距离阈值短的距离处，所述第二距离阈值比所述第一距离阈值短；以及
所述障碍物是以下一种：
单个障碍物；或
多个障碍物之中距离所述车辆最近的障碍物；以及
其中所述第二距离阈值优选地大于或等于约2米。
29.根据权利要求23所述的方法，进一步包括：
以定期重复的方式多次获得在所述单人车辆与所述障碍物之间的距离的测量值；以及
根据时间通过所述测量值的线性回归获得所述相对速度。
30.根据权利要求29所述的方法，进一步包括当测量的所述相对速度大于速度阈值时应用车辆制动命令。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述速度阈值小于或等于20km/h。
32.根据权利要求23所述的方法，其中保护包括：
当所述障碍物位于以下位置时实现保护：
在所述光学脉冲的发射锥内部，所述发射锥具有半锥角和基本上在所述单人车辆的位移方向上的轴线，所述半锥角大于或等于10度；以及
在与所述单人车辆的距离小于距离阈值处。
33.一种与单人车辆相关联的设备，包括：
飞行时间感测电路，被配置为确定在所述单人车辆与障碍物之间的相对速度；以及
保护装置，被配置为响应于所述相对速度的所述飞行时间确定，来保护所述单人车辆免受与所述障碍物的碰撞。
34.根据权利要求33所述的设备，其中通过使用飞行时间感测电路来检测所述障碍物的存在。
35.根据权利要求33所述的设备，其中当在所述障碍物与所述飞行时间感测电路的光学脉冲源之间的距离小于第一距离阈值时，所述保护装置生成车辆制动信号。
36.根据权利要求35所述的设备，其中所述第一距离阈值小于或等于4米。
37.根据权利要求35所述的设备，其中所述保护装置被配置为当所述障碍物如下所述时传递所述车辆制动信号：
所述障碍物位于以下任何位置：
在所述脉冲的发射锥的内部，所述锥具有半锥角和基本上在所述车辆的位移方向上的轴线；以及
在比第二距离阈值短的距离处，所述第二距离阈值比所述第一距离阈值短；以及
所述障碍物是以下一种：
单个障碍物；或
多个障碍物之中距离所述车辆最近的障碍物；以及
其中，所述半锥角大于或等于约10度。
38.根据权利要求35所述的设备，其中所述保护装置被配置为当所述障碍物如下所述时传递所述车辆制动信号：
所述障碍物位于以下任何位置：
在所述脉冲的发射锥的内部，所述锥具有半锥角和基本上在所述车辆的位移方向上的轴线；以及
在比第二距离阈值短的距离处，所述第二距离阈值比所述第一距离阈值短；以及
所述障碍物是以下一种：
单个障碍物；或
多个障碍物之中距离所述车辆最近的障碍物；以及
其中，所述第二距离阈值大于或等于约2米。
39.根据权利要求35所述的设备，其中以定期重复的方式多次获得在所述单人车辆与所述障碍物之间的距离的测量值，其中所述相对速度是根据时间通过所述测量值的线性回归获得的。
40.根据权利要求39所述的设备，其中当测量的所述相对速度大于速度阈值时生成所述车辆制动信号。
41.根据权利要求40所述的设备，其中所述速度阈值小于或等于20km/h。
42.根据权利要求33所述的设备，其中所述飞行时间感测电路被包含在集成电路封装件中。
43.一种电动单人车辆，包括根据权利要求33所述的设备。
44.根据权利要求33所述的设备，其中所述保护装置在所述障碍物位于以下位置时实现保护：
在所述光学脉冲的发射锥内部，所述发射锥具有半锥角和基本上在所述单人车辆的位移方向上的轴线，所述半锥角大于或等于10度；以及
在与所述单人车辆的距离小于距离阈值处。
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