TWI234641B

TWI234641B - Measurement system of detecting object distance by transmission media with different wave velocities

Info

Publication number: TWI234641B
Application number: TW091135599A
Authority: TW
Inventors: Shyh-Biau Jiang; Hung-Chun Chien; Dong-Liang Lee; Chi-Ming Yang; Hsin-Ming Chang
Original assignee: Viewmove Technologies Inc
Priority date: 2002-12-09
Filing date: 2002-12-09
Publication date: 2005-06-21
Also published as: US6680688B1; TW200409907A

Description

1234641 A7 B7 五、發明説明（）

發明所屬之技術jgA (請先閲讀背齑之注'激事項再塡寫本頁) 本發明係有關於量測距離的系統及方法，特別是有關於一種利用異波速之兩種以上媒體之測距系統及方法。先前技術隨著工業技術的發展，自動測距系統的需求日益提高。舉例而言，車輛的停放、無人搬運車的操作以及空間定位系統的應用，經常會使用自動測距系統，使汽車順利停放至固定區域，以及使無人搬運車將貨物迅速移到預定的地點，而不會受到其他障礙物的干擾。例如1 9 8 5年2 月19日公告之美國專利（US4,500,977)，「Method and apparatus for measuring a distance using ultrasonic echo signals, particularly for use on a motor vehicle」所述，用於量測及顯示出車子和障礙物間的距離，以及1 9 7 7年3 月29日公告之美國專利（US4,01 5,232)，「Ultrasonic distance detector for vehicles」，敘述汽車的各邊裝置獨立的超音波感測器，每個感測器接至一指示燈，當距離太近時，指示燈會提醒有危險的情況。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製特別定而言’空間定位系統必須偵測物件的距離，以準確、快速對物件進行定位。傳統上，測距系統使用超音波作為測距的媒體（Media)，經由空氣作為傳輸介質，利用反射的超音波偵測物件的距離。第1圖顯示傳統的反射式超音波測距系統之示意圖。傳統的反射式超音波測距系統包含發射型超音波轉 3 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 1234641

、發明說明( 經濟部智慧財產局員工消費合作社印¾ 二0〇接收型超音波轉能器1〇2、待測物冑1〇4及周立、Μ(未‘ π)。其中，發射型超音波轉能器與接收型超轉能器連接於周邊電路’待測物體與發射型超音波轉 …乂及待測物體與接收型超音波轉能器之間具有一待測距離。、進行操作時，發射型超音波轉能器100產生一入射音波1〇6, 一部份入射波106到達待測物體1〇4的表面，並 μ射產生反射音波106a，反射至接收型超音波轉能器 02另一邵份的入射波1 06，受到周圍環境中其它障礙物，的反射產生反射音波1 〇6b，也在不同時間反射至接收之b波轉此器1 〇 2。傳統之超音波測距系統，其周邊電路利用發射型超音波轉能器1〇〇產生的入射音波1〇6之時間與接收型超音波轉能器1〇2接收反射波1〇6&之時間差進仃處理’以計算待測物體1〇4與發射型超音波轉能器 10〇之間的待測距離，並忽略掉障礙物1〇8產生反射波 106b之影響。傳統的超音波測距系統之原理如下所述：2L = T X V。其中’ L為待測物體與發射型超音波轉能器之待測距離； T為超音波由發射型超音波轉能器至接收型超音波轉能器經過的時間；以及V為音波的速度。此反射式超音波測距系統有許多缺點，例如在實際的量測環境中，除了待測物體之外，尚存在許多反射超音波的待測物體1 04及其他的障礙物丨〇8，以致於接收型超音波轉能器1 02將會接收到來自待測物體1 04及障礙物1 〇ί 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X 297公釐) .............SW.....·訂.........線· (請先閲讀背¾之注意事項再填寫本頁)

經濟部智慧財產局員Η消費合作社印製 1234641 的反射音波。若障礙物i08較待測物體i04更接近超音波轉能器時，接收型超音波轉能器102將先掏取障礙物108 的反射音波106b，而使得待測物體1〇4的反射音波i〇6a 受到干擾更加嚴重，無法正確地獲得待測距離。如2000年12月26日公告之美國專利 (US6，166,995) ’「Apparatus for distance measurement by means of Ultras0und」，車用測距裝置，同時發射多個超音波’遇障礙物時將反射波疊加。以及1996年4月16曰公告之美國專利（US5,508,974)，「Method and device f。!· ultrasonic distance measuring」，當接受到反射訊號後送出第二個量測訊號，發射出訊號之後，依所要測定的距離估計並開啟一段時間限制，在這段時間内接收到的訊號才有效。特定而言，當待測物體在開放式的環境空間中，進行 2間定位量測時，由於受到待測物體表面的幾何形狀的影響，造成音波的傳遞時間無法確定，使周邊電路計算的準確度大為降低。此外，當使用反射式超音波測距系統時，超音波在空氣中行進的振幅強度，隨著距離發射型超音波轉能器1 00的距離平方大幅遞減，以致訊號雜訊比快速下降，不利於量測準確度。而且，超音波的傳遞距離至少是待測距離的兩倍以上，甚至在量測不規則曲面的待測物體時，超音波的傳遞距離比待測距離更長，以致於量測的速度更為緩慢，降低 ——…一本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210Χ 297公釐)

(請先閲讀背®之注意事項再填寫本頁) A7 B7 1234641 五、發明説明（）之美國專利（US5,41 8,758)，「Distance measurement system」，利用兩大小位置不同的反射鏡，來接收反射波。以及1 992年8月25日公告之美國專利（US5,140,859) ’ 「Long range ultrasonic distance measuring system」，在雨個位置放置轉能器。主轉能器發出一個脈波訊號，經11 到達傻轉能器，經過t2的延遲，僕轉能器接收到此脈波訊號，並發出一個回應的脈波訊號給主轉能器，其中主轉能器需再花tl的時間來接收訊號，而以2Xtl + t2的時間來計算主僕轉能器之間的距離。因此，如何降低障礙物反射音波造成的訊號干擾，以及如何使超音波發射與接收之距離縮短至等於物體的待測距離，為本發明所欲解決之課題。 #明内容本發明之一目的為利用異波速媒體之多重波測距系統及方法，藉由受控裝置同步發射紅外線或無線電波（以下簡稱光速波）及超音波（以下簡稱音速波）至主控裝置，記錄超音波及紅外線到達主控裝置的時間差值，以計算主控裝置與受控裝置之距離。本發明又一目的為利用異波速媒體之測距系統及方法，藉由光速波通訊通知受控裝置發射音速波及光速波至主控裝置，使主控裝置直接接收受控裝置的直射之音速波及光速波，並計算其時差，避免量測反射音速波方式受到非量測目的之障礙物反射之音速波的干擾。 6 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X 297公釐) ............會： (請先閲讀背¾之注意事項再填寫本頁} -訂· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1234641 A7 B7 五、發明説明（） (請先閲tII背fir之注*v事項再填寫本頁) 本發明之再一目的為利用異波速量測媒體中之其中一個光速波媒體作為通訊媒體，使主控裝置與受控裝置間得以建立通訊管道，藉由雙方之通訊協定，排除：有量測误差之不合理量測結果’提昇量測之可信賴度。根據上述之目的，本發明提出一種異波速媒體之測距系統及方法。該異波速媒體之測距系統包括電腦主機、主控裝置及受控裝置。其中，用於傳輸第一訊號及第二訊號的媒體分別為光速的紅外線（或無線電波）及音速的超音波。電腦主機具有使用者介面，藉由争列#通訊傳送測距指令至主控裝置，且利用使用者介面顯示量測結果。此量測結果包含第一訊號與第二訊號的時間差值，以及將此時間差值乘以第二訊號波速之待測物體的量測距離。本發明之第一訊號的光速遠高於第二訊號的音速，由於光速之高速以及音速波可傳遞範圍之短距，第一訊號之傳遞時間可以忽略。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製本發明之主控裝置主要是由串列埠通訊裝置、處理裝置、感測及播線通訊裝置組成。基本上，受控裝置與主控裝置的硬體資源類似，但沒有與電腦主機溝通的串列埠通訊。使用相同的硬體並依據不同的量測需求，使串列通訊裝置、處理裝置與感測及無線通訊裝置具有特定的功能。具體而言，主控裝置具有串列埠通訊裝置、第一處理裝置與第一感測裝置及無線通訊裝置，其中主控裝置利用串列埠通訊裝置耦合於電腦主機，第一處理裝置連結於串列埠通訊裝置，且第一感測及無線通訊裝置連結於第一處本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 1234641 A7 B7 五經濟部智慧財產局員工消費合作社印製、發明説明（ .............I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 里置’主控裝置利用第一感測及無線通訊裝置對受控裝置下達一訊號發射指令，以回應電腦主機之測距指令。同時準備由第一感測裝置分別接收第一訊號及第二訊號。之後’第一處理裝置利用第一訊號及第二訊號傳送至第一感測裝置的時間差值，藉由該時間差值與第二訊號的速度之乘積，以取得量測距離。受控裝置具有第二感測及無線通訊裝置、及第二處理裝置’其中第二感測及無線通訊裝置連結於第二處理裝置’作為無線通訊之用。受控裝置利用第二感測及無線通訊裝置耦合於主控裝置，在接受到主控裝置之發射指令時會傳給第二處理裝置，第二處理裝置在接受命令並驗明之後，會利用第二感測及無線通訊裝置同步傳送第一訊號及第二訊號至主控裝置之第一感測及無線通訊裝置。本發明之異波速媒體測距系統及方法係直接由受控裝置傳遞超音波訊號至主控裝置，有別於傳統超音波測距系統是利用反射的方式來量測距離。而且本發明採用直進式的超音波發射與接收方式，不易受到環境中雜物的干擾’而具有高抗雜訊的能力。進行操作時，電腦主機利用使用者介面，經由串列埠通訊傳送測距指令至主控裝置。接著主控裝置以無線通訊媒體傳送控制指令至受控裝置，以回應電腦主機之測距指令。隨後受控裝置同步傳送第一訊號及第二訊號至主控裝置，以回應主控裝置之控制指令。接著，主控裝置利用第一感測裝置分別接收來自受控 8 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X 297公釐) 1234641 A7 B7 五、發明說明（）裝置之第一訊號及第二訊號，其中第一訊號的速度高於第二訊號的速度。然後主控裝置利用第一處理裝置計算第一訊號及第二訊號傳輸至第一感測裝置的時間差值，並且將時間差值乘以第二訊號之音波速度，以取得主控裝置與受控裝置的量測距離。最後，電腦主機經由通訊協定，利用主控裝置讀取量測距離，並且顯示於電腦主機之使用者介面上。由於第一訊號的光速遠高於第二訊號的音速，所以可以忽略第一訊號的傳遞時間，將發射端與接收端之計時視為同步。故所計時差為發射端音速波直接射入接收端之需時。而且由於反射波回傳至主控裝置的時間，將比入射波以直線路徑進入主控裝置的時間長，故量取光波及音波初次到達時間差可有效排除第一訊號的反射波干擾。更重要的是，在相同的量測距離中，第二訊號的行進距離只需反射型的超音波行進距離的一半，亦即量測距離等於第二訊號由受控裝置直接傳送至主控裝置的行進距離，大幅降低第二訊號在傳遞過程中的訊號衰減效應’提高在相同量測距離下的訊號雜訊比。總之，本發明利用異波速媒體之測距系統及方法’係量測傳遞超音波訊號至待測物體之直進需時’具有較南抵抗環境反射雜訊的能力。而且，本發明之超音波行進距離為反射式超音波行進距離的一半，降低第一訊號的衰減效應，提高訊號雜訊比。 9 _ ______^-' 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X 297公釐） ............^»^1 I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1234641

五、發明説明（）針對傳統超音波量測距離的缺點，本發明提供一種異波速媒體之測距系統及方法，藉由受控裝置同步發射第一訊號及第二訊號至主控裝置，記錄第一訊號及第二訊號到達主技裝置的時間差值，以計算待測物體的距離。本發明 <第一訊號及第二訊號為相異波速的訊號源，例如第一訊號可為波速較高的紅外線或無線電光速波，第二訊號可為波速較低的超音波音速迅號。本發明之異波速媒體測距系統係利用第一訊號和第一訊號在空氣中的行進速度不同之原理。舉例來說，超音波在2氣中的音波速度約為34〇m/s，紅外線或無線電的光波速度約為3xl〇8m/s，遠高於超音波的波速，使得光速波傳遞時間可忽格。因此光速波訊號和音速波到達主控裝置的時間差值’可視為超音波在空氣中的行進時間。因此’待測物體的量測距離等於時間差值與超音波的波速之乘積，本發明的原理如下所述：L= τ X V。其中，L 表為主控裝置上的第一感測裝置與受控裝置上的第二感測裝置之間的距離；τ表為超音波在物體之間的行進時間；以及V表為超音波在物體之間的行進波速。首先參閱第2A-2C圖’繪示本發明之異波速媒體之測距原理不意圖。在第2Α圖中，於發射裝置2〇〇同時發射出第一訊號202與第二訊號204至接收裝置206，其中接收裝置206等待計時。在第2Β圖中，由於第一訊號2〇2 的速度較高’所以比第二訊號2〇4更快到達接收裝置 10 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210x297公釐) .............I (請先閲讀背之注意事項再填寫本頁) 、可· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1234641

、發明説明( 206，此時接收裝置206開始計時。 (請先閱讀背面之注意事項再塡寫本頁) 在第2C圖中’第二訊號2〇4接著到達接收裝置2〇6，且接收裝置206停止計時，利用第一訊號2〇2及第二訊號 204傳送至接收裝置206的時間差，乘以第二訊號2〇4的波速，計算出發射裝置2〇〇和接收裝置2〇6的距離。其中發射裝置200與接收裝置2〇6可分別設於待測距離之兩物體上，以量測待測物體間的距離，亦即待測距離等於發射裝置200與接收裝置206之間的距離。為了更清晰說明本發明之精神，接著將以一較佳實施例，介紹本發明之内容。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製參閱第3A圖，繪示本發明一較佳實施例之異波速媒體之測距系統方塊圖。此異波速媒體之測距系統包括電腦王機302、王控裝置304及受控裝置3〇6。其中，用於傳輸第一訊號202及第二訊號2〇4的媒體分別為光速的紅外線（或播線電波）及音速的超音波。電腦主機3〇2具有使用者介面，例如圖形使用者介面，藉由通訊協定傳送測距指令至主控裝置3 04。並且利用使用者介面顯示量測結果，此量測結果包含第一訊號202與第二訊號204的時間差值，並且將此時間差值乘以第二訊號2〇4的波速，所獲得待測物體之量測距離L。本發明之第一訊號的光速遠高於第二訊號的音速，由於光速之高速以及音速波可傳遞範圍之短距，第一訊號之傳遞時間可以忽略。本發明較佳實施例中，通訊協定例如可為RS232串列介面、並列介面、通用序列介面（USB)或是其他有線或無 11 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公爱) 1234641 A7 B7 五、發明説明（請先閲讀背之注意事項再線網路’以利於對電腦主機3〇2進行通訊。而且，本發明之第一訊號202的速度約為光速之光波或電波訊號，例如紅外線訊號、射頻訊號及無線電波訊號。本發明之第二訊號204包含超音波，其中第二訊號2〇2的頻率介於38至 41 kHz之間，較佳的頻率介於39至4〇 kHz之間，依超音波感測器之頻率特性而定。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製參閱第3 B圖，繪示本發明一較佳實施例之異波速媒體測距系統之主控裝置304方塊圖。主控裝置304具有第一控制單元308a、第一處理裝置310a、第一感測裝置3l2a 及第一無線通訊裝置326a。其中主控裝置304利用第〜接制單元308a之串列埠通訊裝置314耦合於電腦主機3〇2，第一處理裝置310a連結於第一控制單元308a，且第一感測裝置312a及第一無線通訊裝置326a連結於第一處埋装置310a。主控裝置304利用第一感測裝置312a及第〜無線通訊裝置326a對受控裝置下達一訊號發射指令，以回應電腦主機之測距指令，同時準備由第一感測裝置3 1 2a 分別接收第一訊號202及第二訊號204。之後，第一處！裝置310a利用第一訊號202及第二訊號204傳送至第〜感測裝置3 1 2a之時間差值，藉由該時間差值與第二訊銳 2 04的速度之乘積，以取得量測距離，其中第二訊號2〇4 的速度低於第一訊號202的速度。參閱第3 C圖，繪示本發明一較佳實施例之異波速媒體測距系統之受控裝置306方塊圖。受控裝置306具有第二感測裝置312b、第二控制單元308b、第二處理裝置3l〇b 12 ------ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐） 1234641 A7 B7 五經濟部智慧財產局員工消費合作社印製、發明説明（ (請先閲讀背®之注意事項再填寫本頁) 及第一典線通訊裝置328b，其中第二感測裝置312b及第一典線通訊裝置328b連結於第二處理裝置31〇b，除了作為量測第一訊號202及第二訊號2〇4外之到達時間外，也作為無線通訊之用。受控裝置3〇6利用第二感測裝置312b 及第二無線通訊裝置328b耦合於主控裝置304,在接受到主控裝置3 04之發射指令時會傳給第二處理裝置3 1 〇b ,第一處理裝置3 1 Ob在接受命令並驗明之後，會利用第二感測裝置3 12b及第二無線通訊裝置328b同步傳送第一訊號 202及第二訊號204至主控裝置304之第一感測裝置312a 及第一無線通訊裝置326a。基本上，受控裝置306與主控裝置304的硬體資源類似，但沒有與電腦主機302溝通的串列埠通訊。使用相同的硬體並依據不同的量測需求，使串列通訊裝置、處理裝置與感測及無線通訊裝置具有特定的功能。本發明較佳實施例中，控制單元可包含單晶片處理器（Single Chip)或數位訊號處理器（Digital Signal Processor，DSP)。處理裝置包含可程式邏輯元件（Programmable Logic Device，PLD)或是可程式記憶體3 1 8，例如可抹除的程式化唯讀記憶體 (EPROM)。其中’可程式邏輯元件（PLD)包含複合式可程式邏輯元件（Complex Programmable Logic Device, CPLD)。感測裝置312a，312b則包含發射型及接收型之超音波轉能器（Ultrasonic Transducer) 330,334。當接收型超音波轉能器接受音波時，將超音波轉換電位差訊號，此電位差 13 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X 297公釐) !234641 、發明說明（巩號的強度與超音波的頻由發射超音波轉能器的振湯音波的頻率係率具有接收超音波轉=決定。本發明之振錢 (請先閲讀背®之注意事項再填寫本頁) 把咨的取佳響應頻率。繼續參閱第3B圖，φ抽聲 6入控裝置304之第一抨制留- 匕。串列埠通訊裝置3 "早兀308e 3 14 弟—控制器 3 1 & 318。其中，电别抬、s、夺制器3l6a及記憶體、阜、訊裝置3 1 4利用串歹，丨、系：於電腦主機302，以進行诵％狄通訊協定耦合進仃通汛。罘一控制器3l6a耦人於第一處理裝置，用於設定第一處理裝置31〇弟制笛一忐^ 蜒垤蒗罝3l〇a，並且控八理置31〇a中第二訊號2〇4。而記憶體318則耦。於"理裝置310a，以儲存第一處理裝置3i〇a之第訊號202及弟一訊號204的時間差值。王控裝置304之第一處理裝置31〇a包含第一轉換器 3 2 0a、第二轉換器322a及計時裝置324。其中第一轉換器 320a耦合於第一控制器31以，用於轉換主控裝置3〇4之才二制才曰令。第一轉換器3 2 2 a摘合於第一控制器3 1 6 a，用於轉換第一感測裝置3 1 2a之第二訊號204。而且計時裝置 324搞合於第一感測器及記憶體3丨8，以計算第一處理裝置3 10a之第一訊號202與第二訊號204的時間差值。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製主控裝置304之第一感測裝置312a則包含第一無線通訊裝置326a、第一接收器328a、第二接收器33〇及主控時脈器332a。其中，第一無線通訊裝置326a耦合於第一轉換器320a ’利用第一感測裝置312a及第一無線通訊裝置342a對受控裝置306下達一訊號發射指令。第一接收器32 8a耦合於第二轉換器322a及計時裝置324 ’以接 14 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X 297公釐) 1234641 A7 B7 五、發明説明（） (請先閲tm背¾之注意事項再填寫本頁) 收受控裝置306之第二訊號204。第二接收器33〇耦合於計時裝置324，用於接收受控裝置306之第二訊號2〇4。而且，主控時脈器332a耦合於第一處理裝置310a，用於輸入時脈訊號至第一處理裝置3 1 0a。繼、績參閱第3C圖’受控裝置306之第二感測裝置312b 包含第二無線通訊裝置328b、第一發射器326b、第二發射器334及受控時脈器332b。其中，第二無線通訊裝置 328b耦合於第二處理裝置310b，用於接收主控裝置3〇4 之控制指令。第一發射器326b耦合於第二處理裝置 310b，以回應主控裝置304之控制指令，並用於發射第一訊號202至主控裝置3 04。第二發射器334耦合於第二處理裝置310b，用於發射受控裝置306之第二訊號204至主控裝置304。並以受控時脈器332b耦合於第二處理裝置 310b，以輸入時脈訊號至第二處理裝置310b。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製受控裝置306之第二處理裝置310b包含第三轉換器 322b、第四轉換器320b、同步裝置336及除頻裝置338。其中，第三轉換器322b耦合於第二無線通訊裝置328b及第二控制單元308b，用於轉換控制指令。第四轉換器320b 耦合於第一發射器3 2 6b及第二控制單元308b，用於轉換第一訊號2 02。同步裝置336耦合於第一發射器32 6b及第二控制單元308b，用於使第一訊號202與第二訊號204 同步地發射至主控裝置304。除頻裝置338耦合於受控時脈器332b及第二控制單元308b，用於對第二訊號204作除頻。較佳實施例中，第二處理裝置3 1 Ob之受控時脈器 15 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X 297公釐) 1234641 A7 B7 五、發明説明（） 3 3 2 b提供振盪訊號，以設定振盪訊號的頻率和個數。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 受把裝置306之第二控制單元308b包含第二控制器 316b、第一啟動器34〇a及第二啟動器34 〇b。其中，第二控制器316b耦合於第三轉換器322b及第四轉換器320b，用於設定第二處理裝置3 1 〇b，並且控制第二處理裝置3 1 〇b 中之第一訊號2 02。第一啟動器340a耦合於同步裝置 336’用於啟動同步裝置336，以傳送同步指令至第一發射器32 6b。並以第二啟動器3 4〇b耦合於除頻裝置338，用於啟動除頻裝置338，以使第二發射器334傳送第一訊號 202至主控裝置304。本發明之較佳實施例中，第一轉換器32〇a及第四轉換器320b例如可為數位/類比轉換器，第二轉換器322& 及第二轉換器322b例如可為類比/數位轉換器，以使數位訊號或是類比訊號轉換成適當的處理訊號。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製本發明之異波速媒體測距系統及方法係直接由受控裝置306傳遞超音波訊號至主控裝置3〇4，有別於傳統超音波測距系統是利用反射的方式來量測距離。而且本發明採用直進式的超音波發射與接收方式，不易受到環境中雜物的干擾，而具有高抗雜訊的能力。更重要的是，由於第一訊號2〇2的光速遠高於第二訊號204的音速，戶斤以可以忽略第一訊號2〇2的傳遞時間，將發射端與接收端之計時視為同步。故所計時差為發射端音速波直接射入接收端之需時。而且由於反射波回傳至主控裝置304的時間，將比入射波以直線路徑進入主控裝置 16 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(21〇χ 297公|)" ----- 1234641 A7 B7 五、發明説明（請先閲讀背面之注意事項再填 3 04的時間長，故量取光波及音波初次到達時間差可有效排除第一訊號202的反射波千擾。因此本發明適用於開放、複雜的空間量測系統，增加異波速媒體測距系統的應用範圍。本發明可以使用主控制裝置及受控裝置，設置於量測位置及待測物體，藉由受控裝置直接發射第一訊號及第二訊號至主控裝置，以計算待測物體之距離，增加主控制裝置及受控裝置的使用彈性。參閱第4圖，繪示本發明一較佳實施例之異波速媒體測距方法之流程圖，並配合第3A-3C圖。在步驟400中，電腦主機3 0 2先利用使用者介面，經由通訊協定傳送測距指令至主控裝置3 0 4。本發明之較佳實施例中，利用控制單元3 0 8 a之串列璋通訊裝置3 1 4經由通訊協定對電腦主機3 0 2進行通訊，以控制單元3 0 8 a之第一控制器3 1 6 a設定第一處理裝置310a，並且控制第一處理裝置31〇a中之第二訊號204。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製接著在步驟402中，主控裝置304傳送控制指令至受控裝置306，以回應電腦主機302之測距指令。亦即利用第一處理裝置310a之第一轉換器320a轉換主控裝置304 之控制指令。隨後在步驟404中，受控裝置306同步傳送第一訊號202及第二訊號204至主控裝置304，以回應主控裝置3 04之控制指令。本發明之較佳實施例中，在同步傳送步驟之前’可利用第二控制單元3〇8b之第二啟動器 3 4 0b啟動第二感測裝置3 12b之除頻裝置338，以使第二 17 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(21〇χ 297公董) 1234641 A7 B7 五、發明説明（）發射器334傳送第一訊號202至受主控裝置304。 (請先閱讀背®之注意事項再填寫本頁) 然後在步驟406中，主控裝置304利用第一感測裝置 312a分別接收來自受控裝置3 06之第一訊號2 02及第二訊號204 ’其中第一訊號2〇2的速度高於第二訊號204的速度。本發明之較佳實施例中，在分別接收第一訊號202及第二訊號204步驟中，藉由第二感測裝置312b之第二無線通訊裝置328b接收主控裝置304之控制指令。接著以第二處理裝置31 Ob之第三轉換器322b轉換控制指令。然後利用第二控制單元308b之第二控制器3丨6b設定第二處理裝置3 1 〇b，並且控制第二處理裝置3丨〇b中之第一訊號 202 °隨後以第二處理裝置31〇b之第四轉換器32〇b轉換第一訊號202。另外’在分別接收第一訊號202及第二訊號204步騾之前’先利用第一啟動器340a啟動第二控制單元308b之同步裝置336,以傳送同步指令至第二感測裝置312b之第一發射器326b。接著以同步裝置336使第一訊號202與第二訊號204的同步地發射至主控裝置304。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製接著在步驟408中，主控裝置304利用第一處理裝置 3 10a計算第一訊號2〇2及第二訊號2〇4傳輸至第一感測裝置3 12a的時間差值，並且將時間差值乘以第二訊號2〇4 之曰波速度，以取得主控裝置3 〇4與受控裝置3 〇6的量測距離。本發明較佳實施例中，在計算時間差值步驟之後，利用控制單元308a之記憶體318儲存第一訊號2〇2及第二訊號204傳輸速度的時間差值。最後在步驟41〇中，電 18 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 1234641 A7 B7 五、發明説明（）腦主機3 02經由通訊協定，利用主控裝置3 04讀取量測距離，並且顯示於電腦主機302之使用者介面上。在相同的量測距離中，本發明之第二訊號204的行進距離只需反射型的超音波行進距離的一半，亦即量測距離等於第二訊號204由受控裝置306直接傳送至主控裝置 3 0 4的行進距離’大幅降低第二訊號2 0 4在傳遞過程中的机5虎哀減效應’提兩量測的有效距離’並且進一步加速量測程序的進行。综上所述，本發明之異波速媒體測距系統及方法係直接傳遞超音波訊號至待測物體，相較於傳統超音波測距系統之反射式量測，本發明之異波速媒體測距系統藉由光速波通訊通知受控裝置發射音速波及光速波至主控裝置，使主控裝置直接接收受控裝置的直射之音速波及光速波，並計算其時差，避免量測反射音速波方式受到非量測目的之障礙物反射之音速波的干擾。而且本發明之超音波行進距離為反射式超音波行進距離的一半，降低超音波在傳遞過程中的衰減效應，提高待測物體的有效量測距離，並且加速量測程序的進行。此外本發明以一個光速波媒體作為通訊媒體，使主控裝置與受控裝置間得以建立通訊管道，藉由雙方之通訊協定，排除具有量測誤差之不合理量測結果，提昇量測之可信賴度。本發明已揭示較佳實施例如上，僅用於幫助瞭解本發明之實施，非用以限定本發明之精神，而熟悉此領域技藝者於領悟本發明之精神後，在不脫離本發明之精神範圍 19 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -訂· 線< 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

1234641 五、發明説明（）内，當可作些許更動潤偷另装、申及爭同^變化替換，其專利保護範圍當視後附之申請專利豁图π # ^ 丹号才J乾圍及其等同領域而定。圖式簡單說明第1圖繪示傳統反射式超音波測距系統之示意圖；第2A-2C圖繪不依據本發明之異波速媒體之測距原理示意圖；第3Α圖繪π依據本發明一較佳實施例之異波速媒體之測距系統方塊圖；第3B圖繪不依據本發明一較佳實施例之異波速媒體測距系統之主控裝置方塊圖；第3 C圖繪π依據本發明一較佳實施例之異波速媒體測距系統之受控裝置方塊圖；以及第4圖繪不依據本發明一較佳實施例之異波速媒體測距方法之流程圖。 •.....................訂 (請先閲讀背¾之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製圖號對照說明 100 發射型超音波轉能器 102 接收型超音波轉能器 104 待測物體 106 入射音波 106a，106b反射音波 108 障礙物 200 發射裝置 202 第一訊號 204 第二訊號 206 接收裝置 302 電腦主機 304 主控裝置 306 受控裝置 308a 第一控制單元 20 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210x297公釐) 1234641 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製五、發明説明（） 308b 第二控制單元 3 10a 第一處理裝置 310b 第二處理裝置 312a 第一感測裝置 312b 第二感測裝置 314 串列埠通訊裝置 316a 第一控制器 316b 第二控制器 318 記憶體 320a 第一轉換器 320b 第四轉換器 322a 第二轉換器 322b 第三轉換器 324 計時裝置 326a 第一無線通訊裝置 326b 第一發射器 328a 第一接收器 328b 第二無線通訊裝 330 第二接收器 332a 主控時脈器 332b 受控時脈器 334 第二發射器 336 同步裝置 338 除頻裝置 340a 第一啟動器 340b 第二啟動器 21 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X 297公釐)

Claims

A8 B8 C8 D8 1234641 六、申請專利範圍 1. 一種異波速媒體之測距系統，其中該異波速媒體用於傳送第一訊號及第二訊號，該測距系統至少包含： (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 一電腦主機，具有使用者介面，藉由通訊協定傳送測距指令；一主控裝置，具有第一控制單元、第一處理裝置及第一感測裝置，其中該主控裝置利用該第一控制單元耦合於該電腦主機，該第一處理裝置連結於該第一控制單元，且該第一感測裝置連結於該第一處理裝置，該主控裝置利用一控制指令，以回應該電腦主機之該測距指令，使該第一感測裝置分別接收該第一訊號及該第二訊號，並且該第一處理裝置利用該第一訊號及該第二訊號傳送至該第一感測裝置之時間差值，藉由該時間差值與該第二訊號的速度之乘積，以取得量測距離，其中該第一訊號的速度高於該第二訊號的速度；以及經濟部智慧財產局員工消費合作社印製一受控裝置，具有第二感測裝置、第二處理裝置及第二控制單元，其中該第二感測裝置連結於該第二處理裝置，且該第二處理裝置連結於該第二控制單元，該受控裝置利用該第二感測裝置耦合於該主控裝置，該受控裝置利用一同步指令，藉由該第二控制單元回應該受控裝置，以利用該第二處理裝置使該第二感測裝置同步傳送第一訊號及第二訊號至該主控裝置之該第一感測裝置。 2. 如申請專利範圍第1項所述之異波速傳輸媒體之測距系 22 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 1234641 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍統，其中該主控裝置之該第一控制單元至少包含： (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 一串列淳通訊裝置，利用該通訊協定搞合於該電腦主機，以進行通訊；一第一控制器，耦合於該第一處理裝置，用於設定該第一處理裝置，並且控制該第一處理裝置中之該第二訊號；以及一記憶體，搞合於該第一處理裝置，以儲存該第= 處理裝置之該第一訊號及該第二訊號的該時間差值。 3 ·如申請專利範圍第2項所述之異波速傳輸媒體之測距系統，其中該主控裝置之該第一處理裝置至少包含：一第一轉換器，耦合於該第一控制器，用於轉換該主控裝置之該控制指令；一第二轉換器，耦合於該第一控制器，用於轉換該第一感測裝置之該第一訊號；以及一計時裝置，耦合於該第一感測器及該記憶體，用於計算該第一處理裝置之該第一訊號與該第二訊號的該時間差值。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4.如申請專利範圍第3項所述之異波速傳輸媒體之測距系統，其中該主控裝置之該第一感測裝置至少包含：一第一無線通訊裝置，耦合於該第一轉換器，用於發射該控制指令至該受控裝置；一第一接收器，耦合於該第二轉換器及該計時裝 23 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 1234641 A8 B8 C8 D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製六、申請專利範圍置，以接收該受控裝置之該第一訊號；一第二接收器，耦合於該計時裝置，用於接收該受控裝置之該第二訊號；以及一主控時脈器，耦合於該第一處理裝置，用於輸入時脈訊號至該第一處理裝置。 5. 如申請專利範圍第1項所述之異波速傳輸媒體之測距系統，其中該受控裝置之該第二感測裝置至少包含：一第二無線通訊裝置，耦合於該第二處理裝置，用於接收該主控裝置之該控制指令；一第一發射器，耦合於該第二處理裝置，用於回應該主控裝置之該控制指令，並用於發射該第一訊號至該主控裝置；一第二發射器，耦合於該第二處理裝置，用於發射該受控裝置之第二訊號至該主控裝置；以及一受控時脈器，耦合於該第二處理裝置，以輸入時脈訊號至該第二處理裝置。 6. 如申請專利範圍第5項所述之異波速傳輸媒體之測距系統，其中該受控裝置之該第二處理裝置至少包含：一第三轉換器，耦合於該第二無線通訊裝置及該第二控制單元，用於轉換該控制指令；一第四轉換器，耦合於該第一發射器及該第二控制單元，用於轉換該第一訊號； 24 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐） (請先閲讀背¾之注意事項再填寫本頁)

1234641 abs1 C8 _D8_ 六、申請專利範圍 (請先閲讀背¾之注意事項再填寫本頁) 一同步裝置，耦合於該第一發射器及該第二控制單元，用於使該第一訊號與該第二訊號同步地發射至該主控裝置；以及一除頻裝置，耦合於該受控時脈器及該第二控制單元，用於對該第二訊號作除頻。 7. 如申請專利範圍第6項所述之異波速傳輸媒體之測距系統，其中該受控裝置之該第二控制單元至少包含：一第二控制器，耦合於該第三轉換器及該第四轉換器，用於設定該第二處理裝置，並且控制該第二處理裝置中之該第一訊號；一第一啟動器，耦合於該同步裝置，用於啟動該同步裝置，以傳送該同步指令至該第一發射器；以及一第二啟動器，耦合於該除頻裝置，用於啟動該除頻裝置，以使該第二發射器傳送該第二訊號至該主控裝置。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製接直置裝控受該由號訊二第該。於離等距離的距置測裝量控該主中該其至 , 送統傳系距測之體媒輸傳〇速波波音異超之含述包所少項至 1 號第·訊圍二範第利該專中請其中，如統 25 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 1 如申請專利範圍第1項所述之異波速傳輸媒體之測距系 ABCD 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1234641 六、申請專利範圍 1 0.如申請專利範圍第1項所述之異波速傳輸媒體之測距系統，其中該第一訊號至少包含光速波。 11.如申請專利範圍第1 0項所述之異波速傳輸媒體之測距系統，其中該光速波係選自紅外線訊號、射頻訊號及無線電波訊號及其組合之一。 1 2.如申請專利範圍第1項所述之異波速傳輸媒體之測距系統，其中該通訊協定至少包含序列介面或並列介面之 —— 〇 1 3 .如申請專利範圍第1 2項所述之異波速傳輸媒體之測距系統，其中該序列介面至少包含R S 2 3 2序列介面或是通用序列介面。 1 4.如申請專利範圍第1項所述之異波速傳輸媒體之測距系統，其中該第一處理裝置至少包含可程式邏輯元件或是可程式記憶體之一。 1 5 .如申請專利範圍第1 4項所述之異波速傳輸媒體之測距系統，其中該可程式邏輯元件至少包含複合式可程式邏輯元件。 16.如申請專利範圍第1項所述之異波速傳輸媒體之測距 26 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

ABCD 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1234641 六、申請專利範圍系統，其中該控制單元至少包含單晶片處理器或數位訊號處理器之一。 17. 一種異波速媒體之測距系統，該異波速媒體用於傳送第一訊號及第二訊號，利用電腦主機之使用者介面，藉由通訊協定傳送測距指令，該測距系統至少包含：一主控裝置，具有第一控制單元、第一處理裝置及第一感測裝置，其中該主控裝置利用該第一控制單元耦合於該電腦主機，該第一處理裝置連結於該第一控制單元，且該第一感測裝置連結於該第一處理裝置，該主控裝置利用一控制指令，以回應該第一控制單元之該測距指令，使該第一感測裝置分別接收該第一訊號及該第二訊號，並且該第一處理裝置利用該第一訊號及該第二訊號傳送至該第一感測裝置之時間差值，藉由該時間差值與該第二訊號的速度之乘積，以取得量測距離，其中該第一訊號的速度高於該第二訊號的速度；以及一受控裝置，具有第二感測裝置、第二處理裝置及第二控制單元，其中該第二感測裝置連結於該第二處理裝置，且該第二處理裝置連結於該第二控制單元，該受控裝置利用該第二感測裝置耦合於該主控裝置，該受控裝置利用一同步指令，藉由該第二控制單元回應該受控裝置，且利用該第二處理裝置使該第二感測裝置同步傳送該第一訊號及該第二訊號至該主控裝置之該第一感測裝置。 27 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐） (請先閲讀背¾之注意事項再填寫本頁)

ABCD 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1234641 六、申請專利範圍 1 8.如申請專利範圍第1 7項所述之異波速傳輸媒體之測距系統，其中該量測距離等於該第二訊號由該受控裝置直接傳送至該主控裝置的距離。 1 9.如申請專利範圍第1 7項所述之異波速傳輸媒體之測距系統，其中該第二訊號至少包含超音波。 20.如申請專利範圍第1 7項所述之異波速傳輸媒體之測距系統，其中該第一訊號至少包含光速波。 2 1.如申請專利範圍第20項所述之異波速傳輸媒體之測距系統，其中該光速波係選自紅外線訊號、射頻訊號及無線電波訊號及其組合之一。 22. —種異波速媒體之測距系統，該異波速媒體用於傳送第一訊號及第二訊號，利用電腦主機之使用者介面，藉由通訊協定傳送測距指令，該測距系統至少包含：一主控裝置，利用該通訊協定耦合於該電腦主機，該主控裝置利用一控制指令，以回應該測距指令，使該主控裝置分別接收該第一訊號及該第二訊號，且該第一訊號及該第二訊號傳送至該主控裝置具有一時間差值，其中該第一訊號的速度高於該第二訊號的速度；以及一受控裝置，耦合於該主控裝置，該受控裝置利用 28 ' 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐） (請先閲讀背。面之注意事項再填寫本頁)

8 8 8 8 ABCD 1234641 六、申請專利範圍一同步指令，回應該主控裝置之該控制指令，使該受控裝置同步傳送該第一訊號及該第二訊號至該主控裝置，藉由該時間差值與該第二訊號的速度之乘積，取得量測距離。 23 ·如申請專利範圍第22項所述之異波速傳輸媒體之測距系統，其中該量測距離等於該第一訊號由該受控裝置直接傳送至該主控裝置的距離。 24. —種異波速傳輸媒體之測距方法，該測距方法至少包含：傳送一測距指令，電腦主機利用使用者介面，經由通訊協定傳送該測距指令至主控裝置，其中該主控裝置具有第一控制單元、第一處理裝置及第一感測裝置；傳送一控制指令，以回應該電腦主機之該測距指令，其中該受控裝置具有第二控制單元、第二處理裝置及第二感測裝置，使該主控裝置傳送該控制指令至受控裝置之第二感測裝置及該第二控制單元；同步發射第一訊號及第二訊號，該受控裝置之該第二處理裝置使該受控裝置同時傳送該第一訊號及該第二訊號至該主控裝置，以回應該主控裝置之該控制指令；分別接收該受控裝置之該第一訊號及該第二訊號，該主控裝置利用該第一感測裝置分別接收來自該受控裝置之該第一訊號及該第二訊號，其中該第一訊號的速度 29 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) (請先閲讀背¾之注意事項再填寫本頁)

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ABCD 1234641 六、申請專利範圍南於該弟二訊號的速度， (請先閲讀背®之注意事項再填寫本頁) 計算該第一訊號及該第二訊號的時間差值，該主控裝置利用該第一處理裝置計算該第一訊號及該第二訊號傳輸至該第一感測裝置的該時間差值，並且將該時間差值乘以該第二訊號的速度，以取得該主控裝置與該受控裝置的量測距離；以及讀取該量測距離，該電腦主機經由該通訊協定，利用該主控裝置之該第一控制單元讀取該量測距離，並且顯示於該電腦主機之該使用者介面上。 25. 如申請專利範圍第24項所述之異波速傳輸媒體之測距方法，在傳送該測距指令步驟中，至少包含下列步驟：該第一控制單元之串列埠通訊裝置經由該通訊協定對該電腦主機進行通訊；以及該第一控制單元之第一控制器設定該第一處理裝置，且控制該第一處理裝置中之該第一訊號。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 26. 如申請專利範圍第24項所述之異波速傳輸媒體之測距方法，在傳送該控制指令的步驟中，至少包含該第一處理裝置之第一轉換器轉換該主控裝置之該控制指令。 27. 如申請專利範圍第24項所述之異波速傳輸媒體之測距方法，在同步發射第一訊號及第二訊號步驟之前，更包含利用該第二控制單元之第二啟動器啟動該第二感測 30 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐） 1234641 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍裝置之除頻裝置，以使該第二發射器傳送該第一訊號至該受主控裝置。 (請先閲讀背¾之注意事項再填寫本頁) 28. 如申請專利範圍第24項所述之異波速傳輸媒體之測距方法，在分別接收該受控裝置之該第一訊號及該第二訊號步驟之前，至少包含下列步驟：該第二感測裝置之第二無線通訊裝置接收該主控裝置之該控制指令；該第二處理裝置之第三轉換器轉換該控制指令；該第二控制單元之第二控制器設定該第二處理裝置，並且控制該第二處理裝置中之該第一訊號；以及該第二處理裝置之第四轉換器轉換該第一訊號。 29. 如申請專利範圍第24項所述之異波速傳輸媒體之測距方法，在分別接收該受控裝置之該第一訊號及該第二訊號步驟之前，更包含下列步驟：經濟部智慧財產局員工消費合作社印製該第一啟動器啟動該第二控制單元之同步裝置，以傳送該同步指令至該第二感測裝置之第一發射器；以及該同步裝置使該第一訊號與該第二訊號的同步地發射至該主控裝置。 30. 如申請專利範圍第24項所述之異波速傳輸媒體之測距方法，在計算該第一訊號及該第二訊號的該時間差值步驟之後，更包含利用該控制單元之記憶體儲存該第一 31 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 1234641 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍處理裝置之該第一訊號及該第二訊號的該時間差值。 3 1 ·如申請專利範圍第24項所述之異波速傳輸媒體之測距方法，更包含使用主控時脈器輸入時脈訊號至該第一處理裝置。 32.如申請專利範圍第3 1項所述之異波速傳輸媒體之測距方法，更包含使用受控時脈器輸入時脈訊號至該第二處理裝置。 3 3 ·如申請專利範圍第24所述之異波速傳輸媒體之測距方法，其中該量測距離等於該第二訊號由該受控裝置直接傳送至該主控裝置的距離。 34·如申請專利範圍第24項所述之異波速傳輸媒體之測距方法，其中該第二訊號至少包含超音波。 3 5 ·如申請專利範圍第24項所述之異波速傳輸媒體之測距方法，其中該第一號至少包含光速波。 3 6 ·如申請專利範圍第3 5項所述之異波速傳輪媒體之測距方法，其中該光速波係選自紅外線訊號、射頻訊號、無線電波訊號及其組合之一。 32 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公楚) .............·裝： (請先閲讀背‘面之注意事項再填寫本頁) 、可- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1234641 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 3 7 ·如申請專利範圍第24項所述之異波速傳輸媒體之測距方法，其中該通訊協定至少包含序列介面或並列介面 — 〇 3 8 .如申請專利範圍第3 7項所述之異波速傳輸媒體之測距方法，其中該序列介面至少包含RS232序列介面或是通用序列介面（USB)。 39. 如申請專利範圍第24項所述之異波速傳輸媒體之測距方法，其中該第一處理裝置至少包含可程式邏輯元件或是可程式記憶體之一。 40. 如申請專利範圍第39項所述之異波速傳輸媒體之測距方法，其中該可程式邏輯元件至少包含複合式可程式邏輯元件。 4 1.如申請專利範圍第24項所述之異波速傳輸媒體之測距方法，其中該控制單元至少包含單晶片處理器或數位經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 - 之器 S 處號訊 33 (請先閲讀背‘面之注意事項再填寫本頁)

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