TWI484141B - 可自動調整雷射光發射功率之測距方法 - Google Patents

Description

可自動調整雷射光發射功率之測距方法

本案係關於一種測距方法，尤指一種可自動調整雷射光發射功率之測距方法。

雷射測距方法可以相位差測距法來偵測與目標物之間的距離。其中，相位差測距法係利用一旋轉平台將雷射發射器所產生的雷射光發射出去，並利用雷射接收器來接收照射到目標物時的反射光，以利用反射光與參考波形之間的相位差來計算雷射測距儀與目標物之間的距離。

由於雷射測距儀需要偵測外在環境的一個2D平面，所以與目標物之間的距離會有近有遠，然而習知雷射發射器係發出固定功率之雷射光，造成雷射接收器所接收之反射光會有過飽和或是信號太弱的問題。

當目標物與雷射測距儀的距離很近的時候，雷射發射器發射的雷射光功率太強，將使得反射光太強，會導致雷射接收器所收到的信號過飽和，無法有相位差的資料，習知的解決方式係將發射功率調降例如20mW，才可以接收到具有相位差的信號資料以便做距離計算，但是，當目標物移動而使得其與雷射測距儀的距離比較 遠時，例如5公尺以上，雷射發射器以調降後的固定功率發出雷射光，則會有功率不足的狀況，使得雷射接收器所接收到的反射光係為一個不完整的波形，也無法做相位差比較，而習知的解決方式係再將發射功率往上調升，雷射接收器才可以接收到具有相位差的信號資料以便做距離計算，故習知雷射發射器以固定功率的方式來發射雷射光，會照成雷射接收器所接收之反射光會有過飽和或是信號太弱的問題，無法滿足雷射測距儀與目標物之間的距離會有近有遠的實際需求。

因此，如何發展一種可自動調整雷射光發射功率之測距方法，實為目前迫切需要解決之問題。

本案之主要目的在於提供一種可自動調整雷射光發射功率之測距方法，俾解決習知雷射發射器以固定功率的方式來發射雷射光，於近距離時會導致雷射接收器所收到的反射光信號過飽和或是遠距離時會導致雷射接收器所收到的反射光為一個不完整波形之缺點。

為達上述目的，本案之一較廣義實施態樣為提供一種測距方法，適用於一雷射測距裝置，該雷射測距裝置係具有一雷射發射器、一雷射接收器以及一旋轉平台，該雷射發射器係設置於該旋轉平台上，至少包含下列步驟：(a)以一第一掃描轉速驅動該旋轉平台，並以一第一功率驅動該雷射發射器發射一第一雷射光至一目標物，其中該第一功率係為該雷射發射器之預設最高功率，該第一掃描轉速係為該旋轉平台之預設掃描轉速；(b)接收由該目標物所反射之該第一雷射光，以對應產生一第一感測波形；(c)判 斷該第一感測波形中是否具有一飽和區間；(d)於判斷結果為是時，以大於該第一掃描轉速之一第二掃描轉速驅動該旋轉平台，並以低於該第一功率之一第二功率驅動該雷射發射器發射一第二雷射光至該目標物；(e)接收由該目標物所反射之該第二雷射光，以對應產生一第二感測波形；(f)判斷該第二感測波形中是否具有該飽和區間；(g)於判斷結果為否時，以該第二掃描轉速驅動該旋轉平台，以該第一功率驅動該雷射發射器發射一第三雷射光至該目標物，並接收由該目標物所反射之該第三雷射光，以對應產生一第三感測波形；(h)以該第二掃描轉速驅動該旋轉平台，以該第二功率驅動該雷射發射器發射一第四雷射光至該目標物，並接收由該目標物所反射之該第四雷射光，以對應產生一第四感測波形，以根據該第三感測波形及該第四感測波形取得該目標物與該雷射測距裝置之間的距離。

1‧‧‧雷射測距裝置

11‧‧‧雷射發射器

12‧‧‧雷射接收器

13‧‧‧旋轉平台

14‧‧‧相位比較器

15‧‧‧運算控制單元

2‧‧‧目標物

X‧‧‧飽和區間

S301~S321‧‧‧可自動調整雷射光發射功率之測距步驟

第1圖係為本案第一較佳實施例之雷射測距裝置之系統結構示意圖。

第2A圖係為本案第二較佳實施例之可自動調整雷射光發射功率之測距方法之第一部份流程圖。

第2B圖係為本案第二較佳實施例之可自動調整雷射光發射功率之測距方法之第二部份流程圖。

第2C圖係為本案第二較佳實施例之可自動調整雷射光發射功率之測距方法之第三部份流程圖。

第2D圖係為本案第二較佳實施例之可自動調整雷射光發射功率之測距方法之第四部份流程圖。

第3A圖係為具有飽和區間之第一感測波形示意圖。

第3B圖係為不具有飽和區間之第二感測波形示意圖。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非架構於限制本案。

請參閱第1圖，其係為本案第一較佳實施例之雷射測距裝置之系統結構示意圖，如圖所示，本案之雷射測距裝置1主要係用來偵測與目標物2之間的距離，且其可設置於一機器人上，但不以此為限，本案之雷射測距裝置1可包含雷射發射器11、雷射接收器12、旋轉平台13、相位比較器14以及運算控制單元15，其中，運算控制單元15與旋轉平台13、雷射發射器11及相位比較器14電連接，用以控制旋轉平台13之掃描轉速以及雷射發射器11之發射功率，相位比較器14則與雷射接收器12及運算控制單元15電連接，且雷射發射器11係設置於旋轉平台13上，藉由旋轉平台13的轉動將所產生的雷射光發射出去，例如：旋轉平台13旋轉180度，可將雷射發射器11所產生的雷射光發射至180度的外在環境範圍內，而發射出去之雷射光照射到目標物2的反射光則由雷射接收器12來接收，雷射接收器12將所接收之反射光對應產生一感測波形，並傳送至相位比較器14中，相位比較器14係將感測波形與一參考波形進行相位比較，並將相位差比較結果傳送至運算控制單元15，使運算控制單元15可根據所接收之相位差比較結果來計算雷射測距裝置1與目標物2之間的距離，例如：於180度的掃描範圍 內雷射測距裝置1與目標物2之間每一點的距離，其中於180度的範圍中每一度可代表一個點，但不以此為限。

請參閱第2A、2B、2C、2D圖及第1圖，其中第2A-2D圖係為本案第二較佳實施例之可自動調整雷射光發射功率之測距方法之流程圖，如圖所示，本實施例之可自動調整雷射光發射功率之測距方法係包含下列步驟：首先，運算控制單元15以第一掃描轉速驅動旋轉平台13，並以第一功率驅動雷射發射器11發射第一雷射光至目標物2(如步驟S301所示)，其中第一功率係為雷射發射器11之預設最高功率，該預設最高功率係關於雷射發射器11之最遠可偵測距離，例如：雷射發射器11之預設最高功率為100mW，其功率所發出的雷射光之最遠可偵測距離可為10m，但是上述預設最高功率及最遠可偵測距離的實施態樣並不以此為限，至於，第一掃描轉速係為旋轉平台13之預設掃描轉速，例如：旋轉平台13旋轉180度的時間預設為1秒。

接著，雷射接收器12接收由目標物2所反射之第一雷射光，並對應產生第一感測波形(如步驟S302所示)，並判斷第一感測波形中是否具有飽和區間(如步驟S303所示)，當判斷結果為否時，即表示以預設最高功率所發射的雷射光照射至目標物2後所反射的雷射光資訊可以獲得所有雷射測距裝置1與目標物2之間每一點的距離，因此後續可繼續以步驟S301所示之以第一掃描轉速驅動旋轉平台13，及以第一功率驅動雷射發射器11發射第一雷射光至目標物2的條件來感測雷射測距裝置1與目標物2之間的距離。

反之當步驟S303的判斷結果為是時，代表第一感測波形中具有飽和區間X(如第3A圖所示)，即以預設最高功率所發射的雷射光 於雷射測距裝置1之旋轉平台13的某些掃描範圍內，雷射光功率太強使得反射光太強，而導致雷射接收器12所收到的信號過飽和，而無法有相位差的資料，因此後續運算控制單元15以大於第一掃描轉速之第二掃描轉速驅動旋轉平台13，並以低於第一功率之第二功率驅動雷射發射器11發射第二雷射光至目標物2(如步驟S304所示)，接著，雷射接收器12接收由目標物2所反射之第二雷射光，並對應產生第二感測波形(如步驟S305所示)，並判斷第二感測波形中是否具有飽和區間(如步驟S306所示)。

當步驟S306判斷結果為否時，第二感測波形可為例如第3B圖所示，其係表示依序以代表預設最高功率之第一功率及小於該第一功率之第二功率所發射的雷射光照射至目標物2後所反射的雷射光資訊可以獲得所有雷射測距裝置1與目標物2之間每一點的距離，因此後續可繼續依序以第一功率及第二功率驅動雷射發射器11發射雷射光至目標物2的條件來感測並取得雷射測距裝置1與目標物2之間的距離。

由於為了符合雷射測距裝置1的安全規範，例如：於1秒的時間內需取得關於雷射測距裝置1與目標物2之間180度中每一點的反射光資訊，即數位掃描資料，因此於步驟S306判斷結果為否時後續步驟需以大於第一掃描轉速之第二掃描轉速來驅動旋轉平台13。

於步驟S306判斷結果為否時，以第二掃描轉速驅動旋轉平台13，並以第一功率驅動雷射發射器11發射第三雷射光至目標物2，並接收由目標物2所反射之第三雷射光，以對應產生第三感測波形(如步驟S307所示)，並判斷第三感測波形中是否具有飽和區間(如步驟S308所示)，當判斷結果為否時，則可根據第三感測波 形取得目標物與雷射測距裝置之間的距離(如步驟S309所示)，即表示以第一功率所發射的雷射光照射至目標物2後所反射的雷射光資訊可以獲得所有雷射測距裝置1與目標物2之間每一點的距離，因此後續則執行步驟S301，即以第一掃描轉速驅動旋轉平台13，並以第一功率驅動雷射發射器11發射第一雷射光至目標物2的條件來感測雷射測距裝置1與目標物2之間的距離。

反之，當步驟S308的判斷結果為是時，代表第三感測波形中具有飽和區間，因此後續運算控制單元15以第二掃描轉速驅動旋轉平台13，並以第二功率驅動雷射發射器11發射第四雷射光至目標物2，並接收由目標物2所反射之第四雷射光，以對應產生第四感測波形(如步驟S310所示)，並判斷第四感測波形中是否具有飽和區間(如步驟S311所示)，當判斷結果為否時，則根據第三感測波形及第四感測波形取得目標物2與雷射測距裝置1之間的距離(如步驟S312所示)。

當步驟S306或步驟S311所判斷結果為是時，代表以第二功率所發射的雷射光於雷射測距裝置1之旋轉平台13的某些掃描範圍內，雷射光功率太強使得反射光太強，而導致雷射接收器12所收到的信號過飽和，而無法有相位差的資料，因此後續運算控制單元15以大於第二掃描轉速之第三掃描轉速驅動旋轉平台13，並以低於第二功率之第三功率驅動雷射發射器11發射第五雷射光至目標物2，並接收由目標物2所反射之第五雷射光，以對應產生第五感測波形(如步驟S313所示)，後續則判斷第五感測波形中是否具有飽和區間(如步驟S314所示)。

當步驟S314的判斷結果為否時，即表示依序以第一功率、第二功 率及第三功率所發射的雷射光照射至目標物2後所反射的雷射光資訊可以獲得所有雷射測距裝置1與目標物2之間每一點的距離，因此後續可繼續依序以第一功率、第二功率及第三功率驅動雷射發射器11發射雷射光至目標物2的條件來感測並取得雷射測距裝置1與目標物2之間的距離，且為了符合雷射測距裝置1的安全規範，於步驟S314判斷結果為否時後續步驟需以大於第二掃描轉速之第三掃描轉速來驅動旋轉平台13，反之，當步驟S314的判斷結果為是時則執行步驟S313。

於步驟S314判斷結果為否時，運算控制單元15以第三掃描轉速驅動旋轉平台13，並以第一功率驅動雷射發射器11發射第六雷射光至目標物2，並接收由目標物2所反射之第六雷射光，以對應產生第六感測波形(如步驟S315所示)，並判斷第六感測波形中是否具有飽和區間(如步驟S316所示)，當判斷結果為否時，則根據第六感測波形取得目標物2與雷射測距裝置之間的距離(步驟S317所示)，即表示以第一功率所發射的雷射光照射至目標物2後所反射的雷射光資訊可以獲得所有雷射測距裝置1與目標物2之間每一點的距離，因此後續則執行步驟S301，即以第一掃描轉速驅動旋轉平台13，並以第一功率驅動雷射發射器11發射第一雷射光至目標物2的條件來感測雷射測距裝置1與目標物2之間的距離。

反之當步驟S316的判斷結果為是時，代表第三感測波形中具有飽和區間，因此後續運算控制單元15以第三掃描轉速驅動旋轉平台13，並以第二功率驅動雷射發射器11發射第七雷射光至目標物2，並接收由目標物2所反射之第七雷射光，以對應產生第七感測 波形(如步驟S318所示)，並判斷第七感測波形中是否具有飽和區間(如步驟S319所示)，當判斷結果為否時，則根據第六感測波形及第七感測波形取得目標物2與雷射測距裝置1之間的距離(如步驟S320所示)。

反之當步驟S319的判斷結果為是時，代表第七感測波形中具有飽和區間，因此後續運算控制單元15以第三掃描轉速驅動旋轉平台13，以第三功率驅動雷射發射器11發射第八雷射光至目標物2，並接收由目標物2所反射之第八雷射光，以對應產生第八感測波形，並根據第六感測波形、第七感測波形及第八感測波形取得目標物2與雷射測距裝置1之間的距離(如步驟S321所示)。

於本實施例中，第一功率、第二功率及第三功率的數值可根據雷射發射器11的運作特性所預先設定，舉例而言，第一功率為雷射發射器11之預設最高功率，可設定為100mW，其所發出的雷射光之最遠可偵測距離可為10m，第二功率可預設為50mW，其所發出的雷射光之可偵測距離為3m~5m，第三功率可預設為20mW，其所發出的雷射光之可偵測距離為20cm~3m，但不以此為限，可根據不同雷射發射器11的運作特性進行設定。

另外，於本實施例中，第一掃描轉速可設定為：旋轉平台13旋轉180度的時間為1秒，第二掃描轉速可設定為：旋轉平台13旋轉180度的時間為0.5秒，第三掃描轉速可設定為：旋轉平台13旋轉180度的時間為0.33秒，但不以此為限。

於第2A-2D圖中係說明本案之可自動調整雷射光發射功率之測距方法的一種實施態樣，即最多經過3次雷射光發射功率的調整， 即第一功率、第二功率及第三功率，則可取得雷射測距裝置1與目標物2之間的距離，但本案的實施態樣並不以此為限，於其他實施例中，當於第三功率所發射之雷射光經由目標物所反射回來之雷射光所對應產生之感測波形被判斷為具有飽和區間時，則可接續以大於第三掃描轉速之第四掃描轉速驅動旋轉平台13，並以低於第三功率之第四功率驅動雷射發射器11發射雷射光至目標物2，並接收由目標物2反射之雷射光，以對應產生一感測波形，後續則判斷感測波形中是否具有飽和區間，直到以調整後之雷射光發射功率所對應取得之感測波形被判斷為不具有飽和區間時，則可取得雷射測距裝置1與目標物2之間的距離。

綜上所述，本案之可自動調整雷射光發射功率之測距方法係藉由判斷第一感測波形中是否具有一飽和區間來決定是否繼續以大於第一掃描轉速之第二掃描轉速來驅動該旋轉平台，並於第一感測波形中具有飽和區間時，以低於第一功率之第二功率來驅動雷射發射器發射一第二雷射光至目標物，並以由目標物所反射之第二雷射光所對應產生之第二感測波形來判斷第二感測波形中是否具有該飽和區間，於判斷結果為否則依序以第一功率及第二功率驅動雷射發射器發射雷射光至目標物的條件來感測並取得雷射測距裝置與目標物之間的距離，可因應雷射測距儀與目標物之間的距離會有近有遠的實際狀況來自動調整雷射發射器之雷射光發射功率，進而達到確實感測到雷射測距裝置與目標物之間的距離之功效，以解決習知雷射發射器以固定功率的方式來發射雷射光，於近距離時會導致雷射接收器所收到的反射光信號過飽和或是遠距離時會導致雷射接收器所收到的反射光為一個不完整的波形之缺 點。

本案得由熟知此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

S301~S305‧‧‧可自動調整雷射光發射功率之測距步驟

Claims (12)

1. 一種可自動調整雷射光發射功率之測距方法，適用於一雷射測距裝置，該雷射測距裝置係具有一雷射發射器、一雷射接收器以及一旋轉平台，該雷射發射器係設置於該旋轉平台上，至少包含下列步驟：(a)首先，以一第一掃描轉速驅動該旋轉平台，並以一第一功率驅動該雷射發射器發射一第一雷射光至一目標物，其中該第一功率係為該雷射發射器之預設最高功率，該第一掃描轉速係為該旋轉平台之預設掃描轉速；(b)接收由該目標物所反射之該第一雷射光，以對應產生一第一感測波形；(c)判斷該第一感測波形中是否具有一飽和區間；(d)於判斷結果為是時，以大於該第一掃描轉速之一第二掃描轉速驅動該旋轉平台，並以低於該第一功率之一第二功率驅動該雷射發射器發射一第二雷射光至該目標物；(e)接收由該目標物所反射之該第二雷射光，以對應產生一第二感測波形；(f)判斷該第二感測波形中是否具有該飽和區間；(g)於判斷結果為否時，以該第二掃描轉速驅動該旋轉平台，以該第一功率驅動該雷射發射器發射一第三雷射光至該目標物，並接收由該目標物所反射之該第三雷射光，以對應產生一第三感測波形； (h)以該第二掃描轉速驅動該旋轉平台，以該第二功率驅動該雷射發射器發射一第四雷射光至該目標物，並接收由該目標物所反射之該第四雷射光，以對應產生一第四感測波形，以根據該第三感測波形及該第四感測波形取得該目標物與該雷射測距裝置之間的距離。
2. 如申請專利範圍第1項所述之測距方法，其中該雷射發射器之該預設最高功率係關於該雷射發射器之最遠可偵測距離。
3. 如申請專利範圍第1項所述之測距方法，其中該雷射測距裝置係適用於一機器人。
4. 如申請專利範圍第1項所述之測距方法，其中於步驟(g)中更可包含步驟(g1)：判斷該第三感測波形中是否具有飽和區間，當判斷結果為是則執行步驟(h)，當判斷結果為否時，則根據該第三感測波形取得該目標物與該雷射測距裝置之間的距離，並執行步驟(a)。
5. 如申請專利範圍第4項所述之測距方法，其中於步驟(h)中更可包含步驟(h1)：判斷該第四感測波形中是否具有飽和區間，當判斷結果為否時，則根據該第三感測波形及第四感測波形取得該目標物與該雷射測距裝置之間的距離，並執行步驟(g)。
6. 如申請專利範圍第1項所述之測距方法，其中於步驟(g)中當判斷結果為是時更可包含步驟(g1)：以大於該第二掃描轉速之一第三掃描轉速驅動該旋轉平台，並以低於該第二功率之一第三功率驅動該雷射發射器發射一第五雷射光至該目標物，並接收由該目標物所反射之該第五雷射光，以對應產生一第五感測波形。
7. 如申請專利範圍第6項所述之測距方法，其中步驟(g1)後更包含步驟(g2)：判斷該第五感測波形中是否具有該飽和區間。
8. 如申請專利範圍第7項所述之測距方法，其中該步驟(g2)後更包含步驟(g3)：於判斷結果為否時，以該第三掃描轉速驅動該旋轉平台，並以該第一功率驅動該雷射發射器發射一第六雷射光至該目標物，並接收由該目標物所反射之該第六雷射光，以對應產生一第六感測波形。
9. 如申請專利範圍第8項所述之測距方法，其中該步驟(g3)後更包含步驟(g4)：判斷該第六感測波形中是否具有飽和區間，當判斷結果為否時，則根據該第六感測波形取得該目標物與該雷射測距裝置之間的距離，並執行步驟(a)。
10. 如申請專利範圍第9項所述之測距方法，其中該步驟(g4)後更包含步驟(g5)：當步驟(g4)的判斷結果為是時，以該第三掃描轉速驅動該旋轉平台，並以該第二功率驅動該雷射發射器發射一第七雷射光至該目標物，並接收由該目標物所反射之該第七雷射光，以對應產生一第七感測波形。
11. 如申請專利範圍第10項所述之測距方法，其中該步驟(g5)後更包含步驟(g6)：判斷該第七感測波形中是否具有飽和區間，當判斷結果為否時，則根據該第六感測波形及該第七感測波形取得該目標物與該雷射測距裝置之間的距離，並執行步驟(g3)。
12. 如申請專利範圍第11項所述之測距方法，其中該步驟(g6)後更包含步驟(g7)：當步驟(g6)的判斷結果為是時，以該第三掃描轉速驅動該旋轉平台，並以該第三功率驅動該雷射發射器發射一第八雷射光至該目標物，並接收由該目標物所反射之該第八雷射光，以對應產生一第八感測波形，並根據該第六感測波形、該第七感測波形及該第八感測波形取得該目標物與該雷射測距裝置之間的距離。