TWI571614B - 自走式裝置及其環境測距裝置 - Google Patents

Description

自走式裝置及其環境測距裝置

本發明係有關於一種自走裝置及其環境測距裝置，特別是有關於一種以無衍射雷射光束進行雷射測距以及可以任意在一既定角度內正反轉的環境測距裝置以及應用該環境測距裝置的自走式裝置。

習知的自走裝置，例如無人搬運車或掃地機器人，通常使用一環境測距裝置對周圍的環境進行測距，使自走式裝置了解周圍環境的狀態，以便規劃行走的路徑。

習知的環境測距裝置通常會以雷射光束做360度環場的掃描來進行測距，但是若環境產生局部的變化，例如有人員突然出現在環境的某處的情況下，即使只希望偵測該局部環境的變化，習知的環境測距裝置仍然必須再做一次360度環場的掃描，如此相當耗時也相當不便。

另外，若使用雷射的三角量測法，其主要是以雷射光束照射至一待測物體而在待測物體上產生一雷射光斑，然後拍攝該物體的影像，並求得該雷射光斑的座標，然後以三角量測法可求出該待測物體的距離，但是對於距離較遠的各物體而言，其雷射光斑的座標變化較不明顯，因此對於距離較遠的各物體其雷射光斑的辨識度的要求也較高，但是一般雷射光束會隨著照射距離的增加而有發散的問題，因此對於距離較遠的物 體，其雷射光斑的大小及形狀會產生改變而無法準確地測出各物體的距離。

有鑑於此，本發明的目的在於提供一種環境測距裝置，其設置一角度偵測機構，可以偵測並藉此控制環境測距裝置旋轉的角度，而只需要針對有變化的局部環境偵測，不需要重複地做360度全場偵測，另外，本發明的環境測距裝置使用無衍射雷射光束進行測距，即使對於不同的距離的物體，都可保持其光斑的形狀及大小，而可以準確地量出各物體的距離。

本發明的環境測距裝置的一實施例包括一本體、一雷射光束發射模組、一影像擷取模組、一角度偵測機構以及一處理控制單元。本體可繞一軸旋轉，雷射光束發射模組係設置於該本體，並用以發出一雷射光束至一被測物而在該被測物上形成一光斑，影像擷取模組係設置於該本體，並用以擷取該被測物影像之光斑，角度偵測機構係用以偵測該本體自一起始部旋轉後的角度，並傳送一角度資料，處理控制單元係用以接收含該光斑之影像及該角度資料以控制該本體的旋轉，其中藉由該雷射光束發射模組、該影像擷取模組及該光斑三處構成一虛擬三角形，並根據一三角測量法計算出該被測物與該本體的距離。

在另一實施例中，該雷射光束發射模組為無衍射雷射光束模組(non-diffractive laser beam module)。

在另一實施例中，該角度偵測機構包括：一光柵盤、一光源以及一接收器，光柵盤結合於該本體並具有複數個格柵，光源發出一光束，該光束可通過該等格柵，接收器接收通過該格柵的該光束，該光源與該接 收器分別位於該光柵盤的兩側。

在另一實施例中，該環境測距裝置更包括一驅動裝置，由該處理控制單元控制而驅動該本體繞該軸旋轉。

在另一實施例中，該驅動裝置包括一馬達。

在另一實施例中，該驅動裝置更包括一傳動件，聯結該本體以及該馬達，該馬達藉由該傳動件驅動該本體繞該軸旋轉。

在另一實施例中，環境測距裝置更包括一承座，該驅動裝置係設置於該承座。

在另一實施例中，該本體可繞該軸順時針或反時針旋轉一既定角度。

在另一實施例中，該雷射光束的行進方向與該影像擷取模組的一光軸具有一夾角。

本發明更提供一種環境測距裝置的另一實施例包括一本體、一雷射光束發射模組、一影像擷取模組、一角度偵測機構以及一處理控制單元。本體可繞一軸旋轉，雷射光束發射模組係設置於該本體，並用以發出一雷射光束至一被測物而在該被測物上形成一光斑，該影像擷取模組係設置於該本體，並用以擷取該被測物影像之光斑，該角度偵測機構係用以偵測該本體自一起始部旋轉後的角度，並傳送一角度資料，該處理控制單元與該影像擷取模組及該角度偵測機構形成電性連接，用以接收含該光斑之影像並計算出該被測物的距離及該角度資料以控制該本體的旋轉。

本發明更提供一種自走式裝置，其包括上述之環境測距裝置。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出實施例並配合所附圖式作詳細說明。

10‧‧‧本體

20‧‧‧雷射光束發射模組

22‧‧‧雷射二極體

24‧‧‧準直透鏡

26‧‧‧錐形透鏡

30‧‧‧影像擷取模組

32‧‧‧鏡頭

34‧‧‧影像感測器

40‧‧‧角度偵測機構

41‧‧‧狹縫

42‧‧‧光柵盤

44‧‧‧光源

46‧‧‧接收器

50‧‧‧電路板

60‧‧‧驅動裝置

70‧‧‧傳動件

80‧‧‧承座

90‧‧‧處理控制單元

100‧‧‧環境測距裝置

B‧‧‧雷射光束

L‧‧‧軸

L’‧‧‧光軸

O‧‧‧待測物

d‧‧‧雷射中心至待測物的距離

f‧‧‧影像擷取模組30的焦距

s‧‧‧雷射光束發射模組的雷射中心與影像擷取模組的鏡頭中心的距離

x‧‧‧待測物體上雷射光點由攝影鏡頭拍攝到感光元件上的成像到一側邊緣的距離

β‧‧‧雷射光束與雷射中心與鏡頭中心連線的夾角

θ‧‧‧夾角

第1圖為本發明的環境測距裝置的一實施例的立體圖。

第2圖為本發明的環境測距裝置的一實施例的另一立體圖。

第3圖為本發明的環境測距裝置的系統方塊圖。

第4圖為第1圖的俯視圖。

第5圖為第4圖中移除部分元件的示意圖。

第6圖為本發明的環境測距裝置的雷射光束發射模組的分解圖。

第7圖為本發明的環境測距裝置量測距離的原理的示意圖。

第8圖為第1圖的仰視圖。

第9圖為第1圖的側視圖。

請參閱第1、2、3圖，其表示本發明的環境測距裝置。本發明的環境測距裝置100包括一本體10、一雷射光束發射模組20、一影像擷取模組30、一角度偵測機構40、一電路板50、一驅動裝置60、一傳動件70以及一承座80。

承座80係固定於一自走式裝置(未圖示)上，驅動裝置60係安裝於承座80，本體10係可旋轉地結合於承座80，驅動裝置60藉由傳動件70連結於本體10，因此驅動裝置60可藉由傳動件70驅動本體10相對於承座80繞一軸L旋轉，在本實施例中，驅動裝置60為一馬達，傳動件70為一傳動皮 帶。

雷射光束發射模組20、影像擷取模組30及電路板50係安裝於本體10上，並可隨著本體10繞軸L旋轉。請參閱第4、5圖，其表示雷射光束發射模組20、影像擷取模組30及電路板50安裝於本體10的結構，請同時參閱第6圖，其表示本發明的雷射光束發射模組20的結構，雷射光束發射模組20包括一雷射二極體22、一準直透鏡24以及一錐形透鏡26，雷射二極體22產生的雷射光束經由準直透鏡24後產生一平行光束，平行光束通過錐形透鏡26後產生一無衍射雷射光束。請回到第5圖，影像擷取模組30具有一鏡頭32以及一影像感測器34，影像感測器34設置於電路板50上，在本實施例中，雷射光束發射模組20發出的雷射光束B與影像擷取模組30的鏡頭32的一光軸L’之間具有一夾角θ，在本實施例中，該夾角θ為83°。

本發明的環境測距裝置係利用雷射的三角量測法來測距，由雷射光束發射模組20發出一雷射光束並照射至一待測物並在該待測物上形成一光斑，由影像擷取模組30擷取該待測物的影像，該待測物的影像包括該光斑，該影像經由鏡頭32被影像感測器34接收，並傳送至一處理控制單元90(參閱第3圖)，計算出光斑中心點的座標，然後由三角測量法計算出待測物的距離。由於雷射光束發射模組20係產生無衍射雷射光束，無衍射雷射光束具有主光斑小且光斑尺寸不隨傳輸距離而變化的特性，很適合在精密量測中作為指示光束，因此即使對於距離較遠的物體也可以很準確地量測出其距離，以下詳細說明。

請參閱第7圖，由於雷射光束發射模組20、該影像擷取模組30及光斑形成一三角形，故其三角量測公式如下： q=fs/x....(1)

d=q/sin(β)....(2)其中，f是影像擷取模組30的焦距，s是雷射光束發射模組20的雷射中心與影像擷取模組30的鏡頭中心的距離，β是雷射光束與雷射中心與鏡頭中心連線的夾角，d是雷射中心至待測物O的距離，x是測量中唯一需要獲得的變數，它的含義是待測物體上雷射光點由攝影鏡頭拍攝到感光元件(CCD或CMOS)上的成像到一側邊緣的距離，該距離可以通過在攝影鏡頭畫面中找到並計算雷射點中心位置的圖元座標來求得。

請參閱第8、9圖，角度偵測機構40包括一光柵盤42、一光源44以及一接收器46，光柵盤42安裝於本體10並可隨本體10繞軸L旋轉，光源44及接收器46係安裝於承座80上且分別位於光柵盤42的兩側，如前所述，由於本體10可相對於承座80繞軸L旋轉，因此光柵盤42可以相對於光源44及接收器46旋轉，光柵盤42為一圓盤，並沿著圓周方向以等間距設有複數個狹縫41，光源44發出光線可通過狹縫41而被接收器46接收到，或者是被光柵盤42阻擋而無法被接收器46接收。當接收器46接收到來自光源44時視為訊號ON，而未接收到來自光源44時視為訊號OFF，藉由上述接收器46接收到光線與否的方式而產生出一角度資料，因此可以藉此計算出光柵盤42旋轉的角度，由於光柵盤42固定於本體10上，也因此可以藉此得知本體10旋轉的角度，該角度資料傳送至處理控制單元90，處理控制單元90可得知本體10旋轉的角度，由於可以得知本體10旋轉的角度，所以可藉此控制驅動裝置60以驅動本體10順時針或逆時針旋轉一角度，或者是在一角度範圍內往復式地來回旋轉，當然也可以做360度順時針或逆時針環場的旋轉，如此 本發明的環境測距裝置100可以進行多種不同型態的掃描與測距。

本發明更提供一種環境測距裝置100的另一實施例包括一本體10、一雷射光束發射模組20、一影像擷取模組30、一角度偵測機構40以及一處理控制單元90。本體10可繞一軸L旋轉，該雷射光束發射模組20係設置於該本體10，並用以發出一雷射光束至一被測物而在該被測物上形成一光斑，該影像擷取模組30係設置於該本體10，並用以擷取該被測物影像之光斑，該角度偵測機構40係用以偵測該本體10自一起始部旋轉後的角度，並傳送一角度資料，該處理控制單元90與該影像擷取模組30及該角度偵測機構40形成電性連接，用以接收含該光斑之影像並計算出該被測物的距離及該角度資料以控制該本體10的旋轉。其中，本發明之另一實施例的環境測距裝置100也係利用雷射的三角量測法來測距(參閱第7圖)。

當本發明的環境測距裝置100安裝於一自走式裝置時，例如安裝於一掃地機器人，除了可以做360度環場掃描以偵測環境之外，當環境發生局部變化時，例如有人員進入時，自走式裝置可以利用本發明的環境測距裝置100反覆地對該局部環境進行掃描，或者是對於測距不易的物體也可以快速重複掃描。

本發明的環境測距裝置100是以雷射光斑影像三角量測法測距，不同於習知的自走式裝置是以雷射飛行時間或相位方式測距，而雷射光斑影像三角量測法還可以應用於三度空間的測距並建立環境的幾何模型，可以擴大自走式裝置的應用層面。角度偵測機構40使用圓形的光柵盤42，以編碼器的作動原理來量測角度，除了可控制正反轉掃瞄外，亦可特定角度、方向或特定角度範圍掃瞄，對於被測物表面測距不易之物件，可 快速重複掃瞄。另外，本發明的環境測距裝置100使用無衍射雷射光束，無衍射雷射光束具有主光斑小、光斑尺寸不隨傳輸距離而變化等重要特點，可避免一般高斯雷射光束的光斑隨著距離變長而變大的問題，可提高量測距離及精度。

另外，有關該環境測距裝置100所測得之距離資料可以由一設在該本體10之螢幕顯示、利用無線傳輸而顯示於一行動裝置之螢幕、儲存於一安全數位卡/記憶卡(Secure Digital Memory Card/SD/miniSD/microSD)或者雲端儲存空間或者也可以用影音的方式告知該距離資料。

本發明雖以實施例揭露如上，然其非用以限定本發明的範圍，任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧本體

20‧‧‧雷射光束發射模組

30‧‧‧影像擷取模組

40‧‧‧角度偵測機構

41‧‧‧狹縫

42‧‧‧光柵盤

50‧‧‧電路板

100‧‧‧環境測距裝置

L‧‧‧軸

Claims (11)

1. 一種環境測距裝置，包括：一本體，可繞一軸旋轉；一雷射光束發射模組，設置於該本體，並用以發出一雷射光束至一被測物而在該被測物上形成一光斑；一影像擷取模組，設置於該本體，並用以擷取該被測物影像之光斑；一角度偵測機構，用以偵測該本體自一起始部旋轉後的角度，並傳送一角度資料；一處理控制單元，用以接收含該光斑之影像及該角度資料以控制該本體的旋轉，其中藉由該雷射光束發射模組、該影像擷取模組及該光斑三處構成一虛擬三角形，並根據一三角測量法計算出該被測物與該本體的距離。
2. 如申請專利範圍第1項所述之環境測距裝置，其中該雷射光束為無衍射雷射光束(non-diffractive laser beam)。
3. 如申請專利範圍第1項所述之環境測距裝置，其中該角度偵測機構包括：一光柵盤，結合於該本體並具有複數個狹縫；一光源，發出一光束，該光束可通過該等狹縫；一接收器，接收通過該格柵的該光束，並產生該角度資料，該光源與該接收器分別位於該光柵盤的兩側。
4. 如申請專利範圍第1項所述之環境測距裝置，其更包括一驅動裝置，該處理控制單元控制該驅動裝置而驅動該本體繞該軸旋轉。
5. 如申請專利範圍第4項所述之環境測距裝置，其中該驅動裝置包括一馬 達。
6. 如申請專利範圍第5項所述之環境測距裝置，其中該驅動裝置更包括一傳動件，聯結該本體以及該馬達，該馬達藉由該傳動件驅動該本體繞該軸旋轉。
7. 如申請專利範圍第4項所述之環境測距裝置，其更包括一承座，該驅動裝置係設置於該承座。
8. 如申請專利範圍第1項所述之環境測距裝置，其中該本體可繞該軸順時針或反時針旋轉一既定角度。
9. 如申請專利範圍第1項所述之環境測距裝置，其中該雷射光束的行進方向與該影像擷取模組的一光軸具有一夾角。
10. 一種環境測距裝置，包括：一本體，可繞一軸旋轉；一雷射光束發射模組，設置於該本體，並用以發出一雷射光束至一被測物而在該被測物上形成一光斑；一影像擷取模組，設置於該本體，並用以擷取該被測物影像之光斑；一角度偵測機構，用以偵測該本體自一起始部旋轉後的角度，並傳送一角度資料；一處理控制單元，與該影像擷取模組及該角度偵測機構形成電性連接，用以接收含該光斑之影像並計算出該被測物的距離及該角度資料以控制該本體的旋轉。
11. 一種自走式裝置，其包括如申請專利範圍第1至10項中任一項所述之環境測距裝置。