TWI615626B - 物體偵測裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提出一種物體偵測裝置。物體偵測裝置包含複數光感測模組及處理模組。每一光感測模組包含電容、充放電電路及光感測單元。電容具有第一端與第二端，第一端耦接於接地端。充放電電路耦接電容之第二端，用以對電容進行充放電。光感測單元耦接第二端及接地端，光感測單元用以接收感測範圍內之光線，且光感測單元具有相應於光線之強度之等效電阻值。處理模組耦接各電容，以計算各電容之放電時間，且處理模組比較各電容之放電時間與參考時間以偵測物體是否存在於任一光感測單元之感測範圍內。

Description

物體偵測裝置

本發明是關於一種偵測裝置，特別是利用光線強度偵測物體之物體偵測裝置。

隨著科技的進步，各種物體偵測技術已趨於成熟，舉例來說，習知之物體偵測技術使用超音波（Ultrasonic Sensor）作為一偵測訊號以偵測物體，藉由超音波發射器主動發射一連串的聲波並以接收器接收回音來偵測與物體之間的距離。或者，習知的物體偵測技術亦使用紅外線或是雷射作為偵測訊號，主動發射紅外線或是雷射並接收其反射光來偵測與物體間的距離。此些物體偵測技術已被廣泛地應用於各式電子裝置中，例如感應照明燈、掃地機器人等，提升了人們的生活便利性。

然而，習知的物體偵測裝置中通常具有放大電路，將用來偵測物體的訊號經由多級串接的放大電路進行放大後才能精確地偵測出物體是否存在。於此便導致偵測裝置之電路架構較為複雜而導致電路的生產成本上升。再者，習知的物體偵測裝置僅能偵測出物體是否存在而無法精確地量化出與物體之間的距離。

有鑑於此，本發明提出一種物體偵測裝置。

在一些實施例中，一種物體偵測裝置，適於偵測一物體，包含：複數光感測模組及一處理模組。其中每一光感測模組包含一電容、一充放電電路及一光感測單元。電容具有一第一端與一第二端，第一端耦接於接地端。充放電電路耦接電容之第二端，用以對電容進行充放電。光感測單元耦接第二端及接地端，具有一感測範圍，光感測單元用以接收感測範圍內之一光線，且光感測單元具有相應於光線之強度之等效電阻值。處理模組則耦接每一電容。其中，處理模組計算每一電容之一放電時間，且處理模組比較每一電容之放電時間與一參考時間以偵測物體是否存在於任一光感測單元之感測範圍內。

在一些實施例中，前述之處理模組更根據電容之放電時間以查表法產生物體與光感測模組之間對應於放電時間之一距離。

在一些實施例中，前述之物體偵測裝置，更包含一殼體，各光感測模組與處理模組係設置於殼體，且各光感測模組設置於殼體之周緣。

在一些實施例中，前述之物體偵測裝置，更包含一驅動模組，設置於殼體且耦接處理模組，當物體存在於其中一光感測單元之感測範圍內時，處理模組控制驅動模組以驅動殼體朝遠離物體之方向移動。

在一些實施例中，前述之充放電電路包含一第一電流源及一第二電流源，第一電流源耦接於一供電端與電容之第二端之間，第二電流源耦接於電容之第二端與接地端之間。

在一些實施例中，前述之物體偵測裝置，更包含一發光模組設置於殼體，用以發射一紅外光，每一光感測單元所接收之光線為相應紅外光之一反射光。

在一些實施例中，前述之物體偵測裝置，其中光感測單元選自光電晶體、光敏電阻或光二極體。

在一些實施例中，前述之光感測單元為一光電晶體，光電晶體的射極耦接接地端，光電晶體的集極耦接第二端且經由一偏壓電阻耦接一供電端。

綜上所述，根據本發明之物體偵測裝置之一實施例，光感測單元之等效電阻值之變化係相應於光線之強弱，使光感測單元之等效電阻值改變電容的放電時間，如此便可由電容之放電時間來偵測出光線之強弱變化。基此，其電路架構簡單而不需要放大電路，進而節省電路之生產成本；再者，藉由電容的不同放電時間可精確地將光感測單元所接收之光線強度進行量化，進而精確地量化出物體偵測裝置與物體之間的距離，如此一來，物體偵測裝置可更廣泛地應用於具不同需求之電子裝置中。

第1圖為根據本發明之物體偵測裝置之一實施例之方塊示意圖，揭露一物體偵測裝置，適於偵測一物體。物體偵測裝置包含複數光感測模組及處理模組90，而第1圖繪示之物體偵測裝置包含八個光感測模組10、20、30、40、50、60、70、80，但本發明不以此為限，光感測模組的數量可依照電路設計需求而增加或減少。如第1圖所示，處理模組90耦接各光感測模組10-80。

第2圖為第1圖之光感測模組10之第一實施例之功能方塊圖。請參照第2圖，光感測模組10包含電容11、充放電電路12及光感測單元13。電容11之第一端11B耦接接地端GND，電容11之第二端11A耦接充放電電路12及光感測單元13，光感測單元13則耦接於接地端GND。於此，其他光感測模組20-80與光感測模組10的結構大致相同，於此不再贅述。

每一光感測單元具有一感測範圍，以光感測單元13為例，光感測單元13可在感測範圍內接收光線。並且，根據光感測單元13所接收之光線之強度的不同，光感測單元13具有相應於光線之強度的等效電阻值，若光線強度增加，則等效電阻值減小；若光線強度減小，則等效電阻值增大。基此，若物體存在於光感測單元13之感測範圍內，光線受物體遮蔽而導致光感測單元13接收之光線減少，進而導致光感測單元13的等效電阻值上升；因此，根據光感測模組10-80中之光感測單元之等效電阻值於不同時間點的變化即可偵測出每一光感測單元的感測範圍內是否存在一物體。

為偵測每一光感測單元之等效電阻值，以光感測模組10為例，充放電電路12對電容11進行充放電，充放電電路12先對電容11進行充電，使電容11的端電壓經過一段時間後充電至高電壓準位（即，邏輯「1」）；接著，充放電電路12再對電容11進行放電，電容11之端電壓隨時間逐漸下降而由高邏輯準位轉變為低邏輯準位（即，邏輯「0」），此時光感測單元13與接地端GND之間形成的放電路徑會影響電容11放電時的等效電阻，使電容11具有不同的放電時間。相較於無物體存在於光感測單元13之感測範圍，若物體存在於光感測單元13之感測範圍，光感測單元13的等效電阻值較大而致使電容11的放電時間增加。

處理模組90耦接電容11以計算電容11的放電時間，並且，處理模組90耦接其他光感測模組20-80之電容以計算其他光感測模組中之電容的放電時間。處理模組90比較各光感測模組10-80中之電容的放電時間與一參考時間，藉以比較每一光感測單元的等效電阻值以偵測出物體是否存在於任一光感測單元之感測範圍內。詳言之，參考時間係表示光感測單元所在之環境於特定亮度下應接收之最少光線所對應的電容放電時間再加上一容錯範圍，若電容的放電時間大於參考時間即表示光感測單元受物體遮蔽（即光感測單元接收之光線減少）。因此，參考時間係隨著環境之亮度而有所不同，當環境之亮度越高，表示各光感測單元應接收之光線越多，使其等效電阻值減小而造成每一電容的放電速度縮短；反之，當環境之亮度越低，表示各光感測單元應接收之光線越少，使其等效電阻值上升而造成每一電容的放電速度增加。

舉例來說，若電容11的放電時間大於參考時間，而其他光感測模組20-80之電容的放電時間等於或小於參考時間，表示光感測單元13的感測範圍內有物體存在，而其他光感測單元的感測範圍內無物體存在；再者，若光感測模組10、20、30中之電容的放電時間大於參考時間，而其他光感測模組40-80中之電容的放電時間小於或等於參考時間，表示感測模組10、20、30中之光感測單元的感測範圍內有物體存在，而其他光感測模組40-80中之光感測單元的感測範圍內無物體存在。其餘情形則依此類推不再贅述。

基此，充放電電路12可對電容11不斷地重複充放電致使處理模組90可實時（real time）地依序計算每一電容的放電時間以偵測物體是否存在於任一光感測單元之感測範圍內。

在一些實施態樣中，物體偵測裝置可在其電源上電後產生前述之參考時間。詳言之，物體偵測裝置具有一校驗程序及一物體偵測程序。物體偵測裝置於其電源上電後即進入校驗程序，以根據當下環境光線之變化進行充放電，於校驗程序中所計算得之放電時間再加上一誤差範圍即為參考時間。於參考時間產生之後，物體偵測裝置進入物體偵測程序。在物體偵測程序中，處理模組90即以校驗程序中產生之參考時間與各電容之放電時間進行比較以進行物體偵測。並且，處理模組90可在一固定時間內計算各電容之端電壓由高邏輯準位轉態至低邏輯準位的次數（即，放電次數）來作為放電時間。舉例來說，以固定時間為1 ms為例，假設表示參考時間之放電次數為250次，於1 ms內，若電容11之放電次數一共為260次，在此情形下，260次大於250次係表示電容11的放電時間小於參考時間，也就是說，光感測單元13的感測範圍內無物體存在；倘若電容11於1 ms內之放電次數一共為235次，235次小於250次係表示電容11的放電時間大於參考時間，即光感測單元13的感測範圍內有物體存在。

再者，以電容11為例，處理模組90更可根據電容11之放電時間以查表法（look-up table）產生物體與光感測模組10之間的距離。舉例來說，以放電次數為放電時間為例，假設放電次數位於145次至155之範圍間係表示物體與光感測模組10之間的距離為10公分，而放電次數位於155次至165次之範圍間係表示物體與光感測模組10之間的距離為15公分，處理模組90中或其他具儲存功能之單元中可預存有前述之放電次數與距離參數之間的對應關係，在進行偵測時，若處理模組90計算出放電時間為157次，此時處理模組90可根據預存之對應關係以放電時間為157次進行查表而產生物體與光感測模組10之間之距離為15公分。而前述之距離參數與放電次數之數值之對應關係僅為說明示例，本發明不以此為限。在另一些實施態樣中，處理模組90亦可輸出各電容之放電時間，使物體偵測裝置之使用者能得知各光感測單元10-80所接收之光線的強度。

第3圖為第1圖之電容11於充放電過程中其端電壓變化的波形圖。由第3圖可以得知，於期間T2中，電容11的放電時間大於電容11於期間T1之放電時間，表示光感測單元13於期間T2接收的光線減少而使等效電阻值增加；再者，倘若期間T2內的放電時間大於參考時間而期間T1內的放電時間小於或等於參考時間，表示物體於期間T2存在於光感測單元13的感測範圍內，而於物體於期間T1不存在於光感測單元13的感測範圍內。

在一些實施態樣中，如第2圖所示，光感測單元13可以光電晶體（photo transistor）131及一偏壓電阻R來實現。相較於光二極體，根據不同的光線強度變化，光電晶體之等效電阻值的靈敏度較高而可偵測更微弱的光線變化。光感測單元13之集極C經由偏壓電阻R耦接供電端VDD，而光感測單元13之射極E則耦接接地端GND。光感測單元13之基極B用以接收光線，使光電晶體131根據所接收之光線之強弱來產生不同的基極電流、射極電流及集極電流而使光感測單元13具有不同的等效電阻值。

再者，如第2圖所示，充放電電路12可包含第一電流源121、第二電流源122及開關電路123。開關電路123耦接於第一電流源121與電容11之間以及耦接於第二電流源122與電容11之間。而第一電流源121耦接於供電端VDD與開關電路123之間，第二電流源122耦接於接地端GND與開關電路123之間。開關電路123是用以建立供電端VDD、第一電流源121與電容11之間的充電路徑，或建立接地端GND、第二電流源122與電容11之間的放電路徑。當開關電路123切換而導通於第一電流源121與電容11之間，供電端VDD經由第一電流源121對電容11充電；當開關電路123切換而導通於第二電流源122與電容11之間，電容11經由第二電流源122對接地端GND放電，此時，電容11亦經由光感測單元13放電，即電容11具有二放電路徑。在此實施態樣中，開關電路123可耦接處理模組90或具控制能力之電路以切換於不同的組態。

前述之光感測模組10-80係被動地接收光線而為被動式偵測，在另一些實施態樣中，為使物體偵測裝置可適於光線較不足的環境中，物體偵測裝置亦可為主動式的，以提高偵測物體之精準度。詳言之，物體偵測裝置更包含一發光模組130，用以發射一紅外光，紅外光在碰撞物體後反射，使各光感測模組10-80中之光感測單元可接收反射之紅外光而改變每一光感測單元之等效電阻值。在一些實施態樣中，發光模組130可為紅外線發光二極體（LED）。

第4圖為第1圖之光感測模組10之第二實施例之功能方塊圖。請參照第4圖，光感測單元13亦可以一光敏電阻來實現。在電容11充電至高邏輯準位之後，開關電路123切換而導通於第二電流源123與電容11之間，以光敏電阻實現之光感測單元13與接地端GND之間形成之放電路徑使電容11經由第二電流源123及光感測單元13對接地端GND放電，光敏電阻之等效電阻值變化致使電容11的放電時間改變。在其他的實施態樣中，光感測單元13亦可以光二極體來實現，本發明不以此為限。

在應用上，第5-7圖為根據本發明之物體偵測裝置之另一實施例之示意圖。請同時參照第5-7圖，物體偵測裝置更包含一殼體110，此殼體110可具有任意之形狀，而前述之物體可為真人、機器人、動物、貨物或運輸工具。以第5-7圖為例，殼體110具有老鼠外型之形狀。

在本實施例中，如第6圖所示，物體偵測裝置更包含一驅動模組120，光感測模組10-80、發光模組130、驅動模組120及處理模組90係設置於殼體110。進一步，如第7圖所示，各光感測模組10-80係設置於殼體110之周緣，使光感測模組10-80之偵測範圍合計為360度，以增加物體偵測裝置之偵測範圍。

基此，處理模組90耦接驅動模組120，且耦接位於殼體110之周緣之各光感測模組10-80，使物體偵測裝置可做為一逗貓玩具。當物體例如貓靠近殼體110時，處理模組90藉由每一電容的放電時間偵測出貓是否位於其中一光感測單元之感測範圍內，倘若其偵測結果為「是」，此時處理模組90發出一控制訊號至驅動模組120以使驅動模組120例如馬達來驅動殼體110朝向遠離貓之方向移動。舉例來說，處理模組90可記錄每一光感測模組於殼體110上之位置資訊，例如方位或座標，當處理模組90偵測出貓位於光感測單元13之感測範圍內，處理模組90先將預存之多個位置資訊中表示光感測模組10之位置資訊排除，並產生可表示其他光感測單元之位置資訊之控制訊號，以計算出殼體110之移動方向，使殼體110移動至其他光感測模組20-80中之光感測單元的感測範圍中。或者，處理模組90可控制驅動模組120驅使殼體110朝向任意方向移動，同時處理模組90實時地計算光感測模組10-80中每一電容的放電時間，直到物體位於每一光感測單元的感測範圍之外，即，使每一電容的放電時間均小於或等於參考時間之位置，此時處理模組90始控制驅動模組120停止驅使殼體110移動。如此便可誘使貓咪追逐具鼠形之殼體110，一旦貓位於各光感測單元的感測範圍內，物體偵測裝置則一再地朝向遠離貓之方向移動。

綜上所述，根據本發明之物體偵測裝置之一實施例，光感測單元之等效電阻值之變化係相應於光線之強弱，使光感測單元之等效電阻值改變電容的放電時間，如此便可由電容之放電時間來偵測出光線之強弱變化。基此，其電路架構簡單而不需要放大電路，進而節省電路之生產成本；再者，藉由電容的不同放電時間可精確地將光感測單元所接收之光線強度進行量化，進而精確地量化出物體偵測裝置與物體之間的距離，如此一來，物體偵測裝置可更廣泛地應用於具不同需求之電子裝置中。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

10、20、30、40 光感測模組 50、60、70、80 光感測模組 11 電容 11A 第二端 11B 第一端 12 充放電電路 121 第一電流源 122 第二電流源 123 開關電路 13 光感測單元 131 光電晶體 90 處理模組 110 殼體 120 驅動模組 130 發光模組 R 偏壓電阻 B 基極 C 集極 E 射極 VDD 供電端 GND 接地端 T1、T2 期間

[第1圖] 為根據本發明之物體偵測裝置之一實施例之方塊示意圖。 [第2圖] 為第1圖之光感測模組之第一實施例之功能方塊圖。 [第3圖] 為第1圖之電容於充放電過程中其端電壓變化的波形圖。 [第4圖] 為第1圖之光感測模組之第二實施例之功能方塊圖。 [第5圖] 為根據本發明之物體偵測裝置之另一實施例之示意圖。 [第6圖] 為第5圖之物體偵測裝置之一側視之透視圖。 [第7圖] 為第5圖之物體偵測裝置之一俯視圖。

10、20、30、40、50、60、70、80 光感測模組 90 處理模組

Claims (7)

1. 一種物體偵測裝置，具有一校驗程序及一物體偵測程序，該物體偵測裝置包含：複數光感測模組，每一該光感測模組包含：一電容，具有一第一端與一第二端，該第一端耦接於一接地端；一充放電電路，用以於該校驗程序及該物體偵測程序對該電容進行充放電，該充放電電路包含：一第一電流源，耦接於一供電端；一第二電流源，耦接於該接地端；及一開關電路，耦接於該第一電流源、該第二電流源及該電容的該第二端，該開關電路導通於該第一電流源與該電容之間，以建立一充電路徑，或導通於該第二電流源與該電容之間，以建立一放電路徑；及一光感測單元，耦接該第二端及該接地端，具有一感測範圍，該光感測單元用以接收該感測範圍內之一光線，且該光感測單元具有相應於該光線之強度之一等效電阻值；及一處理模組，耦接每一該電容及該充放電電路，該處理模組切換該開關電路建立該充電路徑或該放電路徑；其中，該處理模組計算每一該電容於該校驗程序中之一放電時間，並計算每一該電容於該物體偵測程序中之另一放電時間，該處理模組比較每一該電容於該校驗程序中之該放電時間與每一該電容於該物體偵測程序中之該另一放電時間以偵測該物體是否存在於任一該光感測單元之該感測範圍內。
2. 如請求項1所述之物體偵測裝置，其中該處理模組更根據該另一放電時間以查表法產生該物體與該些光感測模組之間之一距離。
3. 如請求項1所述之物體偵測裝置，更包含一殼體，該些光感測模組與該處理模組係設置於該殼體，且各該光感測模組設置於該殼體之周緣。
4. 如請求項2所述之物體偵測裝置，更包含一發光模組設置於該殼體，用以發射一紅外光，每一該光感測單元所接收之該光線為相應該紅外光之一反射光。
5. 如請求項2所述之物體偵測裝置，更包含一驅動模組，設置於該殼體且耦接該處理模組，當該物體存在於其中一該光感測單元之該感測範圍內時，該處理模組控制該驅動模組以驅動該殼體朝遠離該物體之方向移動。
6. 如請求項1至5任一項所述之物體偵測裝置，其中該光感測單元選自光電晶體、光敏電阻或光二極體。
7. 如請求項1所述之物體偵測裝置，其中該光感測單元為一光電晶體，該光電晶體的射極耦接該接地端，該光電晶體的集極耦接該第二端且經由一偏壓電阻耦接一供電端。