TWI622782B - Path detection system for generating laser pattern by diffractive optical element and method thereof - Google Patents

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一種藉繞射光學元件產生雷射圖案之路徑偵測系統及其方法，供安裝在一移動裝置上使用，其包含：一雷射光源；一繞射光學元件(DOE)用以使該雷射光源得通過該DOE以向該移動裝置之前進路徑投射一結構光；至少一鏡頭用以擷取該結構光的反射影像；及一影像處理單元供能根據該至少一鏡頭所擷取該結構光之影像資料來進行比對及計算；其中該結構光更包含一橫向基準線及至少一橫向計算線；其中當該移動裝置之前進路徑中存有立體障礙物時，投射在立體障礙物之各橫向計算線會隨著各立體障礙物之遠近及外部形狀而產生變化，則該至少一鏡頭所擷取到各橫向計算線的影像也同時會產生變化，此時該影像處理單元即能根據各橫向計算線的影像變化相對於該橫向基準線在X、Y軸向之位置及距離來進行比對及計算，藉以即時偵測並判斷立體障礙物在該前進路徑中的相對位置及距離，使該移動裝置在前進時能避開各障礙物；藉此有效簡化系統架構以達成降低成本、微型化模組設計及增進使用效率等優點。

Description

藉繞射光學元件產生雷射圖案之路徑偵測系統及其方法
本發明係有關一種前進路徑中障礙物之偵測系統及其方法，尤指一種藉繞射光學元件產生雷射圖案之路徑偵測系統及其方法，其係利用繞射光學元件(DOE，Diffractive Optical Element)以使雷射光源能投射包含一橫向基準線及至少一橫向計算線之雷射圖案的結構光供用於偵測。
本發明係有關一前進路徑中障礙物之偵測系統及其方法，供安裝在一移動裝置上使用，其中該移動裝置係指可向前移動行進之機器人或可行進移動自動機器，如市面上常見之自動行進室內用吸塵器或機器人，但非用以限制本發明。在此以習知之自動吸塵器(room/clean robot)為例說明，當習知吸塵器放在一室內使用時，由於沒有前進路徑中障礙物之偵測系統，故該吸塵器會在前進路徑中未遇障礙物時直線前進，遇到障礙物時就隨機變換方向以繼續行進。雖然另有習知吸塵器已揭示超音波偵測系統，但偵測信號不準確，精準度不足，容易產生誤判。因此，習知吸塵器無法有效偵測前進路徑中之障礙物並避開，也無法規劃前進路徑，故工作效率相對降低。
此外，雖然一些公開文獻已揭示利用結構光(structured light) 來偵測並定位障礙物之技術，但上述先前技術在實際應用上存有系統架構較複雜及不易微型化等缺點，以致使用效率不彰，不利於導入各種移動裝置中應用。
此外，在利用投影技術構成一虛擬的輸入裝置如虛擬鍵盤(virtual keyboard)的領域中，已存有相當多先前技術，如US6,614,422、US2012/0162077、US2014/0055364等，其係揭示一種利用一虛擬輸入裝置(virtual input device)如虛擬鍵盤或虛擬滑鼠用以輸入數據的系統及方法。雖然，上述先前技術已揭示如何偵測並定位一操作件(如使用者手指)按壓在一虛擬鍵盤上某一按鍵上的技術，但其技術手段與本發明之偵測系統及其方法供安裝在一移動裝置上使用相比，並不相同，故無法直接導入各種移動裝置中應用。
此外，遙控式使用者介面係利用一特徵物體(控制件)如手勢或人體一部位，使其在一X、Y、Z三維空間產生相對位置及動作的變化，以藉由遙控方式控制該顯示器之各項功能，如：US7,348,963、US7,433,024、US2008/0240502、US 2008/0106746、US 2009/0185274、US 2009/0096783、US 2009/0034649、US 2009/0185274、US 2009/0183125、US 2010/0020078等。雖然，上述先前技術已揭示如何偵測並定位一特徵物體(控制件)在一X、Y、Z三維空間產生相對位置及動作的變化，但其技術手段仍不同於本發明之偵測系統及其方法，因此，習知遙控式使用者介面之系統架構也無法直接導入各種移動裝置中應用。
本發明之主要目的在於提供一種藉繞射光學元件產生雷射 圖案之路徑偵測系統及其方法，供安裝在一移動裝置上使用，其包含：一雷射光源；一繞射光學元件(DOE)用以使該雷射光源得通過該DOE以向該移動裝置之前進路徑或區域投射一結構光；至少一鏡頭用以擷取該結構光的反射影像；及一影像處理單元供能根據該至少一鏡頭所擷取該結構光之影像資料來進行比對及計算；其中該結構光更包含一橫向基準線及至少一橫向計算線；其中當該移動裝置之前進路徑中存有立體障礙物時，投射在立體障礙物之各橫向計算線會隨著各立體障礙物之遠近及外部形狀而產生變化，則該至少一鏡頭所擷取到各橫向計算線的影像也同時會產生變化，此時該影像處理單元即能根據各橫向計算線的影像變化相對於該橫向基準線在X、Y軸向之位置及距離來進行比對及計算，藉以即時偵測並判斷立體障礙物在該前進路徑區域中的相對位置及距離，使該移動裝置在前進時能避開各障礙物。
在本發明一實施例中，該雷射光源10所發出之雷射光束係包含可見雷射光或不可見雷射光，其中該不可見雷射光係包含紅外線雷射光。
在本發明一實施例中，該偵測系統係包含一鏡頭，其中該鏡頭係設在該雷射光源之上方位置或下方位置，且該鏡頭與該雷射光源之間存在一夾角。
在本發明一實施例中，該橫向基準線與該至少一橫向計算線係包含相互平行的直線或弧形線。
在本發明一實施例中，該移動裝置係包含可行進移動機器人、可行進移動自動機器如自動吸塵器(room/clean robot)。
1‧‧‧路徑偵測系統
2‧‧‧移動裝置
3‧‧‧前進路徑
4‧‧‧障礙物
4a‧‧‧障礙物
4b‧‧‧障礙物
5‧‧‧平面
10‧‧‧雷射光源
20‧‧‧繞射光學元件
21‧‧‧結構光
22‧‧‧橫向基準線
23‧‧‧橫向計算線
23a‧‧‧橫向計算線
23b‧‧‧橫向計算線
30‧‧‧鏡頭
40‧‧‧影像處理單元
第1圖係本發明之路徑偵測系統形成一模組(具形體)之立體示意圖。
第2圖係本發明之路徑偵測系統一使用狀態的側視示意圖。
第3圖係第2圖之一上視示意圖。
第4圖係本發明之路徑偵測系統中由鏡頭所擷取結構光的反射影像示意圖。
為使本發明更加明確詳實，茲列舉較佳實施例並配合下列圖示，將本發明之技術特徵詳述如後：
參考第1圖所示，本發明為一藉繞射光學元件產生雷射圖案之路徑偵測系統1，其可設計形成一模組化具形體如第1圖所示，即各構件設置在一外殼形成之機體內部，亦可與其他相關裝置如移動裝置2配合使用而設置在該移動裝置2(如自動吸塵器/clean robot)所形成之具形體上如第2圖所示，但非用以限制本發明。本發明之路徑偵測系統1主要包含：一雷射光源10、一繞射光學元件(DOE，Diffractive Optical Element)20、至少一鏡頭30、及一影像處理單元(image processing unit)40如CPU或MCU(microcontroller unit)但非用以限制本發明。
該雷射光源10係用以向外投射雷射光束(21)，如第1-3圖所示，該雷射光源10所發出之雷射光束係包含可見雷射光或不可見雷射光，其中以不可見之紅外線雷射光源(IR laser light)為最佳，但非用以限制本發明。
該繞射光學元件(DOE)20係配置在該雷射光源10之前如第 1圖所示，用以使該雷射光源10得通過該繞射光學元件20以向該移動裝置2之前進路徑(或區域)3投射一結構光(structured light)21如第2、3圖所示。
該至少一鏡頭30係可只設置一鏡頭30，如第1圖所示但非用以限制本發明。該鏡頭30係以一固定角度，即該鏡頭30與該雷射光源10之法線之間存在一夾角，用來擷取該結構光21在投射至該移動裝置2之前進路徑(區域)3時的反射影像；其中，該鏡頭30之設置位置與該雷射光源10之設置位置之間的高度差H是被預先設定。此外，該鏡頭30可設在該雷射光源10之上方位置或下方位置，在本實施例中，該鏡頭30係設在該雷射光源10之上方位置如第1、2圖所示。
該影像處理單元(image processing unit)40係能根據該至少一鏡頭30所擷取該結構光21之反射影像資料，並依據原設定之軟體功能來進行比對及計算。
參考第2、4圖所示，在本實施例中，藉該繞射光學元件20所產生結構光21之雷射圖案(laser pattern)係包含一橫向基準線22及至少一橫向計算線23，如第2圖所示，以兩條橫向計算線23a、23b為例說明但非用以限制本發明。該橫向基準線22及該至少一橫向計算線23相對於該移動裝置2之前進方向F是形成交叉狀態，且該橫向基準線22及各橫向計算線23(23a、23b)相對於該移動裝置2之前進方向F具有不同的投射角。
參考第2圖所示，在本實施例中，該橫向基準線22之投射位置是最靠近該移動裝置2，且該橫向基準線22相對於該移動裝置2之位置及其與該移動裝置2之間的距離D是被預先設定。
參考第2、3圖所示，使用時，該移動裝置2在一平面5上朝前 進方向F前進，當該移動裝置2前方且在該距離D以外之前進路徑(區域)3中存有至少一立體障礙物4時，如第2、3圖所示，以一較近且較窄之障礙物4a及一較遠且較寬之障礙物4b為例說明，則投射在各立體障礙物4a、4b之各橫向計算線23會隨著各立體障礙物4a、4b之遠近及外部形狀而產生變化，則該鏡頭30所擷取各橫向計算線23(23a、23b)的影像也同時會產生變化，例如在第4圖中，投射在較近且較窄之障礙物4a上的橫向計算線23a相對於該橫向基準線22的Y軸向之距離d1及X軸向之寬度w1，就會小於投射在較遠且較寬之障礙物4b上的橫向計算線23a相對於該橫向基準線22的Y軸向之距離d2及X軸向之寬度w2。此時該影像處理單元40即能根據各橫向計算線23(23a、23b)的影像變化相對於該橫向基準線22之X、Y軸向之位置及距離(如距離d1及寬度w1)，並依據已設定的距離D(該橫向基準線22相對於該移動裝置2之位置及其與該移動裝置2之間的距離)及已設定之高度差H(該鏡頭30之設置位置與該雷射光源10之設置位置之間的高度差)，來進行比對及計算，即能即時判斷並取得各立體障礙物4a、4b在該移動裝置2之前進路徑(區域)3中的相對位置及距離，用以使該移動裝置2在前進移動時能避開各障礙物4。此外，進一步藉由該影像處理單元40之軟體設計，可規劃出一供移動裝置2避開各障礙物4而前進移動之有效路線如第3圖中點線箭頭P所示，即進一步對該室內空間建構地圖(mapping)，供移動裝置2循著行進以提昇工作效率。
此外，以該繞射光學元件20所產生結構光21之雷射圖案(laser pattern)而言，若能包含一橫向基準線22及兩條或以上之橫向計算線23，則該橫向計算線23越多，越有利於用以判斷並取得各立體障礙物4a、4b 在該移動裝置2之前進路徑3中的相對位置、距離、及其高度或形狀。
在本發明之實施例中，該影像處理單元40包含微控制器(MCU，Microcontroller Unit)或中央處理器(CPU，Central Processing Unit)，用以負責及控制該雷射光源10、該至少一鏡頭30之間的訊號連結及運算功能，如進行偵測並計算各立體障礙物4a、4b之座標位置及距離，藉以達成本發明之路徑偵測系統1的使用功能。
此外，參考第2、4圖所示，該橫向基準線22與該至少一橫向計算線23(23a、23b)，係以相互平行的直線為最佳，但非用以限制本發明，如在第4圖中，該橫向基準線22與該至少一橫向計算線23(23a、23b)也可設計為相互平行的弧形線(未圖示)。
本發明更提供一種藉繞射光學元件產生雷射圖案之路徑偵測方法，其包含下列步驟：
步驟(1)：在一移動裝置2上安裝一本發明之路徑偵測系統1，供用以偵測該移動裝置2在其前進路徑(區域)3中的障礙物4位置，該路徑偵測系統1包含：一雷射光源10用以向外投射雷射光束；一繞射光學元件(DOE)20配置在該雷射光源10之前，用以使該雷射光源10得通過該繞射光學元件20以向該移動裝置2之前進路徑3投射一結構光21；至少一鏡頭30，其中各鏡頭30係以一固定夾角來擷取該結構光21在投射至該移動裝置2之前進路徑3時的反射影像，且各鏡頭30之設置位置與該雷射光源10之設置位置之間的高度差H是被預先設定；及一影像處理單元40其能根據該至少一鏡頭30所擷取該結構光21之影像資料進行比對及計算。
步驟(2)：使該結構光21設定包含一橫向基準線22及至少一 橫向計算線23，其中該橫向基準線22及該至少一橫向計算線23相對於該移動裝置2之前進方向F是形成交叉狀態，並使該橫向基準線22及各橫向計算線23相對於該移動裝置2之前進方向F具有不同的投射角。
步驟(3)：使該橫向基準線22之投射位置設定最靠近該移動裝置2，且使該橫向基準線22相對於該移動裝置2之位置及其與該移動裝置2之間的距離D被預先設定。
步驟(4)：當該移動裝置2前方且在該距離D以外之前進路徑3中存在至少一障礙物4時，投射在各障礙物4之各橫向計算線23會隨著各立體障礙物4之遠近及外部形狀而產生變化，則該至少一鏡頭30所擷取到各橫向計算線23的影像也同時會產生變化，此時該影像處理單元40即能根據各橫向計算線23的影像變化相對於該橫向基準線22之X、Y軸向之位置及距離來進行比對及計算，藉以判斷並取得各障礙物4在該移動裝置2之前進路徑3中的相對位置及距離，用以使該移動裝置2在朝其前進方向F移動時能避開各障礙物4。
至於本發明之路徑偵測系統1(如第1圖至第3圖所示)的系統功能或基本作動流程等相關設計技術，本領域技術人員利用目前電子技術即能完成，故在此不再贅述。
以上所述僅為本發明的優選實施例，對本發明而言僅是說明性的，而非限制性的；本領域普通技術人員理解，在本發明權利要求所限定的精神和範圍內可對其進行許多改變，修改，甚至等效變更，但都將落入本發明的保護範圍內。

Claims (6)

  1. 一種藉繞射光學元件產生雷射圖案之路徑偵測系統，其係安裝在一移動裝置上用以偵測阻礙在該移動裝置之前進路徑中的障礙物，其包含：一雷射光源用以向外投射雷射光束；一繞射光學元件(DOE)，其係配置在該雷射光源之前，用以使該雷射光源得通過該繞射光學元件以向該移動裝置2之前進路徑投射一結構光；至少一鏡頭，其中各鏡頭係以一固定夾角來擷取該結構光在投射至該移動裝置之前進路徑中的反射影像，且各鏡頭之設置位置與該雷射光源之設置位置之間的高度差H是被預先設定；及一影像處理單元，其能根據該至少一鏡頭所擷取該結構光之影像資料進行比對及計算；其中藉該繞射光學元件所產生該結構光之雷射圖案係包含一橫向基準線及至少一橫向計算線，其中該橫向基準線及該至少一橫向計算線相對於該移動裝置之前進方向是形成交叉狀態，且該橫向基準線及各橫向計算線相對於該移動裝置之前進方向具有不同的投射角；其中該橫向基準線之投射位置是最靠近該移動裝置，且該橫向基準線相對於該移動裝置之位置及其與該移動裝置之間的距離D是被預先設定；其中當該移動裝置在該距離D外之前進路徑中存有至少一障礙物時，投射在各障礙物之各橫向計算線會隨著各障礙物之遠近及外部形狀而產生變化，則該至少一鏡頭所擷取到各橫向計算線的影像也同時會產生變化，此時該影像處理單元即能根據各橫向計算線的影像變化相對於該橫 向基準線之X、Y軸向之位置及距離來進行比對及計算，藉以判斷並取得各障礙物在該移動裝置之前進路徑中的相對位置及距離，使該移動裝置在前進移動時能避開各障礙物。
  2. 如請求項1所述之路徑偵測系統，其中該雷射光源所發出之雷射光束係包含可見雷射光或不可見雷射光，其中該不可見雷射光係包含紅外線雷射光。
  3. 如請求項1所述之路徑偵測系統，其中該偵測系統係包含一鏡頭，且該鏡頭係設在該雷射光源之上方位置或下方位置，且該鏡頭與該雷射光源之間存在一夾角。
  4. 如請求項1所述之路徑偵測系統，其中該橫向基準線與該至少一橫向計算線係包含相互平行的直線或弧形線。
  5. 如請求項1所述之路徑偵測系統，其中該移動裝置係包含可行進移動機器人、可行進移動自動機器，其中該可行進移動自動機器包含自動吸塵器(clean robot)。
  6. 一種藉繞射光學元件產生雷射圖案之路徑偵測方法，包含下列步驟：在一移動裝置上安裝一如請求項1至5中任一項所述之路徑偵測系統，供用以偵測該移動裝置在其前進路徑中的障礙物4位置，該路徑偵測系統包含：一雷射光源用以向外投射雷射光束；一繞射光學元件(DOE)配置在該雷射光源之前用以使該雷射光源得通過該繞射光學元件以向該移動裝置之前進路徑投射一結構光；至少一鏡頭，其中各鏡頭係以一固定夾角來擷取該結構光在投射至該移動裝置之前進路徑時的反射影像，且各鏡頭之設置位置與該雷射光源之設置位置之間的高度差H是被預先 設定；及一影像處理單元其能根據該至少一鏡頭所擷取該結構光之影像資料進行比對及計算；使該結構光設定包含一橫向基準線及至少一橫向計算線，其中該橫向基準線及該至少一橫向計算線相對於該移動裝置之前進方向是形成交叉狀態，並使該橫向基準線及各橫向計算線相對於該移動裝置之前進方向具有不同的投射角；使該橫向基準線之投射位置設定最靠近該移動裝置，且使該橫向基準線相對於該移動裝置之位置及其與該移動裝置之間的距離D被預先設定；當該移動裝置前方且在該距離D以外之前進路徑中存在至少一障礙物時，投射在各障礙物之各橫向計算線會隨著各立體障礙物之遠近及外部形狀而產生變化，則該至少一鏡頭所擷取到各橫向計算線的影像也同時會產生變化，此時該影像處理單元即能根據各橫向計算線的影像變化相對於該橫向基準線之X、Y軸向之位置及距離來進行比對及計算，藉以判斷並取得各障礙物在該移動裝置之前進路徑中的相對位置及距離，用以使該移動裝置在朝其前進方向F移動時能避開各障礙物。
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