TWI646345B - 超音波測距裝置、系統和方法 - Google Patents

超音波測距裝置、系統和方法 Download PDF

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劉建宏
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Abstract

本發明提供了一種超音波測距裝置。上述超音波測距裝置可包括一超音波傳送器、一超音波接收器、一光感測器以及一處理器。超音波傳送器可發送一超音波信號。超音波接收器可接收上述超音波信號碰到障礙物反射之一反射信號。光感測器可接收來自一外部光源裝置之一光源資料。處理器耦接光感測器，以從上述光感測器取得上述光源資料。此外，處理器根據上述光源資料作時間校正，以及在時間校正後，根據其所對應之一條碼資訊，決定上述超音波傳送器發送上述超音波信號之一時間區間。

Description

超音波測距裝置、系統和方法
本發明說明書主要係有關於一超音波測距技術，特別係有關於藉由一光源資料先對複數超音波測距裝置作時間校正，再進行超音波測距之超音波測距技術。
隨著科技的發展，超音波被廣泛的應用在不同的領域上，例如，距離的量測、醫療、魚群探測、倒車雷達等。
超音波測距主要係利用超音波測距裝置發射超音波，以及接收超音波碰到障礙物所反射之信號，以計算距離。然而，當複數電子裝置之超音波測距裝置需要一起進行超音波測距時，例如：複數台無人機需要一起進行表演時，複數電子裝置之超音波信號可能會彼此互相干擾，因而發生碰撞。
有鑑於上述先前技術之問題，本發明提供了藉由一光源資料先對複數超音波測距裝置作時間校正，再進行超音波測距之超音波測距裝置、系統和方法。
根據本發明之一實施例提供了一種超音波測 距裝置。上述超音波測距裝置可包括一超音波傳送器、一超音波接收器、一光感測器以及一處理器。超音波傳送器可發送一超音波信號。超音波接收器可接收上述超音波信號碰到障礙物反射之一反射信號。光感測器可接收來自一外部光源裝置之一光源資料。處理器耦接光感測器，以從上述光感測器取得上述光源資料。此外，處理器根據上述光源資料作時間校正，以及在時間校正後，根據其所對應之一條碼資訊，決定上述超音波傳送器發送上述超音波信號之一時間區間。
根據本發明之一實施例提供了一種超音波測距系統。上述超音波測距系統包括一外部光源裝置，以及複數電子裝置。外部光源裝置會產生一光源資料。每一電子裝置包括一超音波測距裝置。超音波測距裝置可包括一超音波傳送器、一超音波接收器、一光感測器以及一處理器。超音波傳送器可發送一超音波信號。超音波接收器可接收上述超音波信號碰到障礙物反射之一反射信號。光感測器可接收來自一外部光源裝置之一光源資料。處理器耦接光感測器，以從上述光感測器取得上述光源資料。此外，處理器根據上述光源資料作時間校正，以及在時間校正後，根據其所對應之一條碼資訊，決定上述超音波傳送器發送上述超音波信號之一時間區間。此外，每一電子裝置之超音波測距裝置會對應不同條碼資訊和時間區間。
根據本發明之一實施例提供了一種超音波測距方法。上述超音波測距方法適用一超音波測距裝置。上 述超音波測距方法包括：接收來自一外部光源裝置之一光源資料；根據上述光源資料作時間校正；根據上述超音波測距裝置之一處理器所對應之一條碼資訊，決定上述超音波測距裝置之一超音波傳送器發送一超音波信號之一時間區間；以及當從一控制裝置接收一控制信號時，在上述時間區間執行超音波測距。
關於本發明其他附加的特徵與優點，此領域之熟習技術人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可根據本案實施方法中所揭露之執行超音波測距系統和方法，做些許的更動與潤飾而得到。
100‧‧‧超音波測距系統
110‧‧‧外部光源裝置
120、120-1~120-3‧‧‧複數電子裝置
121‧‧‧超音波測距裝置
122‧‧‧控制裝置
321‧‧‧超音波傳送器
322‧‧‧超音波接收器
323‧‧‧光感測器
324‧‧‧處理器
OP_TRIGER‧‧‧控制信號
OP_ECHO‧‧‧回復信號
500‧‧‧流程圖
第1圖係顯示根據本發明之一實施例所述之超音波測距系統100之方塊圖。
第2圖係顯示根據本發明之一實施例所述之電子裝置120之方塊圖。
第3A圖係顯示根據本發明之一實施例所述之超音波測距裝置121之方塊圖。
第3B圖係顯示根據本發明之一實施例所述之超音波測距裝置121之示意圖。
第4圖係顯示根據本發明之一實施例所述之時間區間之示意圖。
第5A圖係顯示根據本發明之一實施例所述之超音波測 距裝置121之電路圖。
第5B圖係顯示根據本發明之一實施例所述之控制裝置122之電路圖。
第6圖係根據本揭露之一實施例所述之超音波測距方法之流程圖600。
本章節所敘述的是實施本發明之最佳方式，目的在於說明本發明之精神而非用以限定本發明之保護範圍，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。
第1圖係顯示根據本發明之一實施例所述之超音波測距系統100之方塊圖。如第1圖所示，超音波測距系統100中可包括了一外部光源裝置110，以及複數電子裝置120-1~120-3。需注意地是，在第1圖中之方塊圖，僅係為了方便說明本發明之實施例，但本發明並不以此為限。超音波測距系統100亦可包括不同數量之電子裝置。
根據本發明之一實施例，外部光源裝置110可產生一光源資料，並藉由光通訊的方式(例如：藉由紅外線，但本發明不以此為限)將光源資料傳送給電子裝置120-1~120-3。根據本發明之一實施例，光源資料可包含一時間封包。電子裝置120-1~120-3可根據時間封包作時間校正，以使得電子裝置120-1~120-3之內部計時可達成同步。
第2圖係顯示根據本發明之一實施例所述之電子裝置120之方塊圖。電子裝置120可適用第1圖所示之電子裝置120-1~120-3。根據本發明之實施例，電子裝置120可係無人飛機、機器人等不同電子裝置。如第2圖所示，電子裝置120可包括一超音波測距裝置121，以及一控制裝置122。需注意地是，在第2圖中之方塊圖，僅係為了方便說明本發明之實施例，但本發明並不以此為限。電子裝置120亦可包含其它元件。
根據本發明之一實施例，超音波測距裝置121會接收來自外部光源裝置110之光源資料，以進行時間校正。此外，超音波測距裝置121會接收控制裝置122所傳送之控制信號，並根據控制裝置122所傳送之控制訊號進行超音波測距。底下將會以第3圖作說明。
第3A圖係顯示根據本發明之一實施例所述之超音波測距裝置121之方塊圖。如第3A圖所示，超音波測距裝置121可包括一超音波傳送器321、一超音波接收器322、一光感測器323，以及一處理器324。需注意地是，在第3A圖中之示意圖，僅係為了方便說明本發明之實施例，但本發明並不以此為限。第3B圖則係顯示根據本發明之一實施例所述之超音波測距裝置121之示意圖。
根據本發明之一實施例，超音波傳送器321可用來發送超音波信號，以及超音波接收器322可用來接收超音波傳送器321所發送之超音波信號碰到障礙物後所反射回來之一反射信號。根據本發明之一實施例，光感測器 323可係一紅外線感測器，但本發明不以此為限。根據本發明之一實施例，處理器324可係一微控制器單元(microcontroller unit，MCU)。
根據本發明之一實施例，當有複數電子裝置120(例如：電子裝置120-1~120-3)需要一起執行任務時(也就是要同時執行複數電子裝置120之超音波測距時)，外部光源裝置110會產生一光源資料，並藉由光通訊的方式將光源資料傳送給每一電子裝置120。
每一電子裝置120之光感測器323接收到光源資料後，會將光源資料從光通訊信號轉換成電壓信號，並將轉換後之光源資料傳送給處理器324。處理器324會根據光源資料所包含之時間封包進行時間校正。經過時間校正後，每一電子裝置120之處理器324之內部計時將可達成同步。此外，當時間校正後，處理器324會根據其所對應之一條碼資訊，決定超音波傳送器321發送超音波信號之一時間區間。條碼資訊係工廠在生產每一超音波測距裝置121時，會貼在每一超音波測距裝置121之一組條碼(bar code)。此組條碼會掃描並寫入處理器324之韌體中。因此，每一電子裝置120之超音波傳送器321會具有不同的條碼資訊。當處理器324要根據其所對應之一條碼資訊，決定超音波傳送器321發送超音波信號之一時間區間時，處理器324會讀取其韌體所儲存之條碼資訊，以決定超音波傳送器321發送超音波信號之時間區間。由於每一電子裝置120之超音波傳送器321會具有不同的條碼資訊，因此， 每一電子裝置120之超音波測距裝置121將會在不同的時間區間進行超音波測距。底下將會以第4圖所示之時間區間為例來作說明。
第4圖係顯示根據本發明之一實施例所述之時間區間之示意圖。如第4圖所示，若以10毫秒(ms)為一時間區間之單位，1秒鐘將可被分成100個時間區間。若電子裝置120-1之超音波測距裝置121之處理器324所對應之條碼資訊係20071026XXX01，電子裝置120-1之處理器324會根據其條碼資訊之最後兩碼判斷，電子裝置120-1之超音波測距裝置121係在時間區間1(0~10ms)進行超音波測距。若電子裝置120-2之超音波測距裝置121之處理器324所對應之條碼資訊係20071026XXX02，電子裝置120-2之處理器324會根據其條碼資訊之最後兩碼判斷，電子裝置120-1之超音波測距裝置121係在時間區間2(11~20ms)進行超音波測距。若電子裝置120-3之超音波測距裝置121之處理器324所對應之條碼資訊係20071026XXX05，電子裝置120-3之處理器324會根據其條碼資訊之最後兩碼判斷，電子裝置120-1之超音波測距裝置121係在時間區間5(41~50ms)進行超音波測距。需注意地是，此範例僅係本發明之一實施例，但本發明並不以此為限。在其他實施例中，亦可以不同時間長度作為一時間區間之單位。
當每一電子裝置時間校正後，就會等待控制裝置122所發送之控制信號。當每一電子裝置120之處理器 324在收到控制裝置122所傳送之控制信號後，處理器324就會指示超音波傳送器321在對應之時間區間發送一固定頻率之超音波信號(例如：40KHz之10101010信號，但本發明不以此為限)，以進行超音波測距。當超音波接收器322接收到超音波傳送器321所發送之超音波信號碰到障礙物後所反射回來之反射信號後，超音波接收器322會將反射信號轉換成電壓信號，再傳送給處理器324。處理器324會根據超音波來回之時間，計算出一距離值(即(超音波來回之時間*音速)/2)，並根據此距離值回傳一回復信號給控制裝置122。
根據本發明一實施例，當超音波傳送器321發送超音波後，處理器324會開始計時。若在一單位時間(例如：5ms)內超音波接收器322沒有接收到反射信號，處理器324，就會重新開始等待控制裝置122發送新的控制信號。
根據本發明一實施例，當處理器324從超音波接收器322接收到反射信號(已藉由超音波接收器322轉換成電壓信號)後，會先經由一運算放大器(Operational Amplifier)(圖未顯示)將接收到之信號放大，再經由一比較器(圖未顯示)比較放大之信號之電壓值是否超過一臨界值。若放大之信號之電壓值超過一臨界值，處理器324會根據超音波來回之時間，計算出一距離值，並根據此距離值回傳一回復信號給控制裝置122。若放大之信號之電壓值未超過一臨界值，處理器324，就會重新開始等待控制裝置 122發送新的控制信號。
第5A圖係顯示根據本發明之一實施例所述之超音波測距裝置121之電路圖。第5B圖係顯示根據本發明之一實施例所述之控制裝置122之電路圖。需注意地是，在第5A-5B圖中之電路圖，僅係為了方便說明本發明之一實施例，但本發明並不以此為限。如第5A-5B圖所示，處理器324之第6腳位會耦接光感測器323，處理器324之第5和7腳位會耦接超音波傳送器321，處理器324之第12腳位會耦接超音波接收器322。此外，處理器324之第3腳位會耦接控制裝置122之第4腳位，處理器324之第9腳位會耦接控制裝置122之第3腳位以及處理器324之第10腳位會耦接控制裝置122之第2腳位。控制裝置122可經由其之第3腳位傳送控制信號OP_TRIGER給處理器324，以通知處理器324進行超音波測距。當處理器324根據超音波來回之時間計算出一距離值後，處理器324會經由其第10腳位傳送一回復信號OP_ECHO，以通知控制裝置122測據之結果。
根據本發明之一實施例，若只有一電子裝置120啟動(也就是不須同時執行複數電子裝置120之超音波測距)時，處理器324就會直接等待控制裝置122所傳送之控制信號來執行超音波測距。
第6圖係根據本揭露之一實施例所述之超音波測距方法之流程圖600。此超音波測距方法可適用本發明之超音波測距系統100以及超音波測距裝置121。在步驟 S610，藉由超音波測距裝置接收來自一外部光源裝置之一光源資料。在步驟S620，藉由超音波測距裝置根據上述光源資料作時間校正。在步驟S630，藉由超音波測距裝置根據其所包含之一處理器所對應之一條碼資訊，決定其所包含之一超音波傳送器發送超音波信號之一時間區間。在步驟S640，當超音波測距裝置從一控制裝置接收一控制信號時，藉由超音波測距裝置在上述時間區間執行超音波測距。
根據本發明一實施例，超音波測距方法更包括藉由超音波測距裝置之處理器根據光源資料所包含之時間封包作時間校正。
根據本發明一實施例，超音波測距方法更包括，當超音波測距裝置之超音波傳送器發送超音波信號後，超音波測距裝置之處理器會開始計時。若在一單位時間(例如：5ms)內超音波測距裝置之超音波接收器沒有接收到反射信號，超音波測距裝置之就會重新開始等待控制裝置發送新的控制信號。
根據本發明一實施例，超音波測距方法更包括，當超音波測距裝置之處理器從超音波接收器所接收到反射信號(已藉由超音波接收器322轉換成電壓信號)後，會先藉由一運算放大器(Operational Amplifier)將接收到之信號放大，再藉由一比較器比較放大之信號之電壓值是否超過一臨界值。若放大之信號之電壓值超過一臨界值，超音波測距裝置會根據超音波來回之時間，計算出一距離值，並 根據此距離值回傳一回復信號給控制裝置。若放大之信號之電壓值未超過一臨界值，超音波測距裝置就會重新開始等待控制裝置發送新的控制信號。
根據本發明之實施例所提出之超音波測距方法，當複數電子裝置需要進行超音波測距時，複數電子裝置可在其對應之時間區間分別來進行超音波測距。因此，將可避免複數電子裝置在同時進行超音波測距時，不同電子裝置之超音波信號彼此相互干擾之問題。此外，根據本發明之實施例所提出之超音波測距方法，亦可降低電子裝置對室內定位或衛星定位之依賴。
在本說明書中以及申請專利範圍中的序號，例如「第一」、「第二」等等，僅係為了方便說明，彼此之間並沒有順序上的先後關係。
本揭露之說明書所揭露之方法和演算法，可直接透過通訊處理裝置經配置以至少一處理器執行，直接應用在硬體以及軟體模組或兩者之結合上。一軟體模組(包括執行指令和相關數據)和其它數據可儲存在數據記憶體中，像是隨機存取記憶體(RAM)、快閃記憶體(flash memory)、唯讀記憶體(ROM)、可抹除可規化唯讀記憶體(EPROM)、電子可抹除可規劃唯讀記憶體(EEPROM)、暫存器、硬碟、可攜式硬碟、光碟唯讀記憶體(CD-ROM)、DVD或在此領域習之技術中任何其它電腦可讀取之儲存媒體格式。一儲存媒體可耦接至一機器裝置，舉例來說，像是電腦/處理器(為了說明之方便，在本說明書以處理器來表示)，上述處 理器可透過儲存媒體來讀取資訊(像是程式碼)，以及寫入資訊至儲存媒體。一儲存媒體可整合一處理器。一特殊應用積體電路(ASIC)可包括處理器和儲存媒體。一用戶設備則可包括一特殊應用積體電路。換句話說，處理器和儲存媒體以不直接連接用戶設備的方式，包括於用戶設備中。此外，在一些實施例中，任何適合電腦程序之產品包括可讀取之儲存媒體，其中可讀取之儲存媒體包括和一或多個所揭露實施例相關之程式碼。在一些實施例中，電腦程序之產品可包括封裝材料。
以上段落使用多種層面描述。顯然的，本文的教示可以多種方式實現，而在範例中揭露之任何特定架構或功能僅為一代表性之狀況。根據本文之教示，任何熟知此技藝之人士應理解在本文揭露之各層面可獨立實作或兩種以上之層面可以合併實作。
雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

  1. 一種超音波測距裝置，包括：一超音波傳送器，發送一超音波信號；一超音波接收器，接收上述超音波信號碰到障礙物反射之一反射信號；一光感測器，接收來自一外部光源裝置之一光源資料；以及一處理器，耦接上述光感測器，以從上述光感測器取得上述光源資料，並根據上述光源資料作時間校正，以及在時間校正後，根據上述處理器所對應之一條碼資訊，決定上述超音波傳送器發送上述超音波信號之一時間區間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之超音波測距裝置，其中上述處理器會從一控制裝置接收一控制信號，以在上述時間區間執行超音波測距。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之超音波測距裝置，其中當上述超音波傳送器發送上述超音波信號後，上述處理器開始計時，以及若在一單位時間內上述超音波接收器沒有接收到一反射信號，上述處理器重新等待上述控制裝置發送新的控制信號。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之超音波測距裝置，其中當上述處理器收到上述反射信號後，上述處理器將上述反射信號放大，且比較放大後之上述反射信號之電壓值是否超過一臨界值。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之超音波測距裝置，其中若放大之上述反射信號之電壓值超過上述臨界值，上述處理器根據超音波來回之時間，計算出一距離值，並根據上述距離值回傳一回復信號給上述控制裝置，以及其中若放大之上述反射信號之電壓值未超過上述臨界值，上述處理器重新等待上述控制裝置發送新的控制信號。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之超音波測距裝置，其中上述光源資料包含一時間封包，且上述處理器根據上述時間封包作時間校正。
  7. 一種超音波測距系統，包括：一外部光源裝置，產生一光源資料；以及複數電子裝置，其中上述每一電子裝置包括一超音波測距裝置，且其中每一上述超音波測距裝置包括：一超音波傳送器，發送一超音波信號；一超音波接收器，接收上述超音波信號碰到障礙物反射之一反射信號；一光感測器，接收上述光源資料；以及一處理器，耦接上述光感測器，以從上述光感測器取得上述光源資料，並根據上述光源資料作時間校正，以及在時間校正後，根據上述處理器所對應之一條碼資訊，決定上述超音波傳送器發送上述超音波信號之一時間區間，其中上述每一上述電子裝置之超音波測距裝置會對應不同條碼資訊和時間區間。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之超音波測距系統，其中上述每一電子裝置更包括：一控制裝置，耦接上述處理器，以及產生一控制信號，以通知每一上述複數超音波測距裝置執行超音波測距。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之超音波測距系統，其中當上述處理器接收到上述控制信號後，上述處理器在上述時間區間執行超音波測距。
  10. 一種超音波測距方法，適用一超音波測距裝置，包括：接收來自一外部光源裝置之一光源資料；根據上述光源資料作時間校正；根據上述超音波測距裝置之一處理器所對應之一條碼資訊，決定上述超音波測距裝置之一超音波傳送器發送一超音波信號之一時間區間；以及當從一控制裝置接收一控制信號時，在上述時間區間執行超音波測距。
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