TWI662289B - 追蹤測距系統及其方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種追蹤測距系統，包括：一熱源感測器，用以擷取一熱源影像；一控制器，分析熱源影像，以從熱源影像所顯示的熱源中辨識出一主要熱源，並且取得主要熱源與熱源影像的中心點兩者間的偏移距離；一測距裝置，耦接控制器；一傳動裝置，承載測距裝置且耦接控制器；控制器依據偏移距離，控制傳動裝置的動作，以修正測距裝置與主要熱源所對應之物體兩者間的偏移角度，以及在修正偏移角度後，測距裝置透過發射一能量及接收一反射能量，而對物體偵測一第一距離。

Description

追蹤測距系統及其方法
本發明是有關於一種測距裝置，特別是有關於具有追蹤功能的測距裝置及其方法。
目前市面上的機器人、無人飛機等機器裝置在與人類互動時，大多以三維攝影機(3D camera)持續拍攝人類，並透過高效能的處理器運算平台，計算出與人類的位置與距離，以做後續的應用。
然而，利用三維攝影機持續拍攝往往需要大量的運算過程以及消耗較多的電力，以至於需要更大的電池容量，且機器裝置的體積也跟著無法縮小，其承載的馬達也因此需要推動更重的負載。因此，如何有效克服上述難題並減少機器對運算效能的依賴，成為一重要的課題。
本發明提供一種利用熱源感測器追蹤熱源物體的測距系統及其方法。
本發明之一實施例揭露一種追蹤測距系統，包括：一熱源感測器，用以擷取一熱源影像；一控制器，分析熱源影像，以從熱源影像所顯示的熱源中辨識出一主要熱源，並 且取得主要熱源與熱源影像的中心點兩者間的偏移距離；一測距裝置，耦接控制器；一傳動裝置，承載測距裝置且耦接控制器；控制器依據偏移距離，控制傳動裝置的動作，以修正測距裝置與主要熱源所對應之物體兩者間的偏移角度，以及在修正偏移角度後，測距裝置透過發射一能量及接收一反射能量，而對物體偵測一第一距離。
本發明亦揭露一種追蹤測距方法，適用於包括一熱源感測器、一控制器、一測距裝置及一傳動裝置的追蹤測距系統，傳動裝置承載該測距裝置，追蹤測距方法包括：藉由熱源感測器，擷取一熱源影像；藉由控制器，分析熱源影像，以從熱源影像所顯示的熱源中辨識出一主要熱源，並且取得主要熱源與熱源影像的中心點兩者間的偏移距離；藉由控制器依據偏移距離，控制傳動裝置的動作，以修正測距裝置與主要熱源所對應之物體兩者間的偏移角度；以及在修正偏移角度後，藉由測距裝置發射一能量及接收一反射能量，而對物體偵測一第一距離。
100、200‧‧‧追蹤測距系統
101、201‧‧‧熱源感測器
102、202‧‧‧控制器
103‧‧‧測距裝置
104‧‧‧傳動裝置
105‧‧‧外部主機
203‧‧‧超音波發射器
204‧‧‧超音波接收器
205‧‧‧PCB電路板
206‧‧‧步進馬達
207‧‧‧轉軸
501、502、503、504、505、506、507、508、509‧‧‧步驟
第1圖係依據本發明第一實施例之追蹤測距系統的方塊圖；第2圖係依據本發明一實施例之追蹤測距系統的示意圖；第3圖係依據本發明第一實施例之控制器將熱源影像內插補點的示意圖；第4A、4B圖係依據本發明第一實施例之控制器取得主要熱源的示意圖； 第5圖係依據本發明第一實施例之追蹤測距方法流程圖。
為使本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
必須了解的是，以下之揭露提供一或多實施例或範例，用以實現本發明之不同特徵。以下揭露之特定的範例之元件以及安排係用以簡化本發明，當然，並非用以限定於這些範例。另外，圖式中的特徵並非按照比例繪製，僅用於解釋說明之目的。
第1圖係依據本發明第一實施例之追蹤測距系統100的方塊圖。追蹤測距系統100包括熱源感測器101、控制器102、測距裝置103以及傳動裝置104。追蹤測距系統100可以另與外部主機105耦接，用以接收來自外部主機105的偵測距離指令，並將所偵測的距離資訊回傳給外部主機105。其中，追蹤測距系統100可透過有線或無線的方式與外部主機105耦接，本發明不限於此。
熱源感測器101可以是紅外線感測器、紅外線攝影機、熱感測器等，用以擷取一熱源影像。控制器102可以是微控制器(microcontroller unit，MCU)、特殊應用積體電路(Application-Specific Integrated Circuit，ASIC)等晶片，用以分析熱源影像，從熱源影像所顯示的熱源中辨識出一主要熱源，並且取得主要熱源與熱源影像的中心點兩者間的偏移距離。控制器102依據偏移距離，控制傳動裝置104的動作，以修 正測距裝置103與主要熱源所對應之物體兩者間的偏移角度，以及在修正偏移角度後，控制器102透過測距裝置103對該物體偵測第一距離。
測距裝置103可以是超音波測距裝置、雷射測距裝置等，本發明不限於此。測距裝置103透過發射一能量及接收一反射能量，而對該物體偵測第一距離。在本實施例中，測距裝置103包括一超音波發射器(例如：喇叭)及一超音波接收器(例如：麥克風)，並耦接控制器102。測距裝置103藉由超音波發射器發射一超音波訊號以及超音波接收器接收該超音波訊號，用以偵測該第一距離。其中，測距裝置103可以發出固定頻率的超音波訊號，例如：40kHz、56kHz、60kHz等頻率，且控制器102控制超音波發射器持續發出101010的超音波信號，超音波信號經由障礙物反射後，再由超音波接收器接收該固定頻率的超音波信號。
傳動裝置104可以是步進馬達、機械手臂等，承載測距裝置103及熱源感測器101且耦接控制器102，透過控制器102控制而移動或轉動測距裝置103及熱源感測器101，進而達到追蹤熱源物體的效果。在本實施例中，傳動裝置104是一步進馬達，然本發明不限於此。
第2圖係依據本發明一實施例之追蹤測距系統200的示意圖。第2圖的追蹤測距系統200係基於第1圖的追蹤測距系統100的一種實施態樣。追蹤測距系統200的熱源感測器201、控制器202及測距裝置可設置在同一個PCB電路板205上。其中，測距裝置包括超音波發射器203及超音波接收器 204。熱源感測器201設置在超音波發射器203及超音波接收器204之中間位置，用以降低熱源感測器201所擷取的熱源影像與測距裝置之間的誤差。傳動裝置可以是步進馬達206，透過轉軸207而承接PCB電路板205，使PCB電路板205得以360度轉動。透過控制器202控制步進馬達206的轉動進而追蹤熱源物體。追蹤測距系統200可以另與外部主機(圖未繪示)耦接，得以接收指令並回傳與熱源物體的距離。控制器202追蹤熱源物體並偵測距離的詳細方法將於後說明。
參考第3圖。第3圖係依據本發明第一實施例之控制器102將熱源影像內插補點的示意圖。在本實施例中，熱源感測器101所擷取到的原始熱源影像為8x8解析度(即具有64個像素)的二維影像。如第3圖的左圖所示，圖中1至64代表8x8解析度的熱源影像的每一像素編號，可分別擷取代表溫度高低的亮度值。其中，亮度值可以是0至255的灰階值，本發明不限於此。
首先，控制器102將該原始熱源影像進行內插補點(interpolate)，使解析度由8x8增加為15x15(即具有225個像素)。詳細說明如下，如第3圖右圖的方框所示，內插補點的作法為藉由已知的第7、8、15、16像素編號的亮度值，計算出未知的A、B、C、D、E像素的亮度值。舉例來說，A像素的亮度值等於第7像素編號的亮度值加上第8像素編號的亮度值再除以2。B像素的亮度值等於第7像素編號的亮度值加上第15像素編號的亮度值再除以2。C像素的亮度值等於第8像素編號的亮度值加上第16像素編號的亮度值再除以2。D像素的亮度值等於 第15像素編號的亮度值加上第16像素編號的亮度值再除以2。而最後，E像素的亮度值等於A像素的亮度值加上B像素的亮度值加上C像素的亮度值加上D像素的亮度值再除以4。上述內插補點的計算方法為示例性，並非用以限定本發明。因此，經由上述內插補點，控制器102取得具有15x15解析度的熱源影像，以進行後續影像處理。
參考第4A、4B圖，第4A、4B圖係依據本發明第一實施例之控制器102取得主要熱源的示意圖。控制器102取得15x15解析度的熱源影像後，先將該熱源影像進行去雜訊，舉例來說，熱源影像中只保留各像素的亮度值大於或等於門檻值的像素，而保留的像素以全白顯示，藉此取得至少一熱源區塊。該門檻值可以例如是128的亮度值，但不限於此。如第4A圖所示，顯示去雜訊化後的複數個熱源區塊。接著，控制器102僅留下一具有最大面積的熱源區塊作為主要熱源。如第4B圖所示，僅留下最大面積的熱源區塊，其餘熱源區塊予以刪除。至此，控制器102從熱源影像所顯示的熱源中辨識出所需要的主要熱源。其中，該主要熱源所對應的物體可以是與追蹤測距系統100互動的一使用者或一待測者。
接著，控制器102計算主要熱源與熱源影像的中心點兩者間的偏移距離。詳細而言，控制器102取得主要熱源的一中心位置，以計算該中心位置與該熱源影像的中心點兩者間的偏移距離。其中，主要熱源的中心位置可以是最接近該主要熱源區塊的重心位置。如第4B圖所示，15x15解析度的熱源影像的中心點位於座標A(8，8)的位置，而主要熱源的中心位置 位於座標B(X，Y)的位置。在本實施例中，傳動裝置104為步進馬達，僅可在水平軸(即X軸)上提供轉動。因此，控制器102計算主要熱源的中心位置與熱源影像中心點在水平軸上的偏移距離，亦即，計算座標A與座標B在X軸上的偏移距離。控制器102再將該偏移距離代入步進馬達的轉動角度表，將該偏移距離轉換為偏移角度，控制步進馬達依據該偏移角度轉動測距裝置103，使測距裝置103對準主要熱源所對應之物體(即上述的使用者或待測者)。
在本實施例中，測距裝置103由超音波發射器及超音波接收器構成，因此，透過步進馬達轉動測距裝置103使得主要熱源所對應之物體保持在超音波發射器及超音波接收器的中間位置。值得注意的是，在其他的實施例中，若傳動裝置104為機械手臂或其他可在二維或三維空間任意移動的裝置，則控制器102可計算主要熱源的中心位置與熱源影像中心點之間在二維上的偏移距離，亦即，計算座標A與座標B在X軸與Y軸上的偏移距離，並代入傳動裝置104的轉動角度表並修正測距裝置103與主要熱源所對應之物體兩者間的偏移角度，使測距裝置103更準確地保持在主要熱源所對應之物體的正中心。
進一步地，在測距裝置103對準主要熱源所對應之物體後，控制器102控制超音波發射器發射固定頻率的超音波，並開始計時。在一預設時間內(例如：5秒)，控制器102等待有無超音波回傳，若無超音波回傳，則控制器102重新取得熱源影像以進行對主要熱源所對應之物體的校正。若有超音波回傳，控制器102藉由內部的放大器(OP amplifier)將接收到的 超音波進行訊號放大，在經由比較器(comparator)與一預設電壓進行比較，以判斷接收到的超音波訊號是否大於預設電壓。預設電壓可以是0.9伏特，然本發明不限於此。若接收的超音波訊號小於預設電壓，則判定為無效的訊號；若大於或等於預設電壓，則控制器102停止計時，將所計時的時間乘以音速(例如：約每秒340公尺)再除以2，以得到主要熱源所對應之物體與追蹤測距系統100之間的第一距離。
接下來，為了因應主要熱源所對應之物體隨時可能會移動，追蹤測距系統100必須具有追蹤物體的功能。因此，在測距裝置103偵測第一距離後，控制器102重新分析一更新的熱源影像，並依據更新的熱源影像依上述方式修正測距裝置103與主要熱源所對應之物體的偏移角度。
接著，控制器102控制測距裝置103對該物體再次偵測第二距離。控制器102計算第一距離與第二距離之間的一差值，判斷該差值是否大於一預設值。該預設值可以例如是10公分，但不限於此。當該差值小於或等於該預設值時，控制器102將所偵測的第二距離回報給外部主機，並結束偵測距離的流程。當該差值大於該預設值時，控制器102重新分析另一更新的熱源影像以取得另一偏移角度，控制傳動裝置104依據另一偏移角度的二分之一角度轉動測距裝置103。並偵測一第三距離，控制器102再次判斷第三距離與前一次偵測的第二距離之間的差值是否小於該預設值，當該差值仍大於該預設值時，表示主要熱源所對應之物體持續移動中。控制器102重新取得另一偏移角度，並控制傳動裝置104依據另一偏移角度的四分 之一角度轉動測距裝置103。相似地，若偵測的最新距離與前次的距離仍大於該預設值，則控制器102控制傳動裝置104依據另一更新後的偏移角度的八分之一角度轉動測距裝置103。上述轉動角度變為二分之一、四分之一及八分之一的用意在於，避免追蹤測距系統100無目的地追蹤持續移動中的物體而損耗。
參考第5圖，第5圖係依據本發明第一實施例之追蹤測距方法流程圖。該追蹤測距方法係適用於包括一熱源感測器101、一控制器102、一測距裝置103及一傳動裝置104的追蹤測距系統100，其中傳動裝置104承載測距裝置103及熱源感測器101。追蹤測距系統100另外與外部主機105耦接，以接收偵測距離指令並回傳距離資訊。配合參考本發明第一實施例之第1圖，追蹤測距方法開始於步驟501，追蹤測距系統100開機。在步驟502中，控制器102判斷是否從外部主機105接收一測距指令，若無，則繼續等待，若有，則進入步驟503。在步驟503中，藉由熱源感測器101，擷取一熱源影像。
在步驟504中，藉由控制器102，分析熱源影像，以從熱源影像所顯示的熱源中辨識出一主要熱源，並且取得主要熱源與熱源影像的中心點兩者間的偏移距離。控制器102依據偏移距離，控制傳動裝置104的動作，以修正測距裝置103與主要熱源所對應之物體兩者間的偏移角度。
接著，進入步驟505，藉由測距裝置103發射一能量及接收一反射能量，而對物體偵測一第一距離。
接著，步驟506中，在測距裝置103偵測第一距離 後，重複步驟503至步驟506。藉由控制器102重新分析一更新的熱源影像，依據更新的熱源影像修正測距裝置103與該物體的偏移角度。藉由測距裝置103對該物體偵測一第二距離。控制器102計算第一距離與第二距離之間的一差值。進入步驟507，控制器102判斷該差值是否大於一預設值，若該差值大於該預設值，則回到步驟503，重複上述步驟，再次偵測最新的距離，判斷最新的距離與前次偵測的距離的差值是否大於該預設值。若若該差值小於或等於該預設值，則進入步驟508，控制器102將該第二距離回傳給外部主機105。追蹤測距方法結束於步驟509。
此外，值得注意的是，在步驟504中，藉由控制器102分析熱源影像係先將熱源影像進行內插補點，留下一具有最大面積的熱源區塊作為主要熱源。接著控制器102取得主要熱源的一中心位置，以計算中心位置與熱源影像的中心點兩者間的偏移距離。以及，藉由控制器102將偏移距離轉換為偏移角度，控制傳動裝置104依據偏移角度轉動測距裝置103，使測距裝置103對準主要熱源所對應之物體。
更進一步地，在步驟507中，當差值大於預設值時，追蹤測距方法回到步驟503，控制器102重新分析另一更新的熱源影像以取得另一偏移角度，控制該傳動裝置104依據該另一偏移角度的二分之一角度轉動測距裝置103。依此類推，若在步驟507控制器102判斷差值仍大於預設值時，在取得另一更新的偏移角度後，傳動裝置104依據該更新的偏移角度的四分之一角度或八分之一角度轉動測距裝置103，以避免追蹤測 距系統100無目的地追蹤持續移動中的物體而損耗。
綜上所述，本發明提供了新穎的追蹤測距系統及其方法，利於與人類互動。本發明在測距裝置加上熱源感測器，藉由熱源感測器取得一物體的熱源影像，再由控制器分析熱源影像後取得偏移角度，並驅動傳動裝置將該物體保持在測距裝置的中間位置，再透過測距裝置偵測與該物體的距離資訊。本發明的追蹤測距系統及其方法可有效減少對機器運算效能的依賴，進而達到節省成本及省電節能的效果。
此外，雖然第5圖的方法流程圖採用指定的順序來執行，但是在不違法發明精神的情況下，熟習此技藝人士可以在達到相同效果的前提下，修改這些步驟間的順序。所以，本發明並不侷限於僅使用如上所述的順序。此外，熟習此技藝人士亦可以將若干步驟整合為一個步驟，或者是除了這些步驟外，循序或平行地執行更多步驟，本發明亦不因此而侷限。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾，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。

Claims (8)

  1. 一種追蹤測距系統，包括：一熱源感測器，用以擷取一熱源影像；一控制器，分析該熱源影像，以從該熱源影像所顯示的熱源中辨識出一主要熱源，並且取得該主要熱源與該熱源影像的中心點兩者間的偏移距離；一測距裝置，耦接該控制器；一傳動裝置，承載該測距裝置且耦接該控制器；該控制器依據該偏移距離，控制該傳動裝置的動作，以修正該測距裝置與該主要熱源所對應之物體兩者間的偏移角度，以及在修正該偏移角度後，該測距裝置透過發射一能量及接收一反射能量，而對該物體偵測一第一距離；其中該控制器將該熱源影像進行內插補點後，留下一具有最大面積的熱源區塊作為該主要熱源；該控制器取得該主要熱源的一中心位置，以計算該中心位置與該熱源影像的該中心點兩者間的該偏移距離。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的追蹤測距系統，其中該測距裝置係藉由一超音波發射器發射一超音波訊號以及一超音波接收器接收該超音波訊號，用以偵測該第一距離。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述的追蹤測距系統，其中該傳動裝置承載該熱源感測器；以及該控制器將該偏移距離轉換為該偏移角度，控制該傳動裝置依據該偏移角度轉動該測距裝置，使該測距裝置對準該主要熱源所對應之該物體。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的追蹤測距系統，其中在該測距裝置偵測該第一距離後，該控制器重新分析一更新的熱源影像，依據該更新的熱源影像修正該測距裝置與該物體的該偏移角度；該測距裝置對該物體偵測一第二距離。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的追蹤測距系統，其中該控制器計算該第一距離與該第二距離之間的一差值，判斷該差值是否大於一預設值；當該差值大於該預設值時，該控制器重新分析另一更新的熱源影像以取得另一偏移角度，控制該傳動裝置依據該另一偏移角度的二分之一角度轉動該測距裝置。
  6. 一種追蹤測距方法，適用於包括一熱源感測器、一控制器、一測距裝置及一傳動裝置的追蹤測距系統，該傳動裝置承載該測距裝置，該方法包括：藉由該熱源感測器，擷取一熱源影像；藉由該控制器，分析該熱源影像，以從該熱源影像所顯示的熱源中辨識出一主要熱源，並且取得該主要熱源與該熱源影像的中心點兩者間的偏移距離；藉由該控制器依據該偏移距離，控制該傳動裝置的動作，以修正該測距裝置與該主要熱源所對應之物體兩者間的偏移角度；以及在修正該偏移角度後，藉由該測距裝置發射一能量及接收一反射能量，而對該物體偵測一第一距離；其中藉由該控制器將該熱源影像進行內插補點後，留下一具有最大面積的熱源區塊作為該主要熱源；取得該主要熱源的一中心位置，以計算該中心位置與該熱源影像的該中心點兩者間的該偏移距離。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的追蹤測距方法，其中該傳動裝置承載該熱源感測器；以及藉由該控制器將該偏移距離轉換為該偏移角度，控制該傳動裝置依據該偏移角度轉動該測距裝置，使該測距裝置對準該主要熱源所對應之該物體。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的追蹤測距方法，其中在該測距裝置偵測該第一距離後，藉由該控制器重新分析一更新的熱源影像，依據該更新的熱源影像修正該測距裝置與該物體的該偏移角度；該測距裝置對該物體偵測一第二距離；以及計算該第一距離與該第二距離之間的一差值，判斷該差值是否大於一預設值；當該差值大於該預設值時，重新分析另一更新的熱源影像以取得另一偏移角度，控制該傳動裝置依據該另一偏移角度的二分之一角度轉動該測距裝置。
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