TWI728770B - 飛行載具及應用其之方向偵測方法 - Google Patents

飛行載具及應用其之方向偵測方法 Download PDF

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TWI728770B
TWI728770B TW109111114A TW109111114A TWI728770B TW I728770 B TWI728770 B TW I728770B TW 109111114 A TW109111114 A TW 109111114A TW 109111114 A TW109111114 A TW 109111114A TW I728770 B TWI728770 B TW I728770B
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Abstract

飛行載具包括本體、第一測距裝置、第二測距裝置及控制器。第一測距裝置配置在本體且用以偵測第一測距裝置與反射體之間的第一距離。第二測距裝置配置在本體且用以偵測第二測距裝置與反射體之間的第二距離。控制器依據第一距離與第二距離，取得本體的方向與反射體之間的角度。

Description

飛行載具及應用其之方向偵測方法
本揭露是有關於一種載具及應用其之方向偵測方法，且特別是有關於一種飛行載具及應用其之方向偵測方法。
習知飛行載具通常會包含攝像器，其可擷取飛行載具前方的環境影像。飛行載具藉由分析環境影像可判斷飛行載具與周遭環境的關係，如是否朝向目標飛行或是否撞擊到障礙物等。然而，當飛行載具所處環境的亮度愈低，所擷取的環境影像愈不清晰，導致判斷結果失準。因此，如何提出一種能改善前述習知問題的技術是本技術領域業者努力的目標之一。
本揭露係有關於一種飛行載具及應用其之方向偵測方法，可改善前述習知問題。
本揭露一實施例提出一種飛行載具。飛行載具包括一本體、一第一測距裝置、一第二測距裝置及一控制器。第一測距裝置配置在本體，且用以偵測第一測距裝置與一反射體之間的一第一距離。第二測距裝置配置在本體，且用以偵測第二測距裝 置與反射體之間的一第二距離。控制器依據第一距離與第二距離，取得本體的一方向與反射體之間的一角度。
本揭露一實施例提出一種方向偵測方法。方向偵測方法包括以下步驟。一飛行載具之一第一測距裝置偵測第一測距裝置與一反射體之間的一第一距離；飛行載具之一第二測距裝置偵測第二測距裝置與反射體之間的一第二距離；以及，飛行載具之控制器依據第一距離與第二距離，取得飛行載具之一本體的一方向與反射體之間的一角度。
為了對本揭露之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
100、200、300:飛行載具
110:本體
120:第一測距裝置
120s:第一訊號發射面
130:第二測距裝置
130s:第二訊號發射面
140:控制器
350:角速度偵測器
A1,A1p:角度
A1’,A1”:夾角
AZ1:縱軸
ABC,abC,A’O1C’:三角形
B1:反射體
D1:方向
H1:第一距離
H2:第二距離
N1:第一法線方向
N2:第二法線方向
P1:第一參考面
P2:第二參考面
S1:第一偵測訊號
S1’:第一反射訊號
S2:第二偵測訊號
S2’:第二反射訊號
S110~S130:步驟
O1:交點
△T1,△T2:時間區間
△H、△Hp:距離差值
△L:距離
α1:第一夾角
α2:第二夾角
α3:第三夾角
第1A圖繪示本揭露一實施例之飛行載具的示意圖。
第1B圖繪示從第1A圖之飛行載具的尾部觀看飛行載具及反射體的示意圖。
第1C圖繪示第1A圖之飛行載具相對反射體的幾何關係圖。
第2A圖繪示本揭露另一實施例之飛行載具的示意圖。
第2B圖繪示從第2A圖之飛行載具的尾部觀看飛行載具及反射體的示意圖。
第2C圖繪示第2A圖之飛行載具相對反射體的幾何關係圖。
第3A圖繪示依照本揭露另一實施例之飛行載具的示意圖。
第3B圖繪示第3A圖之飛行載具所測得的角度與時間的關係 圖。
第4圖繪示第3A圖之飛行載具所測得的第一距離與第二距離的距離差值與時間的關係圖。
第5圖繪示第1A圖之飛行載具的方向偵測方法的流程圖。
請參照第1A及1B圖，第1A圖繪示本揭露一實施例之飛行載具100的示意圖，第1B圖繪示從第1A圖之飛行載具100的尾部觀看飛行載具100及反射體B1的示意圖，而第1C圖繪示第1A圖之飛行載具100相對反射體B1的幾何關係圖。飛行載具100例如是無人機，或者是可載人或載物的航空器。
如第1A圖所示，飛行載具100包括本體110、第一測距裝置120、第二測距裝置130及控制器140。第一測距裝置120配置在本體110且用以偵測第一測距裝置120與反射體B1之間的第一距離H1。第二測距裝置130配置在本體110且用以偵測第二測距裝置130與反射體B1之間的第二距離H2。控制器140依據第一距離H1與第二距離H2，取得方向D1與反射體B1之間的角度A1。如此，飛行載具100可依據取得的角度A1調整航道。此外，在飛行過程中，飛行載具100可持續(隨時間的推進)取得最新角度A1，以持續調整航道。
本揭露實施例之「方向」指的是飛行載具100的朝向，如沿縱軸AZ1的方向，且依據飛行載具100的種類及/或飛行特 性而定，「方向」例如是飛行方向，如朝前飛行或朝後飛行，然本揭露實施例不受此限。本揭露實施例之「角度A1」指的是飛行載具100的飛行方向與反射體B1之間的角度，例如，當飛行載具100朝前飛行時，角度A1係頭向角度，為頭向與反射體B1之間的角度；當飛行載具100朝後飛行時，角度A1係尾向角度，為尾部朝向與反射體B1之間的角度
在一種應用中，飛行載具100之控制器140可依據角度A1判斷方向D1是否朝向一目標(未繪示)，當方向D1非朝向目標時，飛行載具100修正航道，使方向D1朝向該目標。在另一種應用中，飛行載具100之控制器140可依據角度A1及所偵測的第一距離H1、第二距離H2及角度A1，判斷本體110與反射體B1是否處於一安全距離。例如，當飛行載具100所偵測的第一距離H1與第二距離H2之一者(如最小者)小於一安全距離值且角度A1小於一安全角度值時，飛行載具100之控制器140判斷本體110與反射體B1非處於安全距離，據以修正航道，使本體110與反射體B1保持安全距離。綜上，本揭露實施例之飛行載具100可依據所偵測的第一距離H1及第二距離H2朝向目標飛行且在飛行過程與周遭反射體保持安全距離。
如第1A及1B圖所示，第一測距裝置120可發出第一偵測訊號S1，第一偵測訊號S1自反射體B1反射後成為第一反射訊號S1’，第一反射訊號S1’由第一測距裝置120所接收。第二測距裝置130可發出第二偵測訊號S2，第二偵測訊號S2自反射體B1反 射後成為第二反射訊號S2’，第二反射訊號S2’由第二測距裝置130所接收。在一實施例中，控制器140可對第一偵測訊號S1及第一反射訊號S1’進行運算而取得第一距離H1，且可對第二偵測訊號S2及第二反射訊號S2’進行運算而取得第二距離H2。在另一實施例中，第一測距裝置120可依據第一偵測訊號S1及第一反射訊號S1’獨立運算出第一距離H1，而第二測距裝置130可依據第二偵測訊號S2及第二反射訊號S2’獨立運算出第二距離H2。只要飛行載具100可取得第一距離H1及第二距離H2即可，本揭露實施例不限定取得的技術手段。
如第1A圖所示，以沿方向D1(例如朝向縱軸AZ1的前端)來說，第一測距裝置120位於第二測距裝置130的前方。在實施例中，第一測距裝置120及第二測距裝置130例如是飛時(time of flight,ToF)測距裝置、聲納測距裝置或其它的測距裝置。由於第一測距裝置120及第二測距裝置130採用訊號發射式測距裝置，飛行載具100可運作於低亮度的環境中，如隧道(如第1B圖所示)內、地下室、夜晚等低亮度或甚至是黑暗環境中。此外，反射體B1例如是環境的物體，如牆壁、障礙物、建築物、生物等。例如，以隧道來說，反射體B1的內壁面為圓柱面且可沿一直線規律延伸。然本揭露實施例不限定反射體B1的種類、表面輪廓及/或延伸方式等。
如第1A圖所示，本體110具有縱軸(longitudinal axis)AZ1、第一參考面P1及第二參考面P2。縱軸 AZ1例如是本體110的中心軸，然本揭露實施例不受此限。方向D1與縱軸AZ1平行，例如是大致上重合，而第一參考面P1與第二參考面P2大致上垂直。圖式中的XY平面例如是垂直於第一參考面P1且平行於第二參考面P2，而Z軸向例如是垂直於XY平面。在本實施例中，第一測距裝置120及第二測距裝置130例如是共面配置。舉例來說，第一測距裝置120具有第一訊號發射面120s，第二測距裝置130具有第二訊號發射面130s，其中第一訊號發射面120s與第二訊號發射面130s係共面，如共同重疊於第一參考面P1。在另一實施例中，第一訊號發射面120s與第二訊號發射面130s也可沿垂直於第一參考面P1的方向錯開。
在本實施例中，如第1B圖所示，第二參考面P2的延伸通過第一訊號發射面120s、第二訊號發射面130s及縱軸AZ1，如此所測得的第一距離H1及第二距離H2位於與方向D1相同的基準面(如第1B圖之第二參考面P2)上，使依據第一距離H1及第二距離H2所取得的角度值更接近本體110的實際角度A1。此外，第一參考面P1與方向D1大致上平行，如此使第一參考面P1與反射體B1之間的夾角A1’等同於方向D1與反射體B1之間的角度A1。
如第1A圖所示，第二距離H2、第一參考面P1、夾角A1’與反射體B1構成一直角三角形ABC，直角三角形ABC的第一參考面P1與反射體B1之間包含夾角A1’。如第1A圖與第1C圖所示，第一測距裝置120與第二測距裝置130之間沿縱軸AZ1的距離△L及第一距離H1與第二距離H2的距離差值△H構成一直角三 角形abC，直角三角形abC包含夾角A1”，其中直角三角形abC為直角三角形ABC的近似三角形，因此夾角A1”等於夾角A1’。如此，只要取得夾角A1”，即取得角度A1。夾角A1”可依據下式(1)取得。
Figure 109111114-A0305-02-0010-1
請參照第2A~2C圖，第2A圖繪示本揭露另一實施例之飛行載具200的示意圖，第2B圖繪示從第2A圖之飛行載具200的尾部觀看飛行載具200及反射體B1的示意圖，而第2C圖繪示第2A圖之飛行載具200相對反射體B1的幾何關係圖。飛行載具200包括本體110、第一測距裝置120、第二測距裝置130及控制器140。本揭露實施例之飛行載具200具有與前述飛行載具100相同或相似的技術特徵，差異處在於，飛行載具200的第一測距裝置120及第二測距裝置130的配置方式不同。
如第2A圖所示，本體110具有縱軸AZ1、第一參考面P1及第二參考面P2，其中方向D1與縱軸AZ1平行，例如是大致上重合，而第一參考面P1與第二參考面P2大致上垂直。在本實施例中，如第2B圖所示，第二參考面P2的延伸大致上通過第一訊號發射面120s、第二訊號發射面130s及縱軸AZ1，使所測得的第一距離H1及第二距離H2位於與方向D1相同的基準面(如第2B圖之第二參考面P2)上，如此依據第一距離H1及第二距離H2所取得的角度值更接近本體110的實際角度A1。
如第2A及2B圖所示，第一測距裝置120之第一訊號 發射面120s的第一法線方向N1(第一法線方向N1例如大致平行第一偵測訊號S1的發射方向)與第二測距裝置130之第二訊號發射面130s的第二法線方向N2(第二法線方向N2例如大致平行第二偵測訊號S2的發射方向)交會於一交點O1。第一參考面P1通過交點O1且大致平行於方向D1，如此使第一參考面P1與反射體B1之間的夾角A1’等同於方向D1與反射體B1之間的角度A1。
在本實施例中，第一訊號發射面120s及第二訊號發射面130s非共面配置。例如，如第2A及2C圖所示，第一訊號發射面120s之第一法線方向N1與第二訊號發射面130s之第二法線方向N2之間具有第一夾角α1，第一夾角α1例如是非0度或非180度，即第一訊號發射面120s與第二訊號發射面130s非共平面。在一實施例中，第一夾角α1例如是90度，即第一訊號發射面120s與第二訊號發射面130s係垂直配置。
如第2A及2C圖所示，第一參考面P1、反射體B1、交點O1與第二距離H2構成三角形A’O1C’，其中三角形A’O1C’非直角三角形。三角形A’O1C’的第一參考面P1與反射體B1之間包含夾角A1’。由於第一參考面P1通過交點O1且大致平行於方向D1，因此夾角A1’等於角度A1。換言之，只要取得夾角A1’，即取得角度A1。夾角A1’可採下式(2)~(4)取得。
Figure 109111114-A0305-02-0011-3
φ2=π-α11-φ1......(3)
A1'=π-α2-α11-φ2..............(4)
式(2)~(4)中，請同時參考第2C圖，第二夾角α2表示第一訊號發射面120s之第一法線方向N1與第一參考面P1(或方向D1)之間的夾角，第三夾角α3表示第二訊號發射面130s之第二法線方向N2與第一參考面P1(或方向D1)之間的夾角，第一夾角α1可區分成夾角α11及夾角α12，
Figure 109111114-A0305-02-0012-5
等於第二發射面130s至交點O1之間的距離與第二距離H2的和，而
Figure 109111114-A0305-02-0012-6
等於第一發射面120s至交點O1之間的距離與第一距離H1的和。在一實施例中，夾角α11、夾角α12、第二夾角α2及第三夾角α3皆為45度，然此非用以限制本揭露實施例。此外，第二夾角α2及第三夾角α3可隨方向D1與反射體B1的角度A1改變而變化。本揭露實施例不限定夾角α11及夾角α12個別的數值，只要便於控制器140快速計算出角度A1即可。在一實施例中，夾角α11與第二夾角α2的和為常數，如90度，而夾角α12與第三夾角α3的和為常數，如90度，然本揭露實施例不受此限。
請參照第3A圖，第3A圖繪示依照本揭露另一實施例之飛行載具300的示意圖，而第3B圖繪示第3A圖之飛行載具200所測得的角度A1與時間的關係圖。飛行載具300包括本體110、第一測距裝置120、第二測距裝置130、控制器140及角速度偵測器350。飛行載具300具有與前述飛行載具100相同或相似的技術特徵，差異處在於，飛行載具300更包括角速度偵測器350。角速度偵測器350用以偵測本體110的角速度。角速度偵測器350例如是陀螺儀、加速度偵測器等。在另一實施例中，本體110的角速度可 由一控制本體飛行的控制裝置(未繪示)反饋給控制器140，在此設計下，飛行載具300可選擇性省略角速度偵測器350。
本揭露實施例之飛行載具300可過濾異常的角度，避免此異常的角度負面影響飛行載具300的航道。詳言之，如第3A圖所示，當反射體B1具有不規則或突然變化的結構，如凹部B11時，飛行載具300所取得的角度A1的數值會突然變化，如突升(如第3B圖所示)或突降。然此數值突變的角度僅能表示反射體B1的局部變化，並不能代表反射體B1的整體改變，因此飛行載具300可忽略此突變的角度A1p。
具體的處理方式例如是：控制器140更用以：(1)判斷時間區間△T1內數個角度A1中是否有數值突變的角度A1p；(2)判斷本體110的角速度是否改變；(3)當數值突變的角度A1p存在且本體110的角速度未改變，濾除(即，忽略或不考慮)此突變的角度A1p。如此，可避免此數值突變的角度A1p導致飛行載具300發生航道誤判而進行修正錯誤的航道修正。在一實施例中，角度A1p的數值與先前一段時間(如時間區間△T2)內數個角度A1的一平均值之間的差值(可取絕對值)與該平均值的比例例如是高於預設值(predetermined threshold)。換言之，當控制器140有取得符合前述比例的角度A1時，即判定該角度A1為數值突變的角度A1p。
請參照第4圖，其繪示第3A圖之飛行載具300所測得的第一距離H1與第二距離H2的距離差值△H與時間的關係圖。飛行載具300包括本體110、第一測距裝置120、第二測距裝置130、控制器 140及角速度偵測器350。角速度偵測器350用以偵測本體110的角速度。在本揭露實施例中，控制器140更用以：(1)取得一時間區間△T1內數個第一距離H1與數個第二距離H2的數個距離差值△H；(2)判斷此些距離差值△H是否具有數值突變的距離差值△Hp；(3)判斷本體110的角速度是否改變；(4)當此些距離差值△H具有數值突變的距離差值△Hp且本體110的角速度未改變，濾除(即，忽略或不考慮)數值突變的距離差值△Hp。如此，可避免此數值突變的距離差值△Hp導致飛行載具300發生航道誤判而進行修正錯誤的航道修正。在一實施例中，數值突變的距離差值△Hp與先前一段時間(如時間區間△T2)內數個距離差值△H的一平均值的差值(可取絕對值)與該平均值的比例例如是高於預設值(predetermined threshold)。換言之，當控制器140有取得符合前述比例的距離差值△H時，即判斷該距離差值△H為數值突變的距離差值△Hp。
請參照第5圖，其繪示第1A圖之飛行載具100的方向偵測方法的流程圖。在步驟S110中，飛行載具100之第一測距裝置120偵該第一測距裝置120與反射體B1之間的第一距離H1。在步驟S120中，飛行載具100之第二測距裝置130偵該第二測距裝置130與反射體B1之間的第二距離H2。在步驟S130中，飛行載具100之控制器140依據第一距離H1與第二距離H2，取得飛行載具100之本體110的方向D1與反射體B1之間的角度A1。角度A1的具體取得方法的數個實施例已於前述，容此不再贅述。此外，飛行載具200及300的方向偵測方法也可採用類似方法，容此不再贅述。
綜上所述，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。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:飛行載具
110:本體
120:第一測距裝置
120s:第一訊號發射面
130:第二測距裝置
130s:第二訊號發射面
140:控制器
A1:角度
A1’,A1”:夾角
AZ1:縱軸
ABC,abC:三角形
B1:反射體
D1:方向
H1:第一距離
H2:第二距離
P1:第一參考面
S1:第一偵測訊號
S1’:第一反射訊號
S2:第二偵測訊號
S2’:第二反射訊號
△H:距離差值
△L:距離

Claims (20)

  1. 一種飛行載具，包括：一本體：一第一測距裝置，配置在該本體，用以偵測該第一測距裝置與一反射體之間的一第一距離；一第二測距裝置，配置在該本體，用以偵測該第二測距裝置與該反射體之間的一第二距離；以及一控制器，依據該第一距離與該第二距離，取得該本體的一方向與該反射體之間的一角度；其中，該第一距離及該第二距離位於與該方向相同的基準面。
  2. 如請求項1所述之飛行載具，其中該本體具有一第一參考面，該第一參考面與該方向平行；該第一測距裝置具有一第一訊號發射面，該第二測距裝置具有一第二訊號發射面，該第一訊號發射面與該第二訊號發射面重疊於該第一參考面。
  3. 如請求項1所述之飛行載具，其中該第一測距裝置具有一第一訊號發射面，該第二測距裝置具有一第二訊號發射面，該本體具有一縱軸及一第二參考面，該方向與該縱軸平行，該第二參考面的延伸通過該第一訊號發射面、該第二訊號發射面及該縱軸。
  4. 如請求項1所述之飛行載具，其中該第一測距裝置具有一第一訊號發射面，該第二測距裝置具有一第二訊號發射面，該第一訊號發射面與該第二訊號發射面係垂直配置。
  5. 如請求項1所述之飛行載具，其中該第一測距裝置具有一第一訊號發射面，該第二測距裝置具有一第二訊號發射面，該第一訊號發射面之一第一法線方向與該第二訊號發射面之一第二法線方向間夾一第一夾角，該第一訊號發射面之該第一法線方向與該方向之間夾一第二夾角；該控制器更用以：依據該第一距離、該第二距離、該第一夾角與該第二夾角，取得該方向與該反射體之間的該角度。
  6. 如請求項5所述之飛行載具，其中該第一夾角為90度，該第二夾角為45度。
  7. 如請求項5所述之飛行載具，其中該本體具有一第一參考面，該第一參考面通過該第一法線方向與該第二法線方向的一交點且平行於該方向。
  8. 如請求項1所述之飛行載具，更包括：一角速度偵測器，用以偵測該本體的一角速度；其中，該控制器更用以：判斷一時間區間內複數個該角度中是否有數值突變的該角度；判斷該本體的一角速度是否改變；當該些角度中具有數值突變的該角度且該本體的該角速度未改變，濾除數值突變的該角度。
  9. 如請求項1所述之飛行載具，更包括：一角速度偵測器，用以偵測該本體的一角速度；其中，該控制器更用以： 取得一時間區間內複數個該第一距離與複數個該第二距離的複數個距離差值；判斷該些距離差值中是否具有數值突變的該距離差值；判斷該本體的一角速度是否改變；當該些距離差值中具有數值突變的該距離差值且該本體的該角速度未改變，濾除數值突變的該距離差值。
  10. 如請求項1所述之飛行載具，其中該第一測距裝置位於該第二測距裝置的前方部。
  11. 一種方向偵測方法，包括：一飛行載具之一第一測距裝置偵測該第一測距裝置與一反射體之間的一第一距離；該飛行載具之一第二測距裝置偵測該第二測距裝置與該反射體之間的一第二距離；以及該飛行載具之一控制器依據該第一距離與該第二距離，取得該飛行載具之一本體之一方向與該反射體之間的一角度；其中，該第一距離及該第二距離位於與該方向相同的基準面。
  12. 如請求項11所述之方向偵測方法，其中該本體具有一第一參考面，該第一參考面與該方向平行；該第一測距裝置具有一第一訊號發射面，該第二測距裝置具有一第二訊號發射面，該第一訊號發射面與該第二訊號發射面重疊於該第一參考面。
  13. 如請求項11所述之方向偵測方法，其中該第一測距裝置具有一第一訊號發射面，該第二測距裝置具有一第二訊號發射面，該本體具有一縱軸及一第二參考面，該方向與該縱軸 平行，該第二參考面的延伸通過該第一訊號發射面、該第二訊號發射面及該縱軸。
  14. 如請求項11所述之方向偵測方法，其中該第一測距裝置具有一第一訊號發射面，該第二測距裝置具有一第二訊號發射面，該第一訊號發射面與該第二訊號發射面係垂直配置。
  15. 如請求項11所述之方向偵測方法，其中該第一測距裝置具有一第一訊號發射面，該第二測距裝置具有一第二訊號發射面，該第一訊號發射面之一第一法線方向與該第二訊號發射面之一第二法線方向間夾一第一夾角，該第一訊號發射面之該第一法線方向與該方向之間夾一第二夾角；該方向偵測方法更包括：依據該第一距離、該第二距離、該第一夾角與該第二夾角，取得該方向與該反射體之間的該角度。
  16. 如請求項15所述之方向偵測方法，其中該第一夾角為90度，該第二夾角為45度。
  17. 如請求項15所述之方向偵測方法，其中該本體具有一第一參考面，該第一參考面通過該第一法線方向與該第二法線方向的一交點且平行於該方向。
  18. 如請求項11所述之方向偵測方法，更包括：該飛行載具之一角速度偵測器偵測該本體的一角速度；該控制器判斷一時間區間內複數個該角度中是否有數值突變的該角度； 該控制器判斷該本體的一角速度是否改變；以及當該些角度中具有數值突變的該角度且該本體的該角速度未改變，該控制器濾除數值突變的該角度。
  19. 如請求項11所述之方向偵測方法，更包括：該飛行載具之一角速度偵測器偵測該本體的一角速度；該控制器取得一時間區間內複數個該第一距離與複數個該第二距離的複數個距離差值；該控制器判斷該些距離差值中是否具有數值突變的該距離差值；該控制器判斷該本體的一角速度是否改變；以及當該些距離差值中具有數值突變的該距離差值且該本體的該角速度未改變，該控制器濾除數值突變的該距離差值。
  20. 如請求項11所述之方向偵測方法，其中該第一測距裝置位於該第二測距裝置的前方。
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