TWM480072U - 紅外線位置檢測裝置 - Google Patents

Description

紅外線位置檢測裝置

本新型係為一種位置檢測裝置，特別是關於一種紅外線位置檢測裝置。

變位感測器是指透過感測元件來偵測對象物體的物理變化量，並透過物理變化量換算為距離，以測定對象物體相對於感測器的距離變化。在不同的應用領域中，可能運用到的感測器也有所不同。例如，汽車倒車雷達使用的是超音波變位感測器；而廁所的自動沖水或洗手設備用的是紅外線變位感測器；自動掃地機器人所使用的是紅外線變位感測器。

在掃地機器人的類似應用中，其所要偵測的是地面的距離、與牆壁壁面的距離等，以避免撞牆或者跌落樓梯。也因為此種變位感測器的應用，使得掃地機器人變得有智慧許多。

請參考第1圖，其為運用光學式變位感測器的設計概念之一。變位感測裝置10運用了驅動電路11驅動發光二極體12發光，再透過投光透鏡13投射至對象物體20。由於對象物體20的位置不同，因此，發光二極體12 所發的光將由受光透鏡14轉至位置檢測元件15的成像位置也不同。於是，位置檢測元件15於第一輸出16、第二輸出17的輸出平衡也會跟隨著變化。再經由輸出端點A、B的輸出變化即可計算出變位量，進而求得對象物體20的移動距離差。

此種設備具有量測距離誤差小且不易受環境光影響的優點。不過，由於光學機構複雜，對光學機構的精密度要求高，也導致其成本非常高。

另外一種常見的技術，就是運用如廁所自動沖水設備的反射能量式位置檢測技術。其利用接收到所發射的紅外線光強度來判定對象物體的距離。此種技術具有架構簡單且成本低廉的優點。不過，卻有易受環境光源影響，且須外加類比/數位轉換運算、光徑機構與濾波器設計複雜、動態範圍小等缺點。

因此，如何設計一款可同時保有不易受環境光源影響、動態範圍大、光徑機構設計簡單，進而大幅降低成本的變位檢測裝置，成為本技術領域的重要課題。

鑒於以上習知技術的問題，本新型提供一種紅外線位置檢測裝置，可達到不易受環境光源影響、動態範圍大、光徑機構設計簡單，進而大幅降低成本等效果。

本新型提供一種紅外線位置檢測裝置，包含：控制單元、調變器、放大單元、第一切換開關組、多個紅 外線發射器、多個紅外線接收器、第二切換開關組、匹配單元、低雜訊放大器與解調變器。其中，調變器用以將一輸入訊號調變為一調變訊號；放大單元連接該調變器，用以將該調變訊號放大；第一切換開關組，連接該放大單元；複數個紅外線發射器經由該第一切換開關組連接該放大單元，藉由該調變訊號而產生一調變紅外線；複數個紅外線接收器，該些紅外線接收器一對一對應該些紅外線發射器而構成複數個紅外線收發對，每個該紅外線接收器接收對應的該紅外線發射器所產生的該調變紅外線，進而產生一調變接收訊號；第二切換開關組連接該些紅外線接收器；匹配單元經由該第二切換開關組而連接該些紅外線接收器其中之一，用以匹配連接之該紅外線接收器之阻抗；低雜訊放大器連接該匹配單元，用以放大該調變接收訊號；解調變器連接該低雜訊放大器，用以解調變該調變接收訊號為一輸出訊號；控制單元連接該調變器、該解調變器、該第一切換開關組與該第二切換開關組，產生該輸入訊號，同步控制該第一切換開關組、該第二切換開關組之開關切換以每次使一個該紅外線收發對導通，而使該輸入訊號可循序傳送至已導通之該紅外線發射器。

本新型更提供一種紅外線位置檢測裝置，連接由複數個紅外線發射器與複數個紅外線接收器一對一所構成的複數個紅外線收發對，包含：控制單元、調變器、放大單元、第一切換開關組、第二切換開關組、匹配單元、低雜訊放大器與解調變器。其中，調變器用以將一輸入訊 號調變為一調變訊號；放大單元連接該調變器，用以將該調變訊號放大；第一切換開關組連接該放大單元，該些紅外線發射器經由該第一切換開關組連接該放大單元，藉由該調變訊號的改變而產生一調變紅外線訊號；第二切換開關組連接該些紅外線接收器，每個該紅外線接收器接收對應的該紅外線發射器所產生的該調變紅外線訊號，進而產生一調變接收訊號；匹配單元經由該第二切換開關組而連接該些紅外線接收器其中之一；低雜訊放大器連接該匹配單元，用以放大該調變接收訊號；解調變器連接該低雜訊放大器，用以解調變該調變接收訊號為一輸出訊號；控制單元連接該調變器、該解調變器、該第一切換開關組與該第二切換開關組，產生該輸入訊號，同步控制該第一切換開關組、該第二切換開關組之開關切換以每次使一個該紅外線收發對導通，而使該輸入訊號可循序傳送至已導通之該紅外線發射器。

為讓本新型之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

10‧‧‧變位感測裝置

11‧‧‧驅動電路

12‧‧‧發光二極體

13‧‧‧投光透鏡

14‧‧‧受光透鏡

15‧‧‧位置檢測元件

16‧‧‧第一輸出

17‧‧‧第二輸出

20‧‧‧對象物體

100‧‧‧紅外線位置檢測裝置

110‧‧‧控制單元

120‧‧‧調變器

130‧‧‧放大單元

141‧‧‧第一切換開關組

142‧‧‧第二切換開關組

150‧‧‧匹配單元

160‧‧‧低雜訊放大器

170‧‧‧解調變器

200a~200e‧‧‧紅外線收發對

210a~210e‧‧‧紅外線發射器

220a~220e‧‧‧紅外線接收器

300‧‧‧反射面

第1圖係為先前技術之紅外線位置檢測裝置一功能方塊示意圖； 第2A圖係為本創作之紅外線位置檢測裝置之功能方塊圖之一實施例；及第2B圖係為本創作之紅外線位置檢測裝置之功能方塊圖之又一實施例；及第3圖係為本創作之紅外線位置檢測裝置之一應用實施例示意圖。

為了達到不易受環境光源影響、動態範圍大、光徑機構設計簡單，進而大幅降低成本等效果，本新型設計了一種紅外線位置檢測裝置，其可以單一套裝置，同步運用多組紅外線收發對，且紅外線收發對的光徑機構不須特別設計，即可達到不易受環境光源影響、動態範圍大的效果，整體的成本也將大幅降低。

請參考第2A圖，其為本創作之紅外線位置檢測裝置之功能方塊圖之一實施例，本創作的紅外線位置檢測裝置，包含：控制單元110、調變器120、放大單元130、第一切換開關組141、紅外線發射器210a~210e、紅外線接收器220a~220e、第二切換開關組142、匹配單元150、低雜訊放大器160與解調變器170。

其中，調變器120用以將控制單元110所產生的輸入訊號調變為調變訊號，例如，可以調頻方式(FM)進行調變，調變頻率(載波)可為400KHz~5MHz。輸入訊號可採用週期為20~500Hz的脈波訊號。

放大單元130連接該調變器120，用以將調變訊號放大後再經由第一切換開關組141所連接的紅外線發射器210a~210e。其中，第一切換開關組141係為數個類比開關，並且，一對一對應到紅外線發射器210a~210e。

紅外線發射器210a~210e經由第一切換開關組141連接放大單元130，藉由調變訊號產生調變紅外線。紅外線接收器220a~220e用於接收對應的紅外線發射器210a~210e所產生的調變紅外線，進而產生一調變接收訊號。由於調變訊號係以調頻(FM)的方式進行調變，因此，紅外線發射器210a~210e與紅外線接收器220a~220e必須能夠產生相對應的頻率響應。換言之，紅外線發射器210a~210e與紅外線接收器220a~220e的頻率響應必須大於調變頻率400KHz~5MHz，否則，整個系統將無法運作。在一實施例中，紅外線發射器與紅外線接收器的波長可以採用870nm(奈米)。

其中，紅外線接收器220a~220e一對一對應該些紅外線發射器210a~210e而構成多個紅外線收發對200a~200e，亦即，如第2A圖中，紅外線收發對200a當中的紅外線發射器210a與紅外線接收器220a構成一對，依此類推。在設計上，第一切換開關組141與第二切換開關組142當中的切換開關數目可多於紅外線收發對的數目或相等。如此，可保留紅外線收發對的增設空間。

第二切換開關組142係為數個類比開關，連接該些紅外線接收器220a~220e；匹配單元150，經由第二切 換開關組142而連接紅外線接收器220a~220e其中之一，用以匹配連接之紅外線接收器220a~220e之阻抗。匹配單元150可為一諧振電路，例如，由電阻、電感構成的串聯諧振電路，或者由電感構成的串聯諧振電路，或者，電阻、電感構成的並聯諧振電路。

低雜訊放大器160連接匹配單元150，用以放大調變接收訊號；解調變器170連接該低雜訊放大器160，用以解調變該調變接收訊號為一輸出訊號。輸出訊號可以有兩種，類比輸出訊號或數位輸出訊號。類比輸出訊號可以反映接收到的能量強度，進而掌握到反射面的狀況。例如，在反射面300為白色的狀況下，類比輸出訊號的強度會比較強；在反射面300為黑色的狀況下，類比輸出訊號的強度會比較弱。在實際的實驗當中，差別可到21.5dB(白/黑反射能量差)。例如，在地毯類的反射面300，其強度類似黑色反射面300。而數位輸出訊號，則可反映到是否有接收到訊號，如未接收到訊號，表示可能發生懸崖的狀況(例如，遇到樓梯的落差)。

控制單元110連接調變器120、解調變器170、第一切換開關組141、第二切換開關組142，產生輸入訊號，同步控制第一切換開關組141、第二切換開關組142之開關切換以每次使一個紅外線收發對200a~200e導通，而使輸入訊號可循序傳送至已導通之紅外線發射器210a~210e。此處的控制單元110的概念，並非限制於微控制器的概念，亦可用簡易的電路製作達成。

接著，請參考第2B圖，其為本創作之紅外線位置檢測裝置之功能方塊圖之又一實施例，本創作的紅外線位置檢測裝置，包含：控制單元110、調變器120、放大單元130、第一切換開關組141、紅外線發射器210a~210e、紅外線接收器220a~220e、匹配單元150、低雜訊放大器160與解調變器170。與第2A圖比較可發現，此一實施例少了第二切換開關組142，並且，紅外線接收器220a~220e彼此並聯。也就是，由於控制單元110控制了紅外線發射器210a~210e的切換，因此，實際上也可不切換紅外線接收器220a~220e的切換，讓紅外線接收器220a~220e持續打開，所收到的訊號，會直接對應到所開通的紅外線發射器210a~210e當中的一個。其餘各部位的功能相同，不再贅述。

第3圖係為本創作之紅外線位置檢測裝置100之一應用實施例示意圖。在此實施例中，採用了4組紅外線收發對200a~200d，紅外線位置檢測裝置100則僅包含了包含：控制單元110、調變器120、放大單元130、第一切換開關組141、第二切換開關組142、匹配單元150、低雜訊放大器160與解調變器170等元件。概念上，可以將紅外線位置檢測裝置100製作為模組，而紅外線收發對採用外接的方式。例如，第一切換開關組141與第二切換開關組142具有10組接頭，可外接最多10組的紅外線收發對。

在第3圖的實施例中，可以循序的方式依序對 第一切換開關組141、第二切換開關組142進行切換，以切換紅外線收發對200a~200d的開關切換。所以，紅外線位置檢測裝置100將可循序將調變訊號傳送給紅外線收發對200a~200d，並依序接收到紅外線收發對200a~200d所傳遞回來的調變接收訊號。

綜上所述，本創作可達到不易受環境光影響、LSSI接收的動態範圍50dB，遠大於先前技術的21.5dB(白/黑反射能量差)等技術功效，並且，在紅外線收發對的設計上，其光徑機構簡單，且IR Filter要求不高，因此，紅外線收發對的成本極低。此外，由於紅外線收發對可採外接的設計，因此，可依據客戶的需求達到客製化設計不同組數的紅外線收發對。同時，由於多組紅外線收發對僅使用一組紅外線位置檢測裝置100時，因此，整體系統成本將可降低許多。更甚者，不同的紅外線收發對，可分別設定不同距離偵測，達到更細緻的客製化設計需求。

雖然本新型之較佳實施例揭露如上所述，然其並非用以限定本新型，任何熟習相關技藝者，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，因此本新型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。

110‧‧‧控制單元

120‧‧‧調變器

130‧‧‧放大單元

141‧‧‧第一切換開關組

142‧‧‧第二切換開關組

150‧‧‧匹配單元

160‧‧‧低雜訊放大器

170‧‧‧解調變器

200a~200e‧‧‧紅外線收發對

210a~210e‧‧‧紅外線發射器

220a~220e‧‧‧紅外線接收器

Claims (20)

1. 一種紅外線位置檢測裝置，包含：一調變器，用以將一輸入訊號調變為一調變訊號；一放大單元，連接該調變器，用以將該調變訊號放大；一第一切換開關組，連接該放大單元；複數個紅外線發射器，經由該第一切換開關組連接該放大單元，藉由該調變訊號而產生一調變紅外線；複數個紅外線接收器，該些紅外線接收器一對一對應該些紅外線發射器而構成複數個紅外線收發對，每個該紅外線接收器接收對應的該紅外線發射器所產生的該調變紅外線，進而產生一調變接收訊號；一第二切換開關組，連接該些紅外線接收器；一匹配單元，經由該第二切換開關組而連接該些紅外線接收器其中之一，用以匹配連接之該紅外線接收器之阻抗；一低雜訊放大器，連接該匹配單元，用以放大該調變接收訊號；一解調變器，連接該低雜訊放大器，用以解調變該調變接收訊號為一輸出訊號；及一控制單元，連接該調變器、該解調變器、該第一切換開關組與該第二切換開關組，產生該輸入訊 號，同步控制該第一切換開關組、該第二切換開關組之開關切換以每次使一個該紅外線收發對導通，而使該輸入訊號可循序傳送至已導通之該紅外線發射器。
2. 如請求項1所述之紅外線位置檢測裝置，其中該解調變器所產生之該輸出訊號為一類比輸出訊號。
3. 如請求項1所述之紅外線位置檢測裝置，其中該解調變器所產生之該輸出訊號為一數位輸出訊號。
4. 如請求項1所述之紅外線位置檢測裝置，其中該調變器、該解調變器係運用調頻方式(FM)進行調變。
5. 如請求項1所述之紅外線位置檢測裝置，其中該調變器、該解調變器之調變頻率為400KHz~5MHz。
6. 一種紅外線位置檢測裝置，連接由複數個紅外線發射器與複數個紅外線接收器一對一所構成的複數個紅外線收發對，包含：一調變器，用以將一輸入訊號調變為一調變訊號；一放大單元，連接該調變器，用以將該調變訊號放大；一第一切換開關組，連接該放大單元，該些紅外線發射器經由該第一切換開關組連接該放大單元，藉由該調變訊號的改變而產生一調變紅外線訊號；一第二切換開關組，連接該些紅外線接收器，每個該紅外線接收器接收對應的該紅外線發射器所產生的該調變紅外線訊號，進而產生一調變接收訊號； 一匹配單元，經由該第二切換開關組而連接該些紅外線接收器其中之一；一低雜訊放大器，連接該匹配單元，用以放大該調變接收訊號；一解調變器，連接該低雜訊放大器，用以解調變該調變接收訊號為一輸出訊號；及一控制單元，連接該調變器、該解調變器、該第一切換開關組與該第二切換開關組，產生該輸入訊號，同步控制該第一切換開關組、該第二切換開關組之開關切換以每次使一個該紅外線收發對導通，而使該輸入訊號可循序傳送至已導通之該紅外線發射器。
7. 如請求項6所述之紅外線位置檢測裝置，其中該解調變器所產生之該輸出訊號為一類比輸出訊號。
8. 如請求項6所述之紅外線位置檢測裝置，其中該解調變器所產生之該輸出訊號為一數位輸出訊號。
9. 如請求項6所述之紅外線位置檢測裝置，其中該調變器、該解調變器係運用調頻方式(FM)進行調變。
10. 如請求項6所述之紅外線位置檢測裝置，其中該調變器、該解調變器之調變頻率為400KHz~5MHz。
11. 一種紅外線位置檢測裝置，包含：一調變器，用以將一輸入訊號調變為一調變訊號；一放大單元，連接該調變器，用以將該調變訊號放大； 一第一切換開關組，連接該放大單元；複數個紅外線發射器，經由該第一切換開關組連接該放大單元，藉由該調變訊號而產生一調變紅外線；複數個紅外線接收器，彼此並聯，該些紅外線接收器一對一對應該些紅外線發射器而構成複數個紅外線收發對，每個該紅外線接收器接收對應的該紅外線發射器所產生的該調變紅外線，進而產生一調變接收訊號；一匹配單元，連接該些紅外線接收器，用以匹配連接之該紅外線接收器之阻抗；一低雜訊放大器，連接該匹配單元，用以放大該調變接收訊號；一解調變器，連接該低雜訊放大器，用以解調變該調變接收訊號為一輸出訊號；及一控制單元，連接該調變器、該解調變器與該第一切換開關組，產生該輸入訊號，控制該第一切換開關組之開關切換以每次使一個該紅外線發射器導通，而使該輸入訊號可循序傳送至已導通之該紅外線發射器。
12. 如請求項11所述之紅外線位置檢測裝置，其中該解調變器所產生之該輸出訊號為一類比輸出訊號。
13. 如請求項11所述之紅外線位置檢測裝置，其中該解調 變器所產生之該輸出訊號為一數位輸出訊號。
14. 如請求項11所述之紅外線位置檢測裝置，其中該調變器、該解調變器係運用調頻方式(FM)進行調變。
15. 如請求項11所述之紅外線位置檢測裝置，其中該調變器、該解調變器之調變頻率為400KHz~5MHz。
16. 一種紅外線位置檢測裝置，連接由複數個紅外線發射器與複數個紅外線接收器一對一所構成的複數個紅外線收發對，該些紅外線接收器彼此並聯，包含：一調變器，用以將一輸入訊號調變為一調變訊號；一放大單元，連接該調變器，用以將該調變訊號放大；一第一切換開關組，連接該放大單元，該些紅外線發射器經由該第一切換開關組連接該放大單元，藉由該調變訊號的改變而產生一調變紅外線訊號，對應的該紅外線接收器接收對應的該紅外線發射器所產生的該調變紅外線訊號，進而產生一調變接收訊號；一匹配單元，連接該些紅外線接收器；一低雜訊放大器，連接該匹配單元，用以放大該調變接收訊號；一解調變器，連接該低雜訊放大器，用以解調變該調變接收訊號為一輸出訊號；及一控制單元，連接該調變器、該解調變器與該第 一切換開關組，產生該輸入訊號，控制該第一切換開關組之開關切換以每次使一個該紅外線發射器導通，而使該輸入訊號可循序傳送至已導通之該紅外線發射器。
17. 如請求項16所述之紅外線位置檢測裝置，其中該解調變器所產生之該輸出訊號為一類比輸出訊號。
18. 如請求項16所述之紅外線位置檢測裝置，其中該解調變器所產生之該輸出訊號為一數位輸出訊號。
19. 如請求項16所述之紅外線位置檢測裝置，其中該調變器、該解調變器係運用調頻方式(FM)進行調變。
20. 如請求項16所述之紅外線位置檢測裝置，其中該調變器、該解調變器之調變頻率為400KHz~5MHz。