CN106443697A - 自走式装置及其环境测距装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自走式装置及其环境测距装置，环境测距装置包括本体、激光束发射模块、影像撷取模块、角度侦测机构以及处理控制单元。本体可绕轴旋转，激光束发射模块设置于该本体，并用以发出激光束至被测物而在该被测物上形成光斑，影像撷取模块设置于该本体，并用以撷取该被测物影像的光斑，角度侦测机构用以侦测该本体自起始部旋转后的角度，并传送角度数据，处理控制单元用以接收含该光斑的影像及该角度数据以控制该本体的旋转，其中藉由该激光束发射模块、该影像撷取模块及该光斑三处构成虚拟三角形，并根据三角测量法计算出该被测物与该本体的距离。

Description

自走式装置及其环境测距装置
技术领域
本发明有关于一种自走装置及其环境测距装置，特别是有关于一种以无衍射激光束进行雷射测距以及可以任意在既定角度内正反转的环境测距装置以及应用该环境测距装置的自走式装置。
背景技术
已知的自走装置，例如无人搬运车或扫地机器人，通常使用环境测距装置对周围的环境进行测距，使自走式装置了解周围环境的状态，以便规划行走的路径。
已知的环境测距装置通常会以激光束做360度环场的扫描来进行测距，但是若环境产生局部的变化，例如有人员突然出现在环境的某处的情况下，即使只希望侦测该局部环境的变化，已知的环境测距装置仍然必须再做一次360度环场的扫描，如此相当耗时也相当不便。
另外，若使用雷射的三角量测法，其主要是以激光束照射至待测物体而在待测物体上产生雷射光斑，然后拍摄该物体的影像，并求得该雷射光斑的坐标，然后以三角量测法可求出该待测物体的距离，但是对于距离较远的各物体而言，其雷射光斑的坐标变化较不明显，因此对于距离较远的各物体其雷射光斑的辨识度的要求也较高，但是一般激光束会随着照射距离的增加而有发散的问题，因此对于距离较远的物体，其雷射光斑的大小及形状会产生改变而无法准确地测出各物体的距离。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中的环境测距装置针对有变化的局部环境侦测时较耗时或者不能准确测量距离较远的物体的缺陷，提供一种自走式装置及其环境测距装置，针对有变化的局部环境侦测，不需要重复地做360度全场侦测，且可以准确测量不同距离的物体。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种环境测距装置的一实施例包括本体、激光束发射模块、影像撷取模块、角度侦测机构以及处理控制单元。本体可绕轴旋转，激光束发射模块设置于该本体，并用以发出激光束至被测物而在该被测物上形成光斑，影像撷取模块设置于该本体，并用以撷取该被测物影像的光斑，角度侦测机构用以侦测该本体自起始部旋转后的角度，并传送角度数据，处理控制单元用以接收含该光斑的影像及该角度数据以控制该本体的旋转，其中藉由该激光束发射模块、该影像撷取模块及该光斑三处构成虚拟三角形，并根据三角测量法计算出该被测物与该本体的距离。
在另一实施例中，该激光束发射模块为无衍射激光束模块(non-diffractivelaser beam module)。
在另一实施例中，该角度侦测机构包括：光栅盘、光源以及接收器，光栅盘结合于该本体并具有复数个格栅，光源发出光束，该光束可通过这些格栅，接收器接收通过该格栅的该光束，该光源与该接收器分别位于该光栅盘的两侧。
在另一实施例中，该环境测距装置更包括驱动装置，由该处理控制单元控制而驱动该本体绕该轴旋转。
在另一实施例中，该驱动装置包括马达。
在另一实施例中，该驱动装置更包括传动件，联结该本体以及该马达，该马达藉由该传动件驱动该本体绕该轴旋转。
在另一实施例中，环境测距装置更包括承座，该驱动装置设置于该承座。
在另一实施例中，该本体可绕该轴顺时针或反时针旋转既定角度。
在另一实施例中，该激光束的行进方向与该影像撷取模块的光轴具有夹角。
本发明更提供一种环境测距装置的另一实施例包括本体、激光束发射模块、影像撷取模块、角度侦测机构以及处理控制单元。本体可绕轴旋转，激光束发射模块设置于该本体，并用以发出激光束至被测物而在该被测物上形成光斑，该影像撷取模块设置于该本体，并用以撷取该被测物影像的光斑，该角度侦测机构用以侦测该本体自起始部旋转后的角度，并传送角度数据，该处理控制单元与该影像撷取模块及该角度侦测机构形成电性连接,用以接收含该光斑的影像并计算出该被测物的距离及该角度数据以控制该本体的旋转。
本发明更提供一种自走式装置，其包括上述的环境测距装置。
本发明的自走式装置及其环境测距装置，其设置角度侦测机构，可以侦测并藉此控制环境测距装置旋转的角度，而只需要针对有变化的局部环境侦测，不需要重复地做360度全场侦测，另外，本发明的环境测距装置使用无衍射激光束进行测距，即使对于不同的距离的物体，都可保持其光斑的形状及大小，而可以准确地量出各物体的距离。
附图说明
为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出实施例并配合所附图式作详细说明。
图1为本发明的环境测距装置的一实施例的立体图。
图2为本发明的环境测距装置的一实施例的另一立体图。
图3为本发明的环境测距装置的***方块图。
图4为图1的俯视图。
图5为图4中移除部分组件的示意图。
图6为本发明的环境测距装置的激光束发射模块的分解图。
图7为本发明的环境测距装置量测距离的原理的示意图。
图8为图1的仰视图。
图9为图1的侧视图。
具体实施方式
请参阅图1、2、3，其表示本发明的环境测距装置。本发明的环境测距装置100包括本体10、激光束发射模块20、影像撷取模块30、角度侦测机构40、电路板50、驱动装置60、传动件70以及承座80。
承座80固定于自走式装置(未图标)上，驱动装置60安装于承座80，本体10可旋转地结合于承座80，驱动装置60藉由传动件70连结于本体10，因此驱动装置60可藉由传动件70驱动本体10相对于承座80绕轴L旋转，在本实施例中，驱动装置60为马达，传动件70为传动皮带。
激光束发射模块20、影像撷取模块30及电路板50安装于本体10上，并可随着本体10绕轴L旋转。请参阅图4、5，其表示激光束发射模块20、影像撷取模块30及电路板50安装于本体10的结构，请同时参阅图6，其表示本发明的激光束发射模块20的结构，激光束发射模块20包括雷射二极管22、准直透镜24以及锥形透镜26，雷射二极管22产生的激光束经由准直透镜24后产生平行光束，平行光束通过锥形透镜26后产生无衍射激光束。请回到图5，影像撷取模块30具有镜头32以及影像传感器34，影像传感器34设置于电路板50上，在本实施例中，激光束发射模块20发出的激光束B与影像撷取模块30的镜头32的光轴L’之间具有夹角θ，在本实施例中，该夹角θ为83o。
本发明的环境测距装置利用雷射的三角量测法来测距，由激光束发射模块20发出激光束并照射至待测物并在该待测物上形成光斑，由影像撷取模块30撷取该待测物的影像，该待测物的影像包括该光斑，该影像经由镜头32被影像传感器34接收，并传送至处理控制单元90(参阅图3)，计算出光斑中心点的坐标，然后由三角测量法计算出待测物的距离。由于激光束发射模块20产生无衍射激光束，无衍射激光束具有主光斑小且光斑尺寸不随传输距离而变化的特性，很适合在精密量测中作为指示光束，因此即使对于距离较远的物体也可以很准确地量测出其距离，以下详细说明。
请参阅图7，由于激光束发射模块20、该影像撷取模块30及光斑形成三角形，故其三角量测公式如下:
q＝fs/x ....(1)
d＝q/sin(β)....(2)
其中，f是影像撷取模块30的焦距，s是激光束发射模块20的雷射中心与影像撷取模块30的镜头中心的距离，β是激光束与雷射中心与镜头中心联机的夹角，d是雷射中心至待测物O的距离，x是测量中唯一需要获得的变量，它的含义是待测物体上雷射光点由摄影镜头拍摄到感光组件(CCD或CMOS)上的成像到一侧边缘的距离，该距离可以通过在摄影镜头画面中找到并计算雷射点中心位置的像素坐标来求得。
请参阅图8、9，角度侦测机构40包括光栅盘42、光源44以及接收器46，光栅盘42安装于本体10并可随本体10绕轴L旋转，光源44及接收器46安装于承座80上且分别位于光栅盘42的两侧，如前所述，由于本体10可相对于承座80绕轴L旋转，因此光栅盘42可以相对于光源44及接收器46旋转，光栅盘42为圆盘，并沿着圆周方向以等间距设有复数个狭缝41，光源44发出光线可通过狭缝41而被接收器46接收到，或者是被光栅盘42阻挡而无法被接收器46接收。当接收器46接收到来自光源44时视为讯号ON，而未接收到来自光源44时视为讯号OFF，藉由上述接收器46接收到光线与否的方式而产生出角度数据，因此可以藉此计算出光栅盘42旋转的角度，由于光栅盘42固定于本体10上，也因此可以藉此得知本体10旋转的角度，该角度数据传送至处理控制单元90，处理控制单元90可得知本体10旋转的角度，由于可以得知本体10旋转的角度，所以可藉此控制驱动装置60以驱动本体10顺时针或逆时针旋转角度，或者是在角度范围内往复式地来回旋转，当然也可以做360度顺时针或逆时针环场的旋转，如此本发明的环境测距装置100可以进行多种不同型态的扫描与测距。
本发明更提供一种环境测距装置100的另一实施例包括本体10、激光束发射模块20、影像撷取模块30、角度侦测机构40以及处理控制单元90。本体10可绕轴L旋转，该激光束发射模块20设置于该本体10，并用以发出激光束至被测物而在该被测物上形成光斑，该影像撷取模块30设置于该本体10，并用以撷取该被测物影像的光斑，该角度侦测机构40用以侦测该本体10自起始部旋转后的角度，并传送角度数据，该处理控制单元90与该影像撷取模块30及该角度侦测机构40形成电性连接,用以接收含该光斑的影像并计算出该被测物的距离及该角度数据以控制该本体10的旋转。其中，本发明的另一实施例的环境测距装置100也利用雷射的三角量测法来测距(参阅图7)。
当本发明的环境测距装置100安装于自走式装置时，例如安装于扫地机器人，除了可以做360度环场扫描以侦测环境之外，当环境发生局部变化时，例如有人员进入时，自走式装置可以利用本发明的环境测距装置100反复地对该局部环境进行扫描，或者是对于测距不易的物体也可以快速重复扫描。
本发明的环境测距装置100是以雷射光斑影像三角量测法测距，不同于已知的自走式装置是以雷射飞行时间或相位方式测距，而雷射光斑影像三角量测法还可以应用于三度空间的测距并建立环境的几何模型，可以扩大自走式装置的应用层面。角度侦测机构40使用圆形的光栅盘42，以编码器的作动原理来量测角度，除了可控制正反转扫瞄外，亦可特定角度、方向或特定角度范围扫瞄，对于被测物表面测距不易的对象，可快速重复扫瞄。另外，本发明的环境测距装置100使用无衍射激光束，无衍射激光束具有主光斑小、光斑尺寸不随传输距离而变化等重要特点，可避免一般高斯激光束的光斑随着距离变长而变大的问题，可提高量测距离及精度。
另外，有关该环境测距装置100所测得的距离数据可以由设在该本体10的屏幕显示、利用无线传输而显示于行动装置的屏幕、储存于安全数字卡/记忆卡(Secure Digital Memory Card/SD/miniSD/microSD)或者云端储存空间或者也可以用影音的方式告知该距离数据。
本发明虽以实施例揭露如上，但其非用以限定本发明的范围，本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (11)

1.一种环境测距装置，其特征在于，包括：
本体，可绕轴旋转；
激光束发射模块，设置于该本体，并用以发出激光束至被测物而在该被测物上形成光斑；
影像撷取模块，设置于该本体，并用以撷取该被测物影像的光斑；
角度侦测机构，用以侦测该本体自起始部旋转后的角度，并传送角度数据；
处理控制单元，用以接收含该光斑的影像及该角度数据以控制该本体的旋转，其中藉由该激光束发射模块、该影像撷取模块及该光斑三处构成虚拟三角形，并根据三角测量法计算出该被测物与该本体的距离。
2.如权利要求1所述的环境测距装置，其特征在于，该激光束为无衍射激光束。
3.如权利要求1所述的环境测距装置，其特征在于，该角度侦测机构包括：
光栅盘，结合于该本体并具有复数个狭缝；
光源，发出光束，该光束可通过这些狭缝；
接收器，接收通过该格栅的该光束，并产生该角度数据，该光源与该接收器分别位于该光栅盘的两侧。
4.如权利要求1所述的环境测距装置，其特征在于，更包括驱动装置，该处理控制单元控制该驱动装置而驱动该本体绕该轴旋转。
5.如权利要求4所述的环境测距装置，其特征在于，该驱动装置包括马达。
6.如权利要求5所述的环境测距装置，其特征在于，该驱动装置更包括传动件，联结该本体以及该马达，该马达藉由该传动件驱动该本体绕该轴旋转。
7.如权利要求4所述的环境测距装置，其特征在于，更包括承座，该驱动装置设置于该承座。
8.如权利要求1所述的环境测距装置，其特征在于，该本体可绕该轴顺时针或反时针旋转既定角度。
9.如权利要求1所述的环境测距装置，其特征在于，该激光束的行进方向与该影像撷取模块的光轴具有夹角。
10.一种环境测距装置，其特征在于，包括：
本体，可绕轴旋转；
激光束发射模块，设置于该本体，并用以发出激光束至被测物而在该被测物上形成光斑；
影像撷取模块，设置于该本体，并用以撷取该被测物影像的光斑；
角度侦测机构，用以侦测该本体自起始部旋转后的角度，并传送角度数据；
处理控制单元，与该影像撷取模块及该角度侦测机构形成电性连接,用以接收含该光斑的影像并计算出该被测物的距离及该角度数据以控制该本体的旋转。
11.一种自走式装置，其特征在于，包括如权利要求1至10中任一项所述的环境测距装置。
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