CN109725322A - 距离感测装置 - Google Patents

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Abstract

一种距离感测装置，包括光学测距元件、旋转元件以及无线信号发射器。光学测距元件用以取得原始数据。旋转元件设置于光学测距元件的第一侧。旋转元件包括承载部，光学测距元件设置于承载部，并且旋转元件用以通过承载部使光学测距元件旋转。无线信号发射器耦接于光学测距元件并设置于光学测距元件的第二侧，用以发射包括所述原始数据的信号。光学测距元件的第一侧不同于光学测距元件的第二侧。

Description

距离感测装置
技术领域
本发明涉及一种距离感测装置。
背景技术
激光雷达(Lidar)装置于目前市场上应用越来越广泛。举例而言，在扫地机器人、自驾车领域中，其主要通过激光雷达装置具有高精确度的特性，来描绘周围环境状态，从而达成避开障碍物、规划路径等目的。
激光雷达装置为了达到高解析度及360度视角，目前较常见的作法之一是利用中空的马达与旋转平台来承载激光收发模块，并且利用控制电路来控制马达与旋转平台，进而旋转激光收发模块。在这样的设计下，激光收发模块所取得的信号能够经由中空马达与旋转平台的中空管道来传递至激光雷达装置的控制电路。然而，中空的机械结构设计较为复杂而提升了制造成本。
另一种常见的作法是利用机械式滑环来承载并旋转激光收发模块。通过机械式滑环上所设置的电极，能够将激光收发模块所取得的信号传递至激光雷达装置的控制电路。然而，机械式滑环的定子与转子之间的摩擦会导致机械式滑环寿命的下降，但若使用水银滑环来解决摩擦问题却又大幅提升了成本。
据此，如何能够设计出一种低成本且简单的机械结构来将激光雷达装置中激光收发模块所取得的信号传递至控制电路，是解决目前激光雷达装置高昂价格的重要课题之一。
发明内容
本发明提供一种距离感测装置，机械结构简单并具有较低的制造成本，且同时能够维持使用寿命。
本发明的距离感测装置包括光学测距元件、旋转元件以及无线信号发射器。光学测距元件用以取得原始数据。旋转元件设置于光学测距元件的第一侧。旋转元件包括承载部，光学测距元件设置于该承载部，并且旋转元件用以通过承载部使光学测距元件旋转。无线信号发射器耦接于光学测距元件并设置于光学测距元件的第二侧，用以发射包括所述原始数据的信号。光学测距元件的第一侧不同于光学测距元件的第二侧。
基于上述，本发明实施例所提供的距离感测装置利用结构简单的旋转元件来旋转光学测距元件，并且利用无线信号来把光学测距元件的数据传递至控制电路。特别是，旋转元件与无线信号的发射器是设置于光学测距元件的两侧。据此，能够降低距离感测装置的制造成本，并且延长距离感测装置的使用寿命。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1为本发明一实施例的距离感测装置的结构示意图。
图2A为本发明一实施例的光学测距元件的侧视示意图。
图2B为本发明一实施例的光学测距元件的俯视示意图。
图3为本发明另一实施例的距离感测装置的结构示意图。
图4A为本发明另一实施例的无线信号发射器以及无线充电接收器的侧视示意图。
图4B为本发明另一实施例的无线信号发射器以及无线充电接收器的俯视示意图。
符号说明
100、200：距离感测装置；
110：光学测距元件；
111：光发射元件；
112：光接收元件；
120：旋转元件；
121：马达；
122：承载部；
130：无线信号发射器；
140：无线信号接收器；
150：控制电路；
160：无线充电发射器；
170：无线充电接收器；
CL：导线；
CO：感应线圈；
CS：壳体；
DL：匀光片；
FM：磁导性材料；
IC：电路；
LD：激光二极管；
PD：光电二极管；
RA：旋转轴；
SD1：第一侧；
SD2：第二侧。
具体实施方式
图1为本发明一实施例的距离感测装置的结构示意图。
请参照图1，在本实施例中，距离感测装置100包括光学测距元件110、旋转元件120、无线信号发射器130、无线信号接收器140以及控制电路150，且上述各元件皆容置于壳体CS之中。在一实施例中，距离感测装置110例如实作为激光雷达(Lidar)装置，其控制电路150耦接于旋转元件120以及无线信号接收器140，用以控制旋转元件120旋转，并且接收来自无线信号接收器140的信号。
光学测距元件110用以取得对应于距离深度的原始数据。在一实施例中，光学测距元件110例如为激光收发元件，用以发射激光脉冲，激光脉冲在打到物体表面后会反射而使光学测距元件110接收到反射的激光脉冲。在此实施例中，原始数据例如是对应于激光脉冲被发射与接收的两时间点，而此两时间点的时间差可以对应于光子的飞行时间(time offlight)。据此，将光子的飞行时间搭配光速便能够计算出光学测距元件110到物体的距离。
图2A为本发明一实施例的光学测距元件的侧视示意图；图2B为本发明一实施例的光学测距元件的俯视示意图。
请参照图2A与图2B，在本实施例中，光学测距元件110例如是由一个光发射元件111与光接收元件112所组成。光发射元件111例如包括一个激光二极管LD与匀光片(diffuser lens)DL，激光二极管LD所发出的一道激光脉冲经过匀光片DL而漫射形成多道(例如但不限于，16道)激光脉冲；而光接收元件112例如为包括多个光电二极管PD(例如但不限于，16个)的光电二极管阵列(例如但不限于，1*16的阵列)，用以接收经由匀光片所形成的多道激光脉冲打到物体表面后的多道反射的激光脉冲。通过本实施例的匀光片DL，光接收元件112可以将一个激光二极管LD所发出的一道激光脉冲扩展为多道激光脉冲，以节省激光二极管LD的数量。
然而，本发明并不在此限制光学测距元件110与其所取得的原始数据的具体实作方式与数据型式。在其他实施例中，光学测距元件110也可例如使用结构光或其他不同的方式来取得对应于距离深度的原始数据，所属技术领域技术人员当可依其需求来实作光学测距元件110以取得原始数据。
旋转元件120是连接于光学测距元件110，用以使光学测距元件110旋转，其例如可包括马达与旋转平台的组合，但不限于此。在一实施例中，旋转元件120包括马达121与作为转盘的承载部122，其中马达121通过转轴AX连接于承载部122，并且光学测距元件110固定于承载部122。因此，在马达121启动时可通过承载部122来带动光学测距元件110沿着旋转轴RA旋转。必须说明的是，上述的旋转轴RA指的是光学测距元件110旋转时的对称轴(axisof rotation)，而非实体的元件。
无线信号发射器130是耦接于光学测距元件110，用以接收来自光学测距元件110的原始数据，并且发射包括此原始数据的信号。在一实施例中，无线信号发射器130是电性连接(例如，以实体的导线连接)于光学测距元件110，来接收光学测距元件110的原始数据，但本发明并不限于此。
无线信号接收器140耦接于控制电路150，并且与无线信号发射器130是对应地设置，用以从无线信号发射器130接收包括原始数据的信号，并将其转送至控制电路150。在一实施例中，无线信号接收器140与控制电路150例如是两个独立的元件，其间以实体的导线相互连接，但本发明并不限于此。在另一实施例中，无线信号接收器140也可例如是整合于控制电路150，以作为一个整体来实作。
无线信号接收器140与无线信号发射器130相容于相同的无线通信频段与协定。在一实施例中，无线信号发射器130例如为红外线发射器，且无线信号接收器140例如为红外线接收器。在其他实施例中，无线信号发射器130也可例如为Wi-Fi或蓝牙发射器，且无线信号接收器140例如为Wi-Fi或蓝牙接收器。
控制电路150用以从无线信号接收器140接收包括原始数据的信号，并且将原始数据转换为距离数据。在一实施例中，控制电路150连接于马达121，用以控制马达121的转速。在一实施例中，距离感测装置100是用以设置于外部电子装置(例如但不限于，扫地机器人等)上，而控制电路150还用以将所计算的距离数据传递至外部电子装置。
在本实施例中，控制电路150是设置于旋转元件120的第一侧(例如，对应图1的下方)，而光学测距元件110是设置于旋转元件120的第二侧(例如，对应图1的上方)。特别是，在本实施例中，旋转元件120是设置于光学测距元件110的第一侧SD1(例如，对应图1的下方)，并且无线信号发射器130是设置于光学测距元件110的第二侧SD2(例如，对应图1的上方)。具体来说，相对于距离感测装置100，光学测距元件110与无线信号发射器130皆是设置在旋转元件120的上方，而控制电路150是设置在旋转元件120的下方(例如，距离感测装置100的底部)。在这样的设置之下，旋转元件120的马达121与承载部122并不需要中空的结构，光学测距元件110也能够通过无线信号发射器130以及无线信号接收器140来将信号传递至控制电路150。
在本发明的一实施例中，无线信号发射器130例如为Wi-Fi或蓝牙发射器，而无线信号接收器140例如为Wi-Fi或蓝牙接收器。由于Wi-Fi与蓝牙信号皆为不必要具有方向性的无线信号，因此可例如设置于距离感测装置100的任意位置。举例而言，无线信号发射器130例如是以导线连接于光学测距元件110，并与光学测距元件110共同固定于承载部122；而无线信号接收器140例如是整合于控制电路150中，用以接收来自无线信号发射器130的Wi-Fi或蓝牙信号。
在本发明的另一实施例中，无线信号发射器130例如为红外线发射器，且无线信号接收器140例如为红外线接收器。如图1所示，无线信号发射器130耦接(例如，以导线连接)于光学测距元件110，并通过旋转轴RA地设置于光学测距元件110的上方。此外，无线信号接收器140例如是依附壳体CS的顶部内侧，并且同样通过旋转轴RA地设置于于光学测距元件110的上方。另一方面，控制电路150例如是设置于光学测距元件110与旋转元件120的下方(例如，壳体CS的底部内侧)，并且通过依附壳体CS内侧设置的导线CL连接至无线信号接收器140。如此一来，在光学测距元件110随着旋转元件120转动时，可将数据传递至无线信号发射器130，而无线信号发射器130能够稳定地将以红外线信号的型式将数据传递至无线信号接收器140，进而通过导线CL传递至控制电路150。须注意的是，本发明并不限于此。在此实施例的设置方式下，无线信号发射器130也可以是Wi-Fi或蓝牙发射器，而无线信号接收器140也可以是Wi-Fi或蓝牙接收器。
图3为本发明一实施例的距离感测装置的结构示意图。基于图1实施例的设置方式的特性，在本实施例的距离感测装置200中还设置有无线充电发射器160与无线充电接收器170。在本实施例中，距离感测装置200至少包括光学测距元件110、旋转元件120、无线信号发射器130、无线信号接收器140、控制电路150、无线充电发射器160以及无线充电接收器170，且上述各元件皆容置于壳体CS之中，本实施例与图1实施例具有相同的标号的部分是用以表示相同的元件，故在此不再赘述。
在本实施例中，无线充电发射器160与无线信号接收器140共同依附壳体CS顶部内侧，通过旋转轴RA地设置于光学测距元件110的上方，用以接收来自壳体CS外部的充电电源并传输至无线充电接收器170。另一方面，无线充电接收器170对应于无线充电发射器160设置，并且与无线信号发射器130共同通过旋转轴RA地设置于光学测距元件110的上方。此外，无线充电接收器170还有线或无线地耦接于光学测距元件110，用以从无线充电发射器160接收充电电源，以对光学测距元件110进行充电。据此，即使在光学测距元件110转动时，无线充电发射器160也能够将充电电源传递至无线充电接收器170，以对光学测距元件110进行充电。
图4A为本发明一实施例的无线信号发射器与无线充电接收器的侧视示意图；图4B为本发明一实施例的无线信号发射器与无线充电接收器的俯视示意图。
在一实施例中，无线信号发射器130例如为红外线发射器，且无线信号接收器140例如为红外线接收器，而无线信号发射器130与无线充电接收器170可例如以图4A与图4B所示的方式来设置。具体来说，本实施例的无线信号发射器130与无线充电接收器170共同设置成三层结构。第一层结构中包括无线充电接收器170的感应线圈CO；第二层结构中包括无线充电接收器170的圆盘状磁导性材料FM，其中在圆盘状磁导性材料FM的中央设有开孔；而第三层结构中包括无线信号发射器130以及用以控制无线充电接收器170以及无线信号发射器130的电路IC。其中电路IC电性连接于光学测距元件110以将包括原始数据的信号发射至无线信号接收器140，或提供光学测距元件110电力。在本实施例中，无线信号发射器130设置于第三层结构的中央，以通过第二层结构的开孔发射信号。
在另一实施例中，无线信号发射器130例如为Wi-Fi或蓝牙发射器，而无线信号接收器140例如为Wi-Fi或蓝牙接收器，并且无线信号发射器130与无线充电接收器170也可如图4A与图4B是共同设置成三层结构。其差别在于，由于Wi-Fi与蓝牙信号皆为不必要具有方向性的无线信号，因此无线信号发射器130可例如是整合在电路IC中，而不需要在上述第二层结构的圆盘状磁导性材料FM的中央设置开孔。
值得一提的，在符合图3实施例所描述的设置方式的前提下，本发明并不在此限制无线充电的具体实作方式，所属技术领域技术人员可依其需求使用各种无线充电技术来实作本实施例的无线充电发射器160与无线充电接收器170。
值得一提的是，如图3所示，本实施例中无线信号发射器130与无线充电接收器170是设置于承载部122的上层板的上方。然而，本发明并不限于此。在其他实施例中，无线信号发射器130与无线充电接收器170也可以是内嵌于承载部122的上层板，以在光学测距元件110旋转时与光学测距元件110共同转动。
综上所述，本发明实施例所提供的距离感测装置利用结构简单的旋转元件来旋转光学测距元件，并且利用无线信号来把光学测距元件的数据传递至控制电路。特别是，旋转元件与无线信号的发射器是设置于光学测距元件的两侧。据此，能够降低距离感测装置的制造成本，并且延长距离感测装置的使用寿命。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种距离感测装置，包括：
光学测距元件，用以取得原始数据；
旋转元件，设置于所述光学测距元件的第一侧，其中所述旋转元件包括承载部，所述光学测距元件设置于所述承载部，并且所述旋转元件用以通过所述承载部使所述光学测距元件旋转；以及
无线信号发射器，耦接于所述光学测距元件并设置于所述光学测距元件的第二侧，用以发射包括所述原始数据的信号，其中所述光学测距元件的所述第一侧不同于所述光学测距元件的所述第二侧。
2.根据权利要求1所述的距离感测装置，还包括
控制电路，用以接收所述原始数据并且将所述原始数据转换为距离数据；以及
无线信号接收器，耦接于所述控制电路，用以接收所述原始数据的所述信号并将所述信号传递至所述控制电路。
3.根据权利要求2所述的距离感测装置，其中所述信号为红外线信号，所述旋转元件用以通过所述承载部使所述光学测距元件沿旋转轴旋转，并且所述无线信号发射器以及所述无线信号接收器皆设置于所述旋转轴上。
4.根据权利要求3所述的距离感测装置，其中所述控制电路耦接于所述旋转元件并且设置于所述旋转元件的下方，用以控制所述旋转元件，其中所述光学测距元件设置于所述旋转元件的上方，并且所述无线信号发射器以及所述无线信号接收器皆设置于所述光学测距元件的上方。
5.根据权利要求4所述的距离感测装置，还包括：
壳体，用以容置所述光学测距元件、所述旋转元件、所述无线信号发射器、所述无线信号接收器以及所述控制电路，其中所述无线信号接收器设置于所述壳体内侧；以及
导线，依附所述壳体内侧设置并用以将所述无线信号接收器连接至所述控制电路。
6.根据权利要求2所述的距离感测装置，其中所述光学测距元件包括光发射元件以及光接收元件，其中所述光发射元件包括：
激光二极管，用以产生激光脉冲；以及
匀光片，设置于所述激光脉冲的路径上，用以将所述激光脉冲漫射为多道激光脉冲。
7.根据权利要求1或2所述的距离感测装置，其中所述旋转元件用以通过所述承载部使所述光学测距元件沿旋转轴旋转，所述距离感测装置还包括：
壳体，用以容置所述光学测距元件、所述旋转元件以及所述无线信号发射器；
无线充电发射器，设置于所述壳体上，用以传输充电电源；以及
无线充电接收器，耦接于所述光学测距元件，用以接收所述充电电源以对所述光学测距元件进行充电，其中所述无线充电发射器与所述无线充电接收器皆设置于所述光学测距元件上方的所述旋转轴上。
8.根据权利要求7所述的距离感测装置，其中所述无线信号发射器与所述无线充电接收器共同设置成三层结构于所述光学测距元件上方；
其中所述三层结构的第一层结构包括所述无线充电接收器的感应线圈，其中所述三层结构的第二层结构包括所述无线充电接收器的磁导性材料，其中所述第三层结构中包括所述无线信号发射器以及电路；
其中所述电路耦接于所述无线信号发射器、所述无线充电接收器以及所述光学测距元件，用以控制所述无线信号发射器发射包括所述原始数据的所述信号，以及通过所述无线充电接收器提供所述光学测距元件电力。
9.根据权利要求8所述的距离感测装置，其中所述信号为红外线信号，并且所述第二层结构的中心设置有开孔，其中所述无线信号发射器设置于所述第三层结构的中心，以通过所述开孔发射所述信号。
10.根据权利要求1所述的距离感测装置，其中所述距离感测装置为激光雷达装置，所述光学测距元件为激光收发元件，并且所述旋转元件为马达与旋转平台的组合。
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