CN113252035A - 光学导航装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学导航装置，包括多个光源、一感测元件以及一控制电路。多个光源用以发出多个光束至一待测面上，其中这些光束入射至待测面的不同位置，以形成多个待测区域。感测元件用以接收这些光束经待测面反射后的多个反射光束。控制电路与这些光源及感测元件电性连接。每一反射光束形成一感测图像。控制电路利用这些感测图像在多个不同时间之间的关联性，以计算出光学导航装置的移动轨迹。

Description

光学导航装置
技术领域
本发明涉及一种装置，尤其涉及一种光学导航装置。
背景技术
扫地机器人从1996年发展至今已逾20年，但直到近几年才开始获得消费者的注意，其主要是因为软、硬件技术上的各别突破。评价一个扫地机器人不外乎两个指标，一是清洁率，二是覆盖率。清扫效果取决于机身硬件结构设计，而覆盖程度则是取决于软件的算法与导航技术。换句话说，清洁率则表示清扫效果，而覆盖率代表扫地机器人的清扫效率，两者缺一不可。因此，通过不同的导航技术进行路径计算与预估来提升清洁效率是目前厂商急需精进与改善中的技术。
再者，导航技术分为被动式导航与主动式导航两种。被动式导航通常利用简单的碰撞式反馈，并搭配机械滚轮移动达成距离、端点的测量，进而达成轨迹的检测。然而，此碰撞的方式容易造成家具的损伤，且滚轮移动容易因物体障碍造成实际上未移动等误判。
主动式导航也分为三种：惯性导航、视觉导航(visual SimultaneousLocalization and Mapping，vSLAM)和激光导航(Laser Direct Structuring SLAM，LDSSLAM)。惯性导航：惯性传感器使用陀螺仪和加速度计得到扫地机器人的角加速度和线加速度信息，并通过积分获得扫地机器人的位置信息。但是其精度也受陀螺仪漂移、标定误差、敏感度等问题影响。而且，随着行驶时间、距离的不断增加等累积误差，其误差也不断增大。
视觉导航：依靠摄像头来取得环境的图像，并利用图像之间的差异来计算扫地机器人的位置信息。然而，此定位方式受光照条件影响大，且对于复杂场景的算法的要求度高。由于是依靠摄像头来完成定位，所以在光线过强或者无光的室内使用，会直接使扫地机器人迷失方向，并且成本较高。
激光导航：通过激光测距传感器对房间进行扫描，以快速获取距离信息。当激光投射到障碍物上时，会形成光斑，同时图像传感器会根据光斑的像素序号来计算到激光测距传感器的中心距离。然而，激光导航的成本也偏高，且校正的准确度与距离的检测关系密切，造成应用上不容易普及。
发明内容
本发明是针对一种光学导航装置，其能提供准确度高的定位结果，且成本较低。
本发明的一实施例的光学导航装置包括多个光源、一感测元件以及一控制电路。多个光源用以发出多个光束至一待测面上，其中这些光束入射至待测面的不同位置，以形成多个待测区域。感测元件用以接收这些光束经待测面反射后的多个反射光束。控制电路与这些光源及感测元件电性连接。每一反射光束形成一感测图像。控制电路利用这些感测图像在多个不同时间之间的关联性，以计算出光学导航装置的移动轨迹。
在本发明的一实施例中，上述的控制电路控制这些光源依序发出这些光束，以使感测元件依序感测分别由这些光束所产生的这些感测图像，并利用这些感测图像分别在多个不同的时间的位置上的差异，计算出光学导航装置的移动角度。
在本发明的一实施例中，上述的感测元件与控制电路整合于同一芯片。
在本发明的一实施例中，上述的感测元件与控制电路分属不同的两个芯片。
在本发明的一实施例中，上述的感测元件包括多个感测像素。这些感测像素排成阵列。
在本发明的一实施例中，上述的这些光源以垂直于光学导航装置的行进方向发出这些光束。
在本发明的一实施例中，光学导航装置还包括多个反射元件。多个反射元件设置在这些光束由这些光源至待测面的传递路径上。
在本发明的一实施例中，光学导航装置还包括多个透镜。多个透镜设置在这些光束由这些光源至这些反射元件的传递路径上。
在本发明的一实施例中，光学导航装置还包括多个成像镜头。多个成像镜头设置在这些反射光束由待测面至感测元件的传递路径上。
在本发明的一实施例中，上述的这些待测区域的排列方向与光学导航装置的行进方向不互相平行。
在本发明的一实施例中，上述的这些待测区域的排列方向与光学导航装置的行进方向互相垂直。
在本发明的一实施例中，上述的这些光源为发光二极管或激光二极管。
基于上述，在本发明实施例的光学导航装置中，由于光学导航装置包括多个光源，且光束入射至待测面的不同位置，以形成多个待测区域，因此，光学导航装置可在成本较低的情况下，仍能提供准确度高的定位结果。
附图说明
图1是依据本发明实施例的光学导航装置的立体示意图；
图2是依据本发明实施例的光学导航装置的剖面示意图；
图3A至图3C示意了本发明实施例的光学导航装置的移动轨迹的不同的示例。
附图标记说明
100:光学导航装置
110:光源
120:感测元件
130:控制电路
140:反射元件
150:透镜
160:成像镜头
A1、A2:待测区域
B1、B2:光束
G:待测面
I1、I2:感测图像
P1、P2:位置
R1、R2:反射光束
具体实施方式
现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
图1是依据本发明实施例的光学导航装置的立体示意图。图2是依据本发明实施例的光学导航装置的剖面示意图。请同时参考图1与图2，本发明的一实施例的光学导航装置100包括多个光源110、一感测元件120以及一控制电路130。控制电路130与光源110及感测元件120电性连接。在本实施例中，光源110可为发光二极管或激光二极管。感测元件120可为互补金氧半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)或电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)。感测元件120与控制电路130例如是设置在印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)上。但本发明的光源110、感测元件120以及控制电路130不以上述为限。在一实施例中，感测元件120与控制电路130可整合于同一芯片。在另一实施例中，感测元件120与控制电路130分属不同的两个芯片。
为方便说明，图1与图2简单示意了两个光源110。图2中的待测面G例如是地面或天花板。在本实施例中，多个光源110用以发出多个光束B1、B2至待测面G上，其中光束B1、B2入射至待测面G的不同位置P1、P2，以形成多个待测区域A1、A2。详细来说，光束B1、B2入射至待测面G上形成了多个光斑。每个光斑所涵盖的区域可为待测区域A1、A2。
在本实施中，感测元件120包括多个感测像素。为了使光学导航装置100能有效地识别光束B1、B2在每个待测区域A1、A2所形成图像的差异，例如是每个待测区域A1、A2内的光斑的位置随时间的变化程度，感测像素可为m×1、1×m、m×n、n×m或m×m的阵列结构，其中m与n为大于等于2的正整数。
再者，在本实施例中，感测元件120用以接收光束B1、B2经待测面G反射后的多个反射光束R1、R2。每一反射光束R1、R2各自形成一感测图像。控制电路130利用感测图像在多个不同时间之间的关联性，以计算出光学导航装置100的移动轨迹。
举例来说，图3A至图3C示意了本发明实施例的光学导航装置的移动轨迹的不同的示例。在图3A至图3C中，每一个光点示意了在一个时间点的一个感测图像，X方向为直行方向，且Y方向为右行方向。感测图像I1、I2例如分别为反射光束R1、R2所形成的图像。为了方便说明，反射光束R1对应为第一光源110与第一光束B1，且反射光束R2对应为第二光源110与第二光束B2。为了方便示意，图3A至图3C将不同时间的感测图像I1、I2示出在同一张附图。例如，在图3A中，第一光源110在第一时间发出第一光束B1，且感测元件120取得感测图像I1。第二个光源110在第二时间发出第二光束B2，且感测元件120取得感测图像I2。接着，第一光源110在第三时间发出第一光束B1，且感测元件120取得感测图像I1。第二个光源110在第四时间发出第二光束B2，且感测元件120取得感测图像I2。依此类推，多个光源110之间轮流发出多个光束B1、B2，以使感测元件取得多个不同的时间的感测图像I1、I2。再者，控制电路130分析多个不同时间的感测图像I1之间的关联性以及多个不同时间的感测图像I2之间的关联性，以计算出相对移动量，其中关连性例如是感测图像I1、I2中的光斑在不同时间的位置上的差异。举例而言，例如是分析第一时间所取得的感测图像I1与第三时间所取得的感测图像I1的差异以计算出光学导航装置100相对于待测区域A1的移动量，且分析第二时间所取得的感测图像I2与第四时间所取得的感测图像I2的差异以计算出光学导航装置100相对于待测区域A2的移动量。然后，再利用前述感测图像I1之间的关联性以及感测图像I2之间的关联性计算出光学导航装置100的移动角度。也就是根据光学导航装置100相对于待测区域A1的移动量与光学导航装置100相对于待测区域A2的移动量来计算出光学导航装置100的移动角度。在图3A中，由于感测图像I1之间的相对移动量相同于感测图像I2之间的相对移动量，控制电路130可计算出光学导航装置100的移动轨迹为直行。
依此类推，在图3B中，感测图像I2之间的相对移动量明显小于感测图像I1之间的相对移动量，因此，控制电路130可计算出光学导航装置100的移动轨迹为右行(即右转)。同理，依据图3C，控制电路130可计算出光学导航装置100的移动轨迹为左行(即左转)。也就是说，在本实施例中，控制电路130可控制光源110依序发出光束B1、B2，以使感测元件120依序感测分别由光束B1、B2所产生的感测图像I1、I2，并利用感测图像I1、I2分别在多个不同的时间的位置上的差异，计算出光学导航装置100的移动角度。
基于上述，在本发明实施例的光学导航装置100中，由于光学导航装置100包括多个光源110，且光束B1、B2入射至待测面G的不同位置P1、P2，以形成多个待测区域A1、A2，因此，光学导航装置100可在成本较低的情况下，仍能提供准确度高的定位结果。而且，当光源110的数量越多，定位结果的准确度越高。再者，光学导航装置100利用感测图像在多个不同时间之间的关联性来判断光学导航装置100的移动轨迹，因此避免了因物体障碍造成光学导航装置100实际上未移动等误判。
此外，当光学导航装置100的光源110选择使用指向性较高的发光二极管或激光二极管时，光学导航装置100的控制电路130可较佳地判断在不同时间形成的感测图像I1、I2之间的关联性。再者，待测面G可为地面或天花板，因此使用者可依据使用环境的差异选择较佳的待测面G。
在本实施例中，光源110以垂直于光学导航装置100的行进方向发出光束B1、B2，其中直行方向例如是X轴的方向，且光源110例如以Z轴的方向发出光束B1、B2。再者，光学导航装置100还包括多个反射元件140。反射元件140设置在光束B1、B2由光源110至待测面G的传递路径上。
在一实施例中，光源110也可不通过反射元件，并直接使光束B1、B2入射至待测面G的位置P1、P2上。
在一实施例中，光学导航装置100还包括多个透镜150。透镜150设置在光束B1、B2由光源110至反射元件140的传递路径上，以使光束B1、B2准直或使光束B1、B2聚焦在待测面G上。因此，光学导航装置100取得的感测图像I1、I2的信噪比可提高，使得定位结果更佳。
在一实施例中，光学导航装置100还包括多个成像镜头160。成像镜头160设置在反射光束R1、R2由待测面G至感测元件120的传递路径上。成像镜头160也可使感测图像I1、I2的识别度提高，因此使得定位结果更佳。
除此之外，为了使光学导航装置100可判断不同时间形成的感测图像I1、I2之间的关联性，在本实施例中，待测区域A1、A2的排列方向与光学导航装置100的行进方向可不互相平行，且待测区域A1、A2的排列方向与光学导航装置100的行进方向较佳为互相垂直。例如，待测区域A1、A2的排列方向为Y轴的方向，且光学导航装置100的行进方向为X轴的方向。
综上所述，在本发明实施例的光学导航装置中，由于光学导航装置包括多个光源，且光束入射至待测面的不同位置，以形成多个待测区域，因此，光学导航装置可在成本较低的情况下，仍能提供准确度高的定位结果。而且，当光源的数量越多，定位结果的准确度越高。再者，光学导航装置利用感测图像在多个不同时间之间的关联性来判断光学导航装置的移动轨迹，因此避免了因物体障碍造成光学导航装置实际上未移动等误判。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (12)

1.一种光学导航装置，其特征在于，包括：
多个光源，用以发出多个光束至待测面上，其中所述多个光束入射至所述待测面的不同位置，以形成多个待测区域；
感测元件，用以接收所述多个光束经所述待测面反射后的多个反射光束；以及
控制电路，与所述多个光源及所述感测元件电性连接，其中每一反射光束形成感测图像，所述控制电路利用所述多个感测图像在多个不同时间之间的关联性，以计算出所述光学导航装置的移动轨迹。
2.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述控制电路控制所述多个光源依序发出所述多个光束，以使所述感测元件依序感测分别由所述多个光束所产生的所述多个感测图像，并利用所述多个感测图像分别在多个不同的时间的位置上的差异，计算出所述光学导航装置的移动角度。
3.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述感测元件与所述控制电路整合于同一芯片。
4.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述感测元件与所述控制电路分属不同的两个芯片。
5.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述感测元件包括多个感测像素，所述多个感测像素排成阵列。
6.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述多个光源以垂直于所述光学导航装置的行进方向发出所述多个光束。
7.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，还包括：
多个反射元件，设置在所述多个光束由所述多个光源至所述待测面的传递路径上。
8.根据权利要求7所述的光学导航装置，其特征在于，还包括：
多个透镜，设置在所述多个光束由所述多个光源至所述多个反射元件的传递路径上。
9.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，还包括：
多个成像镜头，设置在所述多个反射光束由所述待测面至所述感测元件的传递路径上。
10.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述多个待测区域的排列方向与所述光学导航装置的行进方向不互相平行。
11.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述多个待测区域的排列方向与所述光学导航装置的行进方向互相垂直。
12.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述多个光源为发光二极管或激光二极管。
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