TWI608320B - 三維軌跡驗證裝置及其方法 - Google Patents

Description

三維軌跡驗證裝置及其方法

本發明涉及一種本發明涉及一種軌跡驗證裝置及其方法，特別是三維軌跡驗證裝置及其方法。

隨著科技進步，人類對於生活水準的要求品質也相對提高，近年來市面上各種不同功能的電子裝置便如雨後春筍般出現。其中，無人機、平衡機器人、掃地機和相機雲台等需要時時進行姿態平衡控制的電子裝置逐漸受到關注。

上述需要時時進行姿態平衡控制的電子裝置通常包含感測模組與平台模組，利用感測模組偵測並定義其平台模組在三維空間的位置，然而，平台模組在三維空間的位置很難被定義與追蹤，且該些電子裝置時常受外部干擾導致平台模組的運動軌跡與預期的軌跡不相符。此外，平台模組的運動軌跡與預期軌跡之間的差異也很難量化紀錄。

綜上所述，可知先前技術中長期以來一直存在平台模組在三維空間的位置難以定義與追蹤以及平台模組的運動軌跡與預期軌跡之間的差異也很難量化紀錄之問題，因此實有必要提出改進的技術手段，來解決此一問題。

本發明揭露一種三維軌跡驗證裝置及其方法。

首先，本發明揭露一種三維軌跡驗證裝置，此裝置包含：平台模組、軌跡撥放模組、訊號發射模組及三維訊號接受模組。其中，平台模組用以接收運動軌跡；軌跡撥放模組用以輸出預錄軌跡；訊號發射模組連接軌跡撥放模組，用以依據預錄軌跡發射位置訊號，其中訊號發射模組與平台模組維持固定的相對位置；以及三維訊號接受模組固設於平台模組，用以接收訊號發射模組所發射的位置訊號，並輸出感測訊號至軌跡撥放模組。當預錄軌跡與運動軌跡相同時，軌跡撥放模組依據感測訊號輸出固定訊號﹔當預錄軌跡與運動軌跡不同時，軌跡撥放模組依據感測訊號輸出偏差訊號。

另外，本發明揭露一種三維軌跡驗證方法，其步驟包括：利用平台模組接收運動軌跡；利用軌跡撥放模組輸出預錄軌跡；利用訊號發射模組依據預錄軌跡發射位置訊號，其中訊號發射模組與平台模組維持固定的相對位置； 利用三維訊號接受模組接收位置訊號，並輸出感測訊號至軌跡撥放模組；當預錄軌跡與運動軌跡相同時，軌跡撥放模組依據感測訊號輸出固定訊號﹔以及當預錄軌跡與運動軌跡不同時，軌跡撥放模組依據感測訊號輸出偏差訊號。

本發明所揭露之系統與方法如上，與先前技術的差異在於本發明是透過訊號發射模組與平台模組維持固定的相對位置，使得平台模組的運動軌跡與軌跡撥放模組的預錄軌跡不同時，軌跡撥放模組依據感測訊號輸出偏差訊號。

透過上述的技術手段，本發明可以達成自動驗證平台模組實際的運動軌跡與使用者預錄的軌跡是否相同，並記錄其誤差之技術功效。

以下將配合圖式及實施例來詳細說明本發明之實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施。

在說明本發明所揭露之三維軌跡驗證裝置及其方法之前，先對本發明判斷兩物體的軌跡之間是否不同進行說明，其中軌跡係為一物體之移動路徑，也是多個位置點的集合，在本發明進行判斷兩物體的軌跡之間是否不同時，係依據同一時間兩物體之位置點間的相對位置是否改變為判斷依據，若同一時間兩物體之位置點間的相對位置發生變化，即判斷兩物體的軌跡不同﹔反之，則判斷兩物體的軌跡相同。此外，本發明所述之偏差訊號係包含同一時間兩物體之位置點間的相對位置發生變化時的變化量，該變化量可為角度或位移。

請先參閱「第1圖」、「第2圖」、「第3A圖」與「第3B圖」，「第1圖」為本發明三維軌跡驗證裝置之一實施例結構示意圖，「第2圖」為「第1圖」之平台模組、軌跡撥放模組與訊號發射模組的結構示意圖，「第3A圖」為「第1圖」之三維訊號接受模組的一視角結構示意圖，「第3B圖」為「第3A圖」之三維訊號接受模組的另一視角結構示意圖。三維軌跡驗證裝置100包含：平台模組110、軌跡撥放模組120、訊號發射模組130及三維訊號接受模組140。

其中，平台模組110用以接收運動軌跡。更詳細地說，平台模組110可結合運動平台（即待驗證運動軌跡是否符合使用者所預期的物體），因此，平台模組110與運動平台相依，運動平台與平台模組110的運動軌跡完全相同，運動平台可在三維空間進行三維度的運動，當運動平台進行翻滾（Roll）、俯仰（Pitch）或偏擺（Yaw）時，平台模組110接收該運動平台所產生的一運動軌跡，使得三維軌跡驗證裝置100可追蹤並驗證運動平台的運動軌跡。

軌跡撥放模組120用以輸出預錄軌跡，其中，預錄軌跡係為使用者事先錄製好的預錄軌跡資料，該預錄軌跡資料可包含Roll、Pitch、Yaw 與時間，使得軌跡撥放模組120可依據每一時間之Roll、Pitch與Yaw重現使用者想要運行的軌跡。

在本實施例中，軌跡撥放模組120可包含處理單元（未繪製）、儲存單元（未繪製）與機構單元，處理單元依據儲存單元所儲存的預錄軌跡資料控制機構單元以輸出預錄軌跡。其中，處理單元與儲存單元可配置於平台模組110中的容置空間內，但本實施例並非用以限定本發明，可依據需求進行位置的調整。需注意的是，為避免圖式過於複雜，處理單元與儲存單元的配置位置未繪製於圖式中。

更詳細地說，機構單元可包含第一馬達50、第二馬達52、第三馬達54、第一桿件40與第二桿件42，處理單元連接儲存單元、第一馬達50、第二馬達52與第三馬達54，儲存單元用以儲存預錄軌跡資料。第一桿件40的一端連接平台模組110，另一端連接第二桿件42，第二桿件42的另一端連接訊號發射模組130。第一馬達50配置於第一桿件40與平台模組110的連結處且第一馬達50位於第一桿件40與平台模組110之間，用以控制Yaw的運作﹔第二馬達52配置於第二桿件42與訊號發射模組130的連結處且第二馬達52與訊號發射模組130位於第二桿件42的相對兩側，用以控制Pitch的運作﹔第三馬達54配置於第二桿件42與第一桿件40的連結處且第三馬達54與第二桿件42位於第一桿件40的相對兩側，用以控制Roll的運作。從上述可知，軌跡撥放模組120係可藉由處理單元依據儲存單元所儲存的預錄軌跡資料利用第一馬達50、第二馬達52與第三馬達54控制第一桿件40與第二桿件42，進而達到輸出預錄軌跡的目的。此外，上述的連接方式可使得軌跡撥放模組120的運動不受運動平台的運動影響（即軌跡撥放模組120與運動平台之間是各自獨立運作）。

訊號發射模組130連接軌跡撥放模組120且與平台模組110維持固定的相對位置，用以依據預錄軌跡發射位置訊號。更詳細地說，訊號發射模組130連接軌跡撥放模組120，並持續沿固定方向發出一位置訊號，當軌跡撥放模組120輸出預錄軌跡時，訊號發射模組130在三維空間中的位置會隨著預錄軌跡轉動，因此，三維訊號接受模組140可由其偵測到位置訊號的方向改變即可判斷訊號發射模組130在三維空間中的位置改變。其中，訊號發射模組130所發出的位置訊號可為但不限於雷射光。舉例而言，訊號發射模組130所發出的位置訊號也可為紅外線或超聲波。

三維訊號接受模組140固設於平台模組110，用以接收訊號發射模組130所發射的位置訊號，並輸出感測訊號至軌跡撥放模組120。由於三維訊號接受模組140固設於平台模組110，因此，平台模組110與三維訊號接受模組140相依，兩者具有相同的運動軌跡。在本實施例中，三維訊號接受模組140可包含多個二維感測單元20與五面殼體22，該些二維感測單元20係以陣列方式排列配置於五面殼體22的內周壁221，且內周壁221遮蓋訊號發射模組130，以接收訊號發射模組130依據預錄軌跡轉動時所發射的位置訊號，進而判斷訊號發射模組130在三維空間中的位置改變。其中，每一二維感測單元20可為但不限於雷射光感測器，可依據實際訊號發射模組130所發出的位置訊號進行調整。舉例而言，當訊號發射模組130所發出的位置訊號為紅外線時，每一二維感測單元20可為紅外線感測器；當訊號發射模組130所發出的位置訊號為超聲波時，每一二維感測單元20可為超聲波感測器。其中，三維訊號接受模組140可以利用無線或有線的方式輸出感測訊號至軌跡撥放模組120的處理單元。

當預錄軌跡與運動軌跡相同時，軌跡撥放模120組依據感測訊號輸出固定訊號﹔當預錄軌跡與運動軌跡不同時，軌跡撥放模120組依據感測訊號輸出偏差訊號。其中，偏差訊號可包含同一時間預錄軌跡與運動軌跡之位置點間的相對位置發生變化時的變化量，該變化量可為角度或位移。

舉例而言，請參閱「第4A圖」與「第4B圖」，「第4A圖」為預錄軌跡與運動軌跡相同時三維軌跡驗證裝置之一實施例結構示意圖，「第4B圖」為預錄軌跡與運動軌跡不相同時三維軌跡驗證裝置之一實施例結構示意圖。需注意的是，為避免圖式複雜，「第4A圖」與「第4B圖」之三維訊號接受模組140係省略繪示五面殼體之其中三面。

由上述段落可知軌跡撥放模組120與運動平台之間是各自獨立運作，也就是說，軌跡撥放模組120與平台模組110之間是各自獨立運作（平台模組110與運動平台相依）。

此外，訊號發射模組130與平台模組110維持固定的相對位置，因此，平台模組110的運動座標與三維訊號接受模組140的運動座標具有固定的相對位置，使得三維訊號接受模組140的二維感測單元20a會持續收到訊號發射模組130所發射的位置訊號。

當平台模組110接收運動平台的運動軌跡的同時，軌跡撥放模組120也輸出預錄軌跡，使得當平台模組110所接收的運動軌跡與軌跡撥放模組120輸出的預錄軌跡相同時，二維感測單元20a會持續收到位置訊號（因為訊號發射模組130與平台模組110維持固定的相對位置）﹔請參照「第4B圖」，當平台模組110所接收的運動軌跡與預錄軌跡不相同時，二維感測單元20b會收到位置訊號（即訊號發射模組130與平台模組110不會維持固定的相對位置，使得不同的二維感測單元收到位置訊號），軌跡撥放模組120的處理單元可利用二維感測單元20a與二維感測單元20b之間的相對距離關係以及二維感測單元20a與二維感測單元20b接收到位置訊號的時間差計算預錄軌跡與運動軌跡之間的誤差，並輸出偏差訊號。更詳細地說，請參照「第4B圖」，假設預錄軌跡在時間t時有一上仰角 _Error，但是平台模組110沒有同步進行上仰角運動（即平台模組110所接收的運動軌跡與預錄軌跡不相同），此時二維感測單元20b會收到位置訊號。由於三維訊號接受模組140之二維感測單元陣列彼此之間的絕對位置皆為已知，故可透過二維感測單元20a與二維感測單元20b之間相對距離關係以及二維感測單元20a與二維感測單元20b接收到位置訊號的時間差T計算出目前軌跡偏差的位置，在本實施例中，平台模組110會有誤差Z _Error， ，其中，L為軌跡撥放模組120的座標原點與二維感測單元20b之間的距離。但上述例子並非用以限定本發明。

換句話說，當平台模組110所接收的運動軌跡與預錄軌跡不相同時，處理單元可透過當前接收到位置訊號的二維感測單元與先前固定持續接收位置訊號的二維感測單元之間的偏差角度以及當前接收到位置訊號10的二維感測單元與軌跡撥放模組120的座標原點之間的距離進行計算而得到對應的偏移誤差。

透過上述的機制，處理單元能夠計算出在每個時間點平台模組110與預設軌跡之間的三維偏移位移誤差以及角度誤差。同時，藉由此機制可以推論出三維軌跡驗證裝置100的驗證精準度與三維訊號接受模組140的二維感測單元的陣列密度有正相關性，當二維感測單元的陣列密度越密集時，三維軌跡驗證裝置100的驗證精準度會越高。

接著，請參閱「第5圖」，「第5圖」為第1圖之三維軌跡驗證裝置的三維軌跡驗證方法之方法流程圖，其步驟包括：利用平台模組接收運動軌跡（步驟210）；利用軌跡撥放模組輸出預錄軌跡（步驟220）；利用訊號發射模組依據預錄軌跡發射位置訊號，其中訊號發射模組與平台模組維持固定的相對位置（步驟230）；利用三維訊號接受模組接收位置訊號，並輸出感測訊號至軌跡撥放模組（步驟240）；當預錄軌跡與運動軌跡相同時，軌跡撥放模組依據感測訊號輸出固定訊號（步驟250）﹔以及當預錄軌跡與運動軌跡不同時，軌跡撥放模組依據感測訊號輸出偏差訊號（步驟260）。其中，步驟210與步驟220同步執行，其他步驟依據其因果關係而有執行先後順序的差別。

其中，請參閱「第6圖」，「第6圖」為「第5圖」之步驟220的細部流程圖。在利用軌跡撥放模組輸出預錄軌跡的步驟（即步驟220）中，更包含：利用儲存單元儲存的預錄軌跡資料（步驟310）﹔以及利用處理單元依據預錄軌跡資料控制機構單元，以輸出預錄軌跡（步驟320）。其中，預錄軌跡資料包含翻滾、俯仰、偏擺與時間，使得軌跡撥放模組依據每一時間之翻滾、俯仰與偏擺控制機構單元，以輸出預錄軌跡。

綜上所述，可知本發明與先前技術之間的差異在於透過訊號發射模組與平台模組維持固定的相對位置，使得平台模組的運動軌跡與軌跡撥放模組的預錄軌跡不同時，軌跡撥放模組依據感測訊號輸出偏差訊號，藉由此一技術手段可以解決先前技術所存在的問題。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，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，因此本發明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。

20、20a、20b‧‧‧二維感測單元

22‧‧‧五面殼體

40‧‧‧第一桿件

42‧‧‧第二桿件

50‧‧‧第一馬達

52‧‧‧第二馬達

54‧‧‧第三馬達

100‧‧‧三維軌跡驗證裝置

110‧‧‧平台模組

120‧‧‧軌跡撥放模組

130‧‧‧訊號發射模組

140‧‧‧三維訊號接受模組

221‧‧‧內周壁

_Error‧‧‧上仰角

L‧‧‧距離

步驟210‧‧‧利用平台模組接收運動軌跡

步驟220‧‧‧利用軌跡撥放模組輸出預錄軌跡

步驟230‧‧‧利用訊號發射模組依據預錄軌跡發射位置訊號，其中訊號發射模組與平台模組維持固定的相對位置

步驟240‧‧‧利用三維訊號接受模組接收位置訊號並輸出感測訊號至軌跡撥放模組

步驟250‧‧‧當預錄軌跡與運動軌跡相同時，軌跡撥放模組依據感測訊號輸出固定訊號

步驟260‧‧‧當預錄軌跡與運動軌跡不同時，軌跡撥放模組依據感測訊號輸出偏差訊號

步驟310‧‧‧利用儲存單元儲存的預錄軌跡資料

步驟320‧‧‧利用處理單元依據預錄軌跡資料控制機構單元，以輸出預錄軌跡

第1圖為本發明三維軌跡驗證裝置之一實施例結構示意圖。 第2圖為第1圖之平台模組、軌跡撥放模組與訊號發射模組的結構示意圖。 第3A圖為第1圖之三維訊號接受模組的一視角結構示意圖。 第3B圖為第1圖之三維訊號接受模組的另一視角結構示意圖。 第4A圖為預錄軌跡與運動軌跡相同時三維軌跡驗證裝置之一實施例結構示意圖。 第4B圖為預錄軌跡與運動軌跡不相同時三維軌跡驗證裝置之一實施例結構示意圖。 第5圖為第1圖之三維軌跡驗證裝置的三維軌跡驗證方法之方法流程圖。 第6圖為第5圖之步驟220的細部流程圖。

20‧‧‧二維感測單元

22‧‧‧五面殼體

40‧‧‧第一桿件

42‧‧‧第二桿件

50‧‧‧第一馬達

52‧‧‧第二馬達

54‧‧‧第三馬達

100‧‧‧三維軌跡驗證裝置

110‧‧‧平台模組

120‧‧‧軌跡撥放模組

130‧‧‧訊號發射模組

140‧‧‧三維訊號接受模組

Claims (12)

1. 一種三維軌跡驗證裝置，其包含：一平台模組，用以接收一運動軌跡；一軌跡撥放模組，用以輸出一預錄軌跡；一訊號發射模組，連接該軌跡撥放模組，用以依據該預錄軌跡發射一位置訊號，其中該訊號發射模組與該平台模組維持固定的相對位置；以及一三維訊號接受模組，固設於該平台模組，用以接收該訊號發射模組所發射的該位置訊號，並輸出一感測訊號至該軌跡撥放模組；其中，當該預錄軌跡與該運動軌跡相同時，該軌跡撥放模組依據該感測訊號輸出一固定訊號；當該預錄軌跡與該運動軌跡不同時，該軌跡撥放模組依據該感測訊號輸出一偏差訊號；其中，該三維訊號接受模組包含多個二維感測單元與一五面殼體，該些二維感測單元係以陣列方式排列配置於該五面殼體的內周壁。
2. 根據申請專利範圍第1項之三維軌跡驗證裝置，其中該軌跡撥放模組包含一處理單元、一儲存單元與一機構單元，該處理單元依據該儲存單元所儲存的一預錄軌跡資料控制該機構單元以輸出該預錄軌跡。
3. 根據申請專利範圍第2項之三維軌跡驗證裝置，其中該機構單元包含一第一馬達、一第二馬達、一第三馬達、一第一桿件與一第二 桿件，該第一桿件的一端連接該平台模組，另一端連接該第二桿件的一端，該第二桿件的另一端連接該訊號發射模組，該第一馬達配置於該第一桿件與該平台模組的連結處且該第一馬達位於該第一桿件與該平台模組之間，該第二馬達配置於該第二桿件與該訊號發射模組的連結處且該第二馬達與該訊號發射模組位於該第二桿件的相對兩側，該第三馬達配置於該第二桿件與該第一桿件的連結處且該第三馬達與該第二桿件位於該第一桿件的相對兩側，該軌跡撥放模組藉由該處理單元依據該預錄軌跡資料利用該第一馬達、該第二馬達與該第三馬達控制該第一桿件與該第二桿件，進而輸出該預錄軌跡。
4. 據申請專利範圍第2項之三維軌跡驗證裝置，其中該預錄軌跡資料包含翻滾、俯仰、偏擺與時間，使得該軌跡撥放模組依據每一時間之翻滾、俯仰與偏擺重現軌跡。
5. 根據申請專利範圍第1項之三維軌跡驗證裝置，其中該平台模組與該三維訊號接受模組相依。
6. 根據申請專利範圍第1項之三維軌跡驗證裝置，其中該訊號發射模組所發出的該位置訊號為雷射光、紅外線或超聲波。
7. 一種三維軌跡驗證方法，其步驟包括：利用一平台模組接收一運動軌跡；利用一軌跡撥放模組輸出一預錄軌跡；利用一訊號發射模組依據該預錄軌跡發射一位置訊號，其中該訊號發射模組與該平台模組維持固定的相對位置； 利用一三維訊號接受模組接收該位置訊號，並輸出一感測訊號至該軌跡撥放模組，其中該三維訊號接受模組包含多個二維感測單元與一五面殼體，該些二維感測單元係以陣列方式排列配置於該五面殼體的內周壁；當該預錄軌跡與該運動軌跡相同時，該軌跡撥放模組依據該感測訊號輸出一固定訊號；以及當該預錄軌跡與該運動軌跡不同時，該軌跡撥放模組依據該感測訊號輸出一偏差訊號。
8. 根據申請專利範圍第7項之三維軌跡驗證方法，其中該軌跡撥放模組包含一處理單元、一儲存單元與一機構單元，在利用該軌跡撥放模組輸出該預錄軌跡的步驟中，更包含：利用該儲存單元儲存的一預錄軌跡資料；以及利用該處理單元依據該預錄軌跡資料控制該機構單元，以輸出該預錄軌跡。
9. 根據申請專利範圍第8項之三維軌跡驗證方法，其中該機構單元包含一第一馬達、一第二馬達、一第三馬達、一第一桿件與一第二桿件，該第一桿件的一端連接該平台模組，另一端連接該第二桿件的一端，該第二桿件的另一端連接該訊號發射模組，該第一馬達配置於該第一桿件與該平台模組的連結處且該第一馬達位於該第一桿件與該平台模組之間，該第二馬達配置於該第二桿件與該訊號發射模組的連結處且該第二馬達與該訊號發射模組位於該第二桿件的相對兩側，該第三馬達配置於該第二桿件與該第一桿件的連結處且 該第三馬達與該第二桿件位於該第一桿件的相對兩側，該軌跡撥放模組控制該第一馬達、該第二馬達、該第三馬達、該第一桿件與該第二桿件以輸出該預錄軌跡。
10. 據申請專利範圍第8項之三維軌跡驗證方法，其中該預錄軌跡資料包含翻滾、俯仰、偏擺與時間，使得該軌跡撥放模組依據每一時間之翻滾、俯仰與偏擺控制該機構單元，以輸出該預錄軌跡。
11. 根據申請專利範圍第7項之三維軌跡驗證方法，其中該平台模組與該三維訊號接受模組相依。
12. 根據申請專利範圍第7項之三維軌跡驗證方法，其中該訊號發射模組所發出的該位置訊號為雷射光、紅外線或超聲波。