TWI637149B

TWI637149B - Distance measuring device and distance detecting method thereof

Info

Publication number: TWI637149B
Application number: TW106119438A
Authority: TW
Inventors: 康耀仁
Original assignee: 東盛精密科技有限公司
Priority date: 2017-06-12
Filing date: 2017-06-12
Publication date: 2018-10-01
Also published as: TW201903356A

Abstract

一種測距裝置包含至少三個偵測器及一處理器。至少三個偵測器分別偵測來自一被偵測物的至少三個信號分量，以得到該至少三個不同的能量。處理器電連接該至少三個偵測器，儲存一偵測器距離，該偵測器距離定義是該二偵測器間的距離。該處理器根據該至少三個信號的能量與該偵測器距離，進行運算以得到一指示該測距裝置與被偵測物間的直線投影距離。

Description

測距裝置與其距離偵測方法

本發明是有關於一種距離偵測技術，特別是指一種利用至少三個反射信號的能量來估算與被偵測物距離的測距裝置與其距離偵測方法。

現有距離偵測技術的缺點就是：缺乏以低成本的可靠偵測裝置確切得知載具與被偵測物間的實際距離，雖然高階的Lidar可以達成此目的；然而成本太高，因此，如何以低成本計算出載具與被偵測物間的實際距離，是重要的研究方向。

因此，本發明之一目的，即在提供一種以低成本解決習知所遭遇問題的距離偵測方法。

於是，本發明距離偵測方法，由一測距裝置執行，該測距裝置包括至少三個偵測器和一處理器，且該距離偵測方法包含以下步驟：

該至少三個偵測器分別偵測來自一被偵測物的至少三個信號分量，以得到該至少三個不同的能量；

該處理器儲存一偵測器距離，該偵測器距離定義是該二偵測器間的距離；

該處理器根據該至少三個信號的能量與偵測器距離，進行運算以得到指示該測距裝置與被偵測物間的直線投影距離，而藉此亦可計算得到被偵測物的角度。

本發明之另一目的，即在提供一種測距裝置。

本發明測距裝置包含至少三個偵測器及一處理器。至少三個偵測器分別偵測來自一被偵測物的至少三個信號，以得到該至少三個信號的能量。處理器電連接該至少三個偵測器，儲存一偵測器距離，該偵測器距離定義是該二偵測器間的距離。該處理器根據該至少三個信號的能量與該偵測器距離，進行運算以得到指示該測距裝置與被偵測物間的直線投影距離，而藉此亦可計算得到被偵測物的角度。

本發明之功效在於：更準確的計算該測距裝置與被偵測物間的距離。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1，本發明測距裝置之一實施例，包含至少三個偵測器S1~S3、一發射器T和一電連接該至少三個偵測器S1~S3的處理器C。

如圖2及圖3所示，該測距裝置執行一種距離偵測方法，該距離偵測方法包括以下步驟：

步驟（A）：該載具的發射器T發射出一信號，該信號由多個信號分量所組成，且該多個信號分量的一部分在一被偵測物O反射。由於本發明測距裝置可應用於掃地機器人、汽車或其他各種移動載具上，在碰撞被偵測物前的事先預警，且以下運算為方便說明，假設被偵測物O的信號反射點P為同一點。

步驟（B）：該至少三個偵測器S1~S3分別偵測來自一被偵測物的至少三個信號分量，以得到該至少三個不同的能量，該至少三個信號分量是被反射後的該信號集合的一部份。三個信號偵測器分別是第一偵測器S1、第二偵測器S2、第三偵測器S3，該至少三個信號分別是第一信號、第二信號、第三信號，也就是當偵測器接收到信號時，該第一信號分量、第二信號分量、第三信號分量的能量分別是Ea、Eb、Ec。信號分量能量的強弱會與訊號傳送距離的平方成反比。

步驟（C）：該處理器C儲存一偵測器距離，該偵測器距離定義是該二偵測器間的距離。

步驟（D）：該處理器C根據該至少三個信號分量的能量與該偵測器距離，進行運算以得到一指示該測距裝置與被偵測物間的直線投影距離，參閱圖2，其中，偵測器 S1S2S3須位於同一直線L，由該信號反射點P正投影到載具上直線L的一正投影點P’，該直線投影距離的定義是測距裝置上的一投影點P’與被偵測物O的信號反射點P間的直線距離，參數Ea是第一偵測器S1所偵測到的能量、參數Eb是第二偵測器S2所偵測到的能量、參數Ec是該第三偵測器S3所偵測到的能量、參數La是該第一偵測器S1與該被偵測物O的信號反射點P的直線距離、參數Lb是該第二偵測器S2與該被偵測物的信號反射點P的直線距離、參數Lc是該第三偵測器S3與該被偵測物的信號反射點P的直線距離、參數x是偏移量也就是該第三偵測器S3與正投影點P’ 的直線距離、參數α是該投影點P’與該第一偵測器S1的直線距離、參數β是該投影點P’與該第二偵測器S2的直線距離、參數D是該直線投影距離，參數Lc是該第三偵測器S3與該被偵測物O的信號反射點P的直線距離，如圖4所示，該步驟（D）包括以下子步驟：

子步驟（D1）：處理器C根據第一信號分量與第二信號分量的能量比，運算出一第一距離平方比，如式一，該第一距離平方比的定義是第二偵測器S2與被偵測物O的信號反射點P的距離平方與第一偵測器S1與被偵測物O的信號反射點P的距離平方的比值。

式一：

其中，該第一距離平方比的定義是第二偵測器S2與被偵測物O的距離平方與第一偵測器S1與被偵測物的距離平方的比值。

子步驟（D2）：處理器C根據第二信號分量與第三信號分量的能量比，運算出一第二距離平方比，如式二，該第二距離平方比的定義是第三偵測器S3與被偵測物O的信號反射點P的距離平方與第二偵測器S2與被偵測物O的信號反射點P的距離平方的比值。

式二：

其中，參數Eb是第二偵測器S2所偵測到的能量、參數Ec是該第三偵測器S3所偵測到的能量、參數Lb是該第二偵測器S2與該被偵測物O的信號反射點P的直線距離、參數Lc是該第三偵測器S3與該被偵測物O的信號反射點P的直線距離、參數x是該偏移量、參數D是該直線投影距離、參數α是該投影點P’與該第一偵測器S1的直線距離。

子步驟（D3）：處理器C根據第一距離平方比、第二距離平方比、偵測器間的直線距離，運算出一偏移量，該偏移量的定義是被偵測物於測距裝置的投影點P’與第三偵測器S3的信號反射點P的目標距離。

子步驟（D4）：處理器C根據第一距離平方比、偵測器間的距離、偏移量，運算出一目標距離，該目標距離定義是測距裝置與被偵測物O的信號反射點P的最短距離，如式五。子步驟（D3）與子步驟（D4）的詳細運算方式如下公式推導說明。

式三：α=d+x

式四：β=2d+x

由式一推得式五：

其中，參數K1是第二偵測器S2與被偵測物的信號反射點P的距離平方與第一偵測器S1與被偵測物O的信號反射點P的距離平方的比值、參數α是該投影點與該第一偵測器S1的直線距離、參數β是該投影點P’與該第二偵測器S2的直線距離、參數D是該目標距離。

將式五代回式二，可推得

式六：

將α=d+x，β=2d+x代入式六可推得

可推得式七：

參數K1是第二偵測器S2與被偵測物O的信號反射點P的距離平方與第一偵測器S1與被偵測物O的距離平方的比值、參數K2是第三偵測器S3與被偵測物O的信號反射點P的距離平方與第二偵測器S2與被偵測物O的信號反射點P的距離平方的比值、參數d是該偵測器距離、參數x是該偏移量。

將式七的x代回式三、式四，先得到α、β的值，再代回式五，則可得到D的值。

步驟（E）：該處理器根據該直線投影距離D與參數La~Lc、參數β、參數α、參數x分別計算出一第一角度、一第二角度，及一第三角度，其中，該第一角度的定義為第一偵測器對應該被偵測物O的角度，該第二角度的定義為第二偵測器對應該被偵測物O的角度，該第三角度的定義為第三偵測器對應該被偵測物O的角度。

參閱圖5~7，本發明距離偵測方法，更可應用於一個三維空間的距離偵測，其中，該等偵測器分別是一第一偵測器S1、一第二偵測器S2、一第三偵測器S3、一第四偵測器S4、一第五偵測器S5，該第一至第三偵測器S1~S3延一第一軸向設置，該第二及第四及第五偵測器S2、S4、S5延一第二軸向設置，該第一軸向正交於該第二軸向，被偵測物O的信號反射點P不在S1~S5所形成偵側平面上，如圖8所示，該距離偵測方法包括以下步驟：

步驟（F）：該第一至第三偵測器S1~S3與該處理器C根據步驟（B）~(D)所運算得到一第一偵測距離D1及一第二平面投影距離α2。其中，圖5及圖6的第一偵測距離D1對應上述實施例的圖2中根據二維演算法（距離偵測方法）所計算出的參數D，圖5及圖6的參數α2對應上述實施例的圖2中根據二維演算法（距離偵測方法）所計算出的參數α。

步驟（G）：該第二及第四及第五偵測器S2、S4、S5與該處理器C根據步驟（B）~(D)運算得到一第二偵測距離D2及一第一平面投影距離α1。圖5及圖6的參數D2對應上述實施例的圖2中將偵測器S1、S2、S3改為偵測器S4、S2、S5所計算出的參數D，參數α1則是對應參數α。其中，參數D1的定義是信號反射點P到第一軸向的垂直距離，參數D2的定義是信號反射點P到第二軸向的垂直距離，參數α1是參數D2在偵測平面的一投影長度，參數α2是參數D1在偵測平面的一投影長度。

步驟（H）：該處理器C根據該第一偵測距離D1、該第二偵測距離D2、該第一平面投影距離α1與該第二平面投影距離α2，進行運算以得到一指示該測距裝置與被偵測物T間的三維空間座標。參閱圖7，該處理器C根據該第一偵測距離D1與該第二平面投影距離α2得到一空間高度，與一該第一偵測距離與偵測平面的夾角，該三維空間座標表示為（α2、α1、h），或是該處理器C也可根據根據該第二偵測距離D2與該第一平面投影距離α1得到一空間高度，與一指示該第二偵測距離與偵測平面的夾角。

綜上所述，由於剩餘能量會受一、距離因素與二、被偵測物吸收發射信號能量的程度，這二種因素影響，上述實施例利用偵測器S1~S3所接收到至少三個信號分量間的能量比來計算測距裝置與被偵測物O間的距離，可避免只使用單一接收器於不同環境接收發射信號；由於不同被偵測物吸收發射信號能量的程度不一所導致的距離判斷錯誤（如二個被偵測物的吸收能量各是10%、30%，但由於與二個被偵測物的距離不一樣，偵測器收到單一發射信號的能量都是剩50%，就會計算錯誤，得到與二個被偵測物的距離是一樣），而得到更準確的距離，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

O‧‧‧被偵測物

P‧‧‧信號反射點

P’‧‧‧投影點

L‧‧‧直線

S1‧‧‧第一偵測器

S2‧‧‧第二偵測器

S3‧‧‧第三偵測器

T‧‧‧發射器

C‧‧‧處理器

A‧‧‧發射步驟

B‧‧‧偵測步驟

C‧‧‧儲存步驟

D‧‧‧運算步驟

E‧‧‧角度計算步驟

F‧‧‧運算第一偵測距離步驟

G‧‧‧運算第二偵測距離步驟

H‧‧‧運算三維座標步驟

D1‧‧‧第一距離平方比步驟

D2‧‧‧第二距離平方比步驟

D3‧‧‧偏移量步驟

D4‧‧‧目標距離步驟

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是本發明測距裝置之一實施例的一方塊圖；圖2是該實施例的距離偵測方法的一距離示意圖；及圖3是該實施例的一流程圖；圖4是該實施例子步驟的一流程圖；圖5是三維空間的距離偵測方法的偵測器分佈的一示意圖；圖6是該距離偵測方法於三維空間的一距離示意圖；圖7是該距離偵測方法於三維空間的另一距離示意圖；圖8是該實施例的於三維空間的一流程圖。

Claims

一種距離偵測方法，由一測距裝置執行，該測距裝置包括至少三個偵測器和一處理器，該至少三個偵測器分別是一第一偵測器、一第二偵測器、一第三偵測器，該至少三個信號分量的分別是一第一信號分量、一第二信號分量、一第三信號分量，且該距離偵測方法包含以下步驟：(B)該至少三個偵測器分別偵測來自一被偵測物的至少三個信號分量，以得到該至少三個信號分量的能量；(C)該處理器儲存一偵測器距離，該偵測器距離定義是該二偵測器間的距離；(D)該處理器根據該至少三個信號的能量與該偵測器距離，進行運算以得到一指示該測距裝置與被偵測物間的直線投影距離，該步驟(D)包括以下子步驟：(D1)處理器根據該第一信號分量與該第二信號分量的能量比，運算出一第一距離平方比；(D2)處理器根據該第二信號分量與該第三信號分量的能量比，運算出一第二距離平方比；(D3)處理器根據該第一距離平方比、該第二距離平方比、該偵測器距離，運算出一偏移量，該偏移量的定義是被偵測物於該測距裝置的一投影點與該第三偵測器的距離；(D4)處理器根據第一距離平方比、偵測器間的距離、偏移量，運算出該指示該測距裝置與被偵測物間的直線投影距離。
請求項1所述的距離偵測方法，更包含以下步驟：(A)該測距裝置發射出一信號，該信號由多個信號分量所組成，且該信號的一部分在該被偵測物反射。
如請求項1所述的距離偵測方法，其中，該第一距離平方比如下式所示：其中，該第一距離平方比的定義是第二偵測器與被偵測物的距離平方與第一偵測器與被偵測物的距離平方的比值，參數Ea是第一偵測器所偵測到的能量、參數Eb是第二偵測器所偵測到的能量、參數La是該第一偵測器與該被偵測物的距離、參數Lb是該第二偵測器與該被偵測物的距離、參數α是該投影點與該第一偵測器的距離、參數β是該投影點與該第二偵測器的距離、參數D是該指示該測距裝置與被偵測物間的直線投影距離。
如請求項1所述的距離偵測方法，該第二距離平方比如下式所示：其中，該第二距離平方比的定義是第三偵測器與被偵測物的距離平方與第二偵測器與被偵測物的距離平方的比值，參數Eb是第二偵測器所偵測到的能量、參數Ec是該第三偵測器所偵測到的能量、參數Lb是該第二偵測器與該被偵測物的距離、參數L_c是該第三偵測器與該被偵測物的距離、參數x是該偏移量、參數D是一目標距離、參數α是該投影點與該第一偵測器的距離。
如請求項1所述的距離偵測方法，該偏移量如下式所示：其中，參數K1是第二偵測器與被偵測物的距離平方與第一偵測器與被偵測物的距離平方的比值、參數K2是第三偵測器與被偵測物的距離平方與第二偵測器與被偵測物的距離平方的比值、參數d是該偵測器距離、參數x是該偏移量。
請求項1所述的距離偵測方法，一目標距離如下式所示：其中，參數K1是第二偵測器與被偵測物的距離平方與第一偵測器與被偵測物的距離平方的比值、參數α是該投影點與該第一偵測器的距離、參數β是該投影點與該第二偵測器的距離、參數D是該指示該測距裝置與被偵測物間的直線投影距離。
一種三維空間的距離偵測方法，包含如請求項1至6中任一項的距離偵測方法，其中，該等偵測器分別是一第一偵測器、一第二偵測器、一第三偵測器、一第四偵測器、一第五偵測器，該第一至第三偵測器延一第一軸向設置，該第二及第四及第五偵測器延一第二軸向設置，該第一軸向正交於該第二軸向，包括以下步驟：(F)該第一至第三偵測器與該處理器根據步驟(B)~(D)所運算得到一第一偵測距離及一第二平面投影距離；(G)該第二及第四及第五偵測器與該處理器根據步驟(B)~(D)運算得到一第二偵測距離及一第一平面投影距離； (H)該處理器根據該第一偵測距離、該第二偵測距離、該第一平面投影距離與該第二平面投影距離，進行運算以得到一指示該測距裝置與被偵測物間的三維空間座標。
一種測距裝置，包含：至少三個偵測器，分別偵測來自一被偵測物的至少三個信號分量，以得到該至少三個信號分量的能量；一處理器，電連接該至少三個偵測器，儲存一偵測器距離，該偵測器距離定義是該二偵測器間的距離；該處理器根據該至少三個信號的能量與該偵測器距離，進行運算以得到一目標距離，該目標距離的定義是該測距裝置與該被偵測物間的距離，該至少三個偵測器分別是一第一偵測器、一第二偵測器、一第三偵測器，該至少三個信號分量的分別是一第一信號分量、一第二信號分量、一第三信號分量，該處理器根據該第一信號分量與該第二信號分量的能量比，運算出一第一距離平方比，該處理器根據該第二信號分量與該第三信號分量的能量比，運算出一第二距離平方比，該處理器根據該第一距離平方比、該第二距離平方比、該偵測器距離，運算出一偏移量，該偏移量的定義是被偵測物於該測距裝置的一投影點與該第三偵測器的距離，該處理器根據第一距離平方比、偵測器間的距離、偏移量，運算出該指示該測距裝置與被偵測物間的直線投影距離。