TWI399525B - 距離量測裝置 - Google Patents

Description

距離量測裝置

本發明是一種量測裝置，特別是一種距離量測裝置。

隨著電子技術的發展，雷射測距法已廣泛地應用於距離量測，例如將雷射測距儀應用在建築、交通、地形勘測與室內裝潢等方面。雷射測距儀係配備有雷射光束發射器用以對目標物發出一條雷射光束，再由雷射光接收器接收由該目標物反射回來之訊號，藉由其間光波往返所用時間來換算距離。

請參閱第1圖所示，係為一種習用二維雷射測距儀A1，其主要可由雷射光束發射器A11及旋轉機構A12所組成，藉由旋轉機構A12將雷射光束發射器A11所發射之雷射光束增加一個水平方向的來回掃描角度，可用在機器人上面作為障礙物的感知以及環境的辨認等功用。再者，若除了水平方向外，增加垂直方向的來回掃描角度，即成為三維的雷射測距儀，其感測的範圍也變成立體的。相比二維的雷射只有掃瞄平面的範圍，三維雷射可掃描立體的空間，比方椅子桌子等不同高度有不同深度的物體都可被偵測到。

由於市面上的三維雷射測距儀價格非常昂貴，往往比掃描平面的二為雷射測距儀高出十倍的價格，使得三維雷射測距儀無法普遍被應用各領域。因此，如何簡化三維雷射測距儀的結構，藉以解決習用三維雷射測距儀成本過高之問題，使其可廣泛地應用機器人的環境辨認與環境建置、障礙物偵測、定位等領域，是一個刻不容緩的待解決課題。

有鑑於此，本發明提出一種距離量測裝置，包含：距離感應單元，用以感測目標物之距離值；驅動單元，用以驅動距離感應單元依據轉動角度轉動；及補償單元，依據轉動角度提供補償值，並依據補償值與距離值取得實際距離。

基此，本發明更包含：旋轉單元，用以帶動距離感應單元旋轉；其中，驅動單元之轉動方向實質上可垂直於旋轉單元之旋轉方向。

此外，本發明之驅動單元較佳地可包含：座體，用以設置距離感應單元；齒輪，位於座體側邊；齒條，嚙合於齒輪；及凸輪，經由旋轉而帶動齒條進行往復位移，並由齒條帶動齒輪轉動而驅動座體轉動。

本發明之功效在於：以成本低廉之往復式機構帶動距離感應單元移動，增加其一個維度，例如原本一維的距離感應單元藉由往復式機構而達到二維距離感應單元之量測效果，或可將原本二維的距離感應單元藉由往復式機構而達到三維距離感應單元之量測效果。由於本發明可解決習用三維雷射測距儀成本過高之問題，因而可廣泛應用於機器人的環境辨認與環境建置、障礙物偵測、定位等領域。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者瞭解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。

請參閱第2圖所示，為顯示本發明之距離量測裝置。

本發明之距離量測裝置1，包含：距離感應單元10、驅動單元30、補償單元40。

距離感應單元10，用以感測目標物(圖未示)之距離值，其中，距離感應單元10主要可由發射器11與接收器12所組成，發射器11用以發出距離量測訊號，接收器12用以接收經由目標物反射之距離量測訊號，藉由其間距離量測訊號往返所用時間感測距離感應單元10與目標物之距離值。在本實施例中，發射器11較佳地可為具有雷射二極體之雷射發射器，用以發射雷射光作為距離量測訊號，但本發明非以此為限，發射器11或可為紅外線發射器，用以發射紅外線作為距離量測訊號，抑或是發射器11可為超音波發射器，用以發射超音波作為距離量測訊號，或是以其他光波或音波進行距離量測。

驅動單元30，用以驅動距離感應單元10依據轉動角度轉動，在此，驅動單元30可為往復式機構，其較佳地可由座體31、齒輪32、齒條33及凸輪34所組成，其中，座體31用以設置距離感應單元10，並於座體31設置齒輪32使座體31可隨齒輪32轉動，而齒輪32嚙合於齒條33，且齒條33之一端連接凸輪34，因此凸輪34旋轉時，可帶動齒條33進行往復位移，並由齒條33帶動齒輪32轉動而驅動座體31轉動。惟前述關於驅動單元30之結構僅為舉例，本發明非以此為限，驅動單元30或可為馬達、多連桿往復式機構或其他往復式機構，藉以帶動距離感應單元10於轉動角度內反覆轉動。

補償單元40，於驅動單元30驅動距離感應單元10轉動時擷取當時之轉動角度，以依據轉動角度提供補償值，並依據補償值與距離感應單元10所感測之距離值取得實際距離。在此，補償單元40較佳地可為編碼器，但本發明非以此為限。

在本實施例中，本發明為以二維距離量測裝置為例，因此本發明更可包含：旋轉單元20，設置於座體31上，用以帶動距離感應單元10依據旋轉角度旋轉。在此，旋轉單元20之旋轉方向實質上垂直於驅動單元30轉動之方向，例如驅動單元30驅動距離感應單元10於X-Y平面上轉動，旋轉單元20帶動距離感應單元10於X-Z平面(或可於Y-Z平面)上旋轉，但本發明非以此為限。再者，補償單元40可於旋轉單元20帶動距離感應單元10旋轉時擷取當時之旋轉角度，以依據旋轉角度提供補償值。

請參閱第3圖、第4圖及第5圖所示，當驅動單元30之凸輪34轉動時，帶動齒條33前進、後退兩方向的往復位移，當齒條33前進時，齒輪32順時針轉動帶動座體31向上轉動，使得距離感應單元10向上轉動；當齒條33後退時，齒輪32逆時針轉動帶動座體31向下轉動，使得距離感應單元10向下轉動，且距離感應單元10於轉動過程中持續以發射器11發出距離量測訊號，並以接收器12接收經由目標物反射之距離量測訊號。於驅動單元30驅動距離感應單元10轉動時，旋轉單元20同時帶動距離感應單元10於旋轉角度內反覆旋轉。補償單元40可於驅動單元30驅動距離感應單元10轉動時擷取當時之轉動角度，同時於旋轉單元20帶動距離感應單元10旋轉時擷取當時之旋轉角度，依據轉動角度與旋轉角度提供補償值，再依據補償值與距離感應單元10所感測之距離值取得實際距離。在此，補償單元40擷取當時之轉動角度與旋轉角度後，可進行空間座標的轉換以取得目標物之空間座標，並將目標物之空間座標與距離感應單元10之座標連結，藉以取得目標物與距離感應單元10之相對位置而計算出實際距離，因此可修正往復式機構的簡諧運動所造成轉動變速度以及旋轉軸位置不在中心位置所造成之誤差，得到類似三圍雷射測距儀的效果。

本發明以往復式機構帶動距離感應單元移動而增加其一個維度，例如原本一維的距離感應單元藉由往復式機構而達到二維距離感應單元之量測效果，或可將原本二維的距離感應單元藉由往復式機構而達到三維距離感應單元之量測效果，再者，本發明亦可將兩組往復式機構應用於一維的距離感應單元，使其增加兩個維度而達到三維距離感應單元之量測效果。本發明以成本低廉之往復式機構增加距離感應單元之量測維度，配合後端補償單元擷取轉角修正往復式機構造成的簡諧運動，可解決習用三維雷射測距儀成本過高之問題，藉此可廣泛應用於機器人的環境辨認與環境建置、障礙物偵測、定位等領域。

雖然本發明的技術內容已經以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神所作些許之更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明的範疇內，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1．．．距離量測裝置

10．．．距離感應單元

11．．．發射器

12．．．接收器

20．．．旋轉單元

30．．．驅動單元

31．．．座體

32．．．齒輪

33．．．齒條

34．．．凸輪

40．．．補償單元

第1圖為習用二維雷射測距儀之外觀示意圖。

第2圖為本發明之外觀示意圖。

第3圖為本發明之動作示意圖(一)。

第4圖為本發明之動作示意圖(二)。

第5圖為本發明之動作示意圖(三)。

1．．．距離量測裝置

10．．．距離感應單元

11．．．發射器

12．．．接收器

20．．．旋轉單元

30．．．驅動單元

31．．．座體

32．．．齒輪

33．．．齒條

34．．．凸輪

40．．．補償單元

Claims (9)

1. 一種距離量測裝置，包含：一距離感應單元，用以感測一目標物之一距離值；一驅動單元，用以驅動該距離感應單元依據一轉動角度轉動，包含：一座體，用以設置該距離感應單元；一齒輪，位於該座體側邊；一齒條，嚙合於該齒輪；及一凸輪，經由旋轉而帶動該齒條進行往復位移，並由該齒條帶動該齒輪轉動而驅動該座體轉動；及一補償單元，依據該轉動角度提供一補償值，並依據該補償值與該距離值取得一實際距離。
2. 如請求項1所述之距離量測裝置，更包含：一旋轉單元，用以帶動該距離感應單元依據一旋轉角度旋轉。
3. 如請求項2所述之距離量測裝置，其中該驅動單元之轉動方向實質上垂直於該旋轉單元之旋轉方向。
4. 如請求項2所述之距離量測裝置，其中該補償單元依據該旋轉角度提供該補償值。
5. 如請求項1所述之距離量測裝置，其中該距離感應單元包含一發射器與一接收器，該發射器用以發出一距離量測訊號，該接收器用以接收經由該目標物反射之該距離量測訊號。
6. 如請求項5所述之距離量測裝置，其中該發射器為一雷射發射器。
7. 如請求項5所述之距離量測裝置，其中該發射器為一紅外線發射器。
8. 如請求項5所述之距離量測裝置，其中該發射器為一超音波發射器。
9. 如請求項1所述之距離量測裝置，其中該補償單元為一編碼器。