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TWI461656B - 距離感測裝置及距離感測方法 - Google Patents

距離感測裝置及距離感測方法 Download PDF

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TWI461656B
TWI461656B TW100144244A TW100144244A TWI461656B TW I461656 B TWI461656 B TW I461656B TW 100144244 A TW100144244 A TW 100144244A TW 100144244 A TW100144244 A TW 100144244A TW I461656 B TWI461656 B TW I461656B
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Cheng Hua Wu
Ching Yi Kuo
Wei Han Wang
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Description

距離感測裝置及距離感測方法
本發明是有關於一種距離感測裝置及距離感測方法。
距離感測模組長久以來皆為工業應用之重要關鍵技術，對於無人搬運車、產品線檢測、工業安全光柵等應用皆有莫大之市場。現有之非接觸式距離感測器依照量測技術之不同可分為飛行時間(Time of Fly)估測法與三角定位法(Triangulation Location)等方式。飛行時間估測法在量測精確度與可獲得之視角範圍上通常較三角定位方式較佳，然而由於其需要精密之機構設計來計算光線往返所需時間，因此其造價皆非常高昂。
對於無人搬運車或安全光柵等應用來說，其所需感測距離資訊之精確度與視角通常不會有非常高的要求，因此若使用以飛行時間方式之產品通常會有大材小用之現象發生，浪費執行運作所需成本。
本發明係有關於一種距離感測裝置及距離感測方法。
根據本發明，提出一種距離感測裝置。距離感測裝置包括線型雷射發射器、影像擷取裝置及處理單元。線型雷射發射器發出一線型雷射，而影像擷取裝置擷取線型雷射以輸出線型雷射影像。處理單元接收線型雷射影像，並將線型雷射影像分割為數個子線型雷射影像。處理單元計算 該些子線型雷射影像中之第i個子線型雷射影像的雷射線高度，並根據第i個子線型雷射影像的雷射線高度及關係曲線輸出第i個距離資訊，i係正整數。
根據本發明，提出一種距離感測方法。距離感測方法包括：接收線型雷射影像；將線型雷射影像分割為數個子線型雷射影像；計算該些子線型雷射影像中之第i個子線型雷射影像的雷射線高度；以及根據第i個子線型雷射影像的雷射線高度及關係曲線輸出第i個距離資訊，i係正整數。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
 第一實施例
請同時參照第1圖、第2圖、第3圖、第4圖及第8圖，第1圖繪示係為距離感測裝置之方塊示意圖，第2圖繪示係為距離感測方法之流程圖，第3圖繪示係為將線型雷射影像分割為子線型雷射影像之示意圖，第4圖繪示係為關係曲線之示意圖，第8圖繪示係為距離感測裝置感測待測物之示意圖。距離感測裝置1能耦接至電腦83，電腦83能記錄距離感測裝置1所產生的訊離資訊。距離感測裝置1係可應用於一移動平台上，且距離感測裝置1包括線型雷射發射器11、影像擷取裝置12、處理單元13及外殼14。線型雷射發射器11用以發出線型雷射82至待測物81，而影像擷取裝置12用以擷取線型雷射以輸出線型雷 射影像3。在一實施例中，線性雷射82係平行於水平面，例如為地面。影像擷取裝置12耦接至處理單元13，且殼體14用以設置線型雷射發射器11、影像擷取裝置12及處理單元13。
距離感測方法能應用於距離感測裝置1且包括如下步驟：如步驟21所示，處理單元13接收線型雷射影像3。如步驟22所示，處理單元13將線型雷射影像3分割為子線型雷射影像3(1)~3(n)，n係不為零之正整數。如步驟23所示，處理單元13計算子線型雷射影像3(1)~3(n)中之第i個子線型雷射影像的雷射線高度，i係正整數且1in。
如步驟24所示，處理單元13根據第i個子線型雷射影像3(i)的雷射線高度及關係曲線4輸出第i個距離資訊。第i個距離資訊例如為距離感測裝置1與待測物的距離。處理單元13亦可透過上述方式根據其他子線型雷射影像的雷射線高度及關係曲線4輸出其他距離資訊。或者，處理單元13根據第i個距離資訊、其他子線型雷射影像的雷射線高度及三角函數輸出其他距離資訊。舉例來說，處理單元13根據第i個距離資訊、三角函數及子線型雷射影像3(1)~3(n)中之第j個子線型雷射影像3(j)的雷射線高度輸出第j個距離資訊，j係不等於i之正整數。
前述距離感測裝置1及距離感測方法應用於移動平台上時，能減少因移動平台移動所造成的量測誤差。不僅如此，由於前述距離感測裝置1及距離感測方法所使用的線型雷射發射器係採線型光源而非點光源，因此一次測距即能取得多點距離資訊，進而提高單位時間的測距資訊量。
請同時參照第1圖、第3圖、第5A圖、第5B圖及第5C圖，第5A圖繪示係為子線型雷射影像之示意圖，第5B圖繪示係為未發生雜訊之線型雷射影像之示意圖，第5C圖繪示係為發生雜訊之線型雷射影像之示意圖。原則上未發生雜訊之線型雷射影像係如第5B圖繪示，光點應該連續地位於相同水平位置上。然而隨著亮度變化或環境影響，實際所擷取的線型雷射影像可能如第5C圖繪示。第5C圖右側3個不連續的光點即為雜訊。
前述處理單元13能根據線型雷射影像3中雷射線的連續性動態地分割線型雷射影像3。換言之，處理單元13能根據線型雷射影像3中的各雷射線段動態地將線型雷射影像3分割為子線型雷射影像3(1)~3(n)。子線型雷射影像3(1)~3(n)的寬度可能因雷射線段的長短不同而改變。舉例來說，處理單元13判斷雷射線高度是否發生變化。處理單元13將雷射線高度連續相同的區域分割為一子線性雷射影像。若雷射線高度發生變化，處理單元13 則從雷射線高度不連續處開始計數，並將之後將雷射線高度連續相同的區域分割為另一子線性雷射影像。除此之外，處理單元13亦能將線型雷射影像3等分分割為子線型雷射影像3(1)~3(n)，使得子線型雷射影像3(1)~3(n)的寬度彼此相同。舉例來說，處理單元3根據線型雷射影像3之寬度W及最大可容忍雜訊寬度ND 決定子線型雷射影像3(1)~3(n)之個數n。子線型雷射影像3(1)~3(n)之個數n等於。需說明的是，線型雷射影像3中發生雜訊的像素大多不會連續地位於相同水平位置。因此，為了避免雜訊被誤判為線性雷射，實際應用上能適當地定義最大可容忍雜訊寬度ND 。當子線型雷射影像中連續的數個光點大於或等於最大可容忍雜訊寬度ND ，則處理單元13判斷這些光點屬於線性雷射的一部份。相反地，當子線型雷射影像中連續的數個光點不大於最大可容忍雜訊寬度ND ，則處理單元13判斷這些光點屬於雜訊而非線性雷射的一部份。舉例來說，最大可容忍雜訊寬度ND 等於3。當子線型雷射影像中連續的數個光點大於或等於3時，則處理單元13判斷這些光點屬於線性雷射的一部份。相反地，當子線型雷射影像中連續的數個光點不大於3，則處理單元13判斷這些光點屬於雜訊而非線性雷射的一部份。如此一來，藉由將線型雷射影像3分割為子線型雷射影像3(1)~3(n) 將能進一步地降低雜訊干擾。
前述處理單元13沿第i個子線型雷射影像3(i)之垂直方向進行一直方圖(Histogram)統計以取得第i個子線型雷射影像中之雷射線高度yi 。舉例來說，第5圖繪示之第i個子線型雷射影像3(i)中的斜線部份表示灰階值較高的像素。處理單元13沿第i個子線型雷射影像3(i)之垂直方向進行一直方圖(Histogram)統計每一列像素的灰階總和。當某一列像素的灰階總和大於其他各列的灰階總和，則表示此列的灰階總和最高。亦即，雷射線段位於此列像素上。
請同時參照第1圖及第6圖，第6圖繪示係為採用亮度中心演算法計算雷射線高度之示意圖。在另一實施例中，為了增加位置表示之精確度，處理單元13能進一步採用亮度中心演算法來計算出小數點位置之像素值(Sub-pixel)。處理單元13根據前述直方圖統計所算出之雷射線高度yi 做為中心位置，然後以此中心位置選擇一塊(2m+1)×(W/n)像素的區域，再根據這塊區域中各像素座標及像素亮度大小，以類似計算重心的方式求出雷射光點的座標。下列為以第一個子線型雷射影像3(1)為例之計算亮度中心公式：
上二式中，(X c ,Y c )代表所計算出來之亮度中心座標，W為雷射影像3之寬度，n為子線型雷射影像之個數，m為正整數，y1 為第一個子線型化面中經過Histogram後所計算出之雷射線y軸高度；(x i ,y i )表示(2m+1)×(W/n)像素的區域內座標，I (x i ,y i )為對應之亮度數值。之後處理單元13能進一步地將亮度中心座標Yc取代雷射線高度yi ，再根據亮度中心座標Yc判斷與持測物的距離。同樣地，第二個子線型雷射影像3(2)~第n個子線型雷射影像3(n)之亮度中心座標亦可由上述之方法推算。
請同時參照第1圖及第7圖，第7圖繪示係為依照一種距離感測裝置之外觀示意圖。進一步來說，前述線型雷射發射器11之光軸L1與影像擷取裝置12之光軸L2係互相平行且位於同一垂直平面，且線性雷射與垂直平面互相垂直。線型雷射發射器11之光軸L1與影像擷取裝置12之光軸L2的距離BL係小於或等於10cm。前述殼體14具有線型雷射開口141及影像擷取開口142。線型雷射開口141與影像擷取開口142係相距水平距離d，水平距離d可因應影像擷取裝置的可視角範圍予以調整。舉例來說，當可視角範圍為60度，則水平距離d需使得線型雷射開口141與影像擷取開口142之兩點連線與影像擷取裝置12之光軸所形成的角度大於30度。
綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並 非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。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‧‧‧距離感測裝置
3‧‧‧線型雷射影像
3(1)~3(n)‧‧‧子線型雷射影像
4‧‧‧關係曲線
11‧‧‧線型雷射發射器
12‧‧‧影像擷取裝置
13‧‧‧處理單元
21~24‧‧‧步驟
83‧‧‧電腦
14‧‧‧外殼
141‧‧‧線型雷射開口
142‧‧‧影像擷取開口
W‧‧‧線型雷射影像之寬度
ND ‧‧‧最大可容忍雜訊寬度
yi ‧‧‧雷射線高度
第1圖繪示係為距離感測裝置之方塊示意圖。
第2圖繪示係為距離感測方法之流程圖。
第3圖繪示係為將線型雷射影像分割為子線型雷射影像之示意圖。
第4圖繪示係為關係曲線之示意圖。
第5A圖繪示係為子線型雷射影像之示意圖。
第5B圖繪示係為未發生雜訊之線型雷射影像之示意圖。
第5C圖繪示係為發生雜訊之線型雷射影像之示意圖。
第6圖繪示係為採用亮度中心演算法計算雷射線高度之示意圖。
第7圖繪示係為依照一種距離感測裝置之外觀示意圖。
第8圖繪示係為距離感測裝置感測待測物之示意圖。
21~24‧‧‧步驟

Claims (15)

  1. 一種距離感測裝置，包括：一線型雷射發射器，用以發出一線型雷射；一影像擷取裝置，用以擷取該線型雷射以輸出一線型雷射影像；以及一處理單元，用以接收該線型雷射影像，並將該線型雷射影像分割為複數個子線型雷射影像，該處理單元計算該些子線型雷射影像中之一第i個子線型雷射影像的雷射線高度，並根據該第i個子線型雷射影像的雷射線高度及一關係曲線輸出一第i個距離資訊，i係正整數；其中該處理單元係等分分割該線型雷射影像。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之距離感測裝置，其中該處理單元根據該線型雷射影像之寬度及一最大可容忍雜訊寬度決定該些子線型雷射影像之個數。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之距離感測裝置，其中該些子線型雷射影像之個數等於該線型雷射影像之寬度除以2倍之該最大可容忍雜訊寬度。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之距離感測裝置，其中該處理單元沿該第i個子線型雷射影像之垂直方向進行一直方圖(Histogram)統計以取得該第i個子線型雷射影像中之雷射線高度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之距離感測裝置，其中該處理單元根據該第i個距離資訊、一三角函數及該些子線型雷射影像中之一第j個子線型雷射影像的雷射線高度輸出一第j個距離資訊，j係不等於i之正整數。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之距離感測裝置，其中該線型雷射發射器之光軸與該影像擷取裝置之光軸係互相平行且位於同一垂直平面。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之距離感測裝置，其中該線型雷射與該垂直平面互相垂直。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之距離感測裝置，更包括一殼體，用以設置該線型雷射發射器、該影像擷取裝置及該處理單元，該殼體具有一線型雷射開口及一影像擷取開口，該線型雷射開口與該影像擷取開口係相距一水平距離，該水平距離使得該線型雷射開口與該影像擷取開口之兩點連線與該影像擷取裝置之光軸所形成的角度大於30度。
  9. 一種距離感測方法，包括：接收一線型雷射影像；將該線型雷射影像分割為複數個子線型雷射影像；計算該些子線型雷射影像中之一第i個子線型雷射影像的雷射線高度；以及根據該第i個子線型雷射影像的雷射線高度及一關係曲線輸出一第i個距離資訊，i係正整數；其中該分割步驟係等分分割該線型雷射影像。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之距離感測方法，其中該分割步驟係根據該線型雷射影像之寬度及一最大可容忍雜訊寬度決定該些子線型雷射影像之個數。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之距離感測方法，其中該些子線型雷射影像之個數等於該線型雷射影像之 寬度除以2倍之該最大可容忍雜訊寬度。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之距離感測方法，其中該計算步驟沿該第i個子線型雷射影像之垂直方向進行一直方圖(Histogram)統計以取得該第i個子線型雷射影像中之雷射線高度。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之距離感測方法，其中該計算步驟係根據該第i個距離資訊、一三角函數及該些子線型雷射影像中之一第j個子線型雷射影像的雷射線高度輸出一第j個距離資訊，j係不等於i之正整數。
  14. 一種距離感測裝置，包括：一線型雷射發射器，用以發出一線型雷射；一影像擷取裝置，用以擷取該線型雷射以輸出一線型雷射影像；以及一處理單元，用以接收該線型雷射影像，並將該線型雷射影像分割為複數個子線型雷射影像，該處理單元計算該些子線型雷射影像中之一第i個子線型雷射影像的雷射線高度，並根據該第i個子線型雷射影像的雷射線高度及一關係曲線輸出一第i個距離資訊，i係正整數；其中該處理單元根據該線型雷射影像中雷射線的連續性動態地分割該線型雷射影像。
  15. 一種距離感測方法，包括：接收一線型雷射影像；將該線型雷射影像分割為複數個子線型雷射影像；計算該些子線型雷射影像中之一第i個子線型雷射影像的雷射線高度；以及 根據該第i個子線型雷射影像的雷射線高度及一關係曲線輸出一第i個距離資訊，i係正整數；其中該分割步驟根據該線型雷射影像中雷射線的連續性動態地分割該線型雷射影像。
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