应用于飞行器的光学式运动侦测装置的制作方法

本发明涉及一种光学式运动侦测装置，特别是有关一种应用于飞行器并能取得其水平位移量与垂直位移量的光学式运动侦测装置。

背景技术：

无人飞行器近年来广泛地应用在大众娱乐休闲设备，例如操控技术练习或山林景色拍摄。传统的飞行器通常利用气压计、声纳器或时差测距仪测量飞行高度。气压计根据气压变化的侦测来判断高度，难以分辨细微的高度变化。声纳器输出声纳信号以分析来自周遭景物的回弹信号，根据回弹信号的波形变化计算反射信号传输路径与时间；时差测距仪输出光侦测信号、并接收从物体表面反射而回的光负载信号，光侦测信号和光负载信号间的时间差用来计算光信号传输路径的长度。声纳器与时差测距仪容易因环境声音噪声或干扰光影响而失真。因此，如何设计一种可应用于无人飞行器且具精准侦测效能的运动侦测装置，便为相关产业的重点发展课题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种应用于飞行器并能取得其水平位移量与垂直位移量的光学式运动侦测装置，以解决上述现有技术存在的问题。

本发明的光学式运动侦测装置采用以下技术方案：

在一个实施例中，一种应用于飞行器的光学式运动侦测装置，包括基座、光学运动传感器以及运算处理器。所述光学运动传感器设置在所述基座上，用来取得多张画面。所述运算处理器电连接所述光学运动传感器。所述运算处理器用来分析所述多张画面内的图案，以根据已知高度值取得所述基座相对于参考平面的位移量。其中所述已知高度值是从所述飞行器开始起飞的位置起算。

优选地，所述已知高度值由所述飞行器的外部高度侦测器侦测取得、或是根据所述飞行器的默认起飞模式而假定取得。所述光学运动传感器的光轴相对于所述参考平面的平面法向量倾斜以在所述光轴与所述平面法向量之间形成固定角度、或者所述光学运动传感器的所述光轴平行于所述参考平面的所述平面法向量。

优选地，当所述已知高度值为常数时，所述运算处理器将所述画面内的图案移动转换为所述基座的水平位移量。当所述已知高度值为发生变动时，所述运算处理器根据所述固定角度将所述画面内的图案移动转换为所述基座的垂直位移量。当所述已知高度值为常数且所述画面内的图案移动为单向移动时，所述运算处理器根据所述固定角度将所述图案移动转换为所述基座的盘旋角度。所述运算处理器根据所述盘旋角度传送补偿信号给所述飞行器。

优选地，当所述飞行器进行等速水平飞行、且所述已知高度值与所述画面内的图案移动同步发生变动时，所述运算处理器判断所述基座飞越斜坡。所述光学运动传感器相对所述基座移动，以从第一位置移到第二位置并取得所述多张画面，所述第一位置和所述第二位置之间的垂直间距表示为所述已知高度值。所述图案通过计数运算或查找表方式取得所述基座的所述位移量。

在另一个实施例中，一种应用于飞行器的光学式运动侦测装置，包括基座、第一光学运动传感器、第二光学运动传感器以及运算处理器。所述第一光学运动传感器固定在所述基座并且用来取得多张第一画面。所述第二光学运动传感器固定在所述基座并且用来取得多张第二画面。所述第二光学运动传感器相对于所述基座的结构参数不同于所述第一光学运动传感器相对于所述基座的结构参数。所述运算处理器电连接所述第一光学运动传感器与所述第二光学运动传感器。所述运算处理器用来分析所述多张第一画面与所述多张第二画面内的图案，以取得所述基座相对于参考平面的位移量。

优选地，所述光学式运动侦测装置进一步包括高度侦测器，电连接所述运算处理器，用来提供通过所述位移量校正的高度值。所述第一光学运动传感器的第一光轴平行于所述参考平面的平面法向量，并且所述第二光学运动传感器的第二光轴相对于所述平面法向量倾斜以在所述第二光轴与所述平面法向量之间形成固定角度。

优选地，当所述飞行器水平飞行时，所述运算处理器将所述多张第一画面或所述多张第二画面内的图案移动转换为所述基座的水平位移量。当所述飞行器水平飞行时，所述运算处理器根据所述固定角度将所述多张第二画面内的图案移动转换为所述基座的垂直位移量。当所述水平位移量维持不变、且所述多张第二画面内的图案移动为单向移动时，所述运算处理器根据所述固定角度将所述多张第二画面内的所述图案移动转换为所述基座的盘旋角度。所述运算处理器根据所述盘旋角度传送补偿信号给所述飞行器。

优选地，当所述多张第一画面与所述多张第二画面内的图案移动同步发生变化时，所述运算处理器判断所述基座飞越斜坡。所述第一光学运动传感器与所述第二光学运动传感器之间的垂直间距视为所述结构参数。所述第一光学运动传感器的视角不同于所述第二光学运动传感器的视角，且所述些视角视为所述结构参数。

本发明的光学式运动侦测装置优选地用来辅助搭配于非光学式的外部高度侦测器。非光学式外部高度侦测器容易受到环境声音或影像的噪声干扰，因此光学式运动侦测装置可通过分析取得画面里的图案移动来滤除噪声，从而取得飞行器的正确位移量。光学式运动侦测装置侦测到的水平位移量与垂直位移量能与非光学式外部高度侦测器的侦测结果相比较，以此判断飞行器的飞行模式并提供自适应功能。

附图说明

图1为本发明第一实施例的光学式运动侦测装置的功能方块图；

图2与图3分别为本发明不同实施例的具有光学式运动侦测装置的飞行器的外观示意图；

图4为本发明实施例的具有可移动光学式运动侦测装置的飞行器的示意图；

图5为本发明其它实施例的具有两个设在不同位置的光学运动传感器的光学式运动侦测装置的示意图；

图6为本发明第二实施例的光学式运动侦测装置的功能方块图；

图7至图10为本发明第二实施例的光学式运动侦测装置在不同应用下的外观示意图。

其中，附图标记说明如下：

10光学式运动侦测装置

12飞行器

14基座

16光学运动传感器

18运算处理器

20光学式运动侦测装置

22基座

24第一光学运动传感器

26第二光学运动传感器

28高度侦测器

30运算处理器

r参考平面

v参考平面的平面法向量

ox光学运动传感器的光轴

ox1第一光学运动传感器的第一光轴

ox2第二光学运动传感器的第二光轴

具体实施方式

请参阅图1至图3，图1为本发明第一实施例的光学式运动侦测装置10的功能方块图，图2与图3分别为本发明不同实施例的具有光学式运动侦测装置10的飞行器12的外观示意图。光学式运动侦测装置10可组装于飞行器12，用来在不受环境噪声影像的情况下侦测飞行器12的移动。光学式运动侦测装置10可包括基座14、光学运动传感器16以及运算处理器18。基座14固定在飞行器12的底部，光学运动传感器16设置在基座14并用以取得关于参考平面r的多张画面。运算处理器18电连接光学运动传感器16，可在飞行器12飞行时分析多张画面内的图案。

光学运动传感器16面向参考平面r以取得多张画面，画面内的图案可表示出对象停留在参考平面r、或是在参考平面r上移动的情形。运算处理器18分析图案的移动，并且可根据已知高度值将所述移动转换为基座14相对于参考平面r的位移量。特别一提的是，已知高度值是从飞行器12开始起飞的位置起算；举例来说，飞行器12可以从地面或特定平台起飞，若飞行器12从地面起飞则已知高度值为零，若飞行器12从平台起飞则已知高度值为所述平台的高度。已知高度值可由飞行器12的外部高度侦测器，例如气压计、声纳器或时差测距仪(timeofflightsensor)。此外，已知高度值还可依飞行器12的默认起飞模式而假定取得，举例来说，飞行器12从地面起飞的情形可设为第一起飞模式、从平台起飞的情形可设为第二起飞模式，由此已知高度值可根据飞行器12的起飞模式而取得。

在本发明中，画面内的图案移动跨越一个或多个像素单位时会开始进行计数，跨越的像素单位数量相当于光学式运动侦测装置10的计数值，并且图案移动可视为累积计数的值。当飞行器12水平飞越特定距离，在较高位置飞行的飞行器12只会产生微小的图案移动，在较低位置飞行的飞行器12则造成明显的图案移动，因此高处平飞的飞行器12上的光学式运动侦测装置10所产生之计数值会小于低处平飞的飞行器12上的光学式运动侦测装置10所产生之计数值，故能相应运算取得飞行器12的水平位移量。当飞行器12垂直飞行而上升或下降时，画面里的图案在光学运动传感器16具有广角镜头时会发生形变；在光学运动传感器16具有非广角镜头、并且上升高度与形变之间变化为非线性时，图案形变并不明显。

除了前面提及的形变，在飞行器12升高使光学式运动侦测装置10从低处移至高处时，画面内的图案会逐渐缩小，而在飞行器12下降使光学式运动侦测装置10从高处移至低处时，画面内的图案会逐渐放大。升起与下降高度与图案尺寸放大与缩小之间的变化属于非线性现象。光学式运动侦测装置10可将前述变化储存到数据库，建立关联于累积计数与升起高度之间关系的曲线或查找表，故能利用内插法从曲线或查找表快速获取飞行器12的升起高度，以得知飞行器12的垂直位移量。

如图2所示的实施例，光学运动传感器16的光轴ox可平行于参考平面r的平面法向量v。当飞行器12沿着近似水平线或水平面的方式飞行，使已知高度值保持为常数时，光学式运动侦测装置10可通过运算、函数曲线或查找表将累积计数转换为飞行器12的水平位移量。当飞行器12在没有水平位移量的情形下垂直飞行，光学式运动侦测装置10可通过运算、函数曲线或查找表取得飞行器12的垂直位移量。取得的垂直位移量可用来和外部高度侦测器侦测的已知高度值或默认起飞模式假定的已知高度值相比较，进行修正与补偿。

如图3所示的实施例，光学运动传感器16的光轴ox可相对参考平面r的平面法向量v倾斜，而在光轴ox与平面法向量v之间形成固定角度，具有固定角度的光学运动传感器16可通过如图2所示实施例相同的方法取得飞行器12的水平位移量和垂直位移量。当飞行器12沿着近似水平线或水平面的方式飞行，使已知高度值保持为常数时，光学式运动侦测装置10可通过运算、函数曲线或查找表将累积计数转换为飞行器12的水平位移量。当飞行器12在没有水平位移量的情形下垂直飞行，累积计数产生非线性变化，并能通过运算、函数曲线或查找表将累积计数转换为飞行器12的垂直位移量。

再者，当飞行器12垂直飞行以从低处移到高处时，参考平面r上的投影区域会从初始中心位置移到外围位置，投影区域的移动速度逐渐减缓，并且每单位距离的计数(例如每米的计数测量)也会以非线性方式随之减少，故可生成每单位距离计数值(cpm,countnumberpermeter)和水平距离(投影区域的平移量)之间的关系变动式，以储存于数据库中。如飞行器12在没有水平位移量的情形下垂直飞行，能相应侦测到每单位距离的计数值，此时固定角度属于已知参数，可通过函数曲线或查照表得到水平距离，飞行器12的垂直位移量便能依三角函数关系运算取得。运算所得的垂直位移量可用来辅助修正及补偿飞行器12的外部高度侦测器。

当外部高度侦测器侦测的已知高度值为常数、并且光学运动传感器16侦测的图案移动为单向移动时，飞行器12可被判断为在特定水平线或水平面上盘旋或自转，累积计数则被转换为飞行器12的盘旋/自转角度，并且盘旋角度能经转换定义出补偿信号。如果飞行器12的惯性测量单元(例如加速度计或陀螺仪)这时没有侦测到任何动作，光学式运动侦测装置10可传送补偿信号给飞行器12进行修正及补偿。此外，当飞行器12等速水平飞行、并且每单位距离的计数值(或是每单位时间的计数值)逐渐变化时，光学式运动侦测装置10可判断飞行器12可能飞越斜坡。举例来说，如飞行器12飞向上坡地，光学式运动侦测装置10会侦测到每单位距离计数值的增加，并传送警告信号给飞行器12；如飞行器12飞往下坡地，光学式运动侦测装置10则侦测到每单位距离计数值的减少，从而发出提示信息予飞行器12。

请参阅图4，图4为本发明实施例的具有可移动光学式运动侦测装置10的飞行器12的示意图。可移动光学式运动侦测装置10的光学运动传感器16可相对基座14移动以在第一位置与第二位置之间转移，第一位置是点状线段绘制的较低位置，第二位置是实心线段绘制的较高位置，并且第一位置与第二位置之间的垂直间距是已知参数。当飞行器12停留在空中时，首先光学运动传感器16可在第一位置和第二位置之间移动，在不需外部高度侦测器的帮助下以三角函数运算取得已知高度值；接着，光学运动传感器16可停留在第一位置或第二位置以取得并分析多张画面，便能相应取得飞行器12的水平位移量和垂直位移量。

在图4所示实施例中，光学运动传感器16的视角为已知参数，第一位置和第二位置之间的垂直间距为已知参数，光学运动传感器16在第一位置与第二位置的分辨率可分别定义出来，光学运动传感器16在两个位置间的分辨率比例可根据视角、垂直间距及分辨率等关系推算，并且所述分辨率比例的敏度可通过改变垂直间距来调控。由此可知，光学式运动侦测装置可在不同位置设置两个或更多个具有已知垂直间距的光学运动传感器、或是在不同位置设置两个或更多个具有不同视角的光学运动传感器；所述些光学运动传感器的高度与视角都是已知，光学运动传感器之间的相关结构参数差异可相应运算出来，使得光学式运动侦测装置能通过三角函数运算提供自适应解析功能。图5所示飞行器12的光学式运动侦测装置10包括设置在基座14上不同位置的光学运动传感器16，所述些光学运动传感器16可具有相同或不同的视角。

请参阅图6至图10，图6为本发明第二实施例的光学式运动侦测装置20的功能方块图，图7至图10为本发明第二实施例的光学式运动侦测装置20在不同应用下的外观示意图。光学式运动侦测装置20应用于飞行器12，光学式运动侦测装置20包括基座22、第一光学运动传感器24、第二光学运动传感器26、高度侦测器28以及运算处理器30。基座22固定在飞行器12的底部。第一光学运动传感器24与第二光学运动传感器26设置在基座22，并分别用来取得多张第一画面与多张第二画面。

第一光学运动传感器24相对于基座22的结构参数不同于第二光学运动传感器26相对于基座22的结构参数，例如第一光学运动传感器24与第二光学运动传感器26之间的垂直间距可视为结构参数；或者，第一光学运动传感器24的视角不同于第二光学运动传感器26的视角，而其视角也可视为结构参数。运算处理器30电连接第一光学运动传感器24、第二光学运动传感器26以及高度侦测器28。高度侦测器28是选择性组件，用来提供受第一光学运动传感器24和第二光学运动传感器26之侦测结果校正的高度值。运算处理器30可分析第一画面与第二画面里的图案，据此取得飞行器12相对于参考平面r的水平位移量以及垂直位移量。

在第二实施例中，第一光学运动传感器24的第一光轴ox1可平行于参考平面r的平面法向量v，并且第二光学运动传感器26的第二光轴ox2可相对平面法向量v倾斜、而在第二光轴ox2与平面法向量v之间形成固定角度。如图7所示，飞行器12在没有垂直动作的情形下水平飞行，由于图案移动没有尺寸变化并且在第一画面或第二画面里以线性方式移动，累积计数可被转换为飞行器12的水平位移量。如图8所示，飞行器12在没有水平动作的情形下垂直飞行，第二光学运动传感器26产生的累积计数具有非线性变化特性、故能通过三角函数运算、或以函数曲线或查找表方式转换为飞行器12的垂直位移量。

如图9所示，当光学式运动侦测装置20判断第一画面里的图案移动不明显、第二画面里的图案移动为单向移动、并且同时间飞行器12的惯性测量单元没有侦测到任何动作时，光学式运动侦测装置20可将第二光学运动传感器26产生的累积计数转换为盘旋/自转角度，并传送关联于盘旋/自转角度的补偿信号给飞行器12进行校正与补偿。如图10所示，当飞行器12保持相同的飞行推力、但是第一画面与第二画面内的图案移动发生同步变化时，光学式运动侦测装置20可根据每单位距离计数的增加或减少来判断飞行器12是否飞往或远离斜坡。

如果光学式运动侦测装置只有一个光学运动传感器，光学式运动侦测装置容易因误判侦测结果而输出错误指令给飞行器12。举例来说，飞行器12在飞越树梢时，具有单一光学运动传感器的光学式运动侦测装置会侦测到预期外的累积计数增加，飞行器12可能会突然抬升飞行高度以碰免撞机；若应用具有第一光学运动传感器24与第二光学运动传感器26的光学式运动侦测装置20，第一光学运动传感器24和第二光学运动传感器26的光轴彼此相异，光学式运动侦测装置20可在两个光学运动传感器展现出相同的累积计数变化趋势时认定飞行器12只是飞越斜坡。如果只有其中一个光学运动传感器产生累积计数变化，由于第二光学运动传感器26较容易侦测到树体，故光学式运动侦测装置20可判断飞行器12属于飞越树梢的情况。

在其它可能实施态样中，光学式运动侦测装置进一步可包括三个光学运动传感器，其中一个光学运动传感器的感测面朝向正下方，另外两个光学运动传感器设在已知的固定角度并分别将其感测面朝向前方与后方。本发明的光学式运动侦测装置优选地用来辅助搭配于非光学式的外部高度侦测器。非光学式外部高度侦测器容易受到环境声音或影像的噪声干扰，因此光学式运动侦测装置可通过分析取得画面里的图案移动来滤除噪声，从而取得飞行器的正确位移量。光学式运动侦测装置侦测到的水平位移量与垂直位移量能与非光学式外部高度侦测器的侦测结果相比较，以此判断飞行器的飞行模式并提供自适应功能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。