决定轮胎轨迹的光学感测器系统及方法以及汽车导航系统技术领域
本发明是涉及光学感测器，更具体而言，涉及一种可执行测距追踪
(odometry tracking)的光学感测器。
背景技术
由于光学感测器可以侦测微小的方向性变化以追踪二维表面上物体的移
动，故光学感测器经常应用于光学滑鼠。光学感测器的工作原理是对于物体
所移动的表面上进行照射以撷取影像，并且将所撷取到的影像与一参考影像
进行比较，来决定物体自原点所移动的距离。上述的影像比较产生了垂直方
向的累积值(accumulated delta)ΔY以及水平方向的累积值Δx，而计算机演
算法可藉此来决定物体的总和运动(resultant motion)。
光学感测器的优点是，只需要单一的光学感测器即可决定物体的角运动
(angular motion)，例如上述光学感测器可分别生成两个方向的累积值值，即
Δx以及Δy。光学感测器通常应用于感测较微小的距离变化，但是若可将光学
感测器应用侦测轮胎所进行的移动，则光学感测器便可追踪轮胎的运动，从
而将所侦测到的运动转换为实际的距离。
发明内容
承上，本发明的一目的是设置用以追踪轮胎运动的单一光学感测器，以
便量测距离以及执行测距追踪(odometry tracking)。
本发明的一实施例公开了一种用以决定轮胎轨迹的光学感测器系统，该
光学感测器系统包含一轮胎以及一光学感测器。该轮胎是安装于一轮拱
(wheel arch)中，该轮胎具有一外表面，该外表面上具有均匀分布的多个轮
距(wheel tread)。该光学感测器是安装于该轮拱中但不与该轮胎接触，该光
学感测器用以撷取对应于该些轮距的多个影像以进行多个计数，以及将所撷
取的该些影像与一参考影像进行比较，来决定出该轮胎自一初始位置的二维
位移。该光学感测器执行一轨迹计算，以将该轮胎自该初始位置的该二维位
移转换为该轮胎沿着一路径行走的距离，以决定该轮胎的轨迹。
本发明的另一实施例提供了一种用以决定轮胎轨迹的方法，该方法包含：
安装一轮胎于一轮拱中，该轮胎具有一外表面，该外表面上具有均匀分布的
多个轮距；以及利用安装于轮拱且不与该轮胎接触的一光学感测器来执行以
下步骤：撷取对应于该些轮距的多个影像以进行多个计数；将所撷取的该些
影像与一与参考影像进行比较，来决定出该轮胎自一初始位置的二维位移；
以及执行一轨迹计算，以将该轮胎自该初始位置的该二维位移转换为该轮胎
沿着一路径行走的距离，以决定该轮胎的轨迹。
本发明的另一实施例提供了一种汽车导航系统，该汽车导航系统包含一
汽车，该汽车包含有一轮胎以及一光学感测器。该轮胎是安装于该汽车的一
轮拱。该光学感测器是安装于该轮拱中但不与该轮胎接触，该光学感测器用
以撷取该轮胎的多个影像，以及比较所撷取的该些影像来决定出该轮胎一二
维位移。该光学感测器执行一轨迹计算，以将该二维位移转换为该轮胎沿着
一路径行走的距离，以决定该轮胎的轨迹。
附图说明
图1为根据本发明的一实施例的安装在一轮胎上方的光学感测器的示意
图。
图2为轮胎在一直线方向上移动所产生的累积运动的示意图。
图3为轮胎以转动方式移动所产生的累积运动的示意图。
图4为图3所示的轮胎的角运动的一范例。
图5为在图3中所示的轮胎的运动轨迹的示意图，其中所述轮胎是一汽
车的前轮。
附图标号说明：
100 测距追踪系统
150 轮胎
120 轮拱
131、161、191 光学感测器
133、163、193 外壳
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步
说明。
具体实施方式
请参见图1，图1为根据本发明的一实施例的安装在一轮胎上方的光学感
测器的示意图，如图1所示，测距追踪(odometry tracking)系统100包含有：
一轮胎150，安装于一轮拱(wheel arch)120内；三个光学感测器131、161
以及191，设置于轮拱120的顶部，分别被各自的外壳(casing)133、163以
及193所保护。应当注意的是，本发明于只需要设置单一光学感测器(亦即
光学感测器131，161以及191其中一者)，即可实现测距追踪，而在本实施
例中采用三个感测器仅作为说明之目的，并非对于本发明的限制。请注意，
在本发明实施例中，测距追踪系统100亦可理解为一汽车。
设置外壳133、163以及193的目的是为了保护光学感测器131、161以
及191，以避免其遭受损坏。如图1所示，外壳133可与轮拱120平行，且外
壳193、163可分别与轮拱120左、右二凸出部份平行。此外，外壳133、163
以及193除了用来保护光学感测器131、161以及191本身，亦可保护外壳133、
163以及193各自的镜头遭到污物溅射。
透过使用光学感测器131、161以及191的其中一者，即可准确的估测轮
胎150已行进多少距离，以及轮胎150所行进的轨迹。如上所述，光学感测
器131、161以及191是安装于轮拱120的顶部，其中轮拱120可以是一机动
车辆(motorized vehicle)(例如汽车)的轮拱，亦可为跑步机的轮拱。当轮胎
150转动时，光学感测器131、161以及191会基于扫描到的轮胎150的外表
面上均匀分布的轮距(wheel tread)的数量来回报(或计算)行走的距离。
请参阅图2以及图3，图2为轮胎在一直线方向上移动所产生的累积运动
的示意图，且图3为轮胎以转动方式移动所产生的累积运动的示意图，图2
以及图3说明了如何根据光学感测器的回报(或计算)来产生累积运动参数
(accumulated motion parameters)。举例来说，图2可视为轮胎150转动
(rotate)但不转向(turn)时所产生的累积运动，其中X轴方向并无累积值
产生，而Y轴方向上则有与轮胎转动呈相反方向的累积值Dy。
图3为轮胎150转动并且转向时所产生的累积运动，其中X轴方向、Y
轴方向均有与轮胎动作呈相反方向的累积值Dx、Dy。为了计算轮胎150的有
效距离(resultant distance)，必须计算Dx以及Dy的斜边长度，并将其转换为
实际移动的距离。
举例来说，可执行一校正步骤来产生用于上述转换的一比例，例如执行
校正过程来计算光学感测器每次的影像撷取中轮胎所转动的幅度，进而调整
所需的比例。如上所述，每次计数的间隔会对应于轮距。假设轮胎如图2转
动但未转向，则轮胎实际转动的距离就可以根据轮胎的圆周长C计算。
轮胎的圆周长C可以使用毕达哥拉斯方程式(Pythagorean equation)来
计算，如方程式(1)所示(其中r是半径)：
C＝2πr (1)
当轮胎转动时，累积值Dy会渐增直到累积值Dy对应于轮胎的一次转动
为止。累积值Dy与圆周长C之间有着直接的关系，累积值Dy可用来决定一
共要进行多少次回报/计数。此外，圆周长C可除以累积值Dy来产生每次计
数距离(distance per count，dpc)值，如方程式(2)所示：
dpc＝错误！未找到引用源。未找到引用源。
透过以上操作可决定出轮胎150的轨迹，当光学感测器131、161以及191
是回报只有y方向的变化时，亦即只有累积值Dy产生，则轮胎150会被决定
为只有转动而未转向，此时可执行一简单的计数转换来产生轮胎150行进的
距离；然而，当轮胎150既有转动也有转向时，轮胎的转向角度θ可使用简
单的三角函数来计算，如方程式(3)所示：
一旦已决定出轮胎150转向角度，轮胎150的轨迹便可据以绘制，如图5
所示。在图5中，测距追踪系统100是一汽车，图3中所示的轮胎150此时
为汽车的前轮。在图5中，若轮胎150的转向角度是已知，即可据以计算轮
胎150与汽车的对应侧边之间的夹角，即90°-θ。
轮胎150的一垂直线(法线)与汽车的后轮的另一垂直线会相交，以形
成具有三边L、R以及E的直角三角形。L是汽车的车身长度，可是为一已知
的值；R以及E的长度可用三角函数来计算，如方程式(4)、(5)所示：
如虚线的轨迹所示，汽车将沿着原点O以半径R来移动，透过使用光学
感测器131、161以及191来决定轮胎150的转动距离，并且将转动距离转换
成实际值，可据以计算出汽车沿曲线移动的有效移动距离。
如上所述，每次计数的距离已于校正阶段计算出来，其可以用来计算汽
车所行进的实际距离。在一实施例中，当汽车是沿着直线方向移动时，此时
没有x分量产生，将光学感测器131、161以及191所侦测的复数个轮距(其
中该些轮距是加总为Dy)乘上每次计数的距离(即方程式(2)中的dpc值)
即可得到有效移动距离d，如方程式(6)所示：
d＝Dy×dpc (6)
在另一实施例中，若汽车同时前进以及转向(即沿着曲线行进)，则由光
学感测器131，161以及191所测得的位移可使用Dx以及Dy的斜边而计算出
来，此值会被转换成计数，并且乘上DPC来决定沿着曲线行进的有效距离d’，
如方程式(7)所示：
在计算的最后阶段，再将此有效距离带入图5中的曲线，便可精确的得
出轮胎的运动轨迹。
虽然以上实施例是以汽车来作举例说明，但应理解的是，本发明的概念
亦可套用在任何追踪轮胎运动的应用上。另外，光学感测器也可经由校正来
调整与轮胎之间的垂直距离，以对应于轮胎的气压变化或其他因素(例如轮
胎行驶于崎岖的地形)导致光学感测器与轮胎之间的距离改变进行补偿。
无论光学感测器用何种方式来实施，轮胎半径应在初始化过程设定为已
知的参数，如图5的范例所示，车身长L以及两后轮轴之间的距离W是采用
已知的值，并且可被设定为初始化参数，然而本发明并不以此为限。
总言之，本发明提供了一种光学感测器，其可利用轮胎的二维变化来决
定轮胎的角运动(angular motion)。藉由侦测到的轮胎的二维变化来绘制出轮
胎的轨迹，可据以得出轮胎沿着该轨迹所行进的距离。
以上所述仅为本发明之较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做之均
等变化与修饰，皆应属本发明之涵盖范围。