專利名稱：用于估計(jì)移動(dòng)式機(jī)器人的位置和方位的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種移動(dòng)式機(jī)器人，更具體而言涉及一種用于在黑暗環(huán)境或具有劇烈變化的照明條件的環(huán)境中估計(jì)移動(dòng)式機(jī)器人的位置和方位的裝置和方法。
背景技術(shù)：
一般，存在通過(guò)使用人工信標(biāo)來(lái)估計(jì)移動(dòng)式機(jī)器人的位置和方位的四種方法。第一種方法使用反射物和視覺系統(tǒng)。這種方法的一個(gè)示例被公開在美國(guó)專利第5,051,906號(hào)中，其中自動(dòng)制導(dǎo)車輛(AGV)使用附加到天花板上的回射條帶(stripe)沿著走廊行進(jìn)。當(dāng)AGV沿著走廊的長(zhǎng)軸行進(jìn)時(shí)確定AGV的方位和位置。第二種方法僅僅使用反射器。這種方法的示例被公開在美國(guó)專利第5,812,267號(hào)和美國(guó)專利第5,467,273號(hào)中。第三種方法使用視覺系統(tǒng)和特定的標(biāo)志來(lái)替代反射器。這種方法的示例被公開在美國(guó)專利第5,525,883號(hào)、美國(guó)專利第5,911,767號(hào)和美國(guó)專利第6,496,754號(hào)中。在美國(guó)專利第5,911,767號(hào)中，通過(guò)將圓圈設(shè)置為編碼標(biāo)志和識(shí)別所述編碼標(biāo)志來(lái)定位移動(dòng)式機(jī)器人。具體上，使用與從環(huán)境識(shí)別的編碼標(biāo)志相關(guān)的兩個(gè)同心圓的兩個(gè)參數(shù)的比率獲得機(jī)器人的位置和方位。在美國(guó)專利第6,496,754號(hào)中，使用包括兩個(gè)標(biāo)志的一個(gè)基線標(biāo)志來(lái)檢測(cè)機(jī)器人的位置，并且使用激光束來(lái)識(shí)別障礙物的形狀。第四種方法使用視覺系統(tǒng)和光源來(lái)取代反射器。這種方法的示例被公開在美國(guó)專利第4,797,557號(hào)中。
但是，在上述的傳統(tǒng)方法中，不可能估計(jì)在其中移動(dòng)式機(jī)器人移動(dòng)的整個(gè)環(huán)境中的移動(dòng)式機(jī)器人的全局位置和方位，并且位置和方位的精度估計(jì)按照照明條件的變化而改變。因此，難于在諸如房間的一般室內(nèi)環(huán)境中使用所述傳統(tǒng)方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于在黑暗環(huán)境或具有劇烈變化的照明條件的環(huán)境中估計(jì)移動(dòng)式機(jī)器人的位置和方位的裝置和方法。
本發(fā)明也提供了采用上述方法和裝置的移動(dòng)式機(jī)器人。
按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種估計(jì)移動(dòng)式機(jī)器人的位置和方位的方法，所述方法包括(a)獲得其中移動(dòng)式機(jī)器人行進(jìn)的一個(gè)位置的天花板圖像；(b)從天花板圖像檢測(cè)回射人工標(biāo)志，所述回射人工標(biāo)志包括第一標(biāo)志和第二標(biāo)志，每個(gè)包括非反射部分和紅外線反射部分；(c)按照是否人工標(biāo)志的檢測(cè)已經(jīng)成功來(lái)使用所述人工標(biāo)志的位置或編碼器信息來(lái)估計(jì)機(jī)器人的位置和方位。所述人工標(biāo)志包括第一標(biāo)志和第二標(biāo)志，它們分別由非反射部分和紅外線反射部分組成。
按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種用于估計(jì)移動(dòng)式機(jī)器人的位置和方位的裝置，所述裝置包括天花板圖像獲取器，用于獲得其中移動(dòng)式機(jī)器人行進(jìn)的一個(gè)位置的天花板圖像；標(biāo)志檢測(cè)器，用于從天花板圖像檢測(cè)回射人工標(biāo)志；位置和方位估計(jì)器，用于按照是否人工標(biāo)志的檢測(cè)已經(jīng)成功來(lái)使用所述人工標(biāo)志的位置或編碼器信息來(lái)估計(jì)機(jī)器人的位置和方位。所述人工標(biāo)志包括第一標(biāo)志和第二標(biāo)志，它們分別由非反射部分和紅外線反射部分組成。
按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種移動(dòng)式機(jī)器人，包括天花板圖像獲取器，用于獲得其中移動(dòng)式機(jī)器人行進(jìn)的一個(gè)位置的天花板圖像；圖像亮度比較器，用于通過(guò)計(jì)算所述天花板圖像的平均強(qiáng)度和比較所計(jì)算的平均強(qiáng)度與預(yù)定的參考值來(lái)確定是否當(dāng)前環(huán)境的光是暗的或亮的；光控制器，用于按照所述圖像亮度比較器的確定結(jié)果來(lái)控制附加到所述移動(dòng)式機(jī)器人的光學(xué)器件；標(biāo)志檢測(cè)器，用于從所述天花板圖像檢測(cè)回射人工標(biāo)志，其中包括第一標(biāo)志和第二標(biāo)志，它們分別由非反射部分和紅外線反射部分組成；位置和方位估計(jì)器，用于按照是否人工標(biāo)志的檢測(cè)已經(jīng)成功來(lái)使用所述人工標(biāo)志的位置或編碼器信息而估計(jì)機(jī)器人的位置和方位；運(yùn)動(dòng)控制器，用于按照由所述位置和方位估計(jì)器估計(jì)的位置和方位來(lái)控制所述移動(dòng)式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。
按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中記錄了計(jì)算機(jī)可讀程序，用于執(zhí)行所述估計(jì)移動(dòng)式機(jī)器人的位置和方位的方法。


通過(guò)參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的示范實(shí)施例，本發(fā)明的上述和其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更加清楚，其中圖1A、1B和1C是在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中使用的人工標(biāo)志的示例；圖2是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于估計(jì)移動(dòng)式機(jī)器人的位置和方位的裝置的方框圖；圖3是圖解按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的估計(jì)移動(dòng)式機(jī)器人的位置和方位的方法的流程圖；圖4是圖解圖3的操作333的流程圖；圖5是圖解圖3的操作342的流程圖；圖6A和6B是在白天拍攝的天花板圖像和在夜晚拍攝的天花板倒圖像；圖7A和7B是在執(zhí)行補(bǔ)償圖像失真前后的天花板圖像；圖8A-8C是在失真補(bǔ)償處理方法中執(zhí)行使用光學(xué)中心的建模程序前后的天花板圖像；圖9A-9C是在失真補(bǔ)償處理方法中執(zhí)行內(nèi)插程序前后的天花板圖像；圖10示出了在執(zhí)行預(yù)處理程序前后的天花板圖像；圖11A和11B圖解了從所檢測(cè)的人工標(biāo)志的位置計(jì)算移動(dòng)式機(jī)器人的位置的方法。
具體實(shí)施例方式
以下，將參照附圖來(lái)更全面地說(shuō)明本發(fā)明，在附圖中示出了本發(fā)明的實(shí)施例。
圖1A是在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中使用的人工標(biāo)志100的示例。人工標(biāo)志100包括第一回射標(biāo)志110和第二回射標(biāo)志120。第一標(biāo)志110的外部部分111和第二標(biāo)志120的內(nèi)部部分123是敷有任何顏色，例如黑色的非反射部分，而第一標(biāo)志110的內(nèi)部部分113和第二標(biāo)志120的外部部分121是紅外線反射部分。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述人工標(biāo)志位于接近移動(dòng)式機(jī)器人行進(jìn)的位置的天花板的中心，以便執(zhí)行預(yù)定的工作，但是不限于此。而且，所述第一和第二標(biāo)志110和120具有11厘米的外徑和7厘米的內(nèi)徑，并且在第一標(biāo)志110和第二標(biāo)志120之間的距離最好是70厘米，但是不限于此。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二標(biāo)志110和120由彼此分離預(yù)定距離的圓周構(gòu)成，但是不限于此。
當(dāng)在白天使用具有圖1A所示的圖案的人工標(biāo)志110的時(shí)候，人工標(biāo)志110由圖1B所示的第一標(biāo)志110的外部部分111和第二標(biāo)志120的內(nèi)部部分123組成。在夜間，人工標(biāo)志110由圖1C所示的第一標(biāo)志110的內(nèi)部部分113和第二標(biāo)志120的外部部分121構(gòu)成。
圖2是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、用于估計(jì)移動(dòng)式機(jī)器人的位置和方位的裝置的方框圖。參見圖2，所述裝置包括天花板圖像獲取器210、圖像亮度比較器220、圖像處理器230、標(biāo)志檢測(cè)器240、編碼器信息捕獲器250、位置和方位估計(jì)器260、光控制器270和行進(jìn)控制器280。
天花板圖像獲取器210可以由廣角透鏡或諸如魚眼透鏡的超廣角透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且獲得其中移動(dòng)式機(jī)器人行進(jìn)的位置的天花板圖像以執(zhí)行預(yù)定的工作。
圖像亮度比較器220通過(guò)將天花板圖像的每個(gè)像素的強(qiáng)度和的值除以所有像素的數(shù)量來(lái)計(jì)算天花板圖像的平均強(qiáng)度，將所計(jì)算的平均強(qiáng)度與預(yù)定的參考值相比較，并且確定是否當(dāng)前環(huán)境的光是暗的或亮的。在此，所述參考值在256灰度級(jí)的情況下例如被設(shè)置為50，并且確定當(dāng)平均強(qiáng)度大于50時(shí)光是亮的，而當(dāng)平均強(qiáng)度小于50時(shí)光是暗的。
作為圖像亮度比較器220執(zhí)行的光亮度比較的結(jié)果，如果確定光是亮的則圖像處理器230不執(zhí)行，如果確定光是暗的則圖像處理器230將天花板圖像倒像。圖6A示出了包括在白天拍攝的人工標(biāo)志的天花板圖像，圖6B示出了包括在夜晚拍攝的人工標(biāo)志613或615的天花板圖像的天花板倒圖像。
圖像處理器230對(duì)于未處理的或倒像執(zhí)行失真補(bǔ)償處理或預(yù)處理程序的至少之一。在“攝像機(jī)校準(zhǔn)三維計(jì)算機(jī)視覺”(Oliver Faugeras，麻省理工學(xué)院出版社，1993)。現(xiàn)在參照?qǐng)D7A-9C來(lái)詳細(xì)說(shuō)明這種技術(shù)。
圖7A是在執(zhí)行失真補(bǔ)償處理程序之前的天花板圖像，圖7B是在執(zhí)行失真補(bǔ)償處理程序之后的天花板圖像。如果用于天花板圖像獲取器210的攝像機(jī)透鏡的角度變大，則天花板圖像的失真變得更嚴(yán)重。因此，因?yàn)樘旎ò鍒D像與實(shí)際圖像不同地被示出，失真補(bǔ)償處理程序是必要的。詳細(xì)而言，可以使用一種通過(guò)提取光學(xué)中心811和使用如圖8A所示的由基于光學(xué)中心811的第一和第二標(biāo)志110和120構(gòu)成的兩個(gè)橢圓813來(lái)執(zhí)行建模程序的方法。當(dāng)按照這種方法執(zhí)行失真補(bǔ)償處理程序的時(shí)候，如果當(dāng)提取光學(xué)中心811時(shí)產(chǎn)生誤差，則獲得如圖8B所示的傾斜圖像，如果光學(xué)中心811被精確地提取，則獲得如圖8C所示的良好補(bǔ)償?shù)膱D像。在此，光學(xué)中心811被用于獲得天花板的正常視圖，并且表示這樣一個(gè)點(diǎn)輸入到攝像機(jī)的所有光通過(guò)它，并且被投影在攝像機(jī)的圖像拾取器件上。即使攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)也不改變光學(xué)中心811的位置。當(dāng)執(zhí)行建模程序時(shí)，產(chǎn)生其中像素消失的區(qū)域911，如圖9A所示。可以通過(guò)內(nèi)插方法來(lái)恢復(fù)消失的像素。在此，原樣使用按照最近鄰居方法(N.N.方法)的位于最接近消失的像素的位置的像素的值，如圖9B所示，或使用通過(guò)平均接近要被內(nèi)插的一個(gè)像素的多個(gè)像素的值而獲得的值，如圖9C所示。
圖像處理器230執(zhí)行被執(zhí)行失真補(bǔ)償處理程序的天花板圖像的預(yù)處理程序。在圖10中，附圖標(biāo)號(hào)1010示出了在執(zhí)行預(yù)處理程序之前的天花板圖像，而附圖標(biāo)號(hào)1030示出了在執(zhí)行預(yù)處理程序之后的天花板圖像。在一種預(yù)處理方法中，使用預(yù)定常數(shù)α和對(duì)比度特征圖G1來(lái)調(diào)整對(duì)比度和/或曝光。即，當(dāng)通過(guò)將天花板圖像的每個(gè)像素乘以常數(shù)α來(lái)調(diào)整曝光時(shí)和當(dāng)通過(guò)向被調(diào)整曝光的天花板圖像應(yīng)用對(duì)比度特征圖G1來(lái)調(diào)整對(duì)比度以便暗的部分不變或變得更暗并且亮的部分變得更亮的時(shí)候，特定像素區(qū)域的分辨率、即包括人工標(biāo)志100的第一和第二標(biāo)志110和120的像素區(qū)域的分辨率變得更高。但是，其他像素區(qū)域的分辨率相對(duì)較低?？梢酝ㄟ^(guò)作為預(yù)處理結(jié)果使得人工標(biāo)志100的亮度與周圍環(huán)境的大大不同來(lái)容易地執(zhí)行諸如標(biāo)志檢測(cè)的后續(xù)圖像處理。
標(biāo)志檢測(cè)器240從被圖像處理器230失真補(bǔ)償處理的和預(yù)處理的天花板圖像檢測(cè)標(biāo)志候選點(diǎn)，并且通過(guò)過(guò)濾標(biāo)志候選點(diǎn)來(lái)檢測(cè)人工標(biāo)志100的位置。
編碼器信息捕獲器250從附加到移動(dòng)式機(jī)器人的輪子的編碼器傳感器(未示出)來(lái)獲得移動(dòng)式機(jī)器人的位置和方位的信息。
位置和方位估計(jì)器260使用由標(biāo)志檢測(cè)器240檢測(cè)的人工標(biāo)志100的位置或由編碼器信息捕獲器250提供的信息來(lái)估計(jì)移動(dòng)式機(jī)器人的位置和方位。即當(dāng)標(biāo)志檢測(cè)器240已經(jīng)成功地檢測(cè)到人工標(biāo)志100的位置的時(shí)候，人工標(biāo)志100的位置被用于估計(jì)移動(dòng)式機(jī)器人的位置和方位，而當(dāng)標(biāo)志檢測(cè)器240未能在位置上檢測(cè)人工標(biāo)志100的時(shí)候，使用編碼器信息來(lái)估計(jì)移動(dòng)式機(jī)器人的位置和方位。
如果作為圖像亮度比較器220的確定結(jié)果確定外部光處于暗的狀態(tài)，則光控制器270接通附加到移動(dòng)式機(jī)器人的光學(xué)器件(未示出)或調(diào)高所述光學(xué)器件的亮度，如果作為圖像亮度比較器220的確定結(jié)果確定外部光處于亮的狀態(tài)，則光控制器270關(guān)閉附加到移動(dòng)式機(jī)器人的光學(xué)器件或降低所述光學(xué)器件的亮度。
移動(dòng)控制器280使用由位置和方位估計(jì)器260獲得的移動(dòng)式機(jī)器人的位置和方位信息來(lái)控制移動(dòng)式機(jī)器人沿著預(yù)設(shè)或計(jì)劃的路徑行進(jìn)。
圖3是圖解按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、用于估計(jì)移動(dòng)式機(jī)器人的位置和方位的方法的流程圖。
參見圖3，在步驟310中，使用廣角或超廣角攝像機(jī)來(lái)獲得其中移動(dòng)式機(jī)器人行進(jìn)的位置的天花板圖像。
在步驟320中，確定當(dāng)前環(huán)境的光狀態(tài)，為此，在步驟321計(jì)算在步驟310中獲得的天花板圖像的平均強(qiáng)度。在步驟322，通過(guò)比較所計(jì)算的平均強(qiáng)度與預(yù)定的參考值來(lái)確定是否光在暗的狀態(tài)或亮的狀態(tài)。即，如果所述平均亮度大于所述參考值則光處于亮的狀態(tài)，而如果所述平均亮度小于所述參考值則光處于暗的狀態(tài)。當(dāng)確定光處于暗的狀態(tài)時(shí)，在步驟323將天花板圖像倒像。
在步驟330，從天花板圖像檢測(cè)人工標(biāo)志。為此，在步驟331確定是否存在被存儲(chǔ)的所關(guān)心的區(qū)域。作為確定的結(jié)果，如果不存在所關(guān)心的區(qū)域，則在步驟332將所關(guān)心的區(qū)域設(shè)置為天花板圖像的整個(gè)區(qū)域，并且在步驟333從所述天花板圖像的整個(gè)區(qū)域檢測(cè)人工標(biāo)志。如果存在所關(guān)心的區(qū)域，則在步驟333從存儲(chǔ)的所關(guān)心區(qū)域檢測(cè)人工標(biāo)志。
在步驟340，按照人工標(biāo)志檢測(cè)的結(jié)果來(lái)估計(jì)移動(dòng)式機(jī)器人的位置和方位。為此，在步驟341確定是否已經(jīng)檢測(cè)到人工標(biāo)志。如果作為在步驟341的確定結(jié)果還未檢測(cè)到人工標(biāo)志，則在步驟342使用從一個(gè)編碼器傳感器提供的信息來(lái)計(jì)算移動(dòng)式機(jī)器人的位置和方位。如果作為在步驟341的確定結(jié)果已經(jīng)檢測(cè)到人工標(biāo)志，則在步驟343使用人工標(biāo)志來(lái)計(jì)算移動(dòng)式機(jī)器人的位置和方位。現(xiàn)在參照?qǐng)D11A和11B來(lái)說(shuō)明使用人工標(biāo)志來(lái)計(jì)算移動(dòng)式機(jī)器人的位置和方位的方法。
參見圖11A，d指示在第一標(biāo)志110和第二標(biāo)志120之間的距離，θ指示在通過(guò)將人工標(biāo)志100的中心Lc向x軸擴(kuò)展而獲得的線和連接第一標(biāo)志110和第二標(biāo)志120的直線之間的角度，即人工標(biāo)志100相對(duì)于x軸的傾角，Rp指示移動(dòng)式機(jī)器人的當(dāng)前位置。
通過(guò)相對(duì)于人工標(biāo)志100的位置執(zhí)行移位、旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)處理可以估計(jì)移動(dòng)式機(jī)器人的位置和方位。因此，通過(guò)方程1來(lái)給出在圖11B中的移動(dòng)式機(jī)器人的當(dāng)前位置。
在此， 指示完全坐標(biāo)點(diǎn)，而 指示在攝像機(jī)圖像中的移動(dòng)式機(jī)器人的坐標(biāo)點(diǎn)。
方程1的轉(zhuǎn)換函數(shù)H移位、H旋轉(zhuǎn)、H翻轉(zhuǎn)和H定標(biāo)可以如方程2中所示表示。 在此，(tx，ty)指示人工標(biāo)志100的中心Lc的坐標(biāo)點(diǎn)，θ指示人工標(biāo)志100的傾角，而s指示通過(guò)將人工標(biāo)志100的實(shí)際物理距離除以人工標(biāo)志100的圖像距離而獲得的值。
在步驟344中，通過(guò)使用所計(jì)算的移動(dòng)式機(jī)器人的位置和方位來(lái)控制移動(dòng)式機(jī)器人的行進(jìn)。
圖4是圖解圖3的步驟333的流程圖。
參見圖4，在步驟411中，相對(duì)于所獲得的天花板圖像來(lái)執(zhí)行使用圖7A和7B、8A-8C和9A-9C所述的失真補(bǔ)償處理程序。在步驟412相對(duì)于失真補(bǔ)償處理的天花板圖像來(lái)執(zhí)行圖10所述的預(yù)處理程序。
在步驟413，將預(yù)處理的天花板圖像的每個(gè)像素的強(qiáng)度值與預(yù)定的參考值相比較，并且通過(guò)下列方式來(lái)執(zhí)行二進(jìn)制化如果所述強(qiáng)度值大于參考值則向像素的值應(yīng)用1，如果所述強(qiáng)度值小于所述參考值則向像素的值應(yīng)用“0”。在步驟414中相對(duì)于二進(jìn)制化的天花板圖像執(zhí)行輪廓匹配。在“通過(guò)瞬時(shí)不變量的視覺模式識(shí)別”(M.Hu.關(guān)于信息理論的IRE交易，8∶2，第179-187頁(yè)，1962)中描述了輪廓匹配方法，用于檢測(cè)通過(guò)人工標(biāo)志分離的區(qū)域的輪廓，并且將所述輪廓與所存儲(chǔ)的人工標(biāo)志的輪廓相比較。
在步驟415中，使用人工標(biāo)志100的幾何信息來(lái)從天花板圖像提取候選區(qū)域。在步驟416，通過(guò)相對(duì)于候選區(qū)域來(lái)執(zhí)行模板匹配來(lái)計(jì)算候選區(qū)域的可靠性值。在“數(shù)字圖像處理”(Rafael C.Gonzalez，Richard E.Woods，第583-586頁(yè)，1992)中表述了使用標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的模版匹配方法?？梢匀绶匠?所示來(lái)表示通過(guò)模板匹配而計(jì)算的可靠性值(γ(s，t))。
在此，f指示輸入候選區(qū)域，f指示在匹配到人工標(biāo)志100的當(dāng)前位置的區(qū)域中的候選區(qū)域f(x，y)中包括的像素的平均值，w指示人工標(biāo)志100的圖像，即，模板圖像，而w指示在人工標(biāo)志100的圖像w(x，y)中包括的像素的平均值。
在步驟417，選擇在被計(jì)算為模板匹配結(jié)果的候選區(qū)域的可靠性值中的最大可靠性值。在步驟418，將所選擇的可靠性值與預(yù)定的參考值相比較。作為比較結(jié)果，如果所選擇的可靠性值大于所述參考值，則在步驟419確定人工標(biāo)志100的檢測(cè)成功，如果所選擇的可靠性值小于所述參考值，則在步驟420確定人工標(biāo)志100的檢測(cè)失敗。
圖5是圖解圖3的步驟342的流程圖。
參見圖5，在步驟511，移動(dòng)式機(jī)器人的當(dāng)前位置(x，y)和方位θ是一個(gè)輸入。在步驟513，從附加到移動(dòng)式機(jī)器人的左和右輪的編碼器傳感器(未示出)輸出的脈沖(NL，NR)的數(shù)量是多個(gè)輸入。
在步驟515，使用輸入的移動(dòng)式機(jī)器人的當(dāng)前位置(x，y)和方位θ和從編碼器傳感器(未示出)輸出的脈沖(NL，NR)的數(shù)量來(lái)獲得移動(dòng)式機(jī)器人的下一個(gè)位置和下一個(gè)方位。為此，如方程4所示，計(jì)算常數(shù)值cm，用于將編碼器脈沖的數(shù)量轉(zhuǎn)換為輪子實(shí)際移動(dòng)的距離。

cm＝πDn/nCe在此，Dn指示輪子的直徑，Ce指示編碼器的分辨率，即每個(gè)旋轉(zhuǎn)周的編碼器脈沖的數(shù)量，n指示在要安裝編碼器的馬達(dá)和輪子之間的齒輪比率。
如方程5所示，計(jì)算通過(guò)編碼器脈沖的數(shù)量實(shí)際移動(dòng)的左和右輪的每個(gè)的行進(jìn)距離ΔUL/R，i。
ΔUL/R，i＝cmNL/R，i在此，NL/R，i指示在時(shí)間i附加到移動(dòng)式機(jī)器人的左和右輪的編碼器傳感器的脈沖的數(shù)量。
可以如方程6和方程7所示來(lái)表示輪子中心的平均移動(dòng)距離位移ΔUi和轉(zhuǎn)換的方位角位移Δθi。
ΔUi＝(ΔUR+ΔUL)/2[方程7]Δθi＝(ΔUR-ΔUL)/b在此，b指示在左輪和右輪之間的距離。
可以使用方程8來(lái)執(zhí)行在時(shí)間i的移動(dòng)式機(jī)器人的位置和方位的更新。
xi＝xi-1+ΔUicosθiyi＝y(tǒng)i-1+ΔUisinθiθi＝θi-1+Δθi本發(fā)明也可以被體現(xiàn)為在計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)上的計(jì)算機(jī)可讀代碼。所述計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)是可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的任何數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件，所述數(shù)據(jù)隨后可以被計(jì)算機(jī)系統(tǒng)讀取。所述計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)的示例包括只讀存儲(chǔ)器(ROM)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、CD-ROM、磁帶、軟盤、光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件和載波(諸如通過(guò)因特網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸)。所述計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)也可以被分布在網(wǎng)絡(luò)連接的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上，以便所述計(jì)算機(jī)可讀代碼以分布的方式被存儲(chǔ)和執(zhí)行。而且，本發(fā)明所屬的領(lǐng)域內(nèi)的有技能的編程人員可以容易地分析用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的功能程序、代碼和代碼段。
如上所述，可以使用圖像處理程序?qū)崟r(shí)地估計(jì)移動(dòng)式機(jī)器人的位置和方位并且在暗光或光劇烈變化的環(huán)境中帶來(lái)較少的噪音。而且，可以通過(guò)在其中移動(dòng)式機(jī)器人行進(jìn)的位置的天花板上安裝少量的人工標(biāo)志和使用模式識(shí)別方法來(lái)檢測(cè)所述人工標(biāo)志來(lái)簡(jiǎn)化用于標(biāo)志檢測(cè)的圖像處理程序。
雖然已經(jīng)參照本發(fā)明的示范實(shí)施例具體示出和說(shuō)明了本發(fā)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)明白，在不脫離所附的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種改變。
權(quán)利要求
1.一種構(gòu)造人工標(biāo)志的方法，包括形成第一標(biāo)志，其中包括非反射部分和紅外線反射部分；形成第二標(biāo)志，其中包括非反射部分和紅外線反射部分，并且與第一標(biāo)志相距預(yù)定距離，其中所述第一和第二標(biāo)志是回射人工標(biāo)志。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中第一標(biāo)志的外部部分和第二標(biāo)志的內(nèi)部部分是非反射部分，而第一標(biāo)志的內(nèi)部部分和第二標(biāo)志的外部部分是紅外線反射部分。
3.一種估計(jì)移動(dòng)式機(jī)器人的位置和方位的方法，所述方法包括獲得其中移動(dòng)式機(jī)器人行進(jìn)的一個(gè)位置的天花板圖像；從天花板圖像檢測(cè)回射人工標(biāo)志，所述回射人工標(biāo)志包括第一標(biāo)志和第二標(biāo)志，每個(gè)包括非反射部分和紅外線反射部分；按照是否人工標(biāo)志的檢測(cè)已經(jīng)成功來(lái)使用所述人工標(biāo)志的位置或編碼器信息而估計(jì)機(jī)器人的位置和方位。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中第一標(biāo)志的外部部分和第二標(biāo)志的內(nèi)部部分是非反射部分，而第一標(biāo)志的內(nèi)部部分和第二標(biāo)志的外部部分是紅外線反射部分。
5.如權(quán)利要求3或4所述的方法，還包括從所獲得的天花板圖像識(shí)別當(dāng)前環(huán)境，并且按照所識(shí)別的環(huán)境執(zhí)行預(yù)定的圖像處理程序。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述識(shí)別當(dāng)前環(huán)境包括計(jì)算所獲得的天花板圖像的平均強(qiáng)度；通過(guò)比較所計(jì)算的平均強(qiáng)度和參考值來(lái)確定是否當(dāng)前環(huán)境的光在暗的狀態(tài)或在亮的狀態(tài)；如果確定當(dāng)前環(huán)境的光在亮的狀態(tài)則對(duì)于天花板圖像執(zhí)行失真補(bǔ)償處理和預(yù)處理的至少一個(gè)；如果確定當(dāng)前環(huán)境的光在暗的狀態(tài)，則將所述天花板圖像倒像并且對(duì)于被倒像的天花板圖像執(zhí)行圖像處理程序。
7.如權(quán)利要求3或4所述的方法，其中所述檢測(cè)回射人工標(biāo)志包括使用人工標(biāo)志的輪廓匹配幾何信息的結(jié)果來(lái)對(duì)于天花板圖像提取至少一個(gè)或多個(gè)候選區(qū)域；對(duì)于所檢測(cè)的候選區(qū)域執(zhí)行模板匹配，選擇最大的可靠性值作為模板匹配結(jié)果，并且將所選擇的可靠性值與預(yù)定的參考值相比較；如果作為比較結(jié)果所選擇的可靠性值大于參考值則確定人工標(biāo)志的檢測(cè)已經(jīng)成功，如果作為比較結(jié)果所選擇的可靠性值小于參考值則確定人工標(biāo)志的檢測(cè)失敗。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中對(duì)于在提取至少一個(gè)或多個(gè)候選區(qū)域中使用的天花板圖像，事先依序執(zhí)行失真補(bǔ)償處理、預(yù)處理和二進(jìn)制化處理的至少一個(gè)。
9.如權(quán)利要求3或4所述的方法，其中，如果所檢測(cè)的人工標(biāo)志用于所述估計(jì)機(jī)器人的位置和方位中，則通過(guò)依序執(zhí)行移位處理、旋轉(zhuǎn)處理和翻轉(zhuǎn)處理來(lái)從人工標(biāo)志估計(jì)移動(dòng)式機(jī)器人的相對(duì)位置和方位。
10.一種用于估計(jì)移動(dòng)式機(jī)器人的位置和方位的裝置，所述裝置包括天花板圖像獲取器，用于獲得其中移動(dòng)式機(jī)器人行進(jìn)的一個(gè)位置的天花板圖像；標(biāo)志檢測(cè)器，用于從天花板圖像檢測(cè)回射人工標(biāo)志，所述回射人工標(biāo)志包括第一標(biāo)志和第二標(biāo)志，每個(gè)包括非反射部分和紅外線反射部分；位置和方位估計(jì)器，用于按照是否人工標(biāo)志的檢測(cè)已經(jīng)成功來(lái)使用所述人工標(biāo)志的位置或編碼器信息來(lái)估計(jì)機(jī)器人的位置和方位。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中第一標(biāo)志的外部部分和第二標(biāo)志的內(nèi)部部分是非反射部分，而第一標(biāo)志的內(nèi)部部分和第二標(biāo)志的外部部分是紅外線反射部分。
12.如權(quán)利要求10或11所述的裝置，還包括圖像處理器，用于從所獲得的天花板圖像識(shí)別當(dāng)前環(huán)境，并且按照所識(shí)別的環(huán)境執(zhí)行預(yù)定的圖像處理程序。
13.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中圖像處理器比較所獲得的天花板圖像的平均強(qiáng)度和參考值，如果按照比較結(jié)果當(dāng)前環(huán)境的光在暗的狀態(tài)，則將所述天花板圖像倒像并且對(duì)于被倒像的天花板圖像執(zhí)行圖像處理程序。
14.如權(quán)利要求10或11所述的裝置，其中標(biāo)志檢測(cè)器對(duì)于天花板圖像提取至少一個(gè)或多個(gè)候選區(qū)域；對(duì)于所檢測(cè)的候選區(qū)域，選擇最大的可靠性值作為模板匹配結(jié)果；將所選擇的可靠性值與預(yù)定的參考值相比較；按照比較結(jié)果來(lái)確定人工標(biāo)志的檢測(cè)已經(jīng)成功或者失敗。
15.一種移動(dòng)式機(jī)器人，包括天花板圖像獲取器，用于獲得其中移動(dòng)式機(jī)器人行進(jìn)的一個(gè)位置的天花板圖像；圖像亮度比較器，用于通過(guò)計(jì)算所述天花板圖像的平均強(qiáng)度和比較所計(jì)算的平均強(qiáng)度與預(yù)定的參考值來(lái)確定是否當(dāng)前環(huán)境的光是暗的或亮的；光控制器，用于按照所述圖像亮度比較器的確定結(jié)果來(lái)控制附加到所述移動(dòng)式機(jī)器人的光學(xué)器件；標(biāo)志檢測(cè)器，用于從所述天花板圖像檢測(cè)回射人工標(biāo)志，其中包括第一標(biāo)志和第二標(biāo)志，它們由非反射部分和紅外線反射部分組成；位置和方位估計(jì)器，用于按照是否人工標(biāo)志的檢測(cè)已經(jīng)成功來(lái)使用所述人工標(biāo)志的位置或編碼器信息來(lái)估計(jì)機(jī)器人的位置和方位；運(yùn)動(dòng)控制器，用于按照由所述位置和方位估計(jì)器估計(jì)的位置和方位來(lái)控制所述移動(dòng)式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。
16.如權(quán)利要求15所述的移動(dòng)式機(jī)器人，其中，第一和第二標(biāo)志由彼此相距預(yù)定距離的圓周組成，第一標(biāo)志的外部部分和第二標(biāo)志的內(nèi)部部分是非反射部分，第一標(biāo)志的內(nèi)部部分和第二標(biāo)志的外部部分是紅外線反射部分。
17.如權(quán)利要求15或16所述的移動(dòng)式機(jī)器人，還包括圖像處理器，用于從所獲得的天花板圖像識(shí)別當(dāng)前環(huán)境，并且按照所識(shí)別的環(huán)境執(zhí)行預(yù)定的圖像處理程序。
18.如權(quán)利要求17所述的移動(dòng)式機(jī)器人，其中圖像處理器比較所獲得的天花板圖像的平均強(qiáng)度和參考值，如果按照比較結(jié)果當(dāng)前環(huán)境的光在暗的狀態(tài)，則將所述天花板圖像倒像并且對(duì)于被倒像的天花板圖像執(zhí)行失真補(bǔ)償處理和預(yù)處理。
19.如權(quán)利要求15或16所述的移動(dòng)式機(jī)器人，其中標(biāo)志檢測(cè)器提取至少一個(gè)或多個(gè)候選區(qū)域；對(duì)于所檢測(cè)的候選區(qū)域，選擇最大的可靠性值作為模板匹配結(jié)果；將所選擇的可靠性值與預(yù)定的參考值相比較；按照比較結(jié)果來(lái)確定人工標(biāo)志的檢測(cè)已經(jīng)成功或者失敗。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于估計(jì)移動(dòng)式機(jī)器人的位置和方位的方法和裝置。所述裝置包括天花板圖像獲取器，用于獲得其中移動(dòng)式機(jī)器人行進(jìn)的一個(gè)位置的天花板圖像；標(biāo)志檢測(cè)器，用于從天花板圖像檢測(cè)回射人工標(biāo)志，所述回射人工標(biāo)志包括第一標(biāo)志和第二標(biāo)志，每個(gè)包括非反射部分和紅外線反射部分；位置和方位估計(jì)器，用于按照是否人工標(biāo)志的檢測(cè)已經(jīng)成功與否來(lái)使用所述人工標(biāo)志的位置或編碼器信息來(lái)估計(jì)機(jī)器人的位置和方位。
文檔編號(hào)G01C15/00GK1598610SQ200410078958
公開日2005年3月23日 申請(qǐng)日期2004年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月16日
發(fā)明者洪先基, 方錫元, 樸東烈 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社