具有激光測距儀系統(tǒng)的水池清潔器和方法
【專利說明】具有激光測距儀系統(tǒng)的水池清潔器和方法 相關(guān)申請 本申請依據(jù)35U.S.C. §119要求于2012年6月27日提交的美國臨時(shí)專利申請 No. 61/664, 945的優(yōu)先權(quán)，在此通過引用將其全部內(nèi)容并入本文。
【背景技術(shù)】 為了讓無人駕駛運(yùn)載工具真正自主，它們必須擁有在被置入未知環(huán)境中時(shí)定位自己并 了解它們周圍的物理對象的能力。例如，這樣的運(yùn)載工具為高級應(yīng)用（例如繪圖和運(yùn)載工 具定位）以及低級應(yīng)用（例如障礙物躲避）獲知信息。一旦運(yùn)載工具獲知其工作所處的環(huán) 境的信息，就能夠自由地且以優(yōu)化的模式在環(huán)境附近運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)其需要的任務(wù)，同時(shí)保持 不受損傷。盡管已經(jīng)為在水外操作的運(yùn)載工具開發(fā)了各種傳感器，但可用于水下運(yùn)載工具 的傳感器數(shù)量是有限的。 例如，對于工作在戶外環(huán)境的運(yùn)載工具，可以利用能夠提供厘米范圍的精確度的基于 衛(wèi)星的定位傳感器（例如GPS傳感器）完成定位。而且，基于激光的測距儀，包括光探測 和測距（LiDAR)傳感器，能夠向運(yùn)載工具提供毫米精確度的關(guān)于周圍環(huán)境的信息。不過， LiDAR傳感器成本高昂，阻止了低預(yù)算應(yīng)用，且LiDAR和基于衛(wèi)星的傳感器都不能在室內(nèi) (即，封閉）或水下環(huán)境中正常工作。 在水下環(huán)境中，大部分通用的傳感器技術(shù)基于聲學(xué)。例如，聲波導(dǎo)航和測距（SONAR)能 夠?yàn)樵诖蟪叨乳_放水環(huán)境中操作的運(yùn)載工具提供準(zhǔn)確的傳感器數(shù)據(jù)。不過，在封閉的水下 空間中，例如游泳池中，基于聲學(xué)的解決方案（例如SONAR)由于封閉環(huán)境中的反射所導(dǎo)致 的大量多次回波而難以使用。結(jié)果，已經(jīng)提出了一些基于激光的方法。例如，一種方法包括 具有激光指示器和相機(jī)的運(yùn)載工具，激光指示器投射（project)單個(gè)點(diǎn)，且相機(jī)可視化從 封閉空間的壁反射的點(diǎn)。由于該設(shè)計(jì)，這種運(yùn)載工具僅能夠確定與相機(jī)正前方的單個(gè)位置 相關(guān)的距離信息。而且，這樣的設(shè)計(jì)嚴(yán)重依賴于校準(zhǔn)例程（calibration routine)，該校準(zhǔn) 例程利用距離繪制激光指示器在圖像系中的位置。另一種方式包括使用單條激光線和相機(jī) 來產(chǎn)生水下對象的完整3D地圖。不過，在并非極暗的環(huán)境中找到完整的激光線可能是有難 度的。因此，這種方式不能夠用于可能存在大量天然和人造光的操作環(huán)境中，例如游泳池和 溫泉環(huán)境中。

【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明的一些實(shí)施例提供了一種水池清潔器控制系統(tǒng)，以檢測距水池清潔器前方對象 的物理距離。控制系統(tǒng)包括激光測距儀，其具有第一激光線發(fā)生器、第二激光線發(fā)生器和相 機(jī)。第一激光線發(fā)生器和第二激光線發(fā)生器被定位以發(fā)射平行的激光線，并且相機(jī)被相對 于第一激光線發(fā)生器和第二激光線發(fā)生器定位以拍攝對象上投射的激光線的圖像?？刂葡?統(tǒng)還包括與激光測距儀通信的控制器，該控制器被配置成控制第一激光線發(fā)生器和第二激 光線發(fā)生器的操作以發(fā)射激光線并控制相機(jī)以拍攝投射到對象上的激光線的圖像?？刂破?還被配置成從相機(jī)接收圖像，計(jì)算圖像中激光線之間的像素距離，并基于像素距離計(jì)算相 機(jī)和對象之間的物理距離。 本發(fā)明的一些實(shí)施例提供了一種用于水下環(huán)境的自主機(jī)器人水池清潔器。該水池清潔 器包括測距儀，所述測距儀被配置成發(fā)射第一和第二線，并檢測所述第一和第二線在環(huán)境 特征上的投影；相機(jī)，配置成拍攝所述水池清潔器下方環(huán)境的地板表面的圖像；以及與所 述測距儀和所述相機(jī)通信的控制器?？刂破鞅慌渲贸苫谒鰴z測到的所述第一和第二線 的在所述特征上投影來計(jì)算所述測距儀和所述特征之間的物理距離，基于拍攝的圖像確定 視覺測距數(shù)據(jù)，基于所述物理距離和所述視覺測距數(shù)據(jù)繪制所述環(huán)境，并跟蹤所述水池清 潔器在所述環(huán)境之內(nèi)的位置。 本發(fā)明的一些實(shí)施例提供了一種在水下環(huán)境中利用雙平面激光測距儀確定距對象的 距離的方法。該方法包括向所述對象上投射第一線；向所述對象上投射與所述第一線平行 的第二線；以及拍攝所述對象上投射的第一線和投射的第二線的圖像。該方法還包括將所 述圖像分割成獨(dú)立的圖像片段；以及對于每個(gè)圖像片段，提取所述圖像片段中的顏色平面 以獲得灰度級圖像片段；檢測所述灰度級圖像片段中的潛在的線邊緣；利用所述潛在的線 邊緣提取線段；以及對所述線段分組以獲得所述灰度級圖像片段中的第一投影線和第二投 影線。該方法還包括對于每個(gè)圖像片段，計(jì)算所述灰度級圖像片段中所述第一投影線和所 述第二投影線之間的像素距離；以及基于所述像素距離計(jì)算到所述對象的距離。
【附圖說明】 圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的控制系統(tǒng)的方框圖。 圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的水池清潔器的正面透視圖。 圖3是圖2的水池清潔器的后側(cè)透視圖。 圖4是圖2的水池清潔器的下側(cè)透視圖。 圖5是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的雙平面激光測距儀的示意圖。 圖6A和6B分別是傳統(tǒng)針孔相機(jī)模型和改進(jìn)的針孔相機(jī)模型的示意圖。 圖7是圖5的激光測距儀的側(cè)面示意圖。 圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的利用圖1的控制系統(tǒng)來確定距離測量結(jié)果的過程。 圖9是根據(jù)圖8的過程的，將拍攝的圖像分成圖像片段的例示。 圖IOA和IOB是用于圖8的過程的χ-y坐標(biāo)系和m_b坐標(biāo)系的圖形視圖。 圖11A-11D是根據(jù)圖8的過程所處理的圖像片段的例示。 圖12A和12B是利用圖8的過程所確定的距離測量結(jié)果的圖形視圖。 圖13是在多個(gè)圖像系中確定水池清潔器位置的圖形視圖。 圖14是根據(jù)本發(fā)明的方法的、用于測距數(shù)據(jù)的參考系的圖形視圖。 圖15是根據(jù)本發(fā)明的方法的、用于距離數(shù)據(jù)的參考系的圖形視圖。 圖16是根據(jù)本發(fā)明的方法的、角特征確定的圖形視圖。
【具體實(shí)施方式】 在詳細(xì)解釋本發(fā)明的任何實(shí)施例之前，要理解本發(fā)明在其應(yīng)用方面不限于以下描述中 闡述或在以下附圖中例示的部件構(gòu)造和部件布置的細(xì)節(jié)。本發(fā)明能夠有其他實(shí)施例并能夠 通過各種方式實(shí)踐或執(zhí)行。而且，要理解這里使用的措辭和術(shù)語是為了描述的目的，不應(yīng)被 視為限制。這里使用"包括"，"包含"或"具有"及其變化意在涵蓋其后列出的項(xiàng)和其等價(jià) 物以及附加項(xiàng)。除非另行指定或限制，詞語"安裝"、"連接"、"支持"和"耦接"及其變化被 寬泛地使用，且涵蓋直接和間接的安裝、連接、支持和耦接。此外，"連接"和"耦接"不限于 物理或機(jī)械連接或耦接。 示出如下討論以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明的實(shí)施例。對于本領(lǐng)域的 技術(shù)人員而言，所示實(shí)施例的各種修改將是明顯的，且可以將本文的一般原理應(yīng)用于其他 實(shí)施例和應(yīng)用而不脫離本發(fā)明的實(shí)施例。于是，本發(fā)明的實(shí)施例并非旨在限于圖示的實(shí)施 例，而是要符合與本文公開的原理和特征一致的最寬范圍。以下詳細(xì)描述要結(jié)合附圖閱讀， 其中不同圖中相似的元件具有相似的附圖標(biāo)記。附圖未必成比例，其繪示了選擇的實(shí)施例， 且并非意在限制本發(fā)明實(shí)施例的范圍。技術(shù)人員將認(rèn)識到，本文提供的范例有很多有用的 替代且落在本發(fā)明的實(shí)施例范圍之內(nèi)。 本發(fā)明的實(shí)施例提供了用于在封閉水下空間中操作的小型低成本水下運(yùn)載工具。更 具體而言，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種用于在游泳池和/或溫泉環(huán)境中操作的自主機(jī)器 人水池清潔器的低成本距離測量和繪制（mapping)系統(tǒng)。系統(tǒng)的距離測量部分基于相 機(jī)和平行激光線裝置，且該系統(tǒng)的繪制部分能夠無需事先校準(zhǔn)地利用同步定位和繪制 (simultaneous localization and mapping，SLAM)技術(shù)來繪制游泳池環(huán)境，以繪制通過游 泳池環(huán)境的清潔路線。這樣允許水池清潔器來優(yōu)化清潔路線，例如，以便遍歷和清潔整個(gè)游 泳池環(huán)境。 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的控制系統(tǒng)10,其用于自主機(jī)器人水池清潔器 (例如圖2-4中所示的水池清潔器12)。控制系統(tǒng)10能夠包括控制器14,包括第一激光器 18、第二激光器20和相機(jī)22的第一傳感器組件或激光測距儀16,第二傳感器組件24和定 向控制機(jī)構(gòu)26。控制系統(tǒng)10可以位于水池清潔器12上和/或之內(nèi)，且能夠通過繪制游泳 池或溫泉環(huán)境并在整個(gè)環(huán)境中準(zhǔn)確定位水池清潔器12來優(yōu)化水池清潔器12的操作。此外， 控制系統(tǒng)10能夠優(yōu)化清潔路線并識別環(huán)境之內(nèi)碎肩的具體位置。通常，控制器14能夠操 作并接收來自激光測距儀16和/或第二傳感器組件24的輸入，并能夠基于這些輸入操作 定向控制機(jī)構(gòu)26以沿水下環(huán)境之內(nèi)的期望路線來移動(dòng)水池清潔器12,如下文進(jìn)一步所述。 圖2-4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、能夠被控制系統(tǒng)10操作的自主機(jī)器人水池 清潔器12。水池清潔器12能夠包括底座（chassis) 28、撇渣器（skimmer)組件30、過濾器 組件32、前刷組件34、后刷組件36 (如圖3所示）、電子設(shè)備盒38、傳感器盒40和出口噴嘴 組件42。電子設(shè)備盒38可以耦接到底座28并被支撐于其上。前刷板44能夠均經(jīng)由緊固 件46耦接到底座28,且前刷組件34的每個(gè)都可以經(jīng)由緊固件48耦接到相應(yīng)的前刷板44。 此外，后刷板50可以經(jīng)由緊固件46耦接到底座28,且后刷組件36可以經(jīng)由緊固件48耦接 到后刷板50。提升器52可以耦接到前刷板44和后刷板50的每個(gè)，且I形軌道54能夠連 接刷板44、50上的相對的提升器對52,如圖2和3所示。I形軌道54可以耦接到撇渣器組 件30和過濾器組件32以及出口噴嘴組件42并支撐它們。參考圖1的控制系統(tǒng)10,在一些 實(shí)施例中，傳感器盒40能夠容納激光測距儀16,電子設(shè)備盒38能夠容納控制器14和/或 第二傳感器組件24,且前后刷組件34、36和出口噴嘴組件42能夠充當(dāng)定向控制機(jī)構(gòu)26。 在一些實(shí)施例中，水池清潔器12可以由刷組件34、36支撐于表面（例如游泳池地板） 上。水池清潔器12能夠通過刷組件34、36和/或出口噴嘴組件42的操作而跨水池地板移 動(dòng)自己。更具體而言，每個(gè)刷組件34、36能夠包括附接到刷板58的刷子56。振動(dòng)電動(dòng)機(jī) 60可以安裝于每個(gè)刷板58上，以振動(dòng)相應(yīng)的刷組件34、36,且刷組件34,36的振動(dòng)能夠促 成水池清潔器12的向前和/或轉(zhuǎn)彎