磁场定位和导航的制作方法

本申请要求于2015年6月5日提交的美国临时申请序列号62/171,498的权益。美国临时申请序列号62/171,498通过引用并入本文。

技术领域

本申请总体上涉及使用磁场检测来确定移动机器人的位置的系统和方法。

背景技术：

移动机器人的定位技术可以包含允许机器人确定其相对于其周围环境的位置和取向(例如，姿态)的过程。可以构建其周围环境的地图的机器人可以在地图内定位其自身，以表现出一定程度的自主性。构建地图并使用生成的地图的该过程被称为同时定位和地图构建(SLAM)。SLAM涉及地图的构建(构建地图)和地图的使用(定位)，且从而包含与定位相关联的过程以及与构建地图相关联的过程。机器人可以同时或以复用方式执行这些过程。SLAM技术可以包含使用测程法、机械接触传感器或非接触距离传感器(例如激光测距仪、或基于图像的传感器)来构建地图。

技术实现要素：

一种移动机器人，可以使用传感器线圈检测环境中的磁场，所述传感器线圈响应于磁场生成电信号。移动机器人的控制器可以使用电信号确定机器人相对于磁场发射器的位置和取向(例如，姿态)，所述磁场发射器向环境中发射发射器磁场。由传感器线圈生成的电信号可以包含响应于由磁场发射器发射的发射器磁场而生成的检测信号、以及响应于由机器人上的至少一个校准线圈发射的校准磁场而生成的校准信号。校准线圈可以设置在机器人上，使得传感器线圈类似地响应于校准磁场(例如，响应于校准磁场生成类似的振幅)。传感器线圈可以包含三个单独的线圈，其每一个生成检测信号和校准信号。

在一些示例中，由于校准线圈布置为使得传感器线圈被预期等同地响应于由校准线圈生成的校准磁场，控制器控制机器人上的校准线圈，以归一化由传感器线圈生成的每个检测信号。基于校准信号，控制器可以调整传感器电路的增益，所述传感器电路放大响应于磁场而生成的电信号。基于由每个传感器线圈生成的校准信号的振幅，控制器可以归一化由每个传感器线圈生成的检测信号。

在一些示例中，控制器将表示检测信号的检测数据的振幅维持在预定的动态范围内。发射器磁场的振幅在离磁场发射器较远的位置会劣化，从而使得检测信号响应地减小振幅。控制器可以基于检测数据的振幅来调制校准磁场的振幅。当检测数据的振幅由于机器人远离磁场发射器的移动而减小时，控制器可以在特定的阈值处调制校准磁场的振幅，使得传感器电路的增益放大检测信号，以使得检测数据具有预定的动态范围内的振幅。

在一些示例中，当机器人围绕环境导航时，控制器可以使用传递函数(例如，地图或地图构建)来确定机器人的姿态，所述传递函数将检测信号(例如，检测信号的振幅或相位)地图构建到机器人在环境内的位置和取向。在一些情况下，机器人可以包含静态校准的传递函数。当机器人围绕环境导航时，机器人可以动态地将检测信号校准到由移动信号估计的相对距离。移动信号可以指示机器人的行进距离、速度或加速度。通过将检测信号校准到移动信号，当机器人遇到磁场中的畸变时，机器人可以估计机器人的姿态。

在一些示例中，移动机器人包含在环境内的表面的上方可移动的本体、承载于本体上且配置为产生校准磁场的校准线圈、承载于本体上且响应于校准磁场的传感器电路、以及承载于本体上且与传感器电路通信的控制器。传感器电路配置为基于校准磁场生成校准信号。控制器配置为将传感器电路校准为校准信号的函数，从而产生校准的传感器电路，该传感器电路配置为检测环境内的发射器磁场并基于发射器磁场生成检测信号。控制器配置为将移动机器人的姿态估计为检测信号的函数。

在一些示例中，机器人可以是割草机器人，表面可以包含草坪，且机器人还可以包括在本体的下方的切割机构。控制器可以配置为与远程装置交换信息，以使得本体移动穿过草坪同时使用切割机构切割草坪。信息可以包含移动机器人相对于草坪上的点的位置以及用于移动穿过草坪的指令。

在一些示例中，机器人可以是清洁机器人，且表面可以包含房间的地板。控制器可以配置为与远程装置交换信息，以使得本体移动穿过地板来使用机器人的地板清洁机构或清洁垫来清洁地板。信息可以包含移动机器人在房间中的位置以及用于遍及房间移动的指令。

在一些示例中，传感器电路可以包含滤波器电路和响应于发射器磁场的传感器线圈。控制器可以配置为基于表示校准信号的数据来确定用于滤波器电路的系数，并将系数应用于滤波器电路，以归一化对应于由传感器线圈检测的不同频率的频率信道的增益的差异。

在一些示例中，传感器电路可以包含放大器电路。控制器可以配置为基于表示校准信号的数据来确定放大器电路的增益，并将增益应用于放大器电路，以使得能够动态改变校准信号的振幅。

在一些示例中，传感器电路可以包含三个传感器线圈，其限定不同的线圈轴线且布置为响应于发射器磁场的不同的分量。线圈轴线可以在三个维度上正交。传感器线圈可以布置为近似球体的轮廓的至少一部分。

在一些示例中，控制器可以配置为将传感器电路校准为校准信号和表示发射器磁场的预校准数据的函数。控制器可以配置为将校准磁场的振幅和发射器磁场的振幅之间的差异与阈值进行比较，并基于差异来校准传感器电路。

在一些示例中，校准的传感器电路可以配置为响应于检测发射器磁场的分量的频率来生成检测信号，发射器磁场的分量的频率在基于校准线圈的输出的最大磁场频率和最小磁场频率之间。

在一些示例中，移动机器人可以包含电机，其可操作为响应于传感器电路对发射器磁场的检测而移动本体穿过表面。电机可以配置为在检测到发射器磁场时降低机器人的速度。

在一些示例中，移动机器人可以是无约束的(untethered)。

在一些示例中，控制器可以配置为通过执行以下操作来估计移动机器人的姿态，所述操作包含：使用表示检测信号的数据执行快速傅里叶变换，以获得发射器磁场的相位和振幅，并确定相位随时间的漂移，以检测发射发射器磁场的发射线圈和传感器电路中检测发射器磁场的传感器线圈的相对取向的变化。

在一些示例中，移动机器人可以包含移动检测器，其响应于机器人的行进距离、机器人的速度和机器人的加速度中的至少一个，且配置为生成移动信号。控制器可以配置为基于移动信号来生成地图，并将机器人相对于环境的姿态确定为表示移动信号的数据的函数。

在一些示例中，传感器电路可以包含具有三个维度上的正交轴线的三个传感器线圈。校准线圈可以布置为相对于三个传感器线圈中的每一个限定相等的角度。

在一些示例中，一种自主机器人系统包含磁场发射器以及机器人，该磁场发射器包括配置为生成发射器磁场的发射器线圈，该机器人配置为围绕环境相对于磁场发射器自主地巡游。机器人包含校准线圈，其配置为生成校准磁场。自主机器人系统包含磁场接收器。磁场接收器包含响应于发射器磁场和校准磁场的传感器线圈。自主机器人系统还包含位置确定电路，该位置确定电路配置为基于磁场接收器对发射器磁场的检测，来确定机器人相对于磁场发射器的位置。位置确定电路配置为基于表示由磁场接收器感测的校准磁场的数据来执行自校准。

在一些示例中，磁场发射器可以包含三个发射线圈。三个发射线圈中的每一个可以限定发射器线圈轴线，且配置为生成发射器磁场的分量。发射器线圈轴线可以在三个维度上正交。发射线圈可以布置为近似第一球体的轮廓的至少一部分。磁场接收器可以包含三个传感器线圈。三个传感器线圈中的每一个可以限定传感器线圈轴线，且响应于发射器磁场的分量。传感器线圈轴线在三个维度上正交。传感器线圈布置为近似第二球体的轮廓的至少一部分。

在一些示例中，第一球体可以大于第二球体。

在一些示例中，校准线圈可以相对于每个传感器线圈限定相等的角度。角度可以在50度和60度之间。

在一些示例中，机器人和磁场发射器可以物理分离。

在一些示例中，一种估计由机器人执行的姿态的方法包含：使用移动机器人的校准线圈产生校准磁场，并使用移动机器人的传感器电路检测校准磁场。该方法包含基于表示校准磁场的数据来校准传感器电路，从而产生校准的传感器电路。方法还包含使用校准的传感器电路检测发射器磁场，以及基于表示使用校准的传感器电路检测的发射器磁场的数据来估计移动机器人的姿态。

在一些示例中，传感器电路可以包含滤波器电路和响应于发射器磁场的传感器线圈。校准传感器电路可以包含基于校准数据来确定用于滤波器电路的系数，并将系数应用于滤波器电路，以归一化对应于由传感器线圈接收的不同频率的频率信道的增益的差异。

在一些示例中，传感器电路可以包含放大器电路。校准传感器电路可以包含基于校准数据来确定放大器电路的增益，并将增益应用于放大器电路，以使得能够动态改变由传感器电路输出的校准信号的振幅。

在一些示例中，校准传感器电路可以基于校准数据和表示发射器磁场的预校准数据两者。

在一些示例中，校准传感器电路可以包含将校准磁场的振幅和发射器磁场的振幅之间的差异与阈值进行比较，并基于差异来校准传感器电路。

在一些示例中，校准的传感器电路可以响应于检测发射器磁场的分量的频率来生成检测信号。该频率可以在最大磁场频率和最小磁场频率之间。最大磁场频率和最小磁场频率可以基于校准线圈的输出。

以上的优点可以包含但不限于以下。机器人可以使用由传感器线圈生成的检测信号来估计机器人相对于由环境内的特征(例如，固定的磁场发射器)生成的发射器磁场的姿态。在许多情况下，机器人可以基于发射器磁场估计其姿态。因此，机器人不需要通过跟踪姿态随时间变化的累积来估计位置。位置和取向的估计不易导致可能随时间积累的误差。

此外，置于环境中的机器人可以在初始化时估计其姿态。如果机器人被移动到或置于未知位置，则控制器可以基于测量的磁场属性来确定机器人的姿态。因此，机器人不需要表示其先前的姿态的先前的数据来确定其姿态。

本文的系统和方法还包含校准过程，其被认为改善了估计机器人的位置和取向的准确性、精度和计算效率。在一个示例中，通过将表示检测信号的检测数据归一化到不期望在传感器线圈之间显著地变化的校准信号，控制器可以改善源于不同的传感器线圈并由控制器接收的检测数据之间的准确性和一致性。

在另一示例中，当机器人离发射器的距离增加时，检测信号的振幅可能减小，使得磁场更难以与其他检测信号区分开。通过动态地改变校准磁场且因此改变由传感器线圈生成的校准信号，控制器可以减小归一化的检测信号的动态范围(例如，检测信号的最小值和最大值)，以提高计算效率。因此，即使检测信号的幅度在大范围内减小，控制器接收的检测数据也可在较小的动态范围内变化，从而改善计算效率，并减少对可以处理具有大动态范围的信号的昂贵组件的需求。

在本说明书中描述的任何两个或更多个特征(包括在本发明内容部分中)可以组合，以形成未在这里具体描述的实施方式。

本文所述的机器人或其操作方面可以实现为计算机程序产品/由计算机程序产品控制，计算机程序产品包含指令，所述指令存储在一个或多个非暂时性机器可读存储介质上，并且可在一个或多个处理装置上执行，以控制(例如，协调)本文所述的操作。本文所述的机器人或其操作方面可以实现为系统或方法的部分，所述系统或方法可以包含一个或多个处理装置和存储器，以存储可执行指令来实现各种操作。

在下面的附图和描述中阐述了一个或多个实施方式的细节。根据描述和附图以及权利要求，其他特征和优点将是显而易见的。

附图说明

图1A是在具有发射磁场的磁场发射器的环境中导航的移动机器人的透视图。

图1B是在具有发射磁场的磁场发射器的环境中导航的空中机器人的透视图。

图2是在具有发射磁场的磁场发射器的环境中导航的移动机器人的透视图，所述磁场呈现基于环境的各方面的畸变。

图3是机器人的磁场发射器以及检测和控制系统的框图。

图4是由图3的检测和控制系统生成的电信号的频域图。

图5是远离包含磁场发射器的对接(docking)站进行导航的机器人的侧视图。

图6是在图5的机器人的不同的姿态下收集的两个采样的曲线图。

图7是在具有磁场发射器的环境中的机器人的多种潜在姿态的俯视图。

图8是磁场发射器的正视透视图。

图9检测和控制系统的正视透视图。

图10是包含检测和控制系统的机器人的仰视图。

图11是示出了由移动机器人实现的估计移动机器人的位置和取向的过程的流程图。

图12是示出了由移动机器人实现的调整检测和控制系统的增益的过程的流程图。

图13是在具有发射磁场的多个磁场发射器的环境中导航的机器人的透视图。

图14是在具有发射磁场的磁场发射器的室内环境中导航的机器人的透视图。

不同的附图中的相似的附图标记表示相似的元素。

具体实施方式

本文描述了用于移动机器人的示例导航系统，其使用磁场来允许移动机器人估计其在环境中的姿态(例如，位置和取向(orientation))。导航系统可以包含磁场发射器，其向环境中发射发射器磁场。移动机器人可以配置为检测由磁场发射器发射的发射器磁场。基于检测的发射器磁场，移动机器人可以在环境内穿越或导航。移动机器人可以包含传感器电路，其测量发射器磁场以生成检测信号，所述检测信号是表示发射器磁场的电信号。可以与控制器一起操作的传感器电路基于检测信号输出检测数据。基于检测数据，机器人的控制器可以估计机器人在环境内的位置和取向。

例如，导航系统可以包含发射器，其具有三个大致上正交的线圈，配置为生成发射器磁场(例如，磁偶极场)的三个正交分量。用于生成发射器磁场的分量的电信号被多路复用，使得发射器磁场的分量彼此可区分。机器人包含多个接收天线(例如，三组大致上正交的线圈)。通过生成发射器磁场的三个正交分量，发射器可以限定具有三个正交轴线(例如x轴、y轴和z轴)的参考坐标框架。结果，可以基于发射器磁场的测量来确定相对于三维空间测量的机器人的姿态。从而，机器人的位置和取向的估计基于发射器磁场的三个分量的九个测量。

控制器可以包含校准和归一化过程，以改善导航系统的准确性、精度和效率。控制器可以将传感器电路校准为稳定的参考值，该参考值不随移动机器人围绕环境导航而变化。从而，控制器可以校准未校准的传感器电路，产生校准的传感器电路。这样的校准过程可以增加从检测信号估计的姿态的准确性和精度。

在一个示例中，移动机器人包含产生校准磁场的校准线圈，当移动机器人围绕环境导航时，校准磁场的振幅和相位在传感器线圈的位置处不变化。传感器电路的传感器线圈检测校准磁场，且其每一个响应于校准磁场生成校准信号。由每个传感器线圈生成的校准信号不会预期彼此显著不同，这是由于校准线圈相对于传感器线圈的布置。因此，可以基于校准信号将检测数据归一化。控制器可以配置为使用校准信号来校准传感器电路，使得表示来自每个传感器线圈的检测信号的检测数据被归一化到校准信号，从而产生校准的传感器电路。校准的传感器电路配置为检测环境内的发射器磁场，并基于发射器磁场输出检测数据。然后，控制器可以处理检测数据，以估计机器人的姿态。本文所述的校准是在规律的间隔执行的动态校准，使得随着发射器磁场的分量的振幅变化，校准响应于由发射器生成的发射器磁场而由传感器线圈测量的信号。

通过板上(on-board)校准和/或使用其他传感器，控制器可以减少由于例如由发射器磁场中的变形和畸变引起的误差而导致的从检测信号的姿态估计的误差和不准确性。这些变形(deformation)和畸变(distortion)可能例如由金属结构、以及环境中的产生磁偶极结构的散射的其他大导电物体引起。对于在环境中固定的结构和物体，发射器磁场将由于它们的存在而一直畸变。因此，机器人可以测量并存储关于发射器磁场的信息。当机器人返回相同的位置时，畸变场的测量可以提供位置。在一个示例中，控制器使姿态估计基于来自机器人上的移动传感器的移动信号(例如，指示机器人的行进距离、机器人的速度和/或机器人的加速度的信号)。移动信号对于磁场变形是稳健的(robust)，并且因此可以允许控制器检测可以在检测信号中表现的磁场变形。如果环境中的大导电物体不移动，机器人也可以使用由这些物体生成的磁场图案，作为同时定位和地图构建(SLAM)系统的定位特征。结合使用由校准的传感器电路和移动传感器产生的信号，控制器可以准确地和精确地确定移动机器人在环境中的姿态。

导航系统的概述

如图1A所示，移动机器人100围绕环境104中的表面102导航或巡游，并基于由磁场发射器108发射的发射器磁场106来估计其在环境104内的姿态。所估计的姿态包含机器人相对于环境104中的通常不移动的参考点(例如，磁场发射器108)所测量的取向和位置。在图1A所示的示例中，机器人100可以是在可以包含草坪或草地的表面102上割草的割草机器人。然而，本文所述的系统和方法可以应用于任何类型的移动装置。机器人100相对于磁场发射器108在环境104周围移动。

由于由磁场发射器108发射的发射器磁场106在空间中的所有三个维度上(例如，由x轴、y轴和z轴定义的三维坐标系统)相对于磁场发射器108向外传播；机器人不限于围绕表面102巡游，而是可以在包含表面102上方的坐标的环境104周围巡游。在图1B所示的示例中，空中机器人109可以能够悬浮或飞行在表面102上方的空中无人机。磁场可以用来确定空中机器人109的x、y位置，以及空中机器人109的高度或仰角(elevation)。

移动机器人100可以估计其相对于包含正交的x轴、y轴和z轴的坐标系统110的位置。移动机器人100还可以估计其在坐标系统内的取向(例如，关于x轴的θ取向、关于y轴的Φ取向，以及关于z轴的ψ取向)。当机器人100——并且因此机器人100的磁场接收器112——在环境104中移动和旋转时，布置在机器人100上的磁场接收器112响应于发射器磁场106的属性(例如，相位和振幅)的变化。磁场接收器112响应于发射器磁场106生成电信号，且机器人100可以基于那些电信号来估计其姿态。

在一些示例中，如图2所示，当机器人200(例如，图1A的机器人100)围绕环境204的表面202导航或巡游时，机器人200可以检测由磁场发射器210发射的发射器磁场208中的畸变206。例如汽车212的大的导电物体可以使附近的磁场畸变，从而导致发射器磁场208中的畸变206。布置在机器人200上的磁场接收器214可以检测发射器磁场208中的畸变206，并存储表示与在特定位置处测量的畸变206相对应的检测信号的数据。也布置在机器人200上的移动传感器216可以检测机器人200的运动特性(例如，行进的距离、速度或加速度)。

机器人200可以使用由移动传感器216和磁场接收器214生成的信号来检测畸变206。例如，磁场接收器214可以生成检测信号，该检测信号指示通常由于大的导电物体而发生的发射器磁场208的振幅和相位的变化(例如，畸变206)。移动传感器216可以生成移动信号，该移动信号指示机器人200的移动量。机器人200可以处理检测信号和移动信号，使得指示畸变206的检测信号准确地反映当机器人200在畸变206附近移动时机器人200的移动量。在存在畸变的情况下，机器人200可以从而估计机器人200的姿态。在一些情况下，通过确定畸变206的存在，机器人200可以学习地形或地图，该地形或地图可以作为响应于发射器磁场208而生成的检测信号与机器人的姿态之间的传递函数。机器人200从而可以使用畸变206作为在SLAM方法中重新定位的特征。

通常，控制器可以执行操作和处理，以基于由磁场发射器生成的磁场来估计磁场接收器相对于磁场发射器的位置和取向。操作和处理可以包含简化计算的物理假设，并且因此提高控制器的处理效率。在一个示例中，操作和处理可以假设由磁场发生器生成的磁场是准静态的，因此不考虑高阶项，从而简化了估计磁场接收器的位置和取向所需的计算。准静态磁场的假设不会显著地影响本文所述的在磁场发射器与磁场接收器之间的预期距离(例如，从0到10km)所估计的位置和取向的准确性和精度。

发射线圈和传感器线圈的结构假设可以进一步影响精度和准确性。在一些示例中，磁场发射器的三个单独且相互正交的发射线圈生成发射器磁场。每个发射线圈生成发射器磁场的分量，且每个分量因此基本上彼此正交。

在另外示例中，磁场接收器的三个单独且相互正交的传感器线圈检测磁场。计算磁场接收器相对于磁场收发器的位置和取向的示例过程在于1985年12月9日提交的名称为“Method and apparatus for determining remote object orientation and position(用于确定远程物体取向和位置的方法和装置)”的美国专利No.4,737,794中详细描述，其内容全部并入本文。

为了使用本文所述的操作和处理来估计姿态，围绕环境导航的移动机器人(例如，图1A的机器人100、图1B的机器人109、或图2的机器人200)可以包含检测由磁场发射器发射的发射器磁场的电路，以估计机器人在环境中相对于磁场发射器的位置和取向。图3示出了包含发射出发射器磁场304的磁场发射器302(例如，图1A的磁场发射器108或图2的磁场发射器)的导航系统300的框图。位于机器人上的检测和控制系统306响应于发射器磁场304生成电信号。检测和控制系统306包含位置确定电路，其中，基于电信号，检测和控制系统306的控制器312可以确定机器人相对于磁场发射器302的位置和取向的三维位置308和三维取向310。因此，相对于环境中的被定位或锚定在固定位置且通常不移动的参考点(例如，磁场发射器302)来测量机器人的位置308和取向310。

磁场发射器

磁场发射器302在环境中保持固定的位置和取向，同时其将发射器磁场304发射到环境中。磁场发射器302可以在操作(例如，由机器人执行的割草操作、清洁操作、导航操作、或其他操作)期间保持固定的位置和取向。磁场发射器302从而在机器人的操作期间不会相对于环境中的固定点移动。检测和控制系统306可以物理地不受磁场发射器302的约束，使得例如检测和控制系统306与磁场发射器302基本上电隔离。

磁场发射器302使用发射线圈314发射发射器磁场304。发射线圈314包含三个单独的发射线圈314A、314B、314C(在本文中统称为发射线圈314)。每个发射线圈314A、314B、314C从包含信号发生器316A、316B、316C(在本文中统称为信号发生器316)和功率放大器318A、318B、318C(在本文中统称为功率放大器318)的发射器电路接收放大的信号315A、315B、315C。磁场发射器302因此包含三个独立的信号发生器316A、316B、316C和三个独立的功率放大器318A、318B、318C。对于每个线圈314A、314B、314C，相关联的放大电信号315A、315B、315C(在本文中统称为放大的电信号315)源自于由相关联的信号发生器316A、316B、316C生成的未放大的电信号317A、317B、317C(在本文中统称为未放大的电信号317)。相关联的功率放大器318A、318B、318C接收相关联的未放大的电信号317A、317B、317C并放大未放大的电信号317A、317B、317C的功率，以产生发射线圈314A、314B、314C中的每一个接收的放大的电信号315A、315B、315C。使用从其相应的信号发生器316A、316B、316C和功率放大器318A、318B、318C产生的放大的电信号315A、315B、315C，发射线圈314A、314B、314C中的每一个生成发射器磁场304的相关联的分量。虽然发射器磁场304被描述为包含三个单独的分量，其每一个由发射线圈314A、314B、314C中的一个生成，但是在一些实施方式中，发射器磁场304可以是三个单独的磁场的叠加，其每一个对应于由发射线圈314A、314B、314C生成的分量中的一个。

将发射线圈314取向为使得发射线圈314的线圈轴线形成环境的三维空间的线性独立的基础。因为发射线圈314具有线性独立的轴线，所以由信号发生器316和功率放大器318产生的电信号的振幅和频率可以控制发射器磁场304在空间中的所有三个维度(例如，x、y、z)上的振幅和频率。在一个示例中，磁场发射器302的控制器可以调整信号发生器316处生成的信号相位、频率和振幅，或者增加功率放大器318的增益以增加递送到发射线圈314的电信号的振幅。在一些情况下，用于每个发射线圈314的电信号的频率和振幅可以被预先指定(例如，在制造期间)。用于每个发射线圈314的相关联的信号发生器316和相关联的功率放大器318可以设定为实现预先指定的频率和振幅。功率放大器318可以各自设定为使得给定点处的发射器磁场304在所有三个维度中具有相似的振幅。

通常，由每个信号发生器316生成的信号可以被多路复用，使得发射器磁场304的分量可以彼此区分。例如，可以使用时分复用、频分复用、和/或扩频复用或相位复用来多路复用电信号。在频分复用的一个示例中，用于每个发射线圈314的信号发生器316可以生成未放大的电信号317，以具有在例如1kHz和10kHz之间、10kHz和20kHz之间、或20kHz和30kHz之间的指定频率。频率可以彼此不同，例如，60Hz至500Hz或500Hz至5k Hz。由发射线圈314生成的发射器磁场304的分量具有的频率类似于未放大的电信号317的频率。因此可以选择频率，使得噪声频率(由于例如电机、感应线圈、以及可以生成磁场的其他电气系统)落在发送到发射线圈314的放大的电信号315的频率范围之外。

检测和控制系统

由于发射器磁场304随着机器人围绕环境导航而变化，检测和控制系统306可以检测发射器磁场304，并且使用特定位置处的发射器磁场304的三个分量的唯一信号来估计位置308和取向310。检测和控制系统306的传感器电路319使用传感器线圈320来检测发射器磁场304，并生成或输出检测信号321。传感器电路319与控制器312通信。基于检测信号321，控制器312可以确定三个维度(例如，x、y和z)上的位置308和三个维度(例如，θ、Φ和ψ)上的取向310。检测和控制系统306的传感器线圈320包含三个单独的传感器线圈320A、320B、320C(在本文中统称为传感器线圈320)，其每一个响应于发射器磁场304生成检测信号321。传感器线圈320的线圈轴线是线性独立的，从而允许三个传感器线圈320的检测信号321在机器人围绕环境导航时彼此独立地变化。传感器线圈320的轴线的线性独立性进一步允许传感器线圈320检测跨越所有三个维度的磁场。

对于每个采样，检测和控制系统306执行若干校准和归一化操作，以增加位置308和取向310的估计的准确性、精度和计算效率。在一个示例中，检测和控制系统306可以基于响应于相对于检测和控制系统306固定的(例如，不相对于检测和控制系统306移动)校准磁场而生成的校准信号动态地归一化检测数据325，以改善准确性和精度。在另一示例中，检测和控制系统306动态地调整校准磁场，以将控制器312使用的表示检测信号321的数据维持在压缩动态范围内。在另外的示例中，检测和控制系统306还使用指示运动的信号进一步动态地校准检测信号321与姿态(即，位置308和取向310)之间的传递函数(例如，地图、构建地图或其他函数)，从而即使存在发射器磁场304的畸变的情况下，增加估计姿态的准确性和精度。本文描述了这些处理和系统中的每一个。

检测信号的归一化

检测和控制系统306使用校准线圈322生成用于归一化由控制器312接收的检测数据325的磁场，以估计机器人的姿态。检测和控制系统306或其位置确定电路从而配置为基于由磁场接收器(例如，传感器线圈320)感测的表示校准磁场的数据来执行自校准。通过将检测数据325校准为类似的校准值，检测和控制系统306可以允许对于每个传感器线圈320的类似振幅的检测信号321的变化来指示位置308和取向310的估计的类似变化。检测数据325的归一化可以通过使检测数据325在类似的动态范围内，来改善每个传感器线圈320相对于彼此的输出的准确性和精度。

校准线圈322生成校准磁场324，每个传感器线圈320可以类似地响应于校准磁场324。在一个示例中，传感器线圈320可以相对于彼此以及校准线圈322定位，使得传感器线圈320类似地响应于由校准线圈322生成的校准磁场324。传感器线圈320具有基本上正交的轴线，且校准线圈322可以定位为使得校准线圈322的轴线与每个传感器线圈320的轴线形成类似的角度。校准线圈322的轴线与每个传感器线圈320的轴线的角度可以在50度和60度之间。由于传感器线圈320与校准线圈322形成类似的角度，响应于检测校准磁场324，传感器线圈320可以生成或输出振幅和频率基本上类似的校准信号323。通过将传感器线圈320校准到这些校准信号323，检测和控制系统306可以增加位置308和取向310的估计的准确性和精度。

检测和控制系统306使用校准磁场324来设定由每个传感器线圈320生成的检测信号321的放大量(例如，传感器电路319的增益)。如本文所述，在通过传感器电路319的放大、滤波、以及转换器电路之后，检测信号321变为检测数据325。类似地，校准信号323变为表示校准信号323的校准数据327。基于校准数据327和预校准的检测数据325，控制器312可以校准传感器电路319，使得预校准的检测数据325变为校准的检测数据325。在控制器312使用预校准的检测数据325校准传感器电路319之后，控制器312可以使用表示检测信号321的校准的检测数据325，以准确地或精确地估计机器人的姿态。

由于校准线圈322在机器人在环境内的导航期间的不同时间不相对于传感器线圈320移动，由传感器线圈320在不同的时间检测的校准磁场324的振幅预期是类似的。与之相反，由传感器线圈320生成的检测信号321的振幅随着磁场发射器302和检测和控制系统306之间的距离增加而减少。控制器312可以从而将由传感器线圈320生成的检测信号321归一化到校准磁场324。即使当机器人围绕环境导航时，校准信号323保持基本上类似。

通常，检测和控制系统306放大检测信号321，以减少噪声的影响(例如，来自除了校准线圈322和发射线圈314之外的源引起的磁场)。检测和控制系统306可以基于校准磁场324的频率和振幅来设定放大的增益。在一个示例中，传感器电路319的传感器线圈320响应于检测发射器磁场304的分量的频率而生成检测信号321。传感器电路319的传感器线圈320还可以响应于检测校准磁场324的分量的频率生成校准信号323。

校准磁场324可以包含在发射器磁场304的三个分量的频率的任一侧上的两个频率分量。第一频率分量具有的频率低于发射器磁场304的三个分量的频率，且第二频率分量具有的频率高于发射器磁场304的分量的频率。结果，如本文所述，检测和控制系统306可以通过增加或减小由第一频率分量和第二频率分量限定的频率的增益来放大或衰减发射器磁场304的分量。从而，基于检测信号321和校准信号323之间的相对大小，对具有在最大磁场频率(例如，较高频率分量的频率)和最小磁场频率(例如，较低频率分量的频率)之间的频率的发射器磁场304的分量进行放大/衰减。

第一频率分量和第二频率分量的频率可以被预先确定，以选择或使用许多“信道”中的一个，并且接收器和发射器可以协商以选择环境中最小噪声的信道。示范性信道近似为200Hz至500Hz宽，且通常在1,000Hz至30,000Hz的区域中隔开。然而，在一些示例中，信道可以宽于500Hz。例如，第一频率分量可以在500Hz至1kHz之间、1至5kHz之间、或5kHz至10kHz之间。第二频率分量可以在10kHz至15kHz之间、15kHz至20kHz之间、20kHz至30kHz之间。发射器磁场304的分量可以具有本文所述的频率，使得该频率落入第一频率分量和第二频率分量的频率之间。

从而，在使用期间，每个线圈320检测环境中的磁场，磁场可以包含发射器磁场304和校准磁场324两者。图4示出了在例如由用于估计机器人的位置和取向的传感器线圈中的一个线圈收集采样期间所产生的电信号400的示例频域图(例如，来自快速傅立叶变换)。电信号400可以是电信号的示例，其包含由图3的传感器线圈320中的一个线圈生成的检测信号321和校准信号323。虽然电信号400是根据单个电信号描述的，但电信号400也可以被描述为几个单独的电信号(例如，检测信号321和校准信号323)的叠加。在这样的示例中，检测响应405A、405B、405C可以表示检测信号，且校准响应410A、410B可以表示校准信号。

由传感器线圈(例如，传感器线圈320中的一个)生成的电信号400包含对发射器磁场的三个分量中的每一个(例如，由发射线圈314A、314B和314C生成的发射器磁场304的分量)的响应405A、405B、405C。电信号400还包含对校准磁场(例如，如本文中关于校准磁场324所描述的)的第一频率分量和第二频率分量的响应410A、410B。因此，校准磁场和发射器磁场可以使电信号400在五个不同的频率呈现电响应：校准磁场324的第一频率分量的校准频率415A，发射器磁场的分量的三个检测频率420A、420B、420C，以及校准磁场的第二频率分量的校准频率415B。如图4所示，三个检测频率420A、420B、420C在校准频率415A、415B之间。

电信号—其每一个包含由传感器线圈320中的一个生成的检测信号321和校准信号323—通过传感器电路319传输，传感器电路319包含与传感器线圈320A、320B、320C中的每一个相关联的：自动增益控制(AGC)电路326A、326B、326C(在本文中统称为AGC电路326)、放大器电路328A、328B、328C(在本文中统称为放大器电路328)、以及滤波器电路330A、330B、330C(在本文中统称为滤波器电路330)。通常，每个线圈320将检测信号321和校准信号323传送到相关联的AGC电路326，该AGC电路326以AGC增益放大检测信号321和校准信号323两者。相关联的放大器电路328以预定的放大器增益放大信号。相关联的滤波器电路330接收放大的检测信号和放大的校准信号，并且以滤波器增益来放大滤波器频率周围的放大的信号。在通过AGC增益、预定的放大器增益、以及滤波器增益的放大之后，放大的电信号通过模数转换器(A/D)332的相关端口被转换成数字信号，并被发送到控制器312。数字化的放大的电信号从而包含表示检测信号321的检测数据325和表示校准信号323的校准数据327，以用于控制器312来估计位置308和取向310。传感器电路319可以包含放大或衰减的附加步骤，以进一步减小表示检测信号321的数据的动态范围，且从而减小控制器312的动态范围要求。

控制器312使用放大反馈回路334和衰减反馈回路336来校准传感器电路319，以进一步减小检测数据325的动态范围。反馈回路334、336各自包含校准数据327，并且还包含数模转换器(D/A)337，以将数字信号转换为传感器电路319和衰减器电路338可以使用的模拟信号。放大反馈回路334可以基于校准数据327和检测数据325对于传感器线圈320中的每一个设定电信号321、323的传感器电路增益(例如，滤波器增益)。衰减反馈回路336可以基于检测数据325和校准数据327来设定衰减器电路338的衰减器损耗。衰减器电路338及其衰减器损耗确定校准磁场324的振幅。

在一个示例中，控制器312确定检测数据325和校准数据327的振幅差，以设定衰减器损耗和滤波器增益。现在仍参考图4，对于每个电信号400，控制器312分别使用放大反馈回路334和衰减反馈回路336来设定滤波器电路330的滤波器增益和衰减器电路338的衰减器损耗，使得放大的检测响应425A、425B、425C具有与放大的校准响应430A、430B相似的振幅。为了校准传感器电路319，控制器312通过确定用于滤波器电路330的系数来设定滤波器增益。然后，控制器312可以将系数应用于滤波器电路330，以归一化对应于由传感器线圈320检测的不同频率的频率信道的增益差。控制器计算放大的检测响应425A、425B、425C的振幅的平均值。控制器312还计算放大的校准响应430A、430B的振幅的平均值。基于放大的检测响应425A、425B、425C的振幅的平均值，控制器312设定用于滤波器电路330的滤波器增益，使得放大的检测响应425A、425B、425C落入振幅的预定范围内。例如，预定范围可以在0.1和1微安之间、1微安和10微安之间、或10微安和100微安之间。通常，该范围主要取决于线圈尺寸，并且将基于线圈的构造而变化。

滤波器电路330可以具有滤波形状428，其具有对于频率415A、415B之间的频率的最大增益。因为电信号400还可以包含噪声响应430，可以选择响应405A、405B、405C、410A和410B的频率，使得噪声响应430的频率通常发生在检测信号和校准信号的感兴趣的频率之外。滤波器增益从而可以使表示检测信号(例如，响应405A、405B和405C)的数据比噪声响应430更多地被放大，该噪声响应430具有落在由响应410A、410B限定的范围之外的频率。噪声响应430可能是由于，例如电机、感应线圈、或可以生成噪声磁场的其他电气装置。滤波器电路330从而可以是带通滤波器，其在由响应405A、405B限定的窄带中具有增加的增益，并且对于窄带之外的频率具有减小的增益。频带的尺寸可以例如是50Hz至500Hz、500Hz至5kHz、5kHz至20kHz。在一些示例中，频带可以是可调谐的，并且可以调整频率响应的形状。

校准磁场的调整

控制器312可以动态地调整校准磁场324，以便于将表示检测信号321的数据325维持在压缩动态范围内。控制器312可以与存储器存储元件一起操作，所述存储器存储元件包含用于校准线圈322的衰减器损耗、以及相对应的在姿态与放大的检测响应425A、425B、425C的振幅之间的静态校准传递函数(例如姿态与检测信号之间的地图或地图构建)。在例如机器人的制造期间，可以确定静态校准传递函数，并将其存储在存储器存储元件中。当控制器312选择新的衰减器损耗以维持预定范围之间的比率或差异时，控制器312基于新的静态校准传递函数来估计位置308和取向310。通过动态地改变衰减器损耗和滤波器增益，控制器312可以将表示检测信号321的数据维持在压缩动态范围内，从而降低控制器312处理由传感器线圈320生成的表示检测信号321的数据所需的计算能力。

返回参考图4，基于放大的检测响应425A、425B、425C的振幅的平均值以及放大的校准响应430A、430B的振幅的平均值，控制器312可以设定衰减器电路338的衰减器损耗，使得两个平均值之间的比率在预定范围内。例如，控制器312可以设定损耗，以将放大的检测响应425A、425B、425C的振幅的平均值与放大的校准响应430A、430B的振幅的平均值的比率维持在0.95和1.05之间、0.9和1.1之间、以及0.85和1.15之间。在一些情况下，作为计算比率的替代，控制器312计算平均值之间的差值，并将该差值与阈值进行比较。在一些情况下，控制器312可以将差值保持在0.01和0.1微安之间、0.1和1微安之间、以及1和10微安之间。在其他情况下，控制器312监测AGC电路326的增益，并设定衰减器损耗，以将AGC电路326的增益维持在AGC电路326的增益的最大值或最小值之间。当比率或差值落在预定范围之外时，控制器312可以选择新的衰减器损耗和相对应的传递函数，以将比率或差值恢复到预定范围内。

使用本文所述的校准方法，控制器312已经被描述为计算检测响应425A、425B、425C的平均值。在其他实施方式中，控制器可以计算最小值、最大值、或描述振幅的其他度量。控制器312还可以计算描述对校准磁场324的响应410A、410B的振幅的最小值，最大值、或其他度量。然后，控制器312可以将最小值、最大值、或其他度量与阈值进行比较，以设定衰减器损耗和/或滤波器增益。

校准方法也被描述为用于调整滤波器增益。在其他示例中，基于表示校准信号323的校准数据327和表示检测信号321的检测数据325，控制器312可以附加地或替代地确定传感器电路319中的可编程增益放大器(PGA)电路的放大器增益。控制器312可以基于检测数据325和校准数据327来确定PGA电路的放大器增益。然后，控制器312可以将放大器增益应用于PGA电路，以使得能够动态改变检测信号321和校准信号323的振幅。

传递函数的校准

检测和控制系统306通常试图使用检测信号321以及检测信号321与姿态之间的传递函数来估计机器人的位置308和取向310。如本文所述，控制器312可以访问例如在机器人和检测和控制系统306的制造期间预先确定的静态校准的传递函数。在使用期间，控制器312可以进一步动态调整传递函数，以改进机器人的姿态的估计的准确性和精度。在一些示例中，由于例如由大的金属或导电物体引起的发射器磁场304的畸变，静态校准的传递函数对于环境中不同位置处的发射器磁场304可能是不准确的。动态校准可以调整传递函数以减少不准确性。

由控制器312实现的传递函数可以是允许控制器312基于检测信号321的特性来估计机器人的姿态的地图或地图构建。传递函数可以是对于发射器磁场304的检测的振幅和相位的机器人的预期的位置和取向。例如，基于检测信号321的振幅，控制器312可以计算位置308。基于检测信号321的相位，控制器312可以计算取向310。传感器线圈320响应于发射器磁场304生成检测信号321。控制器312从而可以基于检测发射器磁场304并使用传递函数来估计机器人的姿态。

为了实现传递函数的动态调整或校准，检测和控制系统306可以包含生成移动信号342的移动传感器340。移动传感器340是生成移动信号342的移动检测器，移动信号342指示机器人行进的距离、速度或加速度中的至少一个。移动传感器340还可以检测围绕所有轴线的相对旋转(例如，IMU)。A/D转换器332将移动信号转换为表示移动信号的数据339，以由控制器312使用。

在一些情况下，控制器312可以单独使用移动信号342来执行SLAM技术。基于移动信号342，控制器312可以生成环境的地图，并且基于表示移动信号342的数据339来确定机器人的姿态。运动信号342可以包含数据，其例如来自与机器人的驱动器相关联的编码器、光学鼠标传感器、惯性测量单元(IMU)、加速度计、或陀螺仪。移动信号342的数据339用作航位推算数据，控制器312使用所述航位推算数据来确定机器人的相对位置。从而，当机器人围绕环境导航时，控制器312仅使用运动信号342就可以确定相对于机器人的先前位置测量的机器人的相对位置。在相对短的距离上准确的航位推算可能易于随时间积累漂移误差。累积的漂移可能影响距离计算和航向计算。

如本文所述，检测和控制系统306可以估计机器人相对于磁场发射器302的位置和取向的位置308和取向310。检测和控制系统306从而可以有利地测量由检测和控制系统306收集并处理的一个采样的位置308和取向310，而不参考由检测和控制系统306收集并处理的先前采样(例如，与本文所述的关于移动信号342的SLAM技术相反，其相对于先前采样的位置和取向来计算采样的位置和取向)。

为了改善允许控制器312从检测信号321估计位置308和取向310的传递函数的准确性，控制器312可以使用由移动信号估计的相对位置来修改传递函数。当机器人围绕环境导航时，对于每个采样，控制器312可以将由移动信号342估计的相对位置和取向与相对于检测信号321确定的位置308和取向310进行比较。

在一个示例中，控制器312可以通过在两个单独的采样处使用检测信号321估计的估计位置308和取向310来计算相对位置和取向。图5示出了在一个维度上(在y方向上)远离对接站501在位置505A、505B处移动的机器人500，该对接站501包含磁场发射器502(例如，图3的磁场发射器302)。的对接站501)移动的机器人500。位置505A、505B对应于对于一个维度(例如，y维度)的表示检测信号的数据(例如，表示由传感器线圈320中的一个生成的检测信号321的数据325)的两个连续采样。

如图5所示，包含磁场接收器503机器人500没有物理地束缚于对接站501(即，与其断开)，且从而没有物理地束缚于磁场发射器502。通常，为了执行本文所述的方法和操作，机器人500不需要被电气地或机械地束缚到磁场发射器502或包含磁场发射器502的结构，例如对接站501。

图6示出了表示来自两个采样的检测信号(例如，检测信号321)的数据的曲线图600。该表示检测信号的数据是使用检测和控制系统(例如，检测和控制系统306)生成的，并且包含对应于第一位置505A的第一采样605A以及对应于第二位置505B的未校准的采样605B和校准的采样605C。未校准的采样605B对应于在对检测信号的振幅与机器人的位置之间的传递函数进行修改之前的表示检测信号的数据。校准的采样605C对应于在基于移动信号修改传递函数之后的表示检测信号的数据。

如图6所示，表示检测信号的数据的振幅610从第一采样605A减小到第二采样(例如，未校准的采样605B或校准的采样605C)，从而指示第二位置505B比第一位置505A距离磁场发射器502更远。使用未校准的采样605B以及振幅610与位置612之间的未校准传递函数，控制器可以估计第一位置505A和第二位置505B之间的行进的相对距离615。类似地，使用移动信号(例如，图3的移动信号342)，控制器可以估计行进的相对距离620。

通过比较从未校准的采样605B和从移动信号的估计的行进的相对距离615、620，控制器可以确定行进的相对距离615、620之间的差值625。控制器可以校准未校准的传递函数，使得从第二采样估计的行进的相对距离与从移动信号估计的行进的相对距离620匹配。结果，在控制器校准未校准的传递函数之后，校准的传递函数产生校准的采样605C，其估计的行进的相对距离类似于来自移动信号的行进的相对距离620。因此，通过校准传递函数，控制器修改了传递函数，使得分别对应于发射器磁场的振幅和相位的预期位置和取向更精确。现在，返回参考图3，通过将传递函数校准到移动信号342，控制器312可以更准确地估计机器人在环境内的位置308和取向310。

参考图6的所述的校准方法可以减少与发射器磁场中的畸变(例如，图2的畸变206)相关联的估计的位置和取向的误差。在一个示例中，当控制器312围绕环境导航时，控制器312修改输出对于发射器磁场304的相对应的幅度和相位的机器人的预期位置和取向的传递函数。控制器312可以在与控制器312一起操作的存储器存储元件上存储传递函数。当机器人接近发射器磁场304的畸变时，控制器312可以使用传递函数来估计机器人相对于磁场发射器302的位置和取向的位置308和取向310，并使用移动信号342来估计相对位置和相对取向。基于移动信号342，控制器312可以确定畸变的存在，并且还校准表示检测信号321的数据的振幅与位置308之间的传递函数，以及表示检测信号321的数据的振幅与取向310之间的传递函数。

由于发射器磁场304的一般地形由于畸变而改变，所以畸变可以用作控制器312的重新定位特征。当机器人遇到导致控制器312调整本文所述的传递函数的畸变时，控制器312可以通过将虚拟地图标记为具有对应于畸变的特征，来在虚拟地图上指示畸变的存在。虚拟地图可以表示在整个环境中的不同位置处的发射器磁场304的分量的振幅。附加地或替代地，虚拟地图可以表示在整个环境中的不同取向处的发射器磁场304的分量的相位。

机器人所遇到的特征可以包含几何轮廓上的独特磁场特性。磁场特性可以包含表示控制器312沿着几何轮廓的各个位置和取向的检测信号321的数据的相位和振幅。控制器312可以学习该特征，使得在机器人遇到该特征的后续操作中，机器人可以在后续的操作中估计该特征的位置，并将后续的操作中的该特征的估计位置与之前的操作中的该特征的位置相比较。基于两个估计之间的差异，控制器312可以执行重新定位，以使存储在存储器存储元件上的虚拟地图重新取向或重新定位，使得估计的位置彼此匹配。控制器312从而可以通过对畸变重新定位来减少姿态的估计中的误差。详细的重新定位方法在2013年3月8日提交的题为“Simultaneous Localization and Mapping for a Mobile Robot(用于移动机器人的同时定位与地图构建)”的美国专利申请No.13/790,643中描述，其全部内容通过引用并入本文。

虽然关于图6描述的示例示出了单个维度，但是本文所述的校准和重新定位方法可以应用于校准三个维度(x、y和z维度)上的位置和取向。例如，控制器312可以使用表示检测信号321的数据来执行快速傅里叶变换，以获得检测信号321的相位和振幅。控制器312可以基于相位来确定机器人的取向。控制器312可以确定第一采样和第二采样之间的相位的漂移，以检测发射线圈314和传感器线圈320的相对取向的变化。控制器312可以进一步将取向310的估计校准到来自移动信号342的相对取向的估计，并与其比较。

校准方法还可以用于解决由于指示多个估计位置308和多个估计取向310的检测信号321所导致的半球形模糊性(hemispherical ambiguities)。半球形模糊性可能由于环境中的发射器磁场304的对称性而发生。例如，如图7所示，使用本文所述的传递函数，机器人的控制器(例如，控制器312)可以基于表示检测信号的数据，估计其姿态为多个可能姿态中的一个，例如第一姿态700或第二姿态705。机器人通过检测由磁场发射器715(例如，图3的磁场发射器302)生成的发射器磁场710估计其姿态。控制器可以通过监测移动信号(例如，移动信号342)，在第一姿态700和第二姿态705之间进行选择。在一个示例中，如果控制器从移动信号确定机器人正在远离磁场发射器715移动，则控制器可以确定机器人具有第一姿态700。如果控制器从运动信号确定机器人正取向磁场发射器715移动，则控制器可以确定机器人具有第二姿态705。从而，移动信号可以进一步允许控制器解决由于由磁场发射器715生成的发射器磁场710的对称性而导致的半球形模糊性。

发射器和接收器的结构

磁场发射器(例如，磁场发射器302)与检测和控制系统(例如，检测和控制系统306)的结构可以进一步改善机器人的位置308和取向310的估计的准确性和精度。图8示出了包含三个发射线圈802A、802B、802C和电路804的示例磁场发射器800。如本文所述，电路804可以调制传送到发射线圈802A、802B、802C的电信号的振幅、频率和其他特性。电路804从而可以设定由发射线圈802A、802B、802C发射的发射器磁场的振幅和频率。

发送线圈802A、802B、802C布置为近似球体的轮廓的至少一部分。将线圈802A、802B、802C布置为球形布置简化了线圈802A、802B、802C中的每一个的均衡区域。均衡区域可以简化估计机器人的姿态所需的处理。例如，球体的直径可以在10厘米和20厘米之间、20厘米和25厘米之间、以及25厘米和30厘米之间。结果，线圈802A、802B、802C可以围绕球体布置，以同样具有这样的直径。

此外，将线圈802A、802B、802C布置成围绕球体的大圆(最大圆形横截面面积)的球形布置增加了线圈802A、802B、802C的轴线的线性独立性。如本文所述，线圈802A、802B、802C的轴线可以布置为使得它们互相正交并且跨越三个维度。球形布置允许线圈802A、802B、802C容易布置为使得轴线在公共点处或附近相交，从而增加由线圈802A、802B、802C中的每一个生成的发射器磁场的分量的线性独立性。

如图9所示，检测和控制系统900(例如，检测和控制系统306)，也可以具有传感器线圈902A、902B、902C的球形布置。如本文所述，检测和控制系统900可以包含电路904，以接收由传感器线圈902A、902B、902C生成的电信号，然后确定检测和控制系统900相对于磁场发射器(例如，磁场发射器800)的取向和位置。

传感器线圈902A、902B、902C被布置为近似球体的轮廓的至少一部分。将线圈902A、902B、902C布置为球形布置简化了线圈902A、902B、902C中的每一个的均衡区域。均衡区域可以简化估计机器人的姿态所需的处理。通过具有的类似区域的线圈902A，902B，902C可以类似地响应于磁场的变化。例如，例如，球体的直径可以在2厘米和7厘米之间、7厘米和15厘米之间，以及15厘米和20厘米之间。结果，线圈902A、902B、902C可以围绕球体布置，以同样具有这样的直径。发射线圈802A、802B、802C的直径与传感器线圈902A、902B、902C的直径的比率可以在例如在1.2和2、2和3之间、3或4、或更大。随着比率增加，估计的位置和取向的准确性和精度增加。

此外，将传感器线圈902A、902B、902C布置为围绕球体的大圆(最大圆形横截面面积)的球形布置增加了线圈902A、902B、902C的轴线的线性独立性。如本文所述，线圈902A、902B、902C的轴线可以布置为使得它们互相正交并且跨越三个维度。球形布置允许线圈902A、902B、902C容易布置为使得轴线在公共点处或附近相交，从而改善由线圈902A、902B、902C中的每一个生成的发射器磁场的分量的线性独立性。可以容易地定位与球体的中心相交的校准线圈906的轴线，以与线圈902A、902B、902C的轴线形成相等的角度，从而改善本文所述的校准方法的精度和准确性。

示例机器人

本文所述的检测和控制系统可以实现到能够在各种环境中执行各种功能的机器人中。在图10所示的一个示例中，其示出了机器人1000的仰视图，当机器人1000围绕环境中的表面导航时，机器人1000可以执行清洁、割草、或其他机器人操作，机器人1000可以包含本体1001。对于机器人割草器，表面可以是草坪。对于清洁机器人，表面可以是地板。

机器人1000的本体1001容纳检测和控制系统1002(例如，检测和控制系统306)，其能够检测机器人1000相对于磁场收发器的位置和取向。如本文所述，检测和控制系统1002可以包含控制器、磁场接收器、传感器电路和其他适当的系统，以便于基于由磁场收发器生成的发射器磁场，来准确、精确和有效地估计机器人的位置和取向。

为了执行本文所述的校准方法，机器人1000可以包含移动传感器，所述移动传感器可与检测和控制系统1002一起操作，或被包含作为其一部分。检测和控制系统1002可以从移动传感器接收信号，使得检测和控制系统1002(例如，检测和控制系统1002的控制器)可以估计机器人1000的加速度、速度或姿态。这些移动传感器可以包含编码器1004A、1004B，其可与用于驱动轮1006A、1006B的电机1005A、1005B一起操作，使得检测和控制系统1002可以估计机器人1000行进的相对距离。运动传感器还可以包含IMU 1008(例如，加速度计和陀螺仪)，使得检测和控制系统1002可以估计机器人1000的加速度、速度和相对姿态。当机器人1000围绕环境的表面移动时，轮1006A、1006B和脚轮1007支承本体1001。

当机器人1000围绕环境导航时，控制机器人1000的移动的电机1005A、1005B可能引入检测和控制系统1002可以检测的磁场噪声。如本文所述，可以选择由检测和控制系统1002的校准线圈生成的校准磁场的频率，使得磁场噪声通常发生在由校准磁场限定的频率范围之外。在一些实施方式中，检测和控制系统1002可以基于检测和控制系统1002何时检测到发射器磁场和校准磁场来控制电机1005A、1005B的操作。在检测期间，检测和控制系统1002可以例如减小传送到电机的功率，或者减慢电机1005A、1005B的操作。当检测和控制系统1002检测发射器磁场和校准磁场以估计机器人的姿态时，因此减小由电机1005A、1005B生成的磁场噪声。电机1005A、1005B的这种操作可以改善机器人的估计姿态的准确性。

机器人1000包含在环境中执行操作的机构1010。在一个示例中，机构1010是切割机构，其包含随着机器人1000围绕环境的草坪导航而旋转的一个或多个叶片。检测和控制系统1002可以控制切割机构，使得当机器人1000移动穿过草坪时，机器人1000可以使用切割机构切割草坪。

在另一示例中，机构1010是地板清洁机构，其包含滚子、抽吸源、灰尘箱和其他适当的部件，其允许地板清洁机构在机器人1000移动穿过地板时从环境的地板吸取碎屑。检测和控制系统1002可以控制地板清洁机构，使得机器人1000可以移动穿过地板以清洁地板。

在一些实施方式中，机构1010是清洁垫，可以利用来自机器人1000的液体贮存器的清洁液体将其润湿。当机器人1000围绕环境的地板导航时，检测和控制系统1002控制机器人1000将清洁液体喷射到环境的地板上。检测和控制系统1002可以进一步控制机器人1000在清洁液体上移动，使得清洁垫吸收清洁液体。机器人1000从而可以使用该清洁垫来擦洗和清洁环境的地板。

检测和控制系统1002可以配置为与远程装置交换信息，以使的机器人1000执行本文所述的操作。所述信息可以包含机器人1000相对于磁场收发器的位置和取向。所述信息还可以包含用于移动穿过环境的表面的指令，该环境例如本文所述的草坪、地板、或者机器人1000可以在其上执行与机构1010相关联的操作的其他表面。在一些实施方式中，环境是建筑物的一个或多个互连的房间、室外位置、场地、或者用于本文所述机构的其他合适环境。

配置为执行其他功能且具有其他相关机构的各种机器人可以包含检测和控制系统1002，以便于估计机器人1000相对于磁场发射器的位置和取向。合适的机器人和机构在以下文件中进一步描述：2010年11月5日提交的名称为“Methods and systems for complete coverage of a surface by an autonomous robot(用于自主机器人的表面的完全覆盖的系统和方法)”的美国公开No.2011/0167574；2012年4月30日提交的名称为“Robotic Vacuum(机器人吸尘器)”的美国专利申请No.13/460,261；2007年3月19日提交的名称为“Robot Confinement(机器人约束)”的美国专利申请No.11/688,213；2014年10月3日提交的名称为“Surface Cleaning Pad(表面清洁垫)”的美国专利申请No.62/059,637；以及2014年10月10日提交的名称为“Robotic Lawn Mowing Boundary Determination(机器人除草边界确定)”的美国专利申请No.14/512,098；其公开内容通过引用整体并入本文。

示例导航过程

图11示出了使用例如由磁场发射器生成的磁场来估计机器人的姿态的过程1100的流程图。在操作1105，机器人的控制器发出导航命令。导航命令可以包含使机器人激活驱动机构以围绕环境移动和导航的指令。导航命令还可以包含降低机器人的电机的功率，以减少与电机相关联的噪声。导航命令可以基于从机器人的检测和控制系统生成的数据。

在操作1110，机器人的控制器接收例如由响应于磁场的传感器线圈生成的磁场信号。磁场信号是响应于环境中的磁场而生成的电信号。磁场信号可以包括响应于来自磁场发射器的发射器磁场而生成的检测信号。磁场信号还可以包括响应于来自校准线圈的校准磁场而生成的校准信号。机器人可以包含检测和控制系统(例如，上文讨论的检测和控制系统306)，其包含传感器线圈、校准线圈和控制器。校准磁场可以包含第一频率分量和第二频率分量，如本文关于图4描述的。发射器磁场可以具有分量，其频率在校准磁场的频率之间。磁场可以包含噪声磁场，其不从检测和控制系统或磁场发射器发射。在控制器接收磁场信号之前，控制器可以减少对装置的引发噪声磁场的功率，以减小噪声磁场的振幅。

在操作1115，控制器确定表示磁场信号的数据的振幅。控制器可以确定表示检测信号的数据的振幅和表示校准信号的数据的振幅。控制器可以附加地确定表述磁场信号的数据的相位和频率。如本文所述，表示磁场信号的数据(例如，图3的检测数据325和校准数据327)可以使用如关于图3所描述的放大、滤波和数字化电路来生成。

在操作1120，控制器执行校准操作，例如归一化表示磁场信号的数据。例如，控制器可以执行关于图3的校准线圈322所描述的校准和归一化操作。控制器可以校准和归一化表示磁场信号的数据的振幅、相位、频率和其他特性。在一个示例中，当控制器执行操作1120的校准操作时，控制器执行图12所示的过程1200。

参考图12，控制器执行过程1200，以将检测信号归一化到校准信号，从而减小检测信号的动态范围。过程1200可以归一化检测信号的振幅、频率、相位或其他特性。

在操作1205，控制器接收表示校准信号的数据(例如，图3的校准数据327)。在操作1210，其与操作1205同时发生，控制器接收表示检测信号的数据(例如，图3的检测数据325)。表示校准信号的数据和表示检测信号的数据可以通过检测和控制系统的放大、滤波和数字化电路来发送校准信号和检测信号而生成。

然后，在操作1215和1220，控制器确定来自表示校准信号的数据的振幅和来自表示检测信号的数据的振幅。在一些情况下，控制器附加地或替代地确定与数据相关联的相位、频率以及其他参数。

在操作1225，控制器将来自表示校准信号的数据的振幅与来自表示检测信号的数据的振幅进行比较。如本文所述，控制器可以比较平均值、最小值、最大值、以及振幅的其他测量。在比较期间，控制器可以计算振幅之间的差异，并将振幅之间的差异与阈值差异进行比较。控制器可以将差异与适当差异的范围进行比较。

在操作1230，基于比较，控制器调制与校准信号和检测信号相关联的增益。例如，控制器可以控制滤波器电路、PGA电路、或放大校准信号和检测信号的其他放大电路的增益。控制器可以调制增益，使得检测信号通常维持在预定范围内。通过执行过程1200，控制器从而可以减小表示检测信号的数据的动态范围。

返回参考图11，在操作1125，控制器接收移动信号。移动信号可以指示机器人行进的距离、机器人的速度或机器人的加速度中的至少一个。移动信号可以例如由光学鼠标传感器、IMU、加速度计、陀螺仪、编码器或其他适当的检测器生成。移动信号可以用于航位推算操作，以估计机器人的相对位置和取向。

在操作1130，控制器基于接收的移动信号来调整磁场传递函数。磁场传递函数可以限定检测信号与机器人的位置和取向(例如姿态)之间的关系。当控制器初始化时，磁场传递函数可以被加载到可与控制器一起操作的存储器存储元件上。在该示例中，磁场传递函数最初是可以在机器人的制造期间设定的静态校准。然后，控制器可以基于移动信号调整初始磁场传递函数。关于图3更详细地描述了可以在操作1130期间实现的方法和操作的示例。

在操作1135，控制器基于表示检测信号的数据的振幅，使用磁场传递函数来估计机器人的姿态。姿态包含相对于磁场发射器的位置和取向。在一些情况下，控制器将姿态存储在地图中，所述地图存储在可与控制器一起操作的存储器存储元件上。地图可以用于本文所述的SLAM方法。

过程1100的各种操作可以顺序地或同时地发生。例如，在一些实施方式中，对于每个数据收集采样，控制器基本上同时接受磁场信号和移动信号。控制器可以顺序地确定表示磁场信号的数据的振幅、执行校准操作、基于移动信号来调整磁场传递函数、以及基于表示检测信号的数据的振幅使用磁场传递函数估计机器人的姿态。

在一些实施方式中，控制器可跳过操作1130和1135，并使用预定的磁场传递函数。磁场传递函数可以例如在机器人的制造期间存储在存储器存储元件上。

磁场发射器(例如，磁场发射器800)和检测和控制系统(例如，检测和控制系统900)的结构不限于本文所述的包含三个发射线圈的磁场发射器、以及包含三个传感器线圈的检测和控制系统的示例。在一些另外的示例中，磁场发射器可以包含两个发射线圈，且检测和控制系统可以包含两个传感器线圈。在该示例中，发射器磁场可以是两个单独的磁场的叠加，每个磁场对应于由发射线圈生成的分量中的一个。基于检测信号，控制器可以确定两个维度上的位置(例如，x、y)和两个维度上的取向(例如，θ、Φ)。这样的系统将适合于由单个平面组成的环境，或者其中第三维度或取向的变化是有限的或无关紧要的。使用双线圈系统而不是三线圈系统可以提供降低系统中的发射器和接收器的成本的优点。

在上面示出的示例中，一个发射器被描述为提供由检测系统使用的磁场以定位机器人。然而，系统不限于单个发射器。例如，如图13所示，本文所述的包含磁场发射器和检测和控制系统的系统不限于单个磁场发射器和单个检测和控制系统。相反，可以有多个磁场发射器(例如，1300A和1300B)和/或多个检测和控制系统。在一个示例中，可以同时使用多个磁场发射器(例如，1300A和1300B)，从而为环境提供扩展的范围。在该示例中，第一磁场发射器1300A发射第一发射器磁场，并且第二磁场发射器1300B可被定位为提供第二发射器磁场，使得两个发射器磁场重叠，并且当第一发射器磁场变弱时第二发射器磁场变强。基于检测信号，机器人100中的控制器可以确定相对于第一磁场发射器1300A的位置和取向，直到第一发射器磁场变弱(例如，当机器人100移动远离发射器时)，然后切换为确定相对于第二磁场发射器1300B的位置和取向。在一些示例中，当信号强度高于阈值时，机器人100确定来自第一发射器1300A的磁场的信号强度，并使用来自发射器1300A的磁场来定位机器人。当信号下降到阈值以下时，机器人100基于来自发射器1300B的信号来定位机器人。如果要进一步增加定位系统的范围，可以增加附加的发射器(例如，3个发射器、4个发射器)。从而，多个发射器的存在扩展了范围，并且当一个信号变弱时(例如，来自第一发射器的信号)，机器人开始看到来自不同的发射器的信号。当来自第二发射器的信号变强时，机器人将从基于来自第一发射器的信号的定位切换到基于来自第二发射器的信号的定位。存在一段当机器人从多个发射器同时接收具有足够强度的信号的时间。用于定位的切换(handoff)可以在接收到两个信号的时间段期间发生，以便实现平滑的转换。

在另一示例中，可以同时使用来自多个磁场发射器的测量信号，以改善由对发射线圈或传感器线圈取向或正交性的敏感性而导致的位置和取向误差。例如，如果一个发射器位于用于机器人的对接站/充电站中，则发射器可能由于机器人接触或碰撞到对接站/充电站而被旋转。接近第一发射器的另一发射器的存在可以用于确定何时发生这样的移动或旋转。例如，机器人可以确定何时场已经旋转，并且相应地调整其位置确定。一些示例中，第一磁场发射器和第二磁场发射器可以相对彼此接近地定位(例如，在彼此的1-3米内、彼此的2-5米内、彼此的4-7米内)。基于来自两个磁场发射器的检测信号，控制器可以同时相对于两个发射器磁场来三角测量(triangulate)位置和取向。从而，放置两个发射器，使得在场覆盖中存在显著的重叠，并且来自两个发射器的信号可以用于增加准确性。

本文所述的由磁场发射器以及检测和控制系统组成的系统不限于固定的磁场发射器以及实现到机器人中的检测和控制系统。相反，在一个示例中，磁场发射器可以与控制系统实现到机器人中，且由传感器线圈组成的检测系统可以是固定的。在该示例中，固定的检测系统是低功率消耗的，并且可以使用电池阵列或其他低功率源(例如太阳能功率)来供电，从而允许将其放置远离于固定的电源。

虽然在本文所述的至少一些示例中，磁场用于在户外环境中对机器人定位，但是本文所述的系统和方法可以附加地或替代地用于在室内对机器人定位。例如，如图14所示，清洁机器人1400(例如吸尘机器人、或具有清洁垫的机器人)，家庭安全或监视机器人、或可以包含配置为测量来自位于房屋或建筑物内的发射器1401的磁场的其他机器人。对接站(在对接站，机器人1400可以对其电源重新充电)可以包含发射器1401。在一些示例中，发射器可以直接连接到出口，或放置在家具1403或其他物品的后面(例如，示出为在沙发后面或下面)。从而，例如通过放置在家具1403的下面或后面，发送器1401和对接站可以被隐藏在临时观察者的视野之外。然而，由于磁场不被沙发或家具阻碍，机器人1400仍然可以使用信号来确定其在(多个)房间内的位置并导航到对接站。从而，在一些示例中，在对接过程的至少一部分期间，透过家具(例如，家具1403)的至少一个物品来传送从对接站上的发射器1401发射的并用于将机器人1400导航到对接站的信号。允许对接站被放置在机器人1400可到达的区域中(例如，家具下面具有3-10英寸之间的高度、家具下面具有高于机器人的且距离地板表面小于6英寸的高度)对于人通常不可见或不可到达是有利的。此外，磁场信号可以穿过木材以及在房屋内形成墙壁的其他材料。因此，当机器人1400从房间1405A导航到房间1405B时(例如，如图14所示)，可以使用相同的发射器来定位机器人1400。

本文所述的机器人可以至少部分地如下控制：使用一个或多个计算机程序产品，例如，有形地承载在一个或多个信息载体(诸如一个或多个非暂时性机器可读介质)中的一个或多个计算机程序，用于由一个或多个数据处理设置(例如可编程处理器、计算机、多个计算机、和/或可编程逻辑部件)来执行或控制操作。

计算机程序可以以任何形式的编程语言编写，包含编译语言或解释语言，并且其可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、部件、子例程、或适合在计算环境中使用的其他单元。

与本文所述的控制机器人相关联的操作可以由一个或多个可编程处理器执行，所述可编程处理器执行一个或多个计算机程序以执行本文所述的功能。可以使用专用逻辑电路、FPGA(现场可编程门阵列)、和/或ASIC(专用集成电路)来实现对本文所述的机器人的全部或部分的控制。

适合于执行计算机程序的处理器例如包含，通用和专用微处理器两者，以及任何种类的数字计算机的任何一个或多个处理器。通常，处理器将从只读存储区域、或随机存取存储区域、或两者接收指令和数据。计算机的元件包含用于执行指令的一个或多个处理器、以及用于存储指令和数据的一个或多个存储区域装置。通常，计算机还将包含一个或多个机器可读存储介质，或可操作地联接，以从一个或多个机器可读存储介质接收数据、或向其传送数据、或两者，机器可读存储介质例如是用于存储数据的大容量PCB，例如磁盘、磁光盘、或光盘。适合于承载计算机程序指令和数据的机器可读存储介质包含所有形式的非易失性存储区域，例如包含：半导体存储区域装置，例如EPROM、EEPROM和闪存存储区域装置；磁盘，例如内部硬盘或可移动盘；磁光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM盘。

本文所述的不同实施方式的元件可以组合，以形成上面没有具体阐述的其他实施方式。元件可以从本文所述的结构中省略，而不会不利地影响它们的操作。此外，各种分离的元件可以组合成一个或多个单独的元件，以执行本文所述的功能。