用于使用机器视觉系统执行同时定位和映射的系统和方法与流程

文档序号:12141579阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种被配置成导航操作环境的移动机器人(10),包括:

具有顶部表面(108)的主体(100);

被安装到主体(100)的驱动器(111);

在顶部表面(108)的平面之下、在主体(100)的几何中心附近的凹入结构(130);

与驱动器(111)通信的控制器电路(605),其中控制器电路(605)引导驱动器(111)通过环境、使用基于相机的导航系统(120)来导航移动机器人(10);以及

包括定义相机视野和相机光学轴的光学器件的相机(125),其中:

相机(125)被定位在凹入结构(130)内,并且被倾斜使得相机光学轴在与顶部表面(108)一致的水平面上方以30-40度的锐角对准并且在机器人主体(100)的向前驱动方向上被瞄准,

相机(125)的视野在垂直方向上横跨45-65度的截锥体,以及

相机(125)被配置成捕获移动机器人(10)的操作环境的图像。

2.根据权利要求1所述的移动机器人(10),其中相机(125)由关于相机的光学轴以锐角对准的镜头盖(135)保护。

3.根据权利要求2所述的移动机器人(10),其中镜头盖(135)相对于凹入结构(130)的开口向后缩回,并且关于相机(125)的光学轴成锐角,该锐角比在由顶部表面(108)定义的平面与相机(125)的光学轴之间形成的角度更接近直角。

4.根据权利要求2所述的移动机器人(10),其中锐角在15和70度之间。

5.根据权利要求3所述的移动机器人(10),其中在由凹入结构(130)中的开口定义的平面与相机(125)的光学轴之间形成的角度范围在10和60度之间。

6.根据权利要求1所述的移动机器人(10),其中相机(125)的视野在离静态特征3英尺至10英尺的距离处瞄准静态特征,该静态特征位于离地板表面3英尺至8英尺的范围中。

7.根据权利要求6所述的移动机器人(10),其中相机图像包含每英寸约6-12个像素,并且在图像的顶部的特征比移动机器人以其移动的速度更快地在连续图像之间向上移动,并且在图像的底部的特征比移动机器人以其移动的速度更慢地在连续图像之间向下移动,并且其中控制器被配置成在识别连续图像之间的视差中确定移动机器人的速度和图像中的特征的位置。

8.根据权利要求7所述的移动机器人(10),其中移动机器人(10)以每秒220mm到每秒450mm的速度移动,并且相对于水平方向低于45度的特征将比每秒大约306mm更慢地进行跟踪,并且高于45度的特征将比每秒306mm更快地进行跟踪。

9.根据权利要求1所述的移动机器人(10),其中主体(10)进一步包含:

与控制器电路(605)通信的存储器(625);以及

与驱动器(111)通信的里程计传感器系统,

其中存储器进一步包含视觉测量应用(630)、同时定位和映射(SLAM)应用(635)、地标数据库(650)和地标的地图(640),

其中控制器电路(605)引导处理器(610)以:

致动驱动器(111)并使用里程计传感器系统捕获里程计数据;

通过向视觉测量应用(630)至少提供捕获的里程计信息和捕获的图像,获取视觉测量;

通过向SLAM应用(635)至少提供里程计信息和视觉测量作为输入,确定更新的地标的地图内的更新的机器人姿态;以及

基于包括更新的地标的地图内的更新的机器人姿态的输入确定机器人行为。

10.根据权利要求9所述的移动机器人(10),其中地标数据库(650)包括:

多个地标的描述;

多个地标中的每一个的地标图像以及从其捕获地标图像的相关联的地标姿态;以及

与来自多个地标的给定地标相关联的多个特征的描述,该描述包括与给定地标相关联的多个特征中的每一个的3D位置。

11.根据权利要求10所述的移动机器人(10),其中视觉测量应用(630)引导处理器(610)以:

识别输入图像内的特征;

基于在输入图像中识别的特征与和地标数据库(650)中识别的地标的地标图像相关联的匹配特征的相似性,识别输入图像中来自地标数据库(650)的地标;以及

通过确定导致与输入图像中识别的特征的最高程度的相似性的、与识别的地标相关联的匹配特征的3D结构的刚性变换来估计最可能的相对姿态,其中刚性变换基于相对姿态的估计和锐角来确定,相机(125)的光学轴在移动机器人(10)的运动方向上方以该锐角来对准。

12.根据权利要求11所述的移动机器人(10),其中识别输入图像中的地标包括比较来自输入图像的未校正的图像块和地标数据库(650)内的地标图像。

13.根据权利要求11所述的移动机器人(10),其中SLAM应用(635)引导处理器(610)以:

基于先前的位置估计、里程计数据和至少一个视觉测量,估计移动机器人(10)在地标的地图(640)内的位置;以及

基于移动机器人(10)的估计的位置、里程计数据和至少一个视觉测量,更新地标的地图(640)。

14.根据权利要求9所述的移动机器人(10),其中视觉测量应用(630)进一步引导处理器(610)通过以下各项生成新地标:

检测图像的序列中的图像内的特征;

从图像的序列识别形成多个图像中的地标的一组特征;

在使用形成多个图像中的每一个中的地标的该组识别的特征来捕获多个图像中的每一个时,估计形成地标的该组特征的3D结构和相对机器人姿态;

在地标数据库(650)中记录新地标,其中记录新地标包括存储:新地标的图像,形成新地标的至少该组特征,以及形成新地标的该组特征的3D结构;以及

向SLAM应用(635)通知新地标的创建。

15.根据权利要求14所述的移动机器人(10),其中SLAM应用(635)引导处理器(610)以:

在捕获存储在地标数据库(650)中的新地标的图像时,确定地标姿态作为移动机器人(10)的姿态;以及

在地标数据库(650)中记录用于新地标的地标姿态。

16.一种被配置成导航操作环境的移动机器人(10),包括:

主体(100),包括:

被配置成在运动方向上平移机器人(10)的驱动器(111);

机器视觉系统(125),其包括捕获移动机器人(10)的操作环境的图像的相机(125);

处理器(610);

存储器(625),其包含同时定位和映射(SLAM)应用(635)以及行为控制应用(630):

其中行为控制应用(630)引导处理器(610)以:

使用机器视觉系统(125)捕获图像;

基于捕获的图像,检测阻塞相机(125)的视野的一部分的遮挡的存在;以及

当检测到阻塞相机(125)的视野的该部分的遮挡时,生成通知;以及

其中行为控制应用(630)进一步引导处理器(610)维持遮挡检测数据,该遮挡检测数据描述正由SLAM应用(635)使用的图像的遮挡和未阻塞部分。

17.根据权利要求16所述的移动机器人(10),其中遮挡检测数据描述对应于相机(125)的视野的部分的图像的部分。

18.根据权利要求16所述的移动机器人(10),其中遮挡检测数据包括识别相机(125)视野的不同部分的直方图,并且提供对应的频率,由SLAM应用(635)以所述对应的频率来使用视野的每个部分以生成或识别特征。

19.根据权利要求16所述的移动机器人(10),其中检测遮挡的存在进一步包括:在捕获的图像中识别相机(125)视野的一部分,该部分未由SLAM应用(635)用于阈值数量的图像。

20.根据权利要求19所述的移动机器人(10),其中对于以每秒220mm和每秒450mm之间的速度的速率行进的移动机器人(10),检测阈值数量的图像在每300mm机器人行程至少1-10个图像之间。

21.根据权利要求16所述的移动机器人(10),其中行为控制应用(630)进一步引导处理器(610)识别:在生成通知之前某个百分比的相机(125)视野被遮挡。

22.根据权利要求21所述的移动机器人(10),其中相机(125)视野的遮挡百分比在30%和75%之间。

23.根据权利要求16所述的移动机器人(10),其中通知是显示的消息、文本消息、语音邮件或电子邮件消息之一。

24.根据权利要求16所述的移动机器人(10),其中通知是由移动机器人(10)提供的警报、声音或指示灯之一。

25.根据权利要求16所述的移动机器人(10),其中行为控制应用(630)进一步引导处理器(610)向服务器发送遮挡的通知。

26.根据权利要求16所述的移动机器人(10),其中在一组捕获的图像的第一部分内检测遮挡。

27.根据权利要求26所述的移动机器人(10),其中遮挡是模糊对应于视野的阻塞部分的该组捕获的图像的第一部分的半透明遮挡。

28.根据权利要求26所述的移动机器人(10),其中遮挡是完全遮挡对应于视野的阻塞部分的该组捕获的图像的第一部分的不透明遮挡。

29.根据权利要求16所述的移动机器人(10),其中相机(125)被定位在移动机器人(10)的顶部表面(108)下方的凹入结构(130)内,并且相机(125)被倾斜使得相机(125)光学轴在与顶部表面(108)一致的水平面上方以30-40度的锐角对准并且在机器人主体(100)的向前驱动方向上被瞄准,并且其中相机(125)的视野在垂直方向上横跨45-65度的截锥体。

30.根据权利要求29所述的移动机器人(10),其中相机(125)由关于相机(125)的光学轴以锐角对准的镜头盖(135)保护。

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