具有激光测距仪系统的水池清洁器和方法
【专利说明】具有激光测距仪系统的水池清洁器和方法 相关申请 本申请依据35U.S.C. §119要求于2012年6月27日提交的美国临时专利申请 No. 61/664, 945的优先权，在此通过引用将其全部内容并入本文。
【背景技术】 为了让无人驾驶运载工具真正自主，它们必须拥有在被置入未知环境中时定位自己并 了解它们周围的物理对象的能力。例如，这样的运载工具为高级应用（例如绘图和运载工 具定位）以及低级应用（例如障碍物躲避）获知信息。一旦运载工具获知其工作所处的环 境的信息，就能够自由地且以优化的模式在环境附近运动，以实现其需要的任务，同时保持 不受损伤。尽管已经为在水外操作的运载工具开发了各种传感器，但可用于水下运载工具 的传感器数量是有限的。 例如，对于工作在户外环境的运载工具，可以利用能够提供厘米范围的精确度的基于 卫星的定位传感器（例如GPS传感器）完成定位。而且，基于激光的测距仪，包括光探测 和测距（LiDAR)传感器，能够向运载工具提供毫米精确度的关于周围环境的信息。不过， LiDAR传感器成本高昂，阻止了低预算应用，且LiDAR和基于卫星的传感器都不能在室内 (即，封闭）或水下环境中正常工作。 在水下环境中，大部分通用的传感器技术基于声学。例如，声波导航和测距（SONAR)能 够为在大尺度开放水环境中操作的运载工具提供准确的传感器数据。不过，在封闭的水下 空间中，例如游泳池中，基于声学的解决方案（例如SONAR)由于封闭环境中的反射所导致 的大量多次回波而难以使用。结果，已经提出了一些基于激光的方法。例如，一种方法包括 具有激光指示器和相机的运载工具，激光指示器投射（project)单个点，且相机可视化从 封闭空间的壁反射的点。由于该设计，这种运载工具仅能够确定与相机正前方的单个位置 相关的距离信息。而且，这样的设计严重依赖于校准例程（calibration routine)，该校准 例程利用距离绘制激光指示器在图像系中的位置。另一种方式包括使用单条激光线和相机 来产生水下对象的完整3D地图。不过，在并非极暗的环境中找到完整的激光线可能是有难 度的。因此，这种方式不能够用于可能存在大量天然和人造光的操作环境中，例如游泳池和 温泉环境中。
【发明内容】
本发明的一些实施例提供了一种水池清洁器控制系统，以检测距水池清洁器前方对象 的物理距离。控制系统包括激光测距仪，其具有第一激光线发生器、第二激光线发生器和相 机。第一激光线发生器和第二激光线发生器被定位以发射平行的激光线，并且相机被相对 于第一激光线发生器和第二激光线发生器定位以拍摄对象上投射的激光线的图像。控制系 统还包括与激光测距仪通信的控制器，该控制器被配置成控制第一激光线发生器和第二激 光线发生器的操作以发射激光线并控制相机以拍摄投射到对象上的激光线的图像。控制器 还被配置成从相机接收图像，计算图像中激光线之间的像素距离，并基于像素距离计算相 机和对象之间的物理距离。 本发明的一些实施例提供了一种用于水下环境的自主机器人水池清洁器。该水池清洁 器包括测距仪，所述测距仪被配置成发射第一和第二线，并检测所述第一和第二线在环境 特征上的投影；相机，配置成拍摄所述水池清洁器下方环境的地板表面的图像；以及与所 述测距仪和所述相机通信的控制器。控制器被配置成基于所述检测到的所述第一和第二线 的在所述特征上投影来计算所述测距仪和所述特征之间的物理距离，基于拍摄的图像确定 视觉测距数据，基于所述物理距离和所述视觉测距数据绘制所述环境，并跟踪所述水池清 洁器在所述环境之内的位置。 本发明的一些实施例提供了一种在水下环境中利用双平面激光测距仪确定距对象的 距离的方法。该方法包括向所述对象上投射第一线；向所述对象上投射与所述第一线平行 的第二线；以及拍摄所述对象上投射的第一线和投射的第二线的图像。该方法还包括将所 述图像分割成独立的图像片段；以及对于每个图像片段，提取所述图像片段中的颜色平面 以获得灰度级图像片段；检测所述灰度级图像片段中的潜在的线边缘；利用所述潜在的线 边缘提取线段；以及对所述线段分组以获得所述灰度级图像片段中的第一投影线和第二投 影线。该方法还包括对于每个图像片段，计算所述灰度级图像片段中所述第一投影线和所 述第二投影线之间的像素距离；以及基于所述像素距离计算到所述对象的距离。
【附图说明】 图1是根据本发明一个实施例的控制系统的方框图。 图2是根据本发明一个实施例的水池清洁器的正面透视图。 图3是图2的水池清洁器的后侧透视图。 图4是图2的水池清洁器的下侧透视图。 图5是根据本发明一个实施例的双平面激光测距仪的示意图。 图6A和6B分别是传统针孔相机模型和改进的针孔相机模型的示意图。 图7是图5的激光测距仪的侧面示意图。 图8是根据本发明的一个实施例的利用图1的控制系统来确定距离测量结果的过程。 图9是根据图8的过程的，将拍摄的图像分成图像片段的例示。 图IOA和IOB是用于图8的过程的χ-y坐标系和m_b坐标系的图形视图。 图11A-11D是根据图8的过程所处理的图像片段的例示。 图12A和12B是利用图8的过程所确定的距离测量结果的图形视图。 图13是在多个图像系中确定水池清洁器位置的图形视图。 图14是根据本发明的方法的、用于测距数据的参考系的图形视图。 图15是根据本发明的方法的、用于距离数据的参考系的图形视图。 图16是根据本发明的方法的、角特征确定的图形视图。
【具体实施方式】 在详细解释本发明的任何实施例之前，要理解本发明在其应用方面不限于以下描述中 阐述或在以下附图中例示的部件构造和部件布置的细节。本发明能够有其他实施例并能够 通过各种方式实践或执行。而且，要理解这里使用的措辞和术语是为了描述的目的，不应被 视为限制。这里使用"包括"，"包含"或"具有"及其变化意在涵盖其后列出的项和其等价 物以及附加项。除非另行指定或限制，词语"安装"、"连接"、"支持"和"耦接"及其变化被 宽泛地使用，且涵盖直接和间接的安装、连接、支持和耦接。此外，"连接"和"耦接"不限于 物理或机械连接或耦接。 示出如下讨论以使本领域的技术人员能够制造和使用本发明的实施例。对于本领域的 技术人员而言，所示实施例的各种修改将是明显的，且可以将本文的一般原理应用于其他 实施例和应用而不脱离本发明的实施例。于是，本发明的实施例并非旨在限于图示的实施 例，而是要符合与本文公开的原理和特征一致的最宽范围。以下详细描述要结合附图阅读， 其中不同图中相似的元件具有相似的附图标记。附图未必成比例，其绘示了选择的实施例， 且并非意在限制本发明实施例的范围。技术人员将认识到，本文提供的范例有很多有用的 替代且落在本发明的实施例范围之内。 本发明的实施例提供了用于在封闭水下空间中操作的小型低成本水下运载工具。更 具体而言，本发明的实施例提供了一种用于在游泳池和/或温泉环境中操作的自主机器 人水池清洁器的低成本距离测量和绘制（mapping)系统。系统的距离测量部分基于相 机和平行激光线装置，且该系统的绘制部分能够无需事先校准地利用同步定位和绘制 (simultaneous localization and mapping，SLAM)技术来绘制游泳池环境，以绘制通过游 泳池环境的清洁路线。这样允许水池清洁器来优化清洁路线，例如，以便遍历和清洁整个游 泳池环境。 图1示出了根据本发明的一个实施例的控制系统10,其用于自主机器人水池清洁器 (例如图2-4中所示的水池清洁器12)。控制系统10能够包括控制器14,包括第一激光器 18、第二激光器20和相机22的第一传感器组件或激光测距仪16,第二传感器组件24和定 向控制机构26。控制系统10可以位于水池清洁器12上和/或之内，且能够通过绘制游泳 池或温泉环境并在整个环境中准确定位水池清洁器12来优化水池清洁器12的操作。此外， 控制系统10能够优化清洁路线并识别环境之内碎肩的具体位置。通常，控制器14能够操 作并接收来自激光测距仪16和/或第二传感器组件24的输入，并能够基于这些输入操作 定向控制机构26以沿水下环境之内的期望路线来移动水池清洁器12,如下文进一步所述。 图2-4示出了根据本发明的一个实施例的、能够被控制系统10操作的自主机器人水池 清洁器12。水池清洁器12能够包括底座（chassis) 28、撇渣器（skimmer)组件30、过滤器 组件32、前刷组件34、后刷组件36 (如图3所示）、电子设备盒38、传感器盒40和出口喷嘴 组件42。电子设备盒38可以耦接到底座28并被支撑于其上。前刷板44能够均经由紧固 件46耦接到底座28,且前刷组件34的每个都可以经由紧固件48耦接到相应的前刷板44。 此外，后刷板50可以经由紧固件46耦接到底座28,且后刷组件36可以经由紧固件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的每个，且I形轨道54能够连 接刷板44、50上的相对的提升器对52,如图2和3所示。I形轨道54可以耦接到撇渣器组 件30和过滤器组件32以及出口喷嘴组件42并支撑它们。参考图1的控制系统10,在一些 实施例中，传感器盒40能够容纳激光测距仪16,电子设备盒38能够容纳控制器14和/或 第二传感器组件24,且前后刷组件34、36和出口喷嘴组件42能够充当定向控制机构26。 在一些实施例中，水池清洁器12可以由刷组件34、36支撑于表面（例如游泳池地板） 上。水池清洁器12能够通过刷组件34、36和/或出口喷嘴组件42的操作而跨水池地板移 动自己。更具体而言，每个刷组件34、36能够包括附接到刷板58的刷子56。振动电动机 60可以安装于每个刷板58上，以振动相应的刷组件34、36,且刷组件34,36的振动能够促 成水池清洁器12的向前和/或转弯