专利名称：用于移动机器人位置识别的地图的生成及更新方法
技术领域：
本发明涉及一种用于移动机器人定位的构建和更新地图的方法，更具体地，涉及能够随机检查、然后登记在构建地图时提取的地标并且在更新地图时分析预登记地标的精确度以控制或删除级别的移动机器人定位用地图的构建和更新方法。
背景技术：
近年来，随着机器人技术的发展，设定其自身的路径并沿着设定路径移动的移动机器人的使用越来越多。典型的移动机器人可包括清洁室内和建筑物的清洁机器人、导引定位的导引机器人等。具体地，清洁机器人在移动时使用其中设置的真空清洁单元清洁室内地板，其包括各种传感器和航向单元。当前，各种类型的清洁机器人已经商业化。 为了使移动机器人有效判定其在空间中的位置并向预定位置移动，有必要为移动机器人在其中移动的空间构建地图，以允许移动机器人识别自身在该空间中的位置。允许移动机器人识别其自身相对于周围空间的位置并构建地图称为同步定位与地图构建(SLAM)。在SLAM机制中，基于图像的SLAM使用从图像中提取的视觉特征为周围环境构建地图，并估计机器人的姿势。通常，通过使用驱动电机内设置的陀螺仪和编码器，移动机器人基于航位推測法前行，并使用安装在其顶部的摄像头分析图像，构建地图。在这种情况下，当陀螺仪和编码器的量距(odometry)出现误差时，使用摄像头获取的图像信息校正累积误差。已经提出了多种用于控制移动机器人航向的方法和使用这些方法的移动机器人的相关技术，但是并未解決以下问题。作为从图像提取的特征的描述符，已使用了多种类型的描述符。然而，有ー个问题，即当亮度发生极大变化或图像发生极大变化吋，这些类型未显示出鲁棒性。此外，尚未提出这样的适应性航向控制机制该机制能应对输入图像无法使用或控制移动机器人航向中发生移动机器人航向控制误差的情況。此外，即便特征彼此不同，但在特征匹配中将不同特征错误地识别为相同特征的问题还是经常发生。
发明内容
技术问题本发明提供了一种用于构建移动机器人地图的方法，该方法能够仅登记具有高度可靠性的地标，在该方法中，在构建地图而登记地标时，通过将从图像中提取的地标和预测地标进行比较而获得的比较误差在容许范围。本发明提供了ー种更新移动机器人地图的方法，该方法能在更新地图时检测与预登记地标对应的地标以进行概率匹配，根据匹配程度控制预登记地标的质量，并且消除错误登记的地标。技术方案
本发明的ー个不意性实施方式，提供一种用于移动机器人定位的地图的构建方法，包括从移动机器人在第一位置获取的第一图像检测和临时登记地标；从移动机器人在第二位置获取的第二图像提取相应的地标；基于移动信息和临时登记的地标信息从第二图像估计临时登记的地标；以及如果通过计算临时登记的地标和估计的地标之间的匹配误差判定匹配误差处于预定的基准误差范围内，则主要登记临时登记的地标。在主要登记临时登记的地标时，当匹配误差超过预定基准误差范围时，可以确定第一图像不是天花板图像，并舍弃临时登记的地标。第一和第二图像可包括移动机器人的航向目标区的天花板图像，并且天花板图像可包括多个特征。 地标的临时登记可包括将第一图像分为多个子图像并通过计算多个子图像中亮度变化的大小和亮度变化的相位检测特征；以及搜索亮度变化和亮度变化的相位的大小为从各个子图像检测出的多个特征中最大的特征，将这些特征设为临时登记的地标。亮度变化的大小可通过求各个子图像的水平亮度变化和垂直亮度变化之和的平方根获得。亮度变化的相位可通过求各个子图像的垂直亮度变化与水平亮度变化之比的反正切函数获得。第一和第二图像可包括多个相同地标。本发明的另ー个示意性实施方式提供ー种更新用于移动机器人定位的地图的方法，包括a)通过在第一位置获取第一图像来提取和登记地标；b)通过在第二位置获取第ニ图像并使用位置信息(location information，定位信息)预测登记的地标来检测与登记的地标对应的地标；c)检测与检测出的地标对应的登记的地标的质量；以及d)使用概率函数计算检测出的地标和预测出的地标之间的匹配概率，根据匹配概率和登记的地标的质量而不同地更新登记的地标。在步骤d)中，当匹配概率小于第一基准概率时，可以舍弃检测出的地标。在步骤c)中，当登记的地标的质量低于基准质量时，可以通过判定登记的地标是由假正值匹配(false-positive match，假阳性匹配)登记而删除登记的地标。在步骤d)中，当登记的地标的质量高于基准质量，可舍弃检测出的地标，并且可以不将检测出的地标反映到登记的地标的更新。在步骤d)中，当匹配概率高于第一基准概率并且低于第二基准概率时，如果判定登记的地标的质量低于基准质量，则可舍弃检测出的地标。在步骤d)中，当匹配概率高于第一基准概率并且低于第二基准概率时，如果判定登记的地标的质量高于基准质量，则可接受(accommodate)检测出的地标。在步骤d)中，登记的地标的质量等级可以比当前等级低ー个等级。在步骤d)中，当匹配概率高于第三基准概率时，检测出的地标可被接受。在步骤d)中，登记的地标的质量等级可以比当前等级高ー个等级。在步骤d)中，可以基于检测出的地标和预测出的地标，更新登记的地标，移动机器人的定位可校正。登记的地标的质量可通过检测频率、检测误差历史以及地标检测精度中的任何一个进行确定。
定位信息可包括移动机器人的航向距离、航向方向、航向时间、转动角度以及转动频率。登记的地标可以是通过构建移动机器人定位用地图的方法登记的地标。有益效果
本发明的示意性实施方式在将检测出的地标登记之前确认检测出的地标的可靠性，然后在登记地标用于构建地图时将检测出的地标登记为地标，由此仅登记具有高度可靠性的地标。此外，本发明的示意性实施方式能够控制预登记地标的质量，提高其可靠性，并且通过在更新地图时检测与预登记地标对应的地标并对其执行概率匹配来消除错误登记的地标。
图I是示出应用本发明示意性实施方式的移动机器人的配置的示图。图2是根据本发明示意性实施方式的构建和更新移动机器人定位用地图的方法的流程图。图3是根据本发明示意性实施方式的构建移动机器人定位用地图的方法的详细流程图。图4是根据本发明示意性实施方式的更新移动机器人定位用地图的方法的详细流程图。图5是示出根据本发明示意性实施方式的生成局部定向描述符的过程的示图。图6是示出计算图像梯度的窗ロ的示图。图7A是示出图像块(image patch)实例的示图，图7B是示出图像块子区域上局部定向信息的实例的示图。图8是示出根据本发明示意性实施方式提取特征并生成标识符的过程的流程图。图9是示出根据本发明示意性实施方式的航向控制方法的流程图。
具体实施例方式以下參考附图详细说明本发明的示意性实施方式。首先，应该注意的是，在对附图的各个元件给出的參考标号中，即使相同元件在不同附图中示出，相同的元件也用相同的參考标号表示。描述本发明时，将不会详述公知的功能或结构，因为它们可能会不恰当地影响对本发明的理解。图I是示出应用本发明示意性实施方式的移动机器人的配置的示图。ー种根据本发明示意性实施方式的移动机器人100可配置为包括获取图像的图像获取单元110 ;处理图像获取单元110获取的图像、从图像提取特征并生成特征的描述符的图像处理单元120 ;传感器单元140，感应移动机器人100的移动定向信息、移动距离等；主控单元130，基于获取的图像构建移动机器人移动空间的地图，并且基干与从获取图像提取的特征以及从传感器単元140获取的量距有关的信息控制移动机器人的操作；以及机器人驱动器140，根据主控単元130的控制来驱动机器人。图像获取単元110是获取移动机器人所在的周围环境的图像的装置，可配置为包括图像传感器，例如电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)等。在本发明的示意性实施方式中，图像获取単元110优选为向上布置，以获取天花板图像。更优选地，图像获取单元110可包括广角镜头诸如鱼眼镜头等，以获取宽幅天花板图像。图像处理单元120可配置为包括图像失真校正器121、图像质量检测器122、特征提取器123以及描述符生成器124。图像失真校正器121用于校正由图像获取単元110获取的图像的失真。当图像获取单元110包括鱼眼镜头或广角镜头吋，图像获取单元110获取的图像包括径向畸变。因此，图像获取単元110使用预先获取的摄像机參数去除图像的失真。
图像质量检测器122用于确定所获取的图像的可用性。当直接光线照射到图像获取単元110或图像获取単元110被诸如桌子的障碍物遮住时，通过图像获取单元110获取的图像可能不适于移动机器人定位。因此，图像质量检测器122检查获取的图像，当获取的图像不适当时，用于排除不适当的图像。例如，当所获取的图像的亮度太高或太低，图像质量检测器122可以基于所获取的图像的亮度把所获取的图像处理为不适当图像。当获取的图像被排除时，主控单元130可基于陀螺仪141或编码器142获取的航向记录信息控制移动机器人100的移动。在比较两个图像之间的立体匹配时，图像之间的差别用d表示，焦距用F表示，从眼睛到图像的距离用z表示，移动机器人实际的移动距离用r表示，它们之间的关系由以下等式I表示。[等式I]
ICl = r * I图像质量检测器122检测图像获取单元110获取的图像亮度的变化作为附加函数，由此检测到移动机器人100在障碍物如桌子下移动。例如，图像质量检测器通过使用所获取的图像的平均亮度和离散(dispersion)来检测移动机器人100的图像获取单元110被障碍物遮挡。当移动机器人100进入桌子底部，图像帧的平均亮度逐渐降低，由此亮度离散值増加或減少。一种减少计算的方法可通过使用各个区的亮度平均值获得的整个图像的平均和离散来确定移动机器人100是否被遮挡，所述区可基于移动机器人100的航向方向四等分由图像获取単元110获取的图像而分割获得。当图像获取単元110被障碍物遮挡时，不能基于图像控制移动机器人110的定位。因此，主控单元130基于诸如陀螺仪的惯性传感器44和编码器142的信息控制移动机器人100的移动。特征提取器123从由图像获取单元110获取的空间的图像提取特征。特征的实例可包括天花板的角点、安装在天花板上的灯或者空间的门等。然而，为了使用灯或门提取特征，可能増加计算，因此天花板的角点部分优选用作特征。然而，在本发明的示意性实施方式中，从特征提取器123提取的特征不限于角点，但上述几个特征和空间中存在的不同目标均可用作特征。用于提取角点作为特征的机制将在下文中进行描述。角点提取机制的实例可包括哈里斯角点检测法。Chris Harris和Mike Stephens已经在 “A Combined Corner and Edge Detector (Proceedings of The Fourth AlveyVision Conference, Manchester, pp 147-151. 1988)” 中提出了一种从图像提取角点的方法。哈里斯提出的方法或类似方法基于以下事实图像中沿边缘的偏移(shift)具有微小的差别，但在垂直于该边缘的方向上的偏移产生很大的差别，并且所有方向的偏移使得在角点有很大的差別。当图像强度由I表示而图像中因为偏移X和y导致的变化由E表示吋，E可通过以下等式2表示。[等式2]
权利要求
1.一种构建用于移动机器人定位的地图的方法，包括 从移动机器人在第一位置获取的第一图像检测并临时登记地标； 提取移动机器人在第二位置获取的第二图像的相应地标； 基于移动信息和临时登记的地标信息从第二图像估计所述临时登记的地标；以及 如果通过计算所述临时登记的地标和估计的地标之间的匹配误差而判定匹配误差处于预定的基准误差范围内，则主要登记所述临时登记的地标。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，在主要登记所述临时登记的地标时，当所述匹配误差超过所述预定基准误差范围时，确定所述第一图像不是天花板图像，并舍弃所述临时登记的地标。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其中，所述第一图像和所述第二图像包括所述移动机器人的航向目标区的天花板图像，并且所述天花板图像包括多个特征。
4.根据权利要求I或2所述的方法，其中，地标的临时登记包括 将所述第一图像分为多个子图像，并通过计算所述多个子图像中亮度变化的大小和亮度变化的相位来检测特征；以及 捜索所述亮度变化和所述亮度变化的相位的大小在从各个子图像检测出的多个特征中最大的特征，将这些特征设为所述临时登记的地标。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述亮度变化的大小可通过求各个子图像的水平亮度变化和垂直亮度变化之和的平方根获得。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述亮度变化的相位可通过求各个子图像的垂直亮度变化和水平亮度变化之比的反正切函数获得。
7.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一图像和所述第二图像包括多个相同的地标。
8.ー种更新用于移动机器人定位的地图的方法，包括 a)通过在第一位置获取第一图像来提取和登记地标； b)通过在第二位置获取第二图像并使用位置信息预测登记的地标来检测与登记的地标相应的地标； c)检测与检测出的地标相应的所述登记的地标的质量；以及 d)使用概率函数计算所述检测出的地标和预测出的地标之间的匹配概率，并且根据所述匹配概率和所述登记的地标的质量而不同地更新所述登记地标。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在步骤d)中，当所述匹配概率小于第一基准概率时，舍弃所述检测出的地标。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在步骤c)中，当所述登记的地标的质量低于基准质量时，通过判定所述登记的地标由假正值匹配登记来删除所述登记的地标。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，在步骤d)中，当所述登记的地标的质量高于基准质量时，舍弃所述检测出的地标，所述检测出的地标不反映到所述登记的地标。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，在步骤d)中，当所述匹配概率高于第一基准概率并且低于第二基准概率吋，如果判定所述登记的地标的质量低于基准质量，则舍弃所述检测出的地标。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，在步骤d)中，当所述匹配概率高于第一基准概率并且低于第二基准概率吋，如果判定所述登记的地标的质量高于所述基准质量，则接受所述检测出的地标。
14.根据权利要求11到13中任一项所述的方法，其中，在步骤d)中，所述登记的地标的质量等级比当前等级低ー个等级。
15.根据权利要求8所述的方法，其中，在步骤d)中，当所述匹配概率高于第三基准概率时，接受所述检测出的地标。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，在步骤d)中，所述登记的地标的质量等级比当如等级闻一个等级。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，在步骤d)中，基于所述检测出的地标和所述预测出的地标，更新所述登记的地标并校正移动机器人的位置。
18.根据权利要求8所述的方法，其中，所述登记的地标的质量通过检测频率、检测误差的历史以及地标检测精度中的至少ー个进行判定。
19.根据权利要求8所述的方法，其中，所述位置信息包括所述移动机器人的航向距离、航向方向、航向时间、转动角度以及转动频率。
20.根据权利要求8所述的方法，其中，所述登记的地标为通过权利要求I到7中任一项所述的构建地图的方法登记的地标。
全文摘要
本发明涉及用于移动机器人位置识别的地图生成及更新方法，更具体地，涉及用于移动机器人位置识别的地图生成及更新方法，其中，通过登记地图生成过程中提取的地标和基于推断地标中的概率误差而提取的地标、计算地图生成过程中预登记地标的精确度、以及调整低精确度地标的等级或移除错误登记的地标，能够减少识别误差。
文档编号G05D1/02GK102656532SQ200980162271
公开日2012年9月5日 申请日期2009年10月30日 优先权日2009年10月30日
发明者朴性州, 李在荣, 李羲公, 申庆澈, 詹姆斯·斯托尼尔·丹尼尔, 金炯午 申请人:悠进机器人股份公司