移动机器人环境的同时定位和地图绘制的方法和设备的制造方法
【专利说明】移动机器人环境的同时定位和地图绘制的方法和设备
[0001]本申请是申请号为201080045901.2、PCT国际申请日为2010年8月31日、发明名称为“移动机器人环境的同时定位和地图绘制的方法和设备”的发明专利申请的分案申请。
[0002]相关申请交叉引用
[0003]本申请要求于2009年8月31日提交的题目为“Computat1n Optimizat1nTechniques for Simultaneous Localizat1n and Mapping，，的共同未决美国临时申请序列号N0.61/238，597的利益，该美国临时申请的全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
[0004]本发明的多个方面涉及移动机器人，更具体地讲，涉及移动机器人在其中进行操作的环境的地图绘制，以有利于移动机器人在这些环境内的移动。
【背景技术】
[0005]作为使得移动机器人绘制它的环境的地图并且保持它在该地图内的位置的工作数据的系统，同时定位和地图绘制(SLAM)既准确又通用。它的针对各种应用的适应性和可靠性使得它成为用于给予机器人一定级别的自主性的可用部件。
[0006]然而，通常，SLAM技术趋向于计算密集并且由此它们的有效执行常常需要一定级别的处理能力和存储容量，这对于一些消费产品应用来讲性价比不高。
[0007]针对面对在消费市场中竞争所需的低成本产品目标的那些人，经济的硬件环境不可能包括能够充分支持健壮SLAM系统的处理和存储容量。因此，需要开发者寻求有利于在它们具有的计算能力的限度内有效执行核心SLAM算法的方法。通常，这些最佳方案将谋求明智使用处理能力和系统带宽，这可能意味着以不会严重妥协它们性能的方法简化一些SLAM算法或者减少输入数据大小或带宽。
【发明内容】
[0008]这里列出了四个概念，每个概念意图使得当SLAM系统在提供有限处理器能力和/或存储容量的平台上操作时可以保持高效。这些最佳方法中的一些方法可以全部驻留在软件中或者可以要求一些硬件部件的支持以正确工作。
【附图说明】
[0009]图1是示出根据本发明的一些特征的框图。
[0010]图2是示出与图1的某些方面对应的根据本发明的一些特征的流程图。
[0011]图3是示出与图1的一些方面对应的根据本发明的一些其它特征的另一个流程图。
[0012]图4是示出根据本发明的一些其它特征的框图。
[0013]图5是针对定位迭代处理的粒子权重分布的例子。
[0014]图6是针对定位迭代处理的粒子权重分布的另一个例子。
[0015]图7是针对定位迭代处理的粒子权重分布的另一个例子。
[0016]图8是基于校验的粒子分布数据的定位和移位状态。
[0017]图9是示出根据本发明的一些其它特征的框图。
[0018]图10是示出与图6的某些方面对应的本发明的一些其它特征的流程图。
[0019]图11是移动机器人在它的物理环境的定内的例子。
[0020]图12是移动机器人在它的物理环境内的定向的另一个例子。
[0021]图13是示出与图1的某些方面对应的本发明的一些其它特征的流程图。
[0022]图14是移动机器人在它的物理环境内的移动和定向的一个场景。
[0023]图15是移动机器人在它的物理环境内的移动和定向的另一个场景。
[0024]图16是移动机器人在它的物理环境内的移动和定向的另一个场景。
【具体实施方式】
[0025]1.移位期间暂停机器人姿态更新
[0026]定位需要有规律地更新机器人在它的环境内的姿态(位置和角度)。执行这个操作的频率能够影响整体系统性能，这取决于作为更新操作的结果必须多么频繁地处理数据。对于提供能够在低成本硬件环境内有效工作的SLAM系统而言，最小化计算负载是重要的。
[0027]根据本发明的一个特征，可以通过当出现机器人已经变为移位时(在这种情况下，更新可能总是错误的)消除机器人位置更新来降低计算负载。
[0028]图1示出了移动机器人系统100内的上述特征的多个方面。在图1中，数据采集系统110产生关于移动机器人120的环境的数据。这个数据变成对处理设备130的输入数据。基于这个数据，处理设备130产生移动机器人的环境的地图或模型(块132)。处理设备130还可以包含单独的功能(块134)，用于监视针对地图元素中超过阈值限制的任何移动的地图的产生或更新。如果检测到发生这种情况，则处理设备(块136)通过执行暂停或修改来自数据采集系统110的数据的使用的指令进行响应。感测单元140还可以监视数据采集系统110在数据采集系统110的优选定向中的缺失，以用于数据产生。如果感测单元140检测到定向缺失，则处理设备130将通过执行暂停或修改由数据采集系统110产生的数据的使用的指令进行响应。移动机器人120可以连接到处理设备130。如果存在，感测单元140可以附连到移动机器人120。数据采集系统110也可以附连到移动机器人120，或者可以是分开的。
[0029]图2示出了图1中描述的系统的操作的流程。在图2中，在块201，数据采集系统产生关于机器人的物理环境的数据，在块202生成产生的数据。在块203，数据采集系统的定向受到监视以查看数据采集系统是否相对机器人的物理环境保持它的优选定向(例如，数据采集系统是否倾斜，倾覆，或者另外看起来显示与机器人能够在其物理环境内工作的定向不同的定向)。在块204，如果优选定向没有缺失，则在块205，产生的数据用于产生或更新机器人的物理环境的地图。另一方面，如果在块204优选定向缺失，则在块206，地图产生被暂停或者地图被修改。在块205或块206以后，流程返回图1的顶部以产生数据并且监视数据采集系统的定向。
[0030]图3是示出了本发明的其它特征的图。在图3中，地图产生设备310提供移动装置的环境的地图以用于移动装置在该环境内的定位。移位检测设备320使用地图信息确定装置的位置。粒子产生设备322产生表示移动装置的可能姿态的粒子。粒子权重分配设备324向每个粒子分配表示它相对于其它粒子的准确度的相对似然性的权重。独立地，错误粒子产生设备326产生粒子从而使得由粒子权重分配设备324产生的它们的对应权重将是较低的，这表示正确指示移动装置的位置的较低概率。粒子权重比较设备328将错误粒子的权重与由粒子产生设备322产生的粒子的权重进行比较并且确认该装置被正确定位或者确定是否发生移位。
[0031]该方法可以如下操作:
[0032]I)错误位置和倾斜粒子可以被引入到跟踪粒子组。可以按照错误粒子(以后还称作校验粒子)不会向机器人的位置和倾斜度的当前估计引入附加误差的方式选择错误粒子。
[0033]2)通常，错误粒子具有低权重，这通常对应于它们准确表示机器人的当前位置的概率较低。如果错误粒子的权重不是一致较低而是高和低权重的某种组合或者一种分布，则这可以暗示机器人已经变得移位。
[0034]3)如果确定机器人可能移位，则可以暂停在它的环境的地图内更新其位置直到错误粒子的权重返回到更加一致的低值分布。
[0035]图4示出了图3所示的系统的操作流程。在图4中，在块401，可以恰当使用或更新现有地图。在块402，或者重新或者迭代产生粒子，迭代产生的粒子被添加到现有粒子组。在块403，向每个粒子分配权重。在块404产生错误粒子，在块405错误粒子具有分配给它们的权重。在块406，错误粒子的权重与原始粒子组的权重进行比较以确定是否发生移位。在块407，执行移位的检查。如果没有发生移位，则与图2中的块205类似，继续地图产生和更新。如果发生了移位，则与图2中的块206类似，地图产生被暂停或修改。
[0036]存在为何这个程序在SLAM系统中实现以及它可以提供除计算负载下降以外的其它优点的防范原因。当检测到移位时暂停地图绘制可以避免破坏地图。另外，一旦检测到移位，能够执行附加行动以提高机器人将重新定位的可能