位移计算方法和设备及即时定位与地图构建方法和设备的制作方法

文档序号:6348411阅读:425来源:国知局
专利名称:位移计算方法和设备及即时定位与地图构建方法和设备的制作方法
技术领域
本发明涉及位移计算方法和设备以及即时定位与地图构建方法和设备。更具体地说,涉及能够提高精度和处理速度的位移计算方法和设备以及即时定位与地图构建方法和设备。
背景技术
即时定位与地图构建(SimultaneousLocalization and Mapping, SLAM)是目前在机器人定位方面的热门研究课题。SLAM指的是机器人在自身位置不确定的条件下,在完全未知环境中创建地图,同时利用地图进行自主定位和导航。SLAM问题可以描述为:机器人在未知环境中从一个未知位置开始移动,在移动过程中根据位置估计和传感器数据进行自身定位,同时建造增量式地图。到目前为止,也取得了不少进展。由于高计算复杂度,SLAM通常是非常耗时的处理。通过采用其他装置(如,相机和里程表)可以提高输出精度和处理速率(帧每秒,FPS)。例如,在根据现有技术的SLAM中,可以不采用任何里程表而只采用单目相机或立体相机来跟踪路标(landmark),并每隔一时间步长估计位移。这种方法的缺点在于:首先,由于高计算负荷使得这样的处理是非常耗时的;另外,精度也不高;最后,该方法还会受到背景光的限制,例如,在背景光较暗的情况下,效果不佳。又如,在根据现有技术的SLAM中,可以使用电动机械的里程表来估计位移。然而,这种方法的缺点在于:首先,电动机械的设计和生产是非常复杂和昂贵的;其次,随着电动机械的里程表的使用和老化,稳定性降低;第三,这种电动机械的里程表仅适用于二维测量,不能用于三维测量;最后,电动机械的里程表的维护费用很高且很复杂。

发明内容
鉴于以上情形,期望提供一种方法以及基于该方法的设备,其能够通过采用惯导系统(Inertial Navigation System, INS)来改善在未知环境中对于移动对象(如,机器人或手持设备)的SLAM应用的性能。根据本发明实施例的一个方面,提供了一种用于在即时定位与地图构建(SLAM)中计算一对象在空间未知环境中的位移的方法,包括如下步骤:基于固定时间间隔δ t重复地获得所述对象的加速度矢量α、姿态矢量β ;在时间t,根据测量的数据以及之前估计的瞬时速度V’(t_ At),获得该对象在从时间t-At到时间t的时间间隔At期间的位移AD(t)以及该对象在时间t的姿态矢量β ⑴,其中 Δ = η.δ t, n e N ;基于由该对象上安装的图像采集单元拍摄的环境图像和姿态矢量β (t),对于所述位移AD(t)进行滤波以获得AD’ (t);根据滤波获得的AD’ (t)更新瞬时速度V’(t),并将所述瞬时速度V’ (t)用于下一次位移计算。
优选地,在根据本发明实施例的方法中,根据如下公式计算位移ADU):
权利要求
1.一种用于即时定位与地图构建SLAM中计算一对象在空间未知环境中的位移的方法,包括如下步骤: 基于固定时间间隔St重复地获得所述对象的加速度矢量α、姿态矢量β ; 在时间t,根据测量的数据以及之前估计的瞬时速度V’(t_ At),获得该对象在从时间t-At到时间t的时间间隔At期间的位移AD(t)以及该对象在时间t的姿态矢量β (t),其中 Δ = η.δ t, n e N ; 基于由该对象上安装的图像采集单元拍摄的环境图像和姿态矢量β (t),对于所述位移AD(t)进行滤波以获得AD’ (t); 根据滤波获得的AD’ (t)更新瞬时速度V’(t),并将所述瞬时速度V’ (t)用于下一次位移计算。
2.根据权利要求1所述的方法,其中根据如下公式计算位移ADU):
3.根据权利要求1所述的方法,其中基于由该对象上安装的图像采集单元拍摄的环境图像和姿态矢量β (t),对于所述位移AD(t)进行滤波以获得AD’ (t)包括: 首先基于所述图像采集单元拍摄的环境图像以及该对象在时间t的姿态矢量β (t),通过SLAM方法计算时间间隔At期间的位移ADSUM(t); 然后将ADSLM(t)与AD(t)进行加权平均,以获得AD’(t)。
4.一种即时定位与地图构建SLAM方法,其中通过权利要求1所述的方法计算一对象在空间未知环境中的位移。
5.—种应用于即时定位与地图构建SLAM的、计算一对象在空间未知环境中的位移的设备,包括: 惯导系统INS传感器,用于基于固定时间间隔St重复地测量该对象的加速度矢量α、姿态矢量β ; INS处理器,用于在时间t,根据由INS传感器测量的数据以及之前估计的瞬时速度,计算该对象在从时间t-At到时间t的时间间隔At期间的位移AD(t)以及该对象在时间t 的姿态 β( ),其中 Δ = η.δ t, n e N ; 图像采集单元,安装在与所述对象上,用于以该对象的视角拍摄周围环境的图像; SLAM应用和滤波器,用于基于所述图像采集单元拍摄的环境图像和姿态矢量β (t),对于由INS处理器计算出的位移AD(t)进行滤波以获得AD’ (t); INS代理,用于将由所述INS处理器计算出的AD(t)和β (t)传送到所述SLAM应用和滤波器,并将由所述SLAM应用和滤波器输出的AD’ (t)传送到INS处理器; 其中,所述INS处理器根据从所述SLAM应用和滤波器获得的AD’(t)估计更新的瞬时速度V’(t),并用于下一次位移计算。
6.根据权利要求5所述的设备,其中根据如下公式计算位移AD(t):
7.根据权利要求5所述的设备,其中所述SLAM应用和滤波器首先基于所述图像采集单元拍摄的环境图像以及该对象在时间t的姿态矢量β (t),通过SLAM方法计算时间间隔At期间的位移ADSUM(t),然后将ADSLM(t)与AD(t)进行加权平均,以获得Λ ,⑴。
8.根据权利要求5所述的设备,其中所述惯导系统INS传感器包括陀螺仪、地磁仪和加速度计。
9.一种即时定位与地图构建SLAM设备,包括如权利要求5所述的计算一对象在空间未知环境中的位移的设备 。
全文摘要
公开了一种同步定位与地图构建(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)方法和设备。所述位移方法包括如下步骤基于固定时间间隔δt重复地获得所述移动物体(如机器人或手持设备)的加速度矢量α、姿态矢量β;在时间t,根据测量的数据以及之前估计的瞬时速度V’(t-Δt),获得该对象在从时间t-Δt到时间t的时间间隔Δt期间的位移ΔD(t)以及该移动物体在时间t的姿态矢量β(t),其中Δt=n·δt,n∈N;基于由该移动物体上安装的三维摄像机采集的数据和姿态矢量β(t)估算位移,并对于所述位移ΔD(t)进行滤波以获得ΔD’(t),进而完成三维地图的构建;根据滤波获得的ΔD’(t)更新瞬时速度V’(t),并将所述瞬时速度V’(t)用于下一次同步位移与地图构建计算。
文档编号G06F17/16GK103105852SQ201110360180
公开日2013年5月15日 申请日期2011年11月14日 优先权日2011年11月14日
发明者李南君 申请人:联想(北京)有限公司
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