专利名称：用于同时定位与地图构建的方法
技术领域：
本发明涉及一种同时定位与地图构建(Simultaneous Localisation andMapping-SLAM)的方法，该方法用于可以自行移动的设备，尤其是可以自行移动的地面灰尘收集设备，该设备优选带有电动的若干移动轮，其中，该设备具有由光学发射和接收单元组成的障碍识别装置，其中，从该设备的预先计算出的假定第一位置出发进一步计算多个可能的位置和定向(质点)并在该设备的相应移动后根据这时占据的第二位置借助光学单元的测量结果将此前产生的质点之一按照预先规定的考虑概率的选择算法假定为该设备的新位置。
背景技术：
所述类型的方法是公知的，例如像与用于清洁地板的可以自行移动的吸尘和/ 或清洁设备相关，此外在其它设计中例如与可以自行移动的运输设备或割草机相关。这种类型的设备优选具有距离传感器，以便例如防止与移动路线中的物体等的碰撞。这些传感器优选非接触式工作，进一步优选作为光或超声波传感器工作。为此还公知这种设备具有用于四周距离测量的装置，具体是例如以光学三角测量系统的形式构成，该系统设置在环绕垂直轴旋转的平台等的部件上。借助这种系统可以根据反射来测量距离，这种距离测量用于空间定向，进一步尤其是在自动工作的过程中用于障碍识别以及进一步优选用于存储所要驶过的空间的地图并因此相应用于创建地图。与此相关的内容例如参见 DE2008014912A1。依据距离测量检测的空间界限，需要时在考虑空间内可能的障碍情况下， 优选以周围(尤其是由多个房间组成的住宅)的地图的形式储存，进一步优选储存在设备的非易失存储器内，从而在清洁或运输过程的进程中为定向可以调用该地图来定向。此外， 与此相关公知的是，借助这样储存的地图根据已储存算法确定该设备有利的移动策略，进一步也包括识别优选处于该设备的移动路线中并通过传感器检测的物体。为此必须尽可能精确测定与物体(例如像家具或墙壁边界等)的距离值。此外公知用于同时定位与地图构建的方法，尤其是以概念SLAM。与此相关的内容参阅 Hugh Durrant-Whyte (IEEE 院士 )和 Tim Bailey 于 2006 年 6 月发表在 “Robotics & Automation Magazine, IEEE” 杂志上的科技文章 “Simultaneous Localisation and Mapping(SLAM) ”的第一部分(Part I)。SLAM在这种情况下涉及运动通过没有地图的环境的移动机器人的问题。机器人建立对其自我运动和其环境内的特性的相对观察。SLAM的目标是构建环境和路线的地图，该地图能够由机器人或可以自行移动的设备建立和利用。为找到实际位置，在这种情况下检查多个可能的设备位置和定向。可能的设备位置和/或定向在SLAM中称为质点，其中，每个这些质点可供可能的设备位置和/或定向使用。可能的位置在这种情况下表示为具有高加权的质点。不可能的质点因此获得低加权并几乎、甚至根本不可能定位。如果设备运动，那么质点就因而围绕可能的位置和定向“散射”。“散射” 在这种情况下意味着，最后一代中的质点接下来产生其它质点，这些质点然后可供设备的新位置使用。在质点散射后，将这些质点与光学单元的测量结果相比较并相应加权。质点散射在这种情况下通常限制于固定数量，例如一千。质点然后以最可能的实际位置依据高斯分布散射。
发明内容
鉴于所公开的现有技术，本发明的目的在于，对所述类型的方法做进一步的改进。该目的首先和基本上通过本发明的主题得以实现，其中规定，在由该设备的预先规定的移动方向和移动距离或移动速度确定的立体角和距离范围方面对质点的计算进行限制。依据所提出的解决方案，明显减少用于计算所占用位置的技术上必要的开支。从现有技术中公知为每个散射过程重新计算高斯分布。质点散射越多，计算开支(高斯计算) 相应增加。尤其是在这种情况下产生大量的高斯计算，这些计算由于所含有的指数函数而具有很大计算量。这一点会导致必须使用大功率的微处理器。仅减少质点数量就已经节省了计算效率，在使用高斯分布的情况下，通过这种分布的随机因素，导致在不利的情况下实际位置的附近没有质点散射并因此定位不精确。这一问题通过所建议的本发明得以解决。 替代在质点散射的每个过程中均必须重新计算高斯分布，本发明建议质点散射在有限的区域内固定进行。由此可以明显减少计算开支。在这种情况下，根据在考虑到可以自行移动的设备的系统的个别特性的情况下的空间限制对质点的数量进行限制。该方法证明总体上更加有效并在减少质点时在定位方面更加精确。质点为计算可能占据的第二位置离散地散射，其中，可能质点的离散预定值在这种情况下接近高斯状的分布。用于该设备的假定的和至少实际出现的预先计算出的第一位置的、限定了质点散射区域的立体角和距离范围，在这种情况下根据设备的平移运动考虑可能的设备位置。这样尤其是在该设备常见的移动方向上在该设备之前，从预先计算出的假定第一位置出发，为质点计算一个有限的散射区域， 其中，进一步优选除了设备的移动方向外，还将设备的移动距离或移动速度作为散射区域计算的参数。所述有限的散射区域在这种情况下优选是设备周围从第一位置出发的部段区域，例如扇形区或其部分区域。然后，借助此外具有的障碍识别装置或光学发射和接收单元的测量结果，将此前在有限散射区域内产生的质点在使用相应的选择算法的情况下假定为设备的新位置。所具有的和上述从现有技术中公开的用于识别障碍的四周传感器发射测量光束。 这种四周传感器测定至测量光束在最近的障碍物(例如墙壁或家具上)的入射点的距离。 作为测量方法在这种情况下优选使用光程时间法(ToF，time offlight，飞行时间)。与此相关也可以使用相位相关法(PKS)。进一步优选考虑三角测量法。测量光束可以作为线一光线的扩散角非常小，小于50毫弧度(mrad)，这一点优选典型地导致1_22毫米范围内的光线直径一或作为扩张的光束构成。在这种情况下，优选使用发散2-4毫弧度的光束，其在 3米的距离时达到20-30毫米的直径。传感器的接收区域以相同的方式优选构造为发散的接收波瓣，其中，为补偿公差该发散接收射束的发散比发射光束的发散大(例如是2倍)。用于测量与物体距离的非接触式工作的传感器配备至少一个产生测量光束的光源。光源发射可见或不可见波长范围内的光，例如650nm范围内的红光或532nm范围内的绿光。优选700nm以上波长红外线范围内的光,进一步优选例如785nm、850nm或980nm波长的辐射源(激光二极管或LED)。光源可以是灯或LED，但优选具有激光二极管。传感器还优选配备至少一个光学接收元件，该元件至少在发射元件所选择的波长范围内灵敏，更优选设计为例如至少一个光电二极管、光电阻、CCD芯片或CMOS芯片。光学接收器可以设计为用于检测单个输入光信号的单个接收元件或设计为用于同时地或顺序地检测多个输入光信号的多格阵列或多格行。与之相应的是，扩张的传感器也是公知的，例如线状或面状的位置敏感传感器(PSD)元件。可以为光源还有光敏元件有选择地配设光学元件(优选用于形成发射光束/发射光锥或接收光束/接收光锥)，下文中并未详细列举。光学元件可以是透镜(聚光透镜、发散透镜，也设计为菲涅耳透镜，非球面的或球面的)、光阑(圆形、缝隙状、任意造型，设计为固有的部件或与传感器的壳体成一体)、棱镜、面镜(平面、凹面、凸面、任意形状)、光导或还有任意形状的元件。光学元件也指光程中的保护片或遮盖片，用于机械保护光学装置。优选为光源和/或光敏元件配设滤光器，它们能使预定的波长尽可能好地透过，但却使其它波长尽可能少地透过。滤光器可以设计为分立的元件或与其它光学元件(例如透镜的染色层或涂层、保护窗等)一体地形成。也可以是其它染色层、涂层、镀膜等。如果使用面镜，那么优选是表面反射镜，因为这种面镜具有较低的光学损失。在这种情况下，进一步将面镜设计为压力注塑件以及将本身的反射面设置为具有反射层的表面涂层。在这里适合使用金属层，例如银、金或铜，进一步优选铝。在使用铝的情况下，进一步优选将防腐层设置为其它涂层(钝化)。在优选的设计中，在立体角和距离范围的内部，进一步相应优选在有限的质点散射区域内，又限定出高停留概率和低停留概率的区域，其中，优选在高停留概率的区域内比在低停留概率的区域内计算更多的质点。相应优选在可能性最大的设备位置的地点上产生比进一步优选在有限的质点散射区域的边缘区域内更高的质点密度。尤其是在该分布的边缘区域内，进一步优选也预先规定质点(低停留概率)，以便可以考虑定位时该设备在移动期间(例如由于驱动轮打滑)的较大偏差。在进一步优选的构成中，在限定有限质点散射区域的距离范围方面预先规定远端线和近端线，仅在该远端线和近端线的内部计算质点。通过借助远端线和近端线进行限制， 优选总体上形成类似于香蕉或飞镖的轮廓的有限的质点散射区域，其中，进一步优选距离范围的近端线在设备的移动方向上与设备的预先计算出的假定的第一位置相间隔。该距离进一步优选取决于设备的移动距离或移动速度，以及尤其是远端线与近端线的距离和与之相应的所述区域在设备移动方向上的扩展。远端线和近端线进一步优选是从该设备的假定的第一位置出发的半径线，进一步优选是从限定该设备最有可能的并因此必要时是实际的当前(第一)位置的质点出发的半径线。在进一步的设计中，与立体角边界相邻接地也在一个区域内计算质点，在该区域内比在远离立体角边界的区域内更靠近该设备的事先计算出的位置。依据这种扩展技术方案，也在例如地面覆层造成的极端情况下防止设备“丢失”。这样例如通过该设备的优选两个预定的电动移动轮的抱死或完全失控使设备几乎停留在该位置上。位置相应不变或几乎不变。有限的质点散射区域依据所提出的解决方案扩展或通过有限的散射区域补充设备事先计算的当前位置。作为对此的选择或组合计算一个区域内的质点，该区域覆盖设备移动后该设备可能的位置，移动时例如由于一个驱动轮抱死或两个移动轮的一个完全失控使移动方向相对于预先规定的移动方向完全调转。这些其它的质点散射区域或这些扩展的质点散射区域在优选的设计中限定为低停留概率的区域，进一步相应优选具有与高停留概率的区域相比更低的质点密度。
下面借助仅示出实施例的附图对本发明进行详细说明。其中
图I示出地面灰尘收集设备形式的可自行移动设备的透视图2示出依据本发明用于同时定位和地图构建的有限质点散射的示意图3示出涉及另一实施方式与图2相应的图示；
图4不出另一实施方式与图2相应的另一图不；
图5示出涉及图3和图4实施方式的组合与图2相应图示的另一实施方式。
具体实施方式
首先借助图I示出和介绍以吸尘和/或清扫机形式，进一步以可自行移动的家用
吸尘机器人形式的设备I。该设备具有底盘，该底盘的面对所要清理的地面2的底面带有电动的若干移动轮3以及优选突伸出底盘底面下缘的同样电动的刷子。设备罩4罩扣在底盘之上，其中，设备具有圆形的平面图。在设备I作为吸尘和/或清扫机的设计方面例如参阅开头列举的DE10242257A1。此外虽然没有示出，但设备I作为对刷子的附加或替代具有吸尘口。在这种情况下，设备I内还设置电动的抽风电动机。设备I的各个电动部件(如移动轮3的电动机、刷子的电动装置，必要时的抽风和此外设备I内用于其控制的其它电动装置)的供电通过未示出的可反复充电的蓄电池进行。设备I此外具有非接触式工作的第一传感器5形式的距离/阻碍识别装置H，其具有光线发射装置和光线接收装置。该传感器5设置在设备I的设备罩4上面并可以环绕同时是设备I的中心垂直轴线的垂直轴线X转动。传感器5优选由三角测量系统组成，借助其可以实施四周距离测量(环绕轴线x360°，图I中的箭头d)。利用传感器5首先进行障碍识别，这一点依据在优选水平的扫描平面上，也就是在与地面2平行延伸的平面上的旋转扫描而实现，从而设备I可以无碰撞在地面2上或在其周围运动。此外如进一步优选的那样，通过传感器5可以进行对环境的四周距离测量， 其中，在这种情况下所测得的与周围的障碍物和墙壁的距离值优选用于创建整个区域的地图，该地图存储并保存在设备I内。为进行自动定位，与同时定位和地图构建相应地提出一种方法，图2示意示出该方法。在这种情况下，在SLAM中从设备I的预先计算出的假定的第一位置(质点7)出发计算质点6形式的多个可能的位置和定向并在设备在箭头方向r上相应移动后，根据这时占据的第二位置，借助障碍识别装置H的测量结果将此前产生的质点6之一按照预先规定的考虑概率的选择算法假定为设备I的新位置。在这种情况下，在由该设备的预先规定的移动方向r和移动距离或移动速度确定的立体角α和距离范围a方面对质点6的计算进行限制，各自与设备I的预先规定的假定第一位置的质点7相关。立体角α优选延伸通过 60°至120°，进一步优选延伸通过90°，其中，进一步优选设备I的移动路线是至少近似的角平分线。距离范围a优选根据设备I的移动速度或所要完成的移动路线进行计算。此外，优选预先规定远端线8和近端线9，进一步优选这些线是从设备I的假定的第一位置出发的半径线，进一步优选从表示假定的该第一位置的质点7出发。远端线8和近端线9与立体角α共同限定质点散射区域10的边界，设备I移动后占据的第二位置很有可能在该区域10的内部。在质点散射区域10的内部，尤其是在与设备I的移动线相切区域内限定高停留概率的区域11，这一点的依据是质点6的密度增加。为可以考虑定位时该设备在移动过程中的更大偏差，在质点密度提高的区域11两侧限定出中至低停留概率的其它区域12和13，这一点相应地是由于适当的质点密度。图3和图4借助两个其它实施例各自示出质点散射区域10以及区域13'的扩展， 该区域相应地具有质点6较少的低停留概率。这些区域13'覆盖尤其是可以根据设备I的移动错误计算设备I瞬时位置的可能区域。与图2中的实施例相比，质点散射区域10在通过立体角α限定边界的区域内部分别在各边缘侧向内朝此前计算出的位置的方向扩展， 从而例如在设备I的两个移动轮3中的一个抱死或失控并因此在移动过程中同时造成设备 I向一个关于整个散射区域观察的拐角位置内扭转时可以进一步实现对可能位置的测定。在图4中，为设备I此前所测定的位置配设另一个这种区域13'，用于例如在两个移动轮3抱死或完全失控时测定新的位置。图5示出图3和图4实施例的组合。在这种构造中，优选设备I在移动后或移动尝试后所要达到的所有位置通过由高、中和低停留概率的多个区域组成的质点散射区域10 检测。在设备I相应移动后，在考虑到这时占据的第二位置情况下，借助障碍识别装置H 的测量结果将质点散射区域10的内部此前产生的质点6之一按照预先规定的考虑概率的选择算法假定为设备I的新位置。据此，表示设备I可能位置的质点6为计算下个设备位置等于起始质点的上述质点7，从该质点出发在考虑到移动方向r的情况下计算下个质点散射区域10。质点散射和计算优选在设备的移动过程中连续进行。所公开的所有特征(本身)对本发明均是实质性的。因此所属/附加的优先权文件(在先申请文件副本)的公开内容全部同时吸纳入本申请的说明书，也出于此目的将这些文件的特征同时吸纳入本申请书的权利要求书中的。从属权利要求在其选择性的并列文本中表明现有技术的独立的独创性扩展，尤其是为了在这些权利要求的基础上进行分案申
请。
附图标记列表
I设备
2地面
3移动轮
4设备罩
5传感器
6质点
7质点
8远端线
9近端线
10质点散射区域
11高停留概率的区域
12中停留概率的区域
13低停留概率的区域
13'低停留概率的区域
a距离范围
r移动方向
X旋转轴线
H障碍识别装置
α立体角
权利要求
1.一种用于同时定位与地图构建的方法，该方法用于可以自行移动的设备(1)，尤其是可以自行移动的地面灰尘收集设备，该设备(I)优选具有电动的若干移动轮(3)，其中， 该设备(I)具有由光学发射和接收单元组成的障碍识别装置(H)，其中，从设备(I)的预先计算出的假定第一位置出发进一步计算多个可能的位置和定向(质点6)并在该设备(I) 的相应移动后根据这时占据的第二位置，借助所述光学单元的测量结果将此前产生的质点(6)之一按照预先规定的考虑概率的选择算法假定为该设备(I)的新位置，其特征在于，在由该设备(I)的预先规定的移动方向(r)和移动距离或移动速度确定的立体角(α)和距离范围(a)方面对质点(6)的计算进行限制。
2.按权利要求I或尤其是如下所述的方法，其特征在于，在所述立体角(α)和距离范围(a)的内部又限定出高停留概率(11)和低停留概率(13)的区域，并且在高停留概率(11)的区域内比在低停留概率(13)的区域内计算出更多的质点(6)。
3.按前述权利要求中的一项或多项或尤其是如下所述的方法，其特征在于，在距离范围(a)方面预先规定远端线(8)和近端线(9)，仅在它们内部计算质点(6)。
4.按前述权利要求中的一项或多项或尤其是如下所述的方法，其特征在于，远端线(8)和近端线(9)是从该设备(I)的假定第一位置出发的半径线。
5.按前述权利要求中的一项或多项或尤其是如下所述的方法，其特征在于，与立体角边界相邻接地也在一个区域(13')内计算质点(6)，在该区域(13')内比在远离立体角边界的区域内更靠近该设备(I)的事先计算出的位置。
全文摘要
本发明涉及一种同时定位与地图构建的方法，该方法用于对可以自行移动的设备，尤其是可以自行移动的地面灰尘收集设备进行自动定位，该设备优选带有电机驱动的若干移动轮，其中，该设备具有由光学发射和接收单元组成的障碍识别装置，其中，从该设备的预先计算出的假定第一位置出发进一步计算多个可能的位置和定向(质点6)并在该设备的相应移动后根据这时占据的第二位置，借助光学单元的测量结果将此前产生的质点之一按照预先规定的考虑概率的选择算法假定为该设备的新位置。为进一步改进所述类型的方法，建议在由该设备的预先规定的移动方向和移动距离或移动速度确定的立体角和距离范围方面对质点的计算进行限制。
文档编号G01S17/88GK102608618SQ201210069059
公开日2012年7月25日 申请日期2012年1月4日 优先权日2011年1月3日
发明者A·索尔沃尔德, M·梅格尔, M·沃尔迈耶 申请人:德国福维克控股公司