用于生成或更新周围环境地图的方法和定位系统与流程
本发明涉及一种用于基于通过电磁射束扫描周围环境来生成或更新周围环境地图并且求取周围环境地图内的位置的方法，本发明还涉及一种定位系统。
背景技术：
对于移动车辆而言，定位方法至关重要，因为定位方法能够实现对车辆进行位置确定。此外，由此能够实现其他功能——例如中央监测或自动化导航。在覆盖区域中例如已知如下定位方法：所述定位方法能够在没有卫星支持的信号的情况下正常工作。这种区域例如可以是内部物流或生产环境。通常使用的是借助所谓的激光定位系统(lls)通过2d或3d激光进行定位的无基础设施的方法。lls需要周围环境的激光地图，并且试图通过将所观察到的激光数据与周围环境地图持续进行比较来求取最可能的位置。
通常，在着手对周围环境进行制图过程(kartierungsfahrt)期间，借助所谓的slam(simultaneouslocalizationandmapping，即时定位与地图构建)算法生成周围环境地图。在制图过程期间，持续求取位置并且将所观察到的激光数据传输到地图中。借助优化方法，在制图过程期间消除定位误差并且产生精确的度量地图。高级lls可以在常规定位运行期间更新其地图并且因此也可以运行在可变的周围环境中。
此外，存在基于无线电的传输技术，所述传输技术例如基于wlan信号或蓝牙信号，所述wlan信号或蓝牙信号除了进行消息传输以外同样可以用于定位。然而，该传输技术由于物理边界条件和干扰是非常不准确的并且例如在常用技术(例如wlan)中实际上限于几米内。此外，所述传输技术并不是无基础设施的，因为所述传输技术需要所用技术的相应发送装置。每种技术允许根据其个体化签名(signatur)来区分不同的发射装置。对于wlan发射设备来说，这例如可以是相应wlan网络的ssid(servicesetidentifier：服务集标识符)，或者是接入点(mac地址)的唯一bssid(basicservicesetidentifier：基本服务集标识符)，并且对于蓝牙发送设备而言可以是设备名称。
由于激光器的视场有限，lls的潜在弱点是激光地图内的局部模糊性(mehrdeutigkeit)。示例是建筑物的不同部分或楼层中的类似通道，或者不同建筑物或运行有移动车辆或lls的生产车间中的类似区域。这尤其会在重新启动或故障情况之后的初始求取位置时导致问题，因为在没有进一步的认知或操作的情况下，lls无法在不同的可能区域之间做出判断。
一种类似情况与此的区别在于：lls究竟是否处于制图区域内。在此，模糊性也可能是成问题的，因为无法在类似的但未经制图的区域与匹配的经制图的区域之间进行区分。
此外，周围环境的临时变化可能导致过时地图与当前数据之间的较没有说服力的比较过程，并且因此在生成或更新地图时增大模糊性。
技术实现要素：
本发明所基于的任务在于：提供一种方法和一种定位系统，所述方法和定位系统可以降低位置确定时、生成和/或更新周围环境地图时的模糊性。
该任务借助根据本发明的技术方案来解决。本发明的有利构型在说明书中描述。
根据本发明的一方面，提供一种用于基于通过电磁射束扫描周围环境来生成或更新周围环境地图并且求取周围环境地图内的位置的方法。
通过由至少一个定位系统以电磁射束扫描周围环境来求取周围环境数据。
此外，通过至少一个定位系统收集至少一个无线通信单元的数据。
将所求取的周围环境数据分配给周围环境地图的至少一个位置或至少一个区段。
在此，由定位系统的内部控制单元或外部控制单元使用至少一个无线通信单元的所收集的数据用于对所求取的周围环境数据的周围环境地图的至少一个位置或至少一个区段进行可信度检验。
优选地，所产生的电磁射束可以是光束、激光射束或雷达波。这些例如可以借助雷达设备、激光雷达设备等产生并且在扫描区域内发射。接下来，可以接收并且分析处理在周围环境处反射的射束。在此，可以通过定位系统的内部控制单元或通过布置在外部的控制单元实施分析处理。定位系统例如可以是激光定位系统。优选地，定位系统可以根据方向接收和分析处理无线传输的信号。尤其可以接收无线传输的数据(例如ssid)。此外，至少一个定位系统例如可以测量至少一个通信设备的信号强度或方向相关的信号。为此，定位系统可以具有能够与控制单元以数据传导方式耦合的接收天线或天线阵列。
无线通信单元例如可以是wlan热点或接入点、蓝牙发送器、移动无线电天线等。
通过该方法，可以在制图过程期间将本地的无线电频谱或周围环境的所有无线电签名的整体与周围环境数据一起输入到周围环境地图中。由此可以实现附加的信息通道，该附加的信息通道可以与定位系统耦合并且因此能够用于降低或消除模糊性。尤其可以在确定位置时、在生成和/或更新周围环境地图时降低模糊性。通过位置确定所求取的位置能够在一位置或一地点处并且在其他过程中不仅具有位置、而且具有定位。在此，可以将无线通信单元的本地无线电签名用于对定位系统的所求取的周围环境数据的分配进行本地限界。
关于定位系统是否处于已制图的区域中的问题可以通过无线电频谱更容易地回答，因为无线电签名大多具有易于比较的id，该id甚至可以是唯一的uid(例如wlan接入点的mac地址)。因此，仅须比较：是否从当前的无线电频谱在周围环境地图中输入了足够数量的无线电签名。在uid的情况下，单个已知的签名可能已经足够。通常可以通过无线电频谱快速明确地化解
在本发明的方法中，对基于无线电的基础设施的品质和覆盖的要求很低。因此，通常使用已经存在的无线基础设施通常就足够。因此，至少一个定位系统可以保持几乎无基础设施。此外，至少一个定位系统可以在基于无线电的系统失效的情况下继续工作。在频谱发生变化时，也同样能够继续对地图进行更新。
在此，无线电发送器或通信单元的位置可能是未知的，从而也可以考虑将附近的外部通信单元用作附加的信息源。
通过根据本发明的方法，在通过至少一个定位系统的制图期间，可以在经制图的或未经制图的区域之间做出稳健判断，从而能够实现稳健的且不易出错的地图更新和地图生成。
根据该方法的一种实施例，由至少一个移动的定位系统或至少一个静态的定位系统以电磁射束扫描周围环境。因此，至少一个定位系统可以是具有传感装置和内部控制设备的移动车辆。替代地或附加地，至少一个定位系统可以静态地构型或者与静态的外部控制单元保持数据传导的通信连接。因此，可以将移动地收集的周围环境数据和至少一个通信单元的数据加载到外部控制单元上，并且在那里在充分利用更高的功率储备的情况下对所述数据进行处理和提供。
根据该方法的另一实施例，在内部的或外部的控制单元中，通过经过滤的周围环境数据至少局部地对已经产生的周围环境地图进行更新。基于所求取的周围环境数据，可以执行对变化的周围环境的更新。为了更新周围环境地图，可以考虑使用所求取的已经通过无线通信单元的信息所验证的位置假设。由此，可以本地地唯一明确地分配周围环境数据。
根据该方法的另一实施例，由外部的或内部的控制单元通过经过滤的周围环境数据生成至少一个周围环境地图区段。经验证的周围环境数据可以具有唯一明确的本地分配，从而由此可以在技术上容易地检查：所求取的周围环境数据被归类在已经已知的且经制图的周围环境内，还是表示新的未经制图的周围环境。例如在无线通信单元仍未知的情况下就是可以是这种情况。
根据该方法的另一实施例，根据周围环境的所求取的周围环境数据，通过内部的或外部的控制单元确定至少一个定位系统在周围环境地图内的位置。优选地，通过借助电磁射束扫描周围环境来求取周围环境数据。通过比较所求取的周围环境区段，可以借助与已经生成的环境地图的插值或叠加来实施位置估算或唯一明确的定位。
根据该方法的另一实施例，通过将经过滤的周围环境数据与所产生的或更新的周围环境地图进行比较来确定至少一个定位系统的位置。优选地，通过将所求取的周围环境数据与周围环境地图的轮廓和特征进行比较来将相应的位置分配给所求取的周围环境数据。因此，可以求取具有最佳一致性的区域，其中，通过获悉(hinzuziehen)静态无线通信单元的位置和特征来过滤或排除模糊性。
根据该方法的另一实施例，为了生成或更新周围环境地图，并且为了求取至少一个定位系统在周围环境地图内的位置，由定位系统使用受至少一个无线通信单元的数据支持的slam算法。通过所求取的数据和关于至少一个无线通信单元的信息，可以在实施slam方法时稳健且快速地避免或至少降低模糊性。
根据该方法的另一实施例，使用至少一个无线通信单元的数据来过滤slam算法的位置假设。在定位系统的制图过程期间，除了周围环境数据以外，还必须记录每个位置处的所有可用信息。这至少可以是签名、可选地还可以是接收强度、传播时间和接收角度。所求取的周围环境数据存储在哪个网格中取决于所基于的技术。优选地，各个网格点之间的信息仅略微变化。对于wlan网络而言，这例如在点的距离为约2m的情况下满足。可将网格点之间的位置以在经制图的签名方面分配给最接近的网格点，或者可以借助插值从相邻点重构其签名。
与基于无线电的定位算法不同，本发明的方法不需要特定的最少量信息，而是可以在每个位置处容易地记录所有可用的数据和信息。因为通过定位系统已经可以预给定准确的位置假设，所以任何附加的信息都会导致至少降低、(在最佳情况下)化解剩余的模糊性。因此，例如不需要最小数量的wlan热点。
附加地，可以实现如下的更进一步的系统：该系统可以重构发送器的位置和作用距离，并且因此可以使用并行的无线电slam方法。因此不再需要进行网格化，从而可以由位置和给定的地点就地求取所需信息。
根据本发明的方法借助部分信息或不良信号就已经可以工作。这些不利的边界条件例如可能导致纯粹基于无线电的定位方法失败，因为已经存在关于定位系统的精确的位置假设，所以对其质量或完整性没有高要求的信息已经足以用于消除模糊性。
根据该方法的另一实施例，由内部的或外部的控制单元使用至少一个无线通信单元的数据来生成或更新至少一个无线通信单元的位置相关的签名地图。此外，能够实现在频谱变化时更新地图。由此，可以生成或更新与周围环境地图并行记录的另一地图，所述地图具有周围环境地图内的无线通信单元的信息和频谱。
在此，定位系统通常可以被动地使用基于无线电的传输技术，因为该定位系统仅记录或扫描无线通信单元的签名。因此，还可以使用对于安全重要相关和受保护的无线网络来执行该方法。
根据该方法的另一实施例，所述至少一个无线通信单元的数据具有：辨识信息、至少一个通信单元的信号强度、至少一个定位系统与至少一个无线通信单元之间的接收角、至少一个定位系统与至少一个无线通信单元之间的信号的传播时间和/或多个无线通信单元之间的叠加组合
替代地或附加地，不仅可以使用签名，而且可以考虑使用基于无线电的传输技术的其他特性，以便能够估算出其他的几何参数。另一可能的变型方案例如可以是距离信息，该距离信息可以通过信号的(例如在握手过程时)能够测量的传播时间实现。在定位系统的多个稍微不同地定位的接收器或天线单元中，可以使用相应传播时间的区别来求取无线通信单元的发送角或接收角。由此，能够实现至少一个无线通信单元的唯一明确的定位。不同的变型方案和信息也可以彼此任意组合地使用。由此，可以执行大致的位置确定。可以使用这种大致的或粗略的位置确定来对所求取的周围环境数据进行可信度检验。
根据本发明的另一方面，提供一种用于执行根据本发明的方法的定位系统。该定位系统具有至少一个射束源，所述射束源用于产生用于扫描该定位系统的周围环境的电磁射束。此外，该定位系统具有至少一个接收单元和至少一个天线单元，该至少一个接收单元用于接收由周围环境反射的射束，该至少一个天线单元用于收集至少一个外部无线通信单元的信息。内部控制单元用于控制至少一个发送单元并且用于存储和分析处理至少一个接收单元的以及至少一个天线单元的数据。
优选地，定位系统可以具有用于测量距离数据的至少一个传感器、计算单元或控制单元以及包含周围环境的地图的存储器。该定位系统可以安装在移动平台上——例如叉车、牵引车、前移式叉车、电子管家、护理机器人或类似设备。附加地，定位系统具有用于测量无线电频谱的接收单元或天线单元。因此，可以在周围环境中测量静态无线电发送器的无线发射的信息。
根据一种实施例，定位系统具有带有外部控制单元的外部服务器单元，其中，所收集的数据能够通过通信连接从内部控制单元传输到外部控制单元。外部控制单元例如可以是云或中央服务器，该云或中央服务器可以提供当前的地图并且收集和分析处理不同的移动的或静态的定位系统的所求取的周围环境数据。
附图说明
以下根据高度简化的示意图进一步阐述本发明的优选的实施例。在此示出：
图1示出根据本发明的一种实施方式的定位系统的示意图；
图2示出根据本发明的一种实施方式的定位系统的周围环境；
图3示出根据本发明的一种实施方式的方法的示意性流程图。
在附图中，相同的结构元件分别具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出根据本发明的一种实施方式的定位系统1的示意图。在此，定位系统1构型成移动单元2，该移动单元借助电磁射束4扫描周围环境并且因此例如可以识别对象或周围环境轮廓6。为了发送电磁射束4，移动单元2具有发送设备8。在此，发送单元8构型成红外激光器。在周围环境轮廓6处反射的射束可以由接收单元10接收并且被转换成周围环境数据，该周围环境数据可以由内部控制单元12存储和分析处理。
移动单元2具有天线单元14，该天线单元可以辨识本地的无线通信单元16并且根据该实施例可以测量该通信单元的信号强度。替代地，可以使用另一网络信息(例如ssid)来辨识本地的无线通信单元16。此外，可以通过天线单元14求取网络信息(例如无线通信单元16的ssid)，并且例如可以使用所述网络信息来通过内部控制单元12执行slam方法。
内部控制单元12与通信设备18连接，通过该通信设备可以建立至外部控制单元22的数据传导的通信连接20。外部控制单元22可以接收并且分析处理多个移动单元2的周围环境数据。外部控制单元22例如可以是云或服务器。
在图2中示出根据本发明的一种实施方式的具有定位系统1或移动单元2的周围环境u。示出具有3个大厅平面图a-c的虚构生产车间u。大厅a和b是已经制图的。大厅c目前是未经制图的并且因此是未知的。
此外，构型成无线电发送装置s1-s4的四个无线通信单元16处于具有可区分签名的周围环境u中。作用距离示意性地作为围绕相应发送装置s1-s4的圆示出。此外，示出移动单元2的不同位置p1-p4，在这些位置处，以360°的水平扫描范围执行对直接面对的周围环境的扫描。
在附图左侧，在位置p1处示出示例性地点状执行的激光扫描。通过与内部控制单元12中的周围环境地图进行比较，可以考虑可能的地点或位置p1、p2和p3。在未经制图的区域c中也存在可能的位置p4，该可能的位置将具有相应的激光扫描。
在此，移动单元2可以求取不同的无线电频谱并且由此化解这种模糊性。如果移动单元2接收到通信单元s1的签名，则该移动单元必定停留在位置p2处，或者所求取的激光扫描作为周围环境数据必定分配给位置p2。
如果测量到通信单元s2的签名，则这是未知的签名，从而移动单元2处于未经制图的区域c中。
因此，可以将通信单元s3的能够测量的签名分配给移动单元2的可能的位置p1或p3或所求取的周围环境数据。在此，可以估算出至通信单元s3的距离，以便能够化解位置p1和p3之间的模糊性。这尤其可以通过由天线单元14的信号强度测量来实现。在位置p1处，预期比在位置p3处的信号强度更高。
在接收到通信单元s4的签名时，可以给所求取的激光扫描分配位置p3或p2。在此，可以使用位置与通信单元s4之间的角度相关性来化解模糊性。替代地或附加地，可以获悉其他通信单元s1和s3的能够测量的签名的组合。因此，可以利用不同通信单元16的签名是否存在来对位置p1-p4进行可信度检验。由此，即使在不存在通信单元的情况下也可以执行该方法，因为由于建筑物的干扰(例如干涉)或故障，各个发送装置在任何时候都有可能暂时地未被接收到。在此，相应通信单元s1-s4的位置可能是未知的。在此，可能仅已知相应位置处或最近网格点处的签名，所述签名在制图过程期间已经被观察到。
图3示出根据本发明的一种实施方式的方法24的示意性流程图。在第一步骤25中，定位系统1在初始化之后被启动。在此，借助天线单元14求取当前所处位置p1-p4处的当前的无线电频谱。
在另一步骤26中，根据无线电频谱检查：定位系统1处于已知的或经制图的区域内，还是无线电频谱内不存在已知签名并且人处于未知的(即未经制图的)区域内。在最简单的情况下对于所述判断足够的是：在无线电频谱中预先找到单个的能够唯一明确地辨识的签名，该签名同样被记录在地图中。相反，如果后者不是这种情况，则定位系统1不可用并且重新跳转到第一步骤25。如果定位系统1由之前的测量已经知道其位置，则可以跳过步骤25、26。
在另一步骤27中，通过扫描周围环境求取周围环境数据。
接下来，将激光扫描或周围环境数据与周围环境地图进行比较28。在此，可选地，也可以执行对之前进行的测量的考虑和融合以及对位置假设的最终返回(rückgabe)。
也可以与步骤27和28并行地执行步骤25和26。
在另一步骤29中，如果存在，则可以借助所求取的无线电频谱来化解位置假设内的模糊性。如果已经求取到位置的单个唯一明确的假设，则可以省去步骤29。
最迟在该步骤29之后，定位系统1可以将其状态传递给上级系统或外部控制单元22。在此，状态可以是位置、包括其品质(如果无法化解模糊性)的多个位置的列表。
如果能够在之前的步骤25至29中唯一明确地并且以足够的品质求取到位置，则可以在另一步骤30中检查：激光扫描的周围环境数据是否包含通过周围环境地图引申出的其他信息。如果这种情况成立，则可以考虑使用这些改变来更新周围环境地图。在此，可以将周围环境地图存储在内部控制单元12上或存储在中央的或外部的云22中或服务器22中。
在另一步骤31中，类似于步骤30，可以更新无线电频谱的测量数据。优选地，与第一步骤25相结合地执行步骤31。
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