專利名稱：用于移動機(jī)器人位置識別的地圖的生成及更新方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于移動機(jī)器人定位的構(gòu)建和更新地圖的方法，更具體地，涉及能夠隨機(jī)檢查、然后登記在構(gòu)建地圖時提取的地標(biāo)并且在更新地圖時分析預(yù)登記地標(biāo)的精確度以控制或刪除級別的移動機(jī)器人定位用地圖的構(gòu)建和更新方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，設(shè)定其自身的路徑并沿著設(shè)定路徑移動的移動機(jī)器人的使用越來越多。典型的移動機(jī)器人可包括清潔室內(nèi)和建筑物的清潔機(jī)器人、導(dǎo)引定位的導(dǎo)引機(jī)器人等。具體地，清潔機(jī)器人在移動時使用其中設(shè)置的真空清潔單元清潔室內(nèi)地板，其包括各種傳感器和航向單元。當(dāng)前，各種類型的清潔機(jī)器人已經(jīng)商業(yè)化。 為了使移動機(jī)器人有效判定其在空間中的位置并向預(yù)定位置移動，有必要為移動機(jī)器人在其中移動的空間構(gòu)建地圖，以允許移動機(jī)器人識別自身在該空間中的位置。允許移動機(jī)器人識別其自身相對于周圍空間的位置并構(gòu)建地圖稱為同步定位與地圖構(gòu)建(SLAM)。在SLAM機(jī)制中，基于圖像的SLAM使用從圖像中提取的視覺特征為周圍環(huán)境構(gòu)建地圖，并估計機(jī)器人的姿勢。通常，通過使用驅(qū)動電機(jī)內(nèi)設(shè)置的陀螺儀和編碼器，移動機(jī)器人基于航位推測法前行，并使用安裝在其頂部的攝像頭分析圖像，構(gòu)建地圖。在這種情況下，當(dāng)陀螺儀和編碼器的量距(odometry)出現(xiàn)誤差時，使用攝像頭獲取的圖像信息校正累積誤差。已經(jīng)提出了多種用于控制移動機(jī)器人航向的方法和使用這些方法的移動機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)，但是并未解決以下問題。作為從圖像提取的特征的描述符，已使用了多種類型的描述符。然而，有ー個問題，即當(dāng)亮度發(fā)生極大變化或圖像發(fā)生極大變化吋，這些類型未顯示出魯棒性。此外，尚未提出這樣的適應(yīng)性航向控制機(jī)制該機(jī)制能應(yīng)對輸入圖像無法使用或控制移動機(jī)器人航向中發(fā)生移動機(jī)器人航向控制誤差的情況。此外，即便特征彼此不同，但在特征匹配中將不同特征錯誤地識別為相同特征的問題還是經(jīng)常發(fā)生。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明提供了一種用于構(gòu)建移動機(jī)器人地圖的方法，該方法能夠僅登記具有高度可靠性的地標(biāo)，在該方法中，在構(gòu)建地圖而登記地標(biāo)時，通過將從圖像中提取的地標(biāo)和預(yù)測地標(biāo)進(jìn)行比較而獲得的比較誤差在容許范圍。本發(fā)明提供了ー種更新移動機(jī)器人地圖的方法，該方法能在更新地圖時檢測與預(yù)登記地標(biāo)對應(yīng)的地標(biāo)以進(jìn)行概率匹配，根據(jù)匹配程度控制預(yù)登記地標(biāo)的質(zhì)量，并且消除錯誤登記的地標(biāo)。技術(shù)方案
本發(fā)明的ー個不意性實施方式，提供一種用于移動機(jī)器人定位的地圖的構(gòu)建方法，包括從移動機(jī)器人在第一位置獲取的第一圖像檢測和臨時登記地標(biāo)；從移動機(jī)器人在第二位置獲取的第二圖像提取相應(yīng)的地標(biāo)；基于移動信息和臨時登記的地標(biāo)信息從第二圖像估計臨時登記的地標(biāo)；以及如果通過計算臨時登記的地標(biāo)和估計的地標(biāo)之間的匹配誤差判定匹配誤差處于預(yù)定的基準(zhǔn)誤差范圍內(nèi)，則主要登記臨時登記的地標(biāo)。在主要登記臨時登記的地標(biāo)時，當(dāng)匹配誤差超過預(yù)定基準(zhǔn)誤差范圍時，可以確定第一圖像不是天花板圖像，并舍棄臨時登記的地標(biāo)。第一和第二圖像可包括移動機(jī)器人的航向目標(biāo)區(qū)的天花板圖像，并且天花板圖像可包括多個特征。 地標(biāo)的臨時登記可包括將第一圖像分為多個子圖像并通過計算多個子圖像中亮度變化的大小和亮度變化的相位檢測特征；以及搜索亮度變化和亮度變化的相位的大小為從各個子圖像檢測出的多個特征中最大的特征，將這些特征設(shè)為臨時登記的地標(biāo)。亮度變化的大小可通過求各個子圖像的水平亮度變化和垂直亮度變化之和的平方根獲得。亮度變化的相位可通過求各個子圖像的垂直亮度變化與水平亮度變化之比的反正切函數(shù)獲得。第一和第二圖像可包括多個相同地標(biāo)。本發(fā)明的另ー個示意性實施方式提供ー種更新用于移動機(jī)器人定位的地圖的方法，包括a)通過在第一位置獲取第一圖像來提取和登記地標(biāo)；b)通過在第二位置獲取第ニ圖像并使用位置信息(location information，定位信息)預(yù)測登記的地標(biāo)來檢測與登記的地標(biāo)對應(yīng)的地標(biāo)；c)檢測與檢測出的地標(biāo)對應(yīng)的登記的地標(biāo)的質(zhì)量；以及d)使用概率函數(shù)計算檢測出的地標(biāo)和預(yù)測出的地標(biāo)之間的匹配概率，根據(jù)匹配概率和登記的地標(biāo)的質(zhì)量而不同地更新登記的地標(biāo)。在步驟d)中，當(dāng)匹配概率小于第一基準(zhǔn)概率時，可以舍棄檢測出的地標(biāo)。在步驟c)中，當(dāng)?shù)怯浀牡貥?biāo)的質(zhì)量低于基準(zhǔn)質(zhì)量時，可以通過判定登記的地標(biāo)是由假正值匹配(false-positive match，假陽性匹配)登記而刪除登記的地標(biāo)。在步驟d)中，當(dāng)?shù)怯浀牡貥?biāo)的質(zhì)量高于基準(zhǔn)質(zhì)量，可舍棄檢測出的地標(biāo)，并且可以不將檢測出的地標(biāo)反映到登記的地標(biāo)的更新。在步驟d)中，當(dāng)匹配概率高于第一基準(zhǔn)概率并且低于第二基準(zhǔn)概率時，如果判定登記的地標(biāo)的質(zhì)量低于基準(zhǔn)質(zhì)量，則可舍棄檢測出的地標(biāo)。在步驟d)中，當(dāng)匹配概率高于第一基準(zhǔn)概率并且低于第二基準(zhǔn)概率時，如果判定登記的地標(biāo)的質(zhì)量高于基準(zhǔn)質(zhì)量，則可接受(accommodate)檢測出的地標(biāo)。在步驟d)中，登記的地標(biāo)的質(zhì)量等級可以比當(dāng)前等級低ー個等級。在步驟d)中，當(dāng)匹配概率高于第三基準(zhǔn)概率時，檢測出的地標(biāo)可被接受。在步驟d)中，登記的地標(biāo)的質(zhì)量等級可以比當(dāng)前等級高ー個等級。在步驟d)中，可以基于檢測出的地標(biāo)和預(yù)測出的地標(biāo)，更新登記的地標(biāo)，移動機(jī)器人的定位可校正。登記的地標(biāo)的質(zhì)量可通過檢測頻率、檢測誤差歷史以及地標(biāo)檢測精度中的任何一個進(jìn)行確定。
定位信息可包括移動機(jī)器人的航向距離、航向方向、航向時間、轉(zhuǎn)動角度以及轉(zhuǎn)動頻率。登記的地標(biāo)可以是通過構(gòu)建移動機(jī)器人定位用地圖的方法登記的地標(biāo)。有益效果
本發(fā)明的示意性實施方式在將檢測出的地標(biāo)登記之前確認(rèn)檢測出的地標(biāo)的可靠性，然后在登記地標(biāo)用于構(gòu)建地圖時將檢測出的地標(biāo)登記為地標(biāo)，由此僅登記具有高度可靠性的地標(biāo)。此外，本發(fā)明的示意性實施方式能夠控制預(yù)登記地標(biāo)的質(zhì)量，提高其可靠性，并且通過在更新地圖時檢測與預(yù)登記地標(biāo)對應(yīng)的地標(biāo)并對其執(zhí)行概率匹配來消除錯誤登記的地標(biāo)。


圖I是示出應(yīng)用本發(fā)明示意性實施方式的移動機(jī)器人的配置的示圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明示意性實施方式的構(gòu)建和更新移動機(jī)器人定位用地圖的方法的流程圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明示意性實施方式的構(gòu)建移動機(jī)器人定位用地圖的方法的詳細(xì)流程圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明示意性實施方式的更新移動機(jī)器人定位用地圖的方法的詳細(xì)流程圖。圖5是示出根據(jù)本發(fā)明示意性實施方式的生成局部定向描述符的過程的示圖。圖6是示出計算圖像梯度的窗ロ的示圖。圖7A是示出圖像塊(image patch)實例的示圖，圖7B是示出圖像塊子區(qū)域上局部定向信息的實例的示圖。圖8是示出根據(jù)本發(fā)明示意性實施方式提取特征并生成標(biāo)識符的過程的流程圖。圖9是示出根據(jù)本發(fā)明示意性實施方式的航向控制方法的流程圖。
具體實施例方式以下參考附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的示意性實施方式。首先，應(yīng)該注意的是，在對附圖的各個元件給出的參考標(biāo)號中，即使相同元件在不同附圖中示出，相同的元件也用相同的參考標(biāo)號表示。描述本發(fā)明時，將不會詳述公知的功能或結(jié)構(gòu)，因為它們可能會不恰當(dāng)?shù)赜绊憣Ρ景l(fā)明的理解。圖I是示出應(yīng)用本發(fā)明示意性實施方式的移動機(jī)器人的配置的示圖。ー種根據(jù)本發(fā)明示意性實施方式的移動機(jī)器人100可配置為包括獲取圖像的圖像獲取單元110 ;處理圖像獲取單元110獲取的圖像、從圖像提取特征并生成特征的描述符的圖像處理單元120 ;傳感器單元140，感應(yīng)移動機(jī)器人100的移動定向信息、移動距離等；主控單元130，基于獲取的圖像構(gòu)建移動機(jī)器人移動空間的地圖，并且基干與從獲取圖像提取的特征以及從傳感器単元140獲取的量距有關(guān)的信息控制移動機(jī)器人的操作；以及機(jī)器人驅(qū)動器140，根據(jù)主控単元130的控制來驅(qū)動機(jī)器人。圖像獲取単元110是獲取移動機(jī)器人所在的周圍環(huán)境的圖像的裝置，可配置為包括圖像傳感器，例如電荷耦合器件(CCD)、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)等。在本發(fā)明的示意性實施方式中，圖像獲取単元110優(yōu)選為向上布置，以獲取天花板圖像。更優(yōu)選地，圖像獲取單元110可包括廣角鏡頭諸如魚眼鏡頭等，以獲取寬幅天花板圖像。圖像處理單元120可配置為包括圖像失真校正器121、圖像質(zhì)量檢測器122、特征提取器123以及描述符生成器124。圖像失真校正器121用于校正由圖像獲取単元110獲取的圖像的失真。當(dāng)圖像獲取單元110包括魚眼鏡頭或廣角鏡頭吋，圖像獲取單元110獲取的圖像包括徑向畸變。因此，圖像獲取単元110使用預(yù)先獲取的攝像機(jī)參數(shù)去除圖像的失真。
圖像質(zhì)量檢測器122用于確定所獲取的圖像的可用性。當(dāng)直接光線照射到圖像獲取単元110或圖像獲取単元110被諸如桌子的障礙物遮住時，通過圖像獲取單元110獲取的圖像可能不適于移動機(jī)器人定位。因此，圖像質(zhì)量檢測器122檢查獲取的圖像，當(dāng)獲取的圖像不適當(dāng)時，用于排除不適當(dāng)?shù)膱D像。例如，當(dāng)所獲取的圖像的亮度太高或太低，圖像質(zhì)量檢測器122可以基于所獲取的圖像的亮度把所獲取的圖像處理為不適當(dāng)圖像。當(dāng)獲取的圖像被排除時，主控單元130可基于陀螺儀141或編碼器142獲取的航向記錄信息控制移動機(jī)器人100的移動。在比較兩個圖像之間的立體匹配時，圖像之間的差別用d表示，焦距用F表示，從眼睛到圖像的距離用z表示，移動機(jī)器人實際的移動距離用r表示，它們之間的關(guān)系由以下等式I表示。[等式I]
ICl = r * I圖像質(zhì)量檢測器122檢測圖像獲取單元110獲取的圖像亮度的變化作為附加函數(shù)，由此檢測到移動機(jī)器人100在障礙物如桌子下移動。例如，圖像質(zhì)量檢測器通過使用所獲取的圖像的平均亮度和離散(dispersion)來檢測移動機(jī)器人100的圖像獲取單元110被障礙物遮擋。當(dāng)移動機(jī)器人100進(jìn)入桌子底部，圖像幀的平均亮度逐漸降低，由此亮度離散值増加或減少。一種減少計算的方法可通過使用各個區(qū)的亮度平均值獲得的整個圖像的平均和離散來確定移動機(jī)器人100是否被遮擋，所述區(qū)可基于移動機(jī)器人100的航向方向四等分由圖像獲取単元110獲取的圖像而分割獲得。當(dāng)圖像獲取単元110被障礙物遮擋時，不能基于圖像控制移動機(jī)器人110的定位。因此，主控單元130基于諸如陀螺儀的慣性傳感器44和編碼器142的信息控制移動機(jī)器人100的移動。特征提取器123從由圖像獲取單元110獲取的空間的圖像提取特征。特征的實例可包括天花板的角點、安裝在天花板上的燈或者空間的門等。然而，為了使用燈或門提取特征，可能増加計算，因此天花板的角點部分優(yōu)選用作特征。然而，在本發(fā)明的示意性實施方式中，從特征提取器123提取的特征不限于角點，但上述幾個特征和空間中存在的不同目標(biāo)均可用作特征。用于提取角點作為特征的機(jī)制將在下文中進(jìn)行描述。角點提取機(jī)制的實例可包括哈里斯角點檢測法。Chris Harris和Mike Stephens已經(jīng)在 “A Combined Corner and Edge Detector (Proceedings of The Fourth AlveyVision Conference, Manchester, pp 147-151. 1988)” 中提出了一種從圖像提取角點的方法。哈里斯提出的方法或類似方法基于以下事實圖像中沿邊緣的偏移(shift)具有微小的差別，但在垂直于該邊緣的方向上的偏移產(chǎn)生很大的差別，并且所有方向的偏移使得在角點有很大的差別。當(dāng)圖像強(qiáng)度由I表示而圖像中因為偏移X和y導(dǎo)致的變化由E表示吋，E可通過以下等式2表示。[等式2]
權(quán)利要求
1.一種構(gòu)建用于移動機(jī)器人定位的地圖的方法，包括 從移動機(jī)器人在第一位置獲取的第一圖像檢測并臨時登記地標(biāo)； 提取移動機(jī)器人在第二位置獲取的第二圖像的相應(yīng)地標(biāo)； 基于移動信息和臨時登記的地標(biāo)信息從第二圖像估計所述臨時登記的地標(biāo)；以及 如果通過計算所述臨時登記的地標(biāo)和估計的地標(biāo)之間的匹配誤差而判定匹配誤差處于預(yù)定的基準(zhǔn)誤差范圍內(nèi)，則主要登記所述臨時登記的地標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，在主要登記所述臨時登記的地標(biāo)時，當(dāng)所述匹配誤差超過所述預(yù)定基準(zhǔn)誤差范圍時，確定所述第一圖像不是天花板圖像，并舍棄所述臨時登記的地標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其中，所述第一圖像和所述第二圖像包括所述移動機(jī)器人的航向目標(biāo)區(qū)的天花板圖像，并且所述天花板圖像包括多個特征。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其中，地標(biāo)的臨時登記包括 將所述第一圖像分為多個子圖像，并通過計算所述多個子圖像中亮度變化的大小和亮度變化的相位來檢測特征；以及 捜索所述亮度變化和所述亮度變化的相位的大小在從各個子圖像檢測出的多個特征中最大的特征，將這些特征設(shè)為所述臨時登記的地標(biāo)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述亮度變化的大小可通過求各個子圖像的水平亮度變化和垂直亮度變化之和的平方根獲得。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述亮度變化的相位可通過求各個子圖像的垂直亮度變化和水平亮度變化之比的反正切函數(shù)獲得。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述第一圖像和所述第二圖像包括多個相同的地標(biāo)。
8.ー種更新用于移動機(jī)器人定位的地圖的方法，包括 a)通過在第一位置獲取第一圖像來提取和登記地標(biāo)； b)通過在第二位置獲取第二圖像并使用位置信息預(yù)測登記的地標(biāo)來檢測與登記的地標(biāo)相應(yīng)的地標(biāo)； c)檢測與檢測出的地標(biāo)相應(yīng)的所述登記的地標(biāo)的質(zhì)量；以及 d)使用概率函數(shù)計算所述檢測出的地標(biāo)和預(yù)測出的地標(biāo)之間的匹配概率，并且根據(jù)所述匹配概率和所述登記的地標(biāo)的質(zhì)量而不同地更新所述登記地標(biāo)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，在步驟d)中，當(dāng)所述匹配概率小于第一基準(zhǔn)概率時，舍棄所述檢測出的地標(biāo)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，在步驟c)中，當(dāng)所述登記的地標(biāo)的質(zhì)量低于基準(zhǔn)質(zhì)量時，通過判定所述登記的地標(biāo)由假正值匹配登記來刪除所述登記的地標(biāo)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，在步驟d)中，當(dāng)所述登記的地標(biāo)的質(zhì)量高于基準(zhǔn)質(zhì)量時，舍棄所述檢測出的地標(biāo)，所述檢測出的地標(biāo)不反映到所述登記的地標(biāo)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，在步驟d)中，當(dāng)所述匹配概率高于第一基準(zhǔn)概率并且低于第二基準(zhǔn)概率吋，如果判定所述登記的地標(biāo)的質(zhì)量低于基準(zhǔn)質(zhì)量，則舍棄所述檢測出的地標(biāo)。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，在步驟d)中，當(dāng)所述匹配概率高于第一基準(zhǔn)概率并且低于第二基準(zhǔn)概率吋，如果判定所述登記的地標(biāo)的質(zhì)量高于所述基準(zhǔn)質(zhì)量，則接受所述檢測出的地標(biāo)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11到13中任一項所述的方法，其中，在步驟d)中，所述登記的地標(biāo)的質(zhì)量等級比當(dāng)前等級低ー個等級。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，在步驟d)中，當(dāng)所述匹配概率高于第三基準(zhǔn)概率時，接受所述檢測出的地標(biāo)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，在步驟d)中，所述登記的地標(biāo)的質(zhì)量等級比當(dāng)如等級聞一個等級。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的方法，其中，在步驟d)中，基于所述檢測出的地標(biāo)和所述預(yù)測出的地標(biāo)，更新所述登記的地標(biāo)并校正移動機(jī)器人的位置。
18.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述登記的地標(biāo)的質(zhì)量通過檢測頻率、檢測誤差的歷史以及地標(biāo)檢測精度中的至少ー個進(jìn)行判定。
19.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述位置信息包括所述移動機(jī)器人的航向距離、航向方向、航向時間、轉(zhuǎn)動角度以及轉(zhuǎn)動頻率。
20.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述登記的地標(biāo)為通過權(quán)利要求I到7中任一項所述的構(gòu)建地圖的方法登記的地標(biāo)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于移動機(jī)器人位置識別的地圖生成及更新方法，更具體地，涉及用于移動機(jī)器人位置識別的地圖生成及更新方法，其中，通過登記地圖生成過程中提取的地標(biāo)和基于推斷地標(biāo)中的概率誤差而提取的地標(biāo)、計算地圖生成過程中預(yù)登記地標(biāo)的精確度、以及調(diào)整低精確度地標(biāo)的等級或移除錯誤登記的地標(biāo)，能夠減少識別誤差。
文檔編號G05D1/02GK102656532SQ200980162271
公開日2012年9月5日 申請日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者樸性州, 李在榮, 李羲公, 申慶澈, 詹姆斯·斯托尼爾·丹尼爾, 金炯午 申請人:悠進(jìn)機(jī)器人股份公司