DE112005000738T5

DE112005000738T5 - Verfahren und Vorrichtung zur Positionsbestimmung unter Verwendung von reflektierten Lichtquellen

Info

Publication number: DE112005000738T5
Application number: DE112005000738T
Authority: DE
Inventors: Enrico Glendora Dibernardo; Paolo Glendale Pirjanian
Original assignee: Evolution Robotics Inc
Current assignee: iRobot Corp
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2007-04-26
Also published as: US20120022785A1; US8780342B2; WO2005098476A1; US7996097B2; US20130245937A1; JP2007530978A; US20140268179A1; US20050213082A1; US8295955B2; US9360300B2; US7720554B2; US20100228421A1

Abstract

Positionsbestimmungssystem zum Bestimmen einer Position eines Gegenstands, wobei das System umfasst:
eine oder mehrere Lichtquellen zum Projizieren von mindestens einem Lichtpunkt auf eine Oberfläche;
einen an dem Gegenstand befestigten Detektor zum Detektieren des mindestens einen Lichtpunkts, worin der mindestens eine Lichtpunkt von der einen oder den mehreren Lichtquellen reflektiertes Licht umfasst; und
eine Datenverarbeitungseinheit zum Bestimmen der Position des Gegenstands basierend auf der Positionierung des mindestens einen Lichtpunkts.

Description

Verwandte Anmeldung
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/557,252, eingereicht am 29. März 2004, die hiermit vollständig unter Bezugnahme aufgenommen ist.
Anlage A
Anlage A, die einen Teil dieser Offenbarung bildet, ist eine Liste von im gemeinsamen Besitz befindlichen, zusammen anhängenden US-Patentanmeldungen. Jede der zusammen anhängenden in Anlage A aufgeführten Anmeldungen ist hiermit vollständig unter Bezugnahme darauf eingeschlossen.
Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen die Bestimmung bzw. Berechnung bzw. Schätzung von Position und Orientierung eines Gegenstands in Bezug auf ein lokales oder ein globales Koordinatensystem. Insbesondere betrifft die Erfindung das Verfahren und die Vorrichtung, die ein Bestimmen und Verfolgen der Position und Orientierung bereitstellt. Das Verfahren und die Vorrichtung kann in Fahrzeugen, wie in ortsveränderlichen Robotern, verwendet werden.
Beschreibung des Stands der Technik
Positionsbestimmung ist eine interessante Thematik für eine große Vielfalt von Anwendungsgebieten, die sich erstrecken von autonomen, ortsveränderlichen Robotern, allgegenwärtigen rechnenden, ortsveränderlichen Einrichtungen, Verfolgen von Wirtschafts gütern, Verfolgen von Menschen, Positionsverfolgen von Kunden in einem Laden, Verfolgen von Haustieren, Position von Knoten in drahtlosen Ad-hoc-Netzwerken, Positionsverfolgen von Fahrzeugen und Positionsverfolgen von ortsveränderlichen Einrichtungen, wie Mobiltelefonen, Minicomputer, und dergleichen.
Roboter werden in der Gesellschaft mehr und mehr alltäglich. Es ist klar, dass diese Roboter in einer Vielzahl an Formen ausgeführt sein können, wie in automatischen Bodenbehandlungsprodukten, wie Staubsauger. Eine Vielzahl von Anwendungen kann für ortsveränderliche Roboter, wie, jedoch nicht begrenzt auf, Unterhaltungsanwendungen, wie Spielzeugroboter, Gesundheitsvorsorge-Anwendungen, wie Roboter in der Altenpflege, Patroullier- und Sicherheitsanwendungen, Telepräsenzroboter, Reinigungsanwendungen, wie Bodenreinigungsroboter, Gebrauchsanwendungen in Umgebungen, welche für Menschen unverträglich sind, wie der Weltraum, tiefes Wasser, kalte Temperatur, Strahlung, chemische Aussetzung, biologische Risiken etc., gefährliche Aufgaben, wie Entschärfen von möglichen Sprengstoffen, Handlung in begrenzten Räumen, wie eingestürzte Gebäude, und die Durchführung von untergeordneten Aufgaben, wie Reinigen. Ortsveränderliche Roboter, Roboter, welche sich von einer Positionierung bzw. Stelle zu einer andern bewegen können, verwenden oft Wissen über ihrer Position relativ zu ihrer Umgebung.
Lokalisierungstechniken beziehen sich auf Verfahren durch die ein Roboter seine Position und Orientierung relativ zu einem Bezugskoordinatensystem bestimmt. Das Bezugskoordinatensystem kann entweder lokal (beispielsweise relativ zu einem interessierenden Gegenstand) oder global sein. Positionsbestimmung kann umfassen ein Bestimmen von einer beliebigen Größe, welche sich auf mindestens einige von den sechs Freiheitsgraden eines Gegenstands von in drei Dimensionen (3-D) bezieht. Diese sechs Freiheitsgrade können als die (x, y, z)-Position des Gegenstands und seiner Rotationswinkel um jede Achse eines 3-D-Koordinatensystems beschrieben werden, dessen Winkel als α, β und θ gekennzeichnet sind und "Längsneigung (pitch)" beziehungsweise "Rollen (roll)" beziehungsweise "Gieren (yaw)" benannt sind. Eine derartige Positionsbestimmung kann für verschiedene Aufgaben und Anwendungen nützlich sein. So kann beispielsweise die Lagerung bzw. Peilung eines Roboters relativ zu einer Ladestation nützlich sein, um es dem Roboter zu ermöglichen die Ladestation anzusteuern und seine Batterien autonom aufzuladen. So kann die Bestimmung der Entfernung eines Haustiers von der Haustür verwendet werden den Besitzer vor einem möglichen Problem zu warnen. Für Innenraumumgebungen ist es typischerweise gewünscht die (x, y)-Position eines Gegenstands in einer zwei-dimensionalen (2-D) Bodenebene und seine Orientierung, θ, relativ zu einer zu der Bodenebene senkrechten Achse zu verfolgen. Das heißt, es kann praktisch sein anzunehmen, dass eine z-Koordinate des Roboters, sowie die Roll- und Längsneigungs-Winkel des Roboters, konstant sind. Die (x, y)-Position und die θ-Orientierung eines Gegenstands werden zusammen als die Lage (pose) des Gegenstands bezeichnet.
Zur Positionsbestimmung wurden zahlreiche Einrichtungen, Verfahren, Sensoren, Gerätschaften und Mechanismen vorgeschlagen. Diese Verfahren können in zwei Hauptkategorien eingeteilt werden. Eine Kategorie verwendet Lichtsignale in der Umgebung, um eine Positionsbestimmung zu ermöglichen, und die zweite Kategorie verwendet natürliche Landmarken in der Umgebung. Da das hier beschriebene Verfahren und die Vorrichtung in die erste Kategorie von auf Lichtsignal-basierender Positionsbestimmung oder Lokalisierung fallen, wird sich dieser Abschnitt auf Lichtsignal-basierende Lokalisierungsverfahren konzentrieren.
Lichtsignale sind künstliche Einrichtungen in der Umgebung, welche durch eine geeignete Abtast- bzw. Sensorvorrichtung erfasst werden können. Lichtsignale können passiv oder aktiv sein. Beispiele für passive Lichtsignale umfassen rückreflektierende Materialien. Durch ein Projizieren einer Lichtquelle auf ein rückreflektierendes Material kann man eine Signatur oder ein Signal erzeugen, welches leicht durch Verwendung eines oder mehrerer geeigneter optischer Sensoren detektiert werden kann. Durch Verwendung der Signatur oder des Signals kann der eine oder die mehreren Sensoren seine/ihre Position(en) relativ zu den Lichtsignalen und/oder relativ zu der Umgebung bestimmen.
Aktive optische Lichtsignale emittieren Licht, welches durch einen optischen Sensor detektiert werden kann. Der optische Sensor kann verschiedene Charakteristiken des emittierten Lichts erfassen, wie die Entfernung zu der Emissionsquelle (unter Verwendung der Flugzeit bzw. Laufzeit), die Lagerung der Emissionsquelle, die Signalstärke und dergleichen. Durch Verwendung derartiger Charakteristiken kann man die Position des Sensors durch Verwendung einer geeigneten Technik, wie Triangulation oder Trilateration, bestimmen. Diese Ansätze, welche aktive mit optischen Sensoren gepaarte optische Lichtsignale verwenden, sind durch eine Sichtlinie zwischen den Emissionsquellen und den Sensoren unvorteilhaft eingeschränkt. Ohne Sichtlinie kann ein Sensor die Emissionsquelle nicht detektieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Hier beschriebene Ausführungsformen betreffen Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung der Position und Orientierung einer Einrichtung, wie eines Roboters, relativ zu einem globalen oder lokalen Bezugssystem. Die hier beschriebene Vorrichtung umfasst einen optischen Sensor, eine optische Emissionsquelle und eine zugehörige Signalverarbeitungsschaltungsanordnung. Die Lagen der Sensoren sind üblicherweise nicht bekannt, und die hier beschriebenen Vorrichtungen und die Verfahren können verwendet werden die Lage von mindestens einem Sensor und die Position von einer Emissionsquellenprojektion auf eine Oberfläche zu erfassen oder zu bestimmen.
Eine übliche Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung umfasst Bestimmen und Verfolgen der Position eines ortsveränderlichen, autonomen Roboters. Andere Anwendungen umfassen Bestimmen und Verfolgen eines Gegenstands für positionswissende, allgegenwärtige Einrichtungen. Zusätzliche Anwendungen umfassen ein Verfolgen der Positionen von Menschen oder Haustieren in einer Innenraumumgebung. Die Verfahren und Vorrichtungen umfassen eine oder mehrere optische Emissionsquellen, einen oder mehrere optische Sensoren, eine Signalverarbeitungsschaltungsanordnung und Signalverarbeitungsverfahren, um die Position und Orientierung von mindestens einem der optischen Sensoren zu bestimmen mindestens zum Teil basierend auf der Detektion des Signals von einem oder mehreren emittierten Lichtquellen, welche von einer Oberfläche reflektiert werden.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
Diese und andere Eigenschaften der Erfindung werden jetzt unter Bezugnahme auf die nachstehend zusammengefassten Abbildungen beschrieben. Diese Abbildungen (nicht maßstabsgetreu) und die zugehörigen Beschreibungen sind bereitgestellt bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsformen zu zeigen und sollen den Umfang der Erfindung nicht begrenzen.
1 ist ein Blockdiagramm, welches eine Verwirklichung einer Vorrichtung zur Positionsbestimmung zeigt.
2 zeigt ein Beispiel einer Verwendung der Positionsbestimmungstechniken.
3 zeigt ein geometrisches Modell, welches zu einer Ausführungsform zugehörig ist.
Glossar von Begriffen
Lage (pose): Eine Lage ist eine Position und Orientierung im Raum. In drei Dimensionen kann sich Lage auf eine Position (x, y, z) und eine Orientierung (α, β, θ) in Bezug auf die Achsen des drei-dimensionalen Raums beziehen. In zwei Dimensionen kann sich Lage auf eine Position (x, y) in einer Ebene und eine Orientierung (θ) relativ zu der Normalen zu der Ebene beziehen.
Optischer Sensor: Ein optischer Sensor ist ein Sensor, der Licht zum Detektieren einer Bedingung verwendet und die Bedingung quantitativ beschreibt. Im Allgemeinen bezieht sich ein optischer Sensor auf einen Sensor, der eine oder mehrere physikalische Charakteristiken einer Lichtquelle erfassen kann. Derartige physikalische Charakteristiken können die Anzahl an Photonen, die Position des Lichts auf dem Sensor, die Farbe des Lichts und dergleichen umfassen.
Positionsempfindlicher Detektor: Ein positionsempfindlicher Detektor, auch bekannt als ein positionsfühlender Detektor bzw. PSD-Detektor oder ein PSD, ist ein optischer Sensor, der den Flächenschwerpunkt bzw. Schwerpunkt einer einfallenden Lichtquelle erfassen kann, üblicherweise in einer oder in zwei Dimensionen. So kann beispielsweise ein PSD einen einfallenden Lichtpunkt in relative fortlaufende Positionsdaten konvertieren.
Imager: Ein Imager betrifft einen optischen Sensor, welcher Licht auf einer aktiven Fläche des Sensors erfassen kann und optische Signale entlang mindestens einer Achse oder Dimension erfassen kann. So kann beispielsweise eine Photoanordnung als ein eindimensionaler Imager definiert werden, und ein zweiseitiger PSD kann als ein zweidimensionaler Imager definiert werden.
Kamera: Ein Kamera bezieht sich üblicherweise auf eine Einrichtung, welche einen oder mehrere Imager, eine oder mehrere Linsen und eine zugehörige Unterstützungsschaltungsanordnung umfasst. Wahlweise kann eine Kamera auch einen oder mehrere optische Filter und ein Gehäuse oder eine Ummantelung umfassen.
PSD-Kamera: Eine PSD-Kamera ist eine Kamera, welche einen PSD verwendet. Projektionsvorrichtung: Eine Projektionsvorrichtung bezieht sich auf eine Vorrichtung, welche Licht projiziert. Eine Projektionsvorrichtung umfasst eine Emissionsquelle, eine Stromquelle und eine zugehörige Unterstützungsschaltungsanordnung. Eine Projektionsvorrichtung kann einen oder mehrere Lichtpunkte auf eine Oberfläche projizieren.
Punkt: Ein Punkt betrifft eine Projektion von Licht auf eine Oberfläche. Ein Punkt kann einer gesamten Projektion entsprechen oder kann nur einem Teil von einer gesamten Projektion entsprechen.
Optischer Positionssensor: Ein optischer Positionssensor ist eine Einrichtung, welche eine oder mehrere Kameras, eine Signalverarbeitungseinheit, eine Stromversorgung und eine Unterstützungsschaltungsanordnung umfasst und seine Position, Entfernung, Winkel oder Lage relativ zu einem oder mehreren Punkten bestimmen kann.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Obwohl diese Verfahren und Vorrichtungen im Hinblick auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben werden, befinden sich andere dem Fachmann offensichtliche Ausführungsformen, umfassend Ausführungsformen, welche nicht all die hier dargelegten Vorteile und Eigenschaften bereitstellen, ebenfalls im Umfang der Erfindung.
Ausführungsformen verwenden vorteilhaft aktive optische Lichtsignale zur Positionsbestimmung. Die offenbarten Techniken minimieren oder verringern vorteilhaft die Sichtlinien-Begrenzung einer herkömmlichen auf aktiven optischen Lichtsignalen basierenden Lokalisierung durch Projektion der Lichtquellen auf eine Oberfläche, welche von einem relativ großen Bereich der Umgebung aus wahrnehmbar ist. Es ist klar, dass die Lichtquellen Quellen an Licht umfassen können, welche mit bloßem Auge nicht sichtbar sind, wie beispielsweise Infrarot (IR)-Quellen. So kann es beispielsweise in einer Innenraumumgebung vorteilhaft sein das von dem Lichtsignal emittierte Licht auf die Decke zu projizieren. In vielen Innenraumumgebungen ist die Decke eines Raums von den meisten Positionierungen in dem Raum wahrnehmbar.
Als eine Darstellung kann man eine Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung für einen autonomen, ortsveränderlichen Roboter, wie einen Saugroboter, in Betracht ziehen. Eine gebräuchliche Vorgehensweise zum Selbstandocken und Selbstaufladen ist es aktive Infrarot (IR)-Lichtsignale auf der Ladestation zu platzieren, welche der Roboter mit Photodetektoren abtasten kann, und die zugehörige sensorische Information zu verwenden die Dockingstation zu finden. Diese Vorgehensweise leidet an Sichtlinienbegrenzungen. Falls der Roboter und die Dockingstation keinen Sichtlinien-Abstand aufweisen, kann der Roboter seine Position relativ zu der Dockingstation nicht finden.
In einer Ausführungsform kann die IR-Emissionsquelle vorteilhaft in einer derartigen Weise platziert sein, dass sie auf die Decke über der Dockingstation projiziert, und ein Roboter kann einen Photodetektor aufweisen, welcher im Allgemeinen der Decke zugewandt ist oder die Decke beobachten kann. Der Roboter kann vorteilhaft die IR-Projektion auf der Decke beobachten, auch in der Abwesenheit eines Sichtlinien-Abstands zwischen dem Roboter und der Dockingstation. Der Roboter hat in relativ vielen Situationen eine Sichtlinien-Sicht auf die Decke, so dass der Roboter die IR-Projektion detektieren und sich zu der Dockingstation zum Selbstaufladen bewegen kann.
Das hier beschriebene Verfahren und die Vorrichtung umfassen zahlreiche Variationen, welche sich in der Art und der Anzahl an verwendeten aktiven Lichtsignalen unterscheiden, sich in der Art und Anzahl der zur Detektion des reflektierten Lichts verwendeten optischen Sensoren unterscheiden und sich in der Art der verwendeten Signalverarbeitung zum Bestimmen der Lage eine Gegenstands unterscheiden. Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung umfassen Systeme zur Bestimmung der Entfernung eines Gegenstands relativ zu einem anderen Gegenstand, Bestimmung der Lagerung eines Gegenstands relativ zu einem anderen Gegenstand, Bestimmung der (x, y)-Position eines Gegenstands in einer zweidimensionalen Ebene, Bestimmung der (x, y, z)-Position eines Gegenstands in einem dreidimensionalen Raum, Bestimmung der Position und Orientierung eines Gegenstands in zwei Dimensionen oder in drei Dimensionen, Bestimmung der linearen oder Winkel-Geschwindigkeit eines Gegenstands und Bestimmung der linearen oder Winkel-Beschleunigung eines Gegenstands.
Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung betreffen eine Bestimmung der Position und Orientierung einer Einrichtung, wie einen ortsveränderlichen Roboter, relativ zu einem globalen oder einem lokalen Koordinatensystem. Die Vorrichtung umfasst einen oder mehrere optische Sensoren, eine oder mehrere optische Emissionsquellen und eine Signalverarbeitungsschaltungsanordnung. Die anfängliche Position und Orientierungen der Sensoren kann unbekannt sein, und die Vorrichtungen und Verfahren können verwendet werden die Position und Orientierung von einem oder mehreren Sensoren und die Position der Emissionsquellenprojektionen auf eine Oberfläche zu erfassen oder zu bestimmen.
In einer Ausführungsform erfasst ein optischer Sensor die durch die optischen Emissionsquellen erzeugten optischen Signale, welche sich in dem Sichtfeld des Sensors befinden durch Erfassen des Lichts, welches auf eine Oberfläche projiziert ist. Im Gegensatz dazu erfordern in einem herkömmlichen System derartige optische Einrichtungen zur Erfassung von Entfernung und Position unvorteilhaft eine Sichtlinie zwischen der Emissionsquelle und dem Sensor. Hier beschriebene Ausführungsformen können vorteilhaft optische Signale detektieren, welche auf eine Oberfläche, wie eine Decke von einer Innenraumumgebung, projiziert sind. Die optischen Emissionsquellen können konfiguriert sein einen oder mehrere Lichtpunkte auf eine Oberfläche zu projizieren, welche durch einen Sensor von einem relativ großen Bereich der Umgebung aus wahrnehmbar ist. Der Sensor detektiert den Punkt und bestimmt die Sensorposition relativ zu dem Punkt. Der Sensor kann Größen, wie die Position des Punkts in dem Bezugssystem des Sensors und die Intensität des durch den Punkt erzeugten Signals erfassen, und kann jedem Punkt eine eindeutige Kennung bzw. Identifizierung zuordnen. Jeder) derartige Erfassung oder Satz an Erfassungen definiert eine Beziehung zwischen der Position des Sensors und der Position des Punkts. Unter Verwendung von mehreren derartiger Beziehungen, welche zwischen einem oder mehreren Sensoren und einem oder mehreren Punkten definiert sind, kann eine Signalverarbeitungsschaltungsanordnung die Lage von mindestens einem der Sensoren und wahlweise die Position von einem oder mehreren Punkten bestimmen.
Hier beschriebene Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung können in der Anzahl und Art an verwendeten Sensoren variieren, können in der Anzahl und Art an verwendeten optischen Emissionsquellen variieren, können in der Projektion des Lichts auf den Sensor über wahlweise einen oder mehrere Punkte variieren und können in den Verfahren variieren, die zur Bestimmung der Entfernung, Richtung, Position, Orientierung, Geschwindigkeit, Winkelgeschwindigkeit, Beschleunigung und Winkelbeschleunigung des Sensors oder der Sensoren verwendet werden. So kann beispielsweise ein Lichtpunkt durch einen IR-Sensor erzeugt werden, welcher IR-Licht auf eine Oberfläche emittiert, und ein Photodetektor kann verwendet werden, um das von der Oberfläche reflektierte Licht zu detektieren. Die Entfernung und relative Richtung zu dem projizierten Licht kann mit einer Emissionsquelle und einem Sensor erfasst werden. Die Position des Sensors in einer Ebene und die Rotation des Sensors um eine zu dieser Ebene senkrechten Achse kann mit zwei Emissionsquellen und einem zweidimensionalen Sensor erfasst werden.
Hier beschriebene Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung können eine große Vielfalt an optischen Sensoren verwenden. Einige Ausführungsformen verwenden digital oder analog abbildende oder Video-Kameras, wie CMOS-Imager, CCD-Imager und dergleichen. Andere Ausführungsformen verwenden PSDs, wie eindimensionale PSDs, winkelförmige eindimensionale PSDs, zweidimensionale PSDs, Vierfach-PSDs, zweiseitige PSDs, vierseitige PSDs und dergleichen. Andere Ausführungsformen verwenden Photodetektoren.
In einer Ausführungsform ist der optische Sensor mit einer Linse und einem oder mehreren optischen Filtern verbunden, um eine Kamera zu bilden. So kann beispielsweise ein PSD-Sensor mit einer Ummantelung mit einer offenen Seite umgeben sein, welche die Linse und die optischen Filter anpasst das eintretende Licht zu filtern und Wirkungen von Umgebungslicht zu verringern.
Hier beschriebene Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung können ebenfalls eine große Vielfalt an optischen Emissionsquellen verwenden, umfassend Einrichtungen mit sichtbarem Licht, Einrichtungen mit nicht-sichtbarem Licht, Laserlicht-Einrichtungen, Infrarotlicht-Einrichtungen, Einrichtungen mit polarisiertem Licht, Leuchtdioden (LEDs), Laserdioden, Glühlampen, Halogenlichter, Projektionsvorrichtungen und dergleichen.
Eine hier beschriebene Ausführungsform des Verfahrens und der Vorrichtung verwendet eine zweidimensionale PSD-Kamera und mehrere Infrarot (IR)-Emissionsquellen. Jede IR-Emissionsquelle projiziert einen Punkt auf die Decke in einem Raum. Jede Emissionsquelle ist mit einem eindeutigen Muster oder einer Frequenz moduliert. Die PSD-Kamera ist beispielsweise an einem Roboter angebracht und der Decke derart zugewandt, dass ihr Sichtfeld mindestens einen Bereich der Ebene, welche die Decke definiert, auf welche die Punkte projiziert sind, durchzieht. Die PSD-Kamera stellt eine Anzeige der projizierten Position von jedem wahrnehmbaren Punkt in den Kamerasensor-Koordinaten bereit. In der gezeigten Ausführungsform ist die Position von jedem beobachteten Punkt als sein Flächenschwerpunkt definiert.
Eine Kameraposition von jedem beobachteten Punkt kann der Projektion von einer Position eines Punkts auf die Abbildungsebene der Kamera entsprechen, wie durch eine entsprechende perspektivische Transformation definiert wird. Die PSD-Kamera kann die Kameraposition von jedem Punkt erfassen. Unter Verwendung der erfassten Kamerapositionen des Punkts und Information hinsichtlich der Entfernung zwischen den Punkten, kann die Position (x, y) der PSD-Kamera in einer Ebene und die Rotation (θ) der PSD-Kamera um eine zu dieser Ebene senkrechten Achse bestimmt werden. Die durch (x, y, θ) definierte Position und Orientierung der Kamera ist als die Lage der Kamera bekannt.
So kann beispielsweise die PSD-Kamera mit einer ortsveränderlichen Einrichtung, wie einem Roboter, gekoppelt werden, und die Lage der Einrichtung kann vorteilhaft in einem Raum mit zwei oder mehreren Punkten relativ sicher bestimmt werden. Lagebestimmung, auch bekannt als Lokalisierung, ist eine wichtige Komponente in vielen Anwendungen, umfassend automatisierte Absaugung, automatisierte Bodenreinigung, Telepräsenz, Sicherheit und Unterhaltung. Ohne exakte Positionsbestimmungen ist es für einen herkömmlichen Roboter ziemlich schwierig oder unmöglich einen Weg oder eine Bahn durchzuführen, da die interne Positionsbestimmung eines herkömmlichen Roboters dazu neigt zu driften, und der herkömmliche Roboter im Allgemeinen nicht in der Lage ist die Drift zu erfassen oder nachzuweisen. Zur systematischen Bodenabdeckung kann beispielsweise in einem Saugroboter ein herkömmlicher Roboter ohne die Fähigkeit zu Lokalisieren im Allgemeinen kein Wissen über Gebiete, welche er gereinigt hat, und Gebiete, welche er nicht gereinigt hat, behalten, wobei es dadurch relativ wahrscheinlich ist, dass der Roboter die gleichen Gebiete wiederholt und ineffizient reinigt und es relativ unwahrscheinlich ist, dass er andere Gebiete mit ausreichender Häufigkeit reinigt. Dementsprechend führen viele herkömmliche Saugroboter eine zufällige Bahn aus. Im Gegensatz dazu kann ein Saugroboter gemäß einer Ausführungsform mit der Fähigkeit zur Lokalisierung in einer ziemlich exakten Art und Weise einen ziemlich wirksamen geplanten Weg folgen. Ein Saugroboter gemäß einer Ausführungsform kann einen Raum in einer ziemlich wirksamen Art und Weise reinigen, da er seinen Weg verfolgen kann und einen geplanten, passierbaren Weg durchführen kann. Auf die gleiche Weise kann ein ortsveränderlicher Roboter mit der Fähigkeit zu Lokalisieren eine gewünschte Positionierung ansteuern und eine Vorgeschichte der von ihm benutzten Wege behalten.
Eine andere hier beschriebene Ausführungsform des Verfahrens und der Vorrichtung verwendet eine zweidimensionale PSD-Kamera und eine IR-Emissionsquelle. Die IR-Emissionsquelle projiziert einen Punkt auf die Decke, wobei die PSD-Kamera der Decke derart zugewandt ist, dass ihr Sichtfeld mindestens einen Bereich der Ebene durchzieht, welche die Decke definiert auf die der Punkt projiziert ist. Die PSD-Kamera kann Angaben zu einer Erfassung der Entfernung von der Kamera zu dem Punkt und der Richtung von der Kamera zu dem Punkt relativ zu der Tangente des Kreises mit einem Radius bereitstellen, der durch die Entfernungserfassung definiert ist. Die Entfernungserfassung definiert einen Kreis, der an dem auf die Ebene der Kamera projizierten Punkt zentriert ist. In einem Beispiel kann die gezeigte Ausführungsform für eine Anwendung verwendet werden, bei der es gewünscht ist eine Einrichtung relativ zu dem Punkt zu positionieren. Wenn sich die Kamera unterhalb des Punkts an der Decke befindet, dann befindet sich die Position der Kamera vorteilhaft in dem Zentrum der PSD-Kamera. So kann sich beispielsweise, wenn der Punkt über einer Ladestation projiziert ist, eine ortsveränderliche Einrichtung einer Ladestation annähern und sich autonom aufladen. In einer verwandten Ausführungsform, welche ferner Radkodierer umfasst, kann sich ein Saugroboter entlang konzentrischer Kreise bewegen oder sich entlang einer Spirale bewegen, um eine Bodenabdeckungsstrategie durchzuführen, die verglichen mit einer zufälligen Abdeckungsstrategie ziemlich wirksam ist.
Obwohl verschiedene Ausführungsformen beschrieben wurden und ferner in dem Zusammenhang mit autonomen, ortsveränderlichen Robotern beschrieben werden, ist es für den Fachmann klar, dass die hier dargelegten Prinzipien und Vorteile auf andere Anwendungen anwendbar sind, welche von einer Positionsbestimmung profitieren, welche ebenfalls im Umfang der Erfindung liegen.
Ausführliche Beschreibungen der Abbildungen
Es werden jetzt Beispiele von Ausführungsformen beschrieben. 1 zeigt ein Blockdiagramm von Komponenten einer Ausführungsform einer Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst eine Projektionsvorrichtung 111 und einen optischen Positionssensor 112. Die Projektionsvorrichtung 111 emittiert ein Lichtmuster 113 auf eine Oberfläche 116, welche ein projiziertes Lichtmuster 119 erzeugt. In einer Ausführungsform ist das Licht muster 113 moduliert. Die Reflektion 114 des projizierten Lichtmusters 119 wird auf den optischen Positionssensor 112 projiziert.
Die Projektionsvorrichtung 111 umfasst eine Lichtquelle 102. Als Beispiel kann die Lichtquelle 102 einer Einrichtung entsprechen, wie einer Lasereinrichtung, einer Infraroteinrichtung und dergleichen, welche durch einen Modulator 101 moduliert werden kann. Wahlweise kann das Licht von der Lichtquelle 102 durch eine oder mehrere Linsen 103 gehen, um das Licht auf die Oberfläche 116 zu projizieren.
Der optische Positionssensor 112 umfasst eine Kamera 117 und eine Verarbeitungseinheit 118. Die Kamera 117 kann die Intensität und Position des von der Oberfläche 116 reflektierten Lichts 114 detektieren und erfassen und kann entsprechende Signale erzeugen, welche durch die Signalverarbeitungseinheit 118 verarbeitet werden, um die Position des optischen Positionssensors 112 relativ zu dem projizierten Lichtmuster 119 zu bestimmen. Es ist klar, dass der optische Positionssensor 112 mehrere Kameras 117 und/oder mehrere Verarbeitungseinheiten 118 umfassen kann.
Die Kamera 117 umfasst einen Imager 104. Der Imager 104 kann beispielsweise einem CMOS-Imager, einem CCD-Imager, einem Infrarot-Imager und dergleichen entsprechen. Die Kamera kann wahlweise einen optischen Filter 105 umfassen und kann wahlweise eine Linse 106 umfassen. Die Linse 106 kann einer normalen Linse entsprechen oder kann einer Speziallinse, wie einer Weitwinkellinse, einer Fischaugen-Linse, einer omnidirektionalen Linse und dergleichen, entsprechen. Ferner kann die Linse 106 reflektierende Oberflächen umfassen, wie ebene, parabolische oder konische Spiegel, welche verwendet werden können ein relativ großes Sichtfeld oder mehrere Blickpunkte bereitzustellen. Die Linse 106 sammelt das reflektierte Licht 114 und projiziert es auf den Imager 104. Der optische Filter 105 kann die Wellenlängen des Lichts, welches von der Linse 106 auf den Imager 104 geht, einschränken, was vorteilhaft verwendet werden kann die Wirkung von Umgebungslicht zu verringern, den Bereich an Licht zu schmälern, um die Wellenlänge des von der Projektionsvorrichtung 111 kommenden Lichts abzustimmen, und/oder die Menge an auf den Imager 104 projizierten Lichts zu begrenzen, was die Wirkungen einer Über-Aussetzung oder Sättigung begrenzen kann. Der Filter 105 kann vor der Linse 106 oder hinter der Linse 106 platziert sein. Es ist klar, dass die Kamera 117 mehrere Imager 104, mehrere optische Filter 105 und/oder mehrere Linsen 106 umfassen kann.
Die Signalverarbeitungseinheit 118 kann analoge Komponenten umfassen und kann digitale Komponenten zum Verarbeiten der durch die Kamera 117 erzeugten Signale umfassen. Die Hauptkomponenten der Signalverarbeitungseinheit 118 umfassen vorzugsweise einen Verstärker 107, einen Filter 108, einen Analog-nach-Digital-Konverter 109 und einen Mikroprozessor 110, wie eine periphere Schnittstellensteuereinheit, auch bekannt als PIC. Es ist klar, dass die Signalverarbeitungseinheit 118 mehrere Filter 108 und/oder mehrere Mikroprozessoren 110 umfassen kann.
Ausführungsformen der Vorrichtung sind nicht auf hier beschriebene, spezielle Verwirklichungen der Projektionsvorrichtung 111 oder des optischen Positionssensors 112 eingeschränkt. Andere Verwirklichungen, Ausführungsformen und Modifikationen der Vorrichtung, welche nicht vom wahren Geist und Umfang der Vorrichtung abweichen, werden dem Fachmann leicht offensichtlich sein.
2 zeigt ein Beispiel einer Verwendung der Positionsbestimmungstechniken. Eine Umgebung umfasst eine Decke 206, einen Boden 207 und eine oder mehrere Wände 208. In der gezeigten Umgebung ist eine Projektionsvorrichtung 203 an einer Wand 208 angebracht. Es ist klar, dass die Projektionsvorrichtung 203 eine interne Stromquelle aufweist, in eine Steckdose eingesteckt sein kann oder beides. Die Projektionsvorrichtung 203 projiziert einen ersten Punkt 204 und einen zweiten Punkt 205 auf die Decke 206. An einem Roboter 201 ist ein optischer Positionssensor 202 angebracht. Der optische Positionssensor 202 kann die Punkte 204, 205 auf der Decke 206 detektieren und die Position (x, y) des Roboters 201 auf der Bodenebene und die Orientierung θ des Roboters 201 in Bezug auf die Normale zu der Bodenebene erfassen. In einer Ausführungsform wird die Lage des Roboters 201 relativ zu einem globalen Koordinatensystem erfasst.
3 beschreibt ein geometrisches Modell, welches zu einer Ausführungsform des vorstehend in Verbindung mit 2 beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung zugehörig ist. Die Decke 206 liegt auf einer Höhe h über dem Boden 207. Ein Punkt w₁ 301 liegt an dem Flächenschwerpunkt des ersten Punkts 204, und ein Punkt w₂ 302 liegt an dem Flächenschwerpunkt des zweiten Punkts 205. In der gezeigten Ausführungsform ist ein globales Koordinatensystem mit einer X-Achse, einer Y-Achse und einer Z-Achse definiert und wird auch als das globale Bezugssystem bezeichnet.
In einer Ausführungsform ist es praktisch die Y-Achse derart zu definieren, dass die Y- Achse zu dem an dem Punkt w₁ 301 entspringenden und durch den Punkt w₂ 302 laufenden Vektor parallel ist. Zusätzlich ist es praktisch die X-Achse derart zu definieren, dass die X-Achse zu der Y-Achse senkrecht ist und in der durch den Boden definierten Ebene liegt. Ferner ist es praktisch die Z-Achse derart zu definieren, dass die positive Z-Richtung durch das Vektorprodukt des Einheitsvektors in der X-Richtung mit dem Einheitsvektor in der Y-Richtung spezifiziert ist; in Standard-Vektorrechnungs-Schreibweise wird diese Beziehung ausgedrückt als Ẑ = X ^ × Ŷ. Somit ist in dem gezeigten Koordinatensystem die Z-Achse senkrecht bzw. normal zu der Bodenebene und ist vom Boden zur Decke gerichtet. In dem globalen Koordinatensystem ist ein Ursprung O als der Punkt mit Koordinaten (0, 0, 0) definiert. Ebenfalls ist in dem globalen Koordinatensystem der Punkt w₁ 301 mit Koordinaten (x₁, y₁, h) definiert, und der Punkt w₂ 302 ist mit Koordinaten (x₂, y₂, h) definiert. Ferner ist es praktisch anzunehmen, dass der Ursprung O direkt unter dem Punkt w₁ 301 lokalisiert ist, so dass x₁ = 0 und y₁ = 0 ist. Zusätzlich setzt die Definition der X-Achse voraus, dass ebenfalls x₂ = 0 ist. Somit weist der Punkt w₁ 301 die Koordinaten (0, 0, h) auf und der Punkt w₂ 302 weist die Koordinaten (0, y₂, h) auf. Es ist klar, dass die vorstehend aufgeführten Definitionen ohne Beschränkung der Allgemeinheit gemacht werden können.
Ein Koordinatensystem relativ zu einem Imager ist mit einer u-Achse, einer v-Achse und einer z-Achse definiert, und es kann als das Koordinatensystem der Kamera oder das Bezugssystem der Kamera bezeichnet werden. In der gezeigten Ausführungsform entspricht der Imager einem zweidimensionalen PSD-Sensor. In einer Ausführungsform ist die Höhe des PSD-Sensors von der Bodenebene im Vergleich zu der Deckenhöhe h relativ gering, so dass der PSD-Sensor und der Ursprung des Koordinatensystems der Kamera die Koordinaten (x, y, 0) und die Orientierung θ in dem globalen Koordinatensystem verwenden. Die Verschiebung von dem Ursprung des globalen Koordinatensystems zu dem Ursprung des Koordinatensystems der Kamera wird als S bezeichnet; somit
wobei ||S|| den Betrag oder Absolutwert des Vektors S bezeichnet. Der Punkt c₁ 311 repräsentiert die Projektion des Punkts w₁ 301 auf den Imager, und der Punkt c₂ 312 repräsentiert die Projektion des Punkts w₂ 302 auf den Imager. Der Punkt c₁ 311 weist die Koordinaten (u₁, v₁, 0) in dem Bezugssystem der Kamera auf, und der Punkt c₂ 312 weist die Koordinaten (u₂, v₂, 0) in dem Bezugssystem der Kamera auf. Es ist klar, dass die vorstehend aufgeführten Definitionen ohne Beschränkung der Allgemeinheit gemacht werden können.
In einer Ausführungsform können die Punkte 204, 205 durch Verwendung eindeutiger Signale oder eindeutiger Signaturen identifiziert werden. So können beispielsweise die Emissionsquellen, welche die Punkte 204, 205 erzeugen, mit unterschiedlichen Frequenzen an-aus-moduliert werden. Die Emissionsquelle, welche den ersten Punkt 204 erzeugt, kann mit einer ersten Frequenz f₁ moduliert werden, und die Emissionsquelle, welche den zweiten Punkt 205 erzeugt, kann mit einer zweiten Frequenz f₂ moduliert werden, wobei die erste Frequenz und die zweite Frequenz unterschiedlich sind, das heißt f₁ ≠ f₂.
An diesem Punkt sollte bemerkt werden, dass die Deckenhöhe h und die Trennung y₂ zwischen dem Punkt w₁ 301 und dem Punkt w₂ 302 in einer Vielzahl von Wegen bestimmt werden kann. Wenn der ortveränderliche, den optische Positionssensor verwendende Roboter 201 Rad-Odometrie-Bestimmungen erzeugen kann, dann kann der Roboter 201 beispielsweise h und y₂ unter Verwendung von Erfassungen oder Beobachtungen der Punkte w₁ 301 und w₂ 302 aus vielen Positionen bestimmen. Andere geeignete Techniken werden durch den Fachmann leicht bestimmt werden.
Beispielhafte Positionsbestimmung unter Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung
Unter Bezugnahme auf die vorstehend in Verbindung mit 3 beschriebenen Koordinatensysteme, Entfernungen, Winkel und Punkte, kann die PSD-Kamera c₁ und c₂ erfassen, welche den Projektionen von w₁ und w₂ auf dem PSD-Sensor entsprechen. In einer Ausführungsform ist es ein Ziel des Verfahrens S, die Position der PSD-Kamera in dem globalen Bezugssystem zu bestimmen.
In einer Ausführungsform erfasst der PSD die Koordinaten des Flächenschwerpunkts des auf den PSD projizierten Lichts durch Erzeugen eines elektrischen Stroms, welcher proportional zu der Position und Intensität des Lichtflächenschwerpunkts ist. Die zugehörige Verarbeitung kann in einer großen Vielfalt an Wegen durchgeführt werden, umfassend eine analoge Schaltungsanordnung, digitale Schaltkreise, Hardware, Software, Firmware und Kombinationen davon. So kann beispielsweise ein Mikrokontroller, ein Mikroprozessor, ein CPU, ein Mehrzweck-Digitalsignalprozessor, zugeordnete Hardware und dergleichen verwendet werden.
Um die Flächenschwerpunkte mehrerer Punkte zu erfassen, sind eine Anzahl an Bedingungen wünschenswert. Erstens wird der Sensor vorzugsweise nicht mit Licht, Umgebungslicht oder anderes, gesättigt. In einer Ausführungsform wird dies durch Verwendung optischer Filter durchgeführt, um nicht gewollte Lichtquellen, welche auf die aktive Fläche des PSD-Sensors projizieren, zu verringern oder zu minimieren, und durch Vorspannen des PSDs, um die Lichtmenge zu erhöhen, bei der er gesättigt wird. Um die Position einer bestimmten Lichtquelle zuverlässig zu erfassen, ist es zweitens wünschenswert die Lichtquelle von anderen Lichtquellen durch Verringern oder Eliminieren der Wirkung anderer Lichtquellen, welche Umgebungslicht und von anderen Punkten erzeugtes Licht umfassen, zu trennen. Ein Ansatz eine Lichtquelle zu trennen ist es die Lichtquelle mit einem eindeutigen Muster zu modulieren, so dass sie von anderen Lichtquellen unterschieden wird. Falls die i-th Emissionsquelle das projizierte Licht mit einer Frequenz f_i an-aus-moduliert, kann der PSD-Sensor das erzeugte Signal durch Filtern eines Signals erzeugen, wobei ein Bandfilter mit niedrigren und höheren Frequenzen von f_i – w beziehungsweise f_i + w verwendet wird, bei dem 2w der Breite des zugehörigen Bandfilters entspricht. Die Signalverarbeitungseinheit des PSDs kann den Filter verwenden um Signale mit Frequenzen außerhalb des durch den Bandfilter definierten Frequenzbereichs zu unterdrücken. Das Filtern der PSD-Signale kann entweder vor oder nach einem Konvertieren der PSD-Ströme in zugehörige Flächenschwerpunkts-Positionen stattfinden. In einer Ausführungsform, in der die erste Emissionsquelle mit einer Frequenz f₁ moduliert wird und die zweite Emissionsquelle mit einer Frequenz f₂ moduliert wird, und wobei f₁ ≠ f₂, filtert die Signalverarbeitungseinheit das durch f₁ spezifizierte Signal, um c₁, den Flächenschwerpunkt des ersten Punkts, zu erfassen und filtert das durch f₂ spezifizierte Signal, um c₂, den Flächenschwerpunkt des zweiten Punkts, zu erfassen.
Beispielhaftes Verfahren zur Lagebestimmung
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung N Emissionsquellen, welche N Lichtpunkte projizieren, und M Kameras. Die Position der i-th Kamera in dem globalen Bezugssystem ist hier durch S_i = (x_i, y_i, z_i) bezeichnet und die Rotationsorientierung der i-th Kamera in dem globalen Bezugssystem ist hier durch R_i = (α_i, β_i, θ_i) bezeichnet. Die Position des j-th Lichtpunkts ist hier durch w_j bezeichnet, und die Position der Projektion des j-th Punkts auf die i-th Kamera ist hier durch c_i,j bezeichnet. Dann betrifft die folgende Beziehung S_i, w_j und c_i,j. ci,j = PiRi(wj – Si) Gleichung 1
In Gleichung 1 entspricht R_i der Dreifreiheitsgrad-Rotationstransformation, welche in einer Ausführungsform resultiert aus der Zusammensetzung von drei gegenseitig senkrechten Einfreiheitsgrad-Rotationstransformationen, wie R_i = R_αR_βR_θ. Ebenfalls in Gleichung 1 entspricht P_i der zu der i-th Kamera zugehörigen perspektivischen Transformation. Somit definiert Gleichung 1 drei Gleichungen für sechs Unbekannte, in der die Unbekannten x_i, y_i, z_i, α_i, β_i und θ_i sind. In einem System mit N Punkten und M Kameras, können N × M derartiger Matrix-Gleichungen gebildet werden, jedoch sind nicht alle derartigen Gleichungen notwendigerweise eindeutig, unabhängig und nicht-degeneriert. Somit können mit zwei Punkten und einer Kamera Werte für x, y, und θ bestimmt werden. Um alle sechs Freiheitsgrade zu bestimmen, ist es wünschenswert eine Konfiguration von Punkten und Kameras zu haben, welche mindestens sechs unabhängige, nicht-degenerierte Gleichungen analog zu Gleichung 1 erzeugt.
Beispielhaftes System mit zwei Emissionsquellen und einer Kamera
In einer Ausführungsform umfasst das System zwei auf die Decke projizierte Punkte und einen optischen Positionssensor mit einer PSD-Kamera. Die Beziehung zwischen einem Punkt w_j und seiner Projektion c_j in dem Bezugssystem der PSD-Kamera ist durch die folgende Gleichung wiedergeben. cj = PRθ(wj – S) Gleichung 2
In Gleichung 2 stellt S die Position der PSD-Kamera in dem globalen Bezugssystem dar, und P stellt die Transformation von einem Punkt (X, Y, Z) in dem globalen Koordinatensystem zu einem Punkt (u, v, z) in dem Bezugssystem der PSD-Kamera dar. Ebenfalls ist zum Zweck dieses Beispiels die z-Achse des Koordinatensystems der Kamera mit der Z-Achse des globalen Koordinatensystems in der vertikalen Richtung ausgerichtet. Dies impliziert, dass R_α und R_β den Identitätsmatrizen entsprechen; dementsprechend wurden R_α und R_β aus Gleichung 2 weggelassen. In dem Fall eines Lochkameramodells, entspricht P dem skalaren Wert λ/(λ – Z), wobei λ die Brennweite der Kamera darstellt. Es ist klar, dass Multiplikation mit einem skalaren Wert ebenfalls durch Multiplikation durch das entsprechende Vielfache der geeignet dimensionierten Identitätsmatrix erhalten werden kann. Ebenfalls in Gleichung 2 kann R_θ durch die folgende unitäre Matrix dargestellt werden.
Gleichung 2 kann wie folgt umformuliert werden. wj – S = Rθ –1P–1cj Gleichung 4
In Gleichung 4 stellt P^–1 die inverse perspektivische Transformation dar, und R_θ ^–1 stellt die inverse Rotationstransformation dar. Wenn die Position des i-th Punkts mit geeigneten Kameraparametern assoziiert ist, wie die Brennweite der Kamera in einem Lochkameramodell, dann definiert Gleichung 4 zwei nicht-degenerierte Gleichungen mit drei Unbekannten x, y und θ für jede Erfassung c_j. Somit bestimmen die drei Variablen x, y und θ zusammen die Lage der PSD-Kamera.
Da zwei Gleichungen mit drei Unbekannten keine eindeutige Lösung für die Lage der PSD-Kamera definieren, ist es wünschenswert mehr unabhängige Gleichungen als Unbekannte zu verwenden. Mit zwei Punkten und einer PSD-Kamera ist es möglich vier Gleichungen mit drei Unbekannten wie folgt zu erzeugen. w1 – S = Rθ –1P–1c1 Gleichung 5 w2 – S = Rθ –1P–1c2 Gleichung 6
Gleichung 5 betrifft den Punkt w₁ mit seiner zugehörigen PSD-Kamera-Position c₁, und Gleichung 6 betrifft den Punkt w₂ mit seiner zugehörigen PSD-Kamera-Position c₂. Eine Subtraktion von Gleichung 5 von Gleichung 6 erzeugt die folgende Matrixgleichung, welche in Gleichung 7 ausgedrückt ist. w2 – w1 = Rθ –1P–1(c2 – c1) Gleichung 7
Gleichung 7 kann wie folgt erweitert werden.
Die in Gleichung 8 gegebene Matrixgleichung drückt zwei nicht-degenerierte lineare Gleichungen aus. In Gleichung 8, Δy = d = y₂ – y₁, Δu = u₂ – u₁ und Δv = v₂ – v₁. Wie vorstehend in Verbindung mit 3 diskutiert, stellt d die Entfernung dar, welche die zwei Punkte trennt. Dementsprechend ist die erste der beiden nicht-degenerierten linearen Gleichungen, welche durch Gleichung 8 definiert ist, wie folgt gegeben. 0 = P–1(Δucosθ – Δvsinθ) Gleichung 9
Ein Auflösen nach θ in Gleichung 9 ergibt θ = tan^–1(Δu/Δv), und ein Einsetzen dieses Ergebnisses in Gleichung 5 stellt die folgende Lösung für S, die Position der PSD-Kamera in dem globalen Bezugssystem bereit.
Dementsprechend kann die Lage (x, y, θ) der PSD-Kamera als eine Funktion der Erfassungen c₁ und c₂ unter Verwendung von Gleichung 9 und Gleichung 10 bestimmt werden.
Ein Beispiel einer Verwendung von einer Emissionsquelle und einer Kamera
In einer Ausführungsform umfasst das System einen auf die Decke projizierten Punkt und einen optischen Positionssensor mit einer PSD-Kamera. Gleichartig zu der vorstehend in Verbindung mit Gleichung 2 diskutierten Beziehung, ist die Beziehung zwischen dem Punkt w und seiner Projektion c in dem Bezugssystem der PSD-Kamera durch die folgende Gleichung gegeben. c = PRθ(W – S) Gleichung 11
Da der Ursprung des globalen Koordinatensystems, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, derart gewählt werden kann, dass der Punkt w direkt oberhalb des Ursprungs lokalisiert ist, stellt ein Umformulieren von Gleichung 11 die folgende Lösung für S bereit. w – S = Rθ –1p–1c Gleichung 12
Gleichung 12 kann in Koordinatenschreibweise umgeschrieben werden, um die folgende Beziehung zu ergeben.
Somit spezifiziert Gleichung 13 zwei nicht-degenerierte lineare Gleichungen. In dem Fall, dass P^–1 einer Skalaren oder einer skalaren Vielfachen einer Identitätsmatrix entspricht, ergibt ein Quadrieren und Summieren der beiden nicht-degenerierten linearen Gleichungen und Vereinfachen des Ergebnisses das Folgende. x2 + y2 = (P–1)2[(ucosθ – vsinθ)2 + (usinθ + vcosθ)2] = (P–1)2(u2 + v2) Gleichung 14
Da x² + y² gleich ist zu ||S||² und u² + v² gleich ist zu ||c||², kann Gleichung 14 vereinfacht werden zu ||S||² = (P^–1)²||c||² oder ||S|| = P^–1||c||.
Somit kann die Entfernungserfassung ||c|| und die entsprechende Entfernungserfassung ||S|| einen Kreis in einer x-y-Ebene definieren, welcher mit Radius ||S|| an dem Ursprung (0, 0) zentriert ist. Eine Tangente an den Kreis an der Position des Sensors an der Position des Sensors (das heißt in S) ist orthogonal zu dem Vektor s = (xy)^T wobei das hochgestellte "T" die Vektor- oder Matrix-Transpositionsoperation bezeichnet. Die Tangente ŝ kann deshalb als ŝ = (y – x)^T ausgedrückt werden. Die Rotationsorientierung, ϕ, des Roboters des Roboters in Bezug auf ŝ kann dann unter Verwendung einer Erfassung von c wie durch die folgende Beziehung gegeben bestimmt werden. ϕ = tan–1(u/v) Gleichung 15
Somit können in dieser Ausführungsform ||S|| und ϕ bestimmt werden, was Anwendungen für Robotertechnik, Personenverfolgen, Gegenstandverfolgen und dergleichen vorteilhaft unterstützen kann. In einem Beispiel wird der Punkt auf die Decke direkt oberhalb einer Dockingstation projiziert, und der optische Positionssensor mit einer PSD-Kamera ist an einen Roboter angefügt. Unter Verwendung der Bestimmung von ||S|| und ϕ kann sich der Roboter selbst lenken sich zu dem Punkt zu drehen und sich dem Punkt anzunähern. In dieser Art und Weise kann sich der Roboter der Dockingstation annähern und sich selbst aufladen. In einem alternativen Beispiel kann die Projektionsvorrichtung einer in der Hand gehaltenen Projektionsvorrichtung entsprechen und kann verwendet werden über einen vom Nutzer ausgewählten Gegenstand oder einer interessierenden Stelle zu zeigen, um den Roboter zu dem Gegenstand oder der Stelle zu lenken. Dieses alternative Beispiel stellt eine leistungsfähige Schnittstelle für eine Roboterwechselwirkung bereit.
Beispiele anderer erfindungsgemäßer Ausführungsformen
Eine Ausführungsform des Verfahrens und der Vorrichtung umfasst eine Kamera, wie eine CCD-Kamera, eine CMOS-Kamera und dergleichen, und eine Projektionsvorrichtung, welche ein Muster auf einer Projektionsfläche, wie einer Decke, erzeugt. Es ist klar, dass diese Ausführungsform mehrere Kameras und/oder mehrere Projektionsvorrichtungen umfassen kann. Als ein Beispiel kann die Projektionsvorrichtung einem Diaprojektor entsprechen, und das Muster kann in einem Dia kodiert sein. In einer Ausführungsform weist mindestens ein Muster die Form eines Kreises auf, und in einer anderen Ausführungsform weist mindestens ein Muster die Form eines Quadrats bzw. Vierecks auf. Jede Kamera erzeugt Graustufen- oder Farbbilder. Eine Signalverarbeitungseinheit verarbeitet die Kamerabilder, extrahiert die eindeutigen Muster und bestimmt eine Position des Musters in Kamerasensorkoordinaten. Die Position des Musters kann als der Flächenschwerpunkt des Musters definiert werden. Die Position des j-th Musters in dem globalen Bezugssystem kann hier durch w_j bezeichnet werden, und die Position des j-th Musters in dem Bezugssystem der i-th Kamera kann hier als c_i,j bezeichnet werden. Dann ist die Beziehung zwischen dem j-th Muster und seiner Projektion auf die i-th Kamera durch Gleichung 1 definiert. Die Signalverarbeitungseinheit fängt die Kamerabilder ein und verarbeitet die Bilder unter Verwendung von einer oder mehrerer Bildanalysetechniken, um die Position von bekannten Mustern zu detektieren und zu extrahieren. Die Bildanalysetechniken können als Beispiel umfassen Linien- und Eckendetektion (um beispielsweise ein Quadratmuster zu detektieren), Hough-Transformation (um beispielsweise einen Kreis zu detektieren) und dergleichen. Nachdem die Positionen der Muster in den Bezugssystemen der Kamera bestimmt sind, kann die Signalverarbeitungseinheit die Positionen der Kameras in Bezug auf des globale Bezugssystem unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Verfahren bestimmen. Wahlweise kann eine oder mehrere Projektionsvorrichtungen an-aus modulieren, um die Wirkungen von Umgebungslicht zu verringern. Die Modulationsfrequenzen können vorteilhaft verwendet werden, um eine eindeutige Kennung mit jedem Muster zu assoziieren. Vorteilhaft ist in einer Ausführungsform die Kennung eines Musters in dem Muster selbst kodiert. Als ein Beispiel kann die Form des Musters eine eindeutige Kennung definieren, falls für jedes Muster verschiedenartige Formen verwendet werden. So kann das System beispielsweise zwischen einem Quadratmuster und einem Kreismuster unterscheiden und verschiedene Kennungen mit jedem Muster assoziieren.
In einer Ausführungsform kann die Modulationsfrequenz der Projektionsvorrichtung Information kodieren, wie Bitmuster zur Übermittlung einer Nachricht, welche durch die Kamera und die Signalverarbeitungseinheit detektiert und extrahiert werden können. Die Bitmuster können im Signal unter Verwendung einer beliebigen von einer Vielfalt an herkömmlichen Modulationstechniken, wie Impulsdauermodulation, Lückenweitemodulation und Phasenmodulation, moduliert werden.
In einer anderen Ausführungsform sind die Bitmuster über die ursprüngliche "Träger"-Frequenz des Punkts moduliert. Die Projektionsvorrichtungen und optischen Positionssensoren können für eine optische kabellose Kommunikation vorteilhaft verwendet werden. In dieser Ausführungsform projiziert die Projektionsvorrichtung das Lichtmuster auf eine reflektierende Oberfläche, und der optische Sensor detektiert das Signal durch Sehen der reflektierenden Oberfläche, was die Notwendigkeit einer Sichtlinie zwischen der Emissionsquelle und dem Sensor beseitigt. Das in dem projizierten Licht modulierte Signal kann Befehle tragen, wie Befehle für einen Roboter, gleichartig zu dem Weg in dem durch eine Fernwirkeinheit moduliertes Licht Befehle zu einer Einrichtung tragen kann. In einem Beispiel kann der Roboter durch die Projektion des Punkts auf die Decke direkt oberhalb einer Dockingstation die Dockingstation finden und eine Selbstladung durchführen. Zusätzlich kann eine Schnittstelle mit der Dockingstation, wie eine Taste an der Dockingstation, einen Befehl an den Roboter erzeugen, um zu der Ladestation zurückzukehren.
Eine noch weitere Ausführungsform des Verfahrens und der Vorrichtung umfasst eine Projektionsvorrichtung für eine oder mehrere verschiedenartige Regionen einer Umgebung, wie eine Projektionsvorrichtung für jede verschiedenartige Region. Diese Ausführungsform erweitert vorteilhaft die Abdeckung einer Lokalisierung über relativ große Gebiete oder über viele relativ begrenzte Gebiete, wie mehrere Räume. Das abgedeckte Gebiet, welches zu einer Projektionsvorrichtung zugehörig ist, kann eingeschränkt sein durch das Sichtfeld der Kamera, die Entfernung von der Projektionsvorrichtung zu der Reflektionsoberfläche und dem Vorhandensein von Gegenständen oder Wänden, welche die Sicht der Kamera auf den Punkt versperren. Eine Erhöhung der Anzahl an Lichtmustern kann das Abdeckungsgebiet erhöhen. In einer Ausführungsform werden zur Abdeckung über mehrere Räume eine oder mehrere Projektionsvorrichtungen für jeden Raum bereitgestellt, in dem eine Abdeckung gewünscht ist, so dass beispielsweise jeder Raum eine zugehörige Projektionsvorrichtung aufweisen kann. So kann beispielsweise jede Projektionsvorrichtung einen oder mehrere Punkte projizieren, die eine in dem Raum eindeutige Kennung aufweisen. Es ist klar, dass die einem Punkt zugehörige Kennung auf der Modulationsfrequenz des Punkts, der Punktform, der Punktfarbe oder einer anderen geeigneten Charakteristik basieren kann, welche durch den Kamerasensor detektiert werden können.
In einer Verwirklichung kann die Kombination der individuellen Punktkennungen in einem Raum eine eindeutige Kennung für den Raum definieren. So kann als ein Beispiel ein erster Raum zwei Punkte mit zugehörigen eindeutigen Kennungen "A" und "B" aufweisen, und ein zweiter Raum kann zwei Punkte mit zugehörigen eindeutigen Kennungen "A" und "C" aufweisen. Die eindeutigen Kennungen für jeden Raum können durch ein System, wie durch einen Roboter, vorteilhaft verwendet werden, um eine topologische Karte der Räume und der Verbindung der Räume aufzubauen. Ohne eine eindeutige Kennung für jeden Raum oder jede Region, kann das System eine unklare Positionsinformation unvorteilhaft erzeugen. Als eine Darstellung ohne eine eindeutige Kennung für jeden Raum, kann die zu einer (x, y)-Koordinate in einem ersten Raum zugehörige Position im Allgemeinen nicht von der zu einer (x, y)-Koordinate in einem zweiten Raum zugehörige Position unterschieden werden.
Obwohl diese Erfindung unter Bezugnahme auf diese speziellen Ausführungsformen beschrieben wurde, sind die Beschreibungen vorgesehen für die Erfindung erläuternd zu sein und sie sind nicht vorgesehen beschränkend zu sein. Dem Fachmann können verschiedenartige Modifikationen und Anwendungen einfallen, ohne vom wahren Geist und vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
Zusammenfassung
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen die Bestimmung einer Position und Orientierung eines Gegenstands (201) in Bezug auf ein lokales oder ein globales Koordinatensystem unter Verwendung von reflektierten Lichtquellen (204, 205). Eine typische Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung umfasst Bestimmen und Verfolgen der Position eines ortsveränderlichen, autonomen Roboters. Andere Anwendungen umfassen Bestimmen und Verfolgen eines Gegenstands zur positionswissenden, allgegenwärtigen Einrichtungen. Zusätzliche Anwendungen umfassen ein Verfolgen der Positionen von Menschen oder Haustieren in einer Innenraumumgebung. Die Verfahren und Vorrichtungen umfassen eine oder mehrere optische Emissionsquellen (203), einen oder mehrere optische Sensoren (202), eine Signalverarbeitungsschaltungsanordnung und Signalverarbeitungsverfahren, um die Position und Orientierung von mindestens einem der optischen Sensoren zu erfassen mindestens zum Teil basierend auf der Detektion des Signals von einer oder mehrerer emittierter Lichtquellen (201, 205), welche von einer Oberfläche (206) reflektiert werden.

Claims

Positionsbestimmungssystem zum Bestimmen einer Position eines Gegenstands, wobei das System umfasst: eine oder mehrere Lichtquellen zum Projizieren von mindestens einem Lichtpunkt auf eine Oberfläche; einen an dem Gegenstand befestigten Detektor zum Detektieren des mindestens einen Lichtpunkts, worin der mindestens eine Lichtpunkt von der einen oder den mehreren Lichtquellen reflektiertes Licht umfasst; und eine Datenverarbeitungseinheit zum Bestimmen der Position des Gegenstands basierend auf der Positionierung des mindestens einen Lichtpunkts.
Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 1, worin die Datenverarbeitungseinheit konfiguriert ist die Position des Gegenstands in zwei oder mehreren Dimensionen zu bestimmen.
Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 1, worin die Oberfläche auf welche die eine oder mehreren Lichtquellen Licht projizieren ein Teil einer Wand, Decke, eines oder mehrerer Reflektoren oder eine Kombination davon ist.
Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 1, worin der Detektor einen positionsfühlenden Detektor (PSD), Imager, Photodetektor oder eine Kombination davon umfasst.
Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 4, worin ein positionsfühlender Detektor (PSD), Imager oder Photodetektor konfiguriert ist einen Flächenschwerpunkt des reflektierten Lichts von dem mindestens einen Lichtpunkt zu identifizieren, und die Datenverarbeitungseinheit konfiguriert ist die Position des Gegenstands basierend auf dem Flächenschwerpunkt zu bestimmen.
Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 1, worin der mindestens eine Lichtpunkt zwei oder mehrere Lichtpunkte umfasst, die durch eine Entfernung getrennt sind.
Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 1, worin der mindestens eine Lichtpunkt zwei oder mehrere Lichtpunkte umfasst, die sich in Bezug auf eine optische Charakteristik unterscheiden, und worin der Detektor konfiguriert ist die zwei oder mehreren Lichtpunkte basierend auf der optischen Charakteristik zu unterscheiden.
Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 7, worin die optische Charakteristik eine Lichtintensität, Lichtmuster, Lichtmodulation, Wellenlänge oder eine Kombination davon ist.
Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 1, worin mindestens eine der einen oder mehreren Lichtquellen in einer Innenraumumgebung ortsfest ist.
Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 1, worin mindestens eine der einen oder mehreren Lichtquellen an den Gegenstand angefügt ist.
Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 1, worin der mindestens eine Lichtpunkt mehrere Lichtpunkte umfasst, welche durch mehrere Reflektoren gebildet werden, die geeignet sind mindestens einen Anteil des Lichts von der einen oder den mehreren Lichtquellen zu reflektieren.
Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 1, worin die durch die Datenverarbeitungseinheit bestimmte Position des Gegenstands eine Richtung, Orientierung, Entfernungserfassung, Geschwindigkeit des Gegenstands oder eine Kombination davon umfasst.
Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 1, worin die eine oder mehreren Lichtquellen mindestens eine Leuchtdiode (LED), Infrarotlichteinrichtung, Einrichtung mit polarisiertem Licht, Laserdiode, Glühbirne, Halogenlicht, Projektionsvorrichtung oder eine Kombination davon umfassen.
Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 1, worin der Gegenstand ein autonomer Roboter ist, die eine oder mehreren Lichtquellen mehrere Leuchtdioden umfassen, welche lösbar an eine Steckdose angefügt sind, und die Datenverarbeitungseinheit die Position des Roboters relativ zu einem Bezugskoordinatensystem zur Lokalisierung bestimmt.
Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Gegenstands, wobei das Verfahren umfasst: Projizieren von Licht von einer oder mehreren Lichtquellen auf eine Oberfläche; Empfangen von reflektiertem Licht von einem oder mehreren Lichtpunkten auf der Oberfläche; Detektieren von reflektiertem Licht von dem einen oder der mehreren Lichtpunkte unter Verwendung eines Detektors, welcher an dem Gegenstand angebracht ist; und Bestimmen der Position des Gegenstands mit einer Datenverarbeitungseinheit, welche an dem Gegenstand angebracht ist, basierend auf dem reflektierten Licht, welches durch den Detektor detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Oberfläche auf welche das Licht projiziert wird eine Wand, Decke oder eine Kombination davon ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei mindestens eine der einen oder mehreren Lichtquellen an dem Gegenstand angefügt ist.