CN101802738A - 用来检测环境的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种被构造用于检测可移动的设备(4)的环境的系统(2)，此系统具有至少一个用来从视觉上检测环境的传感器(6)，还分别具有至少一个用来检测设备(4)的运动方向和方位的传感器(8、10)，其中此系统(2)被构造用于处理由传感器(6、8、10)提供的信息。本发明还涉及一种检测可移动的设备(4)的环境的方法。

Description

用来检测环境的系统
技术领域
本发明涉及一种用来检测环境的系统，还涉及一种用来检测环境的方法，还涉及一种计算机程序和一种计算机程序产品。
背景技术
对环境进行检测在此典型地规定用于在环境中活动的可移动的设备。此外，可在制图学上把检测到的环境成像，因此这种设备可自动地在环境中活动。
从文献WO 2004/059900A2中已知一种系统和方法，用来同时地进行视觉上的定位和成像。在此，使用了视学传感器，还使用了用来实施联合导航(dead reckoning)的传感器，以便进行同时的定位和成像。这种技术可用来给机器人进行导航。此外，还可以独立地生成和扩展地图。在此首先规定，将风景的特征(其存在于相应的数据库中)与此风景的已备好的光学图像进行比较和归类。在使用联合导航的情况下，选出风景的至少两个备好的图像，并识别出它的风景特征。此外，还确定此风景特征的位置坐标。下面，此位置坐标这样与风景特征相连，即因此实现导航。
发明内容
按本发明的系统被构造用于检测可移动的设备的环境。在此，此系统具有至少一个用来从视觉上检测环境的传感器，还分别具有至少一个用来检测设备的运动方向和方位的传感器。此外，此系统被构造用于处理由传感器提供的信息。
此系统或相应的设备例如适合用于自主的和/或自动的设备，所述设备自动地、因而独立地在环境或风景中运动。这种运动或移动的设备可构成为机器人。当然，例如机器人的一部分(例如机械臂)也可规定为所述可移动的设备。
在构造方案中规定，此系统与所述可移动的设备相连。在此，在此系统和设备之间可进行信息和数据的交换。此外还尤其可规定，此系统执行与所述设备相同的运动。相应地，此系统与设备这样进行共同作用，即此系统或此系统的至少单个元件(尤其是传感器)设置在所述设备中，设置所述设备旁或设置在所述设备上。
因为此系统检测到了可移动的设备的环境，所以通过此系统为可移动的设备确定了位置，和/或成像或测绘出了环境(所述设备在此环境中移动)。因此结果还有，借助此系统可为可移动的设备提供环境的图示。这种图示的数据可借助合适的存储器进行存储，此存储器从属于此系统和/或设备。借助存储的跟检测到的环境有关数据，还可在环境内监测所述设备的运动或运动进程，并因此进行闭环控制和/或开环控制。借助跟检测到的环境有关的数据，可在环境中实现所述设备的方位和/或导航。在检测环境时，通常考虑环境的整体空间特性，包含特征(例如风景特征)的存在，此特征在必要时也可构成为障碍物。
在本发明的实施例中，所述至少一个传感器用来在空间中检测可移动的设备的向量的方位或取向，此传感器被构造用于提供与所述设备无关的典型全局参照物的信息。相应地，用来检测方位的传感器或相应的模块检测有关所述设备的信息，此信息由全局的参照物提供，此参照物在检测方面置于可移动的设备上级。
在此，用来检测方位的传感器可构成为罗盘。借助罗盘，可确定此设备在哪个方向上取向和/或运动。在这种情况下规定，设置地磁场，作为所述独立的、全局的参照物。通常，所述设备的矢量方位通过两个参照点或一个预定的方向线来确定，例如在地磁场的情况下。
可代替或补充的是，此设备尤其可具有至少一个构成为GPS模块的传感器，用来检测所述设备的位置和/或方向，此传感器由卫星支持的Global Positioning System(全球定位系统)来确定所述设备的所在位置。
但还可考虑其它的全局参照物，所述至少一个用来检测方位的传感器指向或导向于此全局参照。因此，还可通过无线电网络来实现定位。
相应地，此设备例如还可具有两个相距的传感器，用来确定位置，它们分别在GPS的基础上检测到位置，并因此构成为GPS模块。当然，由两个这样测量到的位置导出的方位是不精确的，因为这两个构成为GPS模块的传感器典型地具有小的间距，因此很难精确地区分检测到的位置。在本发明的框架中相应地规定，例如在可简单的测量的场(例如地磁场)或通常全局参照物的基础上，应用所述设备的定位和方向，此全局参照物提供有关空间方向的二维的指明方向的信息。因此还可考虑，在至少两个参照点的基础上实现空间上定方位。在地磁场或其它任意的静止或确定的动态场的情况下，此至少两个的参照点通过场力线彼此相连。
当然在构造方案中还规定，此系统补充地具有至少一个GPS传感器或GPS模块。借助这种GPS传感器，可将罗盘补充进来，此GPS传感器因此承担了传感器的功能，此传感器是用来检测可移动的设备的方向。如果通过罗盘待探测的地磁场会被其它的外部电磁场干扰，则可这样应用GPS传感器。在这种情况下，GPS传感器可支持或代替罗盘的功能。尤其当所述设备运动时，可借助GPS传感器按时间顺序确定多个位置，并因此检测到运动的方向。
通过所述至少一个用来检测方位的、构成为罗盘的传感器，除了单纯地确定位置外，通常还在用于可移动的设备的空间中进行定位或定向。
总的说来，在一个变形方案中，此设备可具有至少一个传感器，用来检测出姿势，因此在空间中检测出所述设备的方位或方向和/或位置。
此外还可规定，此系统还具有处理单元，其中这种处理单元与所述的传感器这样进行共同作用，即此处理单元组合地(即同步地和/或总括地)处理由传感器提供的信息。此外，这种处理单元可具有已描述的存储器，或至少与这种存储器共同作用。
本发明还涉及一种方法，借助此方法可检测可移动的设备的环境，其中在此方法中可检测到与环境有关的视觉信息，还可检测到与所述设备的运动方向和方位有关的信息，其中对检测到的信息进行处理。
有关此方法的变形方案，检测到的信息被一起处理。通过视觉信息，提供环境的图像(通常是摄像或摄影)。这些信息、有关设备运动方向的其它信息和有关设备方位的信息被一起处理。
通过此方法，还确定了位置，和/或测绘了环境(所述设备在此环境中移动)。这还可意味着，由于所述设备在环境中运动，如果环境应构成为风景，则可确定环境特征(例如风景特征)的位置。因此，可借助此方法来执行视觉定位。
通过结合以下信息，即由视觉传感器提供的视觉信息、有关运动方向的信息(其由所述至少一个用来检测运动方向的传感器提供)、有关方位的信息(其由所述至少一个用来检测方位的传感器提供)，其中检测到的信息彼此相联结，可使风景的视觉图像归于一种姿态(通常是设备的方位和/或位置)。这还意味着，按照合适选定的空间参照系统，还可检测环境特征的姿态。借助所述至少一个视觉传感器，除了环境的质地方面的特征(这是指构造以及特征在环境中的布置)外，还可以检测数量方面的特征(即距离和位置)。因此借助所述至少一个视觉传感器，来识别环境或风景。借助用来检测运动方向或惯性和/或力矩的传感器，可三维地确定可移动的设备的运动。此外，借助有关运动方向的信息，可有利地执行视觉上的定位。
在评估由传感器检测到的信息时，例如可应用算法，用来基于可能性进行定位和成像，其中还可进行合适的估计。在使用优化和/或迭代方法的情况下，检测到的信息可尤其通过处理单元来相互匹配，因此可实现合乎逻辑的或无矛盾的、在细节中高分辨率的成像，并因此测绘出了环境。
还规定，按本发明的方法的所有步骤都是通过按本发明的系统或按本发明的系统的至少单个模块来执行。此外，此系统的单个功能或此系统的至少单个元件也可当作按本发明的方法的步骤来实现。
如果计算机程序设计在计算机或相应的计算单元中，尤其设计在相应的系统中，则本发明还涉及一种具有程序代码段的计算机程序，用来执行按本发明的方法的所有步骤。
如果计算机程序设计在计算机或相应的计算单元中，尤其设计在相应的系统中，则按本发明的、具有程序代码段的计算机程序构造得用来执行按本发明的方法的所有步骤，此计算机程序存储在计算机可读的数据载体中。
在构造方案中，用来检测环境的本方法可实现视觉定位和成像。在影像追踪和移动机器人导航的领域中，这种用来成像和定位的技术可例如用来提供所谓同时定位和成像(Simultanious Localisation and Mapping，SLAM)的运动结构，用于图像数据库定位等等。在此，至少一个摄像机(尤其是立体摄像机)可作为所述至少一个视觉传感器，用来从视觉上检测环境特征，或检测到移动的并因可携带设备的环境中的地标。
在已知的操作方法中，光学传感器与用来联合导航的传感器(如里程器或计步器)典型地结合起来，借助它可确定经过的路程，以便加强和(必要时)改善提供的光学信息。当然这种操作方法是不精确的。但在已知的操作方法中总是会累积误差(漂移)，因为在考虑全局的外部参照的情况下不可能为定位实现再同步。
但借助本发明，可依赖于时间和/或可移动的设备经过的路程来实现精确的定位。
在本发明的构造方案中，这种定位可通过传感器来进行，此传感器用来检测所述设备的方位和/或位置。这意味着，通过考虑外部的(即设置在设备外面的)、因而与所述设备无关的参照物，可在三维空间中确定可移动的设备的所谓姿态。按DIN EN ISO 8373，此姿态可表示位置和/或方位的组合。
在本发明的框架中还规定，通过把宽视角传感器作为视觉传感器(例如鱼眼摄像机、全景摄像机或所谓的视觉摄像机与所述至少一个用来确定运动方向的传感器(例如惯性传感器)以及罗盘系统(作为定方位的传感器)结合起来，作为此系统的元件，为可移动的设备提供视觉的定位模块，其中此系统只允许极少的累积误差，但在定位方面可实现很高的精度。
在构造方案中，用来视觉定位的系统具有至少一个宽视角传感器，作为视觉传感器，借助它可在较长的时间段和/或较长的距离中从光学上检测到环境的特征或风景特征。因此，大量简明扼要的特征或地标可作为参照物，用来实现定位。如果在成像过程中添加新的特征，则尤其是这种情况，例如在所谓的SLAM(Simultanious Localisation and Mapping)中是这种情况。
通过集成用于联合导航(dead reckoning)的传感器，可改善此系统或系统(用来进行视觉定位)的定位的精度。为此，例如里程器或计步器可用来估计移动目标的运动或经过的路程。
但在本发明中规定，传感器首先用来确定运动方向，因为它也适合用于无轮子或腿的设备。此外，在使用带轮子的设备时，例如在露天的环境中，用来确定运动方向的传感器不会受轮子滑溜或旋转的影响。因为里程器或计步器典型地与轮子和腿共同作用，这种传感器对于运动流程的不精确性是尤其敏感的。因此，这种传感器在此设备的构造中通常只是作为补充的辅助器件来用。在只使用里程器或计步器时，存在这样的危险，即在经过的路程方面提供错误的信息。此外，通过用来确定运动方向的传感器，可在所有的空间方向上检测到有关运动的信息，而里程器或计步器只在一个平面内提供有关运动的信息。
用来定位和成像的已知系统的缺点是，它通常不能认出返回到已找过的位置。这主要是在估计移动模块的运动方向上时，由于累积误差造成的。在本发明中还规定，在考虑外部的参照系统时(这借助所述至少一个用来定方位和(必要时)定位的传感器来实现)，此系统和(因而)所述设备可实现位置确定的同步。为此在构造方案中，设置罗盘或罗盘系统，作为用来定方位和定位的传感器，以便在确定运动方向时，通过估计或计算出的方向的同步，借助全局的参照系统(例如地磁场)，在使用磁性罗盘时避免累积误差。还可补充地引入位置确定的GPS模块，作为用来确定位置或定位的传感器，其利用卫星支持的全球定位系统(GPS)作为全局参照。
适用于此系统和/或方法的设备典型地具有前行机构，这种设备借助此前行机构可在环境中运动。此前行机构可构成为轮子、履带或轨道链或腿。
本发明的其它优点和构造从描述和附图中得出。
可理解，上述和下面还将阐述的特征不仅能以说明的组合进行应用，还能以其它的组合或单独地进行应用，而不会离开本发明的框架。
附图说明
下面借助实施例在附图中示意性地描述了本发明，并在直面参照附图详细地描述了本发明。
图1在示意图中示出了按本发明的系统的实施例，此系统构成为可移动的设备的组成部分。
具体实施方式
此系统2在图1中示意示出的实施例构成了可移动的设备4的一个元件，它在此用虚线表示。此系统4在此具有宽视角摄像机，它设置成视觉或光学的传感器6；还具有传感器8，用来确定设备4的运动方向；还具有构成为罗盘的传感器10，用来确定所述设备4的方位；还具有处理单元21，它在检测环境(所述设备4在此环境中运动)的框架中，用来合并进行视觉定位和成像的数据。
这个用来视觉定位的系统2被构造用于利用由视觉传感器6提供的信息，用来识别风景的特征以及还有地标，如同在用于定位操作方法的框架中所规定的一样。在此，此处设置的视觉传感器6可以再次认出已检测过一次的特征，因此在今后的检测过程中可正确地识别并因此认出这些特征。
借助用来确定运动方向的传感器8，在投影的基础上，在考虑到由视觉传感器6从环境中提供的图像的特征时，以及在考虑到由传感器8、10(其用来确定设备4的运动方向和方位)检测到的运动的特征时，计算出环境特征的三维位置。在此实施例中，在应用了信息的深度或差别的情况下，这在所谓的“Stereo From Motion”计算的框架中进行。
根据这样进行的测量，所述特征及其三维位置与在视觉传感器6上的二维投影一起通过一种算法被计算出基于可能性的定位和成像，例如借助卡尔曼滤波器或粒子滤波器，用来连续地估计设备4的位置和方向(姿态)。在此，对设备4的运动方向的估计目持续地与由传感器10(用来确定方位)检测到的信息进行比较。此外，还产生了用于设备4的方位的修正项，并用来强化评估。在这种用于连续评估的操作方法中，持续地由此系统2添加环境的新特征，并因此给用于定位和成像的算法添加地标。此外，始终检测已经成像的并因此描绘的特征的再识别质量，其中这种重复检测到的特征在必要时从用于定位和成像的运算法测中去除。因此还可以在变化的外界和环境中估计出设备4的姿态。
为了确定设备4移动的方向，此系统2可具有至少一个此处未示出的GPS传感器。
此系统2可应用在自主的移动平台上，例如吸尘器、割草机、花园机器人、传送器和类似物体上。此外，还可考虑用在工业机器人中，因此这种机器人可确定机器人臂的位置。同样，可应用在自动化的3D测量系统中，它例如用来自动地测量空间。

Claims (13)

1.一种用来检测可移动的设备(4)的环境的系统，此系统具有至少一个用来从视觉上检测环境的传感器(6)，还分别具有至少一个用来检测设备(4)的运动方向和方位的传感器(8、10)，其中所述系统(2)被构造用于处理由所述传感器(6、8、10)提供的信息。
2.按权利要求1所述的系统，其中所述至少一个用来检测方位的传感器(10)被构造用于提供与所述设备(4)无关的全局参照物的信息。
3.按权利要求1或2所述的系统，此系统与所述设备(4)这样连接，即此系统(2)执行与所述设备(4)相同的运动。
4.按上述权利要求中任一项所述的系统，其中所述至少一个用来检测方位的传感器(10)构成为罗盘。
5.按上述权利要求中任一项所述的系统，此系统具有至少一个用来检测所述设备(4)位置的传感器。
6.按上述权利要求中任一项所述的系统，其中此系统具有至少一个用来检测所述设备(4)方向的GPS传感器。
7.按上述权利要求中任一项所述的系统，其中此系统具有至少一个处理单元(21)，此处理单元(21)被构造用于组合地处理由所述传感器(6、8、10)提供的信息。
8.一种用于检测可移动的设备(4)的环境的方法，其中在此方法中可检测到与环境有关的视觉信息，还可检测到与所述设备(2)的运动方向和方位有关的信息，其中对检测到的信息进行处理。
9.按权利要求8所述的方法，其中在视觉上确定位置并测绘出环境。
10.按权利要求8或9所述的方法，其中根据设备(4)在环境中的运动来确定环境特征的位置。
11.按权利要求8至10中任一项所述的方法，其中应用算法，用来基于可能性进行定位和成像。
12.一种具有程序代码段的计算机程序，如果计算机程序设计在计算机或相应的计算单元中，尤其设计在按权利要求1至7中任一项所述的系统中，则它用来执行按权利要求8至11中任一项所述的方法的所有步骤。
13.一种具有程序代码段的计算机程序，其存储在计算机可读的数据载体中，如果计算机程序设计在计算机或相应的计算单元中，尤其设计在按权利要求1至7中任一项所述的系统中，则它用来执行按权利要求8至11中任一项所述的方法的所有步骤。
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