CN103186140B

CN103186140B - 移动平台的导航方法与系统

Info

Publication number: CN103186140B
Application number: CN201210249303.8A
Authority: CN
Inventors: 吴建峰; 刘彦辰; 吴宗亮; 王俊杰; 钟裕亮
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2012-07-18
Publication date: 2016-04-27
Anticipated expiration: 2032-07-18
Also published as: CN103186140A; US8688308B2; TWI439834B; TW201327078A; US20130158775A1

Abstract

移动平台的导航方法与系统。该导航系统包括多个标记反射柱及移动平台。多个标记反射柱用以标记一范围。移动平台在范围内移动并包括定位系统接收器、激光测距模块及处理器。定位系统接收器定位移动平台的坐标位置及方向。激光测距模块发射至少一激光分别测量标记反射柱与移动平台的距离与相对方位。处理器根据移动平台的坐标位置及方向与该等标记反射柱的距离推算该等标记反射柱的绝对位置及范围。移动平台持续以激光测距模块扫描追踪标记反射柱并校正移动平台的坐标位置及方向及标记反射柱的绝对位置，藉以控制移动平台于范围内移动。

Description

移动平台的导航方法与系统

技术领域

本发明涉及一种导航方法及系统，且特别涉及一种移动平台的导航方法及系统。

背景技术

随着科技的发展，服务型机器人渐渐的取代了许多传统人力劳务工作，各种室内外机器人也在欧美等市场渐渐普及。而目前户外移动平台高精度导航，最主要的应用场合，就是在户外服务型机器人。根据WinterGreenResearch，Inc的市场报告统计资料(RobotHomeCleaning，Cooking，PoolCleaning，andLawnMowingMarketStrategy，MarketShares，andMarketForecasts，2008-2014)显示，且目前户外服务型机器人仍属未成熟但是有高度发展潜力的市场，其中如割草机器人市场规模将会达在2014年会到305亿美元的规模。

户外移动平台，顾名思义，主要用于户外大面积的工作，在许多场合环境里，例如，高尔夫球场、公园、家庭前后院等环境，是非常有用的产品。而关键技术中，户外移动平台的导航为最重要的一环及最有价值的关键零组件，也是此类移动平台工作效率好坏的所在。但是目前户外移动平台的导航技术皆有其局限性。

现有技术例如美国专利US5341540案(Processandautonomousapparatusfortheautomaticcleaningofgroundareasthroughtheperformanceofprogrammedtasks)，此专利需包括一定位系统且装设该机器人的工作区域需具有“放置于一固定的参考点的信号标”。而此系统可避免已知的障碍物，并通过该信号标所传送的信号使其返回其原先程序设计的路径。但该系统需重要的使用者设定与内建的计算力，成本较高。

另外，现有技术例如美国专利US6417641(Navigationmethodandsystemforautonomousmachineswithmarkersdefiningtheworkingarea)，此专利采用导引电缆方式导航，需安装一金属线，利用塑胶钉将电线固定在草坪上，划定虚拟边界，电线所围绕的起点与终点必须以充电座为中心形成一个闭回路。电线通上电流，割草机器人的底部前端设有电磁传感器，当触动到导引电缆时，机器人会自动转向避开，以保护草坪之外非工作区域的安全，但是若有小孩或小动物闯入工作安全区则无法保障误闯者的安全。且此专利因利用导线及塑胶钉安装，如果需维修则增加拆卸的困难。

此外，现有技术例如美国专利US2006/0012777A1(Combinationlasersystemandglobalnavigationsatellitesystem)。此篇专利也是采用结合激光与卫星导航的定位方法/装置，使用者需在两个以上的不同位置，装上定位装置。其中该定位装置包含了GPS接收器与激光发射/接受器，装置接收了GPS信号后，同时发射激光信号去寻找其他同类型的装置，并尝试接收其他同类型装置所发射的激光信号，藉此校正GPS的位置误差。但以此方式，每一个定位点都需要同时发射与接收激光信号，在成本上和使用便利度上皆有其限制。

再者，现有技术例如美国专利US7840352(Methodandsystemforautonomousvehiclenavigation)。此篇专利乃是采用激光扫描仪结合陀螺仪与GPS确认标记的位置与范围。如果要实施此专利则需有两种标记，包含直线标记与转角标记，并搭配激光扫描仪，当激光扫描仪扫过直角标记时，因所扫描到的形状不同，则可以判别转角的相对位置，而其绝对的标记位置则是由GPS确认绝对坐标并由陀螺仪判断激光扫描的角度，合成标记的绝对坐标。本方法所采用的陀螺仪在以马达为动力的无人自走车可能会有严重的干扰产生。

有鉴于此，一种更进一步用于户外且提高工作效率的移动平台的导航方法及系统是有待开发的。

发明内容

本发明提供一种移动平台的导航方法及系统。

本发明提供实施例的一种移动平台的导航方法，用于一系统中，该装置包括多个标记反射柱及一移动平台，其中该移动平台还包括一定位系统接收器、一激光测距模块及一处理器，该方法包括：放置该等多个标记反射柱以标记一范围；通过该定位系统接收器接收该移动平台的一坐标位置及方向；通过该激光测距模块发射至少一激光分别测量与该等标记反射柱与该移动平台之间的距离与相对方位；根据该移动平台的坐标位置及方向与该等标记反射柱的距离与相对方位，推算该等标记反射柱的绝对位置及该范围；以及持续以该激光测距模块扫描追踪该等标记反射柱，并持续校正该移动平台的坐标位置及方向及该等标记反射柱的绝对位置，藉以控制该移动平台于该范围内移动。

本发明又提供实施例的一种移动平台的导航系统，包括：多个标记反射柱，标记一范围；一移动平台，用于该范围内移动，包括：一定位系统接收器，定位该移动平台的一经纬度；一激光测距模块，发射至少一激光分别测量与该等标记反射柱与该移动平台之间的距离与相对方位；一处理器，耦接于该定位系统接收器及该激光测距模块，根据该移动平台的坐标位置及方向与该等标记反射柱的距离与相对方位推算该等标记反射柱的绝对位置及该范围；其中，该移动平台持续以该激光测距模块扫描追踪该等标记反射柱，并持续校正该移动平台的坐标位置及方向及该等标记反射柱的绝对位置，藉以控制该移动平台于该范围内移动。

为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1是显示本发明一实施例的移动平台的导航系统的架构示意图；

图2是显示本发明一实施例的移动平台的区块示意图；

图3A是显示本发明一实施例的激光测距模块的光路机构图；

图3B是显示本发明一实施例的激光测距模块的剖面图；

图4是显示本发明一实施例的移动平台的操作示意图；

图5是显示本发明实施例的移动平台的操作流程图。

【主要元件符号说明】

100～移动平台的导航系统；

101～104～标记反射柱；

110～移动平台；

112～定位系统接收器；

114～激光测距模块；

116～处理器；

201～范围边界；

θ～角度；

R～直径；

A-A～截线；

L1～L4～距离；

301～发射源；

302～接收器；

303～遮蔽板；

304～接收孔；

S401～S411～步骤。

具体实施方式

为了让本发明的目的、特征、及优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附图示图1至图5，做详细的说明。本发明说明书提供不同的实施例来说明本发明不同实施方式的技术特征。其中，实施例中的各元件的配置为说明之用，并非用以限制本发明。且实施例中图式标号的部分重复，为了简化说明，并非意指不同实施例之间的关联性。

本发明实施的导航系统其具有多个标记反射柱及一移动平台。一使用者可在一户外工作范围的顶点放置具有特殊材质可反射激光的标记反射柱，以标定移动平台的工作范围。接着，设置于移动平台内的定位系统与激光测距模块定出移动平台的经纬度与各标记反射柱的绝对位置，并利用激光测距模块随时校正移动平台的相对位置使其位置误差达到公分等级。

下文以数个实施例分别说明本发明的移动平台的导航系统及其方法流程。

图1是显示本发明一实施例的移动平台的导航系统100的架构示意图。

参考图1，移动平台的导航系统100包括多个标记反射柱101～104及一移动平台110。其中标记反射柱101～104可放置于户外以标记一工作范围。在一实施例中，摆放各标记反射柱101～104间的距离需大于定位误差以上。而移动平台110并于该工作范围内移动。

图2是显示本发明一实施例的移动平台110的示意图。该移动平台110包括一定位系统接收器112、一激光测距模块114及一处理器116。其中定位系统接收器112及激光测距模块114耦接至处理器116。其中该定位系统可为全球卫星定位系统(GlobalPositioningSystem，GPS)、全球导航卫星系统(GLObalNAvigationSatelliteSystem，GLONASS)、伽利略计划(Galileo)或卫星增扩系统(SatelliteBasedAugmentationSystem，SBAS)等系统。而在一实施例中，激光测距模块114经由一旋转平台设置于移动平台110之上方，并且可作360度的旋转。

在另一实施例中，激光测距模块114可在室外测量，并且所发射出的激光只对特定的反射材质作反射。

请参照第3A、3B图。图3A是显示本发明一实施例的激光测距模块114的光路机构图。图3B是显示本发明激光测距模块114的剖面图。其中图3B的激光测距模块114系自图3A的A-A截线所视的剖面图。在图3A中，激光测距模块114包括发射源301、接收器302与遮蔽板303，遮蔽板303上开设一接收孔304。由于已知激光测距模块因为在室外光噪度过大，故不易测量距离。因此本实施例在原有接收器外加上一开孔的遮蔽板，可使激光测距模块114接收特定的反射材料反射回来的激光且降低室外强光的影响。如图3A所示，接收孔304的直径大小R范围为0.5～15毫米(mm)之间。在图3B中，相似或相对应的元件将施予相似的标号，且已说明的特征将在以下说明中被省略。

此外，标记反射柱101～104的表面系使用一特定的反射材料，因为已知特定的反射材料的反射率，因此可以设定激光测距模块接收的感测值范围，使激光测距模块可辨识该特定的反射材料所反射回来的激光。其中反射材料的反射率须在60％以上，且须可以使入射光散射。应注意的是，激光测距模块114的反射孔直径与反射材料的反射率相关。如果使用的反射材料反射率越高，则激光测距模块114的反射孔直径可以越小。此外，标记反射柱系指任何具有该特定反射材料的反射物体，在一优选实施例中，激光测距模块发射的激光波长为650nm，反射材料为3M^TM6500系列SparkleHighGloss微晶立方角反光膜，针对此激光波长与反射材料设计的接收孔直径大小R约略为2毫米(mm)。但本领域的技术人员均可明了不应限定标记反射柱的形状于此。

如图1～图2所示，使用者摆放多个标记反射柱101～104以标记一范围，并将移动平台110放置于该范围内。首先，移动平台110先绕定位误差内的小区域移动，并由定位系统接收器112接收目前移动平台110目前的坐标位置及方向，坐标位置例如为经纬度。在一实施例中，定位系统为全球卫星定位系统，则定位系统的定位误差为3公尺。

激光测距模块114发射至少一激光分别搜寻所有的标记反射柱101～104，并测量标记反射柱101～104与该移动平台110之间的距离L1～L4。处理器116根据该移动平台110的经纬度与标记反射柱101～104的距离L1～L4推算并纪录各标记反射柱101～104的绝对位置及该范围，并判断是否各标记反射柱之间的间距均大于定位误差。如果有两标记反射柱之间距小于或等于定位误差，则处理器116则通知使用者重新摆放标记反射柱的位置。

移动平台110计算得到各标记反射柱101～104的绝对位置及该范围后，移动平台110可在该范围内开始工作并通过激光测距模块114持续发射激光及改变发射激光的角度以锁定距离该移动平台110最近的一第一标记反射柱101。值得注意的是，当移动平台110移动或转动时，激光测距模块114也会跟着转动，例如是通过旋转平台的转动，以保持锁定距离移动平台110距离最近的标记反射柱的状态。

当激光测距模块114锁定第一标记反射柱101时，处理器116持续校正该移动平台110目前工作的坐标位置，并判断该移动平台110是否接近一范围边界。如图4所示，如果该移动平台110接近一范围边界201，则寻找除了该第一标记反射柱101之外距离该移动平台110最接近的一第二标记反射柱102，并取得该移动平台110与第一标记反射柱101及第二标记反射柱102相对于移动平台之一夹角θ。激光测距模块140会持续在第一标记反射柱101及第二标记反射柱102之间持续发射激光锁定。如果该夹角θ达到180度时，则处理器160控制该移动平台110转向以避免超出该范围边界201。在另一实施例中，如果该夹角θ接近或达到180度时，则处理器160控制该移动平台110停止以避免超出该范围边界201。

在一些实施例中，如果移动平台110与最接近的标记反射柱距离过远或因地形因素无法持续追踪到该标记反射柱时，处理器160则控制激光测距模块140寻找另外一最接近的标记反射柱。在另一些实施例中，如果移动平台110根据先前处理器160所纪录各标记反射柱的绝对位置得知目前有另一更接近目前移动平台110所在的位置的标记反射柱时，则处理器160会控制激光测距模块140寻找目前最接近移动平台110的标记反射柱。

图5是显示本发明实施例的移动平台110的操作流程图。

参考图1～图4，首先，使用者摆放多个标记反射柱以标记一范围，并将移动平台放置于该范围内。在步骤S401中，定位系统接收器定位该移动平台目前的坐标位置与方向。在步骤S402中，激光测距模块发射至少一激光并进行原地旋转，以分别测量各个标记反射柱与移动平台之间的距离以及相对方位。接着，在步骤S403中，处理器通过定位系统接收器定位移动平台的坐标位置及方向，以及各个标记反射柱与移动平台之间的距离及相对方位，计算出所有标记反射柱的绝对位置。在步骤S404中，处理器判断各标记反射柱之间距是否大于定位误差。如果发现有标记反射柱之间距不大于定位误差时(步骤S404中的“否”)，在步骤S405中，则处理器则会发出信号通知使用者重新摆放标记反射柱的位置。如果各标记反射柱之间距均大于定位误差时(步骤S404中的“是”)。在步骤S406中，该处理器计算此范围，例如是所有反射柱所围绕的区域。在步骤S407中，移动平台开始进行工作。

在移动平台工作期间，在步骤S408中，激光测距模块以激光锁定距离该移动平台最近的一标记反射柱，并持续校正该移动平台的坐标位置及该标记反射柱的绝对位置。在步骤S409中，处理器判断移动平台是否接近一范围边界。如果该移动平台接近一范围边界时(步骤S409中的“是”)，在步骤S410中，则处理器寻找除上述标记反射柱之外距离该移动平台最接近的另一标记反射柱，以取得两标记反射柱相对于移动平台之间的一夹角，并判断此夹角是否大于180度。如果此夹角大于180度时(步骤S410中的“是”)，在步骤S411中，则处理器控制该移动平台转向，并持续在步骤S410中检测两标记反射柱相对于移动平台之间的夹角是否大于180度。在另一实施例中，如果此夹角接近或达到180度时(步骤S410中的“是”)，在步骤S411中，则处理器控制该移动平台停止。

如果该移动平台并无接近一范围边界(步骤S409中的“是”)以及处理器判断两标记反射柱相对于移动平台之间的夹角并不大于180度时(步骤S410中的“是”)，则回到步骤S407，移动平台持续进行工作。

由于定位系统为全球卫星定位系统时，接收器的定位误差约三至五公尺，而激光测距模块的误差小于1公分，亦即激光测距模块的误差小于定位系统的误差。因此，利用本发明的移动平台的导航系统，可通过放置于移动平台上方的激光测距模块及定位系统接收器测定出移动平台与标记反射柱的绝对位置及经纬度，并利用激光测距模块随时校正移动平台的相对位置使其位置误差达到公分等级。

此外，标记反射柱的数量可以依据使用者希望的工作范围、形状而增减组数。如果在工作范围内部如有已知的障碍物，例如，房屋、大树等障碍物，也可以布置标记反射柱或粘贴有特定的反射材料的反射片于障碍物上。当移动平台移动至障碍物周遭时，则会沿着障碍物边缘前进直到绕过障碍物并回到原路径中继续工作，且将障碍物的绝对位置存储并纪录起来。

本发明的技术可应用于各种户外的移动平台，例如，户外型服务机器人，并于工作中确切的计算出目前移动平台的工作位置与行进方向，存储并纪录工作路径与障碍物位置。利用本发明的系统可以大幅的加强移动平台的工作效率，而利用放置标记反射柱的方式可以增加移动平台使用的便利性，达到全自动、节省人力资源与时间消耗的目的。

虽然本发明已以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

Claims

1.一种移动平台的导航方法，用于一系统中，该系统包括多个标记反射柱及一移动平台，其中该移动平台还包括一定位系统接收器、一激光测距模块及一处理器，该方法包括：

放置所述多个标记反射柱以标记一范围；

通过该定位系统接收器接收该移动平台的一坐标位置及方向；

通过该激光测距模块发射至少一激光分别测量所述标记反射柱与该移动平台之间的距离与相对方位；

该处理器根据该移动平台的坐标位置及方向与所述标记反射柱的距离与相对方位，推算所述标记反射柱的绝对位置及该范围；以及

该处理器持续以该激光测距模块扫描追踪所述标记反射柱，并持续校正该移动平台的坐标位置及方向及所述标记反射柱的绝对位置，藉以控制该移动平台于该范围内移动；

其中所述标记反射柱之间的间距大于定位误差。

2.如权利要求1所述的移动平台的导航方法，其中该处理器在校正时，还包括下列步骤：

以激光锁定距离该移动平台最近的一第一标记反射柱，以持续校正该移动平台的该坐标位置；

如果该移动平台接近一范围边界，则寻找除该第一标记反射柱之外距离该移动平台最接近的一第二标记反射柱；

取得该移动平台与该第一标记反射柱及该第二标记反射柱相对于该移动平台的一夹角；以及

如果该夹角达到180度时，则控制该移动平台转向。

3.如权利要求1所述的移动平台的导航方法，其中该定位系统为全球卫星定位系统(GlobalPositioningSystem，GPS)、全球导航卫星系统(GLObalNAvigationSatelliteSystem，GLONASS)、伽利略计划(Galileo)或卫星增扩系统(SatelliteBasedAugmentationSystem，SBAS)。

4.如权利要求1所述的移动平台的导航方法，还包括使用一特定反射材料设于该标记反射柱的表面，该激光测距模块可辨识该特定反射材料所反射回来的激光，其中该特定反射材料的反射率须在60％以上，且须使入射光散射。

5.如权利要求4所述的移动平台的导航方法，其中该激光测距模块的反射孔的直径大小范围为0.5～15毫米(mm)之间。

6.一种移动平台的导航系统，包括：

多个标记反射柱，标记一范围；

一移动平台，用于该范围内移动，包括：

一定位系统接收器，定位该移动平台之一坐标位置及方向；

一激光测距模块，发射至少一激光分别测量所述标记反射柱与该移动平台之间的距离与相对方位；

一处理器，耦接于该定位系统接收器及该激光测距模块，根据该移动平台的坐标位置及方向与所述标记反射柱的距离与相对方位，推算所述标记反射柱的绝对位置及该范围；

其中，该移动平台持续以该激光测距模块扫描追踪所述标记反射柱，并持续校正该移动平台的坐标位置及方向及所述标记反射柱的绝对位置，藉以控制该移动平台于该范围内移动；

其中所述标记反射柱之间的间距大于定位误差。

7.如权利要求6所述的移动平台的导航系统，其中该处理器在校正时，该激光测距模块以激光锁定距离该移动平台最近的一第一标记反射柱，以持续校正该移动平台的该坐标位置；如果该移动平台接近一范围边界，则寻找除该第一标记反射柱之外距离该移动平台最接近的一第二标记反射柱；该处理器取得该移动平台与该第一标记反射柱及该第二标记反射柱相对于该移动平台的一夹角；如果该夹角达到180度时，则该处理器控制该移动平台转向。

8.如权利要求6所述的移动平台的导航系统，其中该定位系统为全球卫星定位系统(GlobalPositioningSystem，GPS)、全球导航卫星系统(GLObalNAvigationSatelliteSystem，GLONASS)、伽利略计划(Galileo)或卫星增扩系统(SatelliteBasedAugmentationSystem，SBAS)。

9.如权利要求6所述的移动平台的导航系统，其中该标记反射柱的表面系使用一特定反射材料，该激光测距模块可辨识该特定反射材料所反射回来的激光，其中该特定反射材料的反射率须在60％以上，且须使入射光散射。

10.如权利要求9所述的移动平台的导航系统，其中该激光测距模块的反射孔的直径大小范围为0.5～15毫米(mm)之间。