CN103674011B - 即时定位与地图构建设备、系统与方法 - Google Patents

Abstract

公开了即时定位与地图构建设备、系统与方法。所述设备，包括：即时定位与地图构建单元，用于在未知环境下进行即时定位与地图构建；通信单元，用于与外部的引导系统通信以获取直接的地图或定位信息，且与外部的区域服务器通信以获取区域地图信息；以及处理单元，用于基于通信单元获得的数据，进一步修正所述即时定位与地图构建单元获得的即时定位与地图构建的结果，同时将其经由通信单元发送回所述区域服务器以便对区域地图进行更新。

Description

即时定位与地图构建设备、系统与方法

技术领域

本发明涉及即时定位与地图构建设备、系统与方法。更具体地说，涉及能够更快速定位且可持续进行即时定位与地图构建的设备、系统和方法。

背景技术

即时定位与地图构建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）是目前在机器人定位方面的热门研究课题。所谓SLAM就是将移动机器人定位与环境地图创建融为一体，即机器人在运动过程中根据自身位姿估计和传感器对环境的感知构建增量式环境地图，同时利用该地图实现自身的定位。

机器人的导航性能受到其获取环境（如，地图）和当前位置的信息的能力限制。周围地图和当前位置的准确和及时更新可以在路径寻找、路径规划、碰撞避免和其他任务方面向机器人提供更大的自由度。

然而，由于存储容量和计算性能的限制，自开发式移动机器人在不丢弃其自身数据的情况下，不能在未知的、开放环境中长时间进行SLAM。并且，仅依靠机器人自身的能力，即时定位与地图构建耗时较长且效果不好。

针对该问题，一种可能的解决方案是：机器人局部地进行SLAM，而不分发其结果用于长期使用，例如在项目Turtle和PR1/PR2上采用的WillowGarage/Google’s RGB-D SLAM。但是，该方案的缺点在于，由于硬件的限制，单个机器人开发大区域的能力也受限。

另外，在现有技术中，移动机器人也可以通过外部摄像头的引导，由单个服务器操控，并且关于特定任务进行协作。然而，这些机器人受限于被引导摄像头覆盖的特定区域。

发明内容

鉴于以上问题，本发明提出了一种新的即时定位与地图构建设备、系统和方法，其中通过引入外部引导装置，可以更好地协助机器人导航，从而实现更快速准确的即时定位与地图构建。另外，由于机器人与系统内的服务器通信从而动态地加载或释放其地图数据，因此能够实现可持续即时定位与地图构建。

根据本发明的一个方面，提供了一种可移动电子设备，包括：

即时定位与地图构建单元，用于在未知环境下进行即时定位与地图构建；

通信单元，用于与外部的引导系统通信以获取直接的地图或定位信息，且与外部的区域服务器通信以获取区域地图信息；以及

处理单元，用于基于通信单元获得的数据，进一步修正所述即时定位与地图构建单元获得的即时定位与地图构建的结果，同时将其经由通信单元发送回所述区域服务器以便对区域地图进行更新，其中

所述引导系统观测和识别处于其视线范围内的可移动电子设备，并获取直接的地图或定位信息；并且

所述区域服务器与其区域内的可移动电子设备通信以获取其构建的地图信息，并与其区域内的外部引导系统通信以获取直接的地图或定位信息，从而构建区域地图。

优选地，在根据本发明的可移动电子设备中，所述通信单元还将构建的地图上传到网络。

优选地，在根据本发明的可移动电子设备中：

所述通信单元经由网络与全局服务器通信，以向其请求获取与之对应的区域服务器的数据；

并且其中，所述全局服务器与所述区域服务器通信，以获取地图信息。

根据本发明的另一方面，提供了一种即时定位与地图构建系统，包括：

可移动电子设备，用于在未知环境中进行即时定位与地图构建；

引导系统，用于观测和识别处于其视线范围内的可移动电子设备，并获取直接的地图或定位信息；

区域服务器，与其区域内的可移动电子设备通信以获取其构建的地图信息，并与其区域内的外部引导系统通信以获取直接的地图或定位信息，从而构建区域地图；

其中所述可移动电子设备与外部引导系统通信以获取直接的地图或定位信息，与区域服务器通信以获取区域地图信息，并在其自身构建的地图的基础上，参照直接的地图或定位信息和区域地图信息，进一步修正即时定位与地图构建的结果，同时将其发送回所述区域服务器以便对区域地图进行更新。

优选地，在根据本发明的系统中，所述可移动电子设备还将其构建的地图上传到网络。

优选地，根据本发明的可移动电子设备进一步包括：

全局服务器，用于通过网络响应用户或可移动电子设备的请求，向其分配与之对应的区域服务器，并且其中，

全局服务器与所述区域服务器通信，或者通过网络与可移动电子设备通信，以获取地图信息。

与外部导航系统进行信息交互，以达到协助导航的功能，然后从权说可以收地图信息。或者根据自己的摄像头来更新地图信息等。

根据本发明的再一方面，提供了一种即时定位与地图构建方法，包括如下步骤：

在未知环境中进行即时定位与地图构建；

与外部引导系统通信以获取直接的地图或定位信息；

与区域服务器通信以获取区域地图数据；

在其自身构建的地图的基础上，参照直接的地图或定位信息和区域地图数据，进一步修正即时定位与地图构建的结果；

将修正后的结果发送回所述区域服务器以进行更新，

其中通过外部引导系统，观测和识别处于其视线范围内的可移动电子设备，以获取直接的地图或定位信息；并且

通过区域服务器，与其区域内的可移动电子设备通信以获取其构建的地图信息，并与外部引导系统通信以获取直接的地图或定位信息，从而构建区域地图。

优选地，根据本发明的方法进一步包括：将所构建的地图上传到网络。

优选地，根据本发明的方法进一步包括：

经由网络向全局服务器请求分配与之对应的区域服务器，并且其中

全局服务器与所述可移动电子设备和所述区域服务器通信，以获取地图信息。

在根据本发明实施例的即时定位与地图构建设备、系统和方法中，由于采用了引导系统，从而能够实现更快速的各区域中的机器人的定位处理。另外，由于机器人可以动态地加载和释放有用地图，并且可以从区域服务器获得地图或路径服务，因此在机器人的电力允许的情况下，能够实现持续的即时定位与地图构建。并且，由于机器人可以通过网络将其构建的地图上传至全局服务器，因此服务器可以及时地扩展和更新全局地图。

附图说明

图1是示出了根据本发明实施例的可移动电子设备的配置的框图；

图2是示出了根据本发明实施例的即时定位与地图构建系统的配置的框图；以及

图3是示出了根据本发明实施例的即时定位与地图构建方法的流程的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的各个优选的实施方式进行描述。提供以下参照附图的描述，以帮助对由权利要求及其等价物所限定的本发明的示例实施方式的理解。其包括帮助理解的各种具体细节，但它们只能被看作是示例性的。因此，本领域技术人员将认识到，可对这里描述的实施方式进行各种改变和修改，而不脱离本发明的范围和精神。而且，为了使说明书更加清楚简洁，将省略对本领域熟知功能和构造的详细描述。

首先，将参照图1描述根据本发明实施例的、用于即时定位与地图构建的可移动电子设备。

如图1所示，可移动电子设备100包括：即时定位与地图构建单元101、通信单元102和处理单元103。

即时定位与地图构建单元101在未知环境下进行即时定位与地图构建。

通信单元102与外部的引导系统200通信以获取直接的地图或定位信息，且与外部的区域服务器300通信以获取区域地图信息。这样，可移动电子设备不仅可以通过自身执行即时定位与地图构建来获得地图信息或进行路径规划，而且可以部分参照或完全依靠外部辅助装置（如，这里的引导系统200和区域服务器300）获得地图信息或进行路径规划，从而一方面能够更快速准确地进行SLAM，另一方面还能够有效地节省自身资源。

处理单元103基于通信单元102获得的数据，进一步修正所述即时定位与地图构建单元获得的即时定位与地图构建的结果。这样获得的结果的可靠性更高。同时将经修正的结果经由通信单元发送回所述区域服务器以便对区域地图进行更新，从而保证区域服务器中的地图信息的可靠性。

另外，通信单元102还可以将构建的地图上传到网络。其他可移动电子设备或用户经由网络可以共享该可移动电子设备构建的地图。

并且，通信单元102还可以经由网络与全局服务器400通信，以向其请求获取与之对应的区域服务器的数据。这里的全局服务器不直接参加地图构建，只作为全球访问的协调，例如，管理全球性机器人与区域服务器的数据库。

这里，通信单元102通过无线的方式（如，wifi、2.4G、3G方式）与外部设备传输数据。此外，以上提及的引导系统200、区域服务器300和全局服务器400将在下文中详细描述。

接下来，参照图2描述根据本发明实施例的即时定位与地图构建系统的配置的框图。

如图2所示，所述系统包括可移动电子设备100、引导系统200、区域服务器300。

可移动电子设备100已经在上文中描述，故为了简明起见，这里不再赘述。

引导系统200可以包括多个联网的光学或红外摄像头，以观测和识别处于其视线范围内的可移动电子设备，并获取直接的地图或定位信息。当然，根据本发明的引导系统并不仅限于此。本领域的技术人员可以理解，其他类型的引导系统也是可行的，例如，通过光波反馈进行引导的系统。

区域服务器300与其区域内的可移动电子设备通信以获取其构建的地图信息，并与其区域内的外部引导系统通信以获取直接的地图或定位信息，从而构建区域地图。需要指出的是，这里的可移动电子设备可以是多个。

在所述系统中，所述可移动电子设备与引导系统200通信以获取直接的地图或定位信息，与区域服务器300通信以获取区域地图信息，并在其自身构建的地图的基础上，参照直接的地图或定位信息和区域地图信息，进一步修正即时定位与地图构建的结果，同时将其发送回所述区域服务器以便对区域地图进行更新。

具体来说，当可移动电子设备100工作时，可申请引导系统200的支持。由于引导系统200例如可以包括摄像头，因此其可以容易地获得视线范围内的直接的地图数据。在可移动电子设备申请之后，引导系统200可以将其获得的直接地图数据发送给可移动电子设备100以达到辅助导航的目的。另外，当可移动电子设备100工作时，可以把通过其自身在较小范围内的进行即时定位与地图构建获得的地图数据（例如，以10m的量级）发送给区域服务器。区域服务器300将这些数据整合，修正或扩展区域服务器上的地图数据。进一步，当可移动电子设备需要进行较大范围移动时，可申请区域服务器300的支持，此时区域服务器300可以将大区域地图（以较小比例尺）和路径信息发送给可移动电子设备100，以便指导该可移动电子设备移动路线。

举例来说，在一未知环境中，当可移动电子设备100移动到一障碍物前时，通过其自身的现有地图信息无法确定该障碍物的存在，此时可移动电子设备100可以与覆盖该区域的引导系统200通信，由于引导系统200易于获得该区域的地图（例如，在引导系统200包括摄像头的情况下，其可以直接拍摄该区域的图像），因此可以通知可移动电子设备100前方有障碍，需绕行。需要指出的是，即使在引导系统200是摄像头的情况下，由于拍摄角度的不同，其获得的图像并不一定能够反映正确的地图信息。另外，由于区域服务器300可以与区域内的多个可移动电子设备通信，因此可以将多个可移动电子设备的地图数据汇总为一个信息相对丰富的区域地图。在以上情况下，区域服务器300可以查看其自身存储的区域地图，并向可移动电子设备100通知前方有障碍或无障碍。当引导系统200和区域服务器300向可移动电子设备通知的信息矛盾时，可移动电子设备100基于预定准则，在其之间进行权衡，以确定相信哪一方的数据。例如，如果可移动电子设备100认为区域服务器300中的数据有误，则将修正后的正确数据发送给区域服务器300以便更新。

当然，对于一处障碍，还可能存在可移动电子设备、引导系统和区域服务器的信息不一致的其他情况。总之，可移动电子设备可以综合三方（即，其自身、引导系统和区域服务器）的数据，获得相对准确的信息，并对不正确的信息进行修正。

此外，所述系统还可以进一步包括：全局服务器400，用于通过网络响应用户或可移动电子设备的请求，根据它们的位置向其分配与之对应的区域服务器，并且其中，全局服务器与所述区域服务器通信，或者通过网络与可移动电子设备通信，以获取地图信息。如上文中所述，全局服务器不直接参加地图构建，只作为全球访问的协调。当用户或可移动电子设备通过互联网访问想知道某区域的情况时，全局服务器将重新定向服务器，将用户或可移动电子设备的请求转发给该区域的区域服务器，并由相应的区域服务器提供具体数据服务。

此外，根据本发明实施例的即时定位与地图构建系统可以包括多个可移动电子设备100。如上文中所述，单个可移动电子设备可以与区域服务器、引导系统通信，以实现快速准确的导航定位同时有效节省资源。但是，需要指出的是，多个可移动电子设备间也可以实现数据交互。多个可移动电子设备间可以直接连接，例如通过自带射频模块，也可以通过区域服务器推送信息。当多个可移动电子设备不在同一区域时，换言之，当多个可移动电子设备分属不同的区域服务器时，区域服务器可以通过相互广播和全局服务器的支持，寻找相关的区域服务器，并完成数据推送。

例如，当可移动电子设备100B到达某一陌生区域，但可移动电子设备100A曾经访问并以SLAM扫描过该区域时，可移动电子设备100B既可以对其进行重新SLAM，向对应的区域服务器发送自身构建的地图数据以更新该区域地图数据，也可以利用区域服务器端由可移动电子设备100A生成的地图信息快速地通过该区域，也就是说，可移动电子设备100B可以不进行即时定位与地图构建。

在上文中，描述了根据本发明实施例的即时定位与地图构建设备和系统。在这种新的架构中，全局服务器向用户和/或可移动电子设备提供唯一的入口，并将它们的请求重新引导至与其位置对应的区域服务器。区域服务器可以向用户和/或可移动电子设备提供诸如地图查询和路径规划之类的服务器。同时，作为2D或3D区域地图构建者，区域服务器可以与多个可移动电子设备和其他连接装置通信，以构建地图。引导系统是可移动电子设备定位系统的一种实现，其例如通过使用摄像头来观测和识别在其视线范围内的可移动电子设备。多个可移动电子设备可以与区域服务器通信以便构建地图和定位，并且可以贡献它们所发现的地图。另外，可移动电子设备还可以通过因特网与用户交互，或者从引导系统获得直接的地图或定位信息。

接下来，将通过参照图3描述根据本发明实施例的即时定位与地图构建方法。

如图3所示，所述方法包括如下步骤：

在步骤S301，可移动电子设备在未知环境中进行即时定位与地图构建。

然后，在步骤S302，可移动电子设备与外部引导系统通信以获取直接的地图或定位信息，并且与区域服务器通信以获取区域地图数据；

接下来，在步骤S303，可移动电子设备在其自身构建的地图的基础上，参照直接的地图或定位信息和区域地图数据，进一步修正即时定位与地图构建的结果。

最后，在步骤S304，将修正后的结果发送回所述区域服务器以进行更新。

其中，通过外部引导系统，观测和识别处于其视线范围内的可移动电子设备，以获取直接的地图或定位信息；并且通过区域服务器，与其区域内的可移动电子设备通信以获取其构建的地图信息，并与外部引导系统通信以获取直接的地图或定位信息，从而构建区域地图。

另外，所述方法还可以包括通过所述可移动电子设备还将其构建的地图上传到网络的步骤。

此外，所述方法还可以进一步包括：经由网络向全局服务器请求分配与之对应的区域服务器。其中全局服务器与所述可移动电子设备和所述区域服务器通信，以获取地图信息。

在上文中，已经参照图1到图3描述了根据本发明的即时定位与地图构建设备、系统和方法的优选实施例。

需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后，还需要说明的是，上述一系列处理不仅包括以这里所述的顺序按时间序列执行的处理，而且包括并行或分别地、而不是按时间顺序执行的处理。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的硬件平台的方式来实现，当然也可以全部通过软件来实施。基于这样的理解，本发明的技术方案对背景技术做出贡献的全部或者部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

以上对本发明进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种可移动电子设备，包括：

即时定位与地图构建单元，用于在未知环境下进行即时定位与地图构建；

通信单元，用于与外部的引导系统通信以获取直接的地图或定位信息，且与外部的区域服务器通信以获取区域地图信息；以及

处理单元，用于基于通信单元获得的数据，进一步修正所述即时定位与地图构建单元获得的即时定位与地图构建的结果，同时将其经由通信单元发送回所述区域服务器以便对区域地图进行更新，其中

所述引导系统观测和识别处于其视线范围内的可移动电子设备，并获取直接的地图或定位信息；并且

所述区域服务器与其区域内的可移动电子设备通信以获取其构建的地图信息，并与其区域内的外部引导系统通信以获取直接的地图或定位信息，从而构建区域地图。

2.根据权利要求1所述的可移动电子设备，其中所述通信单元还将构建的地图上传到网络。

3.根据权利要求1所述的可移动电子设备，其中：

所述通信单元经由网络与全局服务器通信，以向其请求获取与之对应的区域服务器的数据；

并且其中，所述全局服务器与所述区域服务器通信，以获取地图信息。

4.一种即时定位与地图构建系统，包括：

可移动电子设备，用于在未知环境中进行即时定位与地图构建；

引导系统，用于观测和识别处于其视线范围内的可移动电子设备，并获取直接的地图或定位信息；

区域服务器，与其区域内的可移动电子设备通信以获取其构建的地图信息，并与其区域内的外部引导系统通信以获取直接的地图或定位信息，从而构建区域地图；

其中所述可移动电子设备与外部引导系统通信以获取直接的地图或定位信息，与区域服务器通信以获取区域地图信息，并在其自身构建的地图的基础上，参照直接的地图或定位信息和区域地图信息，进一步修正即时定位与地图构建的结果，同时将其发送回所述区域服务器以便对区域地图进行更新。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述可移动电子设备还将其构建的地图上传到网络。

6.根据权利要求4所述的系统，进一步包括：

全局服务器，用于通过网络响应用户或可移动电子设备的请求，向其分配与之对应的区域服务器，并且其中，

全局服务器与所述区域服务器通信，或者通过网络与可移动电子设备通信，以获取地图信息，

与外部导航系统进行信息交互，以达到协助导航的功能。

7.一种即时定位与地图构建方法，包括如下步骤：

可移动电子设备在未知环境中进行即时定位与地图构建；

所述可移动电子设备与外部引导系统通信以获取直接的地图或定位信息；

所述可移动电子设备与区域服务器通信以获取区域地图数据；

所述可移动电子设备在其自身构建的地图的基础上，参照直接的地图或定位信息和区域地图数据，进一步修正即时定位与地图构建的结果；

将修正后的结果发送回所述区域服务器以进行更新，

其中通过外部引导系统，观测和识别处于其视线范围内的可移动电子设备，以获取直接的地图或定位信息；并且

通过区域服务器，与其区域内的所述可移动电子设备通信以获取其构建的地图信息，并与外部引导系统通信以获取直接的地图或定位信息，从而构建区域地图。

8.根据权利要求7所述的方法，其中通过所述可移动电子设备还将其构建的地图上传到网络。

9.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：

经由网络向全局服务器请求分配与之对应的区域服务器，并且其中

全局服务器与所述可移动电子设备和所述区域服务器通信，以获取地图信息。