CN103776438B - 定位设备和系统、用于即时定位与地图构建的设备及方法 - Google Patents

Abstract

公开了定位设备和系统、用于即时定位与地图构建的设备及方法。所述定位设备，包括：两个或更多个摄像头，用于观测和识别处于其视线范围内的物体，其中各摄像头的底座固定在一起，并且各摄像头之间的光轴夹角可调节；定位处理单元，用于根据所述摄像头获得的数据确定定位结果；通信接口，用于与外部设备进行数据传输。

Description

定位设备和系统、用于即时定位与地图构建的设备及方法

技术领域

本发明涉及定位设备和系统、即时定位与地图构建设备及方法。更具体地说，涉及能够对视野范围内的物体进行定位和引导的定位设备和系统、能够在所述定位设备和系统的协助下更快速定位且可持续进行即时定位与地图构建的设备以及对应方法。

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。

移动机器人的精确和快速定位是机器人导航的关键技术，特别是在GPS不可用且其他定位设施（如，使用Wifi）不够精确的室内环境中。

在现有技术中，通常机器人使用用于自身定位的SLAM功能。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，当SLAM遭受沉重的计算负荷时，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采用外部光学摄像头和顶部彩色图案（on-top color pattern）来进行快速定位。但是，这种方案的缺点在于可扩展性差。这种系统专用于非常有限的应用或机制，如ROBOCUP，其中所有机器人均限于20平方米的区域内。

另一种可能的解决方案是机器人采用反射EM或声音信号来进行定位。但是，这种方案的缺点在于结果非常不精确，通常其偏差大于2米。

发明内容

鉴于以上问题，本发明提出了能够对视野范围内的物体进行定位和引导的定位设备和系统、能够在所述定位设备和系统的协助下更快速定位且可持续进行即时定位与地图构建的设备以及对应方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种定位设备，包括：

两个或更多个摄像头，用于观测和识别处于其视线范围内的物体，其中各摄像头的底座固定在一起，并且各摄像头之间的光轴夹角可调节；

定位处理单元，用于根据所述摄像头获得的数据确定定位结果；

通信接口，用于与外部设备进行数据传输。

根据本发明的另一个方面，提供了一种定位系统，包括：

多个定位设备，

其中多个定位设备中的每一个均包括：

两个或更多个摄像头，用于观测和识别处于其视线范围内的物体，其中各摄像头的底座固定在一起，并且各摄像头之间的光轴夹角可调节；

定位处理单元，用于根据所述摄像头获得的数据确定定位结果；

通信接口，用于与外部设备进行数据传输；

其中，以空间中的特定点作为基准点，预先设定所述多个定位设备中的每一个相对于该基准点的位置信息，并且

所述多个定位设备通过其中的通信接口相互通信以建立网络，共享各自的定位结果，进而获得预定区域范围内的局部定位结果。

优选地，在根据本发明的定位系统中，

所述定位设备进一步包括GPS模块，用于获得全局定位信息；并且

所述多个定位设备中的至少一个能够通过GPS模块获得全局定位信息，其他定位设备基于至少一个定位设备的全局定位信息以及相对于所述至少一个定位设备的位置信息，获得其自身的全局定位信息，进而获得预定区域范围内的全局定位结果。

根据本发明的又一个方面，提供了一种定位系统，包括：

多个定位设备，

服务器，用于接收来自所述多个定位设备的定位结果，获得预定区域范围内的局部定位结果，

其中多个定位设备中的每一个均包括：

两个或更多个摄像头，用于观测和识别处于其视线范围内的物体，其中各摄像头的底座固定在一起，并且各摄像头之间的光轴夹角可调节；

定位处理单元，用于根据所述摄像头获得的数据确定定位结果；

通信接口，用于与外部设备进行数据传输；并且

以空间中的特定点作为基准点，预先设定所述多个定位设备中的每一个相对于该基准点的位置信息。

优选地，在根据本发明的定位系统中，

所述定位设备进一步包括GPS模块，用于获得全局定位信息；并且

所述多个定位设备中的至少一个能够通过GPS模块获得全局定位信息，其他定位设备基于至少一个定位设备的全局定位信息以及相对于所述至少一个定位设备的位置信息，获得其自身的全局定位信息。

根据本发明的再一个方面，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，用于进行即时定位与地图构建；

第一通信接口，用于与外部定位设备进行数据传输，以便从所述定位设备获得关于所述可移动电子设备的定位结果从而协助进行即时定位与地图构建，或者向所述定位设备发送即时定位与地图构建单元获得的地图从而补充所述定位设备的定位结果；

其中所述定位设备包括：

两个或更多个摄像头，用于观测和识别处于其视线范围内的物体，其中各摄像头的底座固定在一起，并且各摄像头之间的光轴夹角可调节；

定位处理单元，用于根据所述摄像头获得的数据确定定位结果；

第二通信接口，用于与外部设备进行数据传输。

根据本发明的又一个方面，提供了一种定位方法，用于一定位系统，所述定位系统包括：多个定位设备，其中所述多个定位设备的每一个包括：两个或更多个摄像头，用于观测和识别处于其视线范围内的物体，其中各摄像头的底座固定在一起，并且各摄像头之间的光轴夹角可调节；定位处理单元，用于根据所述摄像头获得的数据确定定位结果；通信接口，用于与外部设备进行数据传输，所述方法包括如下步骤：

以空间中的特定点作为基准点，预先设定所述多个定位设备中的每一个相对于该基准点的位置信息；

通过所述多个定位设备的每一个，获得其定位结果；

通过所述多个定位设备中的通信接口相互通信以建立网络，共享各自的定位结果，进而获得预定区域范围内的局部定位结果。

优选地，在根据本发明的定位方法中，

通过所述多个定位设备中的至少一个，获得全局定位信息；

通过其他定位设备，基于所述至少一个定位设备的全局定位信息以及相对于所述至少一个定位设备的位置信息，获得其自身的全局定位信息；

基于所述多个定位设备中的每一个的全局定位信息，获得预定区域范围内的全局定位结果。

根据本方面的又一个方面，提供了一种定位方法，应用于一定位系统，所述定位系统包括：多个定位设备和服务器，其中多个定位设备中的每一个均包括：两个或更多个摄像头，用于观测和识别处于其视线范围内的物体，其中各摄像头的底座固定在一起，并且各摄像头之间的光轴夹角可调节；定位处理单元，用于根据所述摄像头获得的数据确定定位结果；通信接口，用于与外部设备进行数据传输，所述定位方法包括如下步骤：

以空间中的特定点作为基准点，预先设定所述多个定位设备中的每一个相对于该基准点的位置信息；

通过所述多个定位设备的每一个，获得其定位结果，并将其发送到所述服务器；

通过所述服务器，接收来自所述多个定位设备的定位结果，获得预定区域范围内的局部定位结果。

优选地，在根据本发明的定位方法中，

通过所述多个定位设备中的至少一个，获得全局定位信息；

通过其他定位设备，基于所述至少一个定位设备的全局定位信息以及相对于所述至少一个定位设备的位置信息，获得其自身的全局定位信息；

基于所述多个定位设备中的每一个的全局定位信息，获得预定区域范围内的全局定位结果。

根据本发明的再一个方面，提供了一种信息处理方法，应用于一可移动电子设备，包括如下步骤：

通过即时定位与地图构建单元，进行即时定位与地图构建；

通过第一通信接口，与外部定位设备进行数据传输，以便从所述定位设备获得关于所述可移动电子设备的定位结果从而协助进行即时定位与地图构建，或者向所述定位设备发送即时定位与地图构建单元获得的地图从而补充所述定位设备的定位结果；

其中所述定位设备包括：

两个或更多个摄像头，用于观测和识别处于其视线范围内的物体，其中各摄像头的底座固定在一起，并且各摄像头之间的光轴夹角可调节；

定位处理单元，用于根据所述摄像头获得的数据确定定位结果；

第二通信接口，用于与外部设备进行数据传输。

通过根据本发明实施例的定位设备和系统、用于即时定位与地图构建的设备及方法，能够实现更快速精确的定位处理（预期偏移大约3cm，频率大约2s），并且能够实现更好的可扩展性以覆盖更宽区域从而提供定位服务。

附图说明

图1是示出了根据本发明实施例的定位设备的配置的框图；

图2A-2C是示出了在摄像头单元包括两个摄像头的情况下的外观；

图3是示出了图2中所示的摄像头单元的工作原理；

图4是示出了根据本发明实施例的定位系统的配置的框图；

图5是示出了应用了根据本发明实施例的定位设备或定位系统的可移动电子设备的配置的框图；

图6是示出了应用于根据本发明实施例的定位系统的定位方法的过程的流程图；

图7是示出了应用于根据本发明实施例的定位系统的定位方法的过程的流程图；

图8是应用于根据本发明实施例的可移动电子设备的信息处理方法的过程的流程图。

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，参照图1描述根据本发明实施例的定位设备。图1是示出了定位设备的配置的框图。如图1所示，定位设备100包括摄像头单元101、定位处理单元102和通信接口103。

摄像头单元101包括两个或更多个摄像头，用于观测和识别处于其视线范围内的物体，其中各摄像头的底座固定在一起，并且各摄像头之间的光轴夹角可调节。

图2A-2C示出了在摄像头单元101包括两个摄像头的情况下的外观。图3示出了图2A-2C中所示的摄像头单元101的工作原理。例如，两个摄像头之间的光轴夹角为60度，并且其覆盖面积为2m×8m。通过如此配置的摄像头单元101，与传统的单个摄像头相比，其视野范围更宽。

定位处理单元102与摄像头单元101连接，根据所述摄像头单元101获得的数据确定定位结果。具体来说，摄像头单元101对于进入视线范围内的物体进行拍摄从而获得关于所述物体的图像数据。然后，将所述图像数据发送给定位处理单元102。定位处理单元102通过对所述图像数据进行处理以获得所述物体的定位结果。例如，定位处理单元102可以是紧凑或嵌入计算机。

通信接口103与定位处理单元102连接并与外部设备进行数据传输。一方面，通信接口103可以将定位处理单元102获得的定位结果发送给外部设备。另一方面，通信接口103也可以从外部设备获得用以补充定位处理单元102的定位结果的数据，换言之，定位处理单元102不能获得的数据（例如，摄像头单元101的视线范围以外的区域的图像）。

例如，通信接口103可以是用于通信的光学无线收发器，也可以是与局域网（如，以太网）或广域网（如，因特网）的连接接口。

多个如上所述的定位设备可以构成一个定位系统。接下来，将参照图4描述这种定位系统的配置。

如图4所示，在定位系统400中，存在多个在上文中参照图1描述的定位设备100。以空间中的特定点作为基准点，预先设定所述多个定位设备中的每一个相对于该基准点的位置信息。所述多个定位设备通过其中的通信接口相互通信以建立网络，共享各自的定位结果，进而获得预定区域范围内的局部定位结果。例如，可以将各个定位设备的定位结果分别偏移与其相对于基准点的位置信息对应的量，从而获得以该基准点为坐标原点的定位结果。例如，所述多个定位设备可以通过无线收发器广播的方式通信以建立临时网络。这里的空间中的特定点可以是多个定位设备之一，也可以是多个定位设备以外的任意一点。

作为另外一种可能的实施方式，定位系统400可以进一步包括服务器401（图中以虚线示出）。在这种情况下，各定位设备可以在以太网/WiFi之上连接并形成IP网络，从而在预先构建的地图中提供定位结果。服务器401接收来自所述多个定位设备的定位结果，并确定预定区域范围内的局部定位结果。

更优选地，在定位系统400中，所述定位设备可以进一步包括GPS模块，用于获得全局定位信息。

所述多个定位设备中的至少一个能够通过GPS模块获得全局定位信息，其他定位设备基于至少一个定位设备的全局定位信息以及相对于所述至少一个定位设备的位置信息，获得其自身的全局定位信息，进而获得预定区域范围内的全局定位结果。例如，在大厦的室内环境中，一般情况下，定位设备都不能获得GPS信息。但是，如果定位设备位于窗口，则可能获得GPS信息。在这种情况下，由于如上文所述，各个定位设备之间的相对位置关系是已知的，因此其他定位设备根据能够获得GPS信息的定位设备推断出自己的GPS信息，进而获得整个区域的全局定位结果。

进一步，根据本发明的定位系统还可应用于现有技术中的自开发式移动机器人，与其协作从而实现更快速的定位。图5是示出了应用了根据本发明的定位设备的可移动电子设备。如图5所示，可移动电子设备500包括即时定位与地图构建单元501和通信接口502。

即时定位与地图构建单元501进行即时定位与地图构建。

通信接口502与即时定位与地图构建单元501连接，并且还可以与外部设备连接，与外部定位设备进行数据传输，以便从所述定位设备获得关于所述可移动电子设备的定位结果从而协助进行即时定位与地图构建，或者向所述定位设备发送即时定位与地图构建单元获得的地图从而补充所述定位设备的定位结果。

这里的定位设备为在上文中参照图1到图3所述的定位设备100。

具体来说，当可移动电子设备500工作时，可申请定位设备100或定位系统400的支持。由于定位设备100包括摄像头，因此其可以容易地获得视线范围内的直接的定位结果。在可移动电子设备500申请之后，定位设备100可以将其获得的直接定位结果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）发送给定位设备100，以补充定位设备100不能获得的定位数据。如上所述，可移动电子设备与定位设备100通信，以实现快速准确的导航定位同时有效节省资源。

例如，当可移动电子设备500到达某一陌生区域，但引导系统400已经获得该区域的定位数据时，可移动电子设备既可以对其进行重新SLAM，向对应的定位设备或服务器发送自身构建的地图数据以更新该区域地图数据，也可以利用定位系统400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500可以不进行即时定位与地图构建。

在上文中，已经参照图1到图5描述了根据本发明实施例的定位设备、定位系统和应用了上述定位设备和定位系统的可移动电子设备。在下文中，将描述与根据本发明实施例的定位系统和可移动电子设备对应的方法。

图6是示出了应用于本发明实施例的定位系统的定位方法的过程的流程图。如图6所示，所述定位方法包括如下步骤：

首先，在步骤S601，以空间中的特定点作为基准点，预先设定所述多个定位设备中的每一个相对于该基准点的位置信息。

然后，在步骤S602，通过所述多个定位设备的每一个，获得其定位结果。需要指出的是，步骤S601和步骤S602可以按照如上所述的时间顺序执行，但也可以并行地执行，或者按照与如上所述的时间顺序相反的顺序执行。

接下来，在步骤S603，通过所述多个定位设备中的通信接口相互通信以建立网络，共享各自的定位结果，进而获得预定区域范围内的局部定位结果。

如上文中所述，例如，在大厦的室内环境中，一般情况下，定位设备都不能获得GPS信息。但是，如果定位设备位于窗口，则可能获得GPS信息。在这种情况下，由于各个定位设备之间的相对位置关系是已知的，因此其他定位设备根据能够获得GPS信息的定位设备推断出自己的GPS信息，进而获得整个区域的全局定位结果。

因此，在步骤S602，通过所述多个定位设备中的至少一个，获得全局定位信息。

在步骤S603，由于各个定位设备之间的相对位置关系是已知的，因此通过其他定位设备，基于步骤S602获得的、所述至少一个定位设备的全局定位信息以及相对于所述至少一个定位设备的位置信息，获得其自身的全局定位信息，并基于所述多个定位设备中的每一个的全局定位信息，获得预定区域范围内的全局定位结果。

如上文中所述，定位系统400还可以进一步包括服务器。将参照图7描述与这种实施例对应的定位方法。如图7所示，所述方法包括如下步骤：

首先，在步骤S701，以空间中的特定点作为基准点，预先设定所述多个定位设备中的每一个相对于该基准点的位置信息。

然后，在步骤S702，通过所述多个定位设备的每一个，获得其定位结果，并将其发送到所述服务器。与上文中所述的步骤S601和步骤S602类似，步骤S701和步骤S702的执行顺序也不限于此。

接下来，在步骤S703，通过所述服务器，接收来自所述多个定位设备的定位结果，获得预定区域范围内的局部定位结果。

与上文中类似地，在步骤S702，通过所述多个定位设备中的至少一个，获得全局定位信息，然后通过其他定位设备，基于所述至少一个定位设备的全局定位信息以及相对于所述至少一个定位设备的位置信息，获得其自身的全局定位信息。

在步骤S703，服务器基于所述多个定位设备中的每一个的全局定位信息，获得预定区域范围内的全局定位结果。

最后，将参照图8描述应用于根据本发明实施例的可移动电子设备的信息处理方法。如图8所示，所述方法包括如下步骤：

在步骤S801，通过即时定位与地图构建单元，进行即时定位与地图构建；

在步骤S802，通过通信接口，与外部定位设备进行数据传输，以便从所述定位设备获得关于所述可移动电子设备的定位结果从而协助进行即时定位与地图构建，或者向所述定位设备发送即时定位与地图构建单元获得的地图从而补充所述定位设备的定位结果。

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 (8)

1.一种定位系统，包括：

多个定位设备，

其中多个定位设备中的每一个均包括：

两个或更多个摄像头，用于观测和识别处于其视线范围内的物体，其中各摄像头的底座固定在一起，并且各摄像头之间的光轴夹角可调节；

定位处理单元，用于根据所述摄像头获得的数据确定定位结果；

通信接口，用于与外部设备进行数据传输；

其中，以空间中的特定点作为基准点，预先设定所述多个定位设备中的每一个相对于该基准点的位置信息，并且

所述多个定位设备通过其中的通信接口相互通信以建立网络，共享各自的定位结果，进而获得预定区域范围内的局部定位结果。

2.根据权利要求1所述的定位系统，其中

所述定位设备进一步包括GPS模块，用于获得全局定位信息；并且

所述多个定位设备中的至少一个能够通过GPS模块获得全局定位信息，其他定位设备基于至少一个定位设备的全局定位信息以及相对于所述至少一个定位设备的位置信息，获得其自身的全局定位信息，进而获得预定区域范围内的全局定位结果。

3.一种定位系统，包括：

多个定位设备，

服务器，用于接收来自所述多个定位设备的定位结果，获得预定区域范围内的局部定位结果，

其中多个定位设备中的每一个均包括：

两个或更多个摄像头，用于观测和识别处于其视线范围内的物体，其中各摄像头的底座固定在一起，并且各摄像头之间的光轴夹角可调节；

定位处理单元，用于根据所述摄像头获得的数据确定定位结果；

通信接口，用于与外部设备进行数据传输；并且

以空间中的特定点作为基准点，预先设定所述多个定位设备中的每一个相对于该基准点的位置信息。

4.根据权利要求3所述的定位系统，其中

所述定位设备进一步包括GPS模块，用于获得全局定位信息；并且

所述多个定位设备中的至少一个能够通过GPS模块获得全局定位信息，其他定位设备基于至少一个定位设备的全局定位信息以及相对于所述至少一个定位设备的位置信息，获得其自身的全局定位信息。

5.一种定位方法，用于一定位系统，所述定位系统包括：多个定位设备，其中所述多个定位设备的每一个包括：两个或更多个摄像头，用于观测和识别处于其视线范围内的物体，其中各摄像头的底座固定在一起，并且各摄像头之间的光轴夹角可调节；定位处理单元，用于根据所述摄像头获得的数据确定定位结果；通信接口，用于与外部设备进行数据传输，所述方法包括如下步骤：

以空间中的特定点作为基准点，预先设定所述多个定位设备中的每一个相对于该基准点的位置信息；

通过所述多个定位设备的每一个，获得其定位结果；

通过所述多个定位设备中的通信接口相互通信以建立网络，共享各自的定位结果，进而获得预定区域范围内的局部定位结果。

6.根据权利要求5所述的定位方法，其中

通过所述多个定位设备中的至少一个，获得全局定位信息；

通过其他定位设备，基于所述至少一个定位设备的全局定位信息以及相对于所述至少一个定位设备的位置信息，获得其自身的全局定位信息；

基于所述多个定位设备中的每一个的全局定位信息，获得预定区域范围内的全局定位结果。

7.一种定位方法，应用于一定位系统，所述定位系统包括：多个定位设备和服务器，其中多个定位设备中的每一个均包括：两个或更多个摄像头，用于观测和识别处于其视线范围内的物体，其中各摄像头的底座固定在一起，并且各摄像头之间的光轴夹角可调节；定位处理单元，用于根据所述摄像头获得的数据确定定位结果；通信接口，用于与外部设备进行数据传输，所述定位方法包括如下步骤：

以空间中的特定点作为基准点，预先设定所述多个定位设备中的每一个相对于该基准点的位置信息；

通过所述多个定位设备的每一个，获得其定位结果，并将其发送到所述服务器；

通过所述服务器，接收来自所述多个定位设备的定位结果，获得预定区域范围内的局部定位结果。

8.根据权利要求7所述的定位方法，其中

通过所述多个定位设备中的至少一个，获得全局定位信息；

通过其他定位设备，基于所述至少一个定位设备的全局定位信息以及相对于所述至少一个定位设备的位置信息，获得其自身的全局定位信息；

基于所述多个定位设备中的每一个的全局定位信息，获得预定区域范围内的全局定位结果。