CN111765881B - 移动装置的定位系统 - Google Patents

Abstract

一种定位系统，适用于一移动装置上，包含一存储装置、一光达以及一控制器。存储装置用以存储一全域地图。光达用以打出多个雷射光源以产生一初始区域地图。控制器用以将初始区域地图进行旋转，以产生一旋转区域地图，将旋转区域地图及初始区域地图分别与全域地图中的多个部分区域进行比对，以取得至少一相似区域，依据至少一相似区域各自的一中心点位置计算该移动装置位于全域地图的至少一候选坐标，依据至少一候选坐标各自对应的一地图轮廓计算至少一地图轮廓各自对应全域地图的一相似度分数，选择至少一相似度分数最高者所对应的候选坐标作为移动装置位于全域地图的一定位坐标。

Description

移动装置的定位系统

技术领域

本发明是关于一种定位系统，特别是关于一种移动装置的定位系统。

背景技术

随着科技进步，越来越多智慧移动装置被使用者所使用，智慧移动装置例如为扫地机器人、服务机器人、工业机器人…等等。这些智慧行移动装置需要知道本身于已知地图中的位置信息(如处于已知地图的原点)，才能顺畅地运作移动。

在已知地图中，当使用雷射信号做定位的智慧移动装置在非原点启动时，智慧移动装置无法得知自身在地图上的位置，目前常见的解决方式是采用蒙地卡罗定位方法(adaptive Monte Carlo localization，AMCL)。然而，蒙地卡罗定位方法的起始定位方法在大区域和低功耗的智慧移动装置下，无法快速及准确的定位，使得使用者无法随意将智慧移动装置摆放在任何位置后启动而运作。

因此，上述现有方式仍有待加以进一步改进。

发明内容

为了解决上述的问题，本公开内容的一实施方式提供了一种定位系统，适用于一移动装置上，包括一存储装置、一光达以及一控制器。存储装置用以存储一全域地图。光达用以产生一初始区域地图。控制器用以将初始区域地图进行旋转，以产生一旋转区域地图，将旋转区域地图及初始区域地图分别与全域地图中的多个部分区域进行比对，以取得至少一相似区域，依据至少一相似区域各自的一中心点位置计算该移动装置位于全域地图的至少一候选坐标，依据至少一候选坐标各自对应的一地图轮廓计算至少一地图轮廓各自对应全域地图的一相似度分数，选择至少一相似度分数最高者所对应的候选坐标作为移动装置位于全域地图的一定位坐标。

本发明所示的定位系统，能将搭载本案定位系统移动装置，随意摆放在已知地图的在任何位置，当移动装置在已知地图的非原点或特定位置启动时，移动装置可以透过定位系统使用雷射光源结合地图信息进行定位，以达到快速并准确定位的效果。

附图说明

图1是依照本发明一实施例绘示一种定位系统的方块图。

图2是根据本发明的一实施例绘示一种定位方法的流程图。

图3A是根据本发明的一实施例绘示一种初始区域地图的示意图。

图3B是根据本发明的一实施例绘示一种全域地图的示意图。

图4A～4C是根据本发明的一实施例绘示一种初始区域地图的示意图。

图5A是根据本发明的一实施例绘示一种将旋转区域地图及初始区域地图分别与全域地图中的多个部分区域进行比对的示意图。

图5B是根据本发明的一实施例绘示一种将相似区域各自的一中心点位置的示意图。

图6A是根据本发明的一实施例绘示一种由初始区域地图计算移动装置位于全域地图的候选坐标的示意图。

图6B～6D是根据本发明的一实施例绘示一种由旋转区域地图计算移动装置位于全域地图的候选坐标的示意图。

图7A是根据本发明的一实施例绘示候选坐标的示意图。

图7B是根据本发明的一实施例绘示候选坐标各自对应的一地图轮廓的示意图。

具体实施方式

图1以下说明是为完成发明的较佳实现方式，其目的在于描述本发明的基本精神，但并不用以限定本发明。实际的发明内容必须参考之后的权利要求范围。

必须了解的是，使用于本说明书中的“包含”、“包括”等词，是用以表示存在特定的技术特征、数值、方法步骤、作业处理、元件以及/或组件，但并不排除可加上更多的技术特征、数值、方法步骤、作业处理、元件、组件，或以上的任意组合。

于权利要求中使用如“图一”、“第二”、“第三”等词是用来修饰权利要求中的元件，并非用来表示之间具有优先权顺序，先行关系，或者是一个元件先于另一个元件，或者是执行方法步骤时的时间先后顺序，仅用来区别具有相同名字的元件。

请参照图1～2及3A～3B，图1是依照本发明一实施例绘示一种定位系统100的方块图。图2是根据本发明的一实施例绘示一种定位方法200的流程图。图3A是根据本发明的一实施例绘示一种初始区域地图LM1的示意图。图3B是根据本发明的一实施例绘示一种全域地图GM的示意图。

如图1所示，定位系统100适用于一移动装置上，例如定位系统100可以设置于扫地机器人、服务机器人、工业机器人…等等会移动的装置上。定位系统100包含一光达10、一控制器20及一存储装置30。于一实施例中，定位系统100还包含一移动部件40，例如为轮子，控制器20可以控制移动部件40的移动方向及/或移动速度。

于一实施例中，光达10(Light Detection and Ranging，LiDAR)又称雷射雷达，其是利用光来测量目标的距离。光达10能高精度地测得距离、辨识物体外型并建立周遭三维地理信息模型，具有高量测距離、高精度、高辨識度等优点，且不受环境亮度影响，可以不分昼夜地感测周遭障碍物形狀、距離等信息，扫描范围可以为几公尺到几百公尺，满足更精准的感测需求。

于一实施例中，光达10包含发射器11、接收器12及/或成像元件13。

于一实施例中，发射器11用以打出(发出)多个雷射光源。

于一实施例中，接收器12用以接收雷射光源打到障碍物或物体后的反射光源，于一实施例中，接收器12可以是光感测器，光感测器一般是用光电二极体(Photodiode,PD)或崩溃光电二极体(Avalanche photodiode,APD)以实现之。

于一实施例中，成像元件13用以依据发射器11打出的雷射光源与接收器12接收到每个反射光源的时间差，以计算光达10与障碍物之间的障碍物距离，并依据障碍物距离绘制初始区域地图(例如图3A所示的初始区域地图LM1)，并将初始区域地图LM1传到控制器20。于一实施例中，成像元件13是指扫描式或非扫描式的成像元件。于一具体实施例中，控制器20可依据光达10所获得的信息绘制初始区域地图LM1。

于一实施例中，控制器20可以是任何具有运算功能的电子装置。于一实施例中，控制器20可由体积电路如微控制单元(micro controller)、微处理器(microprocessor)、数位信号处理器(digital signal processor)、特殊应用积体电路(application specificintegrated circuit，ASIC)或一逻辑电路来实施。

于一实施例中，存储装置30可被实作为唯读存储器、快闪存储器、软盘、硬盘、光盘、随身盘、磁带、可由网络存取的数据库或本领域技术人员可轻易想到及具有相同功能的存储媒体。于一实施例中，存储装置30用以存储全域地图GM(如图3B所示的全域地图GM)。

以下叙述定位方法200，定位方法200可以使搭载定位系统100的移动装置自己取得其位于全域地图GM的位置。详细而言，全域地图GM是为已知的信息存储于存储装置30。初始区域地图LM1则是当下所产生的地图。而本定位方法200即为计算初始区域地图LM1相对于全域地图GM的位置，以得知移动装置位于全域地图GM的位置。

于步骤210中，利用光达10以产生一初始区域地图LM1。

如图3A所示，光达10为了产生完整的点云，发射器10必须能够非常快速地对目前位置所处环境进行采样。于一些实施例中，光达10使用旋转组件或旋转镜致使发射器11对本身位置的环境进行360度扫瞄。于另一实施例中，可在定位系统100中装设多个光达10以增加扫瞄范围。借此，可透过光达10产生初始区域地图LM1。

请参阅图4A～4C，图4A～4C是根据本发明的一实施例绘示一种初始区域地图LM1的示意图。于一实施例中，控制器20将初始区域地图LM1与全域地图GM中的一左上角起始区域t1进行比对，通过一相关匹配演算法(correlation matching method，CCORR)计算出一相似度权重。而后将初始区域地图LM1与全域地图GM中的左上角启始区域往右一特定像素单位dc(例如往右挪1像素)的区域t2进行比对，通过相关匹配演算法计算出另一相似度权重。以此类推，控制器20将初始区域地图LM1继续往区域t2的右边方向移动特定单位像素，每移动一次则计算一次相似度权重。

于一实施例中，控制器20还用以将初始区域地图LM1与全域地图GM中由左上角起始区域t1往右上角区域tn比对完成后，如图4B所示，初始区域地图LM1从全域地图GM的左上角起始区域t1往下特定像素单位dr(例如往下挪1像素)的区域tn+1进行比对以计算出另一相似度权重。类似地，比对完后如上述段落所描述，再往右移的区域tn+2进行比对。换言之，初始地图LM1是在全域地图GM中由左而右、由上而下进行比对，重复这些步骤，直到控制器20将初始区域地图LM1与全域地图GM中的所有区域完成比对，并计算出初始区域地图LM1与全域地图GM中的所有区域各自对应的一相似度权重；其中，控制器20选择相似度权重的最大者，且当相似度权重的最大者大于一权重阈值时，将相似度权重的最大者所对应的区域视为至少一相似区域的其中之一。

于一实施例中，关于相关匹配演算法的应用，请参阅图4C，此初始区域地图LM1的宽为w，高为h，控制器20将初始区域地图LM1与全域地图GM中的一区域进行比对时，初始区域地图LM1中的每个像素会依据以下函数式与全域地图GM的特定区域中的每个像素进行比对，并算出一结果(即，一个介于0～1之间的相似度权重)：

其中，R(x,y)为初始区域地图LM1与全域地图GM中的特定区域结果(即相似度权重)，此值越大则代表初始区域地图LM1与全域地图GM中的特定区域越相似，符号T(x’,y’)代表初始区域地图LM1中特定位置像素PX的代表值(可以是二值化参数)，符号I(x+x’,y+y’)代表全域地图GM中特定位置像素PX(位于特定区域中)的代表值(可以是二值化参数)。其中，符号x’为0～w-1，y’为0～h-1，借此可以算出介于0～1之间的相似度权重R(x,y)。当初始区域地图LM1往右移一特定像素单位时，亦可代入上述函数式，算出另一个相似度权重。更具体而言，依据上述函数式，相关匹配演算法可算出初始区域地图LM1与全域地图GM中的各个区域的相似度权重。

当控制器20将初始区域地图LM1与全域地图GM中的所有区域完成比对后，控制器20选择相似度权重的最大者，且当此相似度权重的最大者大于一权重阈值(例如为0.85)时，将相似度权重的最大者所对应的区域视为至少一相似区域的其中之一，例如图4C中的初始区域地图LM1在全域地图GM中所算出来的相似度权重为0.95，其大于初始区域地图LM1在全域地图GM中其它位置所算出来的相似度权重，则将此位置视为相似区域，借此，控制器20可找出初始区域地图LM1在全域地图GM中，初始区域地图LM1与全域地图GM最相似的位置。

于步骤220中，控制器20将初始区域地图LM1进行旋转，以产生一旋转区域地图。

请参阅图5A，图5A是根据本发明的一实施例绘示一种将旋转区域地图LM2、LM3及初始区域地图LM1分别与全域地图GM中的多个部分区域进行比对的示意图。于一实施例中，为达到更高精确性的比对，以找出初始区域地图LM1对应到全域地图GM的区域，控制器20将初始区域地图LM1旋转一角度，以产生旋转区域地图LM2。另外，控制器20将初始区域地图LM1旋转至另一角度，以产生旋转区域地图LM3。换言之，图5A中的旋转区域地图LM2、LM3与初始区域地图LM1具有相同图样，旋转区域地图LM2、LM3是由初始区域地图LM1旋转至不同角度而得，本领域具通常知识者应能理解，图5A是为使图式简明，故不绘制旋转区域地图LM2、LM3与初始区域地图LM1的内部图样，其图样与图3A相同。

于步骤230中，控制器20将旋转区域地图LM2、LM3及初始区域地图LM1分别与全域地图GM中的多个部分区域进行比对，以取得至少一相似区域。

于一实施例中，控制器20将旋转区域地图LM2与全域地图GM中的左上角起始区域进行比对，通过相关匹配演算法计算出一相似度权重，并将初始区域地图LM2与全域地图GM中的左上角启始区域往右一特定像素单位的区域(以虚线框表示之)进行比对，通过相关匹配演算法计算出另一相似度权重。旋转区域地图LM2与初始区域地图LM1的比对方式相同，初始区域地图LM2由左而右，直到比对到全域地图GM的最右边，每次比对都算出一相似度权重。

于一实施例中，控制器20将旋转区域地图LM2与全域地图GM中的由左上角起始区域往右上角区域比对完成后，旋转区域地图从该全域地图的该左上角起始区域往下该特定像素单位的区域进行比对，并重复这些步骤，直到控制器20将旋转区域地图LM2与全域地图GM中的所有区域完成比对，并计算出旋转区域地图LM2与全域地图GM中的所有区域各自对应的一相似度权重，相似度权重的计算方式可应用前述的相关匹配演算法。于一实施例中，控制器20选择多个相似度权重中的最大者，且当相似度权重的最大者大于一权重阈值(例如为0.85)时，将相似度权重的最大者所对应的区域视为相似区域的其中之一。借此，控制器20可找出旋转区域地图LM2在全域地图GM中，旋转区域地图LM2与全域地图GM最相似的位置。

于一实施例中，当相似度权重的最大者不大于权重阈值时，则不采用此相似度权重。

此外，旋转区域地图LM3与全域地图GM中的多个部分区域进行比对的方式与旋转区域地图LM2相同，故此处不赘述之。

初始区域地图LM1与全域地图GM中的多个部分区域进行比对的方式已于图4A～4C的对应说明书段落叙述，故此处不赘述之。

于一具体实施例中，旋转的角度可视实际需求而定，并产生旋转360度所需对应的旋转区域地图。举例来说，若旋转角度为60度，则需产生多旋转区域地图分别对应60度、120度、180度、240度以及300度。旋转角度为120度，则需产生多旋转区域地图分别对应120度以及240度。选转角度越小，旋转区域地图数量越多，可更精准地计算移动装置位于全域地图GM中的位置，代价则是消耗更多计算资源。

于步骤240中，控制器20依据至少一相似区域各自的一中心点位置P1～P3算出移动装置位于全域地图GM的至少一候选坐标。

请参阅图5B，图5B是根据本发明的一实施例绘示一种相似区域各自的一中心点位置P1～P3的示意图。于一实施例中，假设初始区域地图LM1对应全域地图GM的相似区域的中心点位置为P1，旋转区域地图LM2对应全域地图GM的相似区域的中心点位置为P2，旋转区域地图LM3对应全域地图GM的相似区域的中心点位置为P3。此外，中心点位置P1～P3亦代表于全域地图GM的位置。

由于中心点位置P1～P3分别是相似度区域的中心点，并非光达10(即移动装置)的位置，因此需要进一步由中心点位置P1～P3计算出移动装置的位置。以下叙述计算出移动装置于全域地图GM的候选坐标的方法。

于一实施例中，请参阅图6A，图6A是根据本发明的一实施例绘示一种由初始区域地图LM1计算移动装置位于全域地图GM的候选坐标RM(x,y)的示意图。由于初始区域地图LM1是由光达10所产生，光达10可知其位于初始区域地图LM1的位置，也就是光达10与中心点位置P1的相对位置为已知(步骤230)。详细而言，光达10与中心点位置P1的方向性与距离b在建立初始区域地图LM1即为已知信息。因此，当取得中心点位置P1对应于全域地图GM中的位置，即可推算出搭载光达10的移动装置RM位于全域地图GM中的候选坐标RM(x,y)。

于一实施例中，请参阅图6B～6D，图6B～6D是根据本发明的一实施例绘示一种由旋转区域地图LM2计算移动装置RM位于全域地图GM的候选坐标(x1,y1)的示意图。同样地，由于相似区域的中心点位置P2对应于全域地图GM中的位置，以及旋转角度θ皆为已知，控制器20便可依据上述原理以及旋转角度θ，以算出移动装置RM位于全域地图GM的候选坐标(x1,y1)。

举例而言，从图6A可知中心点位置P2以及RM(x,y)在全域地图GM中的坐标，且光达10与中心点位置P2的距离b为已知，加上旋转角度θ也为已知。因此，请参考图6B，即可依据下列公式计算出移动装置RM经旋转θ角度后，在全域地图GM的坐标RM(x1,y1)：

x1＝xcosθ-ysinθ

y2＝xsinθ+ycosθ

因此，控制器20可算出相似区域的中心点位置P2所对应的移动装置RM位于全域地图GM的候选坐标RM(x1,y1)。于一实施例中，如图6D所示，可以将中心点位置P2、光达10与中心点位置P2的距离b及移动装置RM的位置绘示于全域地图GM中。依据相同方式可算出相似区域的中心点位置P3所对应的移动装置RM位于全域地图GM的候选坐标。其中，全域地图GM左下角视为坐标原点(0,0)。

同样地，控制器20可依照上述说明计算旋转区域地图LM3计算移动装置RM位于全域地图GM的候选坐标(x2,y2)。

于步骤250中，控制器20依据至少一候选坐标CRa、CRb、CRc各自对应的一地图轮廓RA、RB、RC，以计算至少一地图轮廓RA、RB、RC各自对应全域地图GM的一相似度分数。

请参阅图7A～7B，图7A是根据本发明的一实施例绘示候选坐标CRa、CRb、CRc的示意图。图7B是根据本发明的一实施例绘示候选坐标CRa、CRb、CRc各自对应的一地图轮廓RA、RB、RC的示意图。候选坐标CRa、CRb、CRc位于全域地图GM’中，为方便说明，此处以全域地图GM’为例，全域地图GM’例如为图5B的全域地图GM的一部分的放大细节示意图，其坐标系统皆与全域地图GM相同。全域地图GM’包含移动装置RM可能所在的位置，即候选坐标CRa、CRb、CRc，例如分别对应步骤240所计算的候选坐标(x,y)、(x1,y1)以及(x2,y2)。

于此例中，如图7A所示，于控制器20算出至少一候选坐标CRa、CRb、CRc后，控制器20将这些候选坐标及/或方向性标示于全域地图GM’。

于一实施例中，如图7B所示，光达10打出雷射光源并取得出多个雷射信息，控制器20依据这些雷射信息，产生至少一地图轮廓RA、RB、RC，并计算地图轮廓RA、RB、RC各自对应到全域地图GM’的一雷射打击(laser hit)数，以得到地图轮廓RA、RB、RC各自对应全域地图GM’的相似度分数。

例如，地图轮廓RA有6个点(雷射打击数)对应到全域地图GM’的边缘，地图轮廓RB有200个点对应到全域地图GM’的边缘，地图轮廓RC有2个点对应到全域地图GM’的边缘，则地图轮廓RB对应全域地图GM’的相似度分数最高，代表地图轮廓RB与全域地图GM’的一角相似度最高。

于步骤260中，控制器20选择至少一相似度分数最高者所对应的候选坐标作为移动装置RM位于全域地图GM的一定位坐标。

例如，控制器20选择与全域地图GM’相似度分数最高的地图轮廓RB所对应的候选坐标，作为移动装置RM位于全域地图GM的一定位坐标。

本发明所示的定位系统，能将搭载本案定位系统的移动装置，随意摆放在已知地图的在任何位置，当移动装置在已知地图的非原点或特定位置启动时，移动装置可以透过定位系统使用雷射光源结合地图信息进行定位，以达到快速并准确定位的效果。

[符号说明]

100：定位系统

10：光达

12：接收器

13：成像元件

20：控制器

30：存储装置

40：移动部件

GM、GM’：全域地图

LM1：初始区域地图

200：定位方法

210～260：步骤

t1、t2、tn、tn+1、tn+2：区域

dc、dr：特定像素单位

w：宽

h：高

PX：特定位置像素

LM2、LM3：旋转区域地图

P1～P3：中心点位置

RM：移动装置

θ：旋转角度

RM(x,y)、RM(xr,yr)、CRa、CRb、CRc：候选坐标

b：距离

(0,0)：坐标原点

RA、RB、RC：地图轮廓

Claims (10)

1.一种定位系统，适用于一移动装置上，包括：

一存储装置，用以存储一全域地图；

一光达，用以产生一初始区域地图；以及

一控制器，用以将该初始区域地图进行旋转，以产生一旋转区域地图，将该旋转区域地图及该初始区域地图分别与该全域地图中的多个部分区域进行比对，以取得至少一相似区域，依据该至少一相似区域各自的一中心点位置计算该移动装置位于该全域地图的至少一候选坐标，依据该至少一候选坐标各自对应的一地图轮廓计算该至少一地图轮廓各自对应该全域地图的一相似度分数，选择该至少一相似度分数最高者所对应的该候选坐标作为该移动装置位于该全域地图的一定位坐标。

2.如权利要求1所述定位系统，其中该光达还包括：

一发射器，用以发射多个雷射光源；

一接收器，用以接收该些雷射光源打到至少一障碍物后的至少一反射光源；以及

一成像元件，用以依据该至少一反射光源以绘制该初始区域地图，并将该初始区域地图传到该控制器。

3.如权利要求1所述定位系统，其中该控制器还用以将该初始区域地图进行不同角度的旋转，以产生多个旋转区域地图。

4.如权利要求1所述定位系统，其中该控制器还用以将该初始区域地图与该全域地图中的一左上角起始区域进行比对，计算一图一相似度权重；将该初始区域地与该全域地图中的该左上角启始区域往右一特定像素单位的区域进行比对，计算一图二相似度权重。

5.如权利要求1所述定位系统，其中该控制器还用以在将该初始区域地与该全域地图中由一左上角起始区域往一右上角区域比对完成后，该初始区域地图从该全域地图的该左上角起始区域往下一特定像素单位的区域进行比对，并重复这些步骤，直到该控制器将该初始区域地图与该全域地图中的所有区域完成比对，并计算出该初始区域地图与该全域地图中的所有区域各自对应的一相似度权重；

其中，该控制器选择该些相似度权重的最大者，将该些相似度权重的最大者所对应的区域视为该至少一相似区域的其中之一。

6.如权利要求5所述定位系统，其中该些相似度权重的最大者大于一权重阈值。

7.如权利要求1所述定位系统，其中该控制器还用以将该旋转区域地图与该全域地图中的一左上角起始区域进行比对，计算一图一相似度权重，并将该旋转区域地与该全域地图中的该左上角启始区域往右一特定像素单位的区域进行比对，计算一图二相似度权重。

8.如权利要求1所述定位系统，其中该控制器还用以将该旋转区域地与该全域地图中的由一左上角起始区域往一右上角区域比对完成后，该旋转区域地图从该全域地图的该左上角起始区域往下一特定像素单位的区域进行比对，并重复这些步骤，直到该控制器将该旋转区域地图与该全域地图中的所有区域完成比对，并计算出该旋转区域地图与该全域地图中的所有区域各自对应的一相似度权重；

其中，该控制器选择该些相似度权重的最大者，且当该些相似度权重的最大者大于一权重阈值时，将该些相似度权重的最大者所对应的区域视为该至少一相似区域的其中之一。

9.如权利要求8所述定位系统，其中该控制器还用以依据该至少一相似区域各自的该中心点位置及该旋转区域地图的一旋转角度，以算出该移动装置位于该全域地图的该至少一候选坐标的其中之一。

10.如权利要求1所述定位系统，其中该控制器产生该至少一地图轮廓，并计算该至少一地图轮廓各自对应该全域地图的该相似度分数。

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