CN112219088A - 对区域绘制地图的可旋转可移动机器人和对区域绘制地图的方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种可移动机器人，其被配置为对区域绘制地图，该可移动机器人包括主体；两个或更多个距离传感器，其被配置为收集可移动机器人与区域中的物体之间的距离测量结果；旋转机构，其机械耦合至主体和两个或更多个距离传感器，所述旋转机构被配置为使两个或更多个距离传感器能够旋转移动；以及处理模块，其电耦合至两个或更多个距离传感器和旋转机构。处理模块被配置为处理由两个或更多个距离传感器收集的距离测量结果，并指示旋转机构调节旋转移动的速度，所述速度根据由两个或更多个距离传感器收集的距离测量结果来调节。

Description

对区域绘制地图的可旋转可移动机器人和对区域绘制地图的 方法

技术领域

本发明涉及可移动机器人，并且更具体地涉及具有传感器的用于对区域绘制地图的可移动机器人。

背景技术

可移动机器人执行的任务之一包括对室内或室外的区域(诸如房屋、房间、田野)绘制地图。当区域是室内时，可以通过以下方式执行绘制地图：向限定室内绘图区域的墙壁的一般方向发射信号，并且根据从发射信号到检测信号从墙壁的反射之间经过的时间来确定在特定方向上距墙壁的距离。

对室内区域绘制地图的一种方法公开了使用从位于可移动机器人上的激光单元输出的激光束。激光束从安装在可移动机器人中的激光模块发射。激光模块围绕可移动机器人的侧面旋转360度，以预定采样频率发射激光，例如每秒4000束，分辨率为每度1束，总计每秒约11转。

因为与更换现成的相机相比，更换激光模块需要技术专家，所以诸如LIDAR(激光成像、检测和测距)的激光模块相对昂贵且难以维护。

发明内容

所要求保护的本发明的一个目的是公开一种可移动机器人，其被配置为对区域绘制地图，该可移动机器人包括：主体；两个或更多个距离传感器，其被配置为收集可移动机器人与区域中的物体之间的距离测量结果；旋转机构，其机械耦合至主体以及两个或更多个距离传感器，所述旋转机构被配置为使得两个或更多个距离传感器能够旋转移动；处理模块，其电耦合至两个或更多个距离传感器和旋转机构，所述处理模块被配置为处理由两个或更多个距离传感器收集的距离测量结果，并指示旋转机构调节旋转移动的速度，所述速度根据由两个或更多个距离传感器收集的距离测量结果来调节。

在一些情况下，两个或更多个距离传感器是四个距离传感器，其经布置使得每个传感器的指向与其他传感器分开大致90度。在一些情况下，两个或更多个距离传感器包括：发光构件，其被配置为朝区域发射光；以及光伏电池，其被配置为测量光从发光构件行进到物体并返回到光伏电池的焦平面阵列的持续时间。

在一些情况下，可移动机器人进一步包括惯性测量单元(IMU)，该惯性测量单元被配置为测量主体的比力和角速度。在一些情况下，可移动机器人进一步包括相机，该相机被配置为捕获区域的图像，其中处理模块电耦合至相机，所述处理模块从相机接收所捕获的图像，以估计在对区域绘制地图时可移动机器人行走过(covered)的距离，以将位置分配到由两个或更多个距离传感器收集的距离测量结果。

在一些情况下，可移动机器人进一步包括存储器模块，该存储器模块被配置为存储与调节旋转移动的速度有关的一个或多个规则，其中处理模块电耦合至存储器模块，以根据一个或多个规则调节速度。

在一些情况下，一个或多个规则包括当所收集的测量结果显示距离高于预定阈值时，降低速度。在一些情况下，可移动机器人进一步包括传感器壳体，该传感器壳体被配置为容纳两个或更多个距离传感器，其中传感器壳体以能够旋转传感器壳体和两个或更多个距离传感器的方式固定到主体。

在一些情况下，两个或更多个距离传感器均匀地分布。在一些情况下，旋转移动被限制到由两个或更多个距离传感器的数量限定的预定角度。在一些情况下，旋转机构被配置为以相对于可移动机器人的主体的旋转移动来移动两个或更多个距离传感器。在一些情况下，旋转机构被配置为以同步地施加到可移动机器人的主体的旋转移动来移动两个或更多个距离传感器。

附图说明

通过参考以下附图来阅读以下非限制性示例性实施例的详细说明，可以更清楚地理解本发明，其中：

图1公开根据本主题的示例性实施例的对区域绘制地图的可移动机器人；

图2示出根据所公开的主题的示例性实施例的可移动机器人的示意性部件；

图3示出根据所公开的主题的示例性实施例的调节可移动机器人中的部件的旋转移动速度的方法；

图4示出根据本主题的示例性实施例的可移动机器人的示意性侧视图；并且

图5示出根据本主题的示例性实施例的可移动机器人的示意性俯视图。

本发明的实施例的以下详细描述参考上述附图。为了方便显示或清楚起见，来选择附图中所示的部件和特征的尺寸，并且不一定按比例示出。在所有附图和以下描述中，将尽可能使用相同的附图标记指代相同和相似的零件。

具体实施方式

下面描述本发明的说明性实施例。为了清楚起见，不一定描述实际实施方式的所有特征/部件。

本发明的主题公开一种可移动机器人，其被配置为使用定位在可移动机器人上的两个或更多个距离传感器来对区域绘制地图。距离传感器发射信号(例如光信号)，并根据发射和反射之间经过的时间来测量距物体的距离。根据可移动机器人的处理模块的命令，两个或更多个距离传感器以经调节的速度旋转。旋转移动的速度取决于两个或更多个距离传感器所收集的先前距离测量结果。与使用在单个方向(顺时针或逆时针)上高速旋转的激光信号的可移动机器人相反，该可移动机器人所使用的距离传感器较慢地且以受控方式旋转。受控方式使得能够根据可移动机器人的物理位置来调节距离测量结果的分辨率。例如，如下所述，在距其他物体的距离大于预定阈值的情况下，需要提高分辨率，并且可移动机器人的处理模块指示旋转机构降低旋转速度，从而能够以大致相同的方向采样更多的距离。

图1公开根据本主题的示例性实施例的对区域绘制地图的可移动机器人。区域100由墙壁102、104、106和108限定。区域100可以是房间、田野、房屋、温室，其被天花板或屋顶覆盖或暴露于阳光。区域100可以包括诸如家具、植物、动物、机器等的物体。由于绘制地图包括物体(未示出)以及墙壁102、104、106和108的至少一部分，因此可移动机器人120在预定区域100中移动以便对预定区域100绘制地图。

可移动机器人120包括多个距离传感器112、114、116和118，其被配置为测量可移动机器人120到区域100中的墙壁或物体之间的距离。多个距离传感器112、114、116和118可以是测距相机，例如飞行时间相机(ToF相机)，其被配置为基于已知的光速，对于图像的每个点测量相机和对象之间的光信号的飞行时间，来解析距离。如下所述，由多个距离传感器112、114、116和118收集的距离测量结果可以由可移动机器人120的存储器模块存储，或者经由可移动机器人120的通信模块发送到远程设备以进行进一步处理和/或存储。如本领域技术人员所期望的，多个距离传感器112、114、116和118可以包括两个距离传感器或两个以上的距离传感器。多个距离传感器112、114、116和118可以具有相同的属性，例如采样频率、光波长和精度，或者在一方面可以不同。多个距离传感器112、114、116和118中的至少一个可以根据需要是可移除的或可更换的。

多个距离传感器112、114、116和118可以指向预定的固定方向，例如该方向平行于可移动机器人120的中心115到距离传感器之间的假想线。例如，距离传感器112指向方向d2，该方向d2延续中心115到距离传感器112之间的假想线D2。例如，距离传感器112可以对位于墙壁104处的点122进行采样，距离传感器114可以对位于墙壁106处的点124进行采样，距离传感器116可以对位于墙壁108处的点126进行采样，并且距离传感器118可以对位于墙壁102处的点128进行采样。如本领域技术人员所期望的，由多个距离传感器112、114、116和118发射的信号可以平行于地面，或者可以倾斜。

可移动机器人120操纵多个距离传感器112、114、116和118进行旋转和同步移动，以便基本上对可移动机器人120的整个周边绘制地图。这种旋转和同步移动的示例可以是将所有多个距离传感器112、114、116和118放置在可操纵物体上(例如板或传感器壳体)，并以旋转移动环绕地旋转可操纵物体，以使多个距离传感器112、114、116和118能够基本上对可移动机器人的整个周边进行采样。因此，例如，当可移动机器人120包括三个距离传感器，每个距离传感器向外与其他传感器分开约120度时，在区域100内的可移动机器人120所处的某个点处，旋转移动可以被限制为120度。类似地，在可移动机器人120包括彼此等距分开的4个距离传感器的情况下，旋转移动可以被限制为90度。可以使用可移动机器人的电源(例如电池或可再生能源机构)来实现距离传感器的旋转移动。旋转移动的速度可以在0.01r/s(弧度每秒)到10r/s的范围内。可以根据由可移动机器人120所执行的绘制地图任务的属性来调节速度。例如，在可移动机器人120对区域100绘制地图的情况下，旋转移动的速度可以为至少10r/s，并且当由位于区域100中的照明传感器感测到的区域100中的光低于预定阈值时，旋转移动可以为至多1.5r/s。根据绘制地图属性或环境属性调节距离传感器的旋转移动的速度的规则可以存储在可移动机器人120的存储器模块中或与可移动机器人120通信的远程设备中。

多个距离传感器112、114、116和118具有最大采样频率，例如在50-1200Hz的范围内。因此，当可移动机器人120对区域100绘制地图时，多个距离传感器112、114、116和118的旋转移动导致每次捕获的墙壁中的不同点。例如，当顺时针旋转多个距离传感器112、114、116和118时，距离传感器112可以对点122进行采样，并且在下一次采样中，距离传感器将对点123进行。点122和点123之间的物理距离取决于来自距离传感器112的两个采样之间经过的时间、距离传感器旋转移动的速度以及距墙壁104的距离。来自距离传感器112的两个采样之间经过的时间、距离传感器旋转移动的速度决定了发射之间的角度，距墙壁的距离决定了随后发射之间的距离。

多个距离传感器112、114、116和118可以是光传感器、激光距离传感器、超声传感器和其他点传感器的点时间。在一些其他情况下，距离传感器可以是深度相机、立体相机、结构光相机、编码光相机、ToF相机或相机阵列。本领域技术人员可以选择其他类型的距离传感器。

在一些情况下，绘制地图过程需要特定的分辨率，例如，以墙壁中各点之间的最大距离为1.2厘米的方式对墙壁绘制地图。由于最大发射频率受到限制，因此绘制地图分辨率取决于距墙壁的距离和旋转移动的速度。因此，当距墙壁的距离超过预定阈值时，可移动机器人120可以减小旋转移动的速度。类似地，当距墙壁的距离小于预定阈值时，可移动机器人120可以增加旋转移动的速度。调节旋转移动的速度包括减小或增大速度。在一些情况下，调节旋转移动的速度包括改变旋转移动的方向，例如从顺时针方向改变为逆时针方向，反之亦然。

在绘制地图中，被测点必须具有尺寸。最小尺寸由扫描配置限定。我们可以假设地图上的点是0.05x0.05m(5cm2)。

作为简化示例，传感器采样率为1Hz，旋转速度为0.52r/s(每秒30度)。为了连续扫描距距离传感器1m的墙壁，距离传感器的旋转速度应为0.0499rad/sec。所有点距距离传感器的距离相等的情况表明墙壁是弯曲的。在墙壁是笔直的通常情况下，可以根据以下公式频繁地执行(例如每帧一次)旋转速度的计算：

ω＝arctan(R/d)

其中

ω-角速度(rad/sec)

R-地图分辨率(m)

d-传感器测得的距离(m)

必须对每个传感器执行计算，并且将可能选择最低速度，以保持连续扫描的约束。

图2示出根据所公开的主题的示例性实施例的可移动机器人的示意性部件。如上所述，可移动机器人200包括多个距离传感器240。距离传感器240可以是相机。距离传感器240可以包括信号发射模块和用于感测反射回的信号并测量在发射信号与检测反射信号之间的时间的传感器。可移动机器人包括多个距离传感器，使用机器人200的致动机构230来操纵这些距离传感器。致动机构230可以是马达、致动器和被配置为操纵物理构件的任何机构。在区域包括或邻近于可移动机器人200可进入的室外区域的情况下，致动机构230耦合至诸如电池的电源或诸如太阳能电池板的可再生能源构件。

可移动机器人200还可以包括惯性测量单元(IMU)210，其被配置为测量机器人的比力和角速度。由IMU 210和由多个距离传感器240收集的测量结果可以被传输到处理模块220，处理模块220被配置为处理测量结果。处理模块220被配置为控制多个距离传感器240的旋转移动。因此，处理模块220电耦合至致动机构230，该致动机构230被配置为生成多个距离传感器240的旋转移动。处理模块220可以根据以下至少一些来调节旋转移动的速度：(1)由IMU 210收集的测量结果、(2)由位于可移动机器人200中的传感器收集的测量结果、(3)由位于区域中的传感器收集的测量结果(该传感器经由通信模块270将测量结果发送到可移动机器人200)、(4)由多个距离传感器240收集的距离测量结果、(5)由位于可移动机器人200中的相机模块250捕获的图像。

处理模块220可以利用存储在存储器模块280中的预定规则集。例如，如果由所有距离传感器测得的距离均大于2米，则将速度降低35％。在另一个示例中，如果由传感器中的一个传感器测得的距离短于55厘米，则将速度增加到2m/s。在另一个示例中，如果区域的温度高于30摄氏度，则将旋转移动的速度增加到可能的最大速度。

在一些示例性情况下，通信模块270将所收集的测量结果中的至少一些发送到远程设备，该远程设备输出旋转移动速度的调节。这样的远程设备可以是可移动机器人200的扩展坞或服务器(诸如网络服务器)。远程设备的输出被处理模块220转换成命令，该命令发送到致动机构230以调节旋转移动速度。

图3示出根据所公开主题的示例性实施例的调节可移动机器人中的部件的旋转移动速度的方法。步骤310公开通过可移动机器人的传感器收集测量结果。这样的传感器可以是距离传感器、图像捕获设备、温度传感器、光传感器、湿度传感器、噪声传感器等。如果可移动机器人包括具有相同功能的多个传感器，例如多个距离传感器，则多个距离传感器中的每个传感器将测量结果与传感器的标识符一起发送。测量结果可以按照预定规则来收集，例如每15分钟对温度进行一次采样，或者响应于事件来收集，例如响应于由图像捕获设备识别出物体而激活噪声传感器。

步骤320公开可移动机器人在区域中移动。在一些情况下，当可移动机器人在区域中移动时，继续收集在步骤310中收集的测量结果。当机器人在区域中移动时(例如在区域的表面上移动或在空中移动)，通过围绕机器人的主体中的轴线旋转距离传感器来收集距离测量结果。

步骤330公开处理所收集的测量结果。这样的处理可以包括将所收集的测量结果与规则集进行比较。如上所述，处理的输出可以包括用于调节距离传感器的旋转移动的速度的值。该值可以是速度值(例如2m/s)，或者是用于增加或减小距离传感器的旋转移动的速度的百分比。在步骤340中，可移动机器人的处理模块确定将命令发送到致动机构以调节距离传感器的旋转移动的速度。该命令可以经由连接处理模块和致动机构的电缆或经由任何其他电气方式、磁性方式或机械方式发送。

在步骤350中，致动机构调节距离传感器的旋转移动的速度。通过增加或减少供应到致动机构的动力可以实现这种调节。在步骤360中，距离传感器以旋转移动的经调节的速度收集测量结果。例如，旋转移动的第一速度为0.5r/s，旋转移动的经调节的速度为0.7r/s。步骤370公开根据由距离传感器在旋转移动的第一速度下和在旋转移动的经调节的速度下所收集的测量结果来对区域绘制地图。距离测量结果可以加上时间戳，并且存储器模块每次存储旋转移动的速度，以便在收集测量结果时将距离测量结果与距离传感器的旋转移动的速度相关联。

图4示出根据本主题的示例性实施例的可移动机器人的示意性侧视图。可移动机器人400包括致动机构420、425，其被配置为使得可移动机器人400能够在区域中移动。这种致动机构420、425可以是在区域的表面上可移动的臂。可移动机器人400进一步包括主体410，该主体410使用诸如螺母和螺栓、粘合剂、焊接等的连接机构(未示出)连接至致动机构420、425。如上所述，可移动机器人400的主体410包括电路430，电路430包括处理模块、存储器模块和无线通信模块。

可移动机器人400还包括位于主体410的顶部上的多个距离传感器440、442、444。在一些示例性情况下，当使用多个距离传感器440、442、444对区域绘制地图时，整个主体相对于地面旋转地移动。在一些其他情况下，当对区域绘制地图时，仅主体的一部分或保持多个距离传感器440、442、444的传感器壳体旋转地移动。多个距离传感器440、442、444可以位于主体410的外周边，向外指向，朝区域中的物体发射光。由于电路430执行处理、发送和存储距离测量结果的至少一部分，因此多个距离传感器440、442、444电耦合至电路430。

图5示出根据本主题的示例性实施例的可移动机器人的示意性俯视图。该俯视图示出可移动机器人的主体510和位于主体510的顶上的传感器壳体520。传感器壳体通过在轴线515上旋转而相对于地面旋转地移动，所述轴线515既连接到主体510又连接到传感器壳体520。传感器壳体520可以相对于主体510顺时针或逆时针旋转。

传感器壳体520被配置为保持距离传感器530、532、534和536，距离传感器530、532、534和536被配置为测量主体510到区域中的物体之间的距离。距离传感器530、532、534和536可以定位在传感器壳体中的壁龛中，每个壁龛具有孔，经由该孔，光从距离传感器发出并撞击区域中的物体。

应当理解，以上描述仅是示例性的，并且可以设计出本发明的各种实施例及其变型，并且可以单独使用或以任何合适的组合使用在上述实施例中描述的特征以及本文未描述的特征，并且可以根据上述未必描述的实施例来设计本发明。

Claims (12)

1.一种可移动机器人，其被配置为对区域绘制地图，所述可移动机器人包括：

主体；

两个或更多个距离传感器，其被配置为收集所述可移动机器人与所述区域中的物体之间的距离测量结果；

旋转机构，其机械耦合至所述主体以及所述两个或更多个距离传感器，所述旋转机构被配置为使得所述两个或更多个距离传感器能够旋转移动；

处理模块，其电耦合至所述两个或更多个距离传感器和所述旋转机构，所述处理模块被配置为处理由所述两个或更多个距离传感器收集的所述距离测量结果，并指示所述旋转机构调节所述旋转移动的速度，所述速度根据由所述两个或更多个距离传感器收集的所述距离测量结果来调节。

2.根据权利要求1所述的可移动机器人，其中所述两个或更多个距离传感器是四个距离传感器，其经布置使得每个传感器的指向与其他传感器分开大致90度。

3.根据权利要求1所述的可移动机器人，其中所述两个或更多个距离传感器包括：发光构件，其被配置为朝所述区域发射光；以及光伏电池，其被配置为测量所述光从所述发光构件行进到所述物体并返回到所述光伏电池的焦平面阵列的持续时间。

4.根据权利要求1所述的可移动机器人，其进一步包括惯性测量单元即IMU，其被配置为测量所述主体的比力和角速度。

5.根据权利要求1所述的可移动机器人，其进一步包括相机，所述相机被配置为捕获所述区域的图像，其中所述处理模块电耦合至所述相机，所述处理模块从所述相机接收所捕获的图像，以估计在对所述区域绘制地图时所述可移动机器人行走过的距离，以将位置分配到由所述两个或更多个距离传感器收集的所述距离测量结果。

6.根据权利要求1所述的可移动机器人，其进一步包括存储器模块，所述存储器模块被配置为存储与调节所述旋转移动的所述速度有关的一个或多个规则，其中所述处理模块电耦合至所述存储器模块，以根据所述一个或多个规则调节所述速度。

7.根据权利要求6所述的可移动机器人，其中所述一个或多个规则包括当所收集的测量结果显示距离高于预定阈值时，降低所述速度。

8.根据权利要求1所述的可移动机器人，其进一步包括传感器壳体，所述传感器壳体被配置为容纳所述两个或更多个距离传感器，其中所述传感器壳体以能够旋转所述传感器壳体和所述两个或更多个距离传感器的方式固定到所述主体。

9.根据权利要求1所述的可移动机器人，其中所述两个或更多个距离传感器均匀地分布。

10.根据权利要求9所述的可移动机器人，其中所述旋转移动被限制到由所述两个或更多个距离传感器的数量限定的预定角度。

11.根据权利要求1所述的可移动机器人，其中所述旋转机构被配置为以相对于所述可移动机器人的所述主体的旋转移动来移动所述两个或更多个距离传感器。

12.根据权利要求1所述的可移动机器人，其中所述旋转机构被配置为以同步地施加到所述可移动机器人的所述主体的旋转移动来移动所述两个或更多个距离传感器。

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