CN113841101A - 为了在移动式机器人的自主导航情况下使用而创建环境地图的方法 - Google Patents

Abstract

在为了在物流环境中基于地图的定位系统中的移动式机器人（10）的自主导航中使用而创建环境地图的方法中，将商品管理系统的具有已知位置的移动式对象（20、200）包括到环境地图创建过程中。

Description

为了在移动式机器人的自主导航情况下使用而创建环境地图 的方法

技术领域

本发明涉及一种为了在物流环境中基于地图的定位系统中的移动式机器人的自主导航情况下使用而创建环境地图的方法。本发明还涉及用于执行这样的方法的计算机程序、机器可读的存储介质以及用于执行该方法的电子控制设备，其中在所述存储介质上存储有这样的计算机程序。

背景技术

当前在物流中心中已经成为标准的是：自动引导的车辆以自动化方式进行货物运输。车辆机器人的导航在这样的结构化环境中例如根据地面上的标记而进行。

因此，德国的公开文献10 2014 100 658 A1例如描述了一种塔式起重机，所述塔式起重机能够在港口设施中得以应用。利用该塔式起重机可以操纵集装箱，其中设置具有起重机吊运车的在行驶方向上可移动的水平的横梁，其中所述起重机吊运车是能够沿着起重机行驶方向和横向于所述起重机行驶方向移动的并且具有用于集装箱的可升降的负载容纳装置。

作为用于机器人导航的基础，通常使用所谓的SLAM（Simultaneous Localizationand Mapping（同步定位与地图构建））算法的变型。在此情况下，该机器人创建自身环境的地图并且同时在该环境地图中对自身定位。针对该过程使用如下算法，这些算法确定该机器人相对于自身的环境的位置。为此，可以借助于移动式机器人的车载传感机构创建环境表示、也即地图。该地图将能够利用所述传感机构、例如激光扫描仪（LIDAR）或摄像机检测的环境物理特性包括在内。所述定位地图在此能够根据所使用的传感器和方法而定地包含由原始测量的点、显著点（feature（特征））或语义对象（高层特征（high level feature））构成的组合。除了同步定位和地图创建以外也可能执行：在分开的步骤中、必要时也借助于不同的车辆或移动式机器人来制图并定位。

发明内容

本发明的优点

本发明提供一种为了在物流环境中基于地图的定位系统中的移动式机器人的自主导航情况下使用而创建环境地图的方法，其中商品管理系统的具有已知位置的移动式对象被包括到环境地图创建过程中。利用该方法能够例如在港口情境中改进基于地图的定位系统的鲁棒性和定位精确性，由此也间接地改进了相对应的机器人的、尤其是运输机器人、诸如可行驶的起重车或其他车辆的导航质量。移动式机器人还可理解为可飞行的和/或自主行动的机器人、诸如无人机、尤其是多轴直升机。所述可飞行的机器人还能够构造为用于运送人员或乘客的空中出租车。

所提出的方法因此提供一种在可变化的环境中定位和导航的情况下的明确改进方案。通常，自主运输机器人在物流环境中、例如港口设施中的导航是困难的，这是因为集装箱常常在港口设施中被移动并且因此使得基于环境表示而创建持久的地图是困难的。所提出的方法通过如下方式而解决该问题：将自身的位置被存放在商品管理系统中并且因此已知的移动式对象包括到环境地图创建中。在此，来自商品管理系统的鉴于该商品管理系统的移动式对象、也即例如集装箱、托盘或其他显著对象的位置方面的现有信息被使用并且被包括到在定位系统的范畴内的环境地图创建过程中。借助于来自于商品管理系统的所述信息因此能够例如识别出：是否特定对象是移动式对象。此外，能够直接在环境地图中考虑移动式对象的变化的位置。

商品管理系统就此而论是如下系统：该系统反映出企业的业务流程中的商品流。而在此对于本发明而言重要的是商品管理系统的商品物流，其中利用所述商品物流而组织仓库管理。在所述仓库管理中包含有关于该商品管理系统的要从仓库提取的或要存入仓库的对象的位置的信息。因此，能够从该商品管理系统中调用关于所述商品管理系统的例如集装箱或托盘或其他移动式对象的位置的信息。因此，例如港口管理通常利用商品管理系统来工作，其中在所述商品管理系统中实时地检测在港口设施中被转运的集装箱的方位。

所述信息按照根据本发明的方法被纳入到被用于移动式机器人的自主导航的环境地图的创建中。

该方法因此特别有利地能够特别用于自动化引导的车辆（AGV（Automated GuidedVehicle）），其中这些车辆例如在港口中运输集装箱。此外，该方法也适用于在物流环境中使用的其他自动化车辆或其他移动式机器人。

优选地，物流环境是港口设施。港口设施通常是特别动态的环境，因为在港口中通常有大量的集装箱被移动并且重新摆放或被转运。在此情况下，例如使用到精准工作的起重机，这些起重机将集装箱或其他单元拾起、运输并且放置到预先确定的位置。集装箱的倒仓通常经由商品管理系统而被控制。这样的起重机或其他移动式运输机器人例如基于激光定位来工作并且特别有利地适合于应用所提出的方法。

原则上可能的是，被用于移动式机器人的导航的所述环境地图仅仅基于关于来自商品管理系统的移动式对象的位置信息被创建。可以连续地将这种地图与来自商品管理系统的信息相比较，从而使例如集装箱在环境地图中的变化的位置被及时地或实时地采用。移动式机器人能够在这样的动态地图中对自身进行定位并且精准地进行导航。

在所述方法的一种特别优选的构型方案中，可以附加地基于移动式机器人的传感器数据来进行移动式对象的制图，其中将这些由移动式机器人探测的对象与来自商品管理系统的已知位置数据相比较，以便因此创建精准的环境地图。优选地，所述过程在移动式机器人的同步定位和制图的范畴内、尤其是在SLAM算法的范畴内进行。

在所提出的方法的有利的构型方案中，在创建环境地图时基于商品管理系统的移动式对象的已知位置来生成动态语义地图。在此情况下，并不强制性地需要借助于移动式机器人的传感机构来对所述移动式对象进行制图。相反，也可能仅仅基于来自商品管理系统的信息而生成这种动态语义地图。在此情况下，特别有利的是：集装箱或其他移动式对象的从所述商品管理系统中已知的、变化的位置能够在动态语义地图中被及时地或实时地反映出来，从而总是存在能够被用于对移动式机器人进行精准定位和导航的当前环境地图。

在所述方法的另一种实施方式中，可以替代性地或者附加地规定：在创建环境地图时不仅仅对商品管理系统的静态对象进行制图而且也对商品管理系统的移动式对象进行制图。在所述构型方案中，可以例如对以传统方式生成的定位地图扩展其他层面，其中所述其他层面表示商品管理系统的动态对象或其位置，其中所述以传统方式生成的定位地图例如由基于点云的静态地图组成。移动式机器人或其他自动化车辆可以因此为了自身的定位和导航而利用由静态环境地图与动态环境地图组成的组合。在此情况下，得出的环境地图在一定程度上具有两个层面。第一层面代表静态环境地图。其他层面则代表商品管理系统的移动式对象，其中所述其他层面是能够动态适配的。

在所提出的方法的另一种优选构型方案中，可以对通常基于环境的静态对象的以传统方式生成的定位地图如此进行清除（bereinigen），使得在创建所述环境地图情况下在制图时过滤掉商品管理系统的移动式对象。这基于：移动式机器人的传感机构通常不能够在静态对象和移动式对象之间进行区分。在通过移动式机器人或通过制图车辆进行制图时，在常规的方法中因此通常无法防止也探测到移动式对象并且然后将其记录到静态地图中。这在相应的移动式对象的位置改变时会导致针对移动式机器人的导航而言的问题。所提出的方法通过如下方式来解决该问题：通过将关于商品管理系统的移动式对象的已知位置的信息包括在内而使得这种动态对象例如已经在制图流程期间被过滤掉并且由此不被录入到环境地图中。根据所提出的方法而创建的环境地图在所述方法的这种实施方式中为了创建环境地图而在一定程度上略过所述移动式对象，从而使得移动式机器人的导航仅仅基于所述环境的静态对象的不变的位置。

为了创建环境地图可以有利的是，移动式对象的位置被投射在参考坐标系中。因此可能的是：也将具有动态位置的移动式对象转换成类似于地图的表示，其中所述表示利用传统方法、例如扫描匹配（Scan-Matching）而能够被用于定位移动式机器人。

本发明还包括计算机程序，所述计算机程序被设立用于执行所提出的方法的所述步骤。这种计算机程序可以尤其是在基于地图的定位系统的范畴内在物流环境中、尤其是港口设施中被使用。这种计算机程序可以例如被设立为商品管理系统的附加模块，以便进一步改进移动式机器人、例如自主运输车辆或可移动的起重机的自主导航。本发明还包括：机器可读存储介质，在所述机器可读存储介质上存储有这样的计算机程序；以及电子控制设备，所述电子控制设备被设立用于执行所提出的方法的步骤。

之前提及的优点以相对应的方式也针对尤其是移动式机器人而言适用，用于为了在自主导航中的使用而创建地图。移动式机器人还可以被构型为可飞行的和/或自主行动的机器人，诸如无人机、尤其是多轴直升机。可飞行的机器人还可以被构造为用于运送人员或乘客的空中出租车。

本发明的其他特征和优点从接下来结合附图而对实施例的描述中得出。在此情况下，各个特征分别自身被实现或者以彼此结合的方式被实现。

附图说明

在附图中，该图示出了在港口设施的动态环境之内自主导航的移动式机器人的当前激光扫描。

具体实施方式

该图阐明了在港口设施中自主导航的移动式机器人10的定位的问题。通过变化的环境而形成了该港口设施的特征，其中通过集装箱20、200的不断的重定位而造成所述变化的环境。在图中示意性示出的场景基本上基于常规方法，根据所述常规方法借助静态地图、例如以点云（原始LiDAR地图中的点）形式的地图而在港口环境中定位所述移动式机器人10，其中所述点云通过点状线来表示。移动式机器人10例如装备有激光扫描仪并且生成激光扫描（当前测量的LiDAR点），在此通过虚线轮廓表示。但是，为了定位也能够可替代地或附加地在移动式机器人10上使用其他传感器、例如摄像机。借助于所谓的扫描匹配而进行所述定位和在所述定位基础上进行导航。移动式机器人10的当前位置和取向被如此估计，使得当前激光扫描（虚线轮廓）尽可能好地匹配于静态地图的点云（点状轮廓）。在此情况下，静态地图例如可以由点特征（例如SIFT 特征，Scale Invariant Feature Transform（尺度不变特征转换））组成，其中所述点特征在当前摄像机图像中作为相应处被重新找到。被估计的摄像机位置和取向于是这样被估计，使得所有对应处的回投影误差最小化。因此，在图像中的点特征的所预期的位置和实际识别了的位置之间的差异被保持得尽可能小。

在当前激光扫描（虚线的）和静态地图（点状的）中可识别一些集装箱20、200，这些集装箱在静态的并且在此为过时的地图中处在与当前激光扫描不同的位置。在此，集装箱20是这样的集装箱：这些集装箱在原始的（静态）地图中曾经在当地但是现在却不再处于那里。集装箱200是这样的集装箱：这些集装箱当前在当地但是在原始的（静态）地图中却并不存在。这导致在移动式机器人10的定位和导航中的问题。这些问题通过所提出的方法而得以解决，其方式为：将在移动式机器人10的激光扫描中所探测到的对象与物流环境的所使用的商品管理系统相比较。在此，因此将商品管理系统连接到定位或制图系统上。因此，环境地图可以如此被更新，使得所述集装箱20、200或其他自身位置已知的移动式对象的位置变化被追溯并且修正。所述环境地图因此原则上总是当前的并且在移动式机器人10的定位和导航中不会出现任何问题。

可以例如规定：移动式对象20、200、也即例如商品管理系统的集装箱被投影到参考坐标系中并且因此被转换成类似于地图的表示。这种类似于地图的表示可以例如仅仅基于来自于商品管理系统的信息而被创建。这种动态语义地图可以被用于以本身已知的方式、例如借助于扫描匹配和评估点特征来对移动式机器人10进行定位和导航，其中所述动态语义地图包含有所述商品管理系统的对象的当前位置。

这样的地图还可以与传统的静态定位地图相结合，其中所述环境的静态对象30被用于创建地图。根据方法而定，为此可以不仅仅累加静态地图的点或点特征而且也可以累加动态地图的点或点特征。尤其是，在此可以如此考虑移动式对象20、200、也即例如集装箱的位置，使得所述移动式对象在静态地图中的位置被修正，其方式为：将当前位置200与过时位置20叠加。

此外，鉴于对传统定位地图清除商品管理系统的动态的或移动式对象20、200方面使用所提出的方法。为了在用于制图的数据处理期间过滤掉移动式对象20、200，鉴于如下方面对全部测量、也即例如激光扫描的点或其他可视化点特征进行检验：所述测量是否能够被分配给移动式对象。如果所探测到的点或点特征是移动式对象20、200，则能够针对创建所述静态定位地图而丢弃或过滤掉所述所探测到的点或点特征。因此，可以例如对集装箱20、200的静态地图进行清除，从而仅仅将静态对象30用于移动式机器人10的定位和导航。

Claims (14)

1.为了在物流环境中基于地图的定位系统中的移动式机器人的自主导航情况下使用而创建环境地图的方法，其特征在于，将具有已知位置的商品管理系统的移动式对象（20、200）包括到环境地图创建过程中。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，来自商品管理系统的鉴于所述商品管理系统的所述移动式对象（20、200）、也即例如集装箱、托盘或其他显著对象的位置方面的现有信息被使用并且被包括到在定位系统的范畴内的环境地图创建过程中。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，能够从所述商品管理系统中调用关于所述商品管理系统的例如集装箱或托盘或其他移动式对象（20、200）的位置的信息并且将所述信息纳入到被用于移动式机器人的自主导航的环境地图的创建中。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述物流环境是港口设施。

5.根据上述权利要求其中任一项所述的方法，其特征在于，所述环境地图的创建基于所述移动式机器人（10）的传感器数据而进行。

6.根据上述权利要求其中任一项所述的方法，其特征在于，所述环境地图的创建在所述移动式机器人（10）的同步定位和制图的范畴内进行。

7.根据上述权利要求其中任一项所述的方法，其特征在于，在创建所述环境地图时基于所述商品管理系统的所述移动式对象（20、200）的已知位置生成动态语义地图。

8.根据上述权利要求其中任一项所述的方法，其特征在于，在创建所述环境地图时通过所述商品管理系统的所述移动式对象（20、200）的制图来对静态对象（30）的制图进行补充。

9.根据权利要求1至5其中任一项所述的方法，其特征在于，在创建所述环境地图的情况下在制图时过滤掉所述商品管理系统的所述移动式对象（20、200）。

10.根据上述权利要求其中任一项所述的方法，其特征在于，所述移动式对象（20、200）的位置被投影到参考坐标系中。

11.计算机程序，所述计算机程序被设立用于执行根据权利要求1至10其中任一项所述的方法的所述步骤。

12.机器可读存储介质，在所述机器可读存储介质上存储根据权利要求11所述的计算机程序。

13.电子控制设备，所述电子控制设备被设立用于执行根据权利要求1至10其中任一项所述的方法的步骤。

14.移动式机器人（10），所述移动式机器人具有根据权利要求13所述的电子控制设备。

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