JP2016001182A - Three-dimensional scanning beam system and method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a three-dimensional scanning beam system and method, which enable economical and efficient three-dimensional scanning.SOLUTION: A system 100 includes a ranging apparatus 105, and a reactive linkage mechanism 110 having a first end 115 and a second end 120. The first end 115 is connected to the ranging apparatus 105 and the second end 120 is connected to an object 125 that moves the system 100 through an environment. In use, acceleration of the object 125 with respect to the environment is converted by the reactive linkage mechanism 110 to motion of the ranging apparatus 105 with respect to the object 125, which increases the field of view of the ranging apparatus 105 with respect to the environment.

Description

本発明は、一般に、走査ビーム・システムに関する。限定ではないが、本発明は、特に、反動性連結機構を使用する3次元(3D)走査のためのシステムおよび方法に関する。   The present invention relates generally to scanning beam systems. Although not limiting, the present invention is particularly related to systems and methods for three-dimensional (3D) scanning using a reactive coupling mechanism.

事前に取得した(a priori)地図が利用可能でない環境で動作する車両、人、またはロボットは、機能してその作業環境に適応するために、または正確なモデルをエンド・ユーザに提供するために、地図を構築しなければならないことがしばしばある。SLAM(simultaneous localisation and mapping)を含めた、地図の作成および自己位置の推定は、モバイル・ロボット工学における根本的な問題であり、既知の地図も自己の姿勢の正確な尺度も有さない動くオブジェクトがこの両方を推定して維持しなければならないというシナリオを含む。   A vehicle, person, or robot operating in an environment where a priori maps are not available to function and adapt to its work environment or to provide an accurate model to the end user Often, you have to build a map. Map creation and self-position estimation, including SLAM (simultaneous localization and mapping), is a fundamental problem in mobile robotics, moving objects that do not have a known map or an accurate measure of their pose Includes a scenario where both must be estimated and maintained.

オブジェクトの姿勢とは、空間におけるオブジェクトの位置および方位を指す。動くオブジェクトの姿勢を正確に知ることは、ロボット・ナビゲーション、地図の作成、およびプランニングなどの、モバイル・タスクにとってしばしば重要である。特に、環境によっては従来のナビゲーション・システムが動作できないか、または実際的でないことは、よく知られている。例えば、屋内、地下鉱山、または深海などの環境では、衛星ベースの全地球測位システム(GPS)技術およびセルラーベースの測位技術は、動作しないことが多い。このような環境の詳細な地図が利用可能でない場合、その環境で動作する車両、人、またはロボットは、SLAMシステムなどの代替ナビゲーション・システムに依拠する必要があり、これらの代替ナビゲーション・システムは、位置および方位を決定するために慣性計測ユニット(IMU、inertial measurement unit)または他のセンサを含むことがある。   The posture of the object refers to the position and orientation of the object in space. Knowing exactly the pose of a moving object is often important for mobile tasks such as robot navigation, map creation, and planning. In particular, it is well known that in some environments conventional navigation systems cannot operate or are impractical. For example, in environments such as indoors, underground mines, or deep seas, satellite-based global positioning system (GPS) technology and cellular-based positioning technology often do not work. If a detailed map of such an environment is not available, a vehicle, person, or robot operating in that environment must rely on an alternative navigation system, such as a SLAM system, An inertial measurement unit (IMU) or other sensor may be included to determine position and orientation.

3D走査ビーム・システムは、地図の作成および/または自己位置の推定の応用例のためのデータを提供することができる。一般に、このようなシステムは、センサを複数の自由度で動かして、センサの視野を効果的に増大させて3D走査を得る、能動的な電動の連結機構を備える。例えば、いくつかのシステムは、1次元ビームを出力するレーザ測距装置を備えることがある。測距装置が電動の多自由度連結機構または電動ジンバル機構に搭載された場合、レーザを、車両の正面の空間など、3次元空間の中で繰り返し掃引することができる。次いで、装置から収集されたデータを使用して3D「ポイント・クラウド」を定義することができる。3D「ポイント・クラウド」は、環境の画像または地図を効果的に定義する。他の測距装置は2次元レーザ・スキャナを備えることができ、2次元レーザ・スキャナが中心軸の周りで回転されるか、または車両に固定されているときは第3の次元で動かされて、3Dポイント・クラウドが定義される。さらに、3Dフラッシュ光検出および測距(LIDAR、light detection and ranging)装置は、複数の検出器を並列に組み込んで、3D測距データを生成することができる。   The 3D scanning beam system can provide data for map creation and / or self-position estimation applications. In general, such systems include an active motorized linkage that moves the sensor in multiple degrees of freedom to effectively increase the field of view of the sensor to obtain 3D scanning. For example, some systems may include a laser ranging device that outputs a one-dimensional beam. When the distance measuring device is mounted on an electric multi-degree-of-freedom coupling mechanism or an electric gimbal mechanism, the laser can be repeatedly swept in a three-dimensional space such as a space in front of the vehicle. The data collected from the device can then be used to define a 3D “point cloud”. A 3D “point cloud” effectively defines an image or map of the environment. Other ranging devices can comprise a two-dimensional laser scanner, which can be rotated about the central axis or moved in the third dimension when fixed to the vehicle. A 3D point cloud is defined. Furthermore, a 3D flash light detection and ranging (LIDAR, light detection and ranging) device can incorporate a plurality of detectors in parallel to generate 3D ranging data.

多くの場合、3D走査ビーム・システムは、車両またはロボットに固定的に搭載され、車両またはロボットの方位に対して相対的な特定の領域を継続的に走査する。次いで、収集されたデータは、地図の作成および/もしくは自己位置の推定の応用例に、またはより基本的なオブジェクト検出および場面認識の目的に使用することができる。しかし、状況によっては、固定的に搭載された走査ビーム・システムが取り付けられている車両またはロボットの振動または上下の揺れのせいで、システムにエラーが生じる可能性がある。したがって、望ましくない振動または動きから3D走査ビーム・システムを効果的に切り離すために、複雑な振動隔離および安定化システムが考案されてきた。   In many cases, the 3D scanning beam system is fixedly mounted on the vehicle or robot and continuously scans a specific area relative to the orientation of the vehicle or robot. The collected data can then be used for mapping and / or self-location estimation applications, or for more basic object detection and scene recognition purposes. However, in some situations, the system can be errored due to the vibration or up and down vibrations of the vehicle or robot to which the fixedly mounted scanning beam system is attached. Thus, complex vibration isolation and stabilization systems have been devised to effectively decouple the 3D scanning beam system from unwanted vibrations or motion.

いくつかの応用例において、走査センサの視野を増大させて3次元領域を効果的に走査するのに必要なハードウェアは、極めて複雑かつ高価である可能性がある。したがって、改善された3D走査ビーム・システムおよび方法が必要とされている。   In some applications, the hardware required to effectively scan a three-dimensional region by increasing the field of view of the scanning sensor can be extremely complex and expensive. Accordingly, there is a need for improved 3D scanning beam systems and methods.

Michael Bosse and Robert Zlot, “Continuous 3D Scan−Matching with a 2D Spinning Laser”, Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, pages 4312−4319, Kobe, Japan, May 12−17 2009Michael Bosse and Robert Zlot, “Continuous 3D Scan-Matching with a 2D Spinning Laser,” Proceedings of the IEEE International 43

本発明のいくつかの実施形態の目的は、上述した従来技術に対する改善および利点を消費者に提供すること、ならびに/または、従来技術の上述した欠点の1つもしくは複数を克服および軽減すること、ならびに/または、有用な商業上の選択肢を提供することである。   The purpose of some embodiments of the present invention is to provide consumers with improvements and advantages over the prior art described above, and / or to overcome and mitigate one or more of the above-mentioned drawbacks of the prior art, And / or to provide useful commercial options.

したがって、ある形では、本発明は、測距装置と、第1の端部および第2の端部を有する反動性連結機構とを備え、前記第1の端部が前記測距装置に接続され、前記第2の端部が、環境の中で前記システムを動かすオブジェクトに接続され、使用時、前記環境に対する前記オブジェクトの加速が前記反動性連結機構によって前記オブジェクトに対する前記測距装置の運動に変換されて、前記環境に対する前記測距装置の視野が増大する。   Accordingly, in one form, the present invention comprises a distance measuring device and a reaction coupling mechanism having a first end and a second end, wherein the first end is connected to the distance measuring device. The second end is connected to an object that moves the system in the environment, and in use, the acceleration of the object relative to the environment is converted into a movement of the distance measuring device relative to the object by the reactive coupling mechanism in use. Thus, the field of view of the distance measuring device with respect to the environment is increased.

任意選択で、前記システムはさらに、前記測距装置に取り付けられた方位センサを備える。   Optionally, the system further comprises an orientation sensor attached to the ranging device.

任意選択で、前記システムはさらに、前記測距装置に接続されたコンピュータ・システムを備え、前記コンピュータは、登録アルゴリズムを定義するプログラム・コード・コンポーネントを記憶したコンピュータ可読媒体を備え、前記登録アルゴリズムが前記測距装置からのデータを処理して、前記環境の3Dポイント・クラウドを定義する。   Optionally, the system further comprises a computer system connected to the ranging device, the computer comprising a computer readable medium storing a program code component defining a registration algorithm, wherein the registration algorithm Process data from the ranging device to define a 3D point cloud of the environment.

任意選択で、前記測距装置は、レーザを備える。   Optionally, the ranging device comprises a laser.

任意選択で、前記レーザは、2次元走査ビーム・レーザを備える。   Optionally, the laser comprises a two-dimensional scanning beam laser.

任意選択で、前記3Dポイント・クラウドは、リアルタイムで定義される。   Optionally, the 3D point cloud is defined in real time.

任意選択で、前記測距装置は、光信号、音響信号、超音波信号、無線周波数信号、γ放射信号、マイクロ波信号、のタイプの信号のうちの少なくとも1つを送受信する。   Optionally, the ranging device transmits and receives at least one of the following types of signals: optical signal, acoustic signal, ultrasonic signal, radio frequency signal, γ radiation signal, microwave signal.

任意選択で、前記反動性連結機構は、ばねを備える。   Optionally, the reaction coupling mechanism comprises a spring.

任意選択で、前記方位センサは、慣性計測ユニット(IMU)を備える。   Optionally, the orientation sensor comprises an inertial measurement unit (IMU).

任意選択で、前記反動性連結機構の前記第1の端部と前記測距装置との間の接続は、流動性結合である。   Optionally, the connection between the first end of the reactive coupling mechanism and the ranging device is a fluid coupling.

別の形によれば、本発明は、環境の3次元走査を得る方法であり、この方法は、測距装置を反動性連結機構の第1の端部に接続すること、前記反動性連結機構の第2の端部をオブジェクトに接続すること、前記オブジェクトを前記環境の中で動かすことであって、前記オブジェクトの加速が、前記反動性連結機構によってオブジェクトに対する前記測距装置の運動に変換され、前記環境に対する前記測距装置の視野が増大すること、および、前記環境の前記3次元走査を定義するデータを前記測距装置によって得ることを含む。   According to another aspect, the present invention is a method for obtaining a three-dimensional scan of an environment, the method comprising connecting a ranging device to a first end of a reactive coupling mechanism, said reactive coupling mechanism Connecting the second end of the object to the object, moving the object in the environment, wherein the acceleration of the object is converted into a movement of the ranging device relative to the object by the reaction coupling mechanism. , Increasing the field of view of the ranging device relative to the environment, and obtaining data defining the three-dimensional scan of the environment by the ranging device.

任意選択で、この方法はさらに、登録アルゴリズムを定義するプログラム・コード・コンポーネントを記憶したコンピュータ可読媒体を備えるコンピュータ・システムを、前記測距装置に接続すること、および、前記コンピュータ・システムを使用して前記データを処理することであって、前記登録アルゴリズムが前記環境の3Dポイント・クラウドを定義することを含む。   Optionally, the method further comprises connecting a computer system comprising a computer readable medium having stored program code components defining a registration algorithm to the ranging device and using the computer system. Processing the data, the registration algorithm comprising defining a 3D point cloud of the environment.

本発明のさらに他の特徴および利点は、後続の詳細な記述から明らかになるであろう。   Still other features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description.

本発明の理解を助け、当業者が本発明を実際に実施できるようにするために、本発明の好ましい実施形態について、添付の図面を参照しながら単なる例として述べる。   In order to assist the understanding of the present invention and to enable those skilled in the art to practice the invention, preferred embodiments of the invention will now be described by way of example only with reference to the accompanying drawings.

本発明の一実施形態による3D走査ビーム・システムの側面を示す概略図である。1 is a schematic diagram illustrating aspects of a 3D scanning beam system according to an embodiment of the present invention. FIG. 自動車の前端部に接続された図1のシステムの側面を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a side view of the system of FIG. 建設用安全ヘルメットの上部に接続された図1のシステムの側面を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a side view of the system of FIG. 1 connected to the top of a construction safety helmet. 本発明のいくつかの実施形態による、環境中の面に対して相対的なスキャナの並進運動を示す図である。FIG. 6 illustrates the translation of the scanner relative to a surface in the environment, according to some embodiments of the invention. 本発明の一実施形態による、環境の3次元走査を得る方法を示す全体的な流れ図である。2 is an overall flow diagram illustrating a method for obtaining a three-dimensional scan of an environment according to one embodiment of the invention. 本発明のいくつかの実施形態による、3Dポイント・クラウドを定義するためのコンピュータ・システムを含むシステムのコンポーネントを示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram illustrating components of a system including a computer system for defining a 3D point cloud according to some embodiments of the present invention. 本発明の代替実施形態による3D走査ビーム・システムの側面を示す概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating aspects of a 3D scanning beam system according to an alternative embodiment of the present invention.

本発明は、3D走査ビーム・システムおよび方法に関する。このシステムを車両、ロボット、人、または動物などのオブジェクトに取り付けることにより、環境の3D走査を経済的かつ確実に得ることができる。次いで、3D走査からのデータを、オブジェクト検出、近接の検出、地図の作成、自己位置の推定、または衝突回避など、様々な目的に使用することができる。   The present invention relates to 3D scanning beam systems and methods. By attaching this system to objects such as vehicles, robots, people or animals, 3D scanning of the environment can be obtained economically and reliably. The data from the 3D scan can then be used for various purposes such as object detection, proximity detection, map creation, self-position estimation, or collision avoidance.

本特許明細書において、第1および第2、左および右、上および下などの形容詞は、ある要素または方法のステップを、別の要素または方法のステップと区別して規定するためにのみ使用され、これらの形容詞によって記述される特定の相対的な位置または順序を必ずしも必要としない。「備える」または「含む」などの語は、要素または方法のステップの排他的なセットを定義するのに使用されるものではない。もっと言えば、このような語は、本発明の特定の実施形態に含まれる要素または方法のステップの最小限のセットを定義するに過ぎない。   In this patent specification, adjectives such as first and second, left and right, up and down are used only to define one element or method step distinct from another element or method step; The specific relative position or order described by these adjectives is not necessarily required. Terms such as “comprising” or “including” are not intended to define an exclusive set of elements or method steps. More specifically, such terms only define a minimal set of elements or method steps included in a particular embodiment of the invention.

図1を参照すると、本発明の一実施形態による3D走査ビーム・システム100の側面の概略図が示されている。システム100は、2Dレーザ・ビーム・スキャナ105の形の測距装置と、コイルばね110の形の反動性連結機構とを備える。コイルばね110の第1の端部115は、2Dレーザ・ビーム・スキャナ105に接続される。コイルばね110の第2の端部120は、オブジェクト125に接続される。次いで、オブジェクト125の並進加速(矢印130で示す)が、反動性連結機構により、2Dレーザ・ビーム・スキャナ105の回転運動(矢印135で示す)に変換される。   Referring to FIG. 1, a schematic side view of a 3D scanning beam system 100 according to an embodiment of the present invention is shown. The system 100 comprises a ranging device in the form of a 2D laser beam scanner 105 and a reactive coupling mechanism in the form of a coil spring 110. The first end 115 of the coil spring 110 is connected to the 2D laser beam scanner 105. The second end 120 of the coil spring 110 is connected to the object 125. The translational acceleration of object 125 (indicated by arrow 130) is then converted into a rotational motion of 2D laser beam scanner 105 (indicated by arrow 135) by a reactive coupling mechanism.

したがって、2Dレーザ・ビーム・スキャナ105は、その視野をかなり増大させることができ、オブジェクト125の正面の環境を3Dで走査することができる。2Dレーザ・ビーム・スキャナ105の回転運動を生み出すのに、独立して電力供給されるジンバル機構または他の独立した励起源は必要とされない。したがって、測距装置を使用して環境を走査するのに必要とされるハードウェアに対してコスト制約または空間制約が制限を課す場合に、システム100は経済的かつ効果的となることができる。   Thus, the 2D laser beam scanner 105 can significantly increase its field of view and scan the environment in front of the object 125 in 3D. An independently powered gimbal mechanism or other independent excitation source is not required to produce the rotational motion of the 2D laser beam scanner 105. Thus, the system 100 can be economical and effective when cost or space constraints impose limitations on the hardware required to scan the environment using a ranging device.

本発明のいくつかの実施形態によれば、慣性計測ユニット(IMU)145、カメラ、磁力計、または他のデバイスなど、任意選択の方位センサを測距装置に取り付けることができる。このような方位センサは、測距装置の位置または方位を定義するデータが必要とされる応用例で、測距装置からのデータを処理する助けとなることができる。   According to some embodiments of the present invention, an optional orientation sensor, such as an inertial measurement unit (IMU) 145, camera, magnetometer, or other device, can be attached to the ranging device. Such an orientation sensor can assist in processing data from a ranging device in applications where data defining the location or orientation of the ranging device is required.

図2を参照すると、自動車200の前端部に接続されたシステム100の側面の概略図が示されている。したがって、オブジェクト125は自動車200で置き換えられている。自動車200の並進加速が、2Dレーザ・ビーム・スキャナ105の回転運動に変換され、自動車200の正面の領域を3Dで走査できるようになる。上下の揺れの(すなわち上下)加速や旋回加速など、通常使用中の自動車200の他の自然発生的な加速が、2Dレーザ・ビーム・スキャナ105の回転運動を励起する助けとなることができる。当業者には理解されるであろうが、オブジェクト125に加わる力およびトルクは、オブジェクト125に対して相対的なスキャナ105の運動(主に回転運動だが、小さい並進運動もある)を誘発する。この結果、走査されている環境に対して相対的なスキャナ105の運動が増幅される。   Referring to FIG. 2, a schematic diagram of a side view of the system 100 connected to the front end of an automobile 200 is shown. Therefore, the object 125 is replaced with the automobile 200. The translational acceleration of the automobile 200 is converted into the rotational motion of the 2D laser beam scanner 105 so that the area in front of the automobile 200 can be scanned in 3D. Other naturally occurring accelerations of the automobile 200 in normal use, such as up and down (ie up and down) acceleration and turning acceleration, can help excite the rotational motion of the 2D laser beam scanner 105. As will be appreciated by those skilled in the art, the force and torque applied to the object 125 induces a movement of the scanner 105 relative to the object 125 (primarily rotational, but also with small translational movement). As a result, the movement of the scanner 105 relative to the environment being scanned is amplified.

スキャナ105のような2Dレーザ・ビーム・スキャナは、広く市販されており、または、市販のコンポーネントを使用して容易に製造することができる。例えば、スキャナ105は、SICK AGによって製造された光検出および測距(LIDAR)レーザ測定センサ(LMS、laser measurement sensor)モデル291を含みうる。別の方法として、例えば、光信号、音響信号、超音波信号、無線周波数(RF)信号、γ放射信号、またはマイクロ波信号など様々なタイプの放射または信号を使用するものを含めた、様々な他のタイプの測距装置を使用することもできる。このような放射または信号は、例えば飛行時間(TOF)、周波数変調連続波(FMCW、frequency modulation continuous wave)、三角測量、および位相シフト測距技法を含めた、多様な測距技法において使用することができる。また、本発明による測距装置は、2Dで走査する必要はなく、例えば単純な1次元ビーム測距装置とすることもできる。このような1次元ビーム測距装置の回転もまた、環境の効果的な3D走査を提供することができる。   2D laser beam scanners such as scanner 105 are either widely available commercially or can be easily manufactured using commercially available components. For example, the scanner 105 may include a light detection and ranging (LIDAR) laser measurement sensor (LMS, laser measurement sensor) model 291 manufactured by SICK AG. Alternatively, various methods, including those using various types of radiation or signals, such as optical signals, acoustic signals, ultrasound signals, radio frequency (RF) signals, gamma radiation signals, or microwave signals, for example Other types of ranging devices can also be used. Such radiation or signals may be used in various ranging techniques including, for example, time of flight (TOF), frequency modulated continuous wave (FMCW), triangulation, and phase shift ranging techniques. Can do. Further, the distance measuring device according to the present invention does not need to be scanned in 2D, and can be a simple one-dimensional beam distance measuring device, for example. Such rotation of the one-dimensional beam ranging device can also provide effective 3D scanning of the environment.

本発明のいくつかの実施形態によれば、反動性連結機構はまた、様々なタイプの商用オフザシェルフ(COTS、commercially available off the shelf)製品またはカスタムメイド製品を含みうる。例えば、コイルばね110は、ポリマーや金属合金を含めた様々な材料で作られた様々なタイプのコイルばねを含んでよい。さらに、反動性連結機構は、測距装置に接続された複数のばねや、ばね状の材料など、他の要素を含んでもよい。当業者には理解されるであろうが、本開示を考慮すると、例えば単純な弾性ロッド、膨らませた風船、スポンジ、ゴムなどを含めた、様々な他のタイプの弾性接続機構を使用して、オブジェクトの加速を測距装置の運動に変換する反動性連結機構を提供することができる。   According to some embodiments of the present invention, the reactive coupling mechanism may also include various types of commercially available off the shelf (COTS) products or custom made products. For example, the coil spring 110 may include various types of coil springs made of various materials including polymers and metal alloys. Further, the reaction coupling mechanism may include other elements such as a plurality of springs connected to the distance measuring device and a spring-like material. As will be appreciated by those skilled in the art, in view of this disclosure, various other types of elastic connection mechanisms are used, including, for example, simple elastic rods, inflated balloons, sponges, rubbers, etc. A reactive coupling mechanism that converts the acceleration of the object into the movement of the distance measuring device can be provided.

さらに、本発明による反動性連結機構が、オブジェクト125の高周波運動からスキャナ105を分離する受動メカニカル・フィルタとしての働きをすることもできることは、当業者なら理解するであろう。コイルばね110などの反動性連結機構は、適用要件を満たすように特定の周波数で共振することと、問題となる可能性のある高周波運動を抑制することとの両方のために、調整することができる。例えば、いくつかの高周波運動は、登録アルゴリズムによる処理を複雑にするか、またはスキャナ105にとって有害であることがある。   Further, those skilled in the art will appreciate that the reactive coupling mechanism according to the present invention can also act as a passive mechanical filter that isolates the scanner 105 from the high frequency motion of the object 125. A reactive coupling mechanism, such as coil spring 110, can be adjusted to both resonate at a specific frequency to meet application requirements and to suppress high frequency motion that may be problematic. it can. For example, some high frequency motion can complicate processing by the registration algorithm or be detrimental to the scanner 105.

さらに、反動性連結機構は、ハードウェアに関連する時定数に基づいてスキャナ105のインパルス応答が長くなるように調整することができ、オブジェクト125が動きを停止した後のある期間にわたってスキャナ105が運動し続けるのを効果的に可能にする。したがって、反動性連結機構は、エネルギー(機械的エネルギーまたは重力エネルギーなど)を蓄積して、ゆっくりと時間をかけて放出することができる。   Further, the reactive coupling mechanism can be adjusted to increase the impulse response of the scanner 105 based on the time constant associated with the hardware so that the scanner 105 moves over a period of time after the object 125 stops moving. Effectively making it possible to continue. Thus, the reactive coupling mechanism can accumulate energy (such as mechanical energy or gravitational energy) and slowly release it over time.

反動性連結機構のさらに他の実施形態は、機構にとって利用可能な運動範囲の、ダンパまたは他の物理的リミッタを備えてよい。これは、例えば、スキャナ105の視野を特定の応用例の対象範囲に制限するのに有用となりうる。   Still other embodiments of the reactive coupling mechanism may include a damper or other physical limiter of the range of motion available to the mechanism. This can be useful, for example, to limit the field of view of the scanner 105 to a range of interest for a particular application.

図3を参照すると、建設用安全ヘルメット300の上部に接続されたシステム100の側面の概略図が示されている。この実施形態によれば、ヘルメット300を被っている作業員の頭の、歩行による動き、頷きによる動き、または他の自然な動きは、2Dレーザ・ビーム・スキャナ105の回転運動を励起するのに十分とすることができる。したがって、システム100を使用して、屋内、地下鉱山、または他の様々な環境などで作業員のすぐ前の作業現場を効果的に走査することができる。   Referring to FIG. 3, a schematic side view of the system 100 connected to the top of the construction safety helmet 300 is shown. According to this embodiment, the movement of the head of the worker wearing the helmet 300 due to walking, whirling movement, or other natural movement is used to excite the rotational movement of the 2D laser beam scanner 105. Can be sufficient. Thus, the system 100 can be used to effectively scan a work site immediately in front of an operator, such as indoors, underground mines, or various other environments.

図3に示すシステム100は、測距装置の走査または回転運動を励起するためにモータまたは他の電動機構は必要ないので、ごくわずかな電力しか使用しないように設計することができる。したがって、測距装置は、例えば測距装置の固体回路に電力を供給するのに必要とされる、比較的低い電力の電池のみによって電力供給されればよい。   The system 100 shown in FIG. 3 can be designed to use very little power because no motor or other motorized mechanism is needed to excite the scanning or rotational movement of the ranging device. Thus, the distance measuring device need only be powered by a relatively low power battery that is required, for example, to supply power to the solid state circuit of the distance measuring device.

本発明のいくつかの実施形態を使用して、走査データをコンピュータ・システムに提供することができる。次いでコンピュータ・システムは、登録アルゴリズムを使用してこのデータを処理して、3Dポイント・クラウドを定義することができる。当業者に知られているように、このような3Dポイント・クラウドは、様々な地図の作成および/もしくは自己位置の推定の応用例または撮像応用例に使用することができる。   Some embodiments of the present invention may be used to provide scan data to a computer system. The computer system can then process this data using a registration algorithm to define a 3D point cloud. As known to those skilled in the art, such a 3D point cloud can be used in various map creation and / or self-position estimation applications or imaging applications.

したがって、システム100などのシステムは、様々な応用例で使用することができる。例えば、地図の作成の分野では、システム100を、車両、手押し車、人間、または動物などの移動プラットフォーム上に搭載することができ、環境の3D地図を得るのに使用することができる。ロボット工学の応用例では、システム100を、地形マッピングまたは一般的な場面認識に使用することができる。図3に示すように、本発明の様々な軽量な実施形態を、ナビゲーション目的のウェアラブルまたはハンドヘルド機器として使用することができる。例えば、地図を作成済みの建物の内部で、警察、消防隊員、または軍人などの初動要員がシステム100を使用することができる。次いで、システム100からのデータから作成された、ローカルに取得された地図を、既存のグローバル・マップとリアルタイムで比較して、初動要員の位置を突き止めて補助することができる。地下鉱山や水中環境などのリモート環境でロボットまたは他の車両を使用して、同様の自己位置の推定および地図の作成機能を達成することができる。   Thus, a system such as system 100 can be used in various applications. For example, in the field of map creation, the system 100 can be mounted on a mobile platform such as a vehicle, a wheelbarrow, a human, or an animal and can be used to obtain a 3D map of the environment. In robotics applications, the system 100 can be used for terrain mapping or general scene recognition. As shown in FIG. 3, the various lightweight embodiments of the present invention can be used as wearable or handheld devices for navigation purposes. For example, the system 100 may be used by first-time personnel, such as police, firefighters, or military personnel, within a building that has been mapped. The locally acquired map created from the data from the system 100 can then be compared in real time with the existing global map to locate and assist the initial personnel. Similar self-position estimation and map creation functions can be achieved using robots or other vehicles in remote environments such as underground mines and underwater environments.

本発明と共に使用できる登録アルゴリズムの一例が、参照により全体が本明細書に組み込まれる論文に提供されている(例えば、非特許文献1参照)。このような登録アルゴリズムがどのように機能するかに関する要約を以下に説明する。   An example of a registration algorithm that can be used with the present invention is provided in a paper that is incorporated herein by reference in its entirety (see, for example, Non-Patent Document 1). A summary of how such a registration algorithm works is described below.

例えば、図3に示すヘルメット300に接続されたシステム100を考えると、ヘルメット300を被っている人物が動くのに伴い、ばね110を介して運動が励起される。したがって、スキャナ105は、追加の自由度およびより広い視野にわたって回転し、それにより、通常の2D走査平面の外の測定値をとって周囲環境の3D測定値を提供する。しかし、スキャナ運動の正確な性質は、最初はわからないことがある。レーザ・スキャナ105に固定的に取り付けられたIMU145からのデータを使用してスキャナ105の回転運動を推定することはできるが、並進運動は全くわからないことがある。登録アルゴリズムが、並進運動を回復し、回転運動の推定値に補正を加え、追加でタイミング同期を実施することができる。   For example, considering the system 100 connected to the helmet 300 shown in FIG. 3, as the person wearing the helmet 300 moves, motion is excited through the spring 110. Thus, the scanner 105 rotates over additional degrees of freedom and a wider field of view, thereby taking measurements outside the normal 2D scan plane to provide 3D measurements of the surrounding environment. However, the exact nature of the scanner motion may not be known at first. Although data from the IMU 145 fixedly attached to the laser scanner 105 can be used to estimate the rotational motion of the scanner 105, the translational motion may not be known at all. A registration algorithm can recover translational motion, correct the rotational motion estimates, and perform additional timing synchronization.

図4を参照すると、本発明のいくつかの実施形態による、環境中の表面zおよびzに対して相対的なスキャナ105の並進運動が示されている。図示のように、スキャナ105が時間tで第1の位置にあり、時間tで第2の位置にあると考えてみる。システム100によって得られたデータを、登録アルゴリズムを使用して処理する前は、時間tおよびtにおけるスキャナ105の姿勢(すなわち位置および方位)は、正確にはわからない(位置のいくらかの推定値は、例えばIMU145からのデータに基づいて知ることができるが)。例示のように、表面zおよびzは共に、第1と第2の両方の位置でスキャナ105からのビーム140によって測定される、環境中の表面を表す。登録アルゴリズムの第1のステップは、表面zおよびzを識別する両方の位置でスキャナ105が共通の特徴を実際に見ていることを識別するデータ関連付けを実施することである。次いで、スキャナ105の姿勢に適用される補正xに特徴マッチをリンクする、制約システムHが形成される。当業者には理解されるであろうが、図4には、姿勢およびマッチのサブセットのみを示す。それに対し、実際の実施形態は一般に、スキャナ105のより長い軌跡と、範囲測定値の完全なセットとを考慮することになる。 Referring to FIG. 4, the translational movement of the scanner 105 relative to the surfaces z 1 and z 2 in the environment is shown according to some embodiments of the present invention. As shown, consider that scanner 105 is in the first position at time t 1 and is in the second position at time t 2 . Before the data obtained by the system 100 is processed using a registration algorithm, the attitude (ie position and orientation) of the scanner 105 at times t 1 and t 2 is not known accurately (some estimate of position). For example, based on data from the IMU 145). As illustrated, both surfaces z 1 and z 2 represent surfaces in the environment that are measured by beam 140 from scanner 105 at both first and second locations. The first step in the registration algorithm is to perform a data association that identifies that the scanner 105 is actually looking at a common feature at both locations that identify the surfaces z 1 and z 2 . A constraint system H is then formed that links the feature match to the correction x applied to the attitude of the scanner 105. As will be appreciated by those skilled in the art, only a subset of postures and matches is shown in FIG. In contrast, actual embodiments will generally consider a longer trajectory of the scanner 105 and a complete set of range measurements.

登録アルゴリズムは、入力として、前の軌跡(例えば、IMU145からとられた方位推定値のみを含む)と、範囲走査のセットとを使用することができる。前の軌跡を使用して、走査ポイント(すなわち範囲測定値)を、未登録の(すなわち一般にあまり整合しない)3Dポイント・クラウドに投影することができる。軌跡は、スキャナ105の原点の位置および方位(6つの自由度(DOF)の、すなわち3つの位置DOFおよび3つの回転DOFの)の連続的な時間履歴として定義することができる。姿勢は、3D剛体に対する6つのDOFで定義される。したがって、軌跡は、スキャナ105の掃引の継続時間にわたる時間τごとの、地上座標フレームに対するスキャナ105の6つのDOFの姿勢を指定する関数T(τ)として定義することができる。   The registration algorithm can use as input the previous trajectory (eg, including only orientation estimates taken from IMU 145) and a set of range scans. Using the previous trajectory, the scan points (ie range measurements) can be projected onto an unregistered (ie generally less aligned) 3D point cloud. The trajectory can be defined as a continuous time history of the origin position and orientation of the scanner 105 (in six degrees of freedom (DOF), ie, three positions DOF and three rotational DOFs). The posture is defined by 6 DOFs for the 3D rigid body. Thus, the trajectory can be defined as a function T (τ) that specifies the orientation of the six DOFs of the scanner 105 relative to the ground coordinate frame for each time τ over the duration of the sweep of the scanner 105.

次いで、環境の作業空間が、セルまたは「ボクセル」(体積要素)の3Dグリッドに離散化され、各ボクセルにつき、その境界内に含まれる走査ポイントのセットに基づいて、統計が計算される。環境の不均一サンプリングおよび境界効果を反映するために、3Dグリッドは、複数の解像度およびオフセットで計算される。所与のボクセルについて計算された統計は、ポイントpに適合する楕円体に関するパラメータを記述する1次および2次モーメントμ、Sを使用して、これらのポイントに適合する楕円体を定義する。

Figure 2016001182
Figure 2016001182
The environment workspace is then discretized into a 3D grid of cells or “voxels” (volume elements), and statistics are calculated for each voxel based on the set of scan points contained within its boundaries. To reflect the non-uniform sampling of the environment and boundary effects, the 3D grid is calculated at multiple resolutions and offsets. The statistics calculated for a given voxel define the ellipsoids that fit these points using the first and second moments μ, S that describe the parameters for the ellipsoid that fits the points p i .
Figure 2016001182
Figure 2016001182

楕円体は、それらの重心(すなわち平均位置)と、形状を定義する座標軸および大きさのセット(2次モーメント行列Sの固有値−固有ベクトル分解によって計算できる)とによって要約することができる。形状は、追加的に、計算された固有値に基づいて分布がどれくらい平面、円柱、または球かを記述する形状パラメータによって、要約することができる。平面はさらに、その法線(最も小さい固有値に対応する固有ベクトル)に関連付けられ、円柱は、その軸(最も大きい固有値に対応する固有ベクトル)に関連付けることができる。   Ellipsoids can be summarized by their centroids (ie, average positions) and a set of coordinate axes and sizes that define the shape (which can be computed by the eigenvalue-eigenvector decomposition of the second moment matrix S). The shape can additionally be summarized by shape parameters that describe how flat, cylindrical, or sphere the distribution is based on the calculated eigenvalues. The plane can be further associated with its normal (the eigenvector corresponding to the smallest eigenvalue) and the cylinder can be associated with its axis (the eigenvector corresponding to the largest eigenvalue).

2次モーメント行列Sのソート済み固有値λ≦λ≦λが与えられた場合、量

Figure 2016001182
は、0〜1の範囲の、ポイントの円柱らしさである。同様に、量
Figure 2016001182
は、0〜1の範囲の、ポイントの平面らしさである。 Given a sorted eigenvalue λ 1 ≦ λ 2 ≦ λ 3 of the second moment matrix S, the quantity
Figure 2016001182
Is the cylindrical character of the point in the range of 0-1. Similarly, quantity
Figure 2016001182
Is the flatness of the point in the range of 0-1.

次いで、反復的な最適化アルゴリズムを使用してセンサ軌跡が推定され、ポイント・クラウドが登録されて、正確な3D地図が作成される。各反復において、入力軌跡推定値が与えられ、さらに補正されて、改善された出力軌跡推定値が生成される。次いでこの推定値を、次の反復のための入力として使用することができる。最初の反復は、IMU145によって推定された回転運動から生成された、前の推定値を使用する。登録アルゴリズムを固定の間隔(例えば毎秒1回)で軌跡のセグメントに適用して、測距装置および方位センサからデータが得られるのに伴って一番最近のデータを登録することができる。登録された軌跡セグメントをこのようにして累積する(かつセグメント間の連続性制約を維持する)ことにより、完全な軌跡を少しずつ得ることができる。   The sensor trajectory is then estimated using an iterative optimization algorithm and the point cloud is registered to create an accurate 3D map. At each iteration, an input trajectory estimate is provided and further corrected to produce an improved output trajectory estimate. This estimate can then be used as an input for the next iteration. The first iteration uses the previous estimate generated from the rotational motion estimated by IMU 145. The registration algorithm can be applied to the trajectory segments at a fixed interval (eg, once per second) to register the most recent data as data is obtained from the ranging device and orientation sensor. By accumulating registered trajectory segments in this way (and maintaining continuity constraints between segments), a complete trajectory can be obtained little by little.

登録は、制約の線形システムに伴う最小化問題として実施される。このようなシステムを形成するには、軌跡を一定間隔でサンプリングすることによって軌跡を離散化しなければならない。後で補間を使用して、離散的な解が与えられた場合の連続的な軌跡を形成することができる。最適化は、軌跡に対する補正の解を出し、この結果、範囲データを最もよく示す平滑な軌跡となる。   Registration is performed as a minimization problem with a linear system of constraints. To form such a system, the trajectory must be discretized by sampling the trajectory at regular intervals. Later, interpolation can be used to form a continuous trajectory given a discrete solution. Optimization provides a correction solution for the trajectory, resulting in a smooth trajectory that best represents the range data.

アルゴリズムは、軌跡の、固定サイズの重なり合う時間セグメントに対して、順に作用する。例えば、データの第1の秒が処理され、次いでデータの次の秒(データの第1の秒と部分的に重なる)が処理される。   The algorithm works in turn on fixed-size overlapping time segments of the trajectory. For example, the first second of data is processed, then the next second of data (partially overlapping with the first second of data).

登録アルゴリズムの各反復において、制約のセットが生成される。各制約は、3つのタイプのうちの1つである。第1のタイプは平滑性制約を含み、これは、平滑運動仮定、すなわち漸進的加速制限などの物理的制約に基づいてスキャナ105(したがってスキャナ105が接続されているオブジェクト)がどのように動く可能性があるかに関するモデルを組み込む。第2のタイプの制約は初期条件制約を含み、これは、現在の軌跡セグメントが前のセグメントと連続することを保証する(すなわち、現在のセグメントの始まりが、前のセグメントの終わりと一致するように制約されるべきである)。   At each iteration of the registration algorithm, a set of constraints is generated. Each constraint is one of three types. The first type includes a smoothness constraint, which is how the scanner 105 (and hence the object to which the scanner 105 is connected) can move based on physical constraints such as smooth motion assumptions, ie progressive acceleration limits. Incorporate a model for whether there is sex. The second type of constraint includes an initial condition constraint, which ensures that the current trajectory segment is continuous with the previous segment (ie, the start of the current segment coincides with the end of the previous segment). Should be constrained to).

第3のタイプの制約はマッチ制約を含み、これは、外部環境のレーザ測定値を考慮に入れる。この場合、関連するボクセルの対が識別される。これらのボクセルは、異なる時点で測定された、環境中の同じターゲットから生じたマッチであると推定される。ターゲットは、例えば、それらの位置および形状パラメータ化によって表されるボクセルとすることができる。このようなマッチは軌跡ポイントに対する制約を生成し、それにより、環境の特定の測定値が軌跡に沿った異なる既知の時点で取得済みであるためには、軌跡は、特定の方式で制約されなければならない。例えば、異なる時点で同じターゲットの2つの測定が行われるが、各測定時のスキャナ105のセンサ姿勢が正確にわからないと仮定する。識別されたボクセル・マッチが、2つのセンサ姿勢(相互に対して相対的な)を制約する。というのは、測定されたターゲットはおよそ同位置にあり整合するはずだからである。したがって、これらの測定値は、自由裁量で整合された2つのセンサ姿勢から来たものではあり得ない。   The third type of constraints include match constraints, which take into account laser measurements of the external environment. In this case, related voxel pairs are identified. These voxels are presumed to be matches originating from the same target in the environment, measured at different times. Targets can be, for example, voxels represented by their position and shape parameterization. Such a match creates a constraint on the trajectory point, so that a particular measurement of the environment has been acquired at different known times along the trajectory, the trajectory must be constrained in a particular way. I must. For example, assume that two measurements of the same target are made at different times, but the sensor orientation of the scanner 105 at each measurement is not accurately known. The identified voxel matches constrain the two sensor poses (relative to each other). This is because the measured targets are approximately in the same position and should be aligned. Therefore, these measurements cannot come from two sensor orientations that are aligned at will.

マッチは、k最近傍(kNN)探索を使用して決定される。kNN探索は、ボクセルの表現を含む空間中のポイントが与えられた場合に、この空間中のk個の最も近いポイントを識別する。kNN探索のための空間は、各ボクセルの位置情報と形状情報とを組み合わせた9次元空間である。これらの候補マッチが与えられれば、形状パラメータ(平面性、円柱性、球性)に基づいてマッチ制約を生成して重み付けすることができる。平面制約は、平面法線に沿って測定された重心間の距離と、法線の整合の差とが、最小化されるべきであることを示す。円柱形制約は、円柱軸から離れた重心間の距離と、軸の整合の差とが、最小化されるべきであることを示す。球形制約は、重心間の距離が最小化されるべきであることを示す。   Matches are determined using a k-nearest neighbor (kNN) search. A kNN search identifies the k closest points in this space given the points in the space that contain the voxel representation. The space for kNN search is a 9-dimensional space combining the position information and shape information of each voxel. Given these candidate matches, match constraints can be generated and weighted based on shape parameters (flatness, cylindricality, sphericity). Planar constraints indicate that the distance between the centroids measured along the plane normal and the difference in normal alignment should be minimized. The cylinder constraint indicates that the distance between the centroids away from the cylinder axis and the difference in axis alignment should be minimized. A spherical constraint indicates that the distance between the centroids should be minimized.

各反復で、3つのタイプの制約を積み重ねて、線形制約のスパース・システムを形成することができる。このスパース・システムは、以下の形の式の線形システムによって定義することができる。

Figure 2016001182
上式で、δr’およびδt’は、サンプリング時間τ〜τにおける軌跡補正であり、A部分行列およびbベクトルは、3つのタイプの線形制約、すなわちマッチ制約、平滑性制約、および初期条件を表す。 At each iteration, three types of constraints can be stacked to form a sparse system with linear constraints. This sparse system can be defined by a linear system of the form
Figure 2016001182
Where δr ′ and δt ′ are trajectory corrections at sampling times τ 1n , and the A submatrix and b vector are three types of linear constraints: match constraints, smoothness constraints, and initial conditions Represents.

頑強な統計フレームワークが、コーシー分布に基づく重みを使用して、外れ値に対する頑強性をもたらす(例えば、上で生成されたマッチの全てが正しくなくてもよい)。次いで、線形システムに対する解が次の反復のための開始点として使用され、新しい入力軌跡を用いて新しい制約が形成されて、改善された軌跡推定値が生成される。アルゴリズムは、定義された許容度または最大反復回数に達するまで反復する。このアルゴリズムを定義する高レベルの擬似コードが、上に引用した論文(例えば、非特許文献1参照)にアルゴリズム1として出ている。   A robust statistical framework uses robustness based on Cauchy distributions to provide robustness against outliers (eg, all of the matches generated above may not be correct). The solution for the linear system is then used as a starting point for the next iteration and a new constraint is formed using the new input trajectory to generate an improved trajectory estimate. The algorithm iterates until a defined tolerance or maximum number of iterations is reached. A high level pseudo code defining this algorithm appears as Algorithm 1 in the paper cited above (see, for example, Non-Patent Document 1).

さらに他の例として、代替の登録アルゴリズムを、以下のように記述することができる。代替の登録アルゴリズムは、スキャナ105の軌跡と、環境を表す表面とを反復的に精緻化して、表面のレーザ測定値の投影エラーを最小限に抑えることができる。前の軌跡(最初はIMU145などの方位センサからの、それ以降は前の反復の出力からの)が与えられれば、全てのレーザ・ポイントは、コモンワールドのフレーム中に投影される。   As yet another example, an alternative registration algorithm can be described as follows. An alternative registration algorithm can iteratively refine the trajectory of the scanner 105 and the surface representing the environment to minimize projection errors in the laser measurement of the surface. Given a previous trajectory (initially from an orientation sensor such as IMU 145 and thereafter from the output of the previous iteration), all laser points are projected into a common world frame.

特定の解像度(典型的には0.5m×0.5m×0.5m)の仮想3Dグリッドがセットアップされ、同じグリッド・セルに含まれるどんなレーザ・ポイントも、共にグループ化される。十分なメンバシップを有する各レーザ・ポイント・グループに、楕円体が適合する。楕円体の重心および最も小さい固有ベクトルが、そのグリッド・セルについての初期平面(表面)推定値を定義する。平面の表面に対する、グループ中のポイントのエラー(すなわち各ポイントと表面との間の距離)を使用して、平面の位置および方位、ならびにスキャナ105のセンサヘッドの軌跡が精緻化される。   A virtual 3D grid with a specific resolution (typically 0.5m x 0.5m x 0.5m) is set up and any laser points contained in the same grid cell are grouped together. An ellipsoid fits into each laser point group with sufficient membership. The centroid of the ellipsoid and the smallest eigenvector define the initial plane (surface) estimate for that grid cell. Using the error of the points in the group relative to the surface of the plane (ie, the distance between each point and the surface), the position and orientation of the plane, as well as the trajectory of the sensor head of the scanner 105, are refined.

上に引用した論文(例えば、非特許文献1参照)に記述されているように、軌跡補正は、軌跡をサブサンプリングして、時間的に最も近い2つの軌跡サンプル間で軌跡参照を線形補間することによって、モデル化される。未知のベクトル(x)は、軌跡サブサンプル補正と、表面モデル補正との和集合からなる。各軌跡サブサンプル補正は、6つの自由度(並進に3つ、回転に3つ)を有し、それに対して表面補正は、3つの自由度、表面法線に沿った並進に1つ、表面法線に垂直な軸を中心とした回転に2つ、を有する。   As described in the paper cited above (see, for example, Non-Patent Document 1), trajectory correction involves subsampling the trajectory and linearly interpolating the trajectory reference between the two temporally closest trajectory samples. To be modeled. The unknown vector (x) is a union of the trajectory subsample correction and the surface model correction. Each trajectory subsample correction has 6 degrees of freedom (3 for translation and 3 for rotation), whereas surface correction has 3 degrees of freedom, 1 for translation along the surface normal, There are two rotations about an axis perpendicular to the normal.

しかし、各マッチ制約が2つの軌跡参照(マッチする各楕円体からの)を含む、論文(例えば、非特許文献1参照)に記述されているプロセスとは異なり、ここでは、各制約が、1つの軌跡参照および1つの表面参照を含む。有効な各レーザ・ポイントにつき、1つの表面制約がある。平滑性制約および初期条件制約は、上述した方法と同様にして定義することができる。3つのタイプの制約を積み重ねて、上記の式5で定義されるのと同様の高レベル構造の、線形制約のスパース・システムを形成することができる。(違いは、Amatch行列の形、およびxベクトルの内容にある。) However, unlike the process described in the paper (eg, see Non-Patent Document 1) where each match constraint includes two trajectory references (from each matching ellipsoid), here each constraint is 1 Includes one trajectory reference and one surface reference. There is one surface constraint for each valid laser point. The smoothness constraint and the initial condition constraint can be defined in the same manner as described above. Three types of constraints can be stacked to form a linear constraint sparse system with a high level structure similar to that defined in Equation 5 above. (The difference is in the form of the A match matrix and the contents of the x vector.)

軌跡および表面補正は、反復的な繰返し加重最小2乗M推定量フレームワーク中で、線形化された制約システムから解が求められる。表面制約は、以下のように定義される残差rのコーシー分布に基づいて重み付けされる。

Figure 2016001182
重みwは、以下のように、各残差rに基づく。
Figure 2016001182
上式で、rbarは、エラーに対するソフト外れ値しきい値を定義する調整可能パラメータである。M推定量フレームワークは、外れ値がある場合に制約を頑強に最適化するための標準的な統計技法である。 Trajectory and surface corrections are solved from a linearized constraint system in an iterative iterative weighted least squares M estimator framework. The surface constraints are weighted based on the Cauchy distribution of the residual r defined as
Figure 2016001182
The weight w i is based on each residual r i as follows:
Figure 2016001182
Where rbar is an adjustable parameter that defines a soft outlier threshold for error. The M estimator framework is a standard statistical technique for robustly optimizing constraints when there are outliers.

重みの合計の相対的な変化がしきい値未満であるとき、または、固定数の反復が完了したときに、最適化は終了する。完全な解像度の軌跡補正は、サブサンプリングされた補正から補間され、レーザ・ポイントは、後続の反復および最終的な解のために再投影される。   The optimization ends when the relative change in the sum of weights is less than the threshold or when a fixed number of iterations have been completed. Full resolution trajectory corrections are interpolated from the subsampled corrections and the laser points are reprojected for subsequent iterations and final solutions.

図5を参照すると、本発明の一実施形態による、環境の3次元走査を得る方法が、全体的な流れ図に示されている。ステップ505で、測距装置が、反動性連結機構の第1の端部に接続される。例えば、2Dレーザ・ビーム・スキャナ105が、コイルばね110の第1の端部115に接続される。   Referring to FIG. 5, a method for obtaining a three-dimensional scan of an environment according to one embodiment of the present invention is shown in the overall flow diagram. At step 505, the ranging device is connected to the first end of the reactive coupling mechanism. For example, a 2D laser beam scanner 105 is connected to the first end 115 of the coil spring 110.

ステップ510において、反動性連結機構の第2の端部が、オブジェクトに接続される。例えば、コイルばね110の第2の端部120が、オブジェクト125に接続される。   In step 510, the second end of the reactive linkage is connected to the object. For example, the second end 120 of the coil spring 110 is connected to the object 125.

ステップ515において、オブジェクトが環境の中で動かされ、それにより、環境に対するオブジェクトの加速が、反動性連結機構によって、オブジェクトに対する測距装置の運動に変換される。これにより、環境に対する測距装置の視野が増大する。例えば、矢印130で示す並進加速が、コイルばね110によって、矢印135で示す2Dレーザ・ビーム・スキャナ105の回転運動に変換される。   In step 515, the object is moved in the environment, whereby the acceleration of the object relative to the environment is converted to a movement of the distance measuring device relative to the object by a reactive coupling mechanism. This increases the field of view of the ranging device relative to the environment. For example, the translational acceleration indicated by the arrow 130 is converted into the rotational motion of the 2D laser beam scanner 105 indicated by the arrow 135 by the coil spring 110.

ステップ520において、環境の3次元走査を定義するデータが、測距装置によって得られる。例えば、ビーム140からのLIDARデータが、環境中の表面から収集される。   In step 520, data defining a three-dimensional scan of the environment is obtained by the ranging device. For example, LIDAR data from beam 140 is collected from a surface in the environment.

任意選択で、ステップ525において、コンピュータ・システムが、測距装置に接続される。コンピュータ・システムは、登録アルゴリズムを定義するプログラム・コード・コンポーネントを記憶したコンピュータ可読媒体を備える。このようなコンピュータ・システムの一例については後で詳細に述べる。   Optionally, in step 525, the computer system is connected to the ranging device. The computer system comprises a computer readable medium having stored program code components that define a registration algorithm. An example of such a computer system will be described in detail later.

任意選択で、ステップ530において、コンピュータ・システムを使用してデータが処理され、それにより、登録アルゴリズムが環境の3Dポイント・クラウドを定義する。   Optionally, in step 530, the data is processed using a computer system so that the registration algorithm defines the 3D point cloud of the environment.

図6を参照すると、本発明のいくつかの実施形態による、3Dポイント・クラウドを定義するためのコンピュータ・システム600を含むシステムのコンポーネントが、ブロック図に示されている。コンピュータ・システム600は、少なくとも1つのプロセッサ610に接続されたユーザ・インタフェース605を備える。メモリ615もまた、プロセッサ610に接続される。メモリ615は、オペレーティング・システム620、アプリケーション625、および3Dポイント・クラウド・データ630を記憶する。ユーザ・インタフェース605は、限定ではないが例えばキーパッドおよびコンピュータ表示画面などのグラフィカル・ユーザ・インタフェース(GUI)を含めた、ユーザ・インタフェースの組合せとすることができる。ネットワーク・インタフェース・カード640が、コンピュータ・システム600を、有線またはワイヤレス接続645を介してインターネットなどの電子通信ネットワークまたはシステム100に接続できるようにする。図6は、例示のためのものに過ぎず、本発明のいくつかの実施形態によるコンピュータ・システム600のいくつかのコンポーネントしか含まず、本発明の様々な実施形態を実現できる全てのデバイスに必要とされる様々なコンポーネントおよびコンポーネント間接続の完全な概略図とするものではないことを理解されたい。   Referring to FIG. 6, components of a system including a computer system 600 for defining a 3D point cloud according to some embodiments of the present invention are shown in a block diagram. Computer system 600 includes a user interface 605 connected to at least one processor 610. A memory 615 is also connected to the processor 610. Memory 615 stores operating system 620, applications 625, and 3D point cloud data 630. The user interface 605 can be a combination of user interfaces including, but not limited to, a graphical user interface (GUI) such as a keypad and a computer display screen. A network interface card 640 allows the computer system 600 to connect to an electronic communication network or system 100 such as the Internet via a wired or wireless connection 645. FIG. 6 is for illustration only and includes only some components of a computer system 600 according to some embodiments of the present invention and is required for all devices capable of implementing various embodiments of the present invention. It should be understood that this is not a complete schematic representation of the various components and connections between components.

メモリ615はまた、登録アルゴリズムを定義するコンピュータ可読プログラム・コード・コンポーネント635を含む。例えば、コンピュータ可読プログラム・コード・コンポーネント635がプロセッサ610によって処理されるとき、コンポーネント635は、本発明のいくつかの実施形態により、上述したように、環境の3D走査を得るための方法500のステップ530を実行するように構成される。   Memory 615 also includes a computer readable program code component 635 that defines a registration algorithm. For example, when the computer readable program code component 635 is processed by the processor 610, the component 635 may perform steps of a method 500 for obtaining a 3D scan of the environment, as described above, according to some embodiments of the invention. 530 is configured to execute.

図7を参照すると、本発明の代替実施形態による3D走査ビーム・システム700の部分切断側面の概略図が示されている。システム700は、2Dレーザ・ビーム・スキャナ705の形の測距装置と、浮き710、流体715、および基部720の形の反動性連結機構とを備える。反動性連結機構の第1の端部725(浮き710の上端部の形の)が、2Dレーザ・ビーム・スキャナ705に接続される。反動性連結機構の第2の端部730(基部720の形の)が、オブジェクト(図示せず)に接続される。流体715を基部720の内部に保持することと、浮き710を基部720の中心に留めることの両方のために、弾性膜などのカバー735を使用することができる。   Referring to FIG. 7, a schematic diagram of a partially cut side view of a 3D scanning beam system 700 according to an alternative embodiment of the present invention is shown. System 700 includes a ranging device in the form of a 2D laser beam scanner 705 and a reactive coupling mechanism in the form of a float 710, fluid 715, and base 720. The first end 725 (in the form of the upper end of the float 710) of the reaction linkage is connected to the 2D laser beam scanner 705. A second end 730 (in the form of a base 720) of the reaction linkage is connected to an object (not shown). A cover 735, such as an elastic membrane, can be used to both keep the fluid 715 inside the base 720 and to keep the float 710 in the center of the base 720.

上述した非流動性の反動性連結機構と同様、システム700によれば、オブジェクトの並進加速(矢印740で示す)が、反動性連結機構によって、2Dレーザ・ビーム・スキャナ705の回転運動(矢印745で示す)に変換される。したがって、基部720とスキャナ705との間の流動性結合が、複数の自由度で、スキャナ705の運動の意図された励起をもたらすことができる。当業者には理解されるであろうが、上下の力またはねじれもしくは旋回トルクによって引き起こされる加速を含めた、基部720の他の加速もまた、基部720内部での流体715の「波打ち」を誘発することになり、したがって、スキャナ705の多様かつ準ランダムな3D運動を誘発することになる。次いで、スキャナ705および関連するビーム750のこのような3D運動を使用して、環境を走査することができる。   Similar to the non-fluid reactive coupling mechanism described above, according to the system 700, the translational acceleration of the object (indicated by arrow 740) is caused by rotational movement of the 2D laser beam scanner 705 (arrow 745) by the reactive coupling mechanism. Converted to Thus, a fluid coupling between the base 720 and the scanner 705 can provide an intended excitation of the movement of the scanner 705 with multiple degrees of freedom. As will be appreciated by those skilled in the art, other accelerations of the base 720, including accelerations caused by up and down forces or torsional or pivoting torques, also induce “rippling” of the fluid 715 within the base 720. Therefore, it will induce various and quasi-random 3D movements of the scanner 705. Such 3D motion of the scanner 705 and associated beam 750 can then be used to scan the environment.

本発明の方法のいくつかのステップをコンピュータ・プログラム・コード中に実装できること、および、様々なプログラミング言語およびコード化の実装形態を使用して本明細書に記載の方法を実現できることは、当業者には明らかであろう。さらに、ソフトウェアに含まれるコンピュータ・プログラムは、本明細書に記載の特定の制御フローに限定されるものとはせず、コンピュータ・プログラムのステップの1つまたは複数は、並列で、または順番に実施されてよい。コンピュータ・プログラムによって制御される実装形態のコンテキストで述べた動作の1つまたは複数を、別法としてハードウェア電子コンポーネントとして実現することもできる。   Those skilled in the art will understand that some steps of the method of the present invention can be implemented in computer program code and that the methods described herein can be implemented using various programming languages and coding implementations. It will be obvious. Further, the computer program included in the software is not limited to the specific control flow described herein, and one or more of the steps of the computer program are performed in parallel or sequentially. May be. One or more of the operations described in the context of an implementation controlled by a computer program may alternatively be implemented as a hardware electronic component.

要約すれば、本発明の実施形態は、ロボット工学、測量、ゲーミング、車両安全、オブジェクトモデリング、地中貫入レーダを使用した岩および土壌の分析応用例、ならびに初動要員の応用例を含めた、様々な応用例で使用することができる。本発明のシステムを使用して、地図の作成および/または自己位置の推定、オブジェクト検出、ならびに撮像などの機能を、はるかに経済的かつ効率的に実施することができる。   In summary, embodiments of the present invention include a variety of applications, including robotics, surveying, gaming, vehicle safety, object modeling, rock and soil analysis applications using underground penetrating radar, and applications of first movers. Can be used in various applications. Using the system of the present invention, functions such as map creation and / or self-location estimation, object detection, and imaging can be performed much more economically and efficiently.

本発明の様々な実施形態に関する以上の記述は、当業者に対する記述の目的で提供するものである。この記述は、網羅的なものとはせず、また、開示される単一の実施形態に本発明を限定するものともしない。上述したように、本発明に対する多くの代替形および変形が、以上の教示の当業者には明らかであろう。したがって、いくつかの代替実施形態について特に論じたが、他の実施形態も明らかであろうし、あるいは当業者によって比較的容易に開発できるであろう。したがって、本特許明細書は、本特許明細書で論じた本発明の全ての代替形、修正、および変形、ならびに、上述した本発明の趣旨および範囲に含まれる他の実施形態を包含するものとする。   The foregoing descriptions of various embodiments of the present invention are provided for the purpose of description to those skilled in the art. This description is not intended to be exhaustive or to limit the invention to the single disclosed embodiments. As mentioned above, many alternatives and modifications to the present invention will be apparent to those skilled in the art of the above teachings. Thus, although several alternative embodiments have been specifically discussed, other embodiments will be apparent or may be relatively easily developed by those skilled in the art. Accordingly, this patent specification is intended to cover all alternatives, modifications, and variations of the invention discussed in this patent specification as well as other embodiments that fall within the spirit and scope of the invention as described above. To do.

特許請求の範囲における限定は、特許請求の範囲で使用される言語に基づいて広く解釈されるべきであり、そのような限定は、本明細書に述べた特定の例に限定されるべきではない。本明細書において、用語「本発明」は、本開示内の1つまたは複数の態様への言及として使用される。用語「本発明」は、クリティカルな要素の識別として誤って解釈されるべきではなく、全ての態様および実施形態に適用されるものとして誤って解釈されるべきではなく、また、特許請求の範囲を限定するものとして誤って解釈されるべきではない。   Limitations in the claims should be construed broadly based on the language used in the claims, and such limitations should not be limited to the specific examples described herein. . As used herein, the term “invention” is used as a reference to one or more aspects within the present disclosure. The term “invention” should not be misinterpreted as identifying critical elements, nor should it be misinterpreted as applied to all aspects and embodiments, and It should not be misinterpreted as limiting.

Claims (20)

測距装置と、
第1の端部および第2の端部を有する反動性連結機構とを備え、
前記第1の端部が前記測距装置に接続され、
前記第2の端部が、環境の中で前記システムを動かすオブジェクトに接続され、
使用時、前記環境に対する前記オブジェクトの加速が前記反動性連結機構によって前記オブジェクトに対する前記測距装置の運動に変換されて、前記環境に対する前記測距装置の視野が増大する、3次元走査ビーム・システム。
A ranging device;
A reaction coupling mechanism having a first end and a second end;
The first end is connected to the ranging device;
The second end is connected to an object that moves the system in an environment;
In use, a three-dimensional scanning beam system in which acceleration of the object relative to the environment is converted into motion of the distance measuring device relative to the object by the reactive coupling mechanism to increase the field of view of the distance measuring device relative to the environment .
前記測距装置に取り付けられた方位センサをさらに備える、請求項1に記載のシステム。   The system of claim 1, further comprising an orientation sensor attached to the ranging device. 前記測距装置に接続されたコンピュータ・システムをさらに備え、前記コンピュータが、登録アルゴリズムを定義するプログラム・コード・コンポーネントを記憶したコンピュータ可読媒体を備え、前記登録アルゴリズムが前記測距装置からのデータを処理して前記環境の3Dポイント・クラウドを定義する、請求項1に記載のシステム。   A computer system connected to the ranging device, the computer comprising a computer readable medium storing a program code component defining a registration algorithm, wherein the registration algorithm receives data from the ranging device; The system of claim 1, processing to define a 3D point cloud of the environment. 前記測距装置がレーザを備える、請求項1に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein the ranging device comprises a laser. 前記レーザが2次元走査ビーム・レーザを備える、請求項4に記載のシステム。   The system of claim 4, wherein the laser comprises a two-dimensional scanning beam laser. 前記3Dポイント・クラウドがリアルタイムで定義される、請求項3に記載のシステム。   The system of claim 3, wherein the 3D point cloud is defined in real time. 前記測距装置が、光信号、音響信号、超音波信号、無線周波数信号、γ放射信号、マイクロ波信号、のタイプの信号のうちの少なくとも1つを送受信する、請求項1に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein the ranging device transmits and receives at least one of the following types of signals: optical signal, acoustic signal, ultrasonic signal, radio frequency signal, γ radiation signal, microwave signal. 前記反動性連結機構がばねを備える、請求項1に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein the reactive coupling mechanism comprises a spring. 前記方位センサが慣性計測ユニット(IMU)を備える、請求項2に記載のシステム。   The system of claim 2, wherein the orientation sensor comprises an inertial measurement unit (IMU). 前記反動性連結機構の前記第1の端部と前記測距装置との間の接続が流動性結合である、請求項1に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein the connection between the first end of the reactive coupling mechanism and the ranging device is a fluid coupling. 環境の3次元走査を得る方法であって、
測距装置を反動性連結機構の第1の端部に接続すること、
前記反動性連結機構の第2の端部をオブジェクトに接続すること、
前記オブジェクトを前記環境の中で動かすことであって、前記オブジェクトの加速が前記反動性連結機構によって前記オブジェクトに対する前記測距装置の運動に変換され、前記環境に対する前記測距装置の視野が増大すること、および、
前記環境の前記3次元走査を定義するデータを前記測距装置によって得ることを含む方法。
A method for obtaining a three-dimensional scan of an environment,
Connecting the ranging device to the first end of the reactive coupling mechanism;
Connecting the second end of the reactive linkage to an object;
Moving the object in the environment, wherein the acceleration of the object is converted into movement of the distance measuring device relative to the object by the reactive coupling mechanism, increasing the field of view of the distance measuring device relative to the environment. And
Obtaining data defining the three-dimensional scan of the environment by the ranging device.
前記測距装置に方位センサが取り付けられた、請求項11に記載の方法。   The method according to claim 11, wherein an orientation sensor is attached to the distance measuring device. 登録アルゴリズムを定義するプログラム・コード・コンポーネントを記憶したコンピュータ可読媒体を備えるコンピュータ・システムを、前記測距装置に接続すること、および、
前記コンピュータ・システムを使用して前記データを処理することであって、前記登録アルゴリズムが前記環境の3Dポイント・クラウドを定義することをさらに含む、請求項11に記載の方法。
Connecting a computer system comprising a computer readable medium storing a program code component defining a registration algorithm to the ranging device; and
The method of claim 11, further comprising processing the data using the computer system, wherein the registration algorithm further defines a 3D point cloud of the environment.
前記測距装置がレーザを備える、請求項11に記載の方法。   The method of claim 11, wherein the ranging device comprises a laser. 前記レーザが2次元走査ビーム・レーザを備える、請求項14に記載の方法。   The method of claim 14, wherein the laser comprises a two-dimensional scanning beam laser. 前記3Dポイント・クラウドがリアルタイムで定義される、請求項13に記載の方法。   The method of claim 13, wherein the 3D point cloud is defined in real time. 前記測距装置が、光信号、音響信号、超音波信号、無線周波数信号、γ放射信号、マイクロ波信号、のタイプの信号のうちの少なくとも1つを送受信する、請求項11に記載の方法。   The method according to claim 11, wherein the ranging device transmits and receives at least one of the following types of signals: optical signal, acoustic signal, ultrasonic signal, radio frequency signal, γ radiation signal, microwave signal. 前記反動性連結機構がばねを備える、請求項11に記載の方法。   The method of claim 11, wherein the reactive coupling mechanism comprises a spring. 前記方位センサが慣性計測ユニット(IMU)を備える、請求項12に記載の方法。   The method of claim 12, wherein the orientation sensor comprises an inertial measurement unit (IMU). 前記反動性連結機構が流動性結合を備える、請求項11に記載の方法。   The method of claim 11, wherein the reactive coupling mechanism comprises a flowable bond.
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