TWI439834B - 移動平台之導航方法與系統 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種導航方法及系統，且特別有關於一種移動平台之導航方法及系統。
隨著科技的發展，服務型機器人漸漸的取代了許多傳統人力勞務工作，各種室內外機器人也在歐美等市場漸漸普及。而目前戶外移動平台高精度導航，最主要的應用場合，就是在戶外服務型機器人。根據WinterGreen Research,Inc的市場報告統計資料(Robot Home Cleaning,Cooking,Pool Cleaning,and Lawn Mowing Market Strategy,Market Shares,and Market Forecasts,2008-2014)顯示，且目前戶外服務型機器人仍屬未成熟但是有高度發展潛力的市場，其中如割草機器人市場規模將會達在2014年會到305億美元的規模。
戶外移動平台，顧名思義，主要用於戶外大面積的工作，在許多場合環境裡，例如，高爾夫球場、公園、家庭前後院等環境，是非常有用的產品。而關鍵技術中，戶外移動平台之導航係為最重要的一環及最有價值的關鍵零組件，也是此類移動平台工作效率好壞之所在。但是目前戶外移動平台之導航技術皆有其侷限性。
先前技術例如美國專利US 5341540案(Process and autonomous apparatus for the automatic cleaning of ground areas through the performance of programmed tasks)，此專利需包括一定位系統且裝設該機器人的工作區域需具有「放置於一固定之參考點的信號標」。而此系統可避免已知的障礙物，並藉由該信號標所傳送的信號使其返回其原先程式設計的路徑。但該系統需重要的使用者設定與內建之計算力，成本較高。
另外，先前技術例如美國專利US 6417641(Navigation method and system for autonomous machines with markers defining the working area)，此專利採用導引電纜方式導航，需安裝一金屬線，利用塑膠釘將電線固定在草坪上，劃定虛擬邊界，電線所圍繞之起點與終點必須以充電座為中心形成一個閉迴路。電線通上電流，割草機器人的底部前端設有電磁感測器，當觸動到導引電纜時，機器人會自動轉向避開，以保護草坪之外非工作區域的安全，但是若有小孩或小動物闖入工作安全區則無法保障誤闖者之安全。且此專利因利用導線及塑膠釘安裝，若需維修則增加拆卸的困難。
此外，先前技術例如美國專利US 2006/0012777 A1(Combination laser system and global navigation satellite system)。此篇專利也是採用結合雷射與衛星導航之定位方法/裝置，使用者需在兩個以上的不同位置，裝上定位裝置。其中該定位裝置包含了GPS接收器與雷射發射/接受器，裝置接收了GPS訊號後，同時發射雷射訊號去尋找其他同類型的裝置，並嘗試接收其他同類型裝置所發射的雷射訊號，藉此校正GPS之位置誤差。但以此方式，每一個定位點都需要同時發射與接收雷射訊號，在成本上和使用
便利度上皆有其限制。
再者，先前技術例如美國專利US 7840352(Method and system for autonomous vehicle navigation)。此篇專利乃是採用雷射掃瞄儀結合陀螺儀與GPS確認標記的位置與範圍。若要實施此專利則需有兩種標記，包含直線標記與轉角標記，並搭配雷射掃瞄儀，當雷射掃瞄儀掃過直角標記時，因所掃瞄到之形狀不同，則可以判別轉角之相對位置，而其絕對的標記位置則是由GPS確認絕對座標並由陀螺儀判斷雷射掃瞄的角度，合成標記的絕對座標。本方法所採用之陀螺儀在以馬達為動力的無人自走車可能會有嚴重的干擾產生。
有鑑於此，一種更進一步用於戶外且提高工作效率的移動平台之導航方法及系統是有待開發的。
本發明提供一種移動平台之導航方法及系統。
本發明提供實施例之一種移動平台之導航方法，用於一系統中，該裝置包括複數標記反射柱及一移動平台，其中該移動平台更包括一定位系統接收器、一雷射測距模組及一處理器，該方法包括：放置該等複數標記反射柱以標記一範圍；藉由該定位系統接收器接收該移動平台之一座標位置及方向；藉由該雷射測距模組發射至少一雷射分別測量與該等標記反射柱與該移動平台之間的距離與相對方位；根據該移動平台之座標位置及方向與該等標記反射柱的距離與相對方位，推算該等標記反射柱之絕對位置及該
範圍；以及持續以該雷射測距模組掃描追蹤該等標記反射柱，並持續校正該移動平台之座標位置及方向及該等標記反射柱之絕對位置，藉以控制該移動平台於該範圍內移動。
本發明又提供實施例之一種移動平台之導航系統，包括：複數標記反射柱，標記一範圍；一移動平台，用於該範圍內移動，包括：一定位系統接收器，定位該移動平台之一經緯度；一雷射測距模組，發射至少一雷射分別測量與該等標記反射柱與該移動平台之間的距離與相對方位；一處理器，耦接於該定位系統接收器及該雷射測距模組，根據該移動平台之座標位置及方向與該等標記反射柱的距離與相對方位推算該等標記反射柱之絕對位置及該範圍；其中，該移動平台持續以該雷射測距模組掃描追蹤該等標記反射柱，並持續校正該移動平台之座標位置及方向及該等標記反射柱之絕對位置，藉以控制該移動平台於該範圍內移動。
為使本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
為了讓本發明之目的、特徵、及優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖示第1圖至第5圖，做詳細之說明。本發明說明書提供不同的實施例來說明本發明不同實施方式的技術特徵。其中，實施例中的各元件之配置係為說明之用，並非用以限制本發明。且實施例中
圖式標號之部分重複，係為了簡化說明，並非意指不同實施例之間的關聯性。
本發明實施之導航系統其具有複數個標記反射柱及一移動平台。一使用者可在一戶外工作範圍的頂點放置具有特殊材質可反射雷射的標記反射柱，以標定移動平台之工作範圍。接著，設置於移動平台內的定位系統與雷射測距模組定出移動平台之經緯度與各標記反射柱之絕對位置，並利用雷射測距模組隨時校正移動平台的相對位置使其位置誤差達到公分等級。
下文以數個實施例分別說明本發明之移動平台之導航系統及其方法流程。
第1圖係顯示本發明一實施例之移動平台之導航系統100的架構示意圖。
參考第1圖，移動平台之導航系統100包括複數個標記反射柱101~104及一移動平台110。其中標記反射柱101~104可放置於戶外以標記一工作範圍。在一實施例中，擺放各標記反射柱101~104間之距離需大於定位誤差以上。而移動平台110並於該工作範圍內移動。
第2圖係顯示本發明一實施例之移動平台110之示意圖。該移動平台110包括一定位系統接收器112、一雷射測距模組114及一處理器116。其中定位系統接收器112及雷射測距模組114耦接至處理器116。其中該定位系統可為全球衛星定位系統(Global Positioning System,GPS)、全球導航衛星系統(GLObal NAvigation Satellite System,GLONASS)、伽利略計劃(Galileo)或衛星增擴系統(Satellite
Based Augmentation System,SBAS)等系統。而在一實施例中，雷射測距模組114經由一旋轉平台設置於移動平台110之上方，並且可作360度的旋轉。
在另一實施例中，雷射測距模組114可在室外量測，並且所發射出的雷射只對特定的反射材質作反射。
請參照第3A、3B圖。第3A圖係顯示本發明一實施例之雷射測距模組114之光路機構圖。第3B圖係顯示本發明雷射測距模組114之剖面圖。其中第3B圖之雷射測距模組114係自第3A圖之A-A截線所視之剖面圖。在第3A圖中，雷射測距模組114包括發射源301、接收器302與遮蔽板303，遮蔽板303上開設一接收孔304。由於習知雷射測距模組因為在室外光噪度過大，故不易量測距離。因此本實施例在原有接收器外加上一開孔之遮蔽板，可使雷射測距模組114接收特定的反射材料反射回來的雷射且降低室外強光的影響。如第3A圖所示，接收孔304之直徑大小R範圍係為0.5~15毫米(mm)之間。在第3B圖中，相似或相對應之元件將施予相似之標號，且已說明之特徵將在以下說明中被省略。
此外，標記反射柱101~104之表面係使用一特定的反射材料，因為已知特定的反射材料之反射率，因此可以設定雷射測距模組接收之感測值範圍，使雷射測距模組可辨識該特定的反射材料所反射回來之雷射。其中反射材料的反射率須大於60%以上，且須可以使入射光散射。應注意的是，雷射測距模組114的反射孔直徑與反射材料的反射率相關。若使用的反射材料反射率越高，則雷射測距模組
114的反射孔直徑可以越小。此外，標記反射柱係指任何具有該特定反射材料的之反射物體，在一較佳實施例中，雷射測距模組發射之雷射波長為650nm，反射材料為3MTM
6500系列Sparkle High Gloss微晶立方角反光膜，針對此雷射波長與反射材料設計之接收孔直徑大小R約略為2毫米(mm)。但本領域之技術人員均可明瞭不應限定標記反射柱的形狀於此。
如第1圖~第2圖所示，使用者擺放複數標記反射柱101~104以標記一範圍，並將移動平台110放置於該範圍內。首先，移動平台110先繞定位誤差內之小區域移動，並由定位系統接收器112接收目前移動平台110目前的座標位置及方向，座標位置例如為經緯度。在一實施例中，定位系統為全球衛星定位系統，則定位系統之定位誤差為3公尺。
雷射測距模組114發射至少一雷射分別搜尋所有的標記反射柱101~104，並測量標記反射柱101~104與該移動平台110之間的距離L1~L4。處理器116根據該移動平台110之經緯度與標記反射柱101~104的距離L1~L4推算並紀錄各標記反射柱101~104之絕對位置及該範圍，並判斷是否各標記反射柱之間的間距均大於定位誤差。若有兩標記反射柱之間距小於或等於定位誤差，則處理器116則通知使用者重新擺放標記反射柱之位置。
移動平台110計算得到各標記反射柱101~104之絕對位置及該範圍後，移動平台110可於該範圍內開始工作並藉由雷射測距模組114持續發射雷射及改變發射雷射的角度以鎖定距離該移動平台110最近的一第一標記反射柱101。值得注意的是，當移動平台110移動或轉動時，雷射測距模組114也會跟著轉動，例如是藉由旋轉平台之轉動，以保持鎖定距離移動平台110距離最近之標記反射柱的狀態。
當雷射測距模組114鎖定第一標記反射柱101時，處理器116持續校正該移動平台110目前工作之座標位置，並判斷該移動平台110是否接近一範圍邊界。如第4圖所示，若該移動平台110接近一範圍邊界201，則尋找除了該第一標記反射柱101之外距離該移動平台110最接近之一第二標記反射柱102，並取得該移動平台110與第一標記反射柱101及第二標記反射柱102相對於移動平台之一夾角θ。雷射測距模組140會持續在第一標記反射柱101及第二標記反射柱102之間持續發射雷射鎖定。若該夾角θ達到180度時，則處理器160控制該移動平台110轉向以避免超出該範圍邊界201。在另一實施例中，若該夾角θ接近或達到180度時，則處理器160控制該移動平台110停止以避免超出該範圍邊界201。
在一些實施例中，若移動平台110與最接近的標記反射柱距離過遠或因地形因素無法持續追蹤到該標記反射柱時，處理器160則控制雷射測距模組140尋找另外一最接近之標記反射柱。在另一些實施例中，若移動平台110根據先前處理器160所紀錄各標記反射柱之絕對位置得知目前有另一更接近目前移動平台110所在之位置的標記反射柱時，則處理器160會控制雷射測距模組140尋找目前最接近移動平台110之標記反射柱。
第5圖係顯示本發明實施例之移動平台110的作業流程圖。
參考第1圖~第4圖，首先，使用者擺放複數標記反射柱以標記一範圍，並將移動平台放置於該範圍內。在步驟S401中，定位系統接收器定位該移動平台目前之座標位置與方向。在步驟S402中，雷射測距模組發射至少一雷射並進行原地旋轉，以分別測量各個標記反射柱與移動平台之間的距離以及相對方位。接著，在步驟S403中，處理器藉由定位系統接收器定位移動平台之座標位置及方向，以及各個標記反射柱與移動平台之間的距離及相對方位，計算出所有標記反射柱之絕對位置。在步驟S404中，處理器判斷各標記反射柱之間距是否大於定位誤差。若發現有標記反射柱之間距不大於定位誤差時(步驟S404中的「否」)，在步驟S405中，則處理器則會發出訊號通知使用者重新擺放標記反射柱之位置。若各標記反射柱之間距均大於定位誤差時(步驟S404中的「是」)。在步驟S406中，該處理器計算此範圍，例如是所有反射柱所圍繞之區域。在步驟S407中，移動平台開始進行工作。
在移動平台工作期間，在步驟S408中，雷射測距模組以雷射鎖定距離該移動平台最近的一標記反射柱，並持續校正該移動平台之座標位置及該標記反射柱之絕對位置。在步驟S409中，處理器判斷移動平台是否接近一範圍邊界。若該移動平台接近一範圍邊界時(步驟S409中的「是」)，在步驟S410中，則處理器尋找除上述標記反射柱之外距離該移動平台最接近之另一標記反射柱，以取得兩標記反射柱相對於移動平台之間的一夾角，並判斷此夾角是否大於180度。若此夾角大於180度時(步驟S410中的「是」)，在步驟S411中，則處理器控制該移動平台轉向，並持續於步驟S410中偵測兩標記反射柱相對於移動平台之間的夾角是否大於180度。在另一實施例中，若此夾角接近或達到180度時(步驟S410中的「是」)，在步驟S411中，則處理器控制該移動平台停止。
若該移動平台並無接近一範圍邊界(步驟S409中的「是」)以及處理器判斷兩標記反射柱相對於移動平台之間的夾角並不大於180度時(步驟S410中的「是」)，則回到步驟S407，移動平台持續進行工作。
由於定位系統為全球衛星定位系統時，接收器之定位誤差約三至五公尺，而雷射測距模組的誤差小於1公分，亦即雷射測距模組的誤差小於定位系統之誤差。因此，利用本發明的移動平台之導航系統，可藉由放置於移動平台上方之雷射測距模組及定位系統接收器測定出移動平台與標記反射柱之絕對位置及經緯度，並利用雷射測距模組隨時校正移動平台的相對位置使其位置誤差達到公分等級。
此外，標記反射柱的數量可以依據使用者希望的工作範圍、形狀而增減組數。若在工作範圍內部如有已知的障礙物，例如，房屋、大樹等障礙物，也可以佈置標記反射柱或黏貼有特定的反射材料之反射片於障礙物上。當移動平台移動至障礙物週遭時，則會沿著障礙物邊緣前進直到繞過障礙物並回到原路徑中繼續工作，且將障礙物之絕對位置儲存並紀錄起來。
本發明之技術可應用於各種戶外的移動平台，例如，戶外型服務機器人，並於工作中確切的計算出目前移動平台的工作位置與行進方向，儲存並紀錄工作路徑與障礙物位置。利用本發明之系統可以大幅的加強移動平台之工作效率，而利用放置標記反射柱的方式可以增加移動平台使用的便利性，達到全自動、節省人力資源與時間消耗之目的。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．移動平台之導航系統
101~104．．．標記反射柱
110．．．移動平台
112．．．定位系統接收器
114．．．雷射測距模組
116．．．處理器
201．．．範圍邊界
θ．．．角度
R．．．直徑
A-A．．．截線
L1~L4．．．距離
301．．．發射源
302．．．接收器
303．．．遮蔽板
304．．．接收孔
S401~S411．．．步驟
第1圖係顯示本發明一實施例之移動平台之導航系統的架構示意圖；
第2圖係顯示本發明一實施例之移動平台之區塊示意圖；
第3A圖係顯示本發明一實施例之雷射測距模組之光路機構圖；
第3B圖係顯示本發明一實施例之雷射測距模組之剖面圖；
第4圖係顯示本發明一實施例之移動平台之作業示意圖；
第5圖係顯示本發明實施例之移動平台的作業流程圖。
100．．．移動平台之導航系統
101~104．．．標記反射柱
110．．．移動平台
Claims (12)
- 一種移動平台之導航方法，用於一系統中，該系統包括複數標記反射柱及一移動平台，其中該移動平台更包括一定位系統接收器、一雷射測距模組及一處理器，該方法包括：放置該等複數標記反射柱以標記一範圍；藉由該定位系統接收器接收該移動平台之一座標位置及方向；藉由該雷射測距模組發射至少一雷射分別測量該等標記反射柱與該移動平台之間的距離與相對方位；該處理器根據該移動平台之座標位置及方向與該等標記反射柱的距離與相對方位，推算該等標記反射柱之絕對位置及該範圍；以及該處理器持續以該雷射測距模組掃描追蹤該等標記反射柱，並持續校正該移動平台之座標位置及方向及該等標記反射柱之絕對位置，藉以控制該移動平台於該範圍內移動；其中該等標記反射柱之間的間距大於定位誤差。
- 如申請專利範圍第1項所述之移動平台之導航方法，其中該處理器在校正時，更包括下列步驟：以雷射鎖定距離該移動平台最近的一第一標記反射柱，以持續校正該移動平台的該座標位置；若該移動平台接近一範圍邊界，則尋找除該第一標記反射柱之外距離該移動平台最接近之一第二標記反射柱；取得該移動平台與該第一標記反射柱及該第二標記反射柱相對於該移動平台之一夾角；以及 若該夾角達到180度時，則控制該移動平台轉向。
- 如申請專利範圍第1項所述之移動平台之導航方法，其中該定位系統為全球衛星定位系統(Global Positioning System,GPS)、全球導航衛星系統(GLObal NAvigation Satellite System,GLONASS)、伽利略計劃(Galileo)或衛星增擴系統(Satellite Based Augmentation System,SBAS)。
- 如申請專利範圍第1項所述之移動平台之導航方法，更包括使用一特定反射材料設於該標記反射柱之表面，該雷射測距模組可辨識該特定反射材料所反射回來之雷射。
- 如申請專利範圍第4項所述之移動平台之導航方法，其中該特定反射材料之反射率須大於60%以上，且須使入射光散射。
- 如申請專利範圍第5項所述之移動平台之導航方法，其中該反射孔之直徑大小範圍係為0.5~15毫米(mm)之間。
- 一種移動平台之導航系統，包括：複數標記反射柱，標記一範圍；一移動平台，用於該範圍內移動，包括：一定位系統接收器，定位該移動平台之一座標位置及方向；一雷射測距模組，發射至少一雷射分別測量該等標記反射柱與該移動平台之間的距離與相對方位；一處理器，耦接於該定位系統接收器及該雷射測距模 組，根據該移動平台之座標位置及方向與該等標記反射柱的距離與相對方位，推算該等標記反射柱之絕對位置及該範圍；其中，該移動平台持續以該雷射測距模組掃描追蹤該等標記反射柱，並持續校正該移動平台之座標位置及方向及該等標記反射柱之絕對位置，藉以控制該移動平台於該範圍內移動；其中該等標記反射柱之間的間距大於定位誤差。
- 如申請專利範圍第7項所述之移動平台之導航系統，其中該處理器在校正時，該雷射測距模組以雷射鎖定距離該移動平台最近的一第一標記反射柱，以持續校正該移動平台的該座標位置；若該移動平台接近一範圍邊界，則尋找除該第一標記反射柱之外距離該移動平台最接近之一第二標記反射柱；該處理器取得該移動平台與該第一標記反射柱及該第二標記反射柱相對於該移動平台之一夾角；若該夾角達到180度時，則該處理器控制該移動平台轉向。
- 如申請專利範圍第7項所述之移動平台之導航系統，其中該定位系統為全球衛星定位系統(Global Positioning System,GPS)、全球導航衛星系統(GLObal NAvigation Satellite System,GLONASS)、伽利略計劃(Galileo)或衛星增擴系統(Satellite Based Augmentation System,SBAS)。
- 如申請專利範圍第7項所述之移動平台之導航系統，其中該標記反射柱之表面係使用一特定反射材料，該 雷射測距模組可辨識該特定反射材料所反射回來之雷射。
- 如申請專利範圍第10項所述之移動平台之導航系統，其中該特定反射材料之反射率須大於60%以上，且須使入射光散射。
- 如申請專利範圍第11項所述之移動平台之導航系統，其中該反射孔之直徑大小範圍係為0.5~15毫米(mm)之間。
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