DE602004011408T2

DE602004011408T2 - Mobiler Roboter, sowie System und Verfahren zur autonomen Navigation eines solchen Roboters

Info

Publication number: DE602004011408T2
Application number: DE602004011408T
Authority: DE
Inventors: Dong-Ryeol Park; Seok-Won Bang
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-01-11
Filing date: 2004-01-08
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2024-01-09
Also published as: EP1437636A1; KR20040064930A; US20040202351A1; KR100506533B1; EP1437636B1; JP4115946B2; JP2004216552A; US7613544B2; DE602004011408D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen einen mobilen Roboter sowie ein System und ein Verfahren zur autonomen Navigation von selbem und insbesondere einen mobilen Roboter sowie ein System und ein Verfahren zur autonomen Navigation von selbem, in welchem der mobile Roboter das Flackern von Licht-Quellen einer charakteristischen Matrix (Zeichenanordnung) steuert, die in einem Arbeitsabstand angeordnet ist, und der seine Position unter Verwendung von einer oder mehreren flackernden Licht-Quellen bestimmt, wodurch die autonome Navigation des mobilen Roboters ermöglicht wird.
Im Allgemeinen sollte ein autonomer mobiler Roboter präzise seine laufende Pose erkennen und sich von seiner laufenden Position zu einer Ziel-Position (Zielort) bewegen, um sich frei über ein bestimmtes Gebiet bewegen zu können. Zu diesem Zweck wird eine bestimmte charakteristische Matrix eingesetzt, also ein Mittel zum Bereitstellen von Weltkoordinaten, um dem mobilen Roboter zu erlauben, seine derzeitige Position zu erkennen. Der mobile Roboter erkennt die charakteristische Matrix, die in einem bestimmten Arbeitsabstand angeordnet ist durch die Signalverarbeitung eines Bildes, das durch eine Kamera aufgenommen wird, und bestimmt seine derzeitige Position unter Verwendung der erkannten charakteristischen Matrix.
Solch eine charakteristische Matrix kann konzipiert werden in verschiedenerlei Mustern. Im Allgemeinen wird ein bestimmtes geometrisches Muster, wie z. B. ein Kreis bzw. eine Kette, eingesetzt als die Form der charakteristischen Matrix.
Dementsprechend extrahiert der mobile Roboter das bestimmte Muster einer charakteristischen Matrix aus einem Bildsignal für einen Arbeitsraum. In diesem Fall ist der Prozess zum Extrahieren des Musters der charakteristischen Matrix aus dem Bildsignal stark beeinflusst durch äußere Umweltfaktoren wie z. B. die Beleuchtung eines Arbeitsraums, der durch eine Kamera aufgenommen wird.
Das heißt, das Erkennen des Musters der charakteristischen Matrix eines Bildes, aufgenommen durch eine Kamera, wird durch äußere Faktoren wie z. B. die Beleuchtung, die Formen der ausgeformten Objekte, die Muster von Tapeten, etc. beeinflusst. Dementsprechend wird der Betriebs-Prozess des Erkennens des Musters der charakteristischen Matrix weiter kompliziert.
Darüber hinaus ist es, da eine relativ lange Verarbeitungszeit benötigt wird, um die Position des mobilen Roboters unter Verwendung der charakteristischen Matrix zu erkennen, aufgrund des komplizierten Betriebs-Prozesses, schwierig, dass die autonome Navigation des mobilen Roboters in Echtzeit durchgeführt wird.
Des Weiteren ist es in der Netzwerkumgebung eines Hauses, welche entwickelt worden ist und weitgehend implementiert ist, in welchem alle Heimanwendungen gesteuert werden unter Verwendung eines mobilen Roboters, nicht wünschenswert mit Blick auf das Erscheinungsbild, ein bestimmtes Muster einer charakteristischen Matrix im Inneren eines Hauses zu installieren.
Folglich gab es den Bedarf für einen mobilen Roboter und ein System zur autonomen Navigation des mobilen Roboters, das in der Lage ist zur autonomen Bewegung durch die Verwendung einer charakteristischen Matrix, anwendbar ist auf eine Netzwerkumgebung eines Hauses und geeignet ist für die Anwendung des tatsächlichen Lebens, aufgrund der Adaptierbarkeit an Variationen einer äußeren Umwelt, wie z. B. die Beleuchtung.
EP 662618 beschreibt ein System zum Lokalisieren eines mobilen Objektes. Das mobile Objekt überträgt ein Beleuchtungs-Signal und jegliche Art von Lichtsignal, welches das Signal aufnimmt, überträgt einen Code, beispielsweise unter Verwendung einer infraroten Kommunikation. Das mobile Objekt nimmt den Code auf und decodiert ihn und eine Kamera zeichnet ein Bild auf. Eine Kombination des Bildes und des decodierten Codes wird dann verwendet, um das mobile Objekt zu lokalisieren.
US 5,491,607 beschreibt ein ähnliches System, welches Schallgeräusche detektieren kann.
In einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen mobilen Roboter zur Verfügung entsprechend zu Anspruch 1.
Vorzugsweise kann der mobile Roboter des Weiteren ein Speicher-Modul zum Speichern der Weltkoordinaten der Licht-Quellen umfassen, von Raumkoordinaten des mobilen Roboters in dem Arbeitsraum und Parametern, die durch Kamera-Kalibrierung zum Kompensieren der Verzeichnung eines Objekts der Kamera-Linse berechnet werden.
Die Kamera kann ausgerüstet sein mit einem Filter zum Filtern einer bestimmten Wellenlänge der Licht-Quelle.
In einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein System für die autonome Navigation eines mobilen Roboters zur Verfügung, das eine charakteristische Matrix (eine Zeichenanordnung) einschließt, die eine Vielzahl von Licht-Quellen umfasst, die in einem bestimmten Bereich angeordnet sind, um selektiv zu flackern, ein Steuer-Modul der charakteristischen Matrix zum Steuern des Flackerns der Licht-Quellen der charakteristischen Matrix sowie einen mobilen Roboter, der ausgerüstet ist mit einem Pose-Berechnungs-Modul zum selektiven Steuern des Flackerns der Licht-Quellen der charakteristischen Matrix durch Übertragen eines Steuersignals einer Licht-Quelle auf das Steuer-Modul der charakteristischen Matrix und Erkennen einer Pose des mobilen Roboters unter Verwendung der flackernden Licht-Quellen.
Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verfügung zur autonomen Navigation eines mobilen Roboters, das den ersten Schritt umfasst, in dem der mobile Roboter selektiv das Flackern des Flackerns der Licht-Quellen charakteristischen Matrix, angeordnet über einen bestimmten Arbeitsraum, steuert, den zweiten Schritt des Extrahierens von Bild-Koordinaten der Licht-Quellen durch Erfassen einer Licht-Quelle, die so gesteuert wird, dass sie aus einem von der Kamera eingegebenen Bildsignal flackert, und den dritten Schritt des Berechnens einer aktuellen Position des mobilen Roboters unter Bezugnahme auf die Bild-Koordinaten und die zuvor gespeicherten Weltkoordinaten der Licht-Quellen.
Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung einen mobilen Roboter zur Verfügung und ein System sowie ein Verfahren zur autonomen Navigation von selbigem, in welchem der mobile Roboter seine Position bestimmen kann durch Steuern des Flackerns der Licht-Quellen des charakteristischen Arrays, angeordnet in einem Arbeitsraum und sich autonom zu einem Zielort bewegen kann, basierend auf der bestimmten Position.
Die vorliegende Erfindung stellt des Weiteren einen mobilen Roboter zur Verfügung und ein System sowie ein Verfahren für die autonome Navigation von selbem, mit welchem der mobile Roboter in der Lage ist, in effizienter Art und Weise seine Pose (Position und Steuerkurswinkel) zu berechnen durch Auswählen einer Licht-Quelle, die geeignet ist für die Berechnung der Position unter Verweis auf die zuvor gespeicherten Weltkoordinaten der Licht-Quellen einer charakteristischen Matrix.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Mittel zur Verfügung zum Bereitstellen von Weltkoordinaten zur autonomen Navigation eines mobilen Roboters, welches eine Vielzahl von Licht-Quellen verwendet mit einer bestimmten Wellenlänge, also eine charakteristische Matrix, und so geeignet ist für eine Netzwerkumgebung zu Hause.
Die oben genannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden klarer verständlich aus der folgenden detaillierten Beschreibung, die zusammen mit den beigefügten Zeichnungen genommen wird, in welchen:
1 eine schematische Ansicht ist, die die Konstruktion zeigt eines Systems zur autonomen Navigation eines mobilen Roboters entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ein Flussdiagramm ist, welches ein Verfahren zeigt zur autonomen Navigation eines mobilen Roboters entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine perspektivische Ansicht ist einer charakteristischen Matrix, angeordnet in einem Arbeitsraum eines mobilen Roboters entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine perspektivische Ansicht ist eines mobilen Roboters, der an eine bestimmte Position bewegt worden ist, entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ein Flussdiagramm ist, welches den Prozess zeigt des Bestimmens einer ursprünglichen Position entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
6 ein Flussdiagramm ist, welches den Prozess des Berechnens der Position des mobilen Roboters entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Nun sollte verwiesen werden auf die Zeichnungen, in welchen die gleichen Referenzziffern über die verschiedenen Zeichnungen verwendet werden, um selbige oder ähnliche Komponenten zu bezeichnen.
Die Konstruktion sowie der Betrieb des mobilen Roboters sowie ein System und ein Verfahren zur autonomen Navigation des selben entsprechend der vorliegenden Erfindung werden beschrieben im Detail unter Verweis auf die beigefügten Zeichnungen.
Wie in 1 gezeigt, schließt das System zur autonomen Navigation des mobilen Roboters eine charakteristische Matrix 100, ein Steuer-Modul für die charakteristische Matrix 300 sowie einen mobilen Roboter 500 ein.
Die charakteristische Matrix 100 besteht aus einer Vielzahl von Licht-Quellen, welche über einem bestimmten Bereich angeordnet sind und flackern können. Die Licht-Quellen werden ausgebildet aus Licht emittierenden Vorrichtungen, einschließend elektrolumineszente Vorrichtungen, wie z. B. organische elektrolumineszente Vorrichtungen, anorganisch elektrolumineszente Vorrichtungen oder Licht emittierende Dioden (LEDs Light emitting Diodes), welche Licht mit einer bestimmten Wellenlänge und einer bestimmten Helligkeit emittieren.
Inzwischen werden die Licht-Quellen jeweils mit Positions-Information umfassend eine spezifische Identifikationsziffer und Weltkoordinaten in einem Arbeitsraum, in welchem die charakteristische Matrix angeordnet ist, bestückt.
Das Steuer-Modul für die charakteristische Matrix 300 steuert korrespondierende Licht-Quellen der charakteristischen Matrix 100, damit sie als Antwort auf das flackernde Steuersignal, übertragen von dem mobilen Roboter 500 zu flackern. Das Steuer-Modul für die charakteristische Matrix 300 schließt einen Anschlussknoten (AP, Access Point) 301 ein, die eine der Komponentenvorrichtungen ist, die ein drahtloses lokales Flächen-Netzwerk konstituieren und das Licht-Quellen-Steuer-Signal aufnimmt und verarbeitet, das von dem mobilen Roboter 500 übertragen wird, sowie eine Lichtsignal-Steuer-Einheit 302, welche die korrespondierenden Licht-Quellen steuert, so dass sie als Antwort auf die Licht-Quellen-Steuer-Signal-Eingabe von dem Anschlussknoten 301 flackern.
Der mobile Roboter 500 ist so konzipiert, dass er ein Pose-Berechnungs-Modul 504 einschließt, welches selektiv das Flackern der Licht-Quellen der charakteristischen Matrix 100 einschließt, durch Übertragen eines Licht-Quellen-Steuer-Signals an das Steuer-Modul des charakteristischen Arrays 300 und die Position davon erkennt unter Verwendung der flackernden Licht-Quellen, wodurch eine autonome Navigation ermöglicht wird. Der mobile Roboter 500 schließt des Weiteren ein Haupt-Steuer-Modul 501 ein, ein Kommunikations-Modul 502, ein Bildverarbeitungs-Modul 503, ein Bewegungs-Steuer-Modul 505 und ein Speicher-Modul 506.
Das Haupt-Steuer-Modul 501 steuert alle Betriebsabläufe der Positionsberechnung unter Bewegung entsprechend einem Betriebs-Management-Algorithmus für die autonome Navigation des mobilen Roboters 500 sowie die Funktionen, um die Inter-Operationen der entsprechenden Module zu steuern.
Das Kommunikations-Modul 502 überträgt ein Lichtquell-Steuer-Signal, um die Licht-Quellen der charakteristischen Matrix 100 zu steuern, so dass sie unter der Betriebs-Steuerung des Haupt-Steuer-Modul 501 flackern. Und die zuvor gespeicherten Weltkoordinaten der Licht-Quelle werden durch das Kommunikations-Modul 502 referenziert. Drahtlose Kommunikationen, durchgeführt, um Lichtquell-Steuer-Signal zwischen dem Zugangsknoten 301 und dem Kommunikations-Modul 502 zu übertragen/aufzunehmen, sind in solch einer Art implementiert, dass der Zugangsknoten 301 und das Kommunikations-Modul 502 neu bestückt sind mit Frequenzen einer hohen Bandbreite und übertragen/empfangen Daten über die zugeordneten Frequenzen.
Des Weiteren können solche drahtlosen Kommunikationen implementiert werden durch drahtlose Kommunikations-Protokolle wie z. B. Infrarot-Daten-Verband (IrDA Infrared Data Association), unter Verwendung von infraroter Strahlung oder Bluetooth, d. h. einer drahtlosen Kommunikations-Technologie im lokalen Bereich.
Das Bild-Verarbeitungs-Modul 503 verarbeitet ein Signal, um Merkmals-Punkte der spezifizierten Licht-Quelle nachzuweisen, gesteuert, um über das Kommunikations-Modul 502 von einem Bildsignal, erhalten durch eine Kamera, zu flackern. Das Bildverarbeitungs-Modul 503 schließt eine Kamera ein (nicht gezeigt), die ausgestattet ist mit einem Filter zum Filtern des Bildsignals, basierend auf der Wellenlänge der Licht-Quellen, sowie eine Signal-Verarbeitungs-Einheit (nicht gezeigt) zum Nachweis von Merkmals-Punkten, die mit der Wellenlänge der Licht-Quellen des Bildsignals korrespondieren, das durch die Kamera gefiltert wird, und zum Extrahieren der Koordinaten der empfangenen Merkmals-Punkte (im folgenden hier als "Bild-Koordinaten" bezeichnet).
Das Verfahren zum Erkennen von Merkmals-Punkten, die mit einer Wellenlänge der Licht-Quellen korrespondieren, in der Signal-Prozess-Einheit sowie das Extrahieren der Bild-Koordinaten kann durch Schwellenwert-Technologie und eine Gruppierungs- & Labelings-Technologie (4-connectivity) (Digital Image Processing; Rafael C. Gonzales, Richard E. Wodds, Addison Wesley) implementiert werden. Dieses Verfahren wird durchgeführt durch Binärisierung des Bild-Signals, gefiltert unter Verwendung der Wellenlänge der Licht-Quellen, Extrahieren eines Abschnittes, auf welchem Pixel mit einem Wert von gleich oder größer im Vergleich zu einem bestimmten Wert (beispielsweise 50) miteinander verbunden werden, und welcher eine Graustufe von 255 aufweist, als die Region der Licht-Quelle, Nachweisen der Licht-Quelle durch Entfernen von Rausch-Komponenten aus der extrahier ten Region und Extrahieren der Bild-Koordinaten, basierend auf dem Schwerpunkts-Zentrum.
Das Pose-Berechnungs-Modul 504 berechnet die präzisen Koordinaten des mobilen Roboters 500 unter Verweis auf die Bild-Koordinaten für die spezifizierte Licht-Quelle, erhalten durch das Bild-Verarbeitungs-Modul 503 sowie die Weltkoordinaten für die bestimmte Licht-Quelle, erkannt durch das Speicher-Modul 506. Die Translation und Rotation des mobilen Roboters 500 werden berechnet durch Anwenden der Bild-Koordinaten und der Weltkoordinaten auf den spezifizierten Positions-Berechnungs-Algorithmus.
Der Positions-Berechnungs-Algorithmus konstruiert ein Extensions-Modell zum Erhalten der Translation und Rotation der Kamera unter Verwendung eines Weltkoordinaten-Systems sowie eines Kamera-Koordinaten-Systems und zum Erhalten einer bestimmten Translationsformel zum Berechnen einer Translation und Rotation der Kamera durch Anwenden des Extensions-Modells auf eine Formel zum Kompensieren für Verzeichnungen, verursacht durch die Linse der Kamera.
Das Pose-Berechnungs-Modul 504 bestimmt die derzeitige Pose des mobilen Roboters 500 durch Berechnen einer Translation, d. h. eines Abstandes, um welchen die Kamera (d. h., der mobile Roboter) von der spezifizierten Licht-Quelle entfernt ist, und einer Rotation relativ zur Licht-Quelle, durch Anwenden der Bild-Koordinaten und der Weltkoordinaten der Licht-Quelle auf die Transformations-Formel, erhalten durch den Pose-Berechnungs-Algorithmus.
Das Bewegungs-Steuer-Modul 505 steuert die Bewegung des mobilen Roboters 500 unter Verwendung von Steuerungs-Mitteln zum Steuern der Motoren der rechten und linken Räder, um so zu ermöglichen, dass der mobile Roboter 500 autonom bewegt wird. Das Bewegungs-Steuer-Modul 505 bestimmt einen Bewegungspfad, entlang dessen der Roboter 500 sich zu einem Zielort bewegt unter Verwendung der laufenden Positions-Koordinaten durch Abgleich der Ausgabe für Translation und Rotation des mobilen Roboters 500 aus dem Pose-Berechnungs-Modul 504 mit der Bereichs-Koordinaten-Information eines Arbeitsraumes, zuvor gespeichert in dem Speicher-Modul 506, und steuert den mobilen Roboter 500, so dass er sich entlang des bestimmten Bewegungs-Pfades bewegt.
Das Speicher-Modul 506 speichert einen Betriebs-Management-Algorithmus für die autonome Navigation des mobilen Roboters 500 und Information für den Betriebs-Management-Algorithmus. Das Speicher-Modul 506 speichert Parameter zum Kompensieren der Ver zeichnung der Linsen der Kamera, berechnet durch Kamera-Kalibration, der Weltkoordinaten der Licht-Quellen der charakteristischen Matrix 100 und der Koordinateninformation des Arbeitsraumes, über welchen der mobile Roboter 500 autonom navigiert wird.
Das Verfahren für die autonome Navigation des mobilen Roboters unter Verwendung des Systems für die autonome Navigation des mobilen Roboters entsprechend der vorliegenden Erfindung, wird im Detail beschrieben unter Verweis auf die beigefügten Zeichnungen.
Wie in 2 gezeigt, überträgt das Haupt-Steuer-Modul 501 des mobilen Roboters 500 ein Licht-Quellen-Steuersignal (ein Anschalt-Signal), um die spezifischen Licht-Quellen der charakteristischen Matrix 100 am Schritt S1 anzuschalten.
Wenn das Lichtquell-Steuer-Signal, übertragen von dem mobilen Roboter 500 durch den Zugangsknoten 301 des Steuer-Moduls der charakteristischen Matrix 300 durch den Knotenpunkt 301 des Steuer-Moduls der charakteristischen Matrix 300 empfangen wird, wird eine korrespondierende Licht-Quelle durch die Lichtquell-Steuer-Einheit 302 angeschaltet und das Bild-Verarbeitungs-Modul 503 des mobilen Roboters 500 bestimmt, ob die Licht-Quelle, gesteuert, um als Antwort auf das Lichtquell-Steuer-Signal zu flackern, durch Erkennen der Merkmals-Punkte der Licht-Quelle durch ein Bild-Signal, eingefangen durch die Kamera am Schritt S2 erkannt wird.
Falls die Licht-Quelle nicht erkannt wird als Ergebnis der Bestimmung des Schrittes S2, wird eine Licht-Quelle erkannt durch Auswahl einer benachbarten Licht-Quelle unter Verweis auf die Weltkoordinaten der Licht-Quellen der charakteristischen Matrix 100, zuvor gespeichert im Speicher-Modul 506, Übertragen eines Lichtquell-Steuer-Signal, um diese Licht-Quelle anzuschalten, und Bestimmen, ob die Licht-Quelle durch die Kamera am Schritt S3 erkannt wird.
Falls die Licht-Quelle als das Ergebnis der Bestimmung des Schrittes S3 erkannt wird, wird die derzeitige Position des mobilen Roboters 500 bestimmt unter Verwendung der Bild-Koordinaten der Licht-Quelle, erkannt durch die Kamera, und der Weltkoordinaten der Licht-Quelle, erkannt durch das Speicher-Modul 506 am Schritt S4.
Das Haupt-Steuer-Modul 501 des mobilen Roboters 500 bestimmt einen Bewegungspfad des mobilen Roboters 500 unter Verwendung der derzeitigen Weltkoordinaten, bestimmt durch den oben beschriebenen Schritt und steuert den mobilen Roboters 500, so dass er entlang des Bewegungspfades, bestimmt durch das Bewegungs-Steuer-Modul 505 bewegt wird.
Das Verfahren zur autonomen Navigation eines mobilen Roboters entsprechend der vorliegenden Erfindung wird im Detail beschrieben unter Verweis auf die beigefügten Zeichnungen.
Falls ein Gehäuse, ausgerüstet mit einem Heim-Automations-System, ausgewählt wird als Arbeitsraum des mobilen Roboters, werden die Licht-Quellen der charakteristischen Matrix 100 über das Gehäuse hinweg installiert, wie in 3 gezeigt wird, und so gesteuert, dass sie durch das Steuer-Modul der charakteristischen Matrix 300, bereitgestellt in dem Server des Heim-Automatisierungs-Systems, flackern.
Wenn die Licht-Quelle in dem Stadium angeschaltet wird, wo der mobile Roboter 500 in eine zufällige Position in dem Arbeitsraum des mobilen Roboters 500 bewegt wird, wie in 4 gezeigt wird, bestimmt der mobile Roboter 500 grob die laufende Position davon durch einen Initialisierungs-Prozess und berechnet präzise die derzeitige Position davon durch einen Lokalisierungs-Prozess.
Der Initialisierungs-Prozess ist ein Prozess der Bestimmung der ursprünglichen Position des mobilen Roboters, wenn Energie auf den mobilen Roboter übertragen wird, was durchgeführt wird, wie in 5 gezeigt ist.
Wenn Energie auf den mobilen Roboter 500 am Schritt S11 übertragen wird, steuert das Haupt-Steuer-Modul 501 des mobilen Roboters 500 sequentiell die Licht-Quellen der charakteristischen Matrix 100, so dass sie mit Blick auf die spezifische Lichtquelle und die Weltkoordinaten der Licht-Quellen der charakteristischen Matrix 100 am Schritt S12 flackern.
In dem Prozess des Steuerns der Licht-Quellen der charakteristischen Matrix 100, so dass sie sequentiell flackern, erkennt das Haupt-Steuer-Modul des mobilen Roboters 500 die Merkmals-Punkte der Licht-Quelle von einem Bildsignal, das durch die Kamera erhalten wird, unter Verwendung des Bild-Verarbeitungs-Moduls 503 und bestimmt, ob die Licht-Quelle, die gesteuert wird, so dass sie flackert, durch die Kamera am Schritt S13 erkannt wird.
Falls die Licht-Quelle nicht erkannt wird als Ergebnis der Bestimmung des Schrittes S13, wird der Prozess des Steuerns der Licht-Quellen der charakteristischen Matrix 100, so dass sie sequentiell nach Veränderung der Richtung der Kamera durch Rotation der Kamera flackern, und des Erkennens der Licht-Quelle unter Verwendung eines Bildes, erhalten durch die Kamera, wiederholt für eine eingestellte Zahl von Wiederholungen Max_Num am Schritt S14. Falls die Licht-Quelle nicht erkannt wird, nachdem der Prozess über eine zufällig eingestellte Zahl an Wiederholungen wiederholt worden ist, wird der Prozess als ein Fehler bestimmt durch Erzeugen eines Licht-Quell-Erkennungs-Fehler-Signals am Schritt S15.
Falls die Licht-Quelle erkannt wird als Ergebnis der Bestimmung des Schrittes S13, werden die Welt-Koordinaten der nachgewiesenen Licht-Quelle, gespeichert in dem Speicher-Modul 506, erkannt durch die Verwendung einer ID-Nummer der nachgewiesenen Licht-Quelle am Schritt S16 und die laufende Position des mobilen Roboters 500 wird grob sichergestellt durch die Verwendung der Welt-Koordinaten der erkannten Licht-Quelle am Schritt S17.
Beispielsweise in dem Fall, wo die Welt-Koordinaten der Licht-Quelle, sichergestellt durch die Verwendung der ID-Nummer der Licht-Quelle, nachgewiesen durch die Kamera während des Flackerns der Licht-Quelle der charakteristischen Matrix 100, die Positionsinformation eines Wohnzimmers ist, kann das hauptsächliche Steuer-Modul 501 des mobilen Roboters 500 grob sicherstellen, dass der mobile Roboter 500 in dem Wohnzimmer positioniert ist.
Wenn der Initiations-Prozess des mobilen Roboters 500 vollständig abgelaufen ist, führt das Steuer-Modul 501 des mobilen Roboters 500 einen Positions-Berechnungs-Prozess des Berechnens der präzisen Position des mobilen Roboters 500 mit Blick auf die grobe Positions-Information, erhalten durch den Initiations-Prozess, durch.
Der Positions-Berechnungs-Prozess wird durchgeführt, wie in 6 gezeigt ist. Zunächst setzt das hauptsächliche Steuer-Modul 501 des mobilen Roboters 500 die Anzahl der Licht-Quellen, die benötigt ist, um die präzise Position des mobilen Roboters 500 zu berechnen, auf eine bestimmte Zahl N.
Nachdem die Zahl der Lichtquellen N gesetzt wurde, um die präzise Position zu berechnen, werden N Licht-Quellen, die geeignet sind für die Positions-Berechnung, ausgewählt aus den Licht-Quellen, die in der Nähe der Licht-Quelle sind, erkannt während des Initiations- Prozesses am Schritt S21, und ein Licht-Quell-Steuer-Signal wird übertragen, um die ausgewählten N Licht-Quellen am Schritt S22 einzuschalten.
Beispielsweise können, wenn die während des Initiations-Prozesses erkannte Licht-Quelle eine Fünfte Licht-Quelle des Wohnzimmer ist, in dem Fall, wo die Anzahl der Licht-Quellen, benötigt zur Berechnung der Position des mobilen Roboters 500 auf 5 eingestellt ist, Licht-Quellen einer eingestellten Zahl, eingestellt um die Position zu berechnen, angeschaltet werden durch Anschalten von sowohl zwei Licht-Quellen auf der rechten Seite der fünften Licht-Quelle und zwei Licht-Quellen auf der linken Seite der fünften Licht-Quelle oder durch Einschalten von vier Licht-Quellen auf der rechten Seite der fünften Licht-Quelle oder vier Licht-Quellen auf der linken Seite der fünften Licht-Quelle.
Das Steuer-Modul der charakteristischen Matrix 300 schaltet eine korrespondierende Licht-Quelle als Antwort auf ein übertragenes Licht-Quell-Steuer-Signal an und das hauptsächliche Steuer-Modul 501 des mobilen Roboters 500 erkennt die Merkmals-Punkte der Licht-Quelle von einem Bild-Signal, erhalten durch die Kamera, unter Verwendung des Bild-Verarbeitungs-Moduls 503 und bestimmt, ob die N Licht-Quellen, angeschaltet, um die Position des Roboters 500 zu erkennen, am Schritt S23 erkannt werden.
Falls die N Licht-Quellen nicht erkannt werden als Ergebnis der Erkennung des Schrittes S24, wird bestimmt, ob die Zahl der Licht-Quellen erkannt durch die Kamera, gleich ist oder größer ist, als zwei im Schritt S24. Falls die Anzahl der erkannten Licht-Quellen weniger als zwei ist, wird eine Licht-Quelle, erkannt durch die Kamera, erkannt durch Auswählen und Flackern einer anderen Licht-Quelle am Schritt S22. Falls die Anzahl der Licht-Quellen, die erkannt wurden, zwei oder mehr ist am Schritt S24, werden die ID-Nummern der Licht-Quellen, erkannt durch die Kamera, bestimmt durch Steuern der Lichtquellen, so dass sie am Schritt S25 flackern.
Die Bild-Koordinaten von N Licht-Quellen und zwei oder mehr Licht-Quellen, erkannt durch die oben beschriebene Bestimmung, werden extrahiert aus einem Bild-Signal, erhalten durch die Kamera und Welt-Koordinaten, korrespondierend mit Licht-Quellen, werden erkannt aus dem Speicher-Modul 506 unter Verwendung der bestimmten IDs am Schritt S26.
Das Pose-Berechnungs-Modul 504 berechnet die Translation und Rotation des mobilen Roboters 500 durch Anwenden der Bild-Koordinaten und Welt-Koordinaten der erkannten Licht-Quellen auf die Transformations-Formel, erhalten durch den Positions-Berechnungs-Algorithmus.
Das hauptsächliche Steuer-Modul 501 des mobilen Roboters 500 bestimmt einen Bewegungspfad des mobilen Roboters 500 durch Anwenden der Translation und Rotation des mobilen Roboters 500 für die räumliche Koordinaten-Information des mobilen Roboters 500 in dem Arbeitsraum und steuert den mobilen Roboter 500, so dass er sich durch die Verwendung des Bewegungs-Steuer-Moduls 505 bewegt.
Falls die Anzahl der Licht-Quellen, die benötigt wird, um die Position des mobilen Roboters 500 zu berechnen, auf zwei eingestellt wird, sind die Bild-Koordinaten der Licht-Quellen, erkannt durch ein Bild-Signal, erhalten durch die Kamera in dem Bilderverarbeitungs-Modul 503 des mobilen Roboters 500, (u₁, v₁) und (u₂, v₂), und die spezifischen Koordinaten sind
und die Translation und Rotation des mobilen Roboters werden dann erhalten wie unten beschrieben.
Wenn eine Versetzungs-Matrix zum Erhalten der Translation und Rotation des mobilen Roboters konstruiert wird unter Verwendung des Welt-Koordinaten-Systems und des Kamera-Koordinaten-Systems, die Kamera des mobilen Roboters sich auf einer bestimmten Höhe bewegt, und die Translation mit Blick auf die z-Achse null ist, so wird die folgende Versetzungs-Matrix erhalten.
wobei t eine Translation ist und R eine Rotation ist.
Wenn die Versetzungs-Matrix mit Blick auf die Translation und Rotation des mobilen Roboters erhalten wird, wird die Versetzungs-Matrix auf eine Formel angewandt zum Kompensieren der Verzeichnung, verursacht durch die Linse der Kamera. Die Linsen-Verzeichnungs-Kompensations-Formel ist wie folgt (siehe Three-Dimensional Computer Vision – A Geometric Viewpoint, Oliver Faugeras, 1993).
Eine Versetzungs-Matrix mit Blick auf die Translation und Rotation wird zur Linsen-Verzeichnungs-Kompensations-Formel hinzugefügt. Ein Extensions-Modell, ausgebildet durch Einschließen der Translations- und Rotationsmatrix ist wie folgt:
In der oben dargestellten Matrix-Gleichung sind f_x, f_y, u₀ und v₀ Parameter-Werte, bestimmt entsprechend den Kamera-Charakteristika durch Kamera-Kalibration, u_i und v_i sind Bild-Koordinaten, die erhalten werden von einem Eingabe-Bild-Signal mit Blick auf die Merkmals-Punkte der erkannten Lichtquellen und
sind die Welt-Koordinaten der erkannten Licht-Quellen.
Die oben dargestellte Matrix-Gleichung wird ausgedrückt durch Gleichungen für u_i und v_i wie unten beschrieben wird:
Die Translation t_x und t_y sowie die Rotation θ des mobilen Roboters werden erhalten unter Bezugnahme auf die Koordinaten-Information (u₁, v₁) und (u₂, v₂) und
und
der Licht-Quellen, erkannt durch die Kamera, wie unten beschrieben werden wird.
Durch den oben dargestellten Prozess berechnet das Pose-Berechnungs-Modul die derzeitige Position des mobilen Roboters 500 und bestimmt präzise die laufende Position des mobilen Roboters 500 durch Anwenden der berechneten Translations- und Rotations-Werte auf räumliche Koordinaten mit Blick auf den Arbeitsraum des mobilen Roboters 500.
Falls die Position des mobilen Roboters berechnet wird durch n Lichtquellen, wird die Gleichung 1 umgewandelt in die folgende Matrix-Gleichung.
Die Bild-Koordinaten und die Welt-Koordinaten von n Licht-Quellen werden angewandt auf die umgewandelte Gleichung 2 wie unten beschrieben wird.
Mit dem oben dargestellten Prozess wird die laufende Position des mobilen Roboters 500 berechnet. Das Haupt-Steuer-Modul 501 des mobilen Roboters 500 bestimmt die präzise laufende Position des mobilen Roboters 500 durch Anlegen der berechneten Translations- und Rotations-Werte auf zuvor gespeicherten räumlichen Koordinaten mit Blick auf den Arbeitsraum des mobilen Roboters 500.
Des Weiteren wird ein Bewegungs-Pfad für den mobilen Roboter, um sich zu einem Zielort zu bewegen, bestimmt unter Verwendung der Positions-Information, und der mobile Roboter 500 wird so gesteuert, dass er sich durch das Bewegungs-Steuer-Modul 505 bewegen kann.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann der mobile Roboter sich zu einem präzisen Zielort bewegen durch Steuern der Licht-Quellen einer charakteristischen Matrix, so dass sie flackern und Bestimmen von deren Position.
Der mobile Roboter wählt eine bestimmte Licht-Quelle aus, die verwendbar ist für die Berechnung dieser Position von den Licht-Quellen der charakteristischen Matrix und bestimmt in effizienter Art und Weise deren Position unter Verweis auf die zuvor gespeicherten Welt-Koordinaten der Licht-Quellen der charakteristischen Matrix.
Des Weiteren verwendet die charakteristische Matrix der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Licht-Quellen mit einer bestimmten Wellenlänge, so dass sie als Mittel verwendet werden kann zum Bereitstellen von Positions-Information, um dem mobilen Roboter beim Durchführen der autonomen Navigation in der Umgebung eines Hauses behilflich zu sein, ohne beeinflusst zu werden durch die Variationen der Umgebung eines Hauses.

Claims

Mobiler Roboter (500), der umfasst: ein Kommunikationsmodul (502) zum Senden eines Lichtquellen-Steuersignals, mit dem das Flackern einer Vielzahl von Lichtquellen einer Zeichenanordnung gesteuert wird, die in einem Arbeitsraum vorhanden ist; ein Bildverarbeitungsmodul (503) zum Berechnen von Bildkoordinaten wenigstens einer der Vielzahl von Lichtquellen durch Erfassen der Lichtquellen, die so gesteuert werden, dass sie in Reaktion auf das Lichtquellen-Steuersignal flackern, aus einem Bildsignal, das mit einer Kamera gewonnen wird; ein Pose-Berechnungsmodul (504) zum Berechnen von Koordinaten des mobilen Roboters unter Verwendung der berechneten Bildkoordinaten und zuvor gespeicherter Bildkoordinaten der Lichtquellen; ein Bewegungssteuermodul (505), das einen Bewegungsweg für den mobilen Roboter durch Anwenden der Positionskoordinaten des mobilen Roboters auf zuvor gespeicherte räumliche Koordinaten des Arbeitsraums berechnet und den mobilen Roboter so steuert, dass er sich auf dem Bewegungsweg entlang bewegt; und ein Hauptsteuermodul (501) zum Steuern von Interoperationen der Module und allgemeiner Operationen des mobilen Roboters; dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtquellen-Steuersignal zu einem Zeichenanordnungs-Steuermodul gesendet wird, das eine Vielzahl von Lichtquellen steuert und die Lichtquellen spezifiziert, die das Zeichenanordnungs-Steuermodul so steuern soll, dass sie flackern.
Mobiler Roboter nach Anspruch 1, der des Weiteren ein Speichermodul (506) zum Speichern der Weltkoordinaten der Lichtquellen, von Raumkoordinaten des mobilen Roboters in dem Arbeitsraum und von Parameter umfasst, die durch Kamerakalibrierung zum Kompensieren der Verzeichnung eines Objektivs der Kamera berechnet werden.
Mobiler Roboter nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Pose-Berechnungsmodul (504) Translation und Drehung des Roboters durch Anwenden der Bildkoordinaten und der Weltkoordinaten auf den spezifizierten Positionsberechnungsalgorithmus berechnet.
Mobiler Roboter nach Anspruch 3, wobei der Pose-Berechnungsalgorithmus eine bestimmte Transformationsmatrixgleichung ist, die ermittelt wird, in dem ein Erweiterungsmodell (extension model) zum Ermitteln einer Translation und einer Drehung der Kamera unter Verwendung eines Weltkoordinatensystems und eines Kamerakoordinatensystem konstruiert wird, und das Erweiterungsmodell auf eine Formel zum Kompensieren von durch ein Objektiv der Kamera verursachter Verzeichnung angewendet wird.
System für autonome Navigation eines mobilen Roboters (500), das umfasst: eine Wegpunktanordnung (100), die eine Vielzahl von Lichtquellen umfasst, die in einem bestimmten Bereich angeordnet sind und selektiv flackern; ein Wegmarkenanordnungs-Steuermodul (300), das die Lichtquellen so steuert, dass sie flackern; und einen mobilen Roboter (500) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
System nach Anspruch 5, wobei die Lichtquellen (1, 2 ... n) Lichtemissionsvorrichtungen sind, die Elektolumineszenzvorrichtung und Leuchtdioden einschließen und die Licht mit einer bestimmten Wellenlänge und einer bestimmten Helligkeit emittieren.
System nach Anspruch 5 oder 6, wobei den Lichtquellen (1, 2 ... n) jeweils Positionsinformationen zugewiesen sind, die aus einer spezifischen Identifizierungsnummer und Weltkoordinaten in einem Arbeitsraum bestehen, in dem die Wegmarkenanordnung angeordnet ist.
System nach Anspruch 5, 6 oder 7, wobei das Wegmarken-Steuermodul (300) umfasst: einen Zugangspunkt (301) zum Empfangen und Verarbeiten des von dem mobilen Roboter gesendeten Lichtquellen-Steuersignals; und eine Lichtquellen-Steuereinheit (302), die entsprechende Lichtquellen so steuert, dass sie in Reaktion auf das von dem Zugangspunkt eingegebene Lichtquellen-Steuersignal flackern.
System nach Anspruch 5, 6, 7 oder 8, wobei das Pose-Berechnungsmodul (504) Translation und Drehung des Roboters durch Anwenden von Bildkoordinaten und Weltkoordinaten auf einen bestimmten Pose-Berechnungsalgorithmus berechnet.
System nach Anspruch 5, wobei der Pose-Berechnungsalgorithmus eine bestimmte Transformationsmatrixgleichung ist, die ermittelt wird, indem ein Erweiterungsmodell zum Ermitteln einer Translation und einer Drehung der Kamera unter Verwendung eines Weltkoordinatensystems und eines Bildkoordinatensystems konstruiert wird und das Erweiterungsmodell auf eine Formel zum Kompensieren von durch ein Objektiv der Kamera verursachter Verzerrung angewendet wird.
System nach Anspruch 9 oder 10, wobei dem Kommunikationsmodul (502) und dem Zugangspunkt (301) Frequenzen einer hohen Bandbreite zugewiesen sind und sie Daten über die zugewiesenen Frequenzen senden/empfangen, oder das Kommunikationsmodul (502) und der Zugangspunkt (301) über Infrarot-Datenübertragungsvorgänge unter Verwendung von Infrarotstrahlen oder über Datenübertragungsvorgänge auf Basis von Drahtlos-Datenübermittlungsprotokollen, wie beispielsweise Bluetooth, das eine lokale Drahtlos-Datenübertragungstechnologie ist, das Lichtquellen-Steuersignal senden/empfangen.
System nach Anspruch 5, wobei das Bildverarbeitungsmodul (503) umfasst: eine Kamera, die mit einem Filter zum Filtern einer Wellenlänge der Lichtquelle aus einem Bildsignal versehen ist; und eine Signalverarbeitungseinheit zum Erfassen der Wellenlänge der Lichtquelle aus dem von der Kamera ausgegebenen gefilterten Bildsignal.
Verfahren für autonome Navigation eines mobilen Roboters (500), das umfasst: den ersten Schritt, in dem der mobile Roboter (500) selektiv eine Vielzahl von Lichtquellen einer Wegmarkenanordnung (100), die über einen bestimmten Arbeitsraum angeordnet ist, so steuert, dass sie flackern; den zweiten Schritt des Extrahierens von Bildkoordinaten einer Kamera durch Erfassen einer Lichtquelle, die so gesteuert wird, dass sie flackert, aus einem von der Kamera eingegebenen Bildsignal; und den dritten Schritt des Berechnens einer aktuellen Pose des mobilen Roboters unter Bezugnahme auf die extrahierten Bildkoordinaten und zuvor gespeicherte Weltkoordinaten der Lichtquelle; dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Schritt der mobile Roboter ein Lichtquellen-Steuersignal zu einem Wegpunktanordnungs-Steuermodul, das die Vielzahl von Lichtquellen steuert, sendet, das die Lichtquelle spezifiziert, die flackern soll, und dass das Wegzeichen-Steuermodul diese Lichtquellen so steuert, dass sie flackern.
Verfahren nach Anspruch 13, das des Weiteren den vierten Schritt umfasst, in dem ein Bewegungssteuermodul (505) einen Bewegungsweg zu einem Ziel unter Verwendung der berechneten aktuellen Position bestimmt, und den mobilen Roboter so steuert, dass er sich auf dem vorgegebenen Bewegungsweg entlang bewegt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei der zweite Schritt die folgenden Schritte umfasst: Erfassen kennzeichnender Punkte der Lichtquelle (1, 2 ... n) aus dem durch die Kamera aufgenommenen Bildsignal; unter Verwendung der kennzeichnenden Punkte der Lichtquelle Bestimmen, ob die Lichtquelle (1, 2 ... n) durch die Kamera erfasst wird oder nicht; Suchen nach der durch die Kamera erfassten Lichtquelle (1, 2 ... n), indem Lichtquellen in der Nähe einer zuvor ausprobierten Lichtquelle sequenziell gesteuert werden, so dass sie flackern, wenn die erste ausprobierte Lichtquelle nicht erfasst wird; und Extrahieren von Bildkoordinaten einer erfassten Lichtquelle aus dem Bildsignal, wenn eine Lichtquelle erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei der dritte Schritt die folgenden Schritte umfasst: Erfassen von Positionsinformationen der erfassten Lichtquelle (1, 2 ... n); Berechnen der Pose des mobilen Roboters unter Bezugnahme auf die berechnete Position des mobilen Roboters; und Ermitteln einer genauen Position des mobilen Roboters durch Abgleichen der berechneten Position des mobilen Roboters mit zuvor in dem mobilen Roboter gespeicherten Raumkoordinateninformationen des Arbeitsraums.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der mobile Roboter (500) zwei oder mehr Lichtquellen erfasst, indem er den ersten und den zweiten Schritt wiederholt, um genau die Position des mobilen Roboters zu ermitteln.