环境地图的创建的制作方法

1.本发明涉及针对移动式家用电器创建环境地图。尤其是，本发明涉及去除错误的测量。


背景技术：

2.地面清洁机器人设立为，在家庭中被采用，例如在房子中或者在住所中被采用。机器人能够自己前进，并具有传感器，以便对它的环境进行扫描。一个传感器可以检测与障碍物的碰撞，另一个传感器可以使得能够对环境进行非接触式扫描。
3.为了在清洁地面时能够实现有计划的行动，机器人需要环境地图，该环境地图说明，地面的哪些区域对于该机器人是可达到的，而哪些区域是不可达到的。环境地图可以通过如下方式来创建：机器人行进穿过住所或者房子，并且在此对环境进行非接触式扫描。借助slam（同时定位与地图构建（simultaneous localization and mapping））方法，可以同时确定机器人的位置并且对从机器人出发检测到的障碍物绘制地图。
4.尤其是非接触式工作的传感器、如雷达或者激光雷达（lidar）传感器可能促进在机器人的环境中的所谓幻象点，障碍物似乎处于所述幻象点处，但是实际上在所述幻象点处存在空白的空地。尤其是因强光或者在由透明的或者反射性差的材料制成的障碍物的区域中，可能招致这种测量噪声。在实际障碍物的边界附近，常常发生错误测量。这种效应也被称为“混合像素效应（mixed pixel effect）”。


技术实现要素：

5.本发明所基于的任务在于，给出一种经过改进的技术，用于从非接触式传感器的测量数据中去除幻象点，以便允许对家用电器进行经过改进的地图绘制和/或位置确定。借助独立权利要求的主题，本发明解决了该任务。从属权利要求描绘了优选实施形式。
6.按照本发明的第一方面，用于针对移动式家用电器创建环境地图的第一方法包括以下步骤：将测量信号发送到家用电器的环境中并接收测量信号的反射；确定环境中的给其分配有测量信号的反射的点；确定环境中的点的空间分布（einer oertlichen verteilung）；如果所述分布以小于预先确定的方式对应于直线，则摒弃这些点；以及基于剩余的点来创建环境地图。
7.已认识到，针对家用电器尤其感兴趣的是形成直线的点。直线可以包括障碍物、例如墙或者家具的边界。通过摒弃以小于预先确定的方式对应于直线的点，可以高效地从测量数据中去除幻象测量。家用电器的定位和/或环境的地图绘制可以以经过改进的方式仅以正确的测量为基础，使得可以改善确定质量或者确定可靠性。
8.环境可以被分为预先确定的大小的地砖，其中如果地砖的点的空间分布以小于预先确定的方式对应于直线，则优选地摒弃该地砖的点。例如，地砖可以具有为大约100 x 100cm的大小；可是，其他大小也是可能的。地砖可以在所有侧都彼此邻接，使得环境可以无缝地被地砖覆盖。同样，并排的地砖可能相互重叠，例如分别重叠50%。
9.按照本发明的第二方面，用于针对移动式家用电器创建环境地图的第二方法包括以下步骤：将测量信号发送到家用电器的环境中并且接收测量信号的反射；确定环境中的给其分配有测量信号的反射的点；确定环境中的点的空间分布；摒弃距点的平均地点（ort）的间距超过预先确定的值的点；并基于剩余的点来创建环境地图。
10.由此，尤其是可以留下形成致密结构的点。而可以摒弃远离大多数其他点的多个单个点（einzelne punkte）。通过适当地选择预先确定的值，尤其是可以高效地去除如下幻象点：所述幻象点处于实际障碍物近旁，但是不是障碍物的部分。
11.可以相互集成地实施这两种方法。在第一变型方案中，首先检查，是否要摒弃整个地砖的点，而后才检查，是否要摒弃多个单个点。在第二变型方案中，可以按相反的顺序应用测试标准。
12.如上面所描述的那样，环境可以被分为预先确定的大小的地砖。如果分配给地砖的点距地砖的点的平均地点的间距超过预先确定的值，则可以摒弃该分配给地砖的点。平均地点总是位于地砖上，并且说明被地砖所包括的点的地点的统计学平均值。
13.在这方面所描述的本发明的特别优选的实施形式中，针对预先确定的数目的点确定正态分布变换ndt。ndt说明这些点的平均地点和这些点的方差。有利地，可以容易地有关ndt应用第一测试和第二测试，该第一测试可能导致摒弃所有被研究的点，该第二测试可能导致摒弃多个单个点。在此，可以以可控的开销针对多个点确定ndt。特别优选的是，分别针对地砖的点确定ndt，如在这方面所描述的那样。
14.通常分别在两个维度确定这些点，其中这些维度通常位于有关家用电器的水平平面中。接着，多个点的方差包括两个特征向量。一般来说，方差包括与所包括的点具有的维度一样多的特征向量。对于方差的每个特征向量，都可以确定特征值。如果在这些特征值中的较大特征值与较小特征值之间的比以大于预先确定的方式偏离1，则可以摒弃所观测的点。
15.如果该比显著不同于1，则所观测的点实质上更强烈地按照直线方式来组织。典型地，在地砖中的直线的情况下的所提到的比为数百、数千或者还更大。如果特征值的大小非常相似，则该比可能接近1。如果例如根本没有障碍物处于所观测的区域中，则该比可能下降到10以下、2以下或者甚至1.1以下。
16.在另一实施形式中，如果特征值中的一个超过或者未达到预先确定的值，则可以摒弃地砖的点。例如，可以确定，特征值中的较小特征值是未达到预先确定的最小值，还是超过预先确定的最大值。以相对应的方式，也可以检查，特征值中的较大特征值是未达到预先确定的最小值，还是超过预先确定的最大值。由此，可以有利地评估指示强烈受到噪声干扰的测量的其他标志。除了上面描述的对特征值的比的观测之外，尤其是可以进行该测试。
17.基于该点距平均点的马哈拉诺比斯（mahalanobis）间距，可以确定该间距。该间距定义在多维向量空间中的点之间，并且直观地以标准偏差来说明点的间距。马哈拉诺比斯间距可以简单地被确定，并且在所观测的向量空间中是有说服力的。
18.按照本发明的第三方面，用于针对移动式家用电器确定环境地图的第一设备包括：用于将测量信号发送到家用电器的环境中的发射装置；用于接收测量信号的反射的接收装置；以及处理装置。在此，处理装置设立为，确定环境中的给其分配有测量信号的反射的点；确定环境中的点的空间分布；如果所述分布以小于预先确定的方式对应于直线，则摒
弃这些点；并基于剩余的点来确定环境地图。
19.按照本发明的第四方面，用于针对移动式家用电器确定环境地图的第二设备包括：用于将测量信号发送到家用电器的环境中的发射装置；用于接收测量信号的反射的接收装置；以及处理装置。在此，处理装置设立为，确定环境中的给其分配有测量信号的反射的点；确定环境中的点的空间分布；摒弃距点的平均地点的间距超过预先确定的值的点；并基于剩余的点来确定环境地图。
20.这两个设备也可以以相互集成的方式来建立，使得处理装置设立为，如果所述分布以小于预先确定的方式对应于直线，则摒弃所观测的点；以及摒弃距点的平均地点的间距超过预先确定的值的多个单个点。
21.所述设备之一的处理装置可以设立为，完全或者部分实施在这方面所描述的方法之一。优选地，第一设备的处理装置设立为，实施第一方法；第二设备的处理装置可以设立为，实施第二方法。为此，所述处理装置之一可以包括可编程的微型计算机或者微控制器，并且该方法可以以具有程序代码构件的计算机程序产品的形式存在。计算机程序产品也可以保存在计算机可读的数据载体上。该方法的特征或者优点可被转用到所述设备上，反之亦然。
22.在优选的实施形式中，在所述设备之一上，发射装置和接收装置被激光雷达传感器包括。激光雷达传感器尤其是可以在水平方向上进行测量，并可能具有直至的检测角度。在第一变型方案中，该激光雷达传感器按照飞行时间（tof，time-of-flight）原理工作，其方式为：根据在光的发送与在障碍物上被反射的光的到达之间的时间来确定距在障碍物上的点的间距，并将所述间距与光的传播速度相乘。替选于此地，传感器可以使用经过调制的发射信号与接收信号的相关性，以便确定距反射点的间距。在此，可以使用多个调制频率，以便增大明确的测量范围。在第二变型方案中，传感器按照三角测量原理工作，其中所述传感器设立为，有关出自两个彼此间隔开的地点的点的方向角来确定在障碍物上的点的方向。这两种变型方案都可以是成本有利的，并且可以提供对典型的家用电器的环境的足够准确的扫描。
23.按照本发明的另一方面，家用电器包括具有在这方面所描述的设备之一的地面清洁机器人。地面清洁机器人可以设立为，例如借助气动抽吸装置或者用于进行湿式清洁的装置，清洁家庭的地面表面。在另一实施形式中，家用电器实际上可以包括任何类型的移动地面机器人，例如也可以包括割草机机器人或者监控机器人（wachroboter）。
附图说明
24.现在，参照附上的图，更详尽地描述本发明，在这些图中：图1示出了家庭中的移动式家用电器；图2示出了一种方法的流程图；图3示出了示例性方差；以及图4示出了对家庭的示例性扫描。
具体实施方式
25.图1示出了在环境105中的移动式家用电器100。尤其是，家用电器100可以包括地
面处理机、例如吸尘机器人。家用电器100设立为，在如下家庭中被采用：在该家庭中，家用电器100可以在地面表面上自动移动。环境105可以包括家庭的区段或者整个家庭。环境105可以被分为多个单个区段，这些区段在图1中通过虚线勾画为彼此邻接的方形地砖110。如所示的那样，地砖110优选地棋盘状地铺放；可是，地面表面的其他划分也是可能的。相邻地砖110的相互重叠为了更好理解而并未示出，但是在实践中可以被使用，并且分别可能为地砖110的面积的大约50%。
26.家用电器100通常包括一个或者多个未示出的组件、如能源供应装置、驱动电机、无线通信装置、用于处理地面表面的装置或者碰撞传感器。此外，家用电器100包括设备112，该设备112包括处理装置120，该处理装置120与发射装置125和接收装置130相连。发射装置125和接收装置130可以被共同的传感器135包括，该传感器135尤其是可以构造为激光雷达传感器。发射装置125设立为，将测量信号、尤其是光发送到环境105中，而接收装置130设立为，接收在障碍物115处被反射的信号。可选地，设备112进一步包括存储器140，用于存放环境105的环境地图。基于环境地图，家用电器100可以在它的环境105中导航，并且必要时可以自主地运动。
27.处理装置120设立为，基于如下点145来确定环境地图：借助传感器135，在环境105中已检测到所述点145。点145处于环境105中的通常在障碍物115的边界处的地点处。在点145处，发射装置125的测量信号被反射，使得该测量信号落入到接收装置130中。基于所发送的和接收到的信号，例如借助三角测量或者基于在发送测量信号与接收测量信号之间的时间和发射方向，可以确定点145有关家用电器100的距离和方向。这样，可以确定点145有关家用电器100的地点。如果家用电器100在环境105中的位置是已知的，则这样可以确定环境105中的点145的地点。
28.测量噪声或者干扰可能引起，借助传感器135，确定实际上不在障碍物115处的点145。例如，可能在并不在家用电器100的运动区域中的对象处进行反射，或者由接收装置130检测到的信号不是以由发射装置125发送的测量信号的简单反射为基础，而是例如以阳光或者测量信号的多次反射为基础。这种确定的点145也被称为幻象点。
29.优选地，处理装置120设立为，执行slam方法，以便一方面确定家用电器在环境105中的位置，而另一方面确定环境地图。建议，继而研究确定的点145，是否涉及幻象点。可以摒弃幻象点，并且环境地图和/或位置的确定可以以经过改进的方式基于不是幻象点的点145。
30.图2示出了用于检验确定的点145的方法200的流程图。尤其是在家用电器100的机器上（an bord），优选地借助处理装置120，可以实施方法200。实施所示出的步骤的顺序可以被改变。通过省去步骤、尤其是步骤230或者235中的正好一个，可能形成不同的方法200。
31.在步骤205中，借助发射装置125，可以发送测量信号。如果传感器135例如是激光雷达传感器，则这样测量信号可以包括光；在雷达传感器135的情况下，测量信号可以包括雷达波；而在超声波传感器的情况下，测量信号可以包括声波。其他类型的传感器135可以使用其他测量信号。在步骤210中，借助接收装置，可以接收到如下信号：该信号尤其是可以包括先前所发送的测量信号的反射。
32.在步骤215中，可以确定在家用电器100的环境105中的如下地点：在该地点处，已进行接收到的信号的假定反射。在确定的地点处，可以确定点145。但是，首先并不清楚该点
145实际上是障碍物115的部分，还是没有分配有障碍物115的幻象点。在步骤220中，点145可以根据它的地点而被分配给地砖110。将点145分配至地砖110具有如下优点：不是总是必须处理所有可由家用电器100的位置检测到的点145，而是分别只须处理有预先确定的空间关联的这种点。
33.可以多次遍历步骤205直至220，以便对环境105执行多次扫描，这可导致如下多个点145：所述点145可能位于不同的地砖110中。在扫描期间，家用电器100可以是静止的；或者家用电器100可以在环境105的地面表面上运动。
34.在步骤225中，可以针对地砖110的点确定正态分布变换ndt（normal distribution transform）。图宾根大学的peter biber和wolfgang stra
ß
er在“the normal distributions transform: a new approach to laser scan matching”中已建议ndt，并且ndt包括点145的正态分布，该正态分布反映了点145的确定的局部概率。
35.针对包含至少三个点145的地砖110，可以如下地确定ndt：1.）收集地砖110中的所有点 ；2.）确定平均地点3.）确定协方差矩阵。
36.那么，确定在所观测的地砖110的二维点x处的点145的概率可以通过正态分布n(q,σ)来建模：。
37.由此，可以以概率密度的形式来说明二维（水平）平面的逐段连续的且可区分的描述。在所提到的出版物中找到用于进行确定的其他细节。
38.在步骤230中，可以确定地砖110是否主要包含噪声点145。尤其是当点145没有在地砖110中形成直线时，这可能情况如此。确定的ndt包含地砖110所包括的点145的平均地点q和方差。在二维中，方差包括两个特征向量，针对所述特征向量分别可以确定特征值。在这种情况下，特征值描述了该特征向量中包含有多大的方差。由较大特征值除以较小特征值构成的商描述了，方差是相当均匀地分布还是不均匀地分布。如果方差均匀地分布，则这样所述商接近1，而且地砖110不包含点145沿其堆积的直线。另一方面，如果商例如为10或者更大（典型地比1大多个数量级），则这样显著可能有地砖110的多个点145处在一条直线上。因此，在步骤230中，可以确定商是否比预先确定的尺度（ma
§
）更接近于1。如果情况如此，则这样可以摒弃所观测的地砖110的点145。否则，可以留下地砖110的点145。
39.在步骤235中，可以针对地砖110的多个单个点145分别确定，这些点是否比在平均地点q处的其他预先确定的尺度更靠近。优选地针对地砖110的所有点145执行这种检验。在此，在点145与平均地点q之间的间距可以被确定为马哈拉诺比斯间距。如果确定的间距超过其他预先确定的尺度，则可以摒弃点145；否则可以保留该点145。
40.在步骤240中，基于未被摒弃的点145，可以确定家用电器100和/或障碍物115的位置。障碍物115可以被录入到环境地图中，其中已经存在的关于障碍物115的信息可以予以考虑。
41.图3示出了地砖110中的点145的示例性方差305。
42.图3a示出了对应于如下点145的方差305：所述点145按趋势均匀地分布在地砖110中。第一特征向量310和第二特征向量315（这两个特征向量彼此垂直）具有相似的特征值，在特征向量315的相似长度上可见。这些特征值的商接近1。
43.图3b示出了对应于如下点145的方差305：这些点145按趋势处在一条直线上。第一特征向量310和第二特征向量315具有不同的特征值，在特征向量315的不同长度处可见，并且特征值的商大大不同于一。
44.图4示出了对包括示例性家庭的环境105的示例性扫描。昏暗的背景代表俯视图中的所观测的地面表面；未示出分成地砖110。每个确定的点145通过明亮的斑点来表示。
45.图4a示出了环境105中的在摒弃之前的点145；图4b示出了环境105中的在摒弃已被确定为幻象点的点145之后的点145。摒弃尤其是可以在图2的方法200的步骤230和235之后进行。
46.尽管图4b的扫描明显只包含比图4a的扫描少的点145，但是仍旧清楚地在沿着其堆积的点145处可识别出障碍物115的边缘。
47.如下多个单个点145在图4b的第二次扫描中明显减少：所述点145在图4a的扫描中在障碍物115的边缘近旁是可见的，可是不是边缘的部分。这种效应尤其是可能由步骤235招致。
48.此外，在图4b的扫描中，在障碍物115之间的空白区域具有显著更少的单个点145。这种效应尤其是可能由步骤230招致。
49.附图标记100
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家用电器105
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环境110
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地砖112
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设备115
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障碍物120
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处理装置125
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发射装置130
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接收装置135
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传感器140
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存储器145
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点200
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方法205
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发送测量信号210
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接收反射215
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分配点220
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给地砖分配点225
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针对地砖确定ndt230
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摒弃具有噪声点的地砖235
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摒弃远离平均点的点240
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确定环境地图
305
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方差310
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第一特征向量315
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第二特征向量