移动设备和用于补偿该移动设备的位置的方法

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技术领域\n本发明涉及一种移动设备的位置识别技术，更具体地讲，涉及一种提供位置校正功能的移动设备以及校正位置的方法和介质，通过该位置校正功能，即使在移动设备处于异常运动状态(如在诸如清洁机器人的移动设备移动时可能发生的与障碍物的碰撞、打滑、经过障碍物和绑架)时，也可执行精确地位置识别。\n背景技术\n通常，为了工业目的开发机器人，并且机器人用于工厂自动化或用于代替人劳动力在不宜于人类的极端环境下执行工作。随着近来在尖端空间开发产业中的应用，机器人工程领域不断发展，并且最近，连对人友好的家庭机器人也已开发。此外，代替医疗器械，可将机器人插入人体内，以治疗不能通过传统医疗器械进行治疗的人体的小器官。这种快速发展使机器人工程领域成为继互联网所引导的信息革命和当前流行的生物工程领域之后涌现出的高科技领域。\n关于机器人工程，在集中于重工业领域并且限于工业机器人的传统机器人工程领域向面向轻工业的机器人工程的扩展中，家庭机器人扮演着重要角色。一个主要的例子就是清洁机器人。清洁机器人通常包括用于运动的驱动单元、用于清洁的清洁单元和用于在所有方向感测障碍物的监控单元。\n这里，移动清洁机器人使用监控单元以这样的方式在有限的区域中行进：如果出现障碍物，则移动机器人改变其运动方向，或者移动机器人使用预定的单元计算其位置，并识别将被清洁的目标区域，然后沿着最佳路径移动，以便能够减少清洁时间和能量消耗。\n因此，在于预定的区域中行进的移动设备(包括近来的移动机器人)中，非常需要一种识别设备的位置，即精确地识别设备的位置的技术。\n然而，在识别机器人的位置的传统技术中使用的编码器的情况下，随着行进时间增加，位置误差可能通过例如打滑现象而积累。具体地讲，通过与障碍物的碰撞，或者由于为了避免障碍物而作的运动，或者当机器人经过低的障碍物(如门槛)时，位置误差可能加重。作为识别机器人的位置的传统技术的另一例子，可使用陀螺仪。然而，当陀螺仪在机器人经过低的障碍物的情况下转动时，陀螺仪的使用也伴随着位置误差的积累。此外，在人为改变移动机器人的位置的所谓“绑架”的情况下，机器人可能不能够识别其位置。\n发明内容\n本发明的另外的方面和/或优点将在下面的描述中被部分地阐述，部分地根据描述它们将变得明显，或者可通过实施本发明而被了解。\n本发明提供一种提供校正位置的功能的移动设备以及校正位置的方法，其中，通过使用加速度计以及编码器和陀螺仪，确定移动机器人的异常状态(如移动机器人的打滑、与障碍物的碰撞、经过障碍物和绑架)，可使误差最小，并可校正误差。\n通过阅读下面的描述、附图和权利要求，对于本领域技术人员而言，本发明的上述目的以及其他目的、特点和优点将变得清楚。\n根据本发明的一方面，提供一种提供校正位置的功能的移动设备，该移动设备包括：感测单元，获得通过移动设备的运动而产生的反映一个或多个异常运动状态的多种状态信息；状态确定单元，通过参照获得的多种状态信息来确定是否通过独立导航而产生异常运动状态；位置信息计算单元，如果发生异常运动状态，则通过校正所述多种状态信息来计算移动设备的最终位置信息。\n根据本发明的另一方面，提供一种校正位置的方法，该方法包括：获得通过移动设备的运动而产生的反映一个或多个异常运动状态的多种状态信息；通过参照获得的多种状态信息来确定是否通过独立导航而产生异常运动状态；当发生异常运动状态时，校正所述多种状态信息，从而计算移动设备的最终位置信息；通过参照计算的最终位置信息产生动作控制信号；通过参照产生的动作控制信号执行移动设备的运动动作。\n根据本发明的另一方面，提供一种移动设备，包括：感测单元，获得通过移动设备的运动而产生的多种状态信息；状态确定器，基于所述多种状态信息确定是否产生异常运动状态；位置信息计算器，当发生异常运动状态时，校正所述多种状态信息，并计算移动设备的最终位置信息。\n根据本发明的另一方面，提供一种校正移动设备的位置的方法，该方法包括：获得通过移动设备的运动而产生的多种状态信息；基于获得的多种状态信息确定是否产生异常运动状态；当发生异常运动状态时，校正所述多种状态信息，并计算移动设备的最终位置信息；通过参照计算的最终位置信息产生动作控制信号；通过参照产生的动作控制信号执行移动设备的运动动作。\n根据本发明的另一方面，提供一种校正移动设备的位置的方法，该方法包括：获得通过移动设备的运动而产生的多种状态信息；基于获得的多种状态信息确定是否产生异常运动状态；当发生异常运动状态时，校正所述多种状态信息，并计算移动设备的最终位置信息。\n根据本发明的另一方面，提供至少一种存储用于实现本发明的方法的计算机可读指令的计算机可读介质。\n附图说明\n通过下面结合附图对示例性实施例的描述，本发明的上述和/或其他方面、特点和优点将变得清楚并更容易理解，其中：\n图1示出根据本发明示例性实施例的基于移动设备的运动方向的3维(3D)空间坐标系统；\n图2是示出根据本发明示例性实施例的提供位置校正功能的移动设备的结构的框图；\n图3是示出图2中所示的移动设备的感测单元的结构的示图；\n图4是根据本发明示例性实施例的校正位置的方法的流程图。\n具体实施方式\n现在，将详细描述本发明的示例性实施例，其例子示于附图中，在附图中，相同的标号始终表示相同的部件。下面，将参照附图描述示例性实施例以解释本发明。\n将参照被认为是移动设备的一个主要例子的清洁机器人来描述本发明的示例性实施例。然而，示例性实施例可应用于任何移动设备(例如，移动机器人或移动式机器人)。\n移动机器人对其自己的位置的识别可通过编码器和陀螺仪来实现，所述编码器感测移动机器人的位置改变或速度改变，所述陀螺仪通过识别移动机器人的惯性质量的运动来感测移动机器人的转动角的改变。\n通常当用于移动移动机器人的位置或者改变移动机器人的方向的命令被给出并且移动机器人根据该命令移动时，编码器用于控制该移动机器人的运动。当使用编码器时，可通过以预定的时间间隔测量移动机器人的轮子的转动量并对测量的量进行积分来识别移动机器人的位置。然而，编码器有这样的缺点：每当执行积分运算时，误差就可能积累。具体地讲，当在移动机器人经过障碍物时发生驱动轮的打滑或者驱动轮的垂直方向的改变时，产生相对过多的误差。因此，在本发明的示例性实施例中，另外使用了感测三(3)个轴的加速度分量和重力加速度的加速度计，以便能够减小误差。\n为了解释移动机器人的用于减小这种误差的位置校正功能，将介绍3维(3D)空间坐标系统。图1示出根据本发明示例性实施例的基于移动设备的运动方向的3维(3D)空间坐标系统。\n如图1中所示，假设移动设备100(例如，移动机器人)沿x方向行进，y方向垂直于x方向并且平行于地面，z方向垂直于地面。当移动设备100经过障碍物或斜面时，移动设备100的主体可能倾斜并转动。在这种情况下，假设关于x轴的转动方向是横滚(roll)方向，关于y轴的转动方向是俯仰(pitch)方向，关于z轴的转动方向是偏航(yaw)方向。此外，假设当产生异常状态(异常运动状态)，例如移动设备100经过障碍物时的状态时，移动设备100以z轴作为转动轴与x轴的角度为θ，移动设备100以y轴作为转动轴与z轴的角度为，移动设备100以x轴作为转动轴与y轴的角度为ψ。\n图2是示出根据本发明示例性实施例的提供位置校正功能的移动设备100的结构的框图。参照图2，提供位置校正功能的移动设备100包括：感测单元110、状态确定单元(状态确定器)120、位置信息计算单元(位置信息计算器)130、动作控制单元(动作控制器)140和驱动单元(驱动器)150。\n感测单元110获得多种状态信息，所述状态信息反映(指示)当移动设备100行进以清洁或建立地图时产生的一个或多个异常运动状态。在感测单元110中可使用多种传感器，现在，将参照图3解释感测单元110的结构。图3的感测单元110包括位置感测单元(位置传感器)111、速度感测单元(速度传感器)112、转动角感测单元(转动角传感器)113、加速度感测单元(加速度传感器)114和接触感测单元(接触传感器)115。\n位置感测单元111感测并获得反映(指示)移动设备100行进的距离的运动位置信息。运动位置信息的取得可由上述编码器来执行。通过使用编码器，可获得移动设备100在x轴方向上的位置改变(ΔXe)和转动角(Δθe)。为了获得这些值，首先，应该使用移动设备100的右驱动轮的运动距离(UR)和左驱动轮的运动距离(UL)的平均值来获得移动设备100在预定时间内在每一方向上移动的运动距离(ΔU)。然后，假设两个轮之间的距离为D，则可使用等式Δθe＝(UR-UL)/D获得移动设备100的转动角(Δθe)，并且位置改变ΔXe等于ΔU。\n因此，在该方法中，可获得包括移动设备100在x轴上的位置改变(ΔXe)以及x轴与移动设备100的运动方向之间的角度改变(Δθe)的运动位置信息。这里，下标e指示编码器。\n速度感测单元112通过参照获得的运动位置信息(ΔXe，Δθe)来获得反映(指示)移动设备100的运动速度的速度信息。该速度信息可表示为ΔVXe，速度信息的取得也可由编码器来实现。这里，下标e也指示编码器。\n转动角感测单元113获得转动角信息，该转动角信息反映(指示)关于图1中所示的3D坐标空间的坐标轴的转动角的大小。转动角信息可指示关于图1中所示的3D空间中的一个轴的转动角的改变，或指示关于该3D空间中的所有轴的转动角的改变。关于所有轴的转动角的改变包括关于x轴的转动角(横滚方向)的改变(Δψg)、关于y轴的转动角(俯仰方向)的改变(Δg)和关于z轴的转动角(偏航方向)的改变(Δθg)。这样的使用角速度的转动角信息的取得可由上述陀螺仪来执行。在本发明示例性实施例中，可测量关于三个轴的转动角的所有改变，或者可仅测量关于z轴的转动角的改变(Δθg)。然而，在绑架的情况下，需要测量关于三个轴的转动角的所有改变。这里，下标g指示陀螺仪。\n加速度感测单元114获得反映(指示)3个轴的加速度分量和重力加速度的加速度信息。加速度信息包括x轴方向上的加速度分量(ax)、y轴方向上的加速度分量(ay)、z轴方向上的加速度分量(az)和重力加速度(g)。加速度信息的取得可由上述陀螺仪来执行。\n接触感测单元115获得反映(指示)移动机器人100是否与地面接触的接触信息。术语地面指的是陆地、地板、人行道或者移动设备在其上移动的任何类似表面。\n所述多种状态信息可包括运动位置信息、速度信息、转动角信息、加速度信息和接触信息的全部。\n再参照图2，状态确定单元120通过参照获得的多种状态信息来确定是否由于独立导航(self-contained navigation)而发生异常运动状态。当发生异常运动状态时，位置信息计算单元130校正所述多种状态信息，从而计算移动设备100的最终位置信息。\n现在，将更详细地解释当异常运动状态发生时，移动设备100确定并校正该状态的过程。\n在本发明的当前示例性实施例中，在移动设备100行进时发生的异常运动状态可大致分为4种。这种分类方法仅是为了方便解释本示例性实施例，本发明不限于此。这4种状态是：第一种，发生打滑或碰撞并且发生偏航方向上的转动的状态；第二种，移动设备100的所有驱动轮都经过障碍物并且发生俯仰方向上的转动的状态；第三种，仅一个驱动轮经过障碍物并且发生横滚方向上的转动的状态；第四种，移动设备100自身被人强制拾起和移动的绑架状态。\n首先，现在将解释发生打滑或碰撞并且发生偏航方向上的转动的状态。\n如果基于运动位置信息计算的转动角改变(Δθe)和基于转动角信息计算的转动角改变(Δθg)之间的差值等于或大于预定的第一阈值，即|Δθe-Δθg|≥Th1，则状态确定单元120确定发生异常运动状态。\n此外，如果基于速度信息计算的速度改变(ΔVxe)和基于加速度信息计算的平行于运动方向的加速度分量(ax)之间的差值等于或大于预定的第二阈值，即|ΔVxe-ax|≥Th2，则状态确定单元120确定发生异常运动状态。\n此外，如果基于加速度信息计算的平行于地面并垂直于运动方向的加速度分量(ay)的大小等于或大于预定的第三阈值，即|ay|≥Th3，则状态确定单元120确定发生异常运动状态。\n当上述三个条件有选择地满足时，位置信息计算单元130相对于移动设备100前进的方向校正运动位置信息，从而计算最终位置信息。这可表示为下面的等式1：\nΔθ＝Δθg\nΔx＝∫∫axdtdt或0\nΔy＝∫∫aydtdt或0......(1)\n即，为了补偿打滑或碰撞，可通过将加速度分量对时间执行两次积分运算来计算在短时间内移动的实际驱动距离。然而，由于用目前低廉的加速度计获得的精度可能不够，所以打滑时的运动距离可被设为0，以便能够使误差最小。\n其次，现在将解释移动设备100的所有驱动轮都经过障碍物并且发生俯仰方向上的转动的状态。在这种情况下，如果基于加速度信息计算的垂直于地面的加速度分量(az)的大小不同于基于加速度信息计算的重力加速度(g)的大小，并且关于y轴的转动角(俯仰方向)的改变(Δg)等于或大于预定的第四阈值，则状态确定单元120确定发生异常运动状态。即，当|az|≠|g|时，应该满足条件\n位置信息计算单元130相对于俯仰角来校正运动位置信息，从而计算最终位置信息。这可表示为下面的等式2：\n\n这里，ΔXe是由速度感测单元112的编码器获得的x轴方向上的运动位置信息，可使用3个轴的角速度信息来获得俯仰角\n第三，现在将解释仅一个驱动轮经过障碍物并且发生横滚方向上的转动的状态。\n在这种情况下，如果基于加速度信息计算的垂直于地面的加速度分量(az)的大小不同于基于加速度信息计算的重力加速度(g)的大小，并且关于x轴的转动角(横滚方向)的改变(Δψg)等于或大于预定的第五阈值，则状态确定单元120确定发生异常运动状态。即，当|az|≠|g|时，应该满足条件Δψg≥Th5。\n此时，位置信息计算单元130相对于横滚角来校正运动位置信息，从而计算最终位置信息。这可表示为下面的等式3：\nΔθ＝Δθg/cosψg......(3)\n这里，Δθg是由转动角感测单元113获得的偏航方向上的改变(Δθg)，因此，如果用所述改变(Δθg)除以横滚角(ψg)的余弦值，则可获得校正的转动角Δθ。\n同时，移动设备100在倾斜的平面上转动的情况应该区分于上述第三种情况。为了区分这些情况，当移动设备100转动时，如果z轴方向上的加速度分量az改变，则其对应于第三种情况；如果加速度分量az没有改变而为恒定，则确定其是移动设备100在倾斜的表面上转动的情况，并且不应该执行校正。\n第四，现在将解释移动设备100自身被人或机器强制拾起和移动的所谓绑架状态。在这种情况下，如果基于接触信息计算的接触状态指示没有接触，并且基于加速度信息计算的垂直于地面的加速度分量(az)和重力加速度之差等于或大于预定的第六阈值，即|az-g|≥Th6，则状态确定单元120确定发生异常状态。位置信息计算单元130相对于基于加速度信息计算的运动距离和基于转动角信息计算的转动角的改变来校正运动位置信息，从而计算最终的位置信息。\n如上所述，在当前示例性实施例中引入了预定的阈值Th1至Th6，以便于状态确定单元120可确定是否发生移动设备100的异常运动状态。然而，不需要将预定的值设置为所述阈值，能够作为确定是否发生异常运动状态的标准的值可被用作阈值Th1至Th6之一。\n同时，再参照图2，动作控制单元140通过参照根据上述4种情况中的任何一种情况计算的最终位置信息来产生移动设备100的动作控制信号。驱动单元150通过参照产生的动作控制信号来使移动设备100的运动动作能够被执行。\n图4是根据本发明的示例性实施例的校正位置的方法的流程图。\n首先，在操作S102，感测单元110获得多种状态信息，所述状态信息反映(指示)在移动设备100行进时发生的一个或多个异常运动状态。然后，在操作S104，状态确定单元120通过参照获得的多种状态信息确定是否通过独立导航而发生异常运动状态。接下来，当发生异常运动状态时，在操作S106，位置信息计算单元校正所述多种状态信息，并计算移动设备100的最终位置信息。然后，在操作S108，动作控制单元140通过参照计算的最终位置信息来产生动作控制信号。最后，在操作S110，驱动单元150通过参照产生的动作控制信号来执行移动设备100的运动动作。\n根据如上所述的本发明，通过使用加速度计以及传统技术中使用的编码器和陀螺仪，可确定移动机器人的异常运动状态，如打滑、与障碍物碰撞、经过障碍物和绑架，从而可使误差最小。结果，可通过本发明的设备和方法增强诸如清洁机器人的移动设备中所使用的定位系统的性能。\n除了上述示例性实施例之外，本发明的示例性实施例还可通过执行介质(例如，计算机可读介质)上的计算机可读代码/指令来实现。所述介质可对应于允许存储和/或传输计算机可读代码/指令的任何介质。所述介质还可包括(单独或与计算机可读代码/指令组合)数据文件、数据结构等。代码/指令的例子包括如通过编译器产生的机器代码以及包含可由计算装置等使用解释器执行的高级代码的文件。\n计算机可读代码/指令可以以各种方式记录/传送到介质上，所述介质的例子包括磁存储介质(例如，软盘、硬盘、磁带等)、光学介质(例如，CD-ROM、DVD等)、磁光介质(例如，光磁软盘)、硬件存储装置(例如，只读存储介质、随机存取存储介质、闪存等)以及传输可包括计算机可读代码/指令、数据文件、数据结构等信号的诸如载波的存储/传输介质。存储/传输介质的例子可包括有线和/或无线传输介质。例如，存储/传输介质可包括无线传输介质，该无线传输介质包括传输指定指令、数据结构、数据文件等的与连接到计算装置或网络的接入点通信的信号的载波。所述介质还可以是分布式网络，从而计算机可读代码/指令可以以分布式方式被存储/传送和执行。所述介质还可以是互联网。计算机可读代码/指令可由一个或多个处理器执行。计算机可读代码/指令还可在专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)中的至少一个中执行或嵌入其中。\n此外，可配置一个或多个软件模块或者一个或多个硬件模块，以便执行上述示例性实施例的操作。\n这里使用的术语“模块”或部件指的是(但不限于)执行特定任务的软件组件、硬件组件或软件组件和硬件组件的组合。模块可以被有利地配置在可寻址存储介质中，并被配置为在一个或多个处理器上运行。因此，作为示例，所述模块或部件可包括：诸如软件组件、专用软件组件、面向对象的软件组件、类组件和任务组件的组件、进程、函数、执行线程、属性、程序、子程序、程序代码段、驱动程序、固件、微码、电路、数据、数据库、数据结构、表、数组和变量。组件或模块中提供的功能可被组合为更少的组件或模块，或者可被进一步分为另外的组件或模块。此外，组件和模块可在装置中提供的至少一个处理器(例如，中央处理单元(CPU))上运行。此外，硬件组件的例子包括ASIC(专用集成电路)和FPGA(现场可编程门阵列)。如上所述，模块还可表示软件组件和硬件组件的组合。\n计算机可读代码/指令和计算机可读介质可以是为了本发明的目的而专门设计和构造的代码/指令和介质，或者可以是计算机硬件和/或计算机软件领域的技术人员可用的公知类型。\n尽管已显示和描述了本发明的几个示例性实施例，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可对这些示例性实施例进行改变。\n本申请要求于2006年6月16日提交到韩国知识产权局的第10-2006-0054571号韩国专利申请的权益，该申请公开于此以资参考。