УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ПРЕПЯТСТВИЙ ПРИ ПОМОЩИ ПЕРЕСЕКАЮЩИХСЯ ПЛОСКОСТЕЙ И СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТАКОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2018 года по МПК G01S17/46 

Изобретение относится к устройству обнаружения препятствий, установленному на подвижном аппарате, и находит свое применение, в частности, в области навигации. Изобретение относится также к способу обнаружения препятствий с применением такого устройства.

Во время перемещения подвижного аппарата, такого как робот, желательно избегать любого столкновения между подвижным аппаратом и препятствием, находящимся в окружающей среде, в которой перемещается подвижный аппарат, например, чтобы не повредить подвижный аппарат и/или препятствие.

В случае любого подвижного аппарата и, следовательно, робота, выполненного с возможностью передвижения, очень важно принимать во внимание безопасность подвижного аппарата и элементов в окружающей его среде. В частности, безопасность аппарата и элементов в его окружающей среде предусматривает обнаружение препятствий в окружающей среде и предупреждение столкновения с этими препятствиями. Существуют разные методы, позволяющие избегать столкновений. Большинство этих способов требует больших расходов по разработке и значительной вычислительной мощности, например, чтобы определять положение робота в некоторой системе координат. Другие существующие способы являются очень дорогими и, следовательно, не подходят для применения в роботе.

Изобретение призвано решить все или часть вышеупомянутых проблем и предложить устройство обнаружения препятствий, находящихся в окружающей среде подвижного аппарата, а также способ, в котором применяют такое устройства.

В связи с этим объектом изобретения является устройство обнаружения препятствий, предназначенное для оснащения подвижного аппарата параллельно опорной плоскости, отличающееся тем, что содержит:

- по меньшей мере два излучателя электромагнитного пучка, выполненные с возможностью формирования двух виртуальных плоскостей в двух разных направлениях, которые могут пересекаться между собой и с возможным препятствием,

- по меньшей мере один датчик изображения, выполненный с возможностью создания изображения пересечения виртуальных плоскостей и возможного препятствия,

- средство анализа изображения, выполненное с возможностью определения присутствия препятствия и с возможностью сравнения изображения с опорным изображением.

Согласно варианту выполнения, аппарат имеет приоритетное направление перемещения в первом направлении вдоль оси Х, и устройство дополнительно содержит так называемый первый косой излучатель первого косого пучка, проходящего в первой виртуальной косой плоскости в первом направлении вдоль оси Х, пересекающейся с опорной плоскостью, и так называемый второй косой излучатель второго косого пучка, проходящего во второй виртуальной косой плоскости в первом направлении вдоль оси Х, пересекающейся с опорной плоскостью. Устройство содержит также первый датчик изображения, выполненный с возможностью получения изображения вокруг пересечения первой и второй виртуальных косых плоскостей с опорной плоскостью.

Согласно варианту выполнения, устройство содержит так называемый первый горизонтальный излучатель первого горизонтального пучка, проходящего в первой виртуальной плоскости, по существу параллельной опорной плоскости, и первый датчик изображения выполнен с возможностью создания изображения пересечения первой виртуальной плоскости и препятствия.

Согласно другому варианту выполнения, первая виртуальная плоскость образует угловой сектор вокруг оси Х, и устройство дополнительно содержит так называемый второй горизонтальный излучатель второго горизонтального пучка, проходящего во второй виртуальной плоскости в первом направлении, образующей угловой сектор вокруг оси Y, перпендикулярной к оси Х и по существу параллельной опорной плоскости. Устройство содержит второй датчик изображения, выполненный с возможностью создания изображения пересечения второй виртуальной плоскости и препятствия. Устройство содержит так называемый третий горизонтальный излучатель третьего горизонтального пучка, проходящего в третьей виртуальной плоскости во втором направлении, противоположном первому направлению, образующей угловой сектор вокруг оси Y, по существу параллельной опорной плоскости, и третий датчик изображения, выполненный с возможностью получения изображения пересечения третьей виртуальной плоскости и препятствия.

Предпочтительно угловой сектор, образованный первым горизонтальным пучком, отстоит от угловых секторов, образованных вторым и третьим горизонтальным пучками, на заранее определенный угол.

Предпочтительно угловой сектор равен 120°.

Согласно другому варианту выполнения, устройство дополнительно содержит средство позиционирования для позиционирования виртуальной плоскости, называемой горизонтальной плоскостью, и предназначенное для позиционирования упомянутой виртуальной плоскости, называемой горизонтальной виртуальной плоскостью, таким образом, чтобы она не пересекалась с опорной плоскостью.

Средство позиционирования может представлять собой схему обратной связи, выполненную с возможностью определения углового положения так называемой горизонтальной виртуальной плоскости относительно опорной плоскости и передачи нового углового положения в горизонтальный излучатель, формирующий так называемую горизонтальную виртуальную плоскость.

Средство позиционирования может также представлять собой положительный угол между горизонтальной виртуальной плоскостью и опорной плоскостью.

Согласно другому варианту выполнения, устройство дополнительно содержит так называемый наклонный излучатель наклонного пучка, проходящего в виртуальной плоскости, которая выполнена с возможностью пересекаться с опорной плоскостью вдоль прямой линией, перпендикулярной к оси Х, и первый датчик изображения, выполненный с возможностью создания изображения прямой линии.

Предпочтительно пучок или пучки являются лазерными пучками.

Предпочтительно устройство содержит средство управления, выполненное с возможностью выборочной деактивации излучателей и датчиков согласно направлению перемещения аппарата.

Предпочтительно устройство дополнительно содержит схему обработки, выполненную с возможностью упорядочивания излучений пучков излучателями и синхронизации излучений пучков со съемками изображений датчиками.

Другим объектом изобретения является аппарат, в котором применяют такое устройство.

Другим объектом изобретения является способ обнаружения препятствий с применением такого устройства, отличающийся тем, что содержит следующие этапы:

- излучение пучка, формирующего виртуальную плоскость, которая может пересекаться с препятствием,

- съемка и создание изображения пересечения виртуальной плоскости и препятствия,

- анализ изображения и определение препятствия.

Способ, согласно изобретению, может также содержать следующие этапы:

- запоминание первого изображения пересечения виртуальной плоскости, образованной наклонным пучком, с опорной плоскостью,

- запоминание второго изображения пересечения виртуальной плоскости, образованной наклонным пучком, с опорной плоскостью,

- сравнение первого и второго изображений, чтобы определить место нахождения препятствия.

Подвижный аппарат является, например, роботом. Этот робот может иметь колеса для обеспечения своего перемещения по опорной плоскости. Изобретение можно также применять для робота-гуманоида, перемещающегося при помощи ног.

В альтернативном варианте подвижный аппарат может быть аппаратом любого типа, перемещающимся параллельно опорной плоскости либо в контакте с опорной плоскостью, либо на воздушных подушках.

Другим объектом изобретения является человекоподобный робот, содержащий устройство обнаружения, согласно изобретению.

Под человекоподобным роботом следует понимать робот, имеющий сходство с человеческим телом. Речь может идти о верхней части корпуса, или только о шарнирной руке, заканчивающейся захватом, похожим на человеческую кисть. В настоящем изобретении верх корпуса подобен верхней части человеческого туловища. Устройство обнаружения, согласно изобретению, позволяет определять препятствия в окружающей среде робота.

Изобретение и его другие преимущества будут более очевидны из нижеследующего подробного описания варианта выполнения, представленного в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 - виртуальные плоскости, образованные двумя пучками.

Фиг. 2а - вид сверху устройства, согласно изобретению, с показом виртуальных плоскостей пучков, параллельных опорной плоскости.

Фиг. 2b - вид в разрезе устройства, согласно изобретению, с показом виртуальной плоскости пучка, по существу параллельной опорной плоскости.

Фиг. 2с - схема обратной связи, позволяющая регулировать угловое положение виртуальной плоскости относительно опорной плоскости.

Фиг. 3 - виртуальная плоскость, образованная одним пучком, и виртуальные плоскости, образованные двумя пучками.

Фиг. 4а, 4b, 4с - пересечение виртуальной плоскости с препятствием в соответствии с изобретением.

Фиг. 5 - виртуальные плоскости, образованные пучками, а также поле, охватываемое съемочным устройством.

Фиг. 6 - излучатель пучка, способного образовать виртуальную плоскость.

Фиг. 7 – человекоподобный робот, в котором применяют заявленное устройство обнаружения препятствий.

Фиг. 8 - пример основания, содержащего колеса, для человекоподобного робота, в котором применяют устройство обнаружения препятствий, согласно изобретению.

Фиг. 9 - схема процессора, обеспечивающего функции обработки и синхронизации излучений пучков и съемок изображений.

Фиг. 10 - схема этапов способа обнаружения препятствий, согласно изобретению.

Фиг. 11а и 11b - две конфигурации обнаружения препятствий.

Фиг. 12 - вид сбоку заявленного устройства с показом горизонтальных, косой и наклонной виртуальных плоскостей.

Фиг. 13а, 13b, 14a и 14b - изображение, полученное при пересечении виртуальной плоскости с опорной плоскостью в присутствии и в отсутствие препятствия.

Для большей ясности одни и те же элементы на разных фигурах имеют одинаковые обозначения.

В описании, изобретение описано на примере применения для робота, в частности, для робота, перемещающегося при помощи колес. Однако изобретение можно применять для любого подвижного аппарата. Подвижный аппарат 11 имеет приоритетное направление перемещения в первом направлении вдоль оси Х.

На фиг. 1 показано устройство 10, согласно изобретению. Устройство 10 обнаружения препятствий, предназначенное для оснащения подвижного аппарата 11 параллельно опорной плоскости 12, содержит по меньшей мере два излучателя 34, 35 электромагнитного пучка, выполненных с возможностью формирования двух виртуальных плоскостей в двух разных направлениях, которые могут пересекаться с возможным препятствием, по меньшей мере один датчик 5 изображения (на фиг. 1 не показан), выполненный с возможностью создания изображения пересечения виртуальных плоскостей и препятствия, средство 66 анализа изображения (на фиг. 1 не показано), выполненное с возможностью определения препятствия и сравнения изображения с опорным изображением. Иначе говоря, сформированные виртуальные плоскости пересекают опорную плоскость 12 и образуют, таким образом, прямую линию. В присутствии препятствия линия деформируется, и эта деформация линии свидетельствует о присутствии препятствия. Таким образом, проецируют виртуальную плоскость, наблюдают полученное изображение и обнаруживают препятствие по деформации линии пересечения между виртуальной плоскостью и препятствием.

На фиг. 1 показаны виртуальные плоскости 28, 29, сформированные при помощи так называемых косых излучателей 34, 35. Устройство 10 содержит первый косой излучатель 34 первого косого пучка 30, проходящего в первой косой виртуальной плоскости 28 в первом направлении вдоль оси Х, пересекающейся с опорной плоскостью 12. Устройство 10 содержит второй косой излучатель 35 второго косого пучка 31, проходящего во второй косой виртуальной плоскости 29 в первом направлении вдоль оси Х, пересекающейся с опорной плоскостью 12. Первый датчик 5 изображения выполнен с возможностью получения изображения вокруг пересечения косых виртуальных плоскостей 28, 29 с опорной плоскостью 12.

На фиг. 2а, где представлен вид сверху заявленного устройства, показаны виртуальные плоскости пучков, параллельных опорной плоскости 12.

Устройство 10 содержит первый так называемый горизонтальный излучатель 14 первого горизонтального пучка 15, проходящего в первой виртуальной плоскости 22, по существу параллельной относительно опорной плоскости 12, и первый датчик 5 изображения, выполненный с возможностью получения изображения пересечения первой виртуальной плоскости 22 и препятствия.

Поскольку подвижный аппарат 11 имеет приоритетное направление движения в первом направлении вдоль оси Х, первая виртуальная плоскость 22 образует угловой сектор вокруг оси Х, и устройство 10 дополнительно содержит второй так называемый горизонтальный излучатель 16 второго горизонтального пучка 17, проходящего во второй виртуальной плоскости 23 в первом направлении, формирующей угловой сектор вокруг оси Y, перпендикулярной к оси Х, и по существу параллельной опорной плоскости 12. Устройство 10 содержит второй датчик 6 изображения, выполненный с возможностью создания изображения пересечения второй виртуальной плоскости 23 и препятствия. Устройство 10 содержит третий так называемый горизонтальный излучатель 19 третьего горизонтального пучка 20, проходящего в третьей виртуальной плоскости 24 во втором направлении, противоположном первому направлению, формирующей угловой сектор вокруг оси Y и по существу параллельной опорной плоскости 12. Устройство 10 содержит третий датчик 7 изображения, выполненный с возможностью создания изображения пересечения третьей виртуальной плоскости 23 и препятствия.

Предпочтительно угловой сектор 22, образованный первым горизонтальным пучком 15, отстоит от угловых секторов 23, 24, образованных вторым и третьим горизонтальными пучками 17, 20, на заранее определенный угол.

Угловой сектор может быть равен 60°, а заранее определенный угол - 30°. Можно также получить угловой сектор 90°. Предпочтительно угловой сектор равен 120°, а заранее определенный угол - 0°. Эта конфигурация обеспечивает полный охват окружающего пространства вокруг подвижного аппарата 11.

Первый, второй и третий горизонтальные излучатели 14, 16, 19 расположены на подвижном аппарате 11 на некоторой высоте 25 от опорной плоскости 12 (см. фиг. 2b). Высота 25 может составлять, например, 15 см или 10 см. Чтобы обнаруживать небольшие препятствия, высота 25 должна составлять 5 или 3 см. Виртуальные плоскости 22, 23, 24 формируемые излучателями 14, 16, 19 могут пересекаться с препятствием, находящимся на высоте, превышающей высоту 25, или с препятствием, часть которого находится на уровне виртуальных плоскостей 22, 23 или 24. Излучатели 14, 16, 19 обеспечивают обнаружение препятствий, которое можно назвать панорамным обнаружением.

Датчик 5 изображения может быть так называемым «широкоугольным» датчиком изображения, обеспечивающим самостоятельно съемку изображений трех виртуальных плоскостей 22, 23, 24.

На фиг. 2b представлен вид в разрезе устройства, согласно изобретению, где показана виртуальная плоскость 22 пучка 15, по существу параллельная опорной плоскости 12. В данном случае описана виртуальная плоскость 22, но это же относится и к виртуальным плоскостям 23 и 24.

Предпочтительно заявленное устройство обнаружения содержит средство 67 таким образом, чтобы виртуальная плоскость 22 всегда находилась над опорной плоскостью 12 в поле 36, охватываемом датчиком 5 изображения.

Средство 67, обеспечивающее, чтобы виртуальная плоскость 22 всегда находилась над опорной плоскостью 12 в поле 36, могут представлять собой схему обратной связи, которая позволяет ориентировать излучатель 14 пучка 15 таким образом, чтобы ориентировать виртуальную плоскость 22 согласно его ориентации, когда подвижный аппарат 11 находится в движении. Таким образом, если подвижный аппарат 11 передвигается по опорной плоскости, содержащей неровности, как показано на фиг.2с, виртуальная плоскость 22 будет пересекать опорную плоскость 12. Гироскоп 68 может захватывать угловое положение 73 виртуальной плоскости 22 относительно опорной плоскости 12. Средство анализа 69 в схеме обратной связи получает эту информацию, передает новое угловое положение 74 в излучатель 14, который при этом ориентируется таким образом, чтобы расположить виртуальную плоскость 22 над опорной плоскостью 12. Когда подвижный аппарат 11 опять перемещается по абсолютно плоской поверхности, средство 69 анализа передает в излучатель 14 новое угловое положение, чтобы виртуальная плоскость 22 опять расположилась по существу параллельно опорной плоскости 12.

Согласно другой конфигурации, средство позиционирования представляет собой угол 72 между горизонтальной виртуальной плоскостью 22 и опорной плоскостью 12. Таким образом, виртуальная плоскость 22 может быть слегка ориентирована вверх. Иначе говоря, она образует положительный угол 72 с опорной плоскостью 12. Таким образом, виртуальная плоскость 22 никогда не пересекается с опорной плоскостью 12, даже если подвижный аппарат 11 находится в движении. Датчик 5 изображения выполнен с возможностью создания изображения пересечения виртуальной плоскости 22 и возможного препятствия.

Таким образом, можно получить поверхность 71 обнаружения, которая соответствует пересечению виртуальной плоскости 22 и конуса, сформированного полем, охватываемым датчиком 5 изображения. Виртуальная плоскость 22 может сама пересекаться с возможным препятствием, которое приблизительно имеет высоту, превышающую или равную высоте 25, и которое может находиться в бесконечности. С учетом положительного угла 72 и поля 36 датчика 5 изображения, поверхность 71 обнаружения находится вблизи подвижного аппарата 11. Следовательно, обнаружение возможного препятствия соответствует обнаружению появления изображения на уровне поверхности 71 обнаружения.

Косые пучки 30, 31 могут пресекаться с небольшими препятствиями, выемками или препятствиями большего размера, с которыми горизонтальные пучки 15, 17, 20 не могли бы пересечься.

На фиг. 3 показана виртуальная плоскость 26, сформированная наклонным пучком 27, излучаемым так называемым наклонным излучателем 32. Устройство 10 содержит так называемый наклонный излучатель 32 наклонного пучка 27, проходящего в виртуальной плоскости 26, которая может пересекаться с опорной плоскостью 12 по прямой линии, перпендикулярной к оси Х. Первый датчик 5 изображения выполнен с возможностью создания изображения прямой линии, получаемой при пересечении виртуальной плоскости 26 и опорной плоскости 12. Виртуальная плоскость 26, формируемая излучателем 32, может пересекаться с препятствием, находящимся на высоте, соответствующей расстоянию 33 между виртуальной плоскостью 26 и опорной плоскостью 12. Речь может идти о препятствии большого размера или небольшого размера, находящемся на опорной плоскости 12. Особый интерес это представляет для препятствий, высота которых меньше высоты 25, отделяющей опорную плоскость 12 от горизонтальной виртуальной плоскости. В качестве примера препятствий можно указать выемку или дверной упор.

Другими словами виртуальная плоскость 26, сформированная наклонным пучком 27, позволят осуществлять сканирование опорной плоскости 12. Датчик 5 изображения способен создавать изображение прямой линии 70. Средство анализа изображения способно определять присутствие препятствия, средство анализа выполнено с возможностью сравнивать изображение от датчика 5 с опорным изображением. Следовательно, вопрос состоит в проецировании линии на опорную плоскость 12 в поле 36 датчика 5 изображения. Мгновенное использование виртуальной плоскости 26 предоставляет возможность, если препятствие присутствует, обнаруживать деформацию линии 70. Кроме того, возможно запоминать в памяти все, что лежит в области между виртуально плоскостью 26 и опорной плоскостью 12. Таким образом, в использовании, соединенном со временем (а именно, последовательные положения подвижного аппарата 11) и с запоминанием, известно время, в которое препятствие присутствует в окружающей среде подвижного аппарата. Другими словами, возможно запоминать в памяти в разные моменты времени первое изображение и второе изображение пере6сечения виртуальной плоскости 26, сформированной наклонным пучком 27 с опорной плоскостью 12. Первое и второе изображения затем сравниваются для обнаружения местоположения препятствия. Препятствие может располагаться в неподвижной системе координат или в системе координат связанной с подвижным аппаратом 11. Это обнаружение и местоположение препятствия могут выполняться, когда подвижный аппарат передвигается в первом направлении вдоль оси Х, но также могут выполняться в направлении, противоположном первому направлению (а именно, может выполняться по направлению движения или в направлении, обратном движению). Следовательно, возможно замедлить подвижный аппарат 11 и остановить его до столкновения с препятствием или побудить его изменить путь. В итоге, в экстренном случае прямая линия 70 исчезает, что означает, что подвижный аппарат 11 на самом краю или рядом со ступенькой, потому что датчик 5 изображения больше не может создавать изображение линии 70, которая в этом случае лежит ниже уровня опорной плоскости 12. Наоборот, как только датчик 5 изображения в состоянии создавать изображение, которое означает залом виртуальной плоскости 26, это значит, что подвижный аппарат 11 может передвигаться вперед и назад в опорной плоскости 12 без риска попадания в пустые места (обрыв, ступеньки и т.д.), или что подвижный аппарат 11 находится поблизости с препятствием.

Следует отметить, что наклонный пучок может быть использован независимо от косого и горизонтального пучков. Также как возможно использование только косых пучков. В заключение, возможно использовать несколько пучков вместе, например, наклонный пучок с горизонтальным пучком, наклонный пучок с косым пучком, косой пучок с горизонтальным пучком или любую комбинацию двух или более пучков.

Таким образом, шесть пучков 15, 17, 20, 27, 30, 31 позволяют устройству 10 получить пересечение с виртуальными плоскостями и любым препятствием, находящимся в ближайшем окружении.

На фиг. 5 показан вид сбоку виртуальных плоскостей 28, 29, сформированных косыми пучками 30, 31, а также поле 36, охватываемое датчиком 5 изображения. Виртуальные плоскости 28, 29, образованные соответственно пучками 30, 31, могут пересекаться с препятствием. При этом датчик 5 изображения может получить изображение пересечения виртуальной плоскости или виртуальных плоскостей 28, 29 с препятствием. Средство анализа изображения (на фигуре не показано) выполнено с возможностью определения препятствия и с возможностью сравнения полученного изображения с опорным изображением.

В частности, виртуальные плоскости 26, 28, 29 пересекаются с опорной плоскостью 12 (которая соответствует в большинстве случаев земле, по которой перемещается подвижный аппарат 11) и образуют, таким образом, прямую линию. В присутствии препятствия образованная таким образом линия искажается, и это искажение линии является свидетельством присутствия препятствия.

Необходимо отметить, что датчик 5 изображения, который является, например, камерой, предпочтительно синхронизирован с излучателями пучков, что позволяет активировать излучатели пучков только в течение времени экспонирования датчика 5 изображения. Следует также учитывать разницу между моментом принятия решения об экспонировании (например, при помощи процессора PROC, расположенного в подвижном аппарате 11) и моментом, когда датчик изображения может действительно снять изображение.

Предпочтительно также упорядочить все устройства, излучающие пучки, при помощи общего импульса. Эта синхронизация позволяет избежать интерференций между различными пучками, что могло привести к получению ненадлежащей информации прибором съемки изображения и анализа изображения.

Для этого, как показано на фиг. 9, устройство 10 содержит средство 8 управления, выполненное с возможностью выборочной деактивации излучателей и датчиков в зависимости от направления перемещения аппарата 11. Это позволяет снизить потребление энергии устройством 10.

Устройство 10 содержит также схему 9 обработки, выполненную с возможностью упорядочивания излучений пучков излучателями и синхронизации излучений пучков со съемками изображений датчиками. Таким образом, пучки излучаются один за другим или одновременно в зависимости от конфигурации, в которой находится подвижный аппарат 11. При каждом излучении пучка соответствующий датчик изображения производит съемку. Например, для получения панорамного обзора окружающей среды подвижного аппарата 11, все три пучка 15, 17, 20 излучаются одновременно, и все три датчика 5, 6, 7 изображения создают, каждый, изображение. Если требуется осуществить обзор приоритетного направления перемещения вдоль оси Х, излучение первого горизонтального пучка можно осуществить до излучения так называемого наклонного пучка, и соответствующий датчик 5 изображения активируют в последовательности, чтобы произвести первую съемку одновременно с излучением горизонтального пучка, затем вторую съемку одновременно с излучением наклонного пучка.

На фиг. 6 показан излучатель 34, излучающий пучок 30, который может образовать виртуальную плоскость 28. Предпочтительно излучатели пучков закреплены на подвижном аппарате 11, чтобы избежать присутствия подвижных деталей в и/или на подвижном аппарате 11. Крепление излучателей пучков обеспечивает надежность во время транспортировки подвижного аппарата 11 и позволяет избегать вибраций детали во время движения.

Предпочтительно пучок или пучки являются лазерными пучками.

Устройство 10, согласно изобретению, может также содержать средство контроля экспозиции, которое может представлять собой алгоритм улучшения контраста между светом излучаемого пучка и окружающей средой. Такое средство контроля позволяет, в частности, устройству 10 рассматривать только так называемую зону безопасности в ближнем окружении подвижного аппарата 11. Это позволяет повысить точность определения препятствия.

Поскольку компонент не может быть создан с исключительно точными геометрией и размерами, то, чтобы деталь могла при этом выполнять свои функции в механизме, определяют допуски (размерные, геометрические). Эти допуски могут влиять на точность измерений. Устройство 10 может иметь механизм калибровки угла наклона датчика 5 изображения и угла наклона излучателей 14, 16, 19 пучков 15, 17, 20. Как правило, такой механизм калибровки применяют в известной окружающей среде, и он обеспечивает высокую точность измерений и, следовательно, определения препятствия.

На фиг. 7 показан человекоподобный робот 37, в котором применяют устройство 10 обнаружения препятствий, согласно изобретению.

На фиг. 8 показан пример основания 50, содержащего колеса 51, для человекоподобного робота, в котором применяют устройство 10 обнаружения препятствий, согласно изобретению.

На фиг. 9 показана схема процессора PROC, обеспечивающего функции обработки и синхронизации излучений пучков и съемок.

На фиг. 10 показана схема этапов заявленного способа обнаружения препятствий. Способ обнаружения использует описанное выше устройство обнаружения. Он содержит следующие этапы:

- Излучение пучка, который может формировать виртуальную плоскость, пересекающуюся с препятствием (этап 100),

- Съемка и создание изображения пересечения виртуальной плоскости и препятствия (этап 110),

- Анализ изображения и определение препятствия (этап 120).

Кроме того, способ содержит следующие этапы:

- запоминание первого изображения пересечения виртуальной плоскости (26), образованной наклонным пучком (27), с опорной плоскостью (12) (этап 130),

- запоминание второго изображения пересечения виртуальной плоскости (26), образованной наклонным пучком (27), с препятствием (этап 130),

- сравнение первого и второго изображений (этап 140), чтобы определить место нахождения препятствия (этап 150).

На фиг. 11а и 11b показаны две конфигурации обнаружения препятствий. На фиг. 11а с препятствием пересекается только одна виртуальная плоскость 60. На фиг. 11b две виртуальные плоскости 65, 66 пересекаются между собой и с препятствием при применении устройства обнаружения, согласно изобретению. В обеих конфигурациях присутствуют два подобных препятствия 61, 62 (два куба в представленном примере): одно препятствие 61 является небольшим и находится близко в подвижному аппарату 11, второе препятствие 62 является большим и удалено дальше от подвижного аппарата 11. На фиг. 11а виртуальная плоскость 60 пересекается с малым кубом 61. Точно так же, виртуальная плоскость 60 пересекается с большим кубом 62. Пересечение 63 между виртуальной плоскостью 60 и малым кубом 61 и пересечение 64 между виртуальной плоскостью 60 и большим кубом 62 формируют, каждое, линию. Несмотря на разницу размера двух кубов 61, 62 и на удаление большого куба 62 по сравнению с малым кубом 61 относительно подвижного аппарата 11, датчик изображения воспринимает обе линии пересечения 63, 64 одинаково. На фиг. 11b две виртуальные плоскости 65, 66 пересекаются между собой и с малым кубом 61, ближним к подвижному аппарату 11, образуя линию пересечения 67. Две виртуальные плоскости 65, 66 тоже пересекаются между собой, но не пересекаются с большим кубом 62, слишком удаленным, чтобы пересечение 68 между двумя виртуальными плоскостями 65, 66 совпало с пересечением с большим кубом 62. Таким образом, обнаружение препятствия при помощи двух виртуальных плоскостей, проходящих в разных направлениях и пересекающихся между собой, позволяет точнее обнаруживать препятствие.

После определения препятствия (этап 120) подвижный аппарат 11 может произвести новое действие. Например, можно указать действие навигации с изменением траектории или остановку. Заявленное устройство 10 может также содержать библиотеку опорных изображений. Эти опорные изображения соответствуют заранее определенным изображениям, позволяющим, кроме обнаружения препятствий, распознавать препятствия путем сравнения изображения, созданного датчиком 5 изображения, с опорными изображениями. Осуществляемый таким образом анализ изображения позволяет подвижному аппарату 11 распознать свою базу зарядки и направиться к ней, чтобы подзарядить свою батарею.

На фиг. 12 представлен вид сбоку устройства 10, согласно изобретению, с показом горизонтальных (показана только плоскость 22), косых 28, 29 и наклонной 26 виртуальных плоскостей.

На фиг. 13а, 13b, 14a и 14b показано изображение, полученное при пересечении виртуальной плоскости с опорной плоскостью, в присутствии и в отсутствие препятствия. Как было указано выше, сформированные виртуальные плоскости пересекаются с опорной плоскостью и формируют, таким образом, прямую линию. В присутствии препятствия линия деформируется, и эта деформация линии свидетельствует о присутствии препятствия. Таким образом, проецируют виртуальную плоскость, анализируют изображение, и обнаружение препятствия происходит при деформации линии пересечения между виртуальной плоскостью и препятствием.

На фиг. 13а показано изображение, полученное при пересечении косых виртуальных плоскостей 28, 29 с опорной плоскостью 12. Препятствие отсутствует. Полученное изображение отображает две прямые линии 80 и 81. На фиг. 13b показано изображение, полученное при пересечении косой виртуальной плоскости 29 с опорной плоскостью 12 в присутствии препятствия, такого как стена. Полученное изображение отображает ломаную линию 82, то есть линию, непрерывность которой прерывается на уровне проекции виртуальной плоскости 20 на стену. Ломаная линия 82 содержит две части: часть 83, которая соответствует пересечению виртуальной плоскости 29 с опорной плоскостью 12, и часть 84, которая соответствует пересечению виртуальной плоскости 29 со стеной, которая образует препятствие. Таким образом, деформация линии 82 свидетельствует о присутствии стены. Средство 66 анализа изображения может определить препятствие, образованное стеной, путем сравнения изображения, содержащего линию 82, с опорным изображением, содержащим линию 81. Точка 90, находящаяся на пересечении частей 83 и 84 ломаной линии 82, дает расстояние между излучателем и препятствием.

На фиг. 14а показано изображение, полученное при пересечении виртуальной плоскости 26 с опорной плоскостью 12, что соответствует конфигурации, показанной на фиг. 4а. Как было указано выше, виртуальная плоскость 26 конфигурирована таким образом, чтобы пересекаться с опорной плоскостью 12 по прямой линии 70, перпендикулярной к оси Х, как показано на фиг. 4а. Датчик 5 изображения может получить изображение прямой линии 70. Поскольку препятствие отсутствует, линия 70 является прямой линией.

На фиг. 14b показано изображение, полученное при пересечении виртуальной плоскости 26 с опорной плоскостью 12, что соответствует конфигурации, показанной на фиг. 4b. В данном случае присутствует препятствие небольшой высоты, такое как дверной упор. Датчик 5 изображения получает изображение прерывистой линии 88, содержащей 3 части: две части 85 и 86, которые соответствуют пересечению между виртуальной плоскостью 26 и опорной плоскостью 12, и часть 87, которая соответствует пересечению виртуальной плоскости 26 с препятствием. Средство анализа изображения может определить присутствие препятствия, поскольку средство анализа выполнено с возможностью сравнения изображения прерывистой линии 88 с опорным изображением прямой 70. Кроме того, расстояние 90 между частью 87 и частью 85 (соответственно между частью 87 и частью 86) дает указание расстояния до препятствия, которое можно получить путем простых вычислений.

Таким образом, речь идет о проекции линии на опорную плоскость 12 в поле 36 датчика 5 изображения. Датчик 5 изображения получает двухмерное изображение пересечения виртуальных плоскостей с препятствием.

Предпочтительно после съемки и определения препятствия (этап 110) место нахождения препятствия передают в виде декартовых координат в системе координат, содержащей оси Х и Y. Это позволяет уплотнить передаваемые данные.

Наконец, можно уменьшить разрешение изображений, снимаемых датчиком изображения, чтобы снизить стоимость устройства 10. Можно также управлять всеми излучателями пучков и датчиками изображения при помощи только одного процессора, что тоже позволяет снизить стоимость устройства 10.

Изобретение относится к области радионавигации. Техническим результатом является обнаружение препятствий, находящихся в окружающей среде подвижного аппарата. Заявленное устройство (10) обнаружения препятствий, предназначенное для оснащения подвижного аппарата (11), способного перемещаться параллельно опорной плоскости (12), содержит: по меньшей мере два излучателя (14, 16, 19, 32, 34, 35) электромагнитного пучка, выполненные с возможностью формирования двух виртуальных плоскостей (22, 23, 24, 26, 28, 29) в двух разных направлениях, которые могут пересекаться между собой и с возможным препятствием, по меньшей мере один датчик (5, 6, 7) изображения, выполненный с возможностью создания изображения пересечения виртуальных плоскостей (22, 23, 24, 26, 28, 29) и препятствия, средство анализа изображения, выполненное с возможностью определения присутствия препятствия и с возможностью сравнения изображения с опорным изображением. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 21 ил.

1. Устройство (10) обнаружения препятствий, предназначенное для оснащения подвижного аппарата (11), способного передвигаться параллельно опорной плоскости (12), отличающееся тем, что содержит:

- по меньшей мере два излучателя (14, 16, 19, 32, 34, 35) электромагнитного пучка, выполненные с возможностью формирования двух виртуальных плоскостей (22, 23, 24, 26, 28, 29) в двух разных направлениях, которые выполнены так, чтобы пересекаться между собой и с препятствием,

- по меньшей мере один датчик (5, 6, 7) изображения, выполненный с возможностью создания двумерного изображения пересечения виртуальных плоскостей (22, 23, 24, 26, 28, 29) и препятствия,

- средство анализа изображения, выполненное с возможностью определения присутствия препятствия и с возможностью сравнения двумерного изображения с опорным изображением.

2. Устройство (10) по п. 1, отличающееся тем, что аппарат (11) имеет приоритетное направление перемещения в первом направлении вдоль оси Х, и тем, что дополнительно содержит:

- первый косой излучатель (34) первого косого пучка (30), проходящего в первой виртуальной косой плоскости (28) в первом направлении вдоль оси Х, пересекающейся с опорной плоскостью (12),

- второй косой излучатель (35) второго косого пучка (31), проходящего во второй виртуальной косой плоскости (29) в первом направлении вдоль оси Х, пересекающейся с опорной плоскостью (12),

- первый датчик (5) изображения, выполненный с возможностью создания изображения вокруг пересечения первой и второй виртуальных косых плоскостей (28, 29) с опорной плоскостью (12).

3. Устройство (10) по п. 2, отличающееся тем, что содержит первый горизонтальный излучатель (14) первого горизонтального пучка (15), проходящего в первой виртуальной плоскости (22), параллельной опорной плоскости (12), и тем, что первый датчик (5) изображения выполнен с возможностью создания изображения пересечения первой виртуальной плоскости (22) и препятствия.

4. Устройство (10) по п. 3, отличающееся тем, что первая виртуальная плоскость (22) образует угловой сектор вокруг оси Х, и тем, что устройство (10) дополнительно содержит:

- второй горизонтальный излучатель (16) второго горизонтального пучка (17), проходящего во второй виртуальной плоскости (23) в первом направлении, образующей угловой сектор вокруг оси Y, перпендикулярной к оси Х и параллельной опорной плоскости (12),

- второй датчик (6) изображения, выполненный с возможностью создания изображения пересечения второй виртуальной плоскости (23) и препятствия,

- третий горизонтальный излучатель (19) третьего горизонтального пучка (20), проходящего в третьей виртуальной плоскости (24) во втором направлении, противоположном первому направлению, формирующей угловой сектор вокруг оси Y, параллельной опорной плоскости (12),

- третий датчик (7) изображения, выполненный с возможностью создания изображения пересечения третьей виртуальной плоскости (24) и препятствия.

5. Устройство (10) по п. 4, отличающееся тем, что угловой сектор (22), сформированный первым горизонтальным пучком (15), отстоит от угловых секторов (23, 24), образованных вторым и третьим горизонтальными пучками, на заранее определенный угол.

6. Устройство (10) по п. 5, отличающееся тем, что угловой сектор равен 120°.

7. Устройство (10) по п. 1, отличающееся тем, что дополнительно содержит средство позиционирования горизонтальной виртуальной плоскости (22), предназначенное для позиционирования упомянутой горизонтальной виртуальной плоскости (22) таким образом, чтобы она не пересекалась с опорной плоскостью (12).

8. Устройство (10) по п. 7, отличающееся тем, что средство позиционирования представляет собой схему обратной связи, выполненную с возможностью определения углового положения (73) горизонтальной виртуальной плоскости (22) относительно опорной плоскости (12) и передачи нового углового положения (74) в горизонтальный излучатель (14), формирующий горизонтальную виртуальную плоскость (22).

9. Устройство (10) позиционирования по п. 7, отличающееся тем, что средство позиционирования регулируется так, чтобы ориентировать излучатель (14) пучка (15) таким образом, чтобы ориентировать горизонтальную виртуальную плоскость (22) так, чтобы формировать положительный угол (72) между горизонтальной виртуальной плоскостью (22) и опорной плоскостью (12).

10. Устройство (10) по одному из пп. 2-9, отличающееся тем, что дополнительно содержит:

- наклонный излучатель (32) наклонного пучка (27), проходящего в виртуальной плоскости (26), которая может пересекаться с опорной плоскостью (12) вдоль прямой, перпендикулярной к оси Х,

- средство анализа изображения,

тем, что первый датчик (5) изображения выполнен с возможностью создания изображения прямой линии, и тем, что средство анализа изображения выполнено с возможностью определения присутствия препятствия посредством обнаружения деформации прямой линии.

11. Устройство (10) по одному из пп. 2-9, отличающееся тем, что содержит средство (8) управления, выполненное с возможностью выборочной деактивации излучателей (14, 16, 19, 32, 34, 35) и датчиков (5) согласно направлению перемещения аппарата (11).

12. Устройство (10) по одному из пп. 2-9, отличающееся тем, что дополнительно содержит схему (9) обработки, выполненную с возможностью упорядочивания излучений пучков (15, 17, 20, 27, 30, 31) излучателями (14, 16, 19, 32, 34, 35) и синхронизации излучений пучков (15, 17, 20, 27, 30, 31) со съемками изображений датчиками (5, 6, 7).

13. Устройство (10) по одному из пп. 2-9, отличающееся тем, что пучок или пучки (15, 17, 20, 27, 30, 31) являются лазерными пучками.

14. Мобильный аппарат (11), отличающийся тем, что содержит устройство (10) обнаружения препятствия по любому из пп. 1-13.

15. Способ обнаружения препятствий с применением устройства (10) по любому из пп. 1-13, отличающийся тем, что содержит следующие этапы:

- излучение пучка (15, 17, 20, 27, 30, 31), формирующего виртуальную плоскость (22, 23, 24, 26, 28, 29), которая пересекается с препятствием,

- съемка и создание двумерного изображения пересечения виртуальной плоскости (22, 23, 24, 26, 28, 29) и препятствия,

- анализ изображения и определение присутствия препятствия.

16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что дополнительно содержит следующие этапы:

- запоминание первого изображения пересечения виртуальной плоскости (26), сформированной наклонным пучком (27), с опорной плоскостью (12),

- запоминание второго изображения пересечения виртуальной плоскости (26), сформированной наклонным пучком (27), с препятствием,

- сравнение первого и второго изображений, чтобы определить место нахождения препятствия.