專利名稱：測量距離的信標、使用其的定位系統(tǒng)和測量距離的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的總體構(gòu)思涉及一種用于檢測移動機器人(mobilerobot)的位置 的定位系統(tǒng)以及其定位方法，更具體地講，本發(fā)明的總體構(gòu)思涉及一種通過 接收包含在從信標(beacon)發(fā)射出的光束中的相位信息和距離信息來檢測 位置的定位系統(tǒng)以及其定位方法。
背景技術(shù)：
機器人的應(yīng)用領(lǐng)域正逐漸擴展到各個工業(yè)領(lǐng)域，并且各種類型的新機器 人正在涌現(xiàn)，例如，用于家務(wù)(household affairs)的家用機器人。在過去， 機器人可在受限制的空間中執(zhí)行特定功能，但是現(xiàn)在，它可以脫離固定的軌 跡自由地運動和獨立地工作。
傳統(tǒng)的機器人系統(tǒng)包括外部光發(fā)射單元，以使可自由運動的機器人可以 檢測其自身的位置。光發(fā)射單元包括多個光發(fā)射器(叩tical transmitters),所 述多個光發(fā)射器用于從固定位置發(fā)射定向光，例如，紅外線、電磁波等。因 為光的方向性，所以從光發(fā)射器發(fā)射的定向光根據(jù)各個光發(fā)射器的固定位置 達到位于預(yù)定區(qū)域的^L器人。
而且，各個光發(fā)射器發(fā)射包含有特定特征信息(identity information)的 定向光以使一個光發(fā)射器的定向光與從其它光發(fā)射器發(fā)射出的其它定向光區(qū) 別。機器人包括多個光接收器和控制器。光接收器接收從光發(fā)射器發(fā)射的定 向光并且將關(guān)于接收到的定向光的強度的信息輸出到控制器。基于從光接收 器供給的關(guān)于定向光的強度的信息，控制器確定機器人相對于光發(fā)射器的相 對位置。
然而，由于測量光的強度時，當傳統(tǒng)的機器人系統(tǒng)根據(jù)光發(fā)射器和光接 收器的規(guī)格而受到嚴重影響，所以機器人的相對位置不能基于光的強度而被 精確地檢測。而且，由于傳播到空間中的光的能量與距光發(fā)射器的距離的平 方成反比，所以基于光強度的位置測量受到光發(fā)射器和機器人之間距離的限制。
通過考慮在基于光強度來測量位置中出現(xiàn)的問題，韓國專利公開第
10-2005-0016786號7>開了 一種通過接收從信標發(fā)射出來的包含相位信息的 光來檢測機器人的位置的機器人系統(tǒng)。如圖1所示，這個機器人系統(tǒng)包括信 標1和移動機器人2。信標1包括用于使發(fā)射器10旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器30和 編碼器40,該發(fā)射器IO用于發(fā)射定位光，編碼器40用于將通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器 30旋轉(zhuǎn)的發(fā)射器10的相位信息放到定位光中。
參照圖2,旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器30包括用于使單鏡(single mirror) 33旋轉(zhuǎn)的電 機31。當單鏡33由電機31旋轉(zhuǎn)時，從發(fā)射器IO的紅外線發(fā)射器ll發(fā)射出 的紅外線被單鏡33按照預(yù)定的相位角反射。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器30將由旋轉(zhuǎn)鏡子33 反射的紅外線的相位信息傳送到編碼器40，以使紅外線發(fā)射器11發(fā)射包含 有相位信息的紅外線。通過這樣執(zhí)行，在移動機器人2中，位置測量單元50 可以基于從接收器20的紅外線接收器21接收的紅外線的相位信息來測量移 動機器人2的位置。
然而，如果安裝了單個的信標，則機器人控制系統(tǒng)在缺少至少三項接收 到的信息的情況下就不能檢測機器人的位置和方向。當相互鄰近的幾個接收 器從鄰近位置接收到三項信息時，機器人的位置和方向的精確性較差。
因此，在三個接收器都必須相互鄰近的安裝地小型機器人中，很難精確 地測量才幾器人的位置和方向。
為了解決上述的問題，單個接收器被安裝在機器人中并且機器人運動， 以使得能夠通過獲得在不同的位置的三個不同的信息項來估計所述機器人的 位置。然而，在這種情況下，必須進行另外的估計來獲得在不同位置之間的 機器人的精確的行進距離。另外，存在一種使用兩個信標來檢測機器人的位 置的方法。然而，在這種情況下，由于信標的數(shù)量增加，所以成本增加了， 并且當兩個信標之間的距離較小時機器人的位置精確度變差了。
第10-2006-0068968號韓國專利公開中乂>布了另 一種才幾器人系統(tǒng)，該機 器人系統(tǒng)用于發(fā)射超聲波和光以測量機器人的位置。如圖3所示，這個機器 人系統(tǒng)包括信標100和移動才幾器人200。信標100通過由4t轉(zhuǎn)驅(qū)動器130旋 轉(zhuǎn)的光輸出單元120發(fā)射出包含相位信息的光，并且根據(jù)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器130的 旋轉(zhuǎn)，通過超聲波發(fā)射器110發(fā)射出超聲波。光輸出單元120包括用于發(fā)射 紅外線的光產(chǎn)生器121以及編碼器122,該編碼器122用于從相位調(diào)節(jié)器140 接收由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器130供給的相位信息并且將供給的相位信息編碼到從光產(chǎn)
生器121發(fā)射的紅外線中。
參照圖4,旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器130的電機131使單鏡133旋轉(zhuǎn)，從光產(chǎn)生器121 發(fā)射出的紅外線由單鏡133按照預(yù)定角度反射。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器130將由旋轉(zhuǎn)鏡 子反射的紅外線的相位信息傳送到相位調(diào)節(jié)器140,然后相位調(diào)節(jié)器140將 其再傳送到編碼器122。
光接收器220和超聲波接收器210分別接收從信標100發(fā)射出的紅外線 和超聲波，并且將其供給位置測量單元240。光方向檢測器230利用從信標 100發(fā)射出的紅外線來檢測機器人的行進方向，并將其供給給位置測量單元 240。位置測量單元240可利用由移動機器人的光接收器222接收的相位信息， 通過超聲波接收器210接收到超聲波的時間，和由光方向檢測器230檢測到 的紅外線發(fā)射出的方向來估計機器人的位置。
然而，雖然包含有相位信息的紅外線能夠發(fā)射出較遠距離，但是超聲波 不能發(fā)射長距離，超聲波具有應(yīng)用范圍的限制。換句話說，雖然在較遠距離 的移動機器人可接收到從信標發(fā)射出的紅外線，但是因為超聲波的接收性能 差，所以當距離太遠時機器人不能接收到超聲波。因此，由于很難檢測在大 范圍內(nèi)的移動機器人的位置，所以移動機器人的使用范圍受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的總體構(gòu)思提供了 一種信標以及一種利用所述信標的定位系統(tǒng)和 其定位方法，所述信標用于通過基于由信標發(fā)射的光與由信標接收的反射光 之間的時間差來測量距離并將測量的距離信息放入到由信標發(fā)射的光中，來 檢測行進物體的位置。
本發(fā)明總體構(gòu)思提供了 一種信標以及一種利用所述信標的定位系統(tǒng)和其 定位方法，所述信標用于測量距離來確定位置，以通過使用具有長范圍并含 有相位信息和距離信息的紅外激光作為光源使行進的物體可以在寬區(qū)域中被 使用。
本發(fā)明總體構(gòu)思提供了 一種信標以及一種利用所述信標的定位系統(tǒng)和其 定位方法，所述信標基于發(fā)射光與被反射光之間的時間差來測量距離，以降 低構(gòu)造定位系統(tǒng)的成本，并容易被用于小型機器人中。
本發(fā)明總體構(gòu)思的其它方面和優(yōu)點部分將在以下描述中闡述，部分將從 描述中變得清楚，或者可以通過對本發(fā)明總體構(gòu)思的實踐而了解。
本發(fā)明總體構(gòu)思的上述和/或其它方面和用途可以通過提供一種定位系
統(tǒng)來實現(xiàn)，所述定位系統(tǒng)包括信標；運動體，與所述信標通信，其中，所 述信標基于由所述信標發(fā)射的光的發(fā)射時間與由運動體朝著信標反射的光的 檢測時間之間的時間差來測量運動體與信標之間的距離，所述信標發(fā)射光用 于檢測所迷運動體的位置，所迷運動體接收來自所述信標的發(fā)射光的相位信 息和距離信息，以檢測所述運動體相對于所述信標的相對位置。
所述信標可包括光產(chǎn)生器，用于發(fā)射具有方向性的光；檢測器，用于 檢測反射光；距離測量單元，用于基于發(fā)射光的發(fā)射光信號的時間與反射光 的反射光信號的時間之間的差和光的速度來估計距離。
所述距離測量單元可包括用于將反射光的反射光信號放大的放大器。
線作為發(fā)射光的紅外激光二極
所述運動體可以是相對于信標自由行進的移動機器人。 所述運動體可包括相對于信標運動的可運動的車。 所述運動體還可包括用于顯示可運動的車的位置的顯示器。 所述運動體可包括安裝在運動體表面上用于將從信標發(fā)射的光作為反射
光反射回去的光反射器。
所述光反射器可包括用于將入射光回射到信標作為反射光的反光鏡。 所述信標可包括編碼器，所述編碼器用于對測量的距離信息和與光的發(fā)
射方向?qū)?yīng)的相位信息進行編碼，并且將其發(fā)射到運動體；運動體可包括位
置測量單元，所述位置測量單元基于包含在光中的距離信息和相位信息來測
量運動體的相對位置。
所述編碼器可以編碼以包含與光的當前發(fā)射方向?qū)?yīng)的相位信息和由先
前被發(fā)射的反射光測量的距離信息。
所述編碼器可產(chǎn)生被編碼有相位信息、距離信息和信標的唯一特征信息
的單個包。
本發(fā)明總體構(gòu)思的上述和/或其它方面和用途可以通過提供一種具有用 于檢測將被測量的物體的位置并用于測量物體的距離的光的信標來實現(xiàn)，所 述信標包括光產(chǎn)生器，用于朝著物體發(fā)射具有方向性的光；反射光檢測器， 用于檢測從所述光產(chǎn)生器發(fā)射并且由物體反射的光；距離測量單元，用于基 于光的發(fā)射時間與反射光的檢測時間之間的差來測量信標與物體之間的距
離。
所述信標可包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器，所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器用于使光產(chǎn)生器和反射光 檢測器同步并旋轉(zhuǎn)。
所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器可包括一體地連接到光產(chǎn)生器上和反射光檢測器的電機 和旋轉(zhuǎn)軸，用于產(chǎn)生使光產(chǎn)生器和反射光檢測器旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動力。
所述信標可包括相位調(diào)節(jié)器，用于對旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器施加驅(qū)動信號，以調(diào) 節(jié)光的發(fā)射方向，并且輸出與光的發(fā)射方向相對應(yīng)的相位信息；編碼器，用 于對相位調(diào)節(jié)器的相位信息和由距離測量單元測量的距離信息進行編碼，將 編碼的信息放入由光產(chǎn)生器發(fā)射的光中。
所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器可包括至少一個單鏡，用于轉(zhuǎn)換來自光產(chǎn)生器的發(fā)射 光的傳播方向和由物體回射的光的傳播方向；電機，使所述單鏡旋轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn) 軸，用于將所述單鏡連接到電機。
所述光產(chǎn)生器和反射光檢測器可被布置在所述單鏡的側(cè)部。
當所述電機的側(cè)部單獨設(shè)置有所述至少一個單鏡時，光產(chǎn)生器在所述電 機的第一側(cè)朝著所述單鏡中的一個發(fā)射光，反射光檢測器在所述電機的第二 側(cè)接收由所述單鏡反射的反射光，光產(chǎn)生器和反射光檢測器沿著縱向布置。
本發(fā)明總體構(gòu)思的上述和/或其它方面和用途可以通過提供一種檢測運 動體位置的定位系統(tǒng)的定位方法來實現(xiàn)，在定位系統(tǒng)中，運動體在距信標一 定距離的工作區(qū)域中運動，所述信標位于固定位置，所述定位方法包括從 信標發(fā)射具有方向性的光；通過接收由運動體反射的光的信標來測量信標和 運動體之間的距離；將測量的距離信息和與光的發(fā)射方向?qū)?yīng)的相位信息編
碼到所述光中；通過接收被編碼的光的運動體，基于包含在從信標發(fā)射的被 編碼的光中的相位信息和距離信息來檢測運動體的位置。
對所述信息進行編碼可包括對信標的唯一特征信息進行編碼，對相位信 息、距離信息和唯一的特征信息以單個包的形式進行編碼。
所述距離信息可包括通過^^測先前發(fā)射的光而測量得到的信息，所述相 位信息可包括當前發(fā)射的光的相位信息。
所述運動體可包括移動機器人，所述移動機器人可檢測其自身的位置并 相對于信標自由行進。
所述運動體可包括可運動的車，所述可運動的車具有用于顯示可運動的 車的位置的顯示器。
本發(fā)明總體構(gòu)思的上述和/或其它方面和用途可以通過提供一種含有計 算機可讀符號的計算機可讀記錄介質(zhì)來實現(xiàn)，所述計算機可讀符號用于執(zhí)行
檢測物體的位置的方法，所述方法包括從信標發(fā)射具有方向性的光；通過 接收由物體反射的光的信標來測量信標和物體之間的距離；將測量的距離信 息和與光的發(fā)射方向?qū)?yīng)的相位信息編碼到所述光中；基于包含在從信標朝 著物體發(fā)射的光中的相位信息和距離信息來檢測物體的位置。
本發(fā)明總體構(gòu)思的上述和/或其它方面和用途可以通過提供一種與物體 通信以確定物體位置的信標來實現(xiàn)，所述信標包括光產(chǎn)生器，用于朝著物 體發(fā)射第一光和第二光；反射光檢測器，用于檢測來自所述物體的第一光的 反射光；距離測量單元，用于根據(jù)所述第一光發(fā)射的第一時間與被檢測的反 射光的第二時間之間的時間差來測量物體與信標之間的距離；編碼器，用于 將在包中的關(guān)于測量距離的信息編碼到將被發(fā)射到物體的第二光中。
本發(fā)明總體構(gòu)思的上述和/或其它方面和用途可以通過提供一種與信標 通信的移動機器人來實現(xiàn)，所述移動機器人包括光反射器，用于反射信標 的第一光；光接收器，用于接收信標的第二光；位置測量單元，用于根據(jù)包 含在信標的第二光中的信息來測量光接收器的位置。
本發(fā)明總體構(gòu)思的上述和/或其它方面和用途可以通過提供 一 種定位系 統(tǒng)來實現(xiàn)，所述定位系統(tǒng)包括信標，與移動機器人通信以確定移動機器人 的位置；移動機器人，與信標通信。所述信標包括光產(chǎn)生器，用于朝著移 動機器人發(fā)射第一光和第二光；反射光檢測器，用于檢測來自所述移動機器 人的第一光的反射光；距離測量單元，用于根據(jù)所述第一光發(fā)射的第一時間 與被檢測的反射光的第二時間之間的時間差來測量移動機器人與信標之間的 距離；編碼器，用于將在包中的關(guān)于測量距離的信息編碼到將被發(fā)射到移動 機器人的第二光中。所述移動機器人包括光反射器，用于反射信標的第一 光；光接收器，用于接收信標的第二光；位置測量單元，用于根據(jù)包含在信 標的第二光中的信息來測量光接收器的位置。


通過下面參照附圖對實施例進行的描述，本發(fā)明總體構(gòu)思的這些和/其它 方面和優(yōu)點將會變得清楚和更加容易理解，其中
圖1是示出用于通過發(fā)射包含相位信息的光來檢測位置的傳統(tǒng)的機器人
系統(tǒng)的方框圖2是示出在圖1的傳統(tǒng)機器人系統(tǒng)中使用旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器來發(fā)射預(yù)定角度 的光的操作的視圖3是示出用于通過發(fā)射包含紅外線的相位信息的光來檢測位置的傳統(tǒng) 機器人系統(tǒng)的方框圖4是示出在圖3的傳統(tǒng)機器人系統(tǒng)中利用旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器來發(fā)射預(yù)定角度 的光和超生波的操作的視圖5是示出根據(jù)本發(fā)明總體構(gòu)思的實施例通過發(fā)射包含相位信息和距離 信息的光來檢測位置的機器人系統(tǒng)的方框圖6是示出在圖5的機器人系統(tǒng)中利用旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器來發(fā)射光束的同時， 對反射光束進行^r測的視圖7是示出在圖5和圖6的機器人中光束從位于預(yù)定高度的光產(chǎn)生器發(fā) 射到移動機器人的視圖，其中，光接收器和光反射器被附著到移動機器人上；
圖8是示意性地示出在圖5和圖6的機器人系統(tǒng)中用于使入射光回射的 光反射器的視圖9是示出當在圖5和圖6的機器人系統(tǒng)中從光產(chǎn)生器發(fā)射的紅外激光 射線到達預(yù)定距離時出現(xiàn)的光束發(fā)散性的視圖10是示出根據(jù)本發(fā)明總體構(gòu)思的實施例利用被發(fā)射的光信號和被反 射的光信號之間的時間差將距離信息輸出到圖5的才幾器人系統(tǒng)中的編碼器的 距離測量單元的視圖，被發(fā)射的光信號從光產(chǎn)生器被接收，被反射的光信號 從反射光檢測器被接收；
圖ll是示出在圖10的距離測量單元中的比較器中被發(fā)射的光信號和被 反射的光信號之間的時間差的視圖12是示出通過圖5的機器人系統(tǒng)中的定位裝置執(zhí)行的行進方向和位置 的估計的^L圖13是示出根據(jù)本發(fā)明總體構(gòu)思的實施例檢測機器人的位置和行進方 向的方法的流程圖14是示出根據(jù)本發(fā)明總體構(gòu)思的實施例在發(fā)射光束的同時在機器人 系統(tǒng)中利用單鏡來檢測反射光束的視圖15是示出根據(jù)本發(fā)曰7 系統(tǒng)中利用兩個鏡子來檢測反射光束的視圖16是示出根據(jù)本發(fā)明總體構(gòu)思的實施例的機器人的定位系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在，將詳細描述本發(fā)明總體構(gòu)思的實施例，其示例在附圖中示出，其 中，相同的標號將始終指示相同的元件。以下將參照附圖來描述實施例以解 釋本發(fā)明的總體構(gòu)思。
如圖5和圖6所示，根據(jù)本發(fā)明總體構(gòu)思實施例的機器人系統(tǒng)包括單 個信標300，用于發(fā)射光束TL;移動機器人400，用于接收光束TL以與信標通信。
移動機器人400利用從信標300發(fā)射的光束TL來^r測相對于信標300 的相對位置，并且在工作區(qū)域自由地運動。
基于信標300檢測到的當光束TL被發(fā)射時的時間和當光束RL由移動機 器人400被反射時的時間之間的時間差，信標300發(fā)射光束TL并且測量信 標300和移動機器人400之間的距離。
信標300包括用于輸出具有方向性的光束TL的光產(chǎn)生器310。為了調(diào)節(jié) 從光產(chǎn)生器310輸出的光束TL的發(fā)射方向，相位調(diào)節(jié)器340將驅(qū)動信號應(yīng) 用到旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器330。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器330響應(yīng)相位調(diào)節(jié)器340的驅(qū)動信號使光 產(chǎn)生器310旋轉(zhuǎn)。
如圖6所示，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器330包括將電機331連接到光產(chǎn)生器310上的 旋轉(zhuǎn)軸332。旋轉(zhuǎn)軸332被連接到光產(chǎn)生器310以將電機的驅(qū)動力傳遞到光 產(chǎn)生器310。電機331使旋轉(zhuǎn)軸332旋轉(zhuǎn)，從而光產(chǎn)生器310以預(yù)定的角速 度旋轉(zhuǎn)。這里，電機331在360度內(nèi)旋轉(zhuǎn)或者在預(yù)定角度內(nèi)往復(fù)運動，以調(diào) 節(jié)從光產(chǎn)生器310發(fā)射的光束TL的發(fā)射方向。
移動機器人400包括光接收器410和光反射器420,該光接收器410用 于接收從光產(chǎn)生器310發(fā)射的光束TL,光反射器420用于將發(fā)射光束作為光 束RL反射回信標300,以使信標300測量信標300與移動機器人400之間的 距離。光反射器420可用將入射光束作為反射光束RL反射回信標300的反 光鏡(retroreflector )。
信標300包括用于纟企測由光反射器420回射的反射光束RL的反射光枱二 測器320。反射光檢測器320可包括至少一個透鏡(未顯示)，用于僅收集反
射光束RL并且將反射光檢測信號輸出到距離測量單元325,反射光檢測信號 由于檢測的反射光束RL產(chǎn)生。
旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器330包括將電機331連接到反射光檢測器320上的旋轉(zhuǎn)軸 333。旋轉(zhuǎn)軸333被連接到反射光檢測器320以將電機的驅(qū)動力傳遞到反射光 檢測器320。電機331使旋轉(zhuǎn)軸333旋轉(zhuǎn)，從而反射光檢測器320以預(yù)定的 角速度旋轉(zhuǎn)。如圖5和圖6所示，連接到光產(chǎn)生器310上的旋轉(zhuǎn)軸332和連 接到反射光檢測器320上的旋轉(zhuǎn)軸333 —起同步旋轉(zhuǎn)，從而發(fā)射光束TL的 光產(chǎn)生器310與檢測一起運動的反射光束RL的反射光檢測器320同相位。 如圖6所示，從光產(chǎn)生器310發(fā)射的光束TL由移動機器人400的光反射器 420反射，然后反射光束RL進入反射光4企測器320。
光產(chǎn)生器310是產(chǎn)生具有方向性的光束的光源，所述光束可以到達遠距 離的移動機器人，并且光產(chǎn)生器310可以包括紅外激光二極管以發(fā)射具有 850nm波長的紅外激光射線，將其作為光束TL。
相位調(diào)節(jié)器340通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器330調(diào)節(jié)紅外激光射線TL的發(fā)射方向， 以使從光產(chǎn)生器310發(fā)射出的紅外激光射線TL沿著與相位信息O相應(yīng)的方 向發(fā)射。而且，相位調(diào)節(jié)器340將關(guān)于紅外激光射線TL的發(fā)射方向的相位 信息0傳送到編碼器350。
由于從光產(chǎn)生器310發(fā)射出的紅外激光射線TL具有方向性，所以光產(chǎn) 生器310可以與地平行的安裝。如圖7所示，光產(chǎn)生器310可以位于預(yù)定的 高度H,并且發(fā)射紅外激光射線TL,所述高度H與光接收器410在移動機器 人400上安裝的位置對應(yīng)。
通常，由于移動機器人400在工作區(qū)自由行進的同時執(zhí)行給定的工作， 所以為了使行進中的移動機器人400接收從光產(chǎn)生器310發(fā)射的紅外激光射 線TL,在移動機器人400的外部可分布多個光接收器410來增加紅外激光射 線TL的接收效率。在多個光接收器410安裝的位置，可通過利用由多個光 接收器410中的至少一個接收的紅外激光射線TL來確定移動機器人400的 位置。
而且，為了增加反射光檢測器320的接收效率，在光接收器410上側(cè)和 下側(cè)的多個位置上可以布置光反射器420，光反射器420用于反射從光產(chǎn)生 器310發(fā)射的紅外激光射線TL使其成為反射光束RL，在這種情況下，即反 射紅外激光射線RL。
光反射器420的每一個可從將光束反射到發(fā)光器中的各種結(jié)構(gòu)中選擇。
例如，如圖8所示，光反射器420可以構(gòu)造成多個球形體421，所述多個球
這-
其入射表面進入的紅外激光射線RL回射(retroflect)到信標300的結(jié)構(gòu)422。
如圖9所示，例如，當從光產(chǎn)生器310發(fā)射的紅外激光射線TL到達預(yù) 定距離d^時發(fā)散，從而如果距離ddiv是100m,則紅外激光射線TL分散并 且其直徑r可以是lm。由于紅外激光射線TL在遠一點的距離可以分散得更 大，定位效率也更差，所以移動機器人的工作區(qū)域可以通過考慮紅外激光射 線TL的特性來確定。因此，雖然發(fā)射到適當確定的工作區(qū)域的紅外激光射 線TL在預(yù)定的距離ddiv處發(fā)散,但是發(fā)射的激光射線TL由鄰近光接收器410 的光反射器420回射，并且進入反射光檢測器320,從而紅外激光射線TL可 以被用于測量信標300與運動的移動機器人400之間的距離。
參照圖5,基于與來自光產(chǎn)生器310的發(fā)射紅外激光射線TL對應(yīng)的信號 以及與來自反射光檢測器320的反射紅外激光射線RL對應(yīng)的信號，距離測 量單元325測量信標300與移動機器人400之間的距離，并且將測量的距離 信息d傳送到編碼器350。
如圖IO所示，距離測量單元325可以包括力文大器326和比較器327，該 放大器326可將從反射光檢測器320接收的反射光信號RL按照預(yù)定的放大 率放大，該比較器327用于將由放大器326放大的被放大的反射光信號RL 與由光產(chǎn)生器310供給的發(fā)射光信號TL進行比較。在進入反射光檢測器320 的反射紅外激光射線RL較弱并且不足以來執(zhí)行用于比較信號處理的情況下， 放大器326將反射光信號RL放大以具有預(yù)定的等級。
距離測量單元325可利用飛行時間測量法(Time-of-Flight Measurement) 測量信標300與移動機器人400之間的距離。參照圖11,比較器327檢測與 時間差tl對應(yīng)的距離d并且將其距離信息發(fā)送到編碼器350,該時間差tl是 發(fā)射紅外激光射線TL的發(fā)射光信號TLs的時間與反射紅外激光射線RL的反 射光信號RL的時間之間的差。這里，可以利用光的速度c與發(fā)射紅外激光 射線TL的發(fā)射時間與反射紅外激光射線RL的檢測時間之間的差來估計距離 d=c*tl。
除了飛行時間測量之外，還可以使用變位移相測量和調(diào)頻連續(xù)波 (FMCW)測量來作為測量根據(jù)本發(fā)明總體構(gòu)思的信標300與移動機器人400之間的距離的其它方法。
編碼器350還可以對從距離測量單元325接收的輔助信息進行編碼，例 如，對從相位調(diào)節(jié)器340接收到的相位信息、距離信息和信標300的唯一的 特征信息ID進行編碼，并且將所述信息編碼成從光產(chǎn)生器310輸出的紅外激 光射線TL。通過4要4建法(keying method )，例如相移4建控法(phase shift keying ) 或者頻移鍵控法(frequency shift keying),對輔助信息的編碼可以在編碼器中執(zhí) 行。
而且，在從光產(chǎn)生器310發(fā)射紅外激光射線TL的情況下，可以根據(jù)一 種無線通信協(xié)議(例如，IrDA (紅外線數(shù)據(jù)標準協(xié)會))執(zhí)行紅外線通信。在 這種情況下，輔助信息(即，相位信息、距離信息和唯一的特征信息ID)被 附到包頭上以形成包，并且該包可以通過紅外激光射線TL來發(fā)射。
移動機器人400包括光方向檢測器430和位置測量單元440,該光方向 檢測器430用于^r測發(fā)射光的進入方向，該位置測量單元440用于檢測移動 機器人400的相對位置。
光方向檢測器430可以包括用于聚集光的透鏡(未顯示)以及用于檢測 通過所述透鏡被聚集的光的位置的位置二極管(未顯示)，并且光方向檢測器 430將關(guān)于聚集位置的信息供給到位置測量單元440。實現(xiàn)光方向檢測器430 的構(gòu)造已經(jīng)作為傳統(tǒng)技術(shù)中的一種進行了描述，并且在第10-2006-0068968 號韓國專利公開中進行了公布。
參照圖12,位置測量單元440可以基于在通過光接收器410接收到的紅 外激光射線TL中包含的相位信息O和距離信息d來檢測移動機器人的位置 (x, y)。這里，(x， y) = (dcosO, dsinO)其中,O是相位信息。
位置測量單元440可以從關(guān)于聚集位置的信息來估計紅外激光的入射角 度cl)以及從入射角cj;來估計機器人的行進方向6=0-cJj ，所述關(guān)于聚集位置 的信息從光方向檢測器430接收到。
以下將描述根據(jù)本發(fā)明總體構(gòu)思的實施例的操作方法，該操作方法為， 信標300將紅外激光射線TL發(fā)射到移動機器人400，通過紅外激光射線TL 的發(fā)射與被反射的紅外激光射線RL的接收之間的時間差來測量距離，利用 包含在被發(fā)射的紅外激光射線TL中的輔助信息來檢測移動機器人400的行
進方向e和位置。
首先，在通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器330使光產(chǎn)生器310和反射光檢測器320旋轉(zhuǎn)
一次的期間，在光產(chǎn)生器310發(fā)射n次紅外激光射線TL的情況下，將描述 根據(jù)本發(fā)明總體構(gòu)思的實施例的操作方法。
圖13是示出根據(jù)本發(fā)明總體構(gòu)思的實施例在機器人系統(tǒng)中檢測位置和 行進方向的方法的流程圖。參照圖5和圖6，為了響應(yīng)于相位調(diào)節(jié)器340的 驅(qū)動信號，調(diào)節(jié)紅外激光射線TL的發(fā)射方向，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器330使光產(chǎn)生器 310旋轉(zhuǎn)(500)
光產(chǎn)生器310發(fā)射包含有通過編碼器350編碼的信息的紅外激光射線TL (510)。
被發(fā)射的紅外激光射線TL被發(fā)送到移動機器人400，由移動機器人400 的光反射器420將其作為被反射的紅外激光射線RL回射，然后進入發(fā)射方， 即信標300的反射光4企測器320 ( 520 )。
反射光檢測器320檢測反射紅外激光射線RL，并且將反射光檢測信號 RLs發(fā)送到距離測量單元325。距離測量單元325將通過飛行時間測量法測量 到的距離信息發(fā)送到編碼器350,飛行時間測量法利用反射光信號RLs的檢 測時間與從光產(chǎn)生器接收的發(fā)射光的發(fā)射時間之間的差來測量距離(530)。
相位調(diào)節(jié)器340將與將被發(fā)送的紅外激光射線TL的發(fā)射方向?qū)?yīng)的相 位信息傳送到編碼器350。編碼器350對當前(第n次)的相位信息、從距 離測量單元325接收的前一次(第n-l次)的距離信息以及信標的唯一的特 征信息ID進行編碼(540 ),光產(chǎn)生器310將被編碼的輔助信息放入到第二紅 外激光射線TL,并且將該第二紅外激光射線TL作為紅外激光射線TL發(fā)射 到移動機器人(550 )。
光接收器410接收第二發(fā)射紅外激光射線TL,并且將其發(fā)送到位置測量 單元440,光方向檢測器430將關(guān)于紅外激光射線TL的聚集位置的信息發(fā)送 到位置測量單元440。位置測量單元440基于包含在第二紅外激光射線TL中 的相位信息和距離信息來估計移動機器人的位置(560 ),并且基于紅外激光 的入射角4j和相位信息0)來估計移動機器人400的行進方向(570 )。此后， 重復(fù)操作500至570以繼續(xù)檢測移動機器人400的行進方向和位置的操作。
根據(jù)本發(fā)明總體構(gòu)思的上述實施例，可以通過一體地形成具有電機的旋 轉(zhuǎn)軸、光產(chǎn)生器和反射光檢測器來構(gòu)成旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器，旋轉(zhuǎn)軸傳遞電機的驅(qū)動 力，但是本發(fā)明的總體構(gòu)思不限于此。由于光產(chǎn)生器和反射光檢測器可以與 電機的旋轉(zhuǎn)軸一體地形成，所以為了平穩(wěn)地旋轉(zhuǎn)，需要高功率電機，這樣增
加了所需電機的尺寸。而且，在預(yù)定方向旋轉(zhuǎn)的情況下，由于將光產(chǎn)生器連 接到反射光檢測器的電線會纏結(jié)，所以需要對旋轉(zhuǎn)范圍進行限制。同樣地， 雖然旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器可以在限制范圍內(nèi)往復(fù)旋轉(zhuǎn)，但是必須精確地控制電機的加 速和減速，以使旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器往復(fù)旋轉(zhuǎn)來改變光束的發(fā)射方向。
考慮到上述因素，以下將參照圖14和圖15來描述根據(jù)本發(fā)明總體構(gòu)思
的下述實施例。由于利用發(fā)射光束和反射光束來檢測移動機器人的位置和行 進方向的方法是相同的，所以將省略對其的詳細描述。
首先，如圖14所示，可以采用利用單鏡的發(fā)射光束和檢測反射光束的方 法，其中，保證了較大寬度的安裝空間。
參照圖5和圖14，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器330包括用于將電機334連接到單鏡360 上的旋轉(zhuǎn)軸335。在單鏡360之上，布置發(fā)射具有方向性的紅外激光射線TL 的光產(chǎn)生器311以及用于檢測由移動機器人400的光反射器420回射的反射 紅外激光射線RL的反射光檢測器321。
單鏡360改變按照預(yù)定入射角發(fā)射的紅外激光射線TL的傳播方向，使 其使朝著移動機器人400的光反射器420，并且該移動機器人回射并返回的 反射紅外激光射線RL的傳播方向，使其朝著反射光檢測器321。
這樣，當利用單鏡360時，為了使發(fā)射紅外激光射線TL的傳播方向與 反射紅外激光射線RL的傳播方向相互平行，光產(chǎn)生器310和反射光檢測器 321可以在單鏡360的側(cè)部設(shè)置成平行。
如果由于安裝環(huán)境的限制很難將光產(chǎn)生器和反射光檢測器設(shè)置成平行， 則可以采用根據(jù)本發(fā)明的總體構(gòu)思的利用兩個單鏡的發(fā)射光束并檢測反射光 束的方法，如圖15所示。
參照圖5和圖15，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器330包括用于分別將電機336連接到兩個 單鏡361和362上的旋轉(zhuǎn)軸337和338，兩個單鏡361和362分別設(shè)置在電 機336的上側(cè)和下側(cè)。在上面的單鏡361之上，設(shè)置有用于發(fā)射具有方向性 的紅外激光射線TL的光產(chǎn)生器312，在下面的單鏡362之下，設(shè)置有用于檢 測由移動機器人400的光反射器420回射的反射紅外激光射線RL的反射光 檢測器322。通過這樣設(shè)置，光產(chǎn)生器312、上面的單鏡361、反射光檢測器 322和下面的單鏡362與電機336的旋轉(zhuǎn)軸337和338在電機336的側(cè)部對 齊，從而旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器330可以應(yīng)用在確保豎直的延伸范圍的安裝環(huán)境中。
在以上的實施例中，已經(jīng)考慮到用移動機器人來描述了本發(fā)明的總體構(gòu)
思，該移動機器人接收包含在從信標發(fā)射的紅外激光射線TL中的相位信息0> 和距離信息d，以檢測機器人的位置并利用檢測到的位置來執(zhí)行給定的任務(wù)。 然而，根據(jù)本發(fā)明的總體構(gòu)思的定位系統(tǒng)不限于自由運動的移動機器人。例 如，如圖16所示，用于確定位置的定位單元400a可以安裝在可以運動的車 401a上，從而定位單元400a接收從信標300a發(fā)射的光束，以通過分析包含 在接收到的光束中的位置信息和距離信息來檢測車的位置并且在信息顯示器 402a上顯示檢測到的位置信息。這里，可以通過采用本發(fā)明總體構(gòu)思的上述 實施例的構(gòu)造來執(zhí)行用于將相位信息和距離信息編碼到光束中并發(fā)射光束的 信標300a的整個操作。通過這樣做，可運動的車401a的用戶可以容易地檢 查在信息顯示器402a上顯示的可運動的車的位置，具體地講，可以有效地執(zhí) 行在大型倉庫中執(zhí)行的物體的運輸。
本發(fā)明總體構(gòu)思的上述方法可以體現(xiàn)在計算機可讀記錄介質(zhì)中。
之間的差測量的距離信息來被精確地檢測運動物體，例如，移動機器人、移 動車等的位置。
由于本發(fā)明的總體構(gòu)思可以使用具有長范圍的紅外激光作為位置確定光 源來檢測位置，所以根據(jù)本發(fā)明總體構(gòu)思的定位系統(tǒng)可以應(yīng)用到更廣的工作 區(qū)域。
由于使用單個信標來檢測位置，所以本發(fā)明的總體構(gòu)思節(jié)約構(gòu)造系統(tǒng)的 成本并且容易地應(yīng)用到小型的機器人中。
由于本發(fā)明的總體構(gòu)思采用了由電機使單鏡旋轉(zhuǎn)來發(fā)射光束并接收反射 光束的方法，所以可以使用低功率的電機。而且，由于可以通過改變單鏡的 數(shù)量和組件的布置使信標的安裝容易，所以便于其使用。
雖然已經(jīng)顯示并描述了本發(fā)明總體構(gòu)思的幾個實施例，但是本領(lǐng)域的技 術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離本發(fā)明總體構(gòu)思的原理和精神的情況下，可以對 這些實施例進行改變，本發(fā)明的總體構(gòu)思由權(quán)利要求及其等同物限定。
權(quán)利要求
1、一種定位系統(tǒng)，包括信標；運動體，與所述信標通信，其中，所述信標基于由所述信標發(fā)射的光的發(fā)射時間與由運動體朝著信標反射的光的檢測時間之間的時間差來測量運動體與信標之間的距離，所述信標發(fā)射光以用于檢測所述運動體的位置，所述運動體接收來自所述信標的發(fā)射光的相位信息和距離信息，以檢測所述運動體相對于所述信標的相對位置。
2、 如權(quán)利要求1所述的定位系統(tǒng)，其中，所述信標包括 光產(chǎn)生器，用于發(fā)射具有方向性的光；檢測器，用于檢測反射光；距離測量單元，用于基于發(fā)射光的發(fā)射光信號的時間與反射光的反射光 信號的時間之間的差和光的速度來估計距離。
3、 如權(quán)利要求2所述的定位系統(tǒng)，其中，所述距離測量單元包括用于將 反射光的反射光信號放大的放大器。
4、 如權(quán)利要求2所述的定位系統(tǒng)，其中，所述光產(chǎn)生器包括用于發(fā)射紅 外激光射線作為發(fā)射光的紅外激光二極管。
5、 如權(quán)利要求1所述的定位系統(tǒng)，其中，所述運動體包括相對于信標自 由行進的移動機器人。
6、 如權(quán)利要求1所述的定位系統(tǒng)，其中，所述運動體包括相對于信標運 動的可運動的車。
7、 如權(quán)利要求6所述的定位系統(tǒng)，其中，所述運動體還包括用于顯示可 運動車的位置的顯示器。
8、 如權(quán)利要求1所述的定位系統(tǒng)，其中，所述運動體包括安裝在運動體 表面上用于將從信標發(fā)射的光作為反射光反射回去的光反射器。
9、 如權(quán)利要求8所述的定位系統(tǒng)，其中，所述光反射器包括用于將入射 光回射到信標作為反射光的反光鏡。
10、 如權(quán)利要求1所述的定位系統(tǒng)，其中，所述信標還包括編碼器，所 述編碼器用于對測量到的距離信息和與光的發(fā)射方向?qū)?yīng)的相位信息進行編 碼，并且將其發(fā)射到運動體；運動體還包括位置測量單元，所述位置測量單元基于包含在光中的距離 信息和相位信息來測量運動體的相對位置。
11、 如權(quán)利要求IO所述的定位系統(tǒng)，其中，所述編碼器編碼以包含與光的當前發(fā)射方向?qū)?yīng)的相位信息和由先前被發(fā)射的反射光測量到的距離信自、
12、 如權(quán)利要求11所述的定位系統(tǒng)，其中，所述編碼器產(chǎn)生被編碼有相位信息、距離信息和信標的唯一特征信息的單個包。
13、 一種具有用于檢測將被測量的物體的位置并用于測量物體的距離的 光的信標，所述信標包括光產(chǎn)生器，用于朝著物體發(fā)射具有方向性的光； 反射光檢測器，用于檢測從所述光產(chǎn)生器發(fā)射并且由物體反射的光； 距離測量單元，用于基于光的發(fā)射時間與反射光的檢測時間之間的差來 測量信標與物體之間的距離。
14、 如權(quán)利要求13所述的信標，還包括 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器，用于使光產(chǎn)生器和反射光檢測器同步并旋轉(zhuǎn)。
15、 如權(quán)利要求14所述的信標，其中，所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器包括一體地連接 到光產(chǎn)生器和反射光檢測器上的電機和旋轉(zhuǎn)軸，用于產(chǎn)生使光產(chǎn)生器和反射 光檢測器旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動力。
16、 如權(quán)利要求14的所述信標，還包括相位調(diào)節(jié)器，用于對旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器施加驅(qū)動信號，以調(diào)節(jié)光的發(fā)射方向， 并且輸出與光的發(fā)射方向相對應(yīng)的相位信息；編碼器，用于對相位調(diào)節(jié)器的相位信息和由距離測量單元測量的距離信 息進行編碼，將編碼的信息放入由光產(chǎn)生器發(fā)射的光中。
17、 如權(quán)利要求14所述的信標，其中，所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器包括 至少一個單鏡，用于轉(zhuǎn)換來自光產(chǎn)生器的發(fā)射光的傳播方向和由物體回射的光的傳播方向；電機，使所述單鏡旋轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)軸，用于將所述單鏡連接到電機。
18、 如權(quán)利要求17所述的信標，其中，所述光產(chǎn)生器和反射光檢測器被 布置在所述單鏡的側(cè)部。
19、 如權(quán)利要求17所述的信標，其中，當所述電機的側(cè)部單獨設(shè)置有所 述至少一個單鏡時，光產(chǎn)生器在所述電機的第一側(cè)朝著所述單鏡中的一個發(fā) 射光，反射光檢測器在所述電機的第二側(cè)接收由單鏡反射的反射光，光產(chǎn)生 器和反射光檢測器沿著縱向布置。
20、 一種^r測運動體位置的定位系統(tǒng)的定位方法，在定位系統(tǒng)中，運動 體在距固定位置的信標遠距離的工作區(qū)域中運動，所述定位方法包括從信標發(fā)射具有方向性的光；通過接收由運動體反射的光的信標來測量信標和運動體之間的距離； 將測量的距離信息和與光的發(fā)射方向?qū)?yīng)的相位信息編碼到所述光中； 通過接收被編碼的光的運動體，基于包含在從信標發(fā)射的被編碼的光中 的相位信息和距離信息來檢測運動體的位置。
21、 如權(quán)利要求20所述的定位方法，其中，對所述信息進行編碼包括對 信標的唯一特征信息進行編碼，對相位信息、距離信息和唯一的特征信息以 單個包的形式進行編碼。
22、 如權(quán)利要求21所述的定位方法，其中，所述距離信息包括通過檢測先前發(fā)射的光而測量得到的信息，所述相位信息包括當前發(fā)射的光的相位信 臺
23、 如權(quán)利要求20所述的定位方法，其中，所述運動體包括移動機器人， 所述移動機器人檢測其自身的位置并相對于信標自由行進。
24、 如權(quán)利要求20所述的定位方法，其中，所述運動體包括可運動的車， 所述可運動的車具有用于顯示可運動的車的位置的顯示器。
25、 一種含有計算機可讀符號的計算機可讀記錄介質(zhì)，所述計算機可讀 符號用于執(zhí)行檢測物體的位置的方法，所述方法包括從信標發(fā)射具有方向性的光；通過接收由物體反射的光的信標來測量信標和物體之間的距離；將測量的距離信息和與光的發(fā)射方向?qū)?yīng)的相位信息編碼到所述光中；基于包含在從信標朝著物體發(fā)射的光中的相位信息和距離信息來檢測物
26、 一種與物體通信以確定物體位置的信標，所述信標包括 光產(chǎn)生器，用于朝著物體發(fā)射第一光和第二光； 反射光檢測器，用于檢測來自所述物體的第一光的反射光；距離測量單元，用于根據(jù)所述第 一光發(fā)射的第 一 時間與被檢測的反射光的第二時間之間的時間差來測量物體與信標之間的距離；編碼器，用于將在包中的關(guān)于測量距離的信息編碼到將被發(fā)射到物體的 第二光中。
27、 一種與信標通信的移動機器人，所述移動機器人包括 光反射器，用于反射信標的第一光；光接收器，用于接收信標的第二光；位置測量單元，用于根據(jù)包含在信標的第二光中的信息來測量光接收器 的位置。
28、 一種定位系統(tǒng)，包括信標，與移動機器人通信以確定移動機器人的位置，所述信標包括 光產(chǎn)生器，用于朝著移動機器人發(fā)射第一光和第二光； 反射光檢測器，用于檢測來自所述移動機器人的第一光的反射光； 距離測量單元，用于根據(jù)所述第 一光發(fā)射的第 一時間與被檢測的反射光的第二時間之間的時間差來測量移動機器人與信標之間的距離；編碼器，用于將在包中的關(guān)于測量距離的信息編碼到將被發(fā)射到移動機器人的第二光中；移動機器人，與信標通信，所述移動機器人包括 光反射器，用于反射信標的第一光； 光接收器，用于接收信標的第二光；位置測量單元，用于根據(jù)包含在信標的第二光中的信息來測量光接 收器的位置。
全文摘要
本發(fā)明的總體構(gòu)思公開了一種用于基于發(fā)射光和反射光之間的時間差來測量距離并將測量的距離信息放入光中的信標，并且公開了一種利用所述信標來檢測運動體位置的定位系統(tǒng)以及定位方法。由于運動體相對于信標的相對位置可以被精確地檢測，并且將具有方向性的紅外激光作為光源，所以運動體可以在寬的工作區(qū)域中行進。
文檔編號G01S17/00GK101109630SQ20071010485
公開日2008年1月23日 申請日期2007年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月18日
發(fā)明者吳淵宅, 樸基喆, 金容載, 金成河, 高源晙 申請人:三星電子株式會社