CN103776443A - 一种利用图像信息码提供校正信息的自主导航系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用图像信息码提供校正信息的自主导航系统，包括预先设置在地理位置处的图像信息码、移动终端；所述移动终端包括图像信息码获取解析模块、电子地图模块；所述移动终端还包括电子罗盘模块和惯性测量模块；所述电子罗盘模块和所述惯性测量模块分别与所述电子地图模块连接；所述电子地图模块将所述电子罗盘模块和所述惯性测量模块所产生的位置数据和方向数据在地图上显示。本发明导航系统能够实现获取图像信息码后仍能输出实时导航信息的目的。

Description

一种利用图像信息码提供校正信息的自主导航系统
技术领域
本发明涉及一种导航系统，特别是一种利用图像信息码提供导航信息的导航系统。
背景技术
利用卫星定位系统进行导航在导航技术领域应用广泛。但在一些场合，会遇到卫星信号失效的情况，例如商场等室内公共场所，或室外卫星信号被障碍物遮挡的区域。在这些卫星信号失效的地方，无法依赖卫星定位进行导航。
申请号为201210417954.3的中国发明专利申请，公开了一种基于图像信息码的导航方法、装置和系统。具体的，是在需要导航的地域范围内的关键位置点上预先设置图像信息码，通过导航装置上的信息码获取单元和图形码解析单元获取当前位置信息和方向信息。再根据目的地，路径获取单元可以给出规划好的路径。这就使得在室内这样卫星信号失效的地方，仍可以进行导航。
上述专利申请公开的技术方仍存在一定的问题：当人们偏离了规划好的路径时，由于没有其他参照，依然会迷路，这时还需要寻找其他图像信息码进行位置确定。由于这套系统不能实时给出导航信息，对于使用者来说，仍存在很大的问题。
发明内容
为了解决现有基于图像信息码的导航系统存在的不能给出实时导航信息导致的使用不便，本发明提供了一种利用图像信息码提供校正信息的自主导航系统。
本发明的技术方案如下：
一种利用图像信息码提供校正信息的自主导航系统，包括预先设置在地理位置处的图像信息码、移动终端；所述移动终端包括图像信息码获取解析模块、电子地图模块；所述图像信息码获取解析模块与所述电子地图模块连接；所述图像信息码获取解析模块通过识别所述图像信息码获取当前所在位置数据、方向数据；
所述移动终端还包括电子罗盘模块和惯性测量模块；所述电子罗盘模块和所述惯性测量模块分别与所述电子地图模块连接；
当所述图像信息码获取解析模块获取当前位置数据和方向数据后，初始化所述电子罗盘模块和所述惯性测量模块；所述电子罗盘模块和所述惯性测量模块根据自身测量的所述移动终端的移动数据推算出所述移动终端当前的位置数据和方向数据；所述电子地图模块将所述电子罗盘模块和所述惯性测量模块所产生的所述位置数据和方向数据在地图上显示。
所述移动数据包括所述移动终端移动时的速度、方向。
所述惯性测量模块包括三轴陀螺仪和三轴加速度计；所述电子罗盘模块的输出数据、所述三轴陀螺仪的输出数据分别经过预处理后进行四元数法处理得到姿态更新信息；所述三轴加速度计的输出数据经过预处理后进行比力坐标变换得到的结果与所述姿态更新信息结合得到更新的速度数据，进而得到所述在地图上显示的所述位置数据和方向数据。
对所述电子罗盘模块的输出数据的所述预处理包括去极值滤波；对所述三轴陀螺仪的输出数据的所述预处理包括低通滤波；对所述三轴加速度计的输出数据的所述预处理包括低通滤波。
所述自主导航系统还包括数据库服务器，所述移动终端通过无线网络与所述数据库服务器连接；所述数据库服务器对应所述图像信息码存储有用信息；所述数据库服务器响应所述移动终端的请求，发送相应的有用信息。
所述电子地图模块根据当前位置和目标位置给出路径规划。
所述电子地图模块对所述电子罗盘模块和所述惯性测量模块推算出的所述位置数据和所述方向数据进行约束处理。
当所述位置数据和所述方向数据偏离所述路径规划超出预定值后，则发出重新寻找图像信息码进行校正的提示信息。
所述图像信息码包括如下信息码之一：一维码、二维码、图形码。
所述图像信息码包括当前位置数据、方向数据和/或所述数据库服务器地址。
本发明的技术效果：
本发明的技术方案，在现有基于图像信息码导航系统的基础上，在移动终端上设置电子地图模块、电子罗盘模块和惯性测量模块。电子地图模块可以将基于图像信息码得到的位置和方向数据在地图上显示。如果将通过图像信息码得到的位置和方向数据作为初始数据，则根据电子罗盘模块和惯性测量模块的测量数据得到的移动后的位置和方向数据（周期性测量获得）作为实时导航信息的基础在地图上显示。至此，本发明的自主导航系统，在人们离开初始定位的图像信息码位置后，仍可以得到实时的导航信息，可以进行有效的导航，实现了本发明的目的。
附图说明
图1为本发明自主导航系统的第一个实施例。
图2为图1所示实施例中移动终端的原理图。
图3为本发明自主导航系统的第二个实施例。
图4为本发明自主导航系统的工作流程图。
图5为本发明自主导航系统电子罗盘模块与惯性测量模块输出实时导航信息的原理图。
具体实施方式
在对本发明的技术方案进行详细描述之前，对本发明的一些措辞进行统一说明。
自主导航系统是指可以依靠导航设备自身（例如本发明中所提及的移动终端）即可给出导航信息，而不必依赖外部帮助（如卫星定位等手段）的导航系统。
移动终端，作为导航设备，可以是特制的手持移动设备，也可以是装载了特定软件的智能手机等类似设备。
电子地图模块对数据的约束处理，是指电子地图模块将位置数据、方向数据与存储的地图信息进行比对，如果位置数据、方向数据偏离了合理的路径，例如该位置数据为墙体内的位置，则根据修正算法进行修正，然后在地图上显示正确、合理的位置（如该位置在道路上显示）。
以下结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
图1显示了本发明一种利用图像信息码提供校正信息的自主导航系统的一个实施例。利用图像信息码提供校正信息的自主导航系统，包括预先设置在地理位置处的图像信息码和移动终端。图像信息码是设置在地理位置上的一幅图像，例如在大型商场中的通道的墙壁上设置的所述图像信息码。所述图像信息码可以是一维码、二维码或图形码。所述图像信息码中至少包含了当前位置的数据和方向的数据。位置数据易于获取，因为上述图像信息码本身就是固定设置在一个位置，可以预先将这一位置的位置数据设置在所述图像信息码中。所述方向数据的确定也可以推算出来：移动终端在读取所述图像信息码时，必须正对所述图像信息码，操作者也会面对所述图像信息码，因此，所述移动终端在读取所述图像信息码时，其方向数据也是确定的。同样，所述方向数据也可以预先设置在所述图像信息码中。所述移动终端在读取设置在不同位置的所述图像信息码时，就可以获得所述图像信息码所提供的当前所在位置数据和方向数据。
图2显示了图1所示移动终端的原理。移动终端包括图像信息码获取解析模块、电子地图模块、电子罗盘模块和惯性测量模块。图像信息码获取解析模块、电子罗盘模块和惯性测量模块分别与电子地图模块连接。
电子地图模块以数据方式存储地图信息，并能将位置数据在地图信息中进行匹配，通过约束处理，在地图上标示出具体位置信息。另外，给电子地图模块输入目标位置后，电子地图模块能够根据存储的地图信息给出规划好的路径，并在地图上显示。
图像信息码获取解析模块通过识别所述图像信息码获取当前所在位置数据、方向数据。图像信息码获取解析模块一般包括摄像镜头等图像获取元件，用于对图像信息码进行读取，读取后的图像信息码被进行解析，从中获取（移动终端及操作者）当前所在位置数据、方向数据。
电子罗盘模块也叫数字指南针，是基于电子技术制作的利用地磁场来定方向的一种模块，现在一般在智能手机中得到广泛应用。
惯性测量模块可以测量行进的加速度，积分后得到速度数据。
电子罗盘模块和惯性测量模块根据自身测量的移动终端的速度、方向推算出移动终端当前的位置数据和方向数据，并将这些数据输出给电子地图模块，由电子地图模块进行约束处理后在地图上显示。由于电子罗盘模块和惯性测量模块会周期性进行测量并输出位置数据和方向数据，在操作者离开图像信息码后，在电子地图模块上仍会实时显示行进过程中所处的位置和方向。
图5显示了自主导航系统电子罗盘模块与惯性测量模块输出实时导航信息（实时位置和方向）的原理。惯性测量模块包括三轴陀螺仪和三轴加速度计，电子罗盘模块包括三轴电子罗盘。
第一，初始化是图像信息码获取解析模块通过图像信息码获取当前位置数据和方向数据（初始化信息）后，对惯性测量模块（包括三轴陀螺仪和三轴加速度计）和电子罗盘模块（包括三轴电子罗盘）进行初始化。当惯性测量模块和电子罗盘模块获得的自主导航信息（位置数据和方向数据）需要校正时，所述初始化信息又可以作为前一周期导航信息对惯性测量模块和电子罗盘模块进行校正。
第二，需要分别对三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴电子罗盘输出的数据进行预处理。
对三轴电子罗盘输出的数据进行的预处理是去极值滤波。三轴电子罗盘信号容易受到干扰，在某时刻的输出数据与前一时刻、后一时刻输出数据偏差很大，称之为“野值”。因此在系统应用中，需要采用去极值滤波方法去除“野值”。去极值滤波器通过设定阈值（例如上一时刻数据的200%）来判断“野值”是否出现。扣除“野值”后的数据替换为上一时刻和下一时刻数据的算术平均值。
对三轴陀螺仪和三轴加速度计输出的数据进行的预处理是低通滤波。三轴陀螺仪和三轴加速度计分别测量运动的角速度和加速度，因为人步行速度较慢，因此通过低通滤波器滤除掉这两者输出的高频噪声，完成数据的预处理。
第三，经过上述预处理的电子罗盘模块的输出数据、三轴陀螺仪的输出数据进行四元数法处理得到姿态更新信息。四元数法为现有技术，在此不再赘述。由于本发明可以采用精度较低的惯性测量模块与电子罗盘模块，四元数法的精度已经能够满足要求。其中四元数的初始值由第一步骤给出，具体的是第一步骤中给出的方向数据、俯仰数据、横滚数据。其中，俯仰数据和横滚数据的确定基于以下情况：由于移动终端在获取图像信息码时处于垂直地面状态，因此，确定俯仰数据和横滚数据为水平状态下的数据。
三轴加速度计的输出数据经过前述预处理后进行比力坐标变换得到的结果与所述姿态更新信息结合得到更新的速度数据，利用前一周期的位置数据（或第一步骤中初始化所得到的位置数据）进而得到在地图上显示的更新位置数据（自主导航信息）。此时所需要的当地重力加速度数值可以根据第一步骤提供的位置数据依据当地重力模型查询到。比力坐标变换为现有技术，在此不再赘述。
图3显示的实施例与图1显示的实施例不同之处在于：还设置有数据库服务器，移动终端通过无线网络与所述数据库服务器连接。相应的，在图像信息码中还设置了对应的数据库服务器的地址信息，以便移动终端能与数据库服务器建立连接。数据库服务器对应每个图像信息码存储有用信息。这里所说的有用信息可以是将前述图像信息码中设置的位置和方向，还可以是其他与图像信息码位置相关的信息，例如，图像信息码所在建筑物内部或周边的地图，以及附近的服务设施（卫生间、电梯、出口、车位等）、店面优惠信息、广告信息等。数据库服务器响应移动终端的请求，向该移动终端发送相应的有用信息。
图4显示了本发明自主导航系统的工作过程。在此详细说明如下。
1、拍摄图像信息码，获得当前位置和方向数据。
操作者寻找到图像信息码后，持有移动终端获取图像信息码，进而移动终端中的图像信息码获取解析模块解析出当前位置和方向数据。
2、初始化电子罗盘模块和惯性测量模块，在地图上显示当前位置。
前一步骤中获取的当前位置和方向数据可以用来初始化电子罗盘模块和惯性测量模块。由于获取图像信息码时移动终端应当处于静止状态，因此，以速度为零来初始化惯性测量模块。
3、搜索目的地，规划最优路径，开始导航。
操作者在电子地图模块提供的地图上搜索并选定目的地，电子地图模块根据当前位置规划处最优路径，并在地图上显示。
4、利用航位推算和电子地图约束，获得当前位置信息并显示。
利用惯性测量模块测量行进的加速度，积分后得到速度，同时利用电子罗盘模块和惯性测量模块提供的方向信息进行航位推算，得到当前位置和方向。电子地图模块对从电子罗盘模块和惯性测量模块得到的位置和方向进行约束处理，并在地图上显示。
5、位置信息与最优路径是否存在较大偏差。
由于受限于电子罗盘模块和惯性测量模块的成本，其精度较低，航位推算会累积精度低导致的偏差，最终导致偏差较大。
本步骤判断电子罗盘模块和惯性测量模块得到的位置和方向与所述最优路径的偏差是否超过阈值（例如偏离了10米），如果没有超过阈值，继续执行步骤4，这也就实现了在行进过程中显示实时导航信息的目的。如果超过阈值，则执行步骤6。
6、发出重新寻找图像信息码进行校正的提示信息。
若在步骤5中判断电子罗盘模块和惯性测量模块得到的位置和方向与所述最优路径的偏差超过阈值，则发出重新寻找图像信息码进行校正的提示信息，以提示操作者重新执行第1步骤，即提示操作者寻找最近的图像信息码进行纠正出现的偏差。
值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以采用等同技术进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种利用图像信息码提供校正信息的自主导航系统，包括预先设置在地理位置处的图像信息码、移动终端；所述移动终端包括图像信息码获取解析模块、电子地图模块；所述图像信息码获取解析模块与所述电子地图模块连接；所述图像信息码获取解析模块通过识别所述图像信息码获取当前所在位置数据、方向数据；其特征在于：
所述移动终端还包括电子罗盘模块和惯性测量模块；所述电子罗盘模块和所述惯性测量模块分别与所述电子地图模块连接；
当所述图像信息码获取解析模块获取当前位置数据和方向数据后，初始化所述电子罗盘模块和所述惯性测量模块；所述电子罗盘模块和所述惯性测量模块根据自身测量的所述移动终端的移动数据推算出所述移动终端当前的位置数据和方向数据；所述电子地图模块将所述电子罗盘模块和所述惯性测量模块所产生的所述位置数据和方向数据在地图上显示。
2.根据权利要求1所述自主导航系统，其特征在于：所述移动数据包括所述移动终端移动时的速度、方向。
3.根据权利要求1或2所述自主导航系统，其特征在于：所述惯性测量模块包括三轴陀螺仪和三轴加速度计；所述电子罗盘模块的输出数据、所述三轴陀螺仪的输出数据分别经过预处理后进行四元数法处理得到姿态更新信息；所述三轴加速度计的输出数据经过预处理后进行比力坐标变换得到的结果与所述姿态更新信息结合得到更新的速度数据，进而得到所述在地图上显示的所述位置数据和方向数据。
4.根据权利要求3所述自主导航系统，其特征在于：对所述电子罗盘模块的输出数据的所述预处理包括去极值滤波；对所述三轴陀螺仪的输出数据的所述预处理包括低通滤波；对所述三轴加速度计的输出数据的所述预处理包括低通滤波。
5.根据权利要求1所述自主导航系统，其特征在于：还包括数据库服务器，所述移动终端通过无线网络与所述数据库服务器连接；所述数据库服务器对应所述图像信息码存储有用信息；所述数据库服务器响应所述移动终端的请求，发送相应的有用信息。
6.根据权利要求1所述自主导航系统，其特征在于：所述电子地图模块根据当前位置和目标位置给出路径规划。
7.根据权利要求6所述自主导航系统，其特征在于：所述电子地图模块对所述电子罗盘模块和所述惯性测量模块推算出的所述位置数据和所述方向数据进行约束处理。
8.根据权利要求7所述自主导航系统，其特征在于：当所述位置数据和所述方向数据偏离所述路径规划超出预定值后，则发出重新寻找图像信息码进行校正的提示信息。
9.根据权利要求1所述自主导航系统，其特征在于：所述图像信息码包括如下信息码之一：一维码、二维码、图形码。
10.根据权利要求1所述自主导航系统，其特征在于：所述图像信息码包括当前位置数据、方向数据和/或所述数据库服务器地址。
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