CN105066997A - 一种面向室内导航的动态路径生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向室内导航的动态路径生成方法，能够为室内导航服务提供实时动态的导航路径。本发明定义的门状态触发器包括指纹传感器和烟雾传感器，通过门状态触发器捕获各类能影响室内拓扑结构的动态语义信息，从而动态的更新室内拓扑网络。本发明提出的走廊划分方法将走廊划分为一组空间单元，空间单元之间增加虚拟门连接，有利于提供更精确的室内导航路径。本发明采用的网络扩展路径规划方法，路径计算时通过实时的位置信息及动态拓扑网络更新上一次迭代时生成的搜索树，最后通过搜索树直接得到导航路径，避免了每次路径规划都重新计算，减少了动态路径规划的时空复杂度。

Description

一种面向室内导航的动态路径生成方法

技术领域

本发明涉及一种面向室内导航的动态路径生成方法，属于室内定位导航与位置服务领域。

背景技术

随着现代社会的不断发展，城镇化进程加快，办公楼、购物中心以及机场、地铁站等大型建筑物日益增多。有研究表明，人们绝大部分时间都处在室内空间。另一方面，随着移动互联网、新一代地理信息系统(GIS)、基于位置的服务(LBS)及普适计算、物联网等技术的兴起与快速发展，人们对基于位置的室内移动信息服务需求与日俱增，如室内定位导航、商场移动导购、室内移动社交服务等。室内定位、导航与位置服务技术越来越受到人们的关注。

与开放的室外空间相比，由于室内环境在空间布局、拓扑、环境限制、空间约束等方面更加复杂，使得现有基于GPS的室外导航位置服务技术无法完全适用于室内环境。室内空间路径网络拓扑结构与室外道路网存在较大差异，如室内房间、走廊、大厅等实体之间通过门相连通并且具有三维特性，使得传统的笛卡尔距离和道路网路径距离计算方法不再适用于计算精细的室内空间路径距离。此外，传统的导航应用中一般都采用静态路径规划算法来计算导航路径。尽管一些较为先进的室内导航算法在计算路径是考虑了人员的移动速度、导航类型、道路安全性等环境因素来提供实时的路径规划，但缺乏一种有效的方法从室内空间信息中所包含的几何和语义中动态构建、更新路径网络拓扑结构(如在门的开关及火灾蔓延等影响下动态构建和更新路径网络)，难以满足动态自适应的室内导航应用需求。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种室内空间拓扑网络的表达方法，通过充分利用门在室内环境中的特殊性质，如门能连接两个独立的空间单元，使其连通，表达房间与房间之间的连通关系；本发明还提供了一种基于门状态触发器的动态导航路径生成方法，能够根据室内环境中的动态语义信息捕获到门的状态信息，从而动态的更新室内导航拓扑网络。

本发明为解决其技术问题所采用的核心技术方案是：提供了一种面向室内导航的动态路径生成方法，包括以下步骤：

(1)在室内场景中部署用于捕获门状态信息的门状态触发器，每一扇门对应一个门状态触发器，根据室内场景的建筑组件之间的空间约束构建连通图；

(2)设置更新间隔时间，在连通图上设置终止点；在每个间隔时间，执行步骤(3)至步骤(5)，直到到达终止点；

(3)从各个门状态触发器获取其对应门的门状态信息，根据获取到的门状态信息对当前门的上一时刻，即第n时刻的状态Dⁿ进行更新，得到当前时刻，即第n+1时刻的状态Dⁿ⁺¹：若Dⁿ为“关”状态，获取的门状态信息为“开”状态，则Dⁿ⁺¹为“开”状态；若Dⁿ为“开”状态，获取的门状态信息为“关”状态，则Dⁿ⁺¹为“关”状态；

(4)根据门状态信息更新连通图，若门的状态为“关”状态，则删除该门所映射的连通图中的边；若门的状态为“开”状态，则添加该门所映射的连通图中的边；

(5)以当前位置在连通图上的位置作为起始点，利用路径规划算法在连通图中计算得到最优导航路径。

步骤(1)所述的建筑组件包括房间、走廊和门。

步骤(1)所述根据室内场景的建筑组件之间的空间约束构建连通图，具体包括以下过程：

对于由门隔开的两个房间，将房间抽象成节点，将房间之间的门抽象成边；

对于与房间相连的走廊，将房间抽象成节点，将门抽象成边，将走廊划分为一组顺走廊前进方向依次相连的空间单元，一个空间单元至少与一个房间通过门相连，每个空间单元抽象为一个节点，空间单元抽象成的节点通过门抽象成的边与房间连接；相邻的空间单元之间增加虚拟门，使空间单元抽象成的节点之间通过虚拟门抽象成的边连接；

所有节点构成节点的集合V，所有边构成边的集合E，所有门和虚拟门构成门的集合Σdoor，所有边集合与门集合之间的映射关系表示为构建连通图 $G_{con}=(V,E,\mathrm{\Σ}door,f_{door}^E).$

步骤(1)中，所述门状态触发器包括用于开门的指纹传感器，当行人进行指纹刷卡身份识别成功时，该指纹传感器对应的门的状态为“开”。

步骤(1)中，所述门状态触发器包括用于感知灾情状况的烟雾传感器，当烟雾传感器感检测到的烟雾浓度达到预设值时，该烟雾传感器对应的门的状态为“关”。

步骤(5)所述的路径规划算法为网络扩展路径规划算法。

本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：

(1)本发明针对室内空间中建筑物组件之间的拓扑约束这一突出问题，利用室内空间中门的连接属性这一特性，提供了一种室内空间中连通图的构建方法，能够很好的对室内拓扑网络进行表达；

(2)本发明通过部署门状态触发器，能够实时捕获室内空间中能影响门开关状态的动态语义信息，从而可以实时更新室内拓扑网络；

(3)本发明通过实时更新室内拓扑网络，能够获得动态的导航路径，可以使其应用到火灾等紧急情况导航系统中；

(4)本发明将走廊划分为一组空间单元，空间单元之间增加虚拟门连接，可以更准确的表达出室内空间单元之间的连通关系，其中提出的“虚拟门”概念增强了室内空间的灵活性，有利于提供更精确的室内导航路径，使底层连通图更加精确，由于执行划分仅与走廊相连的门数量线性相关，并且并没有增加算法的复杂性，使得在保证一定算法复杂度的情况下提高了室内导航的动态路径的准确性和稳定性；将走廊进行划分，可以更准确的表达出室内空间单元(房间)之间的连通(连接)关系；同时，本发明将走廊进行划分，能够提供更精确的室内导航路径，假设一个火灾场景，当火灾发生在走廊空间时，若将走廊抽象为一个节点，则无法为与走廊连接的房间提供导航路径，因为走廊是不可通过的；若将走廊抽象为一系列相邻接的节点，则只有火灾发生地所在的走廊子空间单元是不连通的，仍然可以提供导航路径；

(5)本发明最后利用网络扩展算法，采用网络扩展更新机制，通过实时的位置信息及动态拓扑网络更新上一次迭代时生成的搜索树，最后通过搜索树直接得到导航路径，避免了每次路径规划都重新计算，减少了动态路径规划的时空复杂度，提供更高效的动态导航生成方法。

附图说明

图1是拓扑网络表达的连通图。

图2是动态路径生成方法流程图。

图3是Dⁿ时刻的连通图。

图4是Dⁿ⁺¹时刻的连通图。

图5是由建筑组件示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种面向室内导航的动态路径生成方法，参照图2，包括以下步骤：

(1)在室内场景中部署用于捕获门状态信息的门状态触发器，组成传感器网络，所述传感器网络是指由大量部署在作用区域内的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点通过自组织方式构成的能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统。

每一扇门对应一个门状态触发器。本实施例的实际场景中部署的门状态触发器主要分为两类：烟雾传感器和指纹传感器(用于指纹刷卡门禁系统)。部署在门附近的指纹传感器负责监控门的开关状态；部署在房间及走廊内部的烟雾传感器用以检测火灾的发生。通过这两类门状态触发器及部署在各处的TP-Link无线AP构建出一套用以监测门状态信息的传感器网络；利用这套传感器网络实时监测门的状态，从而实时更新拓扑网络连通图，用以支持动态的导航路径生成。

根据室内场景的建筑组件之间的空间约束构建连通图；所述的建筑组件包括房间、走廊和门；构建连通图具体包括以下步骤：

对于由门隔开的两个房间，将房间抽象成节点，将房间之间的门抽象成边；

对于与房间相连的走廊，将房间抽象成节点，将门抽象成边，将走廊划分为一组顺走廊前进方向依次相连的空间单元，一个空间单元至少与一个房间通过门相连，每个空间单元抽象为一个节点，空间单元抽象成的节点通过门抽象成的边与房间连接；相邻的空间单元之间增加虚拟门，使空间单元抽象成的节点之间通过虚拟门抽象成的边连接；

所有节点构成节点的集合V，所有边构成边的集合E，所有门和虚拟门构成门的集合Σdoor，所有边集合与门集合之间的映射关系表示为构建连通图 $G_{con}=(V,E,\mathrm{\Σ}door,f_{door}^E).$

以图5所示的建筑组件为例，走廊两侧共有8个房间，分别抽象为一个节点；实体门共有10个，分别抽象为边d1至d10；将走廊划分为5个顺走廊前进方向依次相连的空间单元，一个空间单元至少与一个房间通过门相连，每个空间单元抽象为一个节点，空间单元抽象成的节点通过门抽象成的边与房间连接；相邻的空间单元之间增加虚拟门Vd1至Vd4，使空间单元抽象成的节点之间通过虚拟门抽象成的边连接。

根据某建筑组件生成的连通图如图1所示。所有以数字进行编号的节点为房间抽象成的节点；所有以C开头编号的节点为走廊划分出的空间单元抽象成的节点；所有以d开头命名的边为真实门抽象成的边；所有以vd开头命名的边为虚拟门抽象成的边。并且连通图G_con满足一一对应关系：每个门只对应于一条边，每条边只对应于一个门。

(2)设置更新间隔时间，在连通图上设置终止点；在每个间隔时间，执行步骤(3)至步骤(5)，直到到达终止点；

(3)从各个门状态触发器获取其对应门的门状态信息，根据获取到的门状态信息对当前门的上一时刻，即第n时刻的状态Dⁿ进行更新，得到当前时刻，即第n+1时刻的状态Dⁿ⁺¹：若Dⁿ为“关”状态，获取的门状态信息为“开”状态，则Dⁿ⁺¹为“开”状态；若Dⁿ为“开”状态，获取的门状态信息为“关”状态，则Dⁿ⁺¹为“关”状态；门“关”状态记为S(0)，门“开”状态记为S(1)；

假设在Dⁿ时刻，门d2、d3、d5、d6、d8、d9、d10、vd1、vd2、vd3及vd4为“开”状态，其它门为“关”状态，则Dⁿ时刻的连通图如图3所示。

(4)根据门状态信息更新连通图，若门的状态为“关”状态，则删除该门所映射的连通图中的边；若门的状态为“开”状态，则添加该门所映射的连通图中的边；

依据上一步的假设，在第n+1时刻，门d2、vd3及vd4由原来的“开”状态转换为“关”状态，删除其对应的连接边，最后得到的连通图如图4所示。

(5)以当前位置在连通图上的位置作为起始点，利用Dijksra路径规划算法等路径规划算法在连通图中计算得到最优导航路径；也可以根据连通图的变化信息利用网络扩展算法动态的更新搜索树，采用网络扩展更新机制，对上一次迭代结果进行更新，计算得到最优导航路径。网络扩展算法是基于堆结构实现，堆顶是权重最小的元素，具体实现步骤如下：

a.初始时，将路径查询的起始点压入堆中；

b.依次将连通图上与起始点邻接的节点压入堆中，对其进行扩展，并计算其权重值，权重值的计算可以是两节点间的路径长度、时间耗费及拥挤程度等；

c.每次从堆中弹出权重值最小的节点元素，并将连通图上与该节点邻接的尚未扩展的节点压入堆中，直到找到终止点，最后形成一个搜索树结构，搜索树的根节点即为查询的起始点；

d.根据终止点所在搜索树的叶子节点，反向追踪其父节点从而得到导航路径；

e.当起始点位置进行移动或连通图变化时，采用网络扩展更新机制对搜索树进行更新，利用更新后的搜索树重复步骤d得到导航路径，网络扩展的更新机制如下：当起始点位置移动时，更新搜索树的根节点为当前起始点，使所有节点都指向当前起始点；当连通图有边删除时，删除该边所在搜索树的子树，利用网络扩展思想对其余的节点进行重新扩展；当连通图有边添加时，对该边所在节点进行网络扩展，并删除无效的子树。

步骤(1)中，所述门状态触发器包括用于开门的指纹传感器，在行人进入房间前，门的状态为“关”；当行人通过指纹识别，指纹机识别出行人的身份时，门的状态为“开”状态。行人离开房间，不需要进行指纹识别，行人所在房间的门的状态都为“开”状态。

步骤(1)中，所述门状态触发器包括用于感知灾情状况的烟雾传感器，当烟雾传感器感检测到的烟雾浓度达到预设值时，该烟雾传感器对应的门的状态为“关”。

Claims (6)

1.一种面向室内导航的动态路径生成方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)在室内场景中部署用于捕获门状态信息的门状态触发器，每一扇门对应一个门状态触发器，根据室内场景的建筑组件之间的空间约束构建连通图；

(2)设置更新间隔时间，在连通图上设置终止点；在每个间隔时间，执行步骤(3)至步骤(5)，直到到达终止点；

(3)从各个门状态触发器获取其对应门的门状态信息，根据获取到的门状态信息对当前门的上一时刻，即第n时刻的状态Dⁿ进行更新，得到当前时刻，即第n+1时刻的状态Dⁿ⁺¹：若Dⁿ为“关”状态，获取的门状态信息为“开”状态，则Dⁿ⁺¹为“开”状态；若Dⁿ为“开”状态，获取的门状态信息为“关”状态，则Dⁿ⁺¹为“关”状态；

(4)根据门状态信息更新连通图，若门的状态为“关”状态，则删除该门所映射的连通图中的边；若门的状态为“开”状态，则添加该门所映射的连通图中的边；

(5)以当前位置在连通图上的位置作为起始点，利用路径规划算法在连通图中计算得到最优导航路径。

2.根据权利要求1所述的面向室内导航的动态路径生成方法，其特征在于：步骤(1)所述的建筑组件包括房间、走廊和门。

3.根据权利要求1所述的面向室内导航的动态路径生成方法，其特征在于：步骤(1)所述根据室内场景的建筑组件之间的空间约束构建连通图，具体包括以下过程：

对于由门隔开的两个房间，将房间抽象成节点，将房间之间的门抽象成边；

对于与房间相连的走廊，将房间抽象成节点，将门抽象成边，将走廊划分为一组顺走廊前进方向依次相连的空间单元，一个空间单元至少与一个房间通过门相连，每个空间单元抽象为一个节点，空间单元抽象成的节点通过门抽象成的边与房间连接；相邻的空间单元之间增加虚拟门，使空间单元抽象成的节点之间通过虚拟门抽象成的边连接；

所有节点构成节点的集合V，所有边构成边的集合E，所有门和虚拟门构成门的集合Σdoor，所有边集合与门集合之间的映射关系表示为构建连通图 $G_{con}=(V,E,\mathrm{\Σ}door,f_{door}^E).$

4.根据权利要求1所述的面向室内导航的动态路径生成方法，其特征在于：步骤(1)中，所述门状态触发器包括用于开门的指纹传感器，当行人进行指纹刷卡身份识别成功时，该指纹传感器对应的门的状态为“开”。

5.根据权利要求1所述的面向室内导航的动态路径生成方法，其特征在于：步骤(1)中，所述门状态触发器包括用于感知灾情状况的烟雾传感器，当烟雾传感器感检测到的烟雾浓度达到预设值时，该烟雾传感器对应的门的状态为“关”。

6.根据权利要求1所述的面向室内导航的动态路径生成方法，其特征在于：步骤(5)所述的路径规划算法为网络扩展路径规划算法。