CN105203095A - 一种室内三维空间实时路径导航方法及导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内三维空间实时路径导航方法及导航系统，该方法包括：根据室内平面图纸建立三维网格模型；根据起点位置信息、目的地位置信息以及人流量信息，在三维网格数据模型中寻找最近的不拥堵的网格组成导航路径。该系统包括：采集器、接收器以及处理器，其中：采集器用于采集起点位置信息以及人流量信息；接收器用于接收采集器所采集的起点位置信息以及室内人流量信息，还用于接收终点位置信息；处理器用于对接收器所接收的起点位置信息、终点位置信息以及室内人流量信息进行处理，得到导航路线。本发明的室内三维空间实时路径导航方法及导航系统，充分考虑了室内环境中障碍物及人流分布的情况，能够使人员在陌生环境中快速到达目的地。

Description

一种室内三维空间实时路径导航方法及导航系统

技术领域

本发明涉及室内导航技术领域，特别涉及一种室内三维空间实时路径导航方法及导航系统。

背景技术

全球定位系统(GPS)和北斗卫星导航系统等，因为具有在全球范围内全天候、连续、实时工作的特点，已经被广泛应用于各行各业中。其中，最贴近日常生活的应用莫过于室外定位与导航。同时，随着智能手机的普及以及移动互联网的发展，应用市场上出现越来越多基于地理位置的APP。即使在陌生的地方，想去哪儿和查询周边设施、商铺都只需搜索几秒钟，应用便会指示从当前位置如何最快的到达目的地，为人们在世界各地的大街小巷自由出行提供了极大的便利。

但如果目的地是商场内的某家商铺，以上定位技术却不能够准确的指示商场门口到商铺之间的路径。因为其定位精度在10m左右，相对室内导航要求的1m左右的精度还有一定的差距。且室内环境复杂，特别是一些大型商场，可接收到的GPS卫星信号容易受到墙体等障碍物的阻隔而大大减弱或者产生多路径效应，使得定位精度大大降低。所以，卫星定位在室外开阔地区能够很好的定位，而在复杂的室内环境中却无法精准定位。

室内导航是在室内地图和室内定位技术基础上为在大型建筑内活动的用户提供最优路径的地图服用应用，与室内定位和路径规划紧密相关。Google、Baidu等多家地图行业都开始大量投入室内地图方面的业务，但Google公司绘制室内地图进展最快的也仅仅只覆盖了北美、欧洲、澳大利亚和日本等地的总计1万多家大型场馆，Baidu目前仅覆盖北京的6家大型商场。在室内定位技术方面，比较成熟的包括蓝牙、Wi-Fi、RFID、Zigbee、超宽带、地磁等技术。目前国内许多购物中心、机场等室内场所都布有Wi-Fi热点，利用已经存在的Wi-Fi热点，无需额外设备，即可实现定位、导航，其定位精度为3米-15米。但具有较强的时变特性，且训练数据采集工作量大，不适于高精度实时跟踪场景。

与室内定位技术相同，室内空间建模以及路径搜索算法尚缺乏成熟的理论和技术。一些研究者将室外路径搜索方法应用于室内环境，通过提取走廊、通道的中心线和房间、大厅的几何中心点构建点线拓扑关系，从而使用寻路算法进行路径规划。但此种建模方法不能够准确的体现真实环境，例如，障碍物。并且，现有的导航方法没有考虑实时人流情况，人员根据此导航路线可以到达目的地，但是途中可能存在拥堵情况，不能快速到达目的地。

综上所述，国内甚至全球内，室内定位与导航尚未有一套成熟的解决方案。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种室内三维空间实时路径导航方法及导航系统，充分考虑了室内环境中障碍物以及人流分布的情况，解决了人员在室内环境中无法正确、快速地找到目的地的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种室内三维空间实时路径导航方法，其包括以下步骤：

S11：根据室内平面图纸建立三维网格模型；

S12：根据起点位置信息、目的地位置信息以及人流量信息，在三维网格数据模型中寻找最近的不拥堵的网格组成导航路径。

较佳地，所述步骤S11进一步包括：

S111：将室内平面图纸转换为预设格式的数据；

S112：对所述数据进行三维化，得到三维数据；

S113：根据所述三维数据建立三维网格模型；

S114：为所述三维网格模型设置连通性。

较佳地，所述步骤S111进一步为：将所述室内平面图纸的门、楼梯及不可通行区域的轮廓线转换为预设格式的数据，对转换不正确的数据进行矢量化修正，将转换后的数据转换为室内平面面状要素。

较佳地，所述步骤S112进一步为：为所述数据赋予相应的高度值，并矢量化所述数据中的楼梯，提取楼梯拐点，将拐点平面根据上下楼梯部分分隔，提取每一部分的几何中心点。

较佳地，所述步骤S113进一步为：根据所述三维数据，为每一层楼按照预定的网格大小建立覆盖其平面的三维网格层。

较佳地，所述步骤S114进一步为：将所述室内平面面状要素与对应的三维网格层进行叠加相交，当所述室内平面面状要素占据所述网格面积的50％以上时，所述室内平面面状要素占据所述网格；否则不占据所述网格；

对于障碍物所占据的网格，权重设为0，表示不可通行，对于门、楼梯所占据的网格，权重设为1，表示可通行。

较佳地，所述步骤S114还包括：为不同的楼梯所占据的网格设置不同的命名。

较佳地，所述步骤S12进一步包括：

S1201：根据起点位置信息计算出起点所在的网格，把所述起点所在的网格存入开启列表中；

S1202：寻找所述起点所在的网格周围可以到达的网格，将所述可以到达的网格存入所述开启列表中，并将所述可以到达的网格的父网格设置为所述起点所在的网格；

S1203：将所述起点所在的网格从所述开启列表中删除，并将所述起点所在的网格加入关闭列表；

S1204：选中开启列表中使目标函数值最低的网格，将所述选中的网格从开启列表中删除，并将其加入关闭列表；

S1205：检查与所述选中的网格相邻并且可以到达的网格，如果该网格不在开启列表中，则将该网格存入开启列表中，将该些网格的父网格设置为所述选中的网格；

S1206：如果该网格已在开启列表中，检查从所述起点所在的网格经选中的网格到达该网格的耗时是否小于经由其父网格到达该网格的耗时，如果是，则将该网格的父网格更改为选中的网格；

S1207：重复步骤S1204～S1206，直至所述开启列表中出现终点所在的网格，所述关闭列表中的所述网格组成的路径即为导航路径；

其中：所述目标函数为使两个可以到达的网格之间耗时最短且人流量最小。

较佳地，所述目标函数为：

F＝(1+a)*G+H

其中：G表示从指定的起始网格沿着产生的路径移动到指定的网格的移动耗时；H表示从所述指定的网格移动到终点所在的网格的耗时；a表示人流量系数，a＝单位网格内人数/(人均占据网格面积*单位网格面积)。

本发明还提供一种室内三维空间实时路径导航系统，其包括：采集器、接收器以及处理器，其中：

所述采集器用于采集起点位置信息以及人流量信息；

所述接收器用于接收所述采集器所采集的起点位置信息以及室内人流量信息，还用于接收终点位置信息；

所述处理器用于对所述接收器所接收的起点位置信息、终点位置信息以及室内人流量信息进行处理，得到导航路线。

较佳地，所述处理器包括：

三维网格模型单元，用于根据室内平面地图建立三维网格模型；

导航路线确定单元，用于根据所述起点位置信息、终点位置信息以及室内人流量信息，在所述三维网格模型中确定导航路线。

相较于现有技术，本发明具有以下优点：

(1)本发明提供的室内三维空间实时路径导航方法及导航系统，解决人员在陌生室内环境中无法正确、快速找到目的地的情况；

(2)本发明充分考虑了室内环境中障碍物以及人流量分布的情况，可以有效避免路径中的拥堵情况，节省了人员到达目的地的时间；尤其在一些特殊事件导致室内人流密集的情况下，例如商场跨年活动，或者对于视力有障碍的人员，有利于其避开人群迅速撤离室内。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：

图1为本发明的室内三维空间实时路径导航方法的操作步骤图；

图2为本发明的实施例1的建立三维网格模型的操作步骤图；

图3为本发明的实施例1的建立三维网格模型的流程图；

图4为本发明的实施例2的确定导航路径的操作步骤图；

图5为本发明的实施例2的确定导航路径的流程图；

图6为本发明的室内三维空间实时路径导航系统的结构示意图。

标号说明：1-采集器，2-接收器，3-处理器；

31-三维网格模型单元，32-导航路线确定单元。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明的室内三维空间实时路径导航方法的流程图如图1所示，其包括以下步骤：

S11：根据室内平面图纸建立三维网格模型；

S12：根据起点位置信息、目的地位置信息以及人流量信息，在三维网格数据模型中寻找最近的不拥堵的网格组成导航路径。

下面结合具体的实施例对步骤S11和步骤S12进行详细的描述。

实施例1：

结合图2-3，本实施例详细描述步骤S11，其具体包括以下步骤：

S111：将室内平面图纸转换为预设格式的数据；

S112：对数据进行三维化，得到三维数据；

S113：根据三维数据建立三维网格模型；

S114：为三维网格模型设置连通性，即可通行和不可通行。

其中，步骤S111具体为：采用CAD平面图纸，保留室内平面、门、楼梯以及障碍物(包括柱子、墙、家具等其他障碍物)的轮廓线，经地理信息系统软件(ArcMap)转换得到格式为.shp的数据，并对转换不正确的数据进行矢量化修正；再将转换过后的数据经ArcMap转换为面状要素，以便于对三维网格模型连通性的设置。

步骤S112具体为：在3D地理信息系统软件(ArcScene)中为数据赋予相应的高度值，并且矢量化楼梯，提取楼梯关键点(即楼梯拐点，若楼梯包含拐角，则将拐角平面根据上下楼梯部分分隔，提取每一部分的几何中心点)。

步骤S113具体为：为室内的每一层楼建立能够覆盖其平面的三维网格层，该网格层的层高为该楼层的楼层高，且每个网格具有权重和楼梯名两个属性。其中，网格的大小与寻路算法的效率和是否能够表达真实环境息息相关，根据需要和实际环境设置恰当的网格大小才能同时满足正确表达真实环境与保证寻路算法效率。

步骤S114具体为：根据室内环境中的门、楼梯以及障碍物等来设置上述步骤建立的三维数据网格层的连通性，即设置其权重和楼梯名两个属性，对于障碍物(如柱子、墙、家具等障碍物)所占据的网格，权重属性值设为0，表示不可通行；门、楼梯所占据的网格，权重属性值设为1，表示可通行；楼梯所占据的网格，楼梯名属性值为该楼梯名，楼梯名的命名规则可以有多种，如：“STR_楼层号_楼梯在该层的编号”，此时第一层第一个楼梯的命名为“STR_1_1”。判断其占据网格的依据为：当面状要素占据网格面积的50％以上时，表示该面状要素占据该网格，否则，不占据该网格。当然，不同实施例中，面状要素占据网格面积的百分比也可根据实际环境进行不同的设置。

本实施例提供了一种高效构建室内三维网格模型的方法，利用该方法建立的三维网格模型不仅能够真实表达室内环境，而且为后续的导航算法提供了方便。

实施例2：

结合图4-5，本实施例详细描述S12的另一种方法，其包括以下步骤：

S1201：根据起点位置信息计算出起点所在的网格A，把网格A存入开启列表中；

S1202：寻找网格A周围可以到达的网格，将可以到达的网格存入开启列表中，并将可以到达的网格的父网格设置为网格A；

S1203：将网格A从开启列表中删除，并将网格A加入关闭列表；

S1204：选中开启列表中使目标函数值最低的网格，将选中的网格B从开启列表中删除，并将其加入关闭列表；其中，目标函数为：

F＝(1+a)*G+H

式中，G表示从网格A沿着产生的路径移动到指定的网格的移动耗时；H表示从指定的网格移动到终点的耗时；a表示人流量系数，a＝单位网格内人数/(人均占据网格面积*单位网格面积)，此实施例中人均占据网格面积以0.25m²计算，，单位网格大小以0.6m*0.6m为例，当a>1时，表示网格内过于拥挤，无法再通过行人，将a置为-1，当a介于0和1之间时，表示网格内可以通过行人；

S1205：检查与网格B相邻并且可以到达的网格，如果该网格不在开启列表中，则将该网格存入开启列表，计算该些网格的G、H和F值，将该些网格的父网格设置为网格B；

S1206：如果该网格已在开启列表中，检查从网格A经由网格B到达该网格的耗时G是否小于经由其父网格到达该网格的耗时G，如果是，则将该网格的父网格更改为网格B，然后重新计算F值和G值，反之，不用更改；

S1207：重复步骤S1204～S1206，不断从开启列表中寻找F值最小的网格，把它从开启列表中移除，添加到关闭列表中，直至开启列表中出现终点所在的网格，表明路径已经搜索到，关闭列表中的网格组成的路径即为导航路径。

上述实施例中的目标函数只是举例说明，不同实施例中，可以有多种实现方式，只要其能够保证在人流量少的同时，耗时最少，能够平衡两者之间的关系，使其达到最优化便可以。

上述实施例提供了一种能够结合室内实时人流量快速寻找路径的方法，其能够规划出一条避开拥挤处人流的最短路径，能够指引人们在复杂陌生的室内环境中快速到达目的地。

结合图6，对本发明的室内三维空间实时路径导航系统进行详细的描述，其包括：采集器1、接收器2以及处理器3，处理器3包括三维网格模型单元31和导航路线确定单元32。其中：采集器1用于采集起点位置信息以及人流量信息；接收器2用户接收采集器1所采集的起点位置信息以及室内人流量信息，还用于接收终点位置信息；处理器3用于对接收器2所接收的起点位置信息、终点位置信息以及室内人流量信息进行处理，得到导航路线。具体地，三维网格模型单元31用于根据室内平面地图建立三维网格模型；导航路线确定单元32用于根据起点位置信息、终点位置信息以及室内人流量信息，在三维网格模型中确定导航路线。

较佳实施例中，采集器可以采用iBeacon模块，利用iBeacon技术实时检测统计出室内环境人流量以及定位使用者，改进A*算法的启发式函数，能够指引人们在复杂陌生的室内环境中避开人群密集的地方，快速到达目的地。

此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。

Claims (11)

1.一种室内三维空间实时路径导航方法，其特征在于，包括以下步骤：

S11：根据室内平面图纸建立三维网格模型；

S12：根据起点位置信息、目的地位置信息以及人流量信息，在三维网格数据模型中寻找最近的不拥堵的网格组成导航路径。

2.根据权利要求1所述的室内三维空间实时路径导航方法，其特征在于，所述步骤S11进一步包括：

S111：将室内平面图纸转换为预设格式的数据；

S112：对所述数据进行三维化，得到三维数据；

S113：根据所述三维数据建立三维网格模型；

S114：为所述三维网格模型设置连通性。

3.根据权利要求2所述的室内三维空间实时路径导航方法，其特征在于，所述步骤S111进一步为：将所述室内平面图纸的门、楼梯及障碍物的轮廓线转换为预设格式的数据，对转换不正确的数据进行矢量化修正，将转换后的数据转换为室内平面面状要素。

4.根据权利要求2所述的室内三维空间实时路径导航方法，其特征在于，所述步骤S112进一步为：为所述数据赋予相应的高度值，并矢量化所述数据中的楼梯，提取楼梯拐点，将拐点平面根据上下楼梯部分分隔，提取每一部分的几何中心点。

5.根据权利要求2所述的室内三维空间实时路径导航方法，其特征在于，所述步骤S113进一步为：根据所述三维数据，为每一层楼按照预定的网格大小建立覆盖其平面的三维网格层。

6.根据权利要求3所述的室内三维空间实时路径导航方法，其特征在于，所述步骤S114进一步为：将所述室内平面面状要素与对应的三维网格层进行叠加相交，当所述室内平面面状要素占据所述网格面积的50％以上时，所述室内平面面状要素占据所述网格；否则不占据所述网格；

对于障碍物所占据的网格，权重设为0，表示不可通行，对于门、楼梯所占据的网格，权重设为1，表示可通行。

7.根据权利要求6所述的室内三维空间实时路径导航方法，其特征在于，所述步骤S114还包括：为不同的楼梯所占据的网格设置不同的命名。

8.根据权利要求1所述的室内三维空间实时路径导航方法，其特征在于，所述步骤S12进一步包括：

S1201：根据起点位置信息计算出起点所在的网格，把所述起点所在网格存入开启列表中；

S1202：寻找所述起点所在网格周围可以到达的网格，将所述可以到达的网格存入所述开启列表中，并将所述可以到达的网格的父网格设置为所述起点所在的网格；

S1203：将所述起点所在网格从所述开启列表中删除，并将所述起点所在的网格加入关闭列表；

S1204：选中开启列表中使目标函数值最低的网格，将所述选中的网格从开启列表中删除，并将其加入关闭列表；

S1205：检查与所述选中的网格相邻并且可以到达的网格，如果该网格不在开启列表中，则将该网格存入开启列表中，将该些网格的父网格设置为所述选中的网格；

S1206：如果该网格已在开启列表中，检查从所述起点所在的网格经选中的网格到达该网格的耗时是否小于经由其父网格到达该网格的耗时，如果是，则将该网格的父网格更改为选中的网格；

S1207：重复步骤S1204～S1206，直至所述开启列表中出现终点所在的网格，所述关闭列表中的所述网格组成的路径即为导航路径；

其中：所述目标函数为使两个可以到达的网格之间耗时最短且人流量最小。

9.根据权利要求8所述的室内三维空间实时路径导航方法，其特征在于，所述目标函数为：

F＝(1+a)*G+H

其中：G表示从指定的起始网格沿着产生的路径移动到指定的网格的移动耗时；H表示从所述指定的网格移动到终点所在的网格的耗时；a表示人流量系数，a＝单位网格内人数/(人均占据网格面积*单位网格面积)。

10.一种室内三维空间实时路径导航系统，其特征在于，包括：采集器、接收器以及处理器，其中：

所述采集器用于采集起点位置信息以及人流量信息；

所述接收器用于接收所述采集器所采集的起点位置信息以及室内人流量信息，还用于接收终点位置信息；

所述处理器用于对所述接收器所接收的起点位置信息、终点位置信息以及室内人流量信息进行处理，得到导航路线。

11.根据权利要求10所述的室内三维空间实时路径导航系统，其特征在于，所述处理器包括：

三维网格模型单元，用于根据室内平面地图建立三维网格模型；

导航路线确定单元，用于根据所述起点位置信息、终点位置信息以及室内人流量信息，在所述三维网格模型中确定导航路线。