CN106289235A - 基于建筑结构图的自主计算精度可控室内定位导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于建筑结构图的自主计算精度可控室内定位导航方法，首先，在被导航的物体上安装有传感器，至少包括运动传感器、测距传感装置和图像传感装置中的一种或多种；然后，确定目标的初始位置；而后基于建筑结构图实时定位与动态校准，最后通过规划的路径完成导航，在给导航系统输入目的地信息后，通过双向A*算法、遗传算法和神经网络算法中的一种进行路径规划，并根据建筑结构图信息预测出被导航物体在建筑物内的走廊、楼梯口、门口位置处的导航决策信息，导航过程中，在被导航物体到达走廊、楼梯口、门口位置之前给出导航决策信息，从而完成被导航物体的全部导航过程。本发明无需预设定位基准仅根据建筑结构图即可规划出精准的导航路径。

Description

基于建筑结构图的自主计算精度可控室内定位导航方法

技术领域

本发明涉及一种室内定位导航系统，尤其是涉及一种基于建筑结构图的自主计算精度可控室内定位导航系统。

背景技术

随着现代通信技术和物联网等领域的飞速发展，室内定位导航技术逐渐成为研究的热点。在仓库、图书馆、工厂等应用环境下，对移动运输的物品的定位与实时监控的需求越来越强烈。现有的室内定位技术多基于室内固定位置传感器件、并基于电磁波通信的被动测量，很容易受到电磁干扰、室内障碍物等的影响，从而限制了室内定位的精确度和实时性。

目前常用的导航技术有如下几种：

第一种是美国的全球卫星定位系统(GPS,Global Positioning System)和我国正在建设中的北斗卫星定位系统。以GPS为例，GPS全球卫星定位系统按计划要求应有24颗卫星分布在6个轨道平面上，平均高度约2万公里。用户使用卫星接收机可以测出接收机所在位置到各个卫星的几何距离。理论上，通过距三个卫星的距离即可解出三维坐标，但由于时间同步等问题，为了精确定位，这样的导航定位至少需要观测四颗GPS卫星。由于众多的GPS卫星分布在不同轨道上，因此用户每次都可观测到在地平线以上的7—9颗卫星。接收机则能够从其中优选4颗卫基进行定位[1]。

现有的GPS定位技术利用卫星等定位基准不间断实时提供被测物体的位置信息，并将其映射在地图上完成导航。区别于现有的GPS定位技术，本发明从定位开始就是基于“室内地图”(即建筑结构图)，从而在不需要预设定位基准的情况下，系统已经“知道”了当前位置的在建筑结构图上的信息，因为建筑本身就是本系统的定位基准。

第二种是Intel(英特尔)公司在2016年CES大会(国际消费类电子产品展览会)上展示的一种全新的防撞无人机，可以自动探测并绕过障碍物。这架无人机拥有可收缩起落架，配备4K(3840×2160像素分辨率)摄像头，内置显示器和控制器。这架无人机可以在人造树林中始终跟踪自行车骑行者，还能自动避开下落的树枝，并实时拍摄视频。这种无人机主要采用图像识别与高速运算的方式对目标物体进行定位跟踪，并利用相关传感器完成避障功能。本发明与之不同之处在于，本发明利用预先储存的建筑结构图作为计算依据，而上述无人机采用实时探测的方法。

第三种方法需要在各个标志位置布设大量无线传感器单元，基于Zigbee等短途低功耗无线局域网技术进行定位，如无线传感器网络等[2]。此类方法需要在已有建筑基础上额外构建全覆盖式无线传感器网络，成本投入较高，且当无线传感器单元损坏时，对应位置定位功能失效。本发明基于已有的建筑结构图进行计算定位，无需安装无线传感器单元和配置复杂的通信网络。

[参考文献]

[1]苗履丰.GPS全球卫星定位系统原理及其应用[J].测量员,1991,(3):5-7.

[2]Casacuberta I,Ramirez A.Time-of-flight positioning using theexisting wireless local area network infrastructure[C]//Indoor Positioningand Indoor Navigation(IPIN),2012 International Conference on.IEEE,2012:1-8.

发明内容

本发明旨在完成一种基于建筑结构图进行自主计算定位的室内导航系统。该系统在已知所在建筑的标准建筑结构图的前提下，将该建筑结构图做为位置计算和定位的基准，根据配置在运动物体上的运动、测距、图像等传感装置得到的实时感知、测量数据，计算得到运动物体的相对位移和绝对坐标。与此同时，根据对定位精度的要求，每间隔一定时间，对位置坐标进行动态校准。动态校准过程通过识别建筑结构图上固定参照物与测定定位物体到固定参照物的距离来实现。通过基于建筑结构图的计算定位和动态校准相结合，完成定位导航工作。本发明区别于包括GPS等定位导航技术在内的基于电磁波的被动式定位，根据自身的传感装置完成位移的感知，并结合建筑结构图特征信息完成自身位置坐标的确定，并根据位置信息和建筑结构图完成路径导航。从而完成一套无需预设定位基准，仅根据建筑结构图计算的定位导航系统。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于建筑结构图的自主计算精度可控室内定位导航方法，首先，在被导航的物体上安装有传感器，所述传感器至少包括运动传感器、测距传感装置和图像传感装置中的一种或多种；并按照下述步骤进行：

步骤一、确定目标的初始位置信息：根据所在建筑的建筑结构图建立一绝对坐标系，并确定被导航物体的当前位置坐标及方向：

步骤二、基于建筑结构图实时定位与动态校准：结合传感器数据计算得出被导航物体的运动信息，包括根据所述传感器的数据计算得到被导航物体在单位时间内的位移，根据实时检测到的被导航物体的角速度实时计算其运动方向，从而实现被导航物体的盲定位；基于建筑结构图上的特征结构信息确定三个固定参照物，利用测距传感装置得到被导航物体到各固定参照物的距离，计算得出被导航物体在建筑结构图中的位置；

步骤三、路径的规划及导航：在给导航系统输入目标坐标信息后，通过双向A*算法、遗传算法和神经网络算法中的一种进行路径规划，并根据建筑结构图信息预测出被导航物体在建筑物内的走廊、楼梯口、门口位置处的导航决策信息，在导航过程中，根据步骤二得出的被导航物体在建筑结构图中的位置，在被导航物体到达走廊、楼梯口、门口位置之前给出导航决策信息，从而完成被导航物体的全部导航过程。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

相比于已有的(室内)定位与导航技术，本发明具有如下优点：

第一，本发明为自主式定位。已有的被动定位测量系统需要在室内预先架设参考点，根据接收到的从参考点发射出的电磁波的信息进行复杂的反复计算得到位置信息。本发明不需发射电磁波的参考点，而是通过自带的结构图来计算在图上的位置以实现自主定位。系统所附带的传感器并不用来接收定位电磁波，只是进行自身位移计算，以及测距壁障、周围环境观察等辅助功能。

第二，本发明的定位导航基于建筑结构图，具有可预测性和速度快的优点。由于建筑结构图本身存储了关于建筑本身的足够信息，而物体的运动轨迹严格遵守建筑特点，定位时系统能够对物体的运动位置进行预测，导航时可提前对关键位置信息进行预测与提示，因此定位和导航速度均可很快。

第三，本发明的定位精度可控。本发明定位是基于自主计算实现的，这就实现了在硬件条件限制范围内，可以人工控制定位精度的功能。可以根据不同场合的定位需要，采取不同的定位精度，使定位更具有针对性，以最少的资源占用获得最好的效果。

附图说明

图1是基于建筑结构图自主计算精度可控定位的室内导航系统框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

为了实现本发明的目的，首先需要得到所在建筑的标准建筑结构图，该建筑结构图作为后续自主位置计算和导航的重要依据。定位方法主要是利用相关传感器获得的数据并结合建筑结构图特征计算物体移动的位移，即被定位物体相对于初始位置的坐标。在已知初始位置和方向的情况下，即可计算出该物体在建筑结构图上的绝对坐标。传感器的选用可以根据精度要求的不同选用速度传感器、加速度传感器、激光测距传感器、超声测距传感器等，还可以利用摄像头采集当前位置的图像来进行基于图像识别匹配的位置计算。系统的工作框图如图1所示。

基于建筑结构图的自主计算精度可控室内定位导航系统，主要包括包括传感器组、信号转换模块、微处理器和GPS系统，将上述模块按需要安装于被导航的物体上，所述传感器组中至少包括运动传感器、测距传感装置和图像传感装置中的一种或多种。其中，传感器组用于采集定位用的原始数据(如速度、加速度、图像等)，可能用到的传感器包括但不限于运动传感装置(例如速度计、加速度计、陀螺仪及各种新型运动传感器等)、测距传感装置(例如红外测距仪、激光测距仪、超声测距仪及各种新型测距传感器等)、图像传感装置(例如摄像头等)。信号转换模块负责将这些信息进行预处理，转换为适合微处理器处理的信号；GPS等动态校准模块用于确定被导航物体的初始位置。基于建筑结构图的自主计算精度可控室内定位导航方法，包括以下步骤；

步骤一、确定目标的初始位置信息：根据所在建筑的建筑结构图建立一绝对坐标系，并确定被导航物体的当前位置坐标及方向：

步骤二、基于建筑结构图实时定位与动态校准：结合传感器数据计算得出被导航物体的运动信息，包括根据所述传感器的数据计算得到被导航物体在单位时间内的位移，根据实时检测到的被导航物体的角速度实时计算其运动方向，从而实现被导航物体的盲定位；基于建筑结构图上的特征结构信息确定三个固定参照物，利用测距传感装置得到被导航物体到各固定参照物的距离，计算得出被导航物体在建筑结构图中的位置；

步骤三、路径的规划及导航：在给导航系统输入目标坐标信息后，通过双向A*算法、遗传算法和神经网络算法中的一种进行路径规划，并根据建筑结构图信息预测出被导航物体在建筑物内的走廊、楼梯口、门口位置处的导航决策信息，在导航过程中，根据步骤二得出的被导航物体在建筑结构图中的位置，在被导航物体到达走廊、楼梯口、门口位置之前给出导航决策信息，从而完成被导航物体的全部导航过程。

下面对于上述导航方法过程的各步骤进行详细描述：

步骤一中：首先需要获得建筑结构图，本发明是基于建筑结构图计算的定位系统，所以在使用前需要载入建筑结构图信息。可以将建筑与设计时所用的建筑结构图经过数字化处理后直接应用于本系统，将其存储在定位系统中。还可以根据需要在相应位置标记障碍物、标志物、运动限制、校准点等信息。

然后，根据所在建筑的建筑结构图建立绝对坐标系，此外还需待测物体的初始位置坐标及方向(即初始位置信息)。始位置坐标的获取可以采用以下几种方法：

第一种方法是进入建筑之前利用GPS信号获取，由于室内多数情况下无GPS信号或GPS信号较弱，所以此种方法一般仅适用于待测物体由室外进入室内的情况。第二种方法基于某一固定参照物与物体的距离，如可以以建筑中的两面墙作为基准，由于在建筑中墙的位置绝对固定，所以分别测量物体与两面墙的距离即可计算出该物体当前位置的绝对坐标。当受到实际条件限制前两种方法无法实现时，可采用第三种方法，即人工给定位置坐标的方法。该方法也可以用于移动中物体定位的校准。

步骤二中，基于建筑结构图实时定位与动态校准，在获取了物体的初始坐标信息和定位基准之后，就可以结合传感器数据进行物体的实时定位了。定位方法采取实时计算定位与位置动态校准相结合的办法。其中实时计算定位的时间间隔由前述精度的控制中对于定位精度的要求决定。

实时位置计算的数据来源于定位系统中的各类传感器，包括但不限于运动传感器(比如速度计、加速度计、陀螺仪及各种新型运动传感器等)、测距传感装置(比如红外测距仪、激光测距仪、超声测距仪及各种新型运动传感器等)、图像传感装置(摄像头等)等。通过上述传感器的数据，可以通过一定的方法计算出物体在一定时间内的位移。如根据加速度的定义可以知道，速度是加速度计对时间的积分，而位移是速度对时间的积分。即加速度对时间进行两次积分就可以计算出物体的位移。所以，通过加速度计获得实时加速度值，然后经过处理器对其做两次积分，即可计算出位移的距离。同时，根据陀螺仪等方向测定器件，实时检测物体运动的角速度，并实时计算物体的运动方向。获取物体的运动信息后，结合建筑结构图上的特征结构信息(如墙体、门、窗等)并配合其他传感模块，即可完成物体位置的确定。

然而，上述定位方法是一种仅仅基于运动数据计算的盲定位，这样的定位系统会在不断的计算中累积一定的误差，计算时间越长，则累积误差越大。以加速度计为例，目前加速度计的平均误差在0.08％-0.36％左右(测量范围在0.1g-0.4g，g为重力加速度)，若采用加速度积分的方法计算物体的位移，则随着时间的增长，误差会显著增加，对定位的精度有很大的影响。

所以，在进行计算定位的同时，还需通过一定方式完成动态定位校准。校准的方法采用基于建筑结构图上特征参照物的方法。即通过识别固定参照物与测定定位物体到固定参照物的距离来实现位置的计算并根据计算结果进行动态校准。所谓固定参照物，即使建筑物在建设中在设计图或建筑结构图上有固定位置的物体，这些物体的位置固定，不会轻易改变，例如建筑中的门、窗、墙壁等物体。因此，可以利用图像传感器实时对采集到的图像进行处理，并对图像中的物体进行分类识别，同时对其中的固定参照物利用测距传感装置(比如红外测距仪、激光测距仪、超声测距仪及新型等)进行测距，对于普通室内情况，理论上完成三个物体的识别与测距就能计算出当前被定位物体在建筑结构图中的位置

步骤三中，路径规划与导航，基于建筑结构图计算的室内导航系统的最大优势是具有可预测性，即系统本身即可通过建筑结构图和传感器数据预测出物体向某方向移动后会遇到什么。导航功能即基于此，在给系统输入目的地信息(如目标坐标信息)后，系统即可通过已有路径规划算法(如双向A*算法、遗传算法、神经网络等)和建筑结构图信息预测出在走廊、楼梯口、门口等关键位置处的决策信息。在导航过程中，通过前述实时计算和动态校准的方法确定物体的实时位置，并在到达关键位置之前，即通过系统给出决策信息，完成全部基于建筑结构图和自主计算的定位导航。

本发明导航方法中对于精度的控制，可以从三个方面来考虑。第一，传感器的精度。选用高精度的传感器则自然对应较高的定位精度。如红外传感器和超声传感器的测量精度较低，但激光测距的精度可以达到毫米量级。第二，定位基准的间隔。基于室内物品的机器视觉定位，比如门、窗、灯等，一般建筑中这些物体都具有规律性的间隔，而用此定位的精度也就取决于这些间隔的大小。第三，根据不同的精度要求，对物体位置的计算可以采用不同的时间间隔，精度要求越高，则每次位置计算之间的时间间隔越短。最高可以达到的精度取决于处理器的计算能力和传感器的最高采样频率。

本发明的定位精度由定位基准、计算条件和建筑结构图决定。由于起点位置严格可控、且在建筑结构图上可以找到其精准位置，运动物体可通过各种光、电、超声传感器获取相对位移信息，然后通过微电子处理器计算获得精确的绝对位置。各种光、电传感器的响应速度均在微秒量级(甚至更短)，超声传感器的响应速度也可以达到亚毫秒级，本发明所处理的物体的运动速度远远低于各类传感器和微电子处理器的处理速度，在十毫秒量级的时间内完全可以实现高精度的计算。

综上，本发明在实际应用中，应首先获得待测物体所在建筑的建筑结构图，并将建筑结构图导入定位系统的存储器当中。然后根据实际需要为待测物体配置传感装置。可能用到的传感装置有速度计、加速度计、陀螺仪、图像采集装置、红外测距仪、激光测距仪、超声测距仪及各种新型传感装置等。实际应用中可以根据具体情况采用其中的一种或几种。并将其与信号处理模块相连。确定初始位置后，即可将初始位置数据、传感器采集数据结合建筑结构图进行位置坐标的计算和实时动态校准工作。并根据位置信息和建筑结构图信息完成导航功能。同时，根据应用场合对精度的要求，通过调整计算频率等方式来控制定位精度。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种基于建筑结构图的自主计算精度可控室内定位导航方法，在被导航的物体上安装有传感器，所述传感器至少包括运动传感器、测距传感装置和图像传感装置中的一种或多种；其特征在于，包括以下步骤；

步骤一、利用GPS确定目标的初始位置信息：根据所在建筑的建筑结构图建立一绝对坐标系，并确定被导航物体的当前位置坐标及方向：

步骤二、基于建筑结构图实时定位与动态校准：结合传感器数据计算得出被导航物体的运动信息，包括根据所述传感器的数据计算得到被导航物体在单位时间内的位移，根据实时检测到的被导航物体的角速度实时计算其运动方向，从而实现被导航物体的盲定位；基于建筑结构图上的特征结构信息确定三个固定参照物，利用测距传感装置得到被导航物体到各固定参照物的距离，计算得出被导航物体在建筑结构图中的位置；

步骤三、路径的规划及导航：在给导航系统输入目标坐标信息后，通过双向A*算法、遗传算法和神经网络算法中的一种进行路径规划，并根据建筑结构图信息预测出被导航物体在建筑物内的走廊、楼梯口、门口位置处的导航决策信息，在导航过程中，根据步骤二得出的被导航物体在建筑结构图中的位置，在被导航物体到达走廊、楼梯口、门口位置之前给出导航决策信息，从而完成被导航物体的全部导航过程。