CN106606407A - 一种室内高精度盲人导航系统 - Google Patents

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张晓东
吴彤
肖登坤
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H3/00—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
    • A61H3/06—Walking aids for blind persons
    • A61H3/061—Walking aids for blind persons with electronic detecting or guiding means

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Abstract

一种室内盲人导航系统，系统包括定位服务器、导盲基站、导盲终端、上位机综合管理软件；导盲终端集成了MEMS惯性测量组件，能过测量载体三轴加速度、角加速度信息，并实时传给定位服务器；实时定位子系统采用基于MEMS惯性器件的个人导航算法，采用融合室内地图的回溯粒子滤波算法修正惯性导航中的航向漂移；在特殊点采用无线电定位，当检测到盲人到达特殊点时，用特定点的坐标修正惯导的位置漂移；结合位置信息以及目的地信息，定位服务器规划一条最优的路径，并将这一路径的控制指令实时的发给求助者；求助者携带的导盲终端收到控制指令后在语音库中查找对应的语音信息，通过语音播报的形式实现导航功能。

Description

一种室内高精度盲人导航系统
技术领域
本发明属于室内定位与导航领域。
背景技术
中国是世界上盲人最多的国家，约有900万视力障碍或全盲者，占全世界4500万盲人总数的1/5左右。人生活过程中95％的信息是通过视觉获得的。盲人生活在黑暗的世界中，给工作、生活、社交活动带来了莫大的困难。如何安全行走，是盲人生活中最大的问题。
目前，世界上对解决盲人室外导航问题的研究员比较多，也做的比较好，如盲道，公交站等公共场所的语音播报系统，室外用于盲人导航的全球定位系统(GPS，Global Positioning System)导航仪等。然而，对于盲人室内导航却鲜有成果出现。众所周知，GPS的导航功能已经非常成熟，基于GPS的室外盲人导航仪也在日趋完善，但盲人活动大多在于室内，即使外出，大多也是去另外的机关、医院、酒店等室内建筑，室内无GPS情况下行动难题的对于盲人是一块很大的心病。因此，室内导航项目的研究具有极其重要的社会意义与研究价值。
社会上也有其他方案可实现室内导航，但是各自有其自身的缺点。近年来，世界上许多研究人员都在研发导盲用机器人，以提高盲人的生活水平和质量，如白手杖、穿戴式避障系统、以及轮式导盲机器人。
发明内容
发明目的：提出一种用于室内盲人导航的语音导航方法和装置，该方法主要的目的在于提供高精度的导航信息，解决当前实际情况下盲人室内行动不便性的难题。
室内盲人导航系统的整体设计方案：
-终端层：导盲终端(定位、发送、接收、紧急求助、语音播报功能)
-接入层：导盲分站
-平台层：交换机，多功能综合服务器
-显控层：上位机(综合管理软件系统)
语音导盲系统的工作流程如下：
步骤1：当启动导航模式时，MEMS姿态测量模块测量导盲终端的姿态；
步骤2：盲人携带的导盲终端会实时向外广播无线信号，当该无线信号被定位分站接收到之后，就能把该导盲终端的身份标识号(ID，Identification)号、姿态信息以及无线信号强度都传送给定位服务器，
步骤3：定位服务器再基于高精度定位算法实现位置解算，从而得到每个盲人的实时 位置。
步骤4：盲人通过语音的形式输入目的地信息，语音模块识别后将解码信息传给微处理器，微处理器处理后通过无线发送模块向外广播。
步骤5：结合位置信息以及盲人发来的目的地信息以及姿态信息，定位服务器会规划一条最优的路径。
步骤6：定位服务器实时更新路径信息，并将路径控制指令发给离求助者最近的定位分站。
步骤7：导盲终端收到控制指令后在语音库中查找对应的语音信息，通过语音播报的形式实现导航功能。
基于惯导的室内高精度定位算法流程：
步骤1：定位服务器利用导盲终端传来的加速度和角加速度数据做捷联解算，计算速度、位置、姿态；
步骤2：利用加速度及角速度数据做零速判断，检测为零速时更新卡尔曼滤波器，修正速度、姿态、位置等误差；
步骤3：采用经卡尔曼滤波修正后的信息更新粒子滤波器；
步骤4：判断经粒子滤波估计的一步量测是否穿墙；
步骤5：若一步量测穿墙，将粒子滤波器输出作为最终定位结果；
步骤6：若一步量测不穿墙，以经卡尔曼滤波修正后的信息作为最终输出；
导盲终端特征在于，由微处理器，无线发送接收模块，存储模块，语音模块，供电模块组成。微处理器主要用于解码无线接收模块收到的控制指令，在存储模块中查找对应的语音信息，将语音信息发给语音模块，语音模块通过扬声器播报给盲人以实时的语音导航信息；语音模块还有一个功能是语音交互，使用者通过语音输入要到达的目的地，语音模块识别后将解码信息传回微处理器；无线发送模块是向外界发送无线信号；无线接收模块是用于接收来自定位基站的控制指令；MEMS姿态测量模块用于测量导盲终端的姿态；供电模块为整个导盲终端进行电源供电。
本发明技术方案带来的有益效果在于，利用了惯性导航精度高的特点，同时避免了传统的惯导系统中终端进行捷联解算计算量大的问题，将大量的计算工作都较高定位服务器；本发明提出的融合室内地图的回溯粒子滤波算法有效抑制了惯性导航中航向漂移问题，实现高精度定位与导航。导盲终端简单便携，系统工程复杂度低，性价比高。
附图说明
图1为室内盲人导航系统的整体设计方案
图2为语音导盲系统的工作流程图
图3为基于惯导的室内高精度定位算法流程图
图4为语音导盲终端原理图
图5实施例1的环境配置示意
具体实施方式
实施例1
如图4所示假定在系统中按照50m站间距进行定位基站的部署，该定位基站采用的WLAN技术为WIFI，各技术参数如下：
1、并发识别数量≥100个、位移速度≤60km/h时，智能卡能被系统正确识别，漏读率≤10-4。
2、导盲基站应具有数据存储功能，当系统通信中断时，基站能够暂时存储相关信息≥2h，系统通信正常时上传至监控中心。
3、导盲基站的信号辐射半径不小于100米。

Claims (10)

1.一套基于惯导及无线电技术的室内盲人导航系统，其特征在于：
系统包括定位服务器、导盲基站、导盲终端、上位机综合管理软件。
导盲终端集成了MEMS惯性测量组件，能过测量载体三轴加速度、角加速度信息，并实时传给定位服务器。
实时定位子系统采用基于MEMS惯性器件的个人导航算法，采用融合室内地图的回溯粒子滤波算法修正惯性导航中的航向漂移。
盲人携带的导盲终端会实时向外广播无线信号，当该无线信号被导盲分站接收到之后，就能把该导盲终端的ID号以及无线信号强度都传送给定位服务器，定位服务器再基于高精度定位算法实现位置解算，从而得到每个盲人的实时位置。
结合位置信息以及目的地信息，定位服务器规划一条最优的路径，并将这一路径的控制指令实时的发给求助者。
求助者携带的导盲终端收到控制指令后在语音库中查找对应的语音信息，通过语音播报的形式实现导航功能。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS惯性器件的个人导航算法，其特征在于：
所述零速检测方法，采用加速度模值方差、加速度模值、角速度模值相结合的阈值判别法。
零速检测触发卡尔曼滤波，每一步中零速间隔的开始时刻触发卡尔曼滤波器，卡尔曼滤波的离散时间不固定，以每一步持续的时间为卡尔曼滤波的离散时间。当检测到每一步零速间隔的开始时刻tk时，更新卡尔曼滤波并将估计结果反馈给系统。
所述卡尔曼滤波估计用δr＝δv*Δt来近似位置误差，Δt为步行中每一步的运动持续时间，δv表示速度误差。
3.根据权利要求1所述的基于MEMS惯性器件的个人导航算法，其特征在于：
所述粒子滤波是在零速检测的基础上将SINS解算轨迹逐步分割，估计出每一步的步长lk和航向角改变量Δψk。
底层卡尔曼滤波的离散时间是对应每一步持续的时间，tk时刻底层卡尔曼滤波修正后的位置为航向为
利用零速检测算法，当判断在k时刻一步运动结束时触发粒子滤波器在k时刻的更新。
4.根据权利要求3所述的粒子滤波算法，其特征在于：
所述融合室内地图的回溯粒子滤波器(Particle Filter Based)，是一种基于粒子历史轨迹来修正粒子状态的滤波方法，当检测到当前粒子为无效粒子时，回溯到上一步从新更新粒子。
融入室内地图信息后使BPF受到墙面信息的限制。如果相邻两步粒子的连线与地图信息中的墙壁有交点，回溯到上一步从新生成新粒子。经若干次尝试后生成的新粒子仍然穿墙就将其标记为无效粒子。
5.根据权利要求1所述的基于MEMS惯性器件的个人导航算法，其特征在于：
所述粒子滤波算法，选取具有先验性质的状态转移密度函数作为重要性概率密度函数。
在有效粒子数Neff≤0.7*N时引入重采样算法限制粒子退化现象，其中N表示粒子总数。
粒子权重结合欧氏相似度与余弦相似度原理可按下式表示：其中，L为tk时刻第i个粒子位置与底层卡尔曼修正后的位置间的距离。θ为tk时刻的一步量测航向角与第i个粒子的航向角之差。
6.如权利要求1所述的定位服务器，其特征在于：
包含高精度定位算法、路径规划算法、以及点对点的广播算法，可将导航信息发送到离求助者最近的定位基站，定位基站以无线的形式将导航信息发送给对应的导盲终端，高精度定位算法中在特定位置点处用无线电定位来修正惯导的位置漂移。
7.如权利要求1所述导盲终端，其特征在于：
包含存储模块、微处理器、无线发送接收模块、存储模块、语音模块、MEMS姿态测量模块。
8.如权利要求1所述上位机综合管理软件，其特征在于：
所述上位机综合管理软件提供了盲人导航的综合管理功能，主要实现盲人定位系统的管理及显示，包括但不限于如下功能：人员管理、定位引擎运行前的各种配置管理、定位结果的显示以及日志(Log)数据库的管理等，在监控中心上位机上输入任意选定盲人的终端编号，可以显示该盲人的实时位置信息，并可按照时间段对指定人员的行走轨迹进行历史回放显示等。
9.如权利要求1所述定位子系统，其特征在于：
系统可以实现对佩戴导盲终端的盲人不间断地实时精确定位与跟踪，采用可视化电子地图作为显示平台，直观地显示所有盲人的实时动态情况，系统可以根据实际场景、人员密度等自适应选择定位算法。
10.如权利要求1所述路径控制指令，其特征在于：
当导盲终端收到导航控制指令时，微处理器进行解码后在存储器中查询对应的音频信息，并将其发送给语音模块，通过扬声器播放给盲人提供实时的导航信息。
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