CN108180901A - 导盲机器人的室内导航方法、装置、机器人及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明适用机器人领域，提供了一种导盲机器人的室内导航方法、装置、机器人及存储介质，该方法包括：接收盲人用户输入的导航请求，导航请求中包括目的地位置，根据接收到的导航请求，获取导盲机器人的起始位置，根据目的地位置、获取到的起始位置和预先构建的导航地图，规划从起始位置和目的地位置之间的路径，路径由一系列位置点组成，根据规划出的路径引导盲人用户沿路径进行移动，直至到达目的地位置，结束导航，盲人用户通过导盲机器人的室内导航，从而提高了对盲人用户进行导航的精确性，进而提高了用户体验。

Description

导盲机器人的室内导航方法、装置、机器人及存储介质

技术领域

本发明属于机器人领域，尤其涉及一种导盲机器人的室内导航方法、装置、机器人及存储介质。

背景技术

全世界有数以千计的盲人，盲人出行一直是盲人生活中一个最大的难题，对于盲人来说，传统的出行方式有依靠盲杖、盲道和导盲犬，但是盲道存在被破坏、被占用和被堆放危险物品的状况，盲杖不能主动引导，导盲犬虽然是非常有效的辅助盲人行走的工具，但是由于其训练难度大，耗费时间长，成本高，导致导盲犬的使用率并不高。相对来说，移动机器人操作简单，高效，成本低廉，具有很大的应用价值和发展前景。因此，研究移动机器人来代替导盲犬具有重大意义。

专利201520775575.0提到了一款电子导盲犬，依托单片机为核心处理单元，借助超声波传感器实现避障，同时通过语音输出模块告知盲人障碍物大体位置。由于受到环境场景的限制，语音识别会出现漏听，误听等问题，尤其是在一些环境噪音较大的地方，导盲犬机器人很有可能无法识别出用户的指令，以及导航路线如何准确的通知用户也是在使用过程中存在的重大问题，同时，超声波传感器只能在距离很近的情况下实现准确测量，如果导盲犬机器人四周障碍物较远，将出现无法定位其位置的问题。

专利201410308727.6提到了一种盲人用室内场所智能引导方法及系统，利用射频ID卡使盲人进入识别区域后将盲人的信息发送到服务器上，盲人通过键盘选择目的地，服务器通过发送语音信号来引导盲人前往目的地。每一个盲人都有其对应的射频ID卡，因此可以保证多人同时使用。音频无需使用扬声器，避免了扰民的问题。同时专利201610046949.4也提到了一款用于室内的盲人导航系统，将RFID(射频识别)标签安放在室内各个物品上，盲人随身携带RFID读取终端，实现了在室内环境下盲人知道自己面前的是什么，从而知道自己的位置。这两项专利通过利用射频标签来实现室内定位，再通过语音播报给盲人的方法虽简单可行，但实用性不高，仅仅局限于类似家中的地点，但是对于盲人来说家中的环境应当足够熟悉，同时环境不会产生较大变化，盲人并不需要通过标签来识别自身当前位置以及身前的物品，同样的对指定区域添加服务器和射频ID卡的方法未考虑避障的问题，服务器端只能获得盲人当前位置，但对于导航过程中的静止障碍物、移动障碍物并未提供躲避方法，而且整个系统需要建立在环境改变的基础上，从而导致实现成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种导盲机器人的室内导航方法、装置、机器人及存储介质，旨在解决由于现有技术无法提供一种有效的导盲机器人的室内导航方法，导致盲人导盲机器人的导航路径不精确的问题。

一方面，本发明提供了一种导盲机器人的室内导航方法，所述方法包括下述步骤：

接收盲人用户输入的导航请求，所述导航请求中包括目的地位置；

根据接收到的所述导航请求，获取导盲机器人的起始位置；

根据所述目的地位置、获取到的所述起始位置和预先构建的导航地图，规划从所述起始位置和所述目的地位置之间的路径，所述路径由一系列位置点组成；

根据规划出的所述路径引导所述盲人用户沿所述路径进行移动，直至到达所述目的地位置。

另一方面，本发明提供了一种导盲机器人的室内导航装置，所述装置包括：

请求接收单元，用于接收盲人用户输入的导航请求，所述导航请求中包括目的地位置；

起始位置获取单元，用于根据接收到的所述导航请求，获取导盲机器人的起始位置；

路径规划单元，用于根据所述目的地位置、获取到的所述起始位置和预先构建的导航地图，规划从所述起始位置和所述目的地位置之间的路径，所述路径由一系列位置点组成；以及

路径导航单元，用于根据规划出的所述路径引导所述盲人用户沿所述路径进行移动，直至到达所述目的地位置。

另一方面，本发明还提供了一种导盲机器人，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如前所述方法的步骤。

另一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前所述方法的步骤。

本发明接收盲人用户输入的导航请求，导航请求中包括目的地位置，根据接收到的导航请求，获取导盲机器人的起始位置，根据目的地位置、获取到的起始位置和预先构建的导航地图，规划从起始位置和目的地位置之间的路径，路径由一系列位置点组成，根据规划出的路径引导盲人用户沿路径进行移动，直至到达目的地位置，结束导航，盲人用户通过导盲机器人的室内导航，从而提高了对盲人用户进行导航的精确性，进而提高了用户体验。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的导盲机器人的室内导航方法的实现流程图；

图2是本发明实施例二提供的导盲机器人的室内导航装置的结构示意图；

图3是本发明实施例二提供的导盲机器人的室内导航装置的优选结构示意图；以及

图4是本发明实施例三提供的导盲机器人的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

实施例一：

图1示出了本发明实施例一提供的导盲机器人的室内导航方法的实现流程，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

在步骤S101中，接收盲人用户输入的导航请求，导航请求中包括目的地位置。

本发明实施例适用于机器人，例如，导盲机器人，机器人上配置蓝牙控制器、超声波传感器以及深度摄像头。在接收盲人用户输入的导航请求前，优选地，接收盲人用户通过手持移动终端发送的蓝牙连接请求，当蓝牙连接成功后，通过深度摄像头对盲人用户进行人脸识别，识别成功后，调整深度摄像头位置，并通过语音告知盲人用户准备完毕，从而保证盲人用户输入的导航请求能够接收成功。盲人用户可以通过手持移动终端语音输入导航请求，也可以通过手持移动终端上的盲文按键输入导航请求。

在接收盲人用户输入的导航请求前，要预先构建导航地图，因此，进一步优选地，控制导盲机器人对室内环境进行遍历，遍历时通过深度摄像头采集室内环境的图像信息及距离信息，根据采集到的距离信息，进行同步定位以及实时建图，提取采集到的室内环境图像的关键帧数据，相邻关键帧数据用迭代最近位置点的方法进行匹配，得到粗略的地图以及导盲机器人遍历轨迹，根据得到的粗略地图以及导盲机器人轨迹信息，利用粒子滤波算法模拟导盲机器人位姿，随着地图不断构建大量粒子聚集到导盲机器人真实位置，得到导盲机器人的精准定位，根据得到的精准定位调整粗略地图，以得到高精度室内导航地图，从而使得导航地图与当前室内环境相吻合，保证导航的准确性。

在步骤S102中，根据接收到的导航请求，获取导盲机器人的起始位置。

在本发明实施例中，在获取导盲机器人的起始位置时，优选地，将导盲机器人当前采集到的室内图像与预先构建的导航地图中的室内环境图像进行匹配，以得到导盲机器人的粗略位置信息，控制导盲机器人以粗略位置为中心、在预先设置的范围内进行移动，获取导盲机器人移动后所在位置的室内图像，将移动后室内图像与导航地图中的室内环境图像进行匹配，直到移动后的匹配度大于预设阈值时，将导盲机器人移动后的当前位置设置为导盲机器人的起始位置，从而保证获取的导盲机器人起始位置比较精确。

在步骤S103中，根据目的地位置、获取到的起始位置和预先构建的导航地图，规划从起始位置和目的地位置之间的路径，路径由一系列位置点组成。

在本发明实施例中，根据目的地位置、获取到的起始位置和预先构建的导航地图，通过A*算法获得起始位置和目的地位置之间的全局路径，优选地，根据获得的全局路径，计算该路径的长度以及到达目的地位置的花费时长，并通过语音提醒盲人用户路径长度和花费时长，从而提高了盲人用户的用户体验。

将全局路径的走向分为直行、左转、右转三类，因此，进一步优选地，根据规划的路径获取路径上所有位置点的位姿，每个位置点的位姿包括该位置点的坐标及四元数，根据获取到的位姿，计算相邻两个位置点的位置变化量和角度变化量，当位移变化量超过预设的位移距离、且角度变化量超过预设的第一角度时，控制导盲机器人在由该相邻两个位置点形成的路段上进行左转，当位移变化量超过预设的位移距离、且角度变化量未达到预设的第二角度时，控制导盲机器人在由该相邻两个位置点形成的路段上进行右转，当位移变化量未达到预设的位移距离、且角度变化量达到预设的第二角度但未超过预设的第一角度时，控制所述导盲机器人在由该相邻两个位置点形成的路段上进行直行，从而使得后续的导航更精确。

作为示例地，通过P＝{p0,p1,p2,p3,……,pn}表示该路径上所有位置点的位姿，其中，p_i＝(x_i,y_i,z_i,q_i)，i＝{0,1,2...n}，四元数n_x,n_y,n_z为导盲机器人在x轴、y轴、z轴的朝向系数，首先，将四元数通过反三角函数变换为角度θ，因此p_i＝(x_i,y_i,θ_i)，之后，利用相邻两个位置点的位姿计算相邻两个位置点的位移变化量Δs_i和转角变化量Δθ_i，Δθ_i＝θ_i-θ_i-1n>i>0，从而得到Δs＝{Δs₁,Δs₂,Δs₃，……Δs_n}以及Δθ＝{Δθ₁,Δθ₂,Δθ₃，……Δθ_n}。如果相邻两个位置点之间的Δs大于0.001且Δθ大于3°，则认为该两个位置点组成的路段为左转路段，继续判断下一个位置点所对应的Δs和Δθ，如果同样满足Δs大于0.001并且Δθ大于3°，则该左转路段延长一个位置点，如此重复执行；如果相邻两个位置点之间的Δs大于0.001且Δθ小于-3°，则认为该两个位置点组成的路段为右转路段，继续判断下一个位置点所对应的Δs和Δθ，如果同样满足Δs大于0.001并且Δθ小于-3°，则该右转路段延长一个位置点，如此重复执行；如果相邻两个位置点之间的Δs和Δθ既不满足左转路段的条件也不满足右转路段的条件，则认为该两个位置点组成的路段为直行路段。

在步骤S104中，根据规划出的路径引导盲人用户沿路径进行移动，直至到达目的地位置。

在本发明实施例中，根据规划出的路径通过语音引导盲人用户沿路径进行移动，在移动过程中，结合步骤S103，判断导盲机器人当前处在左转路段、右转路段还是直行路段，播放对应路段的走法，以告知盲人用户。

在移动过程中该路径上存在有障碍物的风险，因此，优选地，获取导盲机器人移动过程中的实时位置，根据获取到的实时位置，监测实时位置前方预设距离内是否有障碍物，当监测到实时位置前方预设距离内有障碍物时，生成障碍物到目的地位置的路径，以更新规划出的路径，从而保证导航路径最优，且保证盲人用户安全。进一步优选地，在监测实时位置前方预设距离内是否有障碍物时，首先，根据深度摄像头感知导盲机器人当前位置的前方环境，得到前方1m内的物体距离信息，如果该物体距离与规划好的路径最小距离小于导盲机器人半径的1.5倍，则认为该物体是障碍物，否则确定该物体为非障碍物，从而提高障碍物识别的准确度。之后，当全局路径中存在障碍物时，在导盲机器人的运动模型中采样多组速度数据，根据导航地图，通过动态窗口算法搜索到达目标之间的多条路径，利用预先设置的评价标准，例如，是否会撞击障碍物、所需要的时间等，选取最优的路径，从而得到局部路径，该路径到避障结束位置点结束。最后，根据S102步骤，重新规划避障结束位置点到目的位置之间的剩余路径，将避障的局部路径和重新规划的剩余路径结合到一起，生成新的全局路径。

在引导盲人用户移动过程中，进一步优选地，通过超声波传感器实时检测盲人用户与导盲机器人之间的距离是否在预设的范围内，当盲人用户与导盲机器人之间的距离不在预设的范围内时，通过语音告知盲人用户调整与导盲机器人之间的相对位置，从而保证盲人用户不会提到导盲机器人，又不会离导盲机器人太远。

在本发明实施例中，接收盲人用户输入的导航请求，导航请求中包括目的地位置，根据接收到的导航请求，获取导盲机器人的起始位置，根据目的地位置、获取到的起始位置和预先构建的导航地图，规划从起始位置和目的地位置之间的路径，路径由一系列位置点组成，根据规划出的路径引导盲人用户沿路径进行移动，直至到达目的地位置，结束导航，盲人用户通过导盲机器人的室内导航，从而提高了盲人用户导航路径的精确性，进而提高了盲人导航路径的安全性。

实施例二：

图2示出了本发明实施例二提供的导盲机器人的室内导航装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，其中包括：

请求接收单元21，用于接收盲人用户输入的导航请求，导航请求中包括目的地位置；

起始位置获取单元22，用于根据接收到的导航请求，获取导盲机器人的起始位置；

路径规划单元23，用于根据目的地位置、获取到的起始位置和预先构建的导航地图，规划从起始位置和目的地位置之间的路径，路径由一系列位置点组成；以及

路径导航单元24，用于根据规划出的路径引导盲人用户沿路径进行移动，直至到达目的地位置。

如图3所示，优选地，其中，路径规划单元23包括：

位姿获取单元231，用于根据路径获取路径上所有位置点的位姿，每个位置点的位姿包括该位置点的坐标及四元数；

变化量计算单元232，用于根据获取到的位姿，计算相邻两个位置点的位置变化量和角度变化量；

路段左转单元233，用于当位移变化量超过预设的位移距离、且角度变化量超过预设的第一角度时，控制导盲机器人在由该相邻两个位置点形成的路段上进行左转；

路段右转单元234，用于当位移变化量超过预设的位移距离、且角度变化量未达到预设的第二角度时，控制导盲机器人在由该相邻两个位置点形成的路段上进行右转；以及

路段直行单元235，用于当位移变化量未达到预设的位移距离、且角度变化量达到预设的第二角度但未超过预设的第一角度时，控制所述导盲机器人在由该相邻两个位置点形成的路段上进行直行。

路径导航单元24包括：

当前位置获取单元241，用于获取导盲机器人移动过程中的实时位置；

障碍物监测单元242，用于根据获取到的实时位置，监测实时位置前方预设距离内是否有障碍物；以及

路径更新单元243，用于当监测到实时位置前方预设距离内有障碍物时，生成障碍物到目的地位置的路径，以更新规划出的路径。

在本发明实施例中，导盲机器人的室内导航装置的各单元可由相应的硬件或软件单元实现，各单元可以为独立的软、硬件单元，也可以集成为一个软、硬件单元，在此不用以限制本发明，各单元的具体实施方式可参考实施例一的描述，在此不再赘述。

实施例三：

图4示出了本发明实施例三提供的导盲机器人的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

本发明实施例的导盲机器人4包括处理器40、存储器41以及存储在存储器41中并可在处理器40上运行的计算机程序42。该处理器40执行计算机程序42时实现上述导盲机器人的室内导航方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤S101至S104。或者，处理器40执行计算机程序42时实现上述各装置实施例中各单元的功能，例如图2所示单元21至24的功能。

在本发明实施例中，接收盲人用户输入的导航请求，导航请求中包括目的地位置，根据接收到的导航请求，获取导盲机器人的起始位置，根据目的地位置、获取到的起始位置和预先构建的导航地图，规划从起始位置和目的地位置之间的路径，路径由一系列位置点组成，根据规划出的路径引导盲人用户沿路径进行移动，直至到达目的地位置，结束导航，盲人用户通过导盲机器人的室内导航，从而提高了盲人用户导航路径的精确性，进而提高了盲人导航路径的安全性。

本发明实施例的机器人可以为导盲机器人。该导盲机器人4中处理器40执行计算机程序42时实现导盲机器人的室内导航方法时实现的步骤可参考前述方法实施例的描述，在此不再赘述。

实施例四：

在本发明实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述导盲机器人的室内导航方法实施例中的步骤，例如，图1所示的步骤S101至S104。或者，该计算机程序被处理器执行时实现上述各装置实施例中各单元的功能，例如图2所示单元21至24的功能。

在本发明实施例中，接收盲人用户输入的导航请求，导航请求中包括目的地位置，根据接收到的导航请求，获取导盲机器人的起始位置，根据目的地位置、获取到的起始位置和预先构建的导航地图，规划从起始位置和目的地位置之间的路径，路径由一系列位置点组成，根据规划出的路径引导盲人用户沿路径进行移动，直至到达目的地位置，结束导航，盲人用户通过导盲机器人的室内导航，从而提高了盲人用户导航路径的精确性，进而提高了盲人导航路径的安全性。

本发明实施例的计算机可读存储介质可以包括能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质，例如，ROM/RAM、磁盘、光盘、闪存等存储器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种导盲机器人的室内导航方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

接收盲人用户输入的导航请求，所述导航请求中包括目的地位置；

根据接收到的所述导航请求，获取导盲机器人的起始位置；

根据所述目的地位置、获取到的所述起始位置和预先构建的导航地图，规划从所述起始位置和所述目的地位置之间的路径，所述路径由一系列位置点组成；

根据规划出的所述路径引导所述盲人用户沿所述路径进行移动，直至到达所述目的地位置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，获取导盲机器人的起始位置的步骤，包括：

将所述导盲机器人当前采集到的室内图像与所述预先构建的导航地图中的室内环境图像进行匹配，以得到所述导盲机器人的粗略位置；

控制所述导盲机器人以所述粗略位置为中心、在预先设置的范围内进行移动，获取所述导盲机器人移动后所在位置的室内图像；

将所述移动后室内图像与所述导航地图中的室内环境图像进行匹配，直到移动后的所述匹配度大于预设阈值时，将所述导盲机器人移动后的当前位置设置为所述导盲机器人的起始位置。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，规划从所述起始位置和所述目的地位置之间的路径的步骤，包括：

根据所述路径获取所述路径上所有位置点的位姿，每个位置点的位姿包括该位置点的坐标及四元数；

根据所述获取到的位姿，计算相邻两个位置点的位置变化量和角度变化量；

当所述位移变化量超过预设的位移距离、且所述角度变化量超过预设的第一角度时，控制所述导盲机器人在由该相邻两个位置点形成的路段上进行左转；

当所述位移变化量超过所述预设的位移距离、且所述角度变化量未达到预设的第二角度时，控制所述导盲机器人在由该相邻两个位置点形成的路段上进行右转；

当所述位移变化量未达到所述预设的位移距离、且所述角度变化量达到所述第二角度但未超过所述第一角度时，控制所述导盲机器人在由该相邻两个位置点形成的路段上进行直行。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，规划从所述起始位置和所述目的地位置之间的路径的步骤之后，包括：

根据规划出的所述路径，计算所述路径的长度以及到达所述目的地位置的花费时长，并提醒所述盲人用户。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据规划出的所述路径引导所述盲人用户沿所述路径进行移动的步骤，包括：

获取所述导盲机器人移动过程中的实时位置；

根据获取到的所述实时位置，监测所述实时位置前方预设距离内是否有障碍物；

当监测到所述实时位置前方预设距离内有障碍物时，生成所述障碍物到所述目的地位置的路径，以更新所述规划出的所述路径。

6.一种导盲机器人的室内导航装置，其特征在于，所述装置包括：

请求接收单元，用于接收盲人用户输入的导航请求，所述导航请求中包括目的地位置；

起始位置获取单元，用于根据接收到的所述导航请求，获取导盲机器人的起始位置；

路径规划单元，用于根据所述目的地位置、获取到的所述起始位置和预先构建的导航地图，规划从所述起始位置和所述目的地位置之间的路径，所述路径由一系列位置点组成；以及

路径导航单元，用于根据规划出的所述路径引导所述盲人用户沿所述路径进行移动，直至到达所述目的地位置。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述路径规划单元包括：

位姿获取单元，用于根据所述路径获取所述路径上所有位置点的位姿，每个位置点的位姿包括该位置点的坐标及四元数；

变化量计算单元，用于根据所述获取到的位姿，计算相邻两个位置点的位置变化量和角度变化量；

路段左转单元，用于当所述位移变化量超过预设的位移距离、且所述角度变化量超过预设的第一角度时，控制所述导盲机器人在由该相邻两个位置点形成的路段上进行左转；

路段右转单元，用于当所述位移变化量超过预设的位移距离、且所述角度变化量未达到预设的第二角度时，控制所述导盲机器人在由该相邻两个位置点形成的路段上进行右转；以及

路段直行单元，用于当所述位移变化量未达到预设的位移距离、且所述角度变化量达到所述第二角度但未超过所述第一角度时，控制所述导盲机器人在由该相邻两个位置点形成的路段上进行直行。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述路径导航单元包括：

当前位置获取单元，用于获取所述导盲机器人移动过程中的实时位置；

障碍物监测单元，用于根据获取到的所述实时位置，监测所述实时位置前方预设距离内是否有障碍物；以及

路径更新单元，用于当监测到所述实时位置前方预设距离内有障碍物时，生成所述障碍物到所述目的地位置的路径，以更新所述规划出的所述路径。

9.一种导盲机器人，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5任一项所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述方法的步骤。