CN110068329B - 一种室内无线导航方向生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种室内无线导航方向生成方法，可以生成8种行进方向，并采用地磁传感器进行方向校正，本发明的室内无线导航方向生成方法，可以应用于盲人室内导航领域，满足盲人不太精确的导航方向需求，同时还可以应用于仓储机器人领域，使仓储机器人具备灵活的移动方向，同时大大降低成本。

Description

一种室内无线导航方向生成方法

技术领域

本发明涉及一种室内无线导航方向生成方法。

背景技术

在盲人室内导航领域，目前应用较多的是采用电子标签存储引导路标的位置信息和方向信息的导航车类引导装置，此类装置所采用的导航方法一般是首先规划出路径后，再利用传感器得到当前方向与目标路径的角度偏差，进而给出行进调整的角度，但由于步行的盲人无法分辨精确的转角值，该导航方法对于盲人来说难以适用。

公开号为CN106949890A的专利公开了一种适用于盲人步行的室内无线导航系统，该系统通过电机振动提示盲人方向信息，由导航计算机、RFID读写装置、RFID标签、可穿戴交互装置构成，其中可穿戴交互装置包括单片机和至少一个有向项圈。该盲人室内无线导航系统将RFID技术和导航技术相结合，通过佩戴有向振动项圈，使用有向振动感知的交互方式，实现盲人室内无线导航功能，解决了盲人无法分辨精确的转角值的问题。盲人借助该室内无线导航系统，可以前行至目的地，然而，这种盲人室内无线导航系统尚未解决如何生成导航方向的问题，也没有解决一旦盲人走偏，如何对方向进行校正，使盲人回到正确线路上的问题。

发明内容

本发明提供一种室内无线导航方向生成方法，其可以解决盲人室内无线导航系统生成导航方向的问题，也可以解决盲人走偏时进行方向校正的问题。

按照本发明的室内无线导航方向生成方法，其依赖的导航系统至少包括三个子系统：指定目标地点以及位置信息标定子系统、位置跟踪及规划子系统、方向引导子系统。

具体的方向生成方法至少包括如下步骤：

步骤1：载入导航地图；

步骤2：建立通信连接；

步骤3：设定目的地；

步骤4：获取当前位置；

步骤5：规划路径；

步骤6：计算行进方向；

步骤7：进行方向校正；

步骤8：输出方向。

按照本发明的方向生成方法，可以生成导航方向，还可以对错误方向进行校正。

优选的是，所述指定目标地点以及位置信息标定子系统，至少由ID标签和标签读写装置组成。

上述任一方案优选的是，所述ID标签布置在室内平面地图中可行通道所在的栅格位置。

上述任一方案优选的是，所述ID标签采用不带有指向性的RFID（Radio FrequencyIdentification，射频识别）、RF卡等。

虽然ID标签也可以采用二维码、条形码等，但是RFID和RF卡具有抗污染能力和耐久性强，具有穿透性，体积小，数据的记忆容量大，扫描速度快，可重复使用，可远距离读取的优点。

上述任一方案优选的是，所述位置跟踪及规划子系统至少由一台导航计算机组成。

上述任一方案优选的是，所述导航计算机连接wifi，其上安装导航软件。

上述任一方案优选的是，所述导航计算机的功能至少包括加载地图、规划路径、比较当前位置与规划位置、计算行进方向、发送行进指令等。

上述任一方案优选的是，所述导航计算机可由云计算代替，实现其功能，或导航计算机与云计算相互配合，共同实现其功能。

虽然导航计算机的功能也可以由平板电脑、手机等实现，但是导航计算机运行速度快，可以满足多用户同时使用的需求。

上述任一方案优选的是，所述方向引导子系统至少包括一地磁传感器、一单片机、一方向引导装置。

上述任一方案优选的是，所述地磁传感器的功能至少包括对行进过程中的方向进行校准。

上述任一方案优选的是，所述单片机的功能至少包括与导航计算机通信，与ID标签读写装置通信，与地磁传感器通信，输出行进方向。

上述任一方案优选的是，所述方向引导装置的功能至少为对使用者（使用本方向生成方法进行导航的人或物）进行行进方向引导。

上述任一方案优选的是，所述步骤1中，位置跟踪及规划子系统载入导航地图，获取已布置好的ID标签位置。

上述任一方案优选的是，所述步骤2中，位置跟踪及规划子系统与方向引导子系统自动建立无线通信连接。

上述任一方案优选的是，所述步骤3中，位置跟踪及规划子系统读取目的地位置信息。

上述任一方案优选的是，所述步骤3中，设定目的地的方式包括按键输入、遥控器输入、键盘输入和扫描仪扫描输入中的至少一种。

上述任一方案优选的是，所述步骤4中，ID标签读写装置读取ID标签，并通过单片机发送给位置跟踪及规划子系统，位置跟踪及规划子系统获取使用者所在的当前位置。

上述任一方案优选的是，所述步骤5中，位置跟踪及规划子系统根据目的地和当前位置规划路径。

上述任一方案优选的是，所述步骤5中，规划路径通过栅格法进行，每条路径表示为应经过的栅格坐标按行进顺序所组成的集合。

上述任一方案优选的是，所述步骤5中，位置跟踪及规划子系统在路径规划结果中选择最优路径。

上述任一方案优选的是，所述步骤5中，最优路径的选择标准包括路径最短、不跨越楼层、经过的障碍物少中的至少一种。

上述任一方案优选的是，所述步骤6中，位置跟踪及规划子系统根据使用者当前所在的位置与所规划路径中下一步应抵达位置的坐标之间的相对位置关系，计算得出下一步行进的方向。

上述任一方案优选的是，所述步骤6中，使用者当前所在的位置为在使用者行进过程中，ID标签读写装置实时获取并通过方向引导子系统发送给位置跟踪及规划子系统。

上述任一方案优选的是，所述步骤6中，在二维地图栅格法中，每一个栅格都被8个相邻栅格所包围，根据下一步到达所应抵达的相邻栅格形成8种方向中的一种。

上述任一方案优选的是，所述步骤6中，8种方向为按照地理环境以间隔45°圆周半径辐射方向均匀分布。

上述任一方案优选的是，所述步骤6中，8种方向用1位无符号8进制数从0到7按顺时针进行编号表示，设其方向码为X。

上述任一方案优选的是，所述步骤6中，若规划路径栅格集合中待行进下一步对应栅格和当前所在栅格重合则什么也不发送。

上述任一方案优选的是，所述步骤7中，位置跟踪及规划子系统利用无线通信将行进方向信息发给方向引导子系统，方向引导子系统根据地磁传感器水平方向的偏转值对该方向进行校正。

上述任一方案优选的是，所述步骤7中，方向校正的方法为：根据地磁传感器得到使用者正面朝向（包括方向引导装置）与地理北极的顺时针夹角度数A，将A除以45°，其商为N，余数为K，若K小于等于22.5°，将方向引导子系统接收到的方向逆时针转N个45°方向，也即校正后方向码为X-N；若K大于22.5°，则将方向引导装置接收到的方向逆时针转N+1个45°方向，也即校正后方向码为X-N-1。

上述任一方案优选的是，所述步骤7中，方向码X为1位无符号8进制数，当X<N时可以自动产生数位借位。

上述任一方案优选的是，所述步骤8中，方向引导子系统将校正后的方向输出。

本发明的室内无线导航方向生成方法可以应用于盲人室内导航领域，满足盲人不太精确的导航方向需求；同时本发明的室内无线导航方向生成方法所依赖的导航系统中增加了至少一地磁传感器，借助地磁传感器本发明的方向生成方法可以对错误方向进行校正。

本发明的室内无线导航方向生成方法还可以应用于仓储机器人领域。随着电子商务的发展，仓储机器人得到普遍的应用，但是目前常见的仓储机器人有的主要是进行四个方向的移动，此类仓储机器人要求仓库中货架只能按照特定规则排放；有的采用非常精确的导航方向生成算法，依赖的传感器多，大大增加了机器人成本。按照本发明的室内无线导航方向生成方法，可以使仓储机器人在具有灵活移动方向的同时降低仓储机器人的成本。

附图说明

图1为按照本发明的方向生成方法在盲人室内无线导航领域的一优选实施例的示意图；

图2为按照本发明的方向生成方法在仓储机器人室内无线导航领域的一优选实施例的示意图；

图3为按照本发明的方向生成方法的栅格导航方向的一实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例一

图1给出了按照本发明的方向生成方法在盲人室内无线导航领域的一个优选实施例。在本实施例中，本发明的方向生成方法所依赖的导航系统至少包括指定目标地点以及位置信息标定子系统、位置跟踪及规划子系统和方向引导子系统。

方向引导子系统为可穿戴振动触觉交互导引装置，其至少包括一单片机、一地磁传感器、一方向引导装置，其中方向引导装置为可穿戴项圈；单片机和地磁传感器都布置在可穿戴项圈上；项圈穿戴于盲人的颈部，在项圈所在的圆上均匀安装8个振动电机，编号为振动电机0—振动电机7；项圈所在圆的圆心指向振动电机的方向为8个引导方向，通过相应方向上电机振动提示盲人行进方向；项圈穿戴时，需保证有一个振动电机处于盲人正前方；标有盲文的用于设定目的地的按键布置的项圈上，或布置在一手持装置上并通过连接线与项圈相连，盲人在出发前可通过按键方式进行目的地设定；项圈上集成了语音提醒功能，用于对盲人进行辅助提醒。指定目标地点以及位置信息标定子系统中ID标签采用RFID标签，RFID标签布置在室内平面地图中可行通道所在的栅格位置，RFID标签读写装置布置在可穿戴项圈上。位置跟踪及规划子系统为一台连接wifi的导航计算机，其上安装有导航软件。

盲人在出发前，首先设定或选择目的地，然后通过路径规划方法生成去往目的地的路线，并根据途中布置的RFID标签位置反馈的信息，动态调整规划路线，并向盲人发送相应的8方向导航提示，通过带有振动方向的方向引导装置与人交互实现导航，当盲人行进方向偏离导航的应行进方向时，利用地磁传感器对方向进行相应校正。

具体的方向生成方法如下：

步骤1：导航计算机载入导航地图，获取已布置好的RFID标签位置；

步骤2：导航计算机与可穿戴项圈建立无线连接；

步骤3：盲人通过标有盲文的目的地按键，选择想要去往的目的地（目标），单片机将目的地栅格坐标发送给导航计算机，可穿戴项圈通过语音提示目的地；

步骤4：RFID读卡模块读取RFID标签，获取盲人所在的当前栅格坐标，将盲人当前位置信息发送给方向引导子系统中的单片机，单片机再将盲人当前位置信息发送给导航计算机；

步骤5：导航计算机运行导航软件，根据目的地和当前位置信息通过栅格法进行路径规划，在结果中寻优，得到最优路径（每条路径为应经过的栅格坐标按行进顺序所组成的集合），将最优路径发送给单片机，可穿戴项圈语音提示盲人可以开始行进；

步骤6：在盲人行进过程中，RFID读卡模块实时获取盲人当前位置，并通过单片机发送给导航计算机，导航计算机根据盲人当前所在的栅格与所规划路径中下一步应抵达栅格的坐标之间的相对位置关系，计算得出下一步行进的方向，由于在二维地图栅格法中，每一个栅格都被8个相邻栅格所包围，根据下一步到达所应抵达的相邻栅格即可形成8种方向中的一个，其为按照地理环境以间隔45°圆周半径方向均匀分布，如图3所示，并用1位无符号8进制数从0到7按顺时针进行编号表示，设其方向码为X，若下一步和当前栅格重合则什么也不发送，项圈所在圆的圆心指向振动电机的方向分布与图3中所示的方向分布相同；

步骤7：导航计算机利用无线通信将行进方向信息发送给方向引导子系统，方向引导子系统根据地磁传感器水平方向的偏转值对该方向进行校正，校正方法为：根据地磁传感器得到盲人正面朝向（包括方向引导装置）与地理北极的顺时针夹角A，将A除以45°，其商为N，余数为K，若K小于等于22.5°，将方向引导装置接收到的方向逆时针转N个45°方向，也即校正后方向码为X-N；若K大于22.5°，则将方向引导装置接收到的方向逆时针转N+1个45°方向，也即校正后方向码为X-N-1，完成规划方向到真实输出方向的校正；其中X为1位无符号8进制数，当X<N时可以自动产生数位借位；

步骤8：方向引导子系统将校正后的方向进行输出，单片机控制相应方向的电机振动，提示盲人行进方向。若抵达目的地，所有电机共同振动，并进行语音提示。

在行进过程中，盲人可以随时通过按键改变目的地，导航计算机检测到新的目的地后，根据新的目的地和盲人的实时位置，重新规划路径，按照上述方法指导盲人前行。

与现有技术相比，本发明的方向生成方法在盲人室内无线导航领域的应用具有以下创新点：

1、创新性的提出8种确定方向的导航方向生成方法，针对盲人群体，通过佩戴有8方向指向性的振动项圈，使用有向振动感知的交互方式，实现对盲人行走方向的提示；

2、将RFID布置到室内平面地图中可行通道所在的栅格位置，利用栅格法进行路径规划，计算行进方向；

3、根据地磁传感器的反馈信息对真实方向进行换算，实现方向校正。

实施例二

图2给出了本发明的方向生成方法在仓储机器人领域的一个优选实施例。在本实施例中，本发明的方向生成方法所依赖的导航系统至少包括指定目标地点以及位置信息标定子系统、位置跟踪及规划子系统和方向引导子系统。

方向引导子系统至少包括一单片机、一地磁传感器、一方向引导装置，其中方向引导装置为转向装置。方向引导子系统集成于仓储机器人上，单片机获取机器人运行方向后，输出到转向装置，转向装置控制机器人向8种方向中的一种转向；8种方向按照地理环境以间隔45°圆周半径辐射方向均匀分布，编号为方向0—方向7，如图3所示。指定目标地点以及位置信息标定子系统中ID标签采用RFID标签，RFID标签布置在室内平面地图中可行通道所在的栅格位置，RFID标签读写装置布置在仓储机器人上。位置跟踪及规划子系统为一台连接wifi的导航计算机，其上安装有导航软件。

仓储机器人在出发前，首先导航计算机运行导航软件，载入导航地图，获取已经布置好的RFID标签的位置，方向引导子系统与导航计算机建立无线通信连接，RFID标签读写装置读取RFID标签获取仓储机器人当前位置并通过单片机发送给导航计算机，通过扫描仪扫描二维码获取货物的存放地址；然后导航计算机根据获取的仓储机器人当前位置和货物存放地址信息，按照仓储机器人当前位置—货物存放地址—当前位置的路径，通过路径规划方法生成仓储机器人移动路径，在生成的路径中选择最优路径，并发送给单片机，单片机控制仓储机器人开始移动。在仓储机器人在移动过程中，RFID标签读写装置实时读取RFID标签，获取仓储机器人的当前实时位置，并通过单片机发送给导航计算机，导航计算机根据仓储机器人实时位置信息和规划路径信息，计算仓储机器人下一步应行进的方向，并发送给方向引导子系统中的单片机；方向引导子系统根据地磁传感器反馈的信息和接收到的下一步应行进的方向信息，对行进方向进行校正后输出，控制转向装置转向。

按照本发明的方向生成方法，进行相应改变后，也可以对仓储机器人进行4种确定方向的导航。4种方向按照地理环境以间隔90°圆周半径辐射方向均匀分布，编号为方向0—方向3，并用1位无符号4进制数按顺时针进行编号表示，设其方向码为X。方向校正方法为：根据地磁传感器得到仓储机器人正面朝向（包括方向引导装置）与地理北极的顺时针夹角A，将A除以90°，其商为N，余数为K，若K小于等于45°，将方向引导装置接收到的方向逆时针转N个90°方向，也即校正后方向码为X-N；若K大于45°，则将方向引导装置接收到的方向逆时针转N+1个90°方向，也即校正后方向码为X-N-1，完成规划方向到真实输出方向的校正；当X<N时可以自动产生数位借位。

与现有技术相比，本发明的方向生成方法在仓储机器人领域的应用具有以下创新点：

1、创新性的提出8种确定方向的导航方向生成方法，使仓储机器人具有灵活的移动方向的同时降低成本；

2、将RFID布置到室内平面地图中可行通道所在的栅格位置，利用栅格法进行路径规划，计算行进方向；

3、根据地磁传感器的反馈信息对真实方向进行换算，实现方向校正。

4、本方法进行相应的改变后也可以对仓储机器人进行4种确定方向的导航。

Claims (9)

1.一种室内无线导航方向生成方法，所依赖的导航系统至少包括三个子系统：指定目标地点以及位置信息标定子系统、位置跟踪及规划子系统和方向引导子系统，其特征在于：具体的方向生成方法至少包括如下步骤：

步骤1：位置跟踪及规划子系统载入导航地图，获取已布置好的ID标签位置；

步骤2：位置跟踪及规划子系统和方向引导子系统建立通信连接；

步骤3：设定目的地，位置跟踪及规划子系统读取目的地信息；

步骤4：ID标签读写装置读取ID标签，获取当前位置，并通过单片机发送给位置跟踪及规划子系统；

步骤5：位置跟踪及规划子系统根据当前位置信息和目的地信息规划路径，在规划结果中选择最优路径；

步骤6：位置跟踪及规划子系统根据实时位置信息和规划路径中下一步应抵达位置，计算下一步行进的方向并发送给方向引导子系统；

步骤7：方向引导子系统根据地磁传感器水平方向的偏转值进行方向校正；

步骤8：方向引导子系统输出校正后的方向；

步骤7中，方向校正的方法为：根据地磁传感器得到使用者正面朝向与地理北极的顺时针夹角度数A，将A除以45°，其商为N，余数为K，若K小于等于22.5°，将方向引导子系统接收到的方向逆时针转N个45°方向，也即校正后方向码为X-N；若K大于22.5°，则将方向引导装置接收到的方向逆时针转N+1个45°方向，也即校正后方向码为X-N-1，当X<N时可以自动产生数位借位。

2.如权利要求1所述的室内无线导航方向生成方法，其特征在于：步骤5中，规划路径通过栅格法进行，每条路径表示为应经过的栅格坐标按行进顺序所组成的集合。

3.如权利要求1所述的室内无线导航方向生成方法，其特征在于：步骤6中，实时位置信息为在使用者行进过程中，ID标签读写装置实时获取并通过方向引导子系统发送给位置跟踪及规划子系统。

4.如权利要求1所述的室内无线导航方向生成方法，其特征在于：步骤6中，在二维地图栅格法中，每一个栅格都被8个相邻栅格所包围，根据下一步到达所应抵达的相邻栅格形成8种方向中的一种，8种方向为按照地理环境以间隔45°圆周半径辐射方向均匀分布。

5.如权利要求4所述的室内无线导航方向生成方法，其特征在于：步骤6中，8种方向用1位无符号8进制数从0到7按顺时针进行编号表示，设其方向码为X。

6.如权利要求1所述的室内无线导航方向生成方法，其特征在于：其应用于盲人室内无线导航，且所依赖的导航系统中的方向引导子系统为可穿戴振动触觉交互导引装置，方向引导装置为可穿戴项圈。

7.如权利要求6所述的室内无线导航方向生成方法，其特征在于：所依赖的导航系统中的单片机、地磁传感器和ID标签读写装置布置在可穿戴项圈上。

8.如权利要求7所述的室内无线导航方向生成方法，其特征在于：项圈穿戴于盲人的颈部，在项圈所在的圆上均匀安装8个振动电机，编号为振动电机0—振动电机7，项圈所在圆的圆心指向振动电机的方向为8个引导方向，通过相应方向上电机振动提示盲人行进方向。

9.如权利要求8所述的室内无线导航方向生成方法，其特征在于：盲人在出发前可通过按键方式进行目的地设定，并可以在行进过程中随时通过按键改变目的地。

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