CN110487281A - 一种探测障碍物的智能导航系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及探测障碍物的智能导航系统及其应用方法，该系统包括交互模块、定位模块、中央处理模块、探测模块、报警模块，以及远程服务平台和电量感应模块。中央处理模块包括相互通信的存储模块、计算模块和通讯模块，通讯模块与其他模块通信；存储模块含有数据接口，用于存储数据；探测模块包括传感器和与传感器电连接的分析器，传感器中的激光雷达传感器和视觉传感器采集信息，分析器实时分析传感器采集的信息，判断障碍物类型，将障碍物信息反馈给用户。电量感应模块能及时反馈系统的电量，并自主搜索充电桩，引导用户前往充电。本系统的结构简单，应用方便，能实时探测路径上的物体，超前提醒用户采取措施，利于出行及视障人士的室内活动。
Description
技术领域
本发明涉及导航系统，尤其涉及一种探测障碍物的智能导航系统。
背景技术
随着电子技术的快速发展，智能终端的功能越来越丰富。智能手机导航、车载导航已经融进了人们的生活。现有的导航是能够把用户从目前所在的地方带到另一个想要到达的地方，它与电子地图的区别就在于，它能够告诉用户在地图中所在的位置，以及用户要去的那个地方在地图中的位置，并且能够在用户所在位置和目的地之间选择最佳路线，并在行进过程中的为用户提示左转还是右转等。
传统的导航系统本质上是被动的，并且它们一般不预测用户在出行路径上的实时情况，无法预测临时出现的障碍物。在陌生环境中，人们出行难以预测路径上的实际情况，不能提前做出应对方案。
现有的室内导航采用惯性或非惯性传感器技术以及信号分析方法来确定用户相对于周围环境参照物的位置。但是，这类定位方法并不精确，很多因素将大大削弱其准确性。惯性传感器技术利用陀螺仪和加速器上的数据来预测路径和位置，然而，此类系统随着时间的积累会累积测量误差并最终导致导航精度下降。非惯性传感器技术，如罗盘等，通过测量磁场的强度等，提供精确的角度变化的侦测，然而，此类技术容易受到来自其他磁场源的干扰而影响精度。
此外，传统的导航系统实时更新速度慢，对于障碍物的反馈慢，甚至不会反馈路径中的障碍物，导致出行路径不通畅，耽误时间。而且，现有导航系统多为路径选择，忽略了所选路径的实际状况，不能即时反馈导航路径中的障碍物。尚未见成熟的能探测障碍物，并且能够应用于室内和室外的导航系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种探测障碍物的智能导航系统，通过计算来判断障碍物的形状、大小和运动性，及时提醒用户避障、更改路径。该导航系统可以辅助室外出行和室内活动，尤其是用户在陌生环境中利用该智能导航系统能够快速选择方便出行的路径，并且在行进过程中及时发现障碍物，从而及时更改路径，避免不必要的麻烦；该导航系统也能辅助视障人士的出行和室内活动，避免障碍物导致的伤害。
具体来说，针对现有技术的不足，本发明提供了如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种探测障碍物的智能导航系统，该系统包括交互模块、定位模块、中央处理模块、探测模块和报警模块，所述中央处理模块包括相互通信的存储模块、计算模块和通讯模块，所述通讯模块分别与交互模块、定位模块和探测模块通信；所述存储模块含有数据接口；所述探测模块包括传感器和与传感器电连接的分析器，分析器实时分析传感器采集的信息，判断障碍物类型，所述分析器与报警模块通信，报警模块与交互模块通信。
该智能导航系统能够探测路径中的障碍物，实时更新路径上的最新情况，方便用户出行。该智能导航系统还能应用于室内，方便视障人士的室内生活。
优选地，所述探测模块中的传感器包括激光雷达传感器和视觉传感器，所述视觉传感器包括单目视觉传感器和/或双目视觉传感器。
优选地，所述报警模块含有温度传感器。
优选地，所述智能导航系统还包括至少一种以下技术特征：
所述智能导航系统还包括与中央处理模块中的通讯模块通信连接的远程服务平台；
所述交互模块为移动终端，包括手机、平板和电脑；
所述定位模块包括GPS定位、BDS定位和WIFI定位。
优选地，所述智能导航系统还包括与中央处理模块中的通讯模块通信连接的电量感应模块，所述电量感应模块用于监测系统的电量，在系统电量低于预设值时，自主寻找充电桩，报告给用户。
另一方面，本发明提供了前述探测障碍物的智能导航系统的应用，包括以下步骤：
S100.通过交互模块获取用户的目的位置，通过定位模块获取用户的初始位置；
S200.中央处理模块中的存储模块获取电子地图，然后计算模块计算从初始位置到目的位置的路径；
S300.在路径行进过程中实时定位，探测模块中的传感器反馈采集的信息至分析器，分析器分析传感器采集的信息后，判断障碍物类型，得到分析结果；
S400.分析结果经由中央处理模块中的通讯模块，传至交互模块，将分析结果报告给用户。
优选地，所述应用为在室外出行中的应用，还包括以下技术特征中的至少一种：
所述定位模块采用GPS定位或BDS定位；
所述通过交互模块获取用户的目的位置的方式包括语音输入、文字输入和图像输入；
所述存储模块获取电子地图的途径包括通过百度地图、高德地图的开放接口获取。
优选地，所述应用为在室内活动中的应用，还包括以下技术特征中的至少一种：
所述定位模块采用WIFI定位；
所述存储模块获取电子地图的途径为：将室内位置环境的全景图上传至中央处理模块中的计算模块，经计算后转成电子地图，传输至存储模块；或者将绘制好的室内电子地图传输至存储模块。
优选地，步骤S300所述的分析器分析传感器采集的信息是指分析器分析激光雷达传感器采集的信息和视觉传感器采集的图像信息，分析器分析激光雷达传感器采集的信息采用的是地图差分法，分析器分析视觉传感器采集的图像信息的方法包括图像边缘检测、图像分割算法、图像滤波处理和图像形态学处理中的一种或几种。
优选地，在步骤S300之后、步骤S400之前，还包括步骤S500，所述步骤S500为通过通讯模块将步骤S300的分析结果传输至远程服务平台，确认分析结果的准确性后再报告给用户；或者先结合分析结果和报警模块的温度传感器的感应结果，然后做出最终的结果判断，报告给用户。
与现有技术相比，本发明的效果和益处在于：
(1)本发明提供的智能导航系统能探测路径中的障碍物，实时更新路径，引导用户避开障碍，节省出行时间，也能方便视力障碍人士的出行。当探测到危急情况时，报警模块直接将信息传送至交互模块，即报告给用户，实现紧急信息的快速、超前报告。
(2)本智能导航系统中的探测器采用激光雷达和视觉传感器双传感，多角度地传输所采集对象的信息，经分析器分析后，能有效地判断所采集对象的形状、大小和运动情况，以判断障碍物的形态，给用户及时反馈相应的信息。
(3)本智能导航系统不仅能应用于户外，比如无人驾驶汽车、无人机和人类出行，还能应用于室内的导航，及时报告室内路径上的物体，提醒用户避开，尤其适用于视障人士的室内活动。该导航系统还能自动识别电量状态，在电量低于预设值时，自动寻找充电桩，提醒并指引用户前往充电。
综上，本智能导航系统的组成简单，能及时探测路径上的障碍物，方便出行和室内活动。本智能导航系统能监测系统电量，并指引用户充电桩的位置，降低了电量不足的烦恼。报警模块能及时感应系统及周围环境中的温度，并在温度过高时及时提醒用户，提高了安全性。
附图说明
图1为本发明所述智能导航系统的结构示意图；
图2为本发明所述智能导航系统的应用方法流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种探测障碍物的智能导航系统，包括交互模块、定位模块、中央处理模块、探测模块和报警模块，交互模块为移动终端，包括手机、平板和电脑，具有输入和输出功能，方便人机交互。中央处理模块包括存储模块、计算模块和通讯模块，存储模块含有数据接口，用于获取和存储电子地图，计算模块在获知用户的目的地及初始位置后，计算从初始位置到目的地的路径，供用户选择；通讯模块是该智能导航系统的信息中心，与其他各个模块通信。定位模块实时定位用户的位置，所有定位的位置点构成路径，定位模块采用GPS定位、BDS定位和WIFI定位。探测模块的探测范围也是以定位的位置点为起始点，沿着行进方向进行，探测是由近到远。探测模块包括传感器和与传感器电连接的分析器，分析器还与报警模块通信，报警模块与交互模块通信。
具体的，探测模块中的传感器包括激光雷达传感器和视觉传感器，视觉传感器可以是单目视觉传感器，也可以是双目视觉传感器，主要用于获取行进路径上的物体的图像信息。报警模块含有温度传感器，能及时感应体系及环境中的温度，反馈给用户，以便采取相应的措施。而且，在温度超过50℃时，将告知用户系统温度过高；在温度超过80℃时，反馈信息给用户的同时，还会发出尖锐的报警音。
在一优选实施方式中，本发明提供的探测障碍物的智能导航系统还含有与通讯模块通信连接的远程服务平台。
在另一优选实施方式中，本发明提供的探测障碍物的智能导航系统还含有电量感应模块，监测体系的电量，在系统电量低于20％(预设值)时，自主寻找充电桩，报告给用户，指引用户前往充电。具体的，经过深度学习后，中央处理模块中的存储模块中储存了充电桩的特点信息，故而能自主识别充电桩。
本发明所述探测障碍物的智能导航系统的应用步骤包括：
S100：获取目的位置和初始位置；目的位置的获取是通过获取用户在交互模块输入的信息确定，具体的输入方式包括文字输入、语音输入和图像输入；初始位置是通过定位模块定位获取的，具体定位方式包括GPS定位、BDS定位和WIFI定位。中央处理模块的存储模块中存储了电子地图，定位模块能够准确定位用户所在的位置，并且显示在电子地图上，所述电子地图的信息和定位信息通过交互模块显示，用户可随时查看。
S200：计算和规划路径；中央处理模块中的存储模块获取电子地图，然后根据用户的目的位置和初始位置，计算模块采用A*算法进行计算，得出多种路径，通过文字、图形或语音反馈给用户，进行路径选择。其中，存储模块获取电子地图的方法包括，通过百度地图、高德地图的开放接口获取，或者事先先绘制好的室内地图上传至存储模块。
S300：探测、分析路径周围信息，得到分析结果；在用户选择路径后，行进过程中，探测模块中的传感器由近及远地进行探测，将获取的传感信息传输至分析器，经分析后确定被采集对象的运动状态、形状和大小，即分析结果。
具体的，传感信息包括激光雷达传送的信息和视觉传感器传送的图像信息，分析器采用地图差分法分析激光雷达传送的信息，通过被采集对象在不同时刻的分布特点来确定其运动信息，分析器分析图像信息的步骤包括：处理图像信息，对图像目标分类、判断障碍物，定位障碍物。
处理图像信息的方法包括图像边缘检测、图像分割算法、图像滤波处理和图像形态学处理；其中，图像边缘检测能标识图像中亮度明显变化的点，常用的边缘检测算子有Roberts算子，Sobel算子，Prewitt算子，Kirsch算子，Laplacian算子和Canny算子。图像分割算法是将图像空间分割成一些有意义的区域，本文采用全局阈值处理，采用固定的阈值来分割图像，获得二值图，进而分析图像中物体的形状和大小。图像滤波处理可以减小图像的噪声，包括高斯滤波、中值滤波和双边滤波等，中值滤波可以克服线性滤波器带来的图像细节模糊。图像形态学处理是以具有一定形态的结构元素来度量和提取图像中的对应形状，进而进行分析和识别。本文所述的图像形态学处理采用的运算方法包括腐蚀和膨胀。
S400：分析器的分析结果经由通讯模块，传输至交互模块，报告给用户，提示避开障碍。
S500：一方面，在分析结果被传输至交互模块之前，先传送至远程服务平台，通过平台上的人工服务，确认分析结果的准确性，得到新的判断结果，然后再将该结果报告给用户。另一方面，分析器的分析结果与报警模块中的温度感应结果相结合，得到最终的结果，再报告给用户。报警模块中的温度传感器感应系统和环境温度，当感应到温度过高时，提醒用户所在环境的附近出现了温度过高物体，需及时避开或者采取其他措施。
下面以具体的实例来说明本发明。
实施例1
结合附图1，对本发明提供的探测障碍物的智能导航系统进行说明。该智能导航系统包括交互模块、定位模块、中央处理模块、探测模块和报警模块，交互模块为移动终端，包括手机、平板和电脑，具有输入和输出功能，方便人机交互。中央处理模块包括存储模块、计算模块和通讯模块，存储模块含有数据接口，用于获取和存储电子地图，计算模块在获知用户的目的地及初始位置后，采用A*算法计算从初始位置到目的地的路径，供用户选择；通讯模块是该智能导航系统的信息中心，与其他各个模块通信。定位模块实时定位用户的位置，所有定位的位置点构成路径，定位模块采用GPS定位、BDS定位和WIFI定位。探测模块包括传感器和与传感器电连接的分析器，分析器还与报警模块通信，报警模块与交互模块通信。其中A*算法为现有的计算方法。
传感器包括激光雷达传感器和视觉传感器，视觉传感器为单目视觉传感器，激光雷达传感器和单目视觉传感器采集路径中的物体信息，将该信息传送至分析器，经分析后判断物体的形状、大小和运动状态。报警模块中含有温度传感器，能感应系统及周围环境温度，结合温度感应结果和分析器的分析结果，告知用户，以便及时采取措施。
实施例2
本实施例提供了一种探测障碍物的智能导航系统，该系统与实施例1的区别在于，探测模块中的传感器采用的是激光雷达传感器和双目视觉传感器。此外，本系统还含有远程服务平台，该平台上含有人工服务，可以对分析结果进行确认，提高判断结果的准确性。
实施例3
本实施例提供了一种探测障碍物的智能导航系统，该系统与实施例2的区别在于，还含有电量感应模块，随时监测体系的电量，在系统电量低于预设值20％时，计算模块调动对充电桩的深度学习资料，然后自主寻找充电桩，报告给用户，指引用户前往充电。
实施例4
结合附图2，对实施例2提供的探测障碍物的智能导航系统在室内的应用进行说明。本实施例的室内应用场景是某视障人士(用户)的商品房屋内，首先，获取用户的目的位置和初始位置，此处，用户的目的位置是卧室，初始位置是客厅的沙发上。用户将目的位置“卧室”语音输入至系统的交互模块(手机)即可，初始位置通过定位将自动生成。
该商品房屋内的布局及各种物件的摆放均已经绘制成了电子地图，并上传至中央处理模块中的存储模块中。智能导航系统中的定位模块采用WIFI定位用户的初始位置并显示在电子地图上，在电子地图上找到目的地的位置点，然后计算模块采用A*算法计算从初始位置到目的地的路径，并将最短路径播报给用户。
在用户行进过程中，探测模块中的传感器由近到远地采集信息，激光雷达传感器发射激光束，在遇到物体后，反射信号到激光雷达传感器，形成激光信息，进一步地，分析器采用地图差分法分析该信息。双目视觉传感器获取物体的两幅图像，计算图像对应点间的位置偏差，获取物体的三维信息；传输至分析器，分析器采用Canny算子分析图像信息。结合激光雷达信息分析结果和图像信息分析结果，分析器给出被采集物体的形状、大小和运动信息。在本实施例中，人为地在进卧室的门口放置了一把椅子，并控制一辆遥控玩具车驶向用户。结果，在用户起身朝向卧室出发时，系统的交互模块(手机)就语音告知用户，正前方有运动物体在靠近，可先向右步行2步，然后左转前进以避开该运动物体。用户按照指引先向右再左转前进，然后又收到语音提示前方20m有静止的物体，该物体相对较小，可以缓慢靠近，然后绕开。用户按照导航系统的指引，安全地到达了目的地。整个过程中，导航系统发出的提示信息非常准确，充分说明了本智能导航系统能很好地探测各种突然出现的物体，及时提醒用户避开障碍。
类似地，该用户从卧室到厨房，从厨房到卫生间，从卫生间到阳台等室内活动路径均应用了本发明提供的智能导航系统，事实证明，智能导航系统的提示准确、及时，满足视障人士室内活动的需求。
实施例5
实施例2提供的探测障碍物的智能导航系统在室内的应用。本实施例的应用方法试验与实施例4的区别在于，在用户应用该智能导航系统进行室内导航时，其家人正在厨房做饭，煤气灶上开火了。用户打开导航系统后，立刻收到报警音，并被告知东南方向有超高温物体。该报警提示与实际情况完全相符，证实智能导航系统中的报警模块非常灵敏，能及时、有效感应环境温度，提高用户的安全。
用户收到报警提示后，可以联系远程服务平台(监控家里情况的另一家人)确认报警信息的准确性，如此能够在屋内意外起火的情况下，及时获取信息，然后及时撤离。
实施例6
实施例3提供的探测障碍物的智能导航系统在室内的应用。本实施例中共10位用户使用该智能导航系统，但是其中3位用户使用的智能手机电量已经分别低至15％、17％和19％，故而在打开该系统时，电量低的3位用户收到了系统提示的充电桩位置信息，提醒前往充电。事实证明，智能导航系统提示的充电桩位置信息准确。
实施例7
结合附图2，对实施例3提供的探测障碍物的智能导航系统在室外出行中的应用进行说明。用户携带该智能导航系统，输入目的地，通过GPS定位初始位置。中央处理模块中的存储模块通过百度地图的开放接口获取电子地图，计算模块根据初始位置和目的位置，采用A*算法计算路径，并提供给用户。
用户根据所选择的路径步行出发，行进过程中传感器采集信息，并不断传送至分析器，分析器分析后结合报警模块中的温度感应结果，得到最终的结果，将其反馈给用户。
该用户在行走过程中被提醒“前方500m有运动物体”，与真实情况的汽车驶来相符合。同时，导航系统还不断提醒路径上的行人、临时停放的汽车障碍物或其他障碍物，这些提醒均与实际情况相符合；说明本导航系统中的探测模块非常灵敏、准确和及时。
本发明所述的智能导航系统还能应用于商场、户外骑行和开车出行等。不难理解的是，在具体实施时，上述的各种可选的实施方式之间不会相互影响。对各个可选的实施方式的任意组合均应该落入本发明的保护范围。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种探测障碍物的智能导航系统，其特征在于，包括交互模块、定位模块、中央处理模块、探测模块和报警模块，所述中央处理模块包括相互通信的存储模块、计算模块和通讯模块，所述通讯模块分别与交互模块、定位模块和探测模块通信；所述存储模块含有数据接口；所述探测模块包括传感器和与传感器电连接的分析器，分析器实时分析传感器采集的信息，判断障碍物类型，所述分析器与报警模块通信，报警模块与交互模块通信。
2.根据权利要求1所述的智能导航系统，其特征在于，所述探测模块中的传感器包括激光雷达传感器和视觉传感器，所述视觉传感器包括单目视觉传感器和/或双目视觉传感器。
3.根据权利要求1所述的智能导航系统，其特征在于，所述报警模块含有温度传感器。
4.根据权利要求1-3任一项所述的智能导航系统，其特征在于，还包括至少一种以下技术特征：
所述智能导航系统还包括与中央处理模块中的通讯模块通信连接的远程服务平台；
所述交互模块为移动终端，包括手机、平板和电脑；
所述定位模块包括GPS定位、BDS定位和WIFI定位。
5.根据权利要求1-3任一项所述的智能导航系统，其特征在于，所述智能导航系统还包括与中央处理模块中的通讯模块通信连接的电量感应模块，所述电量感应模块用于监测系统的电量，在系统电量低于预设值时，自主寻找充电桩，报告给用户。
6.权利要求1-5任一项所述的智能导航系统的应用，其特征在于，包括以下步骤：
S100.通过交互模块获取用户的目的位置，通过定位模块获取用户的初始位置；
S200.中央处理模块中的存储模块获取电子地图，然后计算模块计算从初始位置到目的位置的路径；
S300.在路径行进过程中实时定位，探测模块中的传感器反馈采集的信息至分析器，分析器分析传感器采集的信息后，判断障碍物类型，得到分析结果；
S400.分析结果经由中央处理模块中的通讯模块，传至交互模块，将分析结果报告给用户。
7.根据权利要求6所述的智能导航系统的应用，其特征在于，所述应用为在室外出行中的应用，还包括以下技术特征中的至少一种：
所述定位模块采用GPS定位或BDS定位；
所述通过交互模块获取用户的目的位置的方式包括语音输入、文字输入和图像输入；
所述存储模块获取电子地图的途径包括通过百度地图、高德地图的开放接口获取。
8.根据权利要求6所述的智能导航系统的应用，其特征在于，所述应用为在室内活动中的应用，还包括以下技术特征中的至少一种：
所述定位模块采用WIFI定位；
所述存储模块获取电子地图的途径为：将室内位置环境的全景图上传至中央处理模块中的计算模块，经计算后转成电子地图，传输至存储模块；或者将绘制好的室内电子地图传输至存储模块。
9.根据权利要求6-8任一项所述的智能导航系统的应用，其特征在于，步骤S300所述的分析器分析传感器采集的信息是指分析器分析激光雷达传感器采集的信息和视觉传感器采集的图像信息，分析器分析激光雷达传感器采集的信息采用的是地图差分法，分析器分析视觉传感器采集的图像信息的方法包括图像边缘检测、图像分割算法、图像滤波处理和图像形态学处理中的一种或几种。
10.根据权利要求9所述的智能导航系统的应用，其特征在于，在步骤S300之后、步骤S400之前，还包括步骤S500，所述步骤S500为通过通讯模块将步骤S300的分析结果传输至远程服务平台，确认分析结果的准确性后再报告给用户；或者先结合分析结果和报警模块的温度传感器的感应结果，然后做出最终的结果判断，报告给用户。
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2019
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