CN112735001A - 一种基于机器交互技术的移动终端过闸系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于机器交互技术的移动终端过闸系统及方法，包括移动终端、闸机设备、定位系统和后台系统，移动终端包括移动终端主控板、定位单元、视觉单元和全向运动平台，定位单元、视觉单元、全向运动平台分别连接移动终端主控板；所述闸机设备包括闸机主控板、闸门机构、立体视觉模组，闸门机构、立体视觉模组分别连接闸机主控板；所述定位系统包括定位主基站和定位从基站，定位主基站、定位从基站间隔分布在移动终端和闸机设备周围，并且，定位主基站连接移动终端的定位单元。本发明实现了当移动终端到达闸机附近时能主动向闸机提出身份验证请求，并在闸机完成身份验证并执行开门动作后，自主通过闸机，实现完整的自主验证和通行。
Description
技术领域
本发明属于人工智能设备，具体涉及一种基于机器交互技术的移动终端过闸系统及方法。
背景技术
随着社会的不断发展，市场上移动服务终端、服务机器人的应用也越来越普及，这些机器能够替代人类从事送餐、送物、巡检、搬运、清洁、导航、讲解等各类服务性工作，时常出现在商超、酒店、宾馆、写字楼、公园或企业园区里。而闸机设备同样作为一种智能化的终端，也被广泛应用于智慧园区、智能楼宇、智能工厂等领域，从而对一些关键出入口进行管控。
然而，目前移动终端无法实现与闸机设备进行关联性交互，闸机也无法对移动终端身份进行验证，这使得移动终端不具备自主过闸的能力，导致移动终端的活动范围受到了很大限制，无法满足更为复杂环境下的使用需求，影响了更多服务性应用的发展。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的在于提供一种基于机器交互技术的移动终端过闸系统，其优点在于，能够实现闸机设备对移动终端的身份验证，移动终端可以自主导航过闸，增大了移动终端的活动范围；本发明的第二目的在于提供一种基于机器交互技术的移动终端过闸方法，其优点在于，实现了完全自动化运行，自主路径规划和自主导航行走功能结合定位技术，适用于不同场景的各类功能应用。
技术方案：本发明的基于机器交互技术的移动终端过闸系统，包括移动终端和闸机设备，其特征在于：所述移动终端包括移动终端主控板、定位单元、视觉单元和全向运动平台，定位单元、视觉单元、全向运动平台分别连接移动终端主控板；所述移动终端和闸机设备之间通过无线通讯单元连接，闸机设备包括闸机主控板、闸门机构、立体视觉模组，闸门机构、立体视觉模组分别连接闸机主控板；还包括定位系统和后台系统，所述定位系统包括至少一个定位主基站和多个定位从基站，定位主基站、定位从基站间隔分布在移动终端和闸机设备周围，并且，定位主基站连接移动终端的定位单元。
所述移动终端还包括避障单元，避障单元连接移动终端主控板，用于向移动终端主控板提供运动方向上的障碍距离值，防止移动终端在行进过程中与障碍物发生撞击。
所述闸机设备还包括身份验证单元，身份验证单元连接闸机主控板，用于对通行闸机设备的人员身份进行验证，当验证通过后闸机主控板控制闸门机构开门，能够自主实现闸机对移动终端的身份验证，完成移动终端自主导航过闸的功能。
所述身份验证单元采用人脸识别器、RFID读卡器、二维码识别器中的一种或多种，选择灵活。
所述无线通讯单元包括连接于移动终端主控板的第一无线通讯单元，以及连接于闸机主控板的第二无线通讯单元，且第一无线通讯单元和第二无线通讯单元之间相互组网通讯，实现移动终端与闸机设备之间的数据传输。
所述第一无线通讯单元和第二无线通讯单元均采用zigbee通讯模组，第一无线通讯单元工作在协调器模式，第二无线通讯单元工作在终端模式，当两者距离小于组网距离时，会自动完成组网，并为移动终端主控板和闸机主控板之间提供无线数据通讯传输链路。
所述立体视觉模组设置在闸机设备中闸机通道的正上方，立体视觉模组自上而下监测闸机通道内的状态，确保闸机通道整个区域都处于立体视觉模组的监测范围。
所述立体视觉模组通过以太网和交换机连接闸机主控板，用于将采集到的视频流发送给闸机主控板进行分析识别，为闸机主控板下发命令提供依据。
本发明还包括一种基于机器交互技术的移动终端过闸系统的方法，包括以下步骤：
(1)移动终端上电后，定位系统获取移动终端的坐标位置并发送至移动终端主控板；
(2)当移动终端需穿过闸机设备时，移动终端先通过定位系统获取自身坐标位置，再结合闸机设备的坐标位置自主规划路径；
(3)移动终端主控板向全向运动平台发送行走指令，沿着已规划路径进行运行；
(4)当移动终端到达闸机设备附近时，移动终端主控板根据视觉单元传回的视频流识别闸机设备在视频图片中的位置，判断移动终端与闸机设备间的坐标偏差，移动终端主控板根据得到的位置偏差控制全向运动平台进行运动调整，直至移动终端到达闸机设备前方精确位置；
(5)移动终端向闸机设备发出通行请求报文，待后台系统身份验证通过后闸机主控板控制闸门机构开启，同时，闸机主控板还向移动终端发送通行授权报文；
(6)移动终端收到通行授权报文后，控制全向运动平台向前运动，通过闸机通道；
(7)立体视觉模组将闸机通道内的视频流发送至闸机主控板，闸机主控板检测到移动终端通过闸机设备后，及时控制闸门机构关闭。
步骤(2)中，待移动终端规划出行进路径后，避障单元将移动终端周围障碍物的位置信息实时发送至移动终端主控板，移动终端主控板对接收的障碍物位置信息进行解析并不断构建SLAM地图；当障碍物处于移动终端前进方向时，移动终端主控板根据SLAM地图重新规划路径，避开前方障碍物，并控制全向运动平台沿新的路径行进。
有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果在于：(1)解决了传统闸机无法对移动终端进行身份验证的弊端，实现移动终端自主导航过闸的功能，增大了移动终端的活动范围；(2)整个系统完全自动化运行，自主路径规划和自主导航行走功能结合室内外定位技术，适用于不同场景的各类功能应用；(3)通过激光雷达对周围障碍物进行全方位探测，减少探测盲区，提升了设备的使用安全性；(4)具备SLAM地图构建能力，为行走的路径优化和通行效率的提升起到了的较大的帮助；(5)闸机设备既能满足移动终端通行的需求，也能满足人员通行的需求，适用于人和机器共融共存的场景；(6)能够支持多个移动终端通行闸机的使用需求，能实现机器互动与过闸收费等功能，适用于各类检票收费的使用场景；(7)移动终端可搭载各类服务功能部件，实现不同场景下的各类服务功能应用。
附图说明
图1为本发明所述系统的结构框图；
图2为图1中定位系统的布局示意图；
图3为图1中避障单元的工作原理示意图；
图4为图1中立体视觉模组的安装示意图；
图5为本发明所述方法中移动终端自主规划路径的示意图；
图6为本发明所述方法中闸机设备在视觉单元视频图片中的位置示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明做进一步详细描述。
如图1所示，本发明的基于机器交互技术的移动终端过闸系统，包括定位系统、移动终端、闸机设备和后台系统。定位系统连接移动终端，定位系统包括至少一个主基站和多个定位从基站，用于为移动终端提供为定位信息。如图2所示，定位主基站、定位从基站间隔分布在移动终端1和闸机设备2周围。定位系统可采用北斗、GPS、UWB、Ibeacon、WIFI定位技术的一种或多种组合。本实施例中，定位系统采用北斗模组及UWB定位技术的相互组合，定位精度可达到0.5～1米。
移动终端和闸机设备之间通过无线通讯单元连接。移动终端包括移动终端主控板、定位单元、视觉单元、避障单元和全向运动平台。移动终端主控板采用工业控制板，是移动终端的核心主控单元，具备以太网口、4G通讯模组以及多个串行通讯接口。移动终端主控板与系统后台系统之间通过4G网络连接。
移动终端主控板与全向运动平台通过串口数据线连接，移动终端主控板向全向运动平台下发命令，控制全向运动平台的运动速度、运动方向和启停状态。本实施例中，全向运动平台包括电源电路、锂电池、四轴驱动器、电机、编码器和全向轮。电源电路控制锂电池的充放电，对供电电压进行转换，为四轴驱动器、电机、编码器提供电能；四轴驱动器对四组电机和编码器进行联动控制，从而满足运动平台各个方向不同速度的运动要求。具体地，全向运动平台可采用成都航发液压工程有限公司型号为Q2系列的四轮全向机器人平台。
定位单元也作为定位系统的一部分，安装在全向运动平台上，通过与定位系统的主基站进行无线通讯，获取自身的实时位置信息，定位单元与移动终端主控板通过串行通讯接口连接，将位置信息发送给移动终端主控板。本实施例中，定位单元包括北斗模组及UWB电子标签板，。主基站和定位从基站每隔一定距离进行部署，用以对UWB电子标签板的位置进行定位。主基站、定位从基站和UWB电子标签板之间通过UWB组网通信，主基站同时具备WIFI、以太网络接口并连接后台系统，能够将UWB电子标签板的坐标数据同时发送给移动终端主控板及后台系统，从而实现室内定位的功能。本实施例中，定位单元采用浩如科技型号为RTLS2系列的UWB定位系统，该系列产品的电子标签板具备UART通讯接口，能将自身的实时坐标位置通过UART通讯接口发送给移动终端主控板，从而实现移动终端主控板的室内定位。北斗模组采用和芯星通型号为UM220-III的室外定位模组，用于实现移动终端在室外环境下的坐标位置获取。
视觉单元与移动终端主控板通过以太网连接，将获取到的视频流数据发送给移动终端主控板进行分析识别，移动终端主控板通过图像识别技术，对前方物体进行形状和位置分析，从而实时调整自身的运动决策。本实施例中，视觉单元可采用海康威视型号为DS-2CD6425FWD-10(B)的小型摄像头。
避障单元与移动终端主控板通过串行通讯接口连接，避障单元安装在全向运动平台上，用于在运动过程中检测周边的障碍物体，并向移动终端主控板提供障碍物体的方位角度和距离，从而使移动终端在遇到障碍前能够提前重新规划路径。本实施例中，避障单元可采用360度激光雷达，激光雷达内置无刷电机，带动激光测距探头快速360度旋转，如图3所示，通过DTOF技术，实现对周围环境目标的快速扫描测距，并将数据发送给移动终端主控板，移动终端主控板对激光雷达传来的数据进行解析，即可确定周围障碍物距离自身的距离和方位角度，图中箭头线为激光雷达发射光束的示意标示。本实施例中，所用激光雷达的型号为LDROBOT-LD06。
无线通讯单元包括相互组网通讯的第一无线通讯单元和第二无线通讯单元，其中，第一无线通讯单元与移动终端主控板通过串行通讯接口双向连接，第二无线通讯单元与闸机设备的闸机主控板也双向连接，利用无线通讯单元实现移动终端与闸机设备之间的无线通讯数据交互。移动终端可搭载各类服务功能部件，实现不同场景下的各类功能应用。本实施例中，第一无线通讯单元和第二无线通讯单元均采用zigbee通讯模组，第一无线通讯单元工作在协调器模式，第二无线通讯单元工作在终端模式从，当两者距离小于组网距离时，会自动完成组网，并为移动终端主控板和闸机主控板之间提供无线数据通讯传输链路，满足移动终端和闸机设备之间的无线数据交互需求。当存在多个移动终端和闸机设备时，所有设备均可通过zigbee进行组网，并实现数据的相互传输。
闸机设备包括闸机主控板、闸门机构、身份验证单元和立体视觉模组。闸机主控板作为闸机设备的核心控制单元，采用工业控制主板实现，其具备GPIO口、CAN总线接口、以太网接口，以及多个串行通讯接口。闸机主控板与两个闸门机构通过CAN总线连接，闸机主控板通过上位机下发的总线命令对两个闸门机构的参数和开合动作进行同步控制。闸门机构根据总线命令对闸门的开关动作进行控制，从而实现对人或机器的阻拦或放行，实现出入口的智能化管控和安全防范。
身份验证单元通过以太网与后台系统连接，根据后台系统下发的白名单库对通行人员识别身份进行比对验证，验证通过后会通过其自身的输出接口将授权信号发送给闸机主控板。身份验证单元还通过GPIO口与闸机主控板连接，验证通过后闸机主控板根据后台系统发来的授权信号控制闸门机构开门。本实施例中，身份验证单元采用人脸识别器、RFID读卡器、二维码识别器中的一种或多种，具体地，身份验证单元可采用型号为PME-820D的人脸识别器。
如图4所示，立体视觉模组3设置在闸机设备2中闸机通道的正上方，且距离闸机设备具有一定高度，以确保闸机设备2整体处于立体视觉模组3的监测范围内。立体视觉模组3自上而下监测闸机通道内的状态。立体视觉模组3通过以太网和交换机连接闸机主控板，将获取到的闸机通道区域内的视频流发送给闸机主控板进行分析处理，以判定进入通道的人或机器的位置和运动状态。闸机主控板内置立体视觉算法，能够检测经过通道的目标数量、实时位置、运动速度、宽度高度等数据，并根据目标在通道内的行为控制闸机进行正确的处理动作。
本发明还包括一种基于机器交互技术的移动终端过闸系统的方法，包括以下步骤：
(1)移动终端上电后，定位系统通过北斗模组及UWB基站获取移动终端的坐标位置并发送至移动终端主控板；
(2)如图5所示，当移动终端需从区域A运动至区域B时时，移动终端先通过定位系统获取自身实时坐标位置，再结合闸机设备的坐标位置自主规划路径；
(3)移动终端主控板向全向运动平台发送行走指令，沿着已规划路径进行运行；
(4)当移动终端到达闸机设备附近时，移动终端主控板根据视觉单元传回的视频流识别闸机设备在视频图片中的位置，判断移动终端与闸机设备间的坐标偏差，如图6所示，移动终端主控板根据得到的位置偏差控制全向运动平台进行运动调整，直至移动终端到达闸机设备前方精确位置；
(5)当移动终端到达闸机前方精确位置时，移动终端通过无线通讯单元向闸机设备发送本机设备号、目标闸机设备号及通行秘钥，从而向闸机设备发出通行请求报文；闸机设备接收设备号及通行秘钥信息，待后台系统身份验证通过后闸机主控板控制闸门机构开启闸门，同时，闸机主控板还通过无线通讯单元向移动终端发送通行授权报文；
(6)移动终端收到通行授权报文后，控制全向运动平台向前运动，通过闸机通道；
(7)闸机设备的立体视觉模组将闸机通道内的视频流发送至闸机主控板，闸机主控板闸机主控板通过内置图像算法检测到移动终端通过闸机设备后，及时控制闸门机构关闭，防止非法尾随的单位目标通过闸机。当闸机设备应用于检票收费场景时，待移动终端通过闸机设备后，闸机设备将移动终端的通行数据通过以太网发送至后台系统，并在后台账户上对该移动终端进行通行结算扣费。
步骤(2)中，待移动终端规划出行进路径后，避障单元保持工作，将移动终端周围障碍物的距离和方位角度实时发送至移动终端主控板；移动终端主控板对接收的障碍物位置信息进行解析并不断构建SLAM地图；当障碍物处于移动终端前进方向时，移动终端主控板根据SLAM地图重新规划路径，避开前方障碍物，并控制全向运动平台沿新的路径行进。
Claims (10)
1.一种基于机器交互技术的移动终端过闸系统，包括移动终端和闸机设备，其特征在于：所述移动终端包括移动终端主控板、定位单元、视觉单元和全向运动平台，定位单元、视觉单元、全向运动平台分别连接移动终端主控板；所述移动终端和闸机设备之间通过无线通讯单元连接，闸机设备包括闸机主控板、闸门机构、立体视觉模组，闸门机构、立体视觉模组分别连接闸机主控板；还包括定位系统和后台系统，所述定位系统包括至少一个定位主基站和多个定位从基站，定位主基站、定位从基站间隔分布在移动终端和闸机设备周围，并且，定位主基站连接移动终端的定位单元。
2.根据权利要求1所述基于机器交互技术的移动终端过闸系统，其特征在于：所述移动终端还包括避障单元，避障单元连接移动终端主控板，用于向移动终端主控板提供运动方向上的障碍距离值。
3.根据权利要求1所述基于机器交互技术的移动终端过闸系统，其特征在于：所述闸机设备还包括身份验证单元，身份验证单元连接闸机主控板，用于对通行闸机设备的人员身份进行验证，当验证通过后闸机主控板控制闸门机构开门。
4.根据权利要求3所述基于机器交互技术的移动终端过闸系统，其特征在于：所述身份验证单元采用人脸识别器、RFID读卡器、二维码识别器中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述基于机器交互技术的移动终端过闸系统，其特征在于：所述无线通讯单元包括连接于移动终端主控板的第一无线通讯单元，以及连接于闸机主控板的第二无线通讯单元，且第一无线通讯单元和第二无线通讯单元之间相互组网通讯。
6.根据权利要求5所述基于机器交互技术的移动终端过闸系统，其特征在于：所述第一无线通讯单元和第二无线通讯单元均采用zigbee通讯模组，第一无线通讯单元工作在协调器模式，第二无线通讯单元工作在终端模式。
7.根据权利要求1所述基于机器交互技术的移动终端过闸系统，其特征在于：所述立体视觉模组设置在闸机设备中闸机通道的正上方，立体视觉模组自上而下监测闸机通道内的状态。
8.根据权利要求7所述基于机器交互技术的移动终端过闸系统，其特征在于：所述立体视觉模组通过以太网和交换机连接闸机主控板，用于将采集到的视频流发送给闸机主控板进行分析识别。
9.一种采用权利要求1所述基于机器交互技术的移动终端过闸系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)移动终端上电后，定位系统获取移动终端的坐标位置并发送至移动终端主控板；
(2)当移动终端需穿过闸机设备时，移动终端先通过定位系统获取自身坐标位置，再结合闸机设备的坐标位置自主规划路径；
(3)移动终端主控板向全向运动平台发送行走指令，沿着已规划路径进行运行；
(4)当移动终端到达闸机设备附近时，移动终端主控板根据视觉单元传回的视频流识别闸机设备在视频图片中的位置，判断移动终端与闸机设备间的坐标偏差，移动终端主控板根据得到的位置偏差控制全向运动平台进行运动调整，直至移动终端到达闸机设备前方精确位置；
(5)移动终端向闸机设备发出通行请求报文，待后台系统身份验证通过后闸机主控板控制闸门机构开启，同时，闸机主控板还向移动终端发送通行授权报文；
(6)移动终端收到通行授权报文后，控制全向运动平台向前运动，通过闸机通道；
(7)立体视觉模组将闸机通道内的视频流发送至闸机主控板，闸机主控板检测到移动终端通过闸机设备后，及时控制闸门机构关闭。
10.根据权利要求9所述的基于机器交互技术的移动终端过闸方法，其特征在于：步骤(2)中，待移动终端规划出行进路径后，避障单元将移动终端周围障碍物的位置信息实时发送至移动终端主控板，移动终端主控板对接收的障碍物位置信息进行解析并不断构建SLAM地图；当障碍物处于移动终端前进方向时，移动终端主控板根据SLAM地图重新规划路径，避开前方障碍物，并控制全向运动平台沿新的路径行进。
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