CN114061585B - 一种基于二维码的室内行人定位和导航路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于室内定位与导航技术领域，具体涉及一种基于二维码的室内行人定位和导航路径规划方法。本发明只需获取室内空间包含特定元素的地图便可自动计算二维码放置的位置，并通过空间分割和对偶理论自动获取可以用于计算室内行人导航路径的导航网络。这极大地增强了二维码部署的可操作性，从而使得基于二维码的室内定位和导航对于二维码的放置位置有明确的计算规则，同时能够实现自动化地构建与二维码位置相匹配的导航网络，这将克服二维码在部署过程中实操性差的问题，从而为真正将二维码部署在室内并用于室内定位和导航路径规划提供解决方案。

Description

一种基于二维码的室内行人定位和导航路径规划方法

技术领域

本发明属于室内定位与导航技术领域，具体涉及一种基于二维码的室内行人定位和导航路径规划方法。

背景技术

在众多的室内定位技术中，如室内定位系统(IPS)，惯性导航系统(INS)，二维码(QR codes)，有源射频识别(RFID)标签，二维码具有部署成本低(无需额外的专用软硬件)，不易受干扰(不依赖于电磁波)，方便快捷(直接打印或者屏幕显示即可)，和灵活性强(增加减少非常简便)等优点。近年来，基于二维码的室内定位与导航的研究屡见不鲜。诸多的研究主要集中于二维码本身的编码和解码方式、基于二维码(或与其它技术)相结合的定位系统架构方案、二维码的生成方案等。然而，二维码的部署及具体的放置位置及规则却鲜有研究。现有的文献及专利资料显示，普遍认可的二维码放置规则是将其放置在显著的位置，而且所谓的显著的位置也只是基于研究者们的常识，例如门口、楼梯口、电梯口，重要的拐角位置。如果按照此类常识进行部署，实际操作发现，该种描述性的规则可操作性几乎为零。因为即便门口被认同为显著的位置，当真正需要放置二维码时，我们发现门口其实过于抽象，到底什么位置是门口仍旧不清楚，譬如，门前1cm，10cm，或者门的几何中心等。也就是说，在室内空间放置二维码的策略和规则尚无参考标准。更重要的是，导航路径规划通常依赖于作为导航空间的抽象的导航网络，即便是根据部署人员的常识放置了二维码，目前也没有缺乏自动推导与二维码相匹配的导航网络的方法。这使二维码在实际部署过程中实操性很差，以至于没有成熟可用的基于二维码的室内行人定位和导航路径规划系统。

发明内容

本发明的目的在于克服使用二维码作为室内行人定位及路径规划中定位技术时，二维码的部署位置没有量化的参考规则的问题，提供一种基于二维码的室内行人定位和导航路径规划方法。

一种基于二维码的室内行人定位和导航路径规划方法，包括以下步骤：

步骤1：获取室内空间平面图，将室内空间平面图简化，将类似于房间的空间的简化为闭合的多边形，将门简化为线段，将兴趣点简化为一个点，将走廊简化为一个闭合的多边形，类似于房间的空间经由门与走廊多边形相连；简化后的室内空间平面图中包括三类可导航空间和两类不可导航空间；所述三类可导航空间包括类似于房间的空间、兴趣点和走廊；所述不可导航空间包括障碍物和中庭；

步骤3：根据简化后的室内空间平面图计算二维码的位置；

步骤4：引入并计算哑结点；哑结点在构建室内导航网络方面的作用与二维码完全相同，唯一的区别在于在实际部署中不会在哑结点位置放置真实的二维码；

步骤5：将二维码及哑结点的位置作为种子点，使用Voronoi图分割室内开阔区域，并使用空间运算去掉中庭以及障碍物等占据的不可导航空间，从而得到最终的分割后的开阔区域；

步骤6：使用对偶理论将分割得到的开阔区域空间及室内的其他可导航空间多边形作为输入，构建导航网络；对偶理论的具体规则为，如果两个空间共享一条边，则将两个空间抽象为两个点，此时需要判断这两个空间内是否包含二维码或哑结点，如果包含，则由所包含的二维码或哑结点来代表这两个空间，如果不包含，则由空间的几何中心点来代表空间，而空间共享的边抽象为一条线，用以连接代表空间的两个结点；

步骤7：使用路径规划算法计算导航路径。

进一步地，所述步骤3中根据简化后的室内空间平面图计算二维码的位置的方法具体为：

对于兴趣点，二维码直接放置于该兴趣点所在的位置；对于类似于房间的空间，二维码放置在门的中垂线靠走廊的一边；

V₁(x₁,y₁)和V₂(x₂,y₂)是门或线的顶点；O(x₀,y₀)为门或线的中点，x₀＝(x₁+x₂)/2，y₀＝(y₁+y₂)/2；则二维码的放置位置Q(x,y)的计算方法为：

如果x₁≠x₂，

如果x₁＝x₂，

其中，d为舒适距离，门的中点和二维码之间的距离设置为d。

进一步地，所述步骤4中根据由顶点B(x_B,y_B)、A(x_A,y_A)、F(x_F,y_F)组成的空间的拐角A确定其哑结点位置A_i(x_i,y_i)的方法具体为：

步骤4.1：将空间顶点A(x_A,y_A)和哑结点A_i之间的距离设定为d，将空间顶点A(x_A,y_A)与辅助点M、N之间的距离都设置为d；

步骤4.2：计算辅助点M、N的坐标(X_M,Y_M)、(X_N,Y_N)；

如果x_A-x_B≠0，则否则，/>

如果x_A-x_F≠0，则否则，/>

步骤4.3：计算辅助点I的坐标(X_I,Y_I)；

X_I＝(X_M+X_N)/2

Y_I＝(Y_M+Y_N)/2

步骤4.4：计算哑结点A_i的坐标(x_i,y_i)；

如果x_A-X_I≠0，则

否则，

本发明的有益效果在于：

本发明只需获取室内空间包含特定元素的地图便可自动计算二维码放置的位置，并通过空间分割和对偶理论自动获取可以用于计算室内行人导航路径的导航网络。这极大地增强了二维码部署的可操作性，从而使得基于二维码的室内定位和导航对于二维码的放置位置有明确的计算规则，同时能够实现自动化地构建与二维码位置相匹配的导航网络，这将克服二维码在部署过程中实操性差的问题，从而为真正将二维码部署在室内并用于室内定位和导航路径规划提供解决方案。

附图说明

图1为本发明的整体流程图。

图2为室内空间元素的简化方法示意图。

图3为二维码的计算方法示意图。

图4为哑结点的计算方法示意图。

图5为基于由边AB和AF形成的角(A)确定哑结点A_i的位置(x_i,y_i)的计算流程图。

图6为房间、电梯、楼梯、及扶梯的二维码的放置示意图。

图7为本发明的实施例的过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明公开了一种基于二维码的室内行人定位和导航路径规划方法，该方法用于计算面向室内行人定位和导航路径规划的二维码的部署位置，属于室内定位与导航领域。本发明涉及室内平面图的简化的方法，根据室内空间的形态，自动化地计算二维码的放置位置，以及自动化地推导与二维码的位置相匹配的可用于室内定位和导航的导航网络的方法，从而为室内行人定位和导航路径规划提供解决方案。

一种基于二维码的室内行人定位和导航路径规划方法，包括以下步骤：

步骤1：获取室内空间平面图，将室内空间平面图简化，将类似于房间的空间的简化为闭合的多边形，将门简化为线段，将兴趣点简化为一个点，将走廊简化为一个闭合的多边形，类似于房间的空间经由门与走廊多边形相连；简化后的室内空间平面图中包括三类可导航空间和两类不可导航空间；所述三类可导航空间包括类似于房间的空间、兴趣点和走廊；所述不可导航空间包括障碍物和中庭；

步骤3：根据简化后的室内空间平面图计算二维码的位置；

对于兴趣点，二维码直接放置于该兴趣点所在的位置；对于类似于房间的空间，二维码放置在门的中垂线靠走廊的一边；

V₁(x₁,y₁)和V₂(x₂,y₂)是门或线的顶点；O(x₀,y₀)为门或线的中点，x₀＝(x₁+x₂)/2，y₀＝(y₁+y₂)/2；则二维码的放置位置Q(x,y)的计算方法为：

如果x₁≠x₂，

如果x₁＝x₂，

其中，d为舒适距离，门的中点和二维码之间的距离设置为d；

步骤4：引入并计算哑结点；哑结点在构建室内导航网络方面的作用与二维码完全相同，唯一的区别在于在实际部署中不会在哑结点位置放置真实的二维码；

根据由顶点B(x_B,y_B)、A(x_A,y_A)、F(x_F,y_F)组成的空间的拐角A确定其哑结点位置A_i(x_i,y_i)的方法具体为：

步骤4.1：将空间顶点A(x_A,y_A)和哑结点A_i之间的距离设定为d，将空间顶点A(x_A,y_A)与辅助点M、N之间的距离都设置为d；

步骤4.2：计算辅助点M、N的坐标(X_M,Y_M)、(X_N,Y_N)；

如果x_A-x_B≠0，则否则，/>

如果x_A-x_F≠0，则否则，/>

步骤4.3：计算辅助点I的坐标(X_I,Y_I)；

X_I＝(X_M+X_N)/2

Y_I＝(Y_M+Y_N)/2

步骤4.4：计算哑结点A_i的坐标(x_i,y_i)；

如果x_A-X_I≠0，则

否则，

步骤5：重复步骤3和4，直至得到所有的二维码和哑结点的位置；将二维码及哑结点的位置作为种子点，使用Voronoi图分割室内开阔区域，并使用空间运算去掉中庭以及障碍物等占据的不可导航空间，从而得到最终的分割后的开阔区域；

步骤6：使用对偶理论将分割得到的开阔区域空间及室内的其他可导航空间多边形作为输入，构建导航网络；对偶理论的具体规则为，如果两个空间共享一条边，则将两个空间抽象为两个点，此时需要判断这两个空间内是否包含二维码或哑结点，如果包含，则由所包含的二维码或哑结点来代表这两个空间，如果不包含，则由空间的几何中心点来代表空间，而空间共享的边抽象为一条线，用以连接代表空间的两个结点；

步骤7：使用路径规划算法计算导航路径。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：使用该发明，只需获取室内空间包含特定元素的地图便可自动计算二维码放置的位置，并通过空间分割和对偶理论自动获取可以用于计算室内行人导航路径的导航网络。这极大地增强了二维码部署的可操作性，从而使得基于二维码的室内定位和导航对于二维码的放置位置有明确的计算规则，同时能够实现自动化地构建与二维码位置相匹配的导航网络，这将克服二维码在部署过程中实操性差的问题，从而为真正将二维码部署在室内并用于室内定位和导航路径规划提供解决方案。

实施例1：

本发明的目的是为了克服使用二维码作为室内行人定位及路径规划中定位技术时，二维码的部署位置没有量化的参考规则的问题而提供的一种自适应地根据室内空间结构自动化地计算二维码的部署位置的方法。

图3为二维码的计算方法示意图。V₁和V₂是门(线)的顶点，O是线的中点，Q是二维码的放置位置，门(线)的中点和二维码之间的距离是d。图4为哑结点的计算方法示意图。根据由顶点B(x_B,y_B)、A(x_A,y_A)、F(x_F,y_F)组成的空间的拐角A确定其哑结点位A_i(x_i,y_i)。图7为本实施例的过程图，其中(a)为原始室内平面图，(b)为简化的室内平面图，(c)为计算得到的二维码及哑结点的位置，其中黑色方框为二维码位置，空心圆为哑结点位置，(d)为基于Voronoi图分割开阔空间，(e)为基于对偶理论推导的导航网络，(f)为以房间3为起点，房间7为目标点的导航路径。

步骤1，获取室内空间平面图，该图可以是建筑设计蓝图，室内布局图，竣工图，消防图等。只要该图至少包含有目标建筑物内部房间级别的信息，如墙，门，走廊，房间，障碍物，中庭，电梯，楼梯，扶梯以及兴趣点等(见图7中(a))。

步骤2，简化(或重绘)室内空间的相关元素。该步骤是将第一步的室内平面图简化(或重绘)为包含五类要素的可编辑的室内地图，该地图包含三大类可导航空间和两类不可导航空间，可导航空间进一步分为类似于房间的空间(如房间，电梯间，楼梯间，扶梯间)，兴趣点(如ATM，长凳等)，和走廊。而不可导航的空间主要包括障碍物和中庭。具体的简化(或重绘)规则如图2所示。类似于房间的空间的被简化为闭合的多边形，门被简化为线段，而该类似房间的空间经由该门(线段)与走廊多边形相连接(如图2中(a)(b)(c)所示)。兴趣点被简化为一个点(如图2中(d)所示)而走廊则被简化为一个闭合的多边形(如图2中(f)所示)。简化后的室内空间见图7中(b)。

步骤3，计算二维码及哑结点的位置。二维码放置在门的中垂线靠走廊的一边，而其距离门线段的中点距离为10cm-100cm，因为根据研究，行人在行走习惯是既与墙及障碍物保持至少10cm，同时考虑一个约87.5cm的舒适距离。对于兴趣点，二维码直接放置于该兴趣点所在的位置(见图6中的二维码)。图3展示了针对对于类似于房间的空间(如房间，电梯间，楼梯间，扶梯间)的二维码位置的计算方法，其中d为舒适距离。很容易计算出O的坐标：x₀＝(x₁+x₂)/2和y₀＝(y₁+y₂)/2。

如果x₁≠x₂，二维码的位置计算公式为：

如果x₁＝x₂，二维码的计算公式为：

步骤4：哑结点的引入是为了放置导航网络的边出现穿行墙体的情况。图4和图5展示了哑结点位置的计算方法。在图4中，黑色实心圆表示空间的顶点，空心圆是计算的辅助点，两个黑色的五尖星表示哑结点，空间顶点(A)和哑结点(A_i)之间的距离设定为d。为了便于计算，将空间顶点(A)与辅助点(M和N)之间的距离都设置为d。

以顶点A为例，图5展示了计算虚拟节点(A_i)的整个过程。计算从形成顶点A的两条边开始。对于边BA，要计算其延伸点上的点(M)，将使用该边的斜率，因此x_A-x_B≠0是确保斜率计算的有效性的条件。如果满足该条件，就可以通过公式(3)来计算M，否则可以通过公式(4)来计算M。每次计算都可以得到两个点，但是位于线段BA的延长线上的点才被用于后续计算。类似地，可以基于由顶点F和A形成的边来计算另一个辅助点N。然后，可以基于M和N计算辅助点I。最后，使用A和I，可以计算出A的哑结点，其中x_A-x_I≠0也被计算用以确保由A和I形成的线段的斜率计算的有效性。此后，如果满足此条件，则根据公式(5)计算哑结点位置，否则根据公式(6)计算。

步骤5，重复步骤3和4，可以得到所有的二维码和哑结点的位置(图6和图7中(c)所示)，而后将其作为种子点，使用Voronoi图分割室内开阔区域。并使用空间运算去掉中庭以及障碍物等占据的不可导航空间，从而得到最终的分割后的开阔区域。图7中(d)展示了分割后的走廊，其中黑色方块为二维码位置，空心圆为哑结点。

步骤6，使用对偶理论将分割得到的开阔区域空间及室内的其他可导航空间多边形作为输入，自动构建导航网络(如图7中(e)所示)。对偶理论的具体规则为，如果两个空间共享一条边，则将两个空间抽象为两个点，此时需要判断这两个空间内是否包含二维码或哑结点，如果包含，则由所包含的二维码或哑结点来代表这两个空间，如果不包含，则由空间的几何中心点来代表空间，而空间共享的边抽象为一条线，用以连接代表空间的两个结点。

步骤7，基于上一步得到的导航网络，使用路径规划算法，如迪杰斯特拉(Dijkstra)，A*，蚁群算法(Ant Colony Optimization)等，在设定导航起点和终点的基础上计算导航路径。如图6中(f)所示，当选取房间3和房间7分别为导航的起点和终点，使用Dijkstra，可以计算得到一条最短距离的导航路径。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于二维码的室内行人定位和导航路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取室内空间平面图，将室内空间平面图简化，将类似于房间的空间的简化为闭合的多边形，将门简化为线段，将兴趣点简化为一个点，将走廊简化为一个闭合的多边形，类似于房间的空间经由门与走廊多边形相连；简化后的室内空间平面图中包括三类可导航空间和两类不可导航空间；所述三类可导航空间包括类似于房间的空间、兴趣点和走廊；所述不可导航空间包括障碍物和中庭；

步骤2：根据简化后的室内空间平面图计算二维码的位置；

对于兴趣点，二维码直接放置于该兴趣点所在的位置；对于类似于房间的空间，二维码放置在门的中垂线靠走廊的一边；

V₁(x₁,y₁)和V₂(x₂,y₂)是门或线的顶点；O(x₀,y₀)为门或线的中点，x₀＝(x₁+x₂)/2，y₀＝(y₁+y₂)/2；则二维码的放置位置Q(x,y)的计算方法为：

如果x₁≠x₂，

如果x₁＝x₂，

其中，d为舒适距离，门的中点和二维码之间的距离设置为d；

步骤3：引入并计算哑结点；哑结点在构建室内导航网络方面的作用与二维码完全相同，唯一的区别在于在实际部署中不会在哑结点位置放置真实的二维码；

根据由顶点B(x_B,y_B)、A(x_A,y_A)、F(x_F,y_F)组成的空间的拐角A，确定其哑结点位置A_i(x_i,y_i)的方法具体为：

步骤3.1：将空间顶点A(x_A,y_A)和哑结点A_i之间的距离设定为d，将空间顶点A(x_A,y_A)与辅助点M、N之间的距离都设置为d；

步骤3.2：计算辅助点M、N的坐标(X_M,Y_M)、(X_N,Y_N)；

如果x_A-x_B≠0，则否则，/>

如果x_A-x_F≠0，则否则，/>

步骤3.3：计算辅助点I的坐标(X_I,Y_I)；

X_I＝(X_M+X_N)/2

Y_I＝(Y_M+Y_N)/2

步骤3.4：计算哑结点A_i的坐标(x_i,y_i)；

如果x_A-X_I≠0，则

否则，

步骤4：将二维码及哑结点的位置作为种子点，使用Voronoi图分割室内开阔区域，并使用空间运算去掉中庭以及障碍物等占据的不可导航空间，从而得到最终的分割后的开阔区域；

步骤5：使用对偶理论将分割得到的开阔区域空间及室内的其他可导航空间多边形作为输入，构建导航网络；对偶理论的具体规则为，如果两个空间共享一条边，则将两个空间抽象为两个点，此时需要判断这两个空间内是否包含二维码或哑结点，如果包含，则由所包含的二维码或哑结点来代表这两个空间，如果不包含，则由空间的几何中心点来代表空间，而空间共享的边抽象为一条线，用以连接代表空间的两个结点；

步骤6：使用路径规划算法计算导航路径。