CN101970989A - 人员导航辅助装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可用于建筑物内外的人员导航辅助装置，所述装置装备在人员身上，其至少包括：计算器(41)，其存储器中包含：场所数字地图(1)，其中提供有所述人员在出发点和到达点之间路线；以及定位程序；与所述计算器相连的人机接口；与所述计算器相连的由所述人员携带的一组传感器(42)，所述传感器提供关于所述人员运动的信息；所述定位程序用于对来自所述传感器(42)和所述人机接口的信号进行处理，还用于将所述数字地图提供的数据与来自所述传感器及所述接口的信息进行合并，随后使用这些数据计算所述人员在地图上的位置并纠正定位估计偏差。

Description

人员导航辅助装置

本专利申请涉及一种在建筑物内外辅助人员导航的装置。

在某些情况下，有必要在建筑物内部或外部指引人员移动。特别是，帮助盲人在公共场所导航势在必行。

在户外环境中，可以使用GPS信号解决技术问题。市场上现有很多导航系统，既有用于车辆的也有用于行人的。在室内环境中，则不可能再使用GPS信号。目前的解决方案都不能令人满意。现有两种解决方案。第一种方案是基于定位标记的。另一种方案是基于地点识别的。

对于标记系统，有两种解决方案试验性地部署在某些公共场所。这些系统使用终端定位。通过集合大量的参考标记和应用已知的三边法、三角法或双曲法，就可以定位一个目标并提出导航建议。然而这些方法需要在建筑中添加大型设备，因而会产生安装和维护费用，劣化了这些系统。举例来说，基于RFID标记的解决方案，要求在地铁的地下通道和车站中每隔五米放置一个终端，而这在财务上是不可能实现的。

对于基于地点识别的系统，现有几种不同的解决方案，它们大都来自机器人技术。某些解决方案使用惯性单元(centrales inertielles)。这些惯性单元包括加速度计传感器和陀螺仪传感器。通过合并这些传感器的数据，就可以重现惯性单元在三维空间中的方位。然而，对于这些定位于“大众”应用的惯性单元，所进行的测量会表现出严重时移，导致无法确切定位。另一些解决方案在视觉领域很实用。这种情况下，通过应用了SLAM技术的摄像机画面，定位功能得到保障，缩略语SLAM来自英文的“SimultaneousLocalization And Mapping”。然而，基于视觉的各种方法目前都不太可靠，而且它们对于诸如亮度改变、目标移动、不同视野角度之类的场景变化十分敏感。此外，它们还需要非常大量的计算。另外还必须提供由人员携带的摄像机以进行定位和指引，这影响了设备的独立性。最后，还有一些解决方案使用激光。二维激光平面允许在几乎180度角上测量与障碍物的距离。随后，获取的图像根据要定位的人员或目标所处建筑物的平面图进行调整。此调整帮助重新设定目标在场景中的位置。这一现已普遍应用于工业领域的原理，却难以适用于本文的定位应用。实际上，其他人员的出现，会被激光识别为障碍物，因而扰乱了测量并妨碍了定位。另一方面，激光平面系统还没有足够小型化以方便携带，而且它们不是独立的系统。此外，它们的成本很高。

在Y.Tadokoro、S.Takuno和Y.Shinoda合著的《便携式盲人行动导航系统及其在行动训练系统中的应用》(1999年10月亚特兰大，第一届BMES/EMBS“高科技”联合会议学报，第589页)一文中，描述了一种便携式导航系统，包括一个存储器中规划了目的地路线的计算器、数个动作传感器和一个HMI扬声器。计算器计算行进的距离和移动的方向，并将其与规划路线进行比较，而HMI则给出用户指示。然而，此刊物中所述的解决方案，并不能修正计算路线相对于实际路线的偏移。

专利申请WO 2005/080917公开了一种用于确定行人沿行路线的系统。此系统包括三个戴在用户身上的惯性传感器。针对每个不同用户进行校准是必要的。

本发明的目的之一就是克服前文所述的各种不便，尤其是，同时又避免了在建筑内部添加附加设备。因此，本发明涉及一种装备在人身上的人员导航辅助装置，其至少包括：

计算器，其存储器中包含：场所数字地图，其中规划人员在出发点和到达点之间的路线；以及定位软件；

与计算器相连的人机接口；

与计算器相连的由人员携带的一组传感器，各传感器提供关于人员动作的信息；

定位软件用于对来自各传感器和人机接口的信号进行处理，还用于将数字地图提供的数据与来自人员携带的各传感器及接口的信息进行合并，随后根据这些数据计算关于人员定位的信息，而这既不需要场所有预装装置(GPS，RFID，...)，也不需要提前熟悉环境。

例如，导航软件可以计算人员从算出的定位点出发在路线上要行进的路径，并利用人机接口提供用于人员导航的必要信息。

至少一个传感器是惯性单元。

对行进路径的计算根据识别出的到达的路线上的中间目标进行更新，这些中间目标标识在数字地图上。

到达的目标通过由至少一个传感器检测到的人员的特征移动得到识别(例如，可通过传感器信号的标记观察到)。

到达的目标通过由人员提供给接口的信息得到识别。

有利的是，例如，此装置通过更新路线沿途要到达的各中间目标，实现了一个循环过程，

定义要到达的目标；

第一步，计算路径估计及可能的轨迹修正；

下一步，如果已到达目标，则定义一个新的将要到达的目标；如果未到达目标，则根据位置历史进行位置概率估计，然后定义一个新的将要到达的目标。

借助下文的描述和查看附图，本发明的其他特征和优势显而易见，附图如下：

图1示出了本发明所述装置应用的原理；

图2示出了本发明所述装置实现的循环步骤；

图3示出了上述步骤的一种可能的过程；

图4示出了本发明所述装置的可能的功能原理框图。

图1示出了本发明所述装置的应用原理。用户通过显示其所处地点的人机接口(HMI)指明其出发点A和到达点B。通过射频识别(RFID)终端或其他的确切定位方法给出或确认，用户可以在导航装置中登入出发点A。

本发明的一种可能的应用实例是在地铁的通道1中。用户进入其所在的地铁站入口可作为其登入的出发点A，此地铁站入口可以由RFID终端进行确认。用户另外指明其想要去的地铁站，即到达点B。然后由导航软件计算出用户应沿行的路径。

如图1所示的示例中，导航软件开始搜索应乘坐的地铁线路并识别人员应去往的站台。随后它会计算出用户应选择的路径。

系统自带一张用户行进地点的地图。HMI会提示用户的行进方向和其将会到达的主要地点。例如，它会提示：出发后200米有一个楼梯2，下完楼梯后须向右转90度。系统会跟踪用户在地图上的位置变化，以便根据其所处的位置提示正确的行进方向。这样，系统就实现了图2中所示过程的各个步骤。

图2示出了本发明所述系统可能用到的三个步骤。行进估计步骤21，是指对三维(3D)运动的估计。此估计是从用户携带的传感器中获得的，比如加速度计、陀螺仪、磁力仪、气压计。在用户的运动过程中，系统如果检测到路线偏移或前方有固定目标，则会定时或不定时地为用户重新定向。

例如，根据从各传感器中获得的3D运动估计，定位系统会按照地图进行调整，以消除由传感器偏差引起的侧向定位误差。特别是如图1所示的示例中，如果运动估计将用户定位在一堵墙的里面，那么系统则会在保持沿着轨迹的行进估计的情况下将用户调整到通道中央。

在下一步骤22中，系统接下来会识别已到达的目标。实际上，已获得的行进估计会因用户每走一步所积累的误差而产生偏差。因此需要定期地在地图上对用户重新定位。然后，系统搜索并识别已到达的指示目标。例如，可以使用以下两种识别模式：

一种模式是，根据用户的感知来指示已到达某目标，例如，用户通过“点击”的形式把这一信息发送给导航装置；

另一种模式是，根据来自各传感器的信号标记来识别目标。

在此两种情况中，一旦已到达某目标，导航系统就会给出一个新的将要到达的目标。实际上，所有这些目标都是位于出发点A和到达点B之间的中间目标。例如，识别经过某目标的过程可以是：测量如改换通道之类的偏移、估算上楼梯或下楼梯、识别例如人员在地铁车厢时的无动作运动或者人员对HMI的指示。

另一步骤23涉及到用户定位丢失的情况。这些定位丢失的情况有可能出现在一些非常麻烦的地点，尤其是，例如在非常拥挤的人群中或者在非常宽阔的大厅中。

根据接收到的最新测量和可提供给用户的数据(例如，有通道或门的信息)，系统可以计算最有可能位置的概率，并可以针对到达定义目标提出一个除初始定义方案之外的备选方案。

图3示出了前述步骤21、22、23的一种可能的链状循环，这些步骤可以通过更新路程沿线要到达的目标而遵从一个循环过程。初始阶段31定义要到达的目标。随后，第一步21，系统进行运动估计和可能的轨迹修正。下一步22，根据已到达或未到达目标，采取各种可能的行动。如果已到达目标，则31定义一个新的将要到的达目标。如果未到达目标，则进行位置概率估计32，然后定义一个新的将要到达的目标。

图4示出了前文描述的本发明所述系统的各个可能的功能性模块框图。此装置包含一个计算器41(例如，挂在用户的腰带上)和数个传感器42(分布在用户身体上)。每个传感器42可以表示集中在身体某一特定部位的一组传感器。

计算器41通过双向连接与HMI 45相连，以用于数据输入，特别是出发点和到达点的输入，还有如中间标记输入之类。再如，HMI还可用于显示来自于计算器41的输出信息，例如显示计划路径、距离或方向改变。这些信息可以通过听觉、视觉或触觉的形式传递。

计算器存储器中包含一张2D或3D的数字地图，其中规划了用户活动的场所。

计算器存储器中还包含一个定位软件，其中包括：用于各传感器42和HMI的信号处理系统；以及用于地图与传感器和HMI所发信息之间数据合并的处理系统，此系统根据这些数据计算用户的即时确切定位，即用户在地图中的参照位置。其中还可包括：例如，导航软件44，其根据到达点和用户在地图中的参照位置来计划应行进的路径。

各传感器42均与计算器相连。

这些传感器42可以是惯性单元，在此情况中，惯性单元可以是3个陀螺仪和3个加速度计的组合。这些惯性单元给出关于加速度和速度的信息，但不是位置信息。因此系统应该根据这些传感器给出的数据来确定用户的位置。所述装置还可以包括其他种类的传感器，比如气压计和/或磁力仪，举例来说，这些传感器可以与计算器放置在同一个包装中。

为了确定用户位置，简单地整合传感器的速度和加速度数据是不够的，因为这样算出的位置很快会变化。所以系统会定时修正用户的位置。因此，系统使用例如：

经过路线上关键点的信号标记，比如楼梯、方向改变；

用户提供的信息，例如其正穿过地铁护栏；

脚步检测。

HMI可以用于录入输入数据和显示输出数据。此HMI可以使用知觉信号，例如听觉或触觉和/或视觉。举例来说，选择接口时需遵循以下可能很重要的规则：不能遮蔽、扭曲或干扰用户习惯采用的各种听觉、触觉、嗅觉、热感指示。HMI最好还应该仅在适当的时间与有用的部分进行通信，且不能产生错误或降低灵敏度。

关于地图，例如，现在已经有了3D地铁图，而如果仅限定在某一层活动的话，建筑物或公共场所图也能相对容易地绘制成3D或2D图。

对于导航操作，可以使用标准算法。

本发明的优势在于允许在同一装置中集成多种元素(来自传感器、用户、预存地图)的集合，并对传感器给出的数据与用户根据地图提供的信息进行合并。举例来说，传感器给出的数据可以持续地进行合并。系统中执行的定位软件和导航软件会参考传感器给出的信息、用户提供的信息和地图信息，根据这些信息，系统给出关于应沿行的路径的信息。

本发明所述装置的优势在于所穿过的建筑中不需要装附加设备。并且它还独立、便携和轻巧。它适用于任何已预先绘制地图的场所。它使用低成本的小型传感器。它尤其适用于视力受损的人群，当然它也可以用于健全人群。

Claims (8)

1.一种人员导航辅助装置，其特征在于，所述装置装备在人员身上，其至少包括：

计算器(41)，其存储器中包含：场所数字地图(1)，其中规划有所述人员在出发点(A)和到达点(B)之间路线；以及定位软件；

与所述计算器(41)相连的人机接口(45)；

与所述计算器相连的由所述人员携带的一组传感器(42)，所述传感器提供关于所述人员运动及其在所述地图中位置的信息；

所述定位软件(43)用于对来自所述传感器(42)和所述人机接口(45)的信号进行处理，还用于将所述数字地图提供的数据与来自所述人员携带的所述传感器及所述接口的信息进行合并，随后根据这些数据计算所述人员的位置。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，导航软件根据所计算出的位置计算所述人员在所述路线(A，B)上要行进的路径，并通过所述人机接口提供用于所述人员导航的必要信息。

3.根据以上任一权利要求所述的装置，其特征在于，至少一个传感器是惯性单元。

4.根据以上任一权利要求所述的装置，其特征在于，根据识别出的已到达的路线(A，B)上的中间目标来更新对所述行进路径的计算，这些中间目标标识在所述数字地图上。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述已到达的目标通过由至少一个传感器(42)检测到的所述人员的特征动作得到识别。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述对动作的检测是通过所述传感器信号的标记来实现的。

7.根据4至6中任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述已到达的目标通过由所述人员提供给所述接口(51)的信息得到识别。

8.根据4至7中任一权利要求所述的装置，其特征在于，通过更新路线沿途要到达的所述各中间目标，以实现一个循环过程：

定义(31)所述要到达的目标；

第一步(21)，计算路径估计及可能的轨迹修正；

下一步(22)，如果已到达所述目标，则定义(31)一个新的将要到达的目标；如果未到达所述目标，则根据位置历史进行位置概率估计(32)，然后定义(31)一个新的将要到达的目标。

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