基于建筑结构图的自主计算精度可控室内定位导航方法技术

本发明专利技术公开了一种基于建筑结构图的自主计算精度可控室内定位导航方法，首先，在被导航的物体上安装有传感器，至少包括运动传感器、测距传感装置和图像传感装置中的一种或多种；然后，确定目标的初始位置；而后基于建筑结构图实时定位与动态校准，最后通过规划的路径完成导航，在给导航系统输入目的地信息后，通过双向A*算法、遗传算法和神经网络算法中的一种进行路径规划，并根据建筑结构图信息预测出被导航物体在建筑物内的走廊、楼梯口、门口位置处的导航决策信息，导航过程中，在被导航物体到达走廊、楼梯口、门口位置之前给出导航决策信息，从而完成被导航物体的全部导航过程。本发明专利技术无需预设定位基准仅根据建筑结构图即可规划出精准的导航路径。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种室内定位导航系统，尤其是涉及一种基于建筑结构图的自主计算精度可控室内定位导航系统。
技术介绍
随着现代通信技术和物联网等领域的飞速发展，室内定位导航技术逐渐成为研究的热点。在仓库、图书馆、工厂等应用环境下，对移动运输的物品的定位与实时监控的需求越来越强烈。现有的室内定位技术多基于室内固定位置传感器件、并基于电磁波通信的被动测量，很容易受到电磁干扰、室内障碍物等的影响，从而限制了室内定位的精确度和实时性。目前常用的导航技术有如下几种：第一种是美国的全球卫星定位系统(GPS,GlobalPositioningSystem)和我国正在建设中的北斗卫星定位系统。以GPS为例，GPS全球卫星定位系统按计划要求应有24颗卫星分布在6个轨道平面上，平均高度约2万公里。用户使用卫星接收机可以测出接收机所在位置到各个卫星的几何距离。理论上，通过距三个卫星的距离即可解出三维坐标，但由于时间同步等问题，为了精确定位，这样的导航定位至少需要观测四颗GPS卫星。由于众多的GPS卫星分布在不同轨道上，因此用户每次都可观测到在地平线以上的7—9颗卫星。接收机则能够从其中优选4颗卫基进行定位[1]。现有的GPS定位技术利用卫星等定位基准不间断实时提供被测物体的位置信息，并将其映射在地图上完成导航。区别于现有的GPS定位技术，本专利技术从定位开始就是基于“室内地图”(即建筑结构图)，从而在不需要预设定位基准的情况下，系统已经“知道”了当前位置的在建筑结构图上的信息，因为建筑本身就是本系统的定位基准。第二种是Intel(英特尔)公司在2016年CES大会(国际消费类电子产品展览会)上展示的一种全新的防撞无人机，可以自动探测并绕过障碍物。这架无人机拥有可收缩起落架，配备4K(3840×2160像素分辨率)摄像头，内置显示器和控制器。这架无人机可以在人造树林中始终跟踪自行车骑行者，还能自动避开下落的树枝，并实时拍摄视频。这种无人机主要采用图像识别与高速运算的方式对目标物体进行定位跟踪，并利用相关传感器完成避障功能。本专利技术与之不同之处在于，本专利技术利用预先储存的建筑结构图作为计算依据，而上述无人机采用实时探测的方法。第三种方法需要在各个标志位置布设大量无线传感器单元，基于Zigbee等短途低功耗无线局域网技术进行定位，如无线传感器网络等[2]。此类方法需要在已有建筑基础上额外构建全覆盖式无线传感器网络，成本投入较高，且当无线传感器单元损坏时，对应位置定位功能失效。本专利技术基于已有的建筑结构图进行计算定位，无需安装无线传感器单元和配置复杂的通信网络。[参考文献][1]苗履丰.GPS全球卫星定位系统原理及其应用[J].测量员,1991,(3):5-7.[2]CasacubertaI,RamirezA.Time-of-flightpositioningusingtheexistingwirelesslocalareanetworkinfrastructure[C]//IndoorPositioningandIndoorNavigation(IPIN),2012InternationalConferenceon.IEEE,2012:1-8.
技术实现思路
本专利技术旨在完成一种基于建筑结构图进行自主计算定位的室内导航系统。该系统在已知所在建筑的标准建筑结构图的前提下，将该建筑结构图做为位置计算和定位的基准，根据配置在运动物体上的运动、测距、图像等传感装置得到的实时感知、测量数据，计算得到运动物体的相对位移和绝对坐标。与此同时，根据对定位精度的要求，每间隔一定时间，对位置坐标进行动态校准。动态校准过程通过识别建筑结构图上固定参照物与测定定位物体到固定参照物的距离来实现。通过基于建筑结构图的计算定位和动态校准相结合，完成定位导航工作。本专利技术区别于包括GPS等定位导航技术在内的基于电磁波的被动式定位，根据自身的传感装置完成位移的感知，并结合建筑结构图特征信息完成自身位置坐标的确定，并根据位置信息和建筑结构图完成路径导航。从而完成一套无需预设定位基准，仅根据建筑结构图计算的定位导航系统。为了解决上述技术问题，本专利技术提出的一种基于建筑结构图的自主计算精度可控室内定位导航方法，首先，在被导航的物体上安装有传感器，所述传感器至少包括运动传感器、测距传感装置和图像传感装置中的一种或多种；并按照下述步骤进行：步骤一、确定目标的初始位置信息：根据所在建筑的建筑结构图建立一绝对坐标系，并确定被导航物体的当前位置坐标及方向：步骤二、基于建筑结构图实时定位与动态校准：结合传感器数据计算得出被导航物体的运动信息，包括根据所述传感器的数据计算得到被导航物体在单位时间内的位移，根据实时检测到的被导航物体的角速度实时计算其运动方向，从而实现被导航物体的盲定位；基于建筑结构图上的特征结构信息确定三个固定参照物，利用测距传感装置得到被导航物体到各固定参照物的距离，计算得出被导航物体在建筑结构图中的位置；步骤三、路径的规划及导航：在给导航系统输入目标坐标信息后，通过双向A*算法、遗传算法和神经网络算法中的一种进行路径规划，并根据建筑结构图信息预测出被导航物体在建筑物内的走廊、楼梯口、门口位置处的导航决策信息，在导航过程中，根据步骤二得出的被导航物体在建筑结构图中的位置，在被导航物体到达走廊、楼梯口、门口位置之前给出导航决策信息，从而完成被导航物体的全部导航过程。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：相比于已有的(室内)定位与导航技术，本专利技术具有如下优点：第一，本专利技术为自主式定位。已有的被动定位测量系统需要在室内预先架设参考点，根据接收到的从参考点发射出的电磁波的信息进行复杂的反复计算得到位置信息。本专利技术不需发射电磁波的参考点，而是通过自带的结构图来计算在图上的位置以实现自主定位。系统所附带的传感器并不用来接收定位电磁波，只是进行自身位移计算，以及测距壁障、周围环境观察等辅助功能。第二，本专利技术的定位导航基于建筑结构图，具有可预测性和速度快的优点。由于建筑结构图本身存储了关于建筑本身的足够信息，而物体的运动轨迹严格遵守建筑特点，定位时系统能够对物体的运动位置进行预测，导航时可提前对关键位置信息进行预测与提示，因此定位和导航速度均可很快。第三，本专利技术的定位精度可控。本专利技术定位是基于自主计算实现的，这就实现了在硬件条件限制范围内，可以人工控制定位精度的功能。可以根据不同场合的定位需要，采取不同的定位精度，使定位更具有针对性，以最少的资源占用获得最好的效果。附图说明图1是基于建筑结构图自主计算精度可控定位的室内导航系统框图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本专利技术进行解释说明，并不用以限制本专利技术。为了实现本专利技术的目的，首先需要得到所在建筑的标准建筑结构图，该建筑结构图作为后续自主位置计算和导航的重要依据。定位方法主要是利用相关传感器获得的数据并结合建筑结构图特征计算物体移动的位移，即被定位物体相对于初始位置的坐标。在已知初始位置和方向的情况下，即可计算出该物体在建筑结构图上的绝对坐标。传感器的选用可以根据精度要求的不同选用速度传感器、加速度传感器、激光测距传感器、超声测距传感器等，还可以利用摄像头采集当前位置的图像来进行基于图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于建筑结构图的自主计算精度可控室内定位导航方法，在被导航的物体上安装有传感器，所述传感器至少包括运动传感器、测距传感装置和图像传感装置中的一种或多种；其特征在于，包括以下步骤；步骤一、利用GPS确定目标的初始位置信息：根据所在建筑的建筑结构图建立一绝对坐标系，并确定被导航物体的当前位置坐标及方向：步骤二、基于建筑结构图实时定位与动态校准：结合传感器数据计算得出被导航物体的运动信息，包括根据所述传感器的数据计算得到被导航物体在单位时间内的位移，根据实时检测到的被导航物体的角速度实时计算其运动方向，从而实现被导航物体的盲定位；基于建筑结构图上的特征结构信息确定三个固定参照物，利用测距传感装置得到被导航物体到各固定参照物的距离，计算得出被导航物体在建筑结构图中的位置；步骤三、路径的规划及导航：在给导航系统输入目标坐标信息后，通过双向A*算法、遗传算法和神经网络算法中的一种进行路径规划，并根据建筑结构图信息预测出被导航物体在建筑物内的走廊、楼梯口、门口位置处的导航决策信息，在导航过程中，根据步骤二得出的被导航物体在建筑结构图中的位置，在被导航物体到达走廊、楼梯口、门口位置之前给出导航决策信息，从而完成被导航物体的全部导航过程。...

【技术特征摘要】
1.一种基于建筑结构图的自主计算精度可控室内定位导航方法，在被导航的物体上安装有传感器，所述传感器至少包括运动传感器、测距传感装置和图像传感装置中的一种或多种；其特征在于，包括以下步骤；步骤一、利用GPS确定目标的初始位置信息：根据所在建筑的建筑结构图建立一绝对坐标系，并确定被导航物体的当前位置坐标及方向：步骤二、基于建筑结构图实时定位与动态校准：结合传感器数据计算得出被导航物体的运动信息，包括根据所述传感器的数据计算得到被导航物体在单位时间内的位移，根据实时检测到的被导航物体的角速度实时计算其运动方向，从而实现被导...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐岩，张家赫，马建国，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12