用于大型室内公共场所的盲人导航助行小车及其定位方法技术

用于大型室内公共场所的盲人导航助行小车及其定位方法，属于盲人助行导航技术领域。为了解决目前用于导盲的服务机器人在保证定位精度的同时，过密的铺设超声波信标使成本增加的问题。助行小车通过布置在所述室内的棚顶的超声波接收阵列，实现小范围高精度定位，通过安装在小车后轮的编码器与电子罗盘的航迹推算组合实现大范围低精度的惯性导航，利用扩展卡尔曼滤波进行数据融合；如果助行小车行进过程中遇到障碍物，则通过避障系统进行提示使用者障碍物的方位，还可以通过语音和主控系统进行交互，询问当前位置及指定目的地，主控系统控制通过语音播报、提示导航路线。它用于盲人导航。

【技术实现步骤摘要】
用于大型室内公共场所的盲人导航助行小车及其定位方法
本专利技术涉及属于盲人助行导航

技术介绍
老龄化已经成为全球性问题，另据世界卫生组织最新估计,全球约有4500万盲人。随着社会的发展和科技的进步，已经有许多公共设施及专用设备得到了应用，但是出行困难依然是老年人群体和盲人群体最困扰的问题。为了方便老年人和盲人出行，具有辅助行走、康复训练、导盲等功能的助行系统已逐渐成为国内外机器人与康复医学领域的研究热点。服务机器人是一种可以帮助人类完成服务性工作的半自主或全自主工作的机器人。根据数据资料显示，全球范围内的服务机器人有着广泛的市场。近年来，服务机器人市场发展保持了较快的增长速度。随着劳动力价格日趋上涨，从事保安、看护、清洁工作的简单劳动力越来越少，但全球人口老龄化的加剧，看护等工作的人员需求却越来越多。为了弥补这种供需的巨大差异，服务机器人市场由此产生。目前用于导盲的服务机器人在定位时多采用超声波网络定位，超声波网络定位系统需要一个光速级的同步信号来进行测距时间上的同步，通过收到的超声波信标的数据解算出机器人当前的位置。超声波网络定位系统能在信标覆盖区域重合的位置提供高精度的定位，但是由于超声波信标铺设的密度会直接影响定位的精度，过密的铺设又无疑会增加成本。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决目前用于导盲的服务机器人在保证定位精度的同时，过密的铺设超声波信标使成本增加的问题，本专利技术提供一种用于大型室内公共场所的盲人导航助行小车及其定位方法。本专利技术的用于大型室内公共场所的盲人导航助行小车，盲人导航助行小车包括车体、超声波避障模块、避障控制模块、微震马达、超声波发射头、第一超声波控制模块、第二超声波控制模块、射频模块、超声波接收阵列、主控模块、语音系统、2个编码器、编码器连接板和电子罗盘；超声波避障模块、避障控制模块、超声波发射头、第一超声波控制模块、主控模块和提示系统均设置在车体上，其中，超声波避障模块安装在车体的前端，超声波发射头设置在车体的顶端，并指向室内的棚顶；微震马达安装在车体扶手处；第二超声波控制模块、射频模块和超声波接收阵列均设置在所述室内的棚顶；超声波避障模块检测的避障信号输入至避障控制模块，避障控制模块根据避障信号控制微震马达震动；主控模块的避障控制信号输入至避障控制模块，超声波接收阵列接收定位的地址数据输入至第二超声波控制模块，第二超声波控制模块通过射频模块将地址数据发送至第一超声波控制模块，第一超声波控制模块将接收的地址数据输入至主控模块，主控模块将发射控制信号输入至第一超声波控制模块，第一超声波控制模块将发射控制信号输入至超声波发射头；语音系统将目的地信号输入至主控模块，主控模块根据当前时刻的地址数据确定当前车体的位置，再结合目的地信号规划导航路径，输出目的地导航信号输入至语音系统，语音系统根据目的地导航信号进行语音提示；所述车体上还设置3个轮，3个轮包括1个前轮和2个后轮，前轮设置在车体前端的底部，2个后轮设置在车体后端的底部；2个编码器分别安装在2个后轮上，2个编码器的脉冲数据均通过编码器连接板输入至主控模块；电子罗盘将当前检测到的绝对角度值输入至主控模块，当主控模块接收不到当前时刻的地址数据时，主控模块根据输入的当前时刻脉冲数据、绝对角度值和上一时刻的地址数据确定当前车体的位置，再结合目的地信号规划导航路径，输出目的地导航信号输入至语音系统。盲人导航助行小车包括3个超声波避障模块，1号超声波避障模块设置在车体的前端的左侧，2号超声波避障模块设置在车体的前端的正前侧，3号超声波避障模块设置在车体的前端的右侧，3个超声波避障模块检测到的避障信号均发送给避障控制模块。盲人导航助行小车包括2个微震马达，当1号超声波避障模块检测到障碍物，避障控制模块控制1号微震马达震动，当3号超声波避障模块检测到障碍物，避障控制模块控制2号微震马达震动，当2号超声波避障模块检测到障碍物，避障控制模块控制1号微震马达和2号微震马达同时震动；2个微震马达分别安装在车体的左右扶手上。盲人导航助行小车还包括蜂鸣器，当超声波避障模块检测到障碍物时，避障控制模块控制蜂鸣器蜂鸣。所述语音系统包括语音模块、麦克风和扬声器；麦克风接收语音命令，并将所述语音命令输入至语音模块，语音模块将将语音命令转换成目的地信号，语音模块将目的地导航信号转换成目的地语音提示信号输入至扬声器，扬声器根据目的地语音提示信号进行语音提示。所述盲人导航助行小车还包括播报按钮；该播报按钮用于控制语音模块接收或停止接收麦克风采集的语音指令。。所述超声波接收阵列包括四个超声波接收模块；所述四个超声波接收模块在棚顶呈正方形设置，所述正方形的边长H为超声波发射头与四个超声波接收模块形成的平面的距离；为超声波发射头的发射角。所述盲人导航助行小车还包括显示装置，主控模块控制所述显示装置显示车体的当前位置所述的用于大型室内公共场所的盲人导航助行小车的定位方法，所述定位方法是通过在主控模块内嵌入软件实现，所述软件包括如下步骤：接收当前时刻超声波接收阵列定位的地址数据的步骤；接收当前时刻电子罗盘输入的绝对角度值的步骤；接收当前时刻两个编码器的脉冲数据的步骤；根据接收的脉冲数据，分别获得2个后轮的当前移动距离；当没收到当前时刻的地址数据时，则将绝对角度值通过扩展卡尔曼滤波的状态更新方程与获得的当前移动距离进行融合，获得车体的位置数据的步骤；当收到当前时刻的地址数据时，则将当前时刻的地址数据和电子罗盘数据通过扩展卡尔曼滤波的状态更新方程与获得的当前移动距离进行融合，获得车体的位置数据的步骤。本专利技术的有益效果在于，本专利技术的用于大型室内公共场所的盲人导航助行小车集定位、导航、语音交互、实时避障为一体，在大型公共场所为盲人提供助行服务。盲人可以通过语音和助行小车系统进行交互，询问当前位置及指定目的地，助行小车系统也可以通过语音播报、提示导航路线；助行小车通过超声波网络定位系统(布置在关键位置的超声波接收阵列)实现小范围高精度定位，通过编码器与电子罗盘的航迹推算组合实现大范围低精度的惯性导航，利用扩展卡尔曼滤波进行数据融合；如果助行小车行进过程中遇到障碍物，则会激活在小车周围布置的超声波避障系统，通过声音提示和安装在助行小车两个把手内的微震马达提醒使用者障碍物的方位。本专利技术的助行小车结合了航迹推算成本低，方法简单的优点和超声波定位高精度的优点，同时又避免了航迹推算误差积累和超声波网络定位系统信标铺设密度大的缺点，极大地提高了定位精度，降低了成本。附图说明图1为本专利技术的用于大型室内公共场所的盲人导航助行小车的电气原理示意图。图2为本专利技术所述的用于大型室内公共场所的盲人导航助行小车的结构示意图。图3为图2的A向视图。图4为图3的B向视图。具体实施方式具体实施方式一：结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式所述的用于大型室内公共场所的盲人导航助行小车，盲人导航助行小车包括车体7、超声波避障模块、避障控制模块、微震马达3、超声波发射头6、第一超声波控制模块、第二超声波控制模块、射频模块、超声波接收阵列、主控模块、语音系统、2个编码器、编码器连接板和电子罗盘；超声波避障模块、避障控制模块、超声波发射头6、第一超声波控制模块、主控模块和提示系统均设置在车体7上本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于大型室内公共场所的盲人导航助行小车，其特征在于，盲人导航助行小车包括车体(7)、超声波避障模块、避障控制模块、微震马达(3)、超声波发射头(6)、第一超声波控制模块、第二超声波控制模块、射频模块、超声波接收阵列、主控模块、语音系统、2个编码器、编码器连接板和电子罗盘；超声波避障模块、避障控制模块、超声波发射头(6)、第一超声波控制模块、主控模块和提示系统均设置在车体(7)上，其中，超声波避障模块安装在车体(7)的前端，超声波发射头(6)设置在车体(7)的顶端，并指向室内的棚顶；微震马达(3)安装在车体(7)扶手处；第二超声波控制模块、射频模块和超声波接收阵列均设置在所述室内的棚顶；超声波避障模块检测的避障信号输入至避障控制模块，避障控制模块根据避障信号控制微震马达(3)震动；主控模块的避障控制信号输入至避障控制模块，超声波接收阵列接收定位的地址数据输入至第二超声波控制模块，第二超声波控制模块通过射频模块将地址数据发送至第一超声波控制模块，第一超声波控制模块将接收的地址数据输入至主控模块，主控模块将发射控制信号输入至第一超声波控制模块，第一超声波控制模块将发射控制信号输入至超声波发射头(6)；语音系统将目的地信号输入至主控模块，主控模块根据当前时刻的地址数据确定当前车体(7)的位置，再结合目的地信号规划导航路径，输出目的地导航信号输入至语音系统，语音系统根据目的地导航信号进行语音提示；所述车体(7)上还设置3个轮，3个轮包括1个前轮(9)和2个后轮(8)，前轮(9)设置在车体(7)前端的底部，2个后轮(8)设置在车体(7)后端的底部；2个编码器分别安装在2个后轮(8)上，2个编码器的脉冲数据均通过编码器连接板输入至主控模块；电子罗盘将当前检测到的绝对角度值输入至主控模块，当主控模块接收不到当前时刻的地址数据时，主控模块根据输入的当前时刻脉冲数据、绝对角度值和上一时刻的地址数据确定当前车体(7)的位置，再结合目的地信号规划导航路径，输出目的地导航信号输入至语音系统。...

【技术特征摘要】
1.用于大型室内公共场所的盲人导航助行小车的定位方法，盲人导航助行小车包括车体(7)、超声波避障模块、避障控制模块、微震马达(3)、超声波发射头(6)、第一超声波控制模块、第二超声波控制模块、射频模块、超声波接收阵列、主控模块、语音系统、2个编码器、编码器连接板和电子罗盘；超声波避障模块、避障控制模块、超声波发射头(6)、第一超声波控制模块、主控模块和提示系统均设置在车体(7)上，其中，超声波避障模块安装在车体(7)的前端，超声波发射头(6)设置在车体(7)的顶端，并指向室内的棚顶；微震马达(3)安装在车体(7)扶手处；第二超声波控制模块、射频模块和超声波接收阵列均设置在所述室内的棚顶；超声波避障模块检测的避障信号输入至避障控制模块，避障控制模块根据避障信号控制微震马达(3)震动；主控模块的避障控制信号输入至避障控制模块，超声波接收阵列接收定位的地址数据输入至第二超声波控制模块，第二超声波控制模块通过射频模块将地址数据发送至第一超声波控制模块，第一超声波控制模块将接收的地址数据输入至主控模块，主控模块将发射控制信号输入至第一超声波控制模块，第一超声波控制模块将发射控制信号输入至超声波发射头(6)；语音系统将目的地信号输入至主控模块，主控模块根据当前时刻的地址数据确定当前车体(7)的位置，再结合目的地信号规划导航路径，输出目的地导航信号输入至语音系统，语音系统根据目的地导航信号进行语音提示；所述车体(7)上还设置3个轮，3个轮包括1个前轮(9)和2个后轮(8)，前轮(9)设置在车体(7)前端的底部，2个后轮(8)设置在车体(7)后端的底部；2个编码器分别安装在2个后轮(8)上，2个编码器的脉冲数据均通过编码器连接板输入至主控模块；电子罗盘将当前检测到的绝对角度值输入至主控模块，当主控模块接收不到当前时刻的地址数据时，主控模块根据输入的当前时刻脉冲数据、绝对角度值和上一时刻的地址数据确定当前车体(7)的位置，再结合目的地信号规划导航路径，输出目的地导航信号输入至语音系统；其特征在于，所述定位方法是通过在主控模块内嵌入软件实现，所述软件包括如下步骤：接收当前时刻超声波接收阵列定位的地址数据的步骤；接收当前时刻电子罗盘输入的绝对角度值的步骤；接收当前时刻两个编码器的脉冲数据的步骤；根据接收的脉冲数据，分别获得2个后轮(8)的当前移动距离；当没收到当前时刻的地址数据时，则将绝对角度值通过扩展卡尔曼滤波的状态更新方程与获得的当前移动距离进行融合，获得车体(7)的位置数据的步骤；当收到当前时刻的地址数...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文涛，罗阳，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23