导向机及导航系统的控制方法与流程

1.本发明涉及一种导向机及导航系统的控制方法，特别是，尽管非排他性地，涉及一种基于rfid技术的机器人导盲犬。


背景技术：

2.向用户或顾客呈现方向或导向信息的常用工具是使用视觉标记或参考点，以便向用户传达导向和定位信息。但是，对于视力障碍的人来说，视觉标记可能没有用，或不能提供任何重要帮助，因此，需要一种替代形式的导航帮助。
3.触觉标记(例如，铺在地板表面的触觉砖)可能是一种为视觉障碍者辅助导航的可能解决方案。这些触觉标志可以具有预定的形状和布局，该预定的形状和布局在用户踩踏或触摸砖时，向用户提供触觉。这些触觉标志虽然有助于提供参考信息，但在提供给用户的帮助方面受到限制。
4.可替代地，一些用户可能更喜欢导盲犬提供的相对积极的帮助，导盲犬经过专业培训，以导向用户行进到不同目的地。但是，通常可以训练导盲犬记住仅一些固定路线和目的点，从而限制了通过依靠导盲犬，盲人可能行进到的地方。


技术实现要素：

5.根据本发明的第一方面，提供一种控制导向机的方法，其包括以下步骤：接收从设置在预定区域中的多个信号源中的一个或多个信号源发出的电磁信号；处理电磁信号，以识别信号源的定位；参考信号源的定位，确定导向机的当前位置；以及确定导向机从当前位置行进到预定区域中的目的地的路径。
6.在第一方面的实施例中，在正交方向上发送所述电磁信号。
7.在第一方面的实施例中，以线性极化传输所述电磁信号。
8.在第一方面的实施例中，所述多个信号源中的每一个信号源被布置为在沿着平面的两个正交方向上发出电磁信号。
9.在第一方面的实施例中，处理电磁信号的步骤包括：基于每个信号源在两个正交方向上发出的每个电磁信号的信号强度，确定每个信号源的距离和方向。
10.在第一方面的实施例中，接收电磁信号的步骤包括：通过沿着所述平面围绕所述导向机的多个天线，来接收从所述多个信号源发出的信号。
11.在第一方面的实施例中，接收电磁信号的步骤还包括以下步骤：在每个检测间隔中，在所述多个天线的每个相应方向上，顺序地接收电磁信号。
12.在第一方面的实施例中，方法还包括以下步骤：检测路径上的障碍物；以及确定导向机从当前位置行进到目的地的替代路径。
13.在第一方面的实施例中，方法还包括以下步骤：向所述导向机的用户通知检测到所述障碍物。
14.在第一方面的实施例中，方法还包括以下步骤：使用触觉信号，向所述导向机的用
户提供与沿路径行进相关的指令。
15.在第一方面的实施例中，所述触觉信号包括具有不同振动模式、频率和/或强度的振动信号。
16.根据本发明的第二方面，提供一种导航系统，包括：多个信号源，其部署在预定区域中；导向机，其包括信号接收器，信号接收器布置成接收多个信号源中的一个或多个信号源发出的电磁信号；以及处理器，其布置成处理电磁信号，以识别信号源的定位，并由此参考信号源的定位，来确定导向机的当前位置；以及处理器还被布置成确定导向机从当前位置行进到预定区域中的目的地的路径。
17.在第二方面的实施例中，在正交方向上发送所述电磁信号。
18.在第二方面的实施例中，以线性极化传输所述电磁信号。
19.在第二方面的实施例中，所述多个信号源中的每一个信号源被布置为在沿着平面的两个正交方向上发出电磁信号。
20.在第二方面的实施例中，所述处理器被布置为基于每个信号源在两个正交方向上发出的每个电磁信号的信号强度，确定每个信号源的距离和方向。
21.在第二方面的实施例中，导向机包括沿着平面围绕导向机的多个天线，天线布置成接收从多个信号源发出的信号。
22.在第二方面的实施例中，所述信号接收器被布置为：在每个检测间隔中，在所述多个天线的每个相应方向上，顺序地接收电磁信号。
23.在第二方面的实施例中，所述多个天线包括多个单向天线。
24.在第二方面的实施例中，所述多个天线被电磁地分离，以便最小化相邻天线对之间的相互联接。
25.在第二方面的实施例中，所述导向机还包括电磁隔离器，所述电磁隔离器设置在所述相邻天线对中的每对之间。
26.在第二方面的实施例中，所述信号读取器包括多信道rfid读取器。
27.在第二方面的实施例中，所述多个信号源中的每一个信号源包括两个正交布置的rfid标签。
28.在第二方面的实施例中，所述导向机还包括至少一个被布置成检测所述路径上的障碍物的传感器。
29.在第二方面的实施例中，所述处理器还被布置为：响应于检测到所述障碍物，确定所述导向机从所述当前位置行进至所述目的地的替代路径。
30.在第二方面的实施例中，所述至少一个传感器包括红外传感器和超声传感器中的至少一个。
31.在第二方面的实施例中，所述导向机还包括手柄，所述手柄布置成使用触觉信号，向所述导向机的用户提供与沿着所述路径行进相关的指令。
32.在第二方面的实施例中，所述触觉信号包括具有不同振动模式、频率和/或强度的振动信号。
33.在第二方面的实施例中，导航系统还包括输入模块，所述输入模块布置成接收在所述预定区域中的所述目的地的输入。
34.在第二方面的实施例中，所述导向机包括机器人导向车。
附图说明
35.现在将参考附图，通过示例的方式描述本发明的实施例，附图中：
36.图1是示出根据本发明的实施例的导航系统的导向机和四个rfid信号源的示意图；
37.图2是显示当用户使用导向机沿着由导航系统确定的路径导航到目的地时，图1的导航系统的示例性操作的图示；以及
38.图3是示出当导向机检测到障碍物并为用户确定替代路径时，图2的导航系统的示例性操作的图示。
具体实施例
39.参考图1，显示了导航系统100的实施例，该导航系统包括：在预定区域中部署的多个信号源102；导向机104，其包括信号接收器，该信号接收器布置成接收从多个信号源102中的一个或多个发出的电磁信号；以及处理器，其布置成处理电磁信号，以识别信号源102的定位，从而参考信号源102的定位确定导向机104的当前位置；以及处理器还布置成确定导向机104从当前位置行进到预定区域中的目的地定位的路径。
40.在该实施例中，导向机104具有四个轮子106，以用于驱动导向机104沿表面(例如，地面)移动。导向机104还包括可以由用户握持的手柄108，使得导向机104可以导航并主动导向用户从一个位置移动到另一位置。在一个示例中，导向机104可用作视觉障碍的用户的机器人导向车或机器人导盲犬。
41.优选地，仅提供轮子，以便于导向机在表面上平滑运动。可替代地，一个或多个轮子可以是主动轮子或机动轮子，其可以辅助用户沿着路径行走。
42.手柄108还可以使用触觉信号，将与沿路径行进相关的指令提供给导向机104的用户。可替代地，可以使用其他方式将导向/导航信息提供给用户，其他方式例如但不限于可以经由耳机直接提供给用户的音频信号。
43.参照图1，导向机104还包括围绕导向机104的四个天线120，当放置在平面上时，天线优选地在导向机104的每一侧。多个天线120被布置为接收从信号源102发出的信号。通过确定固定在平面上的多个信号源102中的每一个的距离和方向，导向机104可以例如使用三角定位法，由此确定当前位置。
44.例如，信号源102可以是地表面下方的rfid标签阵列，并且标签102可以将包含标签的uid的rfid信号发出到导向机104中的rfid读取器(未示出)。rfid读取器可以是多信道rfid读取器，而天线120可以是可以被单独激活的rfid天线。
45.优选地，例如通过在地表面下部署信号源102，电磁信号在正交方向上传输，在操作期间，rfid信号源102可以沿着(2d)平面在两个正交方向上发出电磁信号。参考图1，在每个具有信号源102的定位处，两个正交布置的rfid标签(102x和102y)已部署，因此，从两个标签(102x和102y)发出的信号将包括沿x方向和y方向发出的信号。可替代地，可以使用在正交方向上发出信号的单个标签。
46.优选地，多个天线120可以是单向天线，使得当激活这些天线120之一时，天线120可以与“面向”该天线120的rfid标签102通信。例如，右侧天线120可以与导向机104右侧的标签102通信，特别是仅与沿x方向发出rf信号的那些标签102x通信。有利地，这允许处理器
更准确地提取与标签102相对于导向机104的角位置相关联的信息。
47.在替代实施例中，通过向处理器提供更多的定位信息，可以使用更多的天线来增强导航系统的准确性。例如，可以在导向机104的拐角上安装4个额外的天线，这些天线合计达总数为8个天线，天线围绕导向机104径向分布。
48.可选地或另外地，多个天线120被电磁分离，从而例如通过提供设置在每个相邻天线对之间的电磁隔离器(未示出)，来最小化相邻天线对120之间的相互联接。
49.在从标签102接收到必要的位置信息之后，处理器将能够基于由每个相应信号源102在两个正交方向上发出的每个电磁信号的信号强度，来确定每个信号源102的距离和方向。
50.例如，参考图1，导向机104左侧的天线120更靠近左侧的标签102，因此与右侧的源-天线对相比，信号强度更高。处理器可以通过分析信号参数并据此估计标签120的相对位置，来确定导向机104现在处于比右列rfid标签阵列更靠近rfid标签阵列的左列的位置。
51.优选地，信号接收器被布置为在每个检测间隔中，顺序地接收在多个天线120的每个相应方向上的电磁信号，从而将周期性地检测导向机104的可检测范围内的所有标签102。然后，处理器可以不时更新导向机104的当前位置。
52.参考图2和3，显示了用户正在使用的导向机104的示例性操作。在该示例中，导航系统100可基于在限定区域内的rfid，而被用作盲导向系统。
53.在该示例中，导航系统100包括导向机104，该导向机104包括处理器、振动手柄108、多信道rfid读取器和一组rfid天线120。rfid标签102的阵列已经安装在地下。主体104是系统100的可移动部分，并且其可以通过安装rfid标签阵列，而在该区域上移动。优选地，车身104包括处理器、振动手柄108、多信道rfid读取器和一组rfid天线120。
54.从车身104延伸，提供了(后)手柄108，手柄在使用时可以由用户122握持。手柄108可包括或连接至振动发生器，以向握持手柄的用户122提供触觉信号。优选地，触觉信号包括具有不同振动模式、频率和/或强度的振动信号，其可以表示要提供给用户122的不同导向信息。手柄108还可以以指示不同情况的不同频率振动。
55.在优选的示例中，处理器可以控制车身的运动，并通过一组rfid天线120和手柄108的振动频率，从多信道rfid读取器接收信号。
56.一组(4至8个天线)rfid天线120被安装在车身104周围，并且连接到容纳在车身104内的多信道rfid读取器。在每个检测周期期间，可以仅顺序地接通单个天线。天线辐射优选地是单向的，并且所有天线120都指向不同的方向。结果是，处理器可以精确地区分从所有天线120接收到的rfid信号强度。
57.如先前所讨论的，隔离器可以被安装在该组中的相邻天线单元之间，以减少天线120之间的相互联接。发明人设计出隔离器不会降低天线性能，但是它使处理器更容易区分从哪个天线单元接收到的最大信号。
58.rfid标签阵列可以均匀地安装并分布在地下的整个平面上。每个rfid标签102可以线性极化方式接收和发送电磁波。另外，两个正交rfid标签安装在同一位置，并记录相同位置点的信息。处理器还从rfid标签102读取信号的强度，并因此通过比较接收到的信号强度，来估计车身104的定位。
59.在每个检测间隔内，处理器确定接收到的信号强度，以及在一个很小的间隔内所
有接收到的信号的平均值。标签id可以与所有rfid标签102的定位信息相关联，并且被存储在数据库中。系统100可以进一步包括输入模块，该输入模块被布置为接收预定区域中的目的地的输入，该输入允许用户输入起点和目的地/终点。例如，用户可以通过直接向系统或导向机104输入几何坐标或简单输入特定标签的uid，来输入期望的目的地。可替代地，也可以经由其他手段(例如，将定位输入到智能手机)将输入提供给导向机，其可以进一步通信给系统100或导向机104。
60.在确定导向机104的当前位置之后，处理器可以参考存储标签102的所有定位信息的地图数据，进一步确定导向机104朝目的地行进的最佳路径。
61.可选地或附加地，导向机104还包括至少一个传感器(未示出)，其布置成检测路径上的障碍物124，并且响应于检测到障碍物124，处理器确定导向机104的、从当前位置行进到目的地的替代路径。
62.参考图3，在检测到障碍物124时，导向机104还从超声传感器和/或红外传感器收集感测数据，该障碍物124通过沿着先前获得的最佳路径，来阻止用户到达目的地。优选地，该过程重新计算或修改最佳路径，使得用户可以通过沿着替代路径到达目的地。
63.一旦处理器108修改了最佳路径并通知用户前方遇到障碍物124，则处理器也可以控制手柄108的振动。它还允许用户注意路径将要改变。例如，通过改变手柄108的振动水平，然后，用户可以知道他应该继续行走、向右或向左转或者停下。
64.这些实施例可以是有利的，因为交互式机器人导向车辆可以向盲人用户提供准确的导航信息，这可以类似于依靠导盲犬，从而用户可以容易地切换为使用新的交互式导航系统。
65.有利地，多个单向天线的组合使用和正交布置的rfid阵列的部署提供了一种简单而突出的解决方案，以准确地确定导向机的位置。
66.本领域技术人员理解到，在不脱离如广泛描述的本发明的精神或范围的情况下，可以对具体实施例中所示的本发明进行多种变化和/或修改。因此，本发明的实施例在所有方面都应被视为是说明性的而非限制性的。
67.除非另有说明，否则本文所包含的对现有技术的任何参考均不应视为承认该信息是公知常识。