本發(fā)明屬于自動(dòng)化領(lǐng)域，涉及手機(jī)app設(shè)計(jì)、室內(nèi)定位、路徑規(guī)劃與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，尤其涉及一種圖書館智能路徑指引系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

路徑指引系統(tǒng)作為一種高效的自動(dòng)化系統(tǒng)，在車輛導(dǎo)航和軍事應(yīng)用中已經(jīng)發(fā)揮了巨大的作用。將路徑指引系統(tǒng)用于一些地形復(fù)雜的室內(nèi)，如大型商場(chǎng)、圖書館和地下停車場(chǎng)等，都會(huì)給用戶帶來(lái)很大的便利。

目前已有一些提出將路徑指引系統(tǒng)用于室內(nèi)的文章，如基于ibeacon的室內(nèi)路徑導(dǎo)引系統(tǒng)，使用基于ibeacon的室內(nèi)路徑引導(dǎo)系統(tǒng)精確的檢測(cè)室內(nèi)用戶的移動(dòng)方向，并收集用戶移動(dòng)模式的上下文感知收集用戶信息，提供精確的導(dǎo)引路線，并將引導(dǎo)信息通過(guò)消息推送的方式通知用戶。

基于ios平臺(tái)的室內(nèi)定位與路徑引導(dǎo)系統(tǒng)，是結(jié)合慣性導(dǎo)航原理設(shè)計(jì)出的一個(gè)室內(nèi)定位與路徑引導(dǎo)系統(tǒng)，并基于ios軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的應(yīng)用程序app。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中使用到了ios移動(dòng)設(shè)備iphone的硬件配置和計(jì)算能力。使用iphone的加速度計(jì)檢測(cè)出人員的前行走動(dòng)，并通過(guò)相應(yīng)的積分運(yùn)算求得人員前行走動(dòng)的距離。然后，使用iphone的磁力計(jì)測(cè)算出人員前行走動(dòng)的朝向。在知道行走起點(diǎn)和前行的距離與朝向的情況下，得出人員前行的位移，進(jìn)而在室內(nèi)對(duì)人員進(jìn)行定位。最后，把人員走動(dòng)的情況信息與提前存入到iphone中的路徑信息做比對(duì)，比對(duì)結(jié)果即可引導(dǎo)人員在室內(nèi)指定路徑上前行。

總體來(lái)說(shuō)，盡管近年來(lái)提出了一些應(yīng)用于室內(nèi)的智能路徑指引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，但是目前尚無(wú)一套完備成熟的路徑指引系統(tǒng)可以在圖書館領(lǐng)域中推廣，并且現(xiàn)有的室內(nèi)路徑指引系統(tǒng)中的人機(jī)交互功能不夠詳盡具體。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有圖書館指引方式的不足，提供一種圖書館智能路徑指引系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種圖書館智能路徑指引系統(tǒng)，包括上位機(jī)、手機(jī)app、攝像頭和智能眼鏡，其中：

所述的手機(jī)app用于與借書者人機(jī)交互，獲取借書者預(yù)定圖書信息。

所述的智能眼鏡具有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的功能，其鏡片在顯示實(shí)景的基礎(chǔ)上還具有路徑顯示屏，在路徑顯示屏上疊加顯示路徑指引，用于指引借書者找到目標(biāo)書架；同時(shí)在其鏡腿上裝有微型光源，可在上位機(jī)的控制下按特定頻率或編碼閃爍，用于攝像頭識(shí)別借書者位置并傳遞給上位機(jī)；同時(shí)在其鏡框上嵌有內(nèi)外兩個(gè)微型攝像頭和一支激光筆：外側(cè)攝像頭用于拍照并掃描書籍二維碼，內(nèi)側(cè)攝像頭用于識(shí)別使用者的眼動(dòng)情況，激光筆進(jìn)行目標(biāo)書籍的指示。

所述的攝像頭安裝在圖書館的天花板上，通過(guò)識(shí)別特定頻率或編碼的光源來(lái)確定該借書者的實(shí)時(shí)位置。

所述的上位機(jī)用于與手機(jī)app通信，確定借書者預(yù)定圖書所在書架信息，并規(guī)劃出最優(yōu)路線，控制智能眼鏡的路徑顯示屏及微型光源；同時(shí)，上位機(jī)通過(guò)攝像頭確定的借書者位置信息監(jiān)測(cè)并及時(shí)調(diào)整最優(yōu)路線。

進(jìn)一步地，所述最優(yōu)路線的規(guī)劃考慮最短路徑，以及該路徑上已有借書者數(shù)量，避免擁堵，同時(shí)根據(jù)借書者位置實(shí)時(shí)更新。

進(jìn)一步地，所述的按特定頻率或編碼閃爍的特征光，具體為：

(1)特定頻率：微型光源發(fā)出的光的頻率不同，比如可見(jiàn)光的不同顏色甚至是不可見(jiàn)光(肉眼雖看不到，但是攝像頭可以識(shí)別出來(lái))；

(2)特定編碼：微型光源發(fā)出的光的編碼不同，比如特征光按照不同明暗間歇閃爍。

進(jìn)一步地，所述的智能眼鏡外側(cè)攝像頭可以根據(jù)借書者正前方的方向與目標(biāo)書籍的偏差，用激光筆指引借書者向上或向下尋找，直到找到正確層數(shù)，完成粗定位；在借書者找到正確層數(shù)后，外側(cè)攝像頭識(shí)別所拍攝區(qū)域的圖書側(cè)面編碼，計(jì)算與目標(biāo)書籍位置的關(guān)系是在左邊、右邊或是正對(duì)，啟動(dòng)內(nèi)側(cè)攝像頭。

進(jìn)一步地，所述的智能眼鏡內(nèi)側(cè)攝像頭識(shí)別借書者眼動(dòng)情況，比較判斷注視方向與目標(biāo)書籍的左右偏差方位，并控制激光筆指示到正確的位置，完成精細(xì)定位。

進(jìn)一步地，所述的智能眼鏡外側(cè)攝像頭，在對(duì)書籍進(jìn)行掃碼后，識(shí)別出該書籍的基本信息，幫助借書者判斷是否為自己想借閱的書籍。

一種圖書館智能路徑指引方法，該方法包括以下步驟：

(1)預(yù)定圖書：借書者在手機(jī)app上查找自己所需借取的書籍并預(yù)定。

(2)目標(biāo)書架位置確定：借書者在手機(jī)app上確定開(kāi)始借書后，上位機(jī)通過(guò)借書者手機(jī)app中的預(yù)訂信息，確定目標(biāo)圖書所在書架的位置信息；

(3)最優(yōu)路線規(guī)劃：上位機(jī)根據(jù)借書者當(dāng)前位置與目標(biāo)位置，結(jié)合圖書館書架擺放位置，規(guī)劃出最優(yōu)路徑；

(4)智能眼鏡顯示指引路線：在借書者所配戴的智能眼鏡的路徑顯示屏上顯示最優(yōu)路徑指引；

(5)路線監(jiān)測(cè)及實(shí)時(shí)更新：攝像頭通過(guò)識(shí)別智能眼鏡的微型光源發(fā)出的特征光確定借書者實(shí)時(shí)位置并傳遞給上位機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，如該借書者偏離路線，則上位機(jī)將發(fā)送指令及時(shí)更新智能眼鏡屏上的指引路線。與此同時(shí)，上位機(jī)還會(huì)監(jiān)測(cè)已有用戶與新增用戶的位置，實(shí)時(shí)更新最優(yōu)路線，避免耗時(shí)或擁堵；

(6)目標(biāo)圖書定位：當(dāng)借書者抵達(dá)目標(biāo)書架后，智能眼鏡的外側(cè)攝像頭根據(jù)借書者正前方的方向與目標(biāo)書籍的偏差，用激光筆指引借書者向上或向下尋找，直到找到正確層數(shù)，完成粗定位；在借書者找到正確層數(shù)后，首先眼鏡的外側(cè)攝像頭識(shí)別所拍攝區(qū)域的圖書側(cè)面編碼，計(jì)算與目標(biāo)書籍位置的關(guān)系是在左邊、右邊或是正對(duì)，然后啟動(dòng)內(nèi)側(cè)攝像頭識(shí)別其眼動(dòng)情況，比較判斷借書者的注視方向與目標(biāo)書籍的左右偏差方位，用激光筆指引借書者向左或向右尋找到，直到找到正確位置，最后通過(guò)外側(cè)攝像頭掃碼，該借書者可以判斷是否為他想要借閱的圖書。

(7)智能指引結(jié)束：上位機(jī)將在手機(jī)app上提示該借書者已經(jīng)抵達(dá)目的地，借書者拿到書并歸還智能眼鏡后確認(rèn)借書成功，即結(jié)束本次指引。

進(jìn)一步地，所述的步驟3中，最優(yōu)路線的規(guī)劃考慮路徑長(zhǎng)度、拐彎次數(shù)以及該路徑上已有借書者數(shù)量，避免擁堵?？稍O(shè)置為一條路徑最短、拐彎最少的路徑。

進(jìn)一步地，所述的步驟4中，借書者所佩戴的智能眼鏡是根據(jù)其預(yù)訂信息由系統(tǒng)分配的，在該借書者使用期間只顯示該借書者的最優(yōu)路徑并發(fā)出特征光。

進(jìn)一步地，所述的步驟5中，攝像頭通過(guò)特征光進(jìn)行定位是一種三維室內(nèi)定位方法，過(guò)程如下：

(1)三個(gè)攝像頭為一組，在一個(gè)工作期間只識(shí)別某一特征光的頻率或編碼信息；

(2)設(shè)三個(gè)攝像頭的位置坐標(biāo)分別為a(x1,y1,z1)、b(x2,y2,z2)、c(x3,y3,z3)，攝像頭根據(jù)特征光源位置計(jì)算特征光源o與攝像頭連線oa、ob、oc間的夾角θab、θbc、θca，即為特征光源與三個(gè)攝像頭之間的夾角，在3個(gè)三角形中分別運(yùn)用余弦定理，可得：

ao²+bo²-ab²＝2aobocosθab，

bo²+co²-bc²＝2bococosθbc，

co²+ao²-ca²＝2coaocosθca.

式中：

(3)解方程組可以求得ao、bo、co的數(shù)值，總共有8組解，直接排除復(fù)數(shù)根和非正實(shí)數(shù)根，剩余的解如果不同的話，為了獲取定位的唯一結(jié)果，調(diào)用另一組攝像頭進(jìn)行定位，比較兩組解，得出唯一結(jié)果。

(4)在求出了ao、bo、co的數(shù)值后，若o位于△abc平面內(nèi)，則解顯然是唯一的，可得o點(diǎn)的坐標(biāo)值；若o不位于△abc平面內(nèi)，則存在處于鏡像位置的兩組解，但是其中一組可以通過(guò)光線入射方向排除，可以得到o點(diǎn)的坐標(biāo)值，也就是特征光源的位置，即實(shí)現(xiàn)了借書者的室內(nèi)三維定位。

進(jìn)一步地，所述的步驟6中，當(dāng)上一借書者完成路徑指引后，上位機(jī)將控制智能眼鏡停止發(fā)出特征光，等待下一個(gè)借書者使用。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明系統(tǒng)及方法可以讓借書者最便捷的找到所需書籍，給用戶以最好的借書體驗(yàn)。

(2)本發(fā)明在硬件方面需求簡(jiǎn)單，只需要智能眼鏡及室內(nèi)攝像頭，軟件方面也僅需要一個(gè)借書app和圖書館總處理機(jī)；

(3)本發(fā)明的系統(tǒng)及方法可普遍應(yīng)用于各個(gè)圖書館或其他需要智能指引的場(chǎng)合，具有很高的移植性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)組成圖。

圖2為本發(fā)明的方法流程圖。

圖3為本發(fā)明的室內(nèi)三維定位流程圖。

圖4為本發(fā)明的室內(nèi)三維定位示意圖1。

圖5為本發(fā)明的室內(nèi)三維定位示意圖2。

圖6為本發(fā)明的智能眼鏡工作流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，本發(fā)明提供的一種智能路徑指引系統(tǒng)，包括上位機(jī)、手機(jī)app、攝像頭和智能眼鏡，其中：

所述的手機(jī)app用于與借書者人機(jī)交互，獲取借書者預(yù)定圖書信息。

所述的智能眼鏡具有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的功能，其鏡片在顯示實(shí)景的基礎(chǔ)上還具有路徑顯示屏，在路徑顯示屏上疊加顯示路徑指引，用于指引借書者找到目標(biāo)書架；同時(shí)在其鏡腿上裝有微型光源，可在上位機(jī)的控制下按特定頻率或編碼閃爍，用于攝像頭識(shí)別借書者位置并傳遞給上位機(jī)；同時(shí)在其鏡框上嵌有內(nèi)外兩個(gè)微型攝像頭和一支激光筆：外側(cè)攝像頭用于拍照并掃描書籍二維碼，內(nèi)側(cè)攝像頭用于識(shí)別使用者的眼動(dòng)情況，激光筆進(jìn)行目標(biāo)書籍的指示。

所述的攝像頭安裝在圖書館的天花板上，通過(guò)識(shí)別特定頻率或編碼的光源來(lái)確定該借書者的實(shí)時(shí)位置。

所述的上位機(jī)用于與手機(jī)app通信，確定借書者預(yù)定圖書所在書架信息，并規(guī)劃出最優(yōu)路線，控制智能眼鏡的路徑顯示屏及微型光源；同時(shí)，上位機(jī)通過(guò)攝像頭確定的借書者位置信息監(jiān)測(cè)并及時(shí)調(diào)整最優(yōu)路線。

進(jìn)一步地，所述最優(yōu)路線的規(guī)劃考慮最短路徑，以及該路徑上已有借書者數(shù)量，避免擁堵，同時(shí)根據(jù)借書者位置實(shí)時(shí)更新。

進(jìn)一步地，所述的按特定頻率或編碼閃爍的特征光，具體為：

(1)特定頻率：微型光源發(fā)出的光的頻率不同，比如可見(jiàn)光的不同顏色甚至是不可見(jiàn)光(肉眼雖看不到，但是攝像頭可以識(shí)別出來(lái))；

(2)特定編碼：微型光源發(fā)出的光的編碼不同，比如特征光按照不同明暗間歇閃爍。

進(jìn)一步地，所述的智能眼鏡外側(cè)攝像頭可以根據(jù)借書者正前方的方向與目標(biāo)書籍的偏差，用激光筆指引借書者向上或向下尋找，直到找到正確層數(shù)，完成粗定位；在借書者找到正確層數(shù)后，外側(cè)攝像頭識(shí)別所拍攝區(qū)域的圖書側(cè)面編碼，計(jì)算與目標(biāo)書籍位置的關(guān)系是在左邊、右邊或是正對(duì)，啟動(dòng)內(nèi)側(cè)攝像頭。

進(jìn)一步地，所述的智能眼鏡內(nèi)側(cè)攝像頭識(shí)別借書者眼動(dòng)情況，比較判斷注視方向與目標(biāo)書籍的左右偏差方位，并控制激光筆指示到正確的位置，完成精細(xì)定位。

進(jìn)一步地，所述的智能眼鏡外側(cè)攝像頭，可以在對(duì)書籍進(jìn)行掃碼后，識(shí)別出該書籍的基本信息，可以幫助借書者判斷是否為自己想借閱的書籍。

如圖2所示，一種圖書館智能路徑指引方法，該方法包括以下步驟：

(1)預(yù)定圖書：借書者在手機(jī)app上查找自己所需借取的書籍并預(yù)定。

(2)目標(biāo)書架位置確定：借書者在手機(jī)app上確定開(kāi)始借書后，上位機(jī)通過(guò)借書者手機(jī)app中的預(yù)訂信息，確定目標(biāo)圖書所在書架的位置信息；

(3)最優(yōu)路線規(guī)劃：上位機(jī)根據(jù)借書者當(dāng)前位置與目標(biāo)位置，結(jié)合圖書館書架擺放位置，規(guī)劃出最優(yōu)路徑；

(4)智能眼鏡顯示指引路線：在借書者所配戴的智能眼鏡的路徑顯示屏上顯示最優(yōu)路徑指引；

(5)路線監(jiān)測(cè)及實(shí)時(shí)更新：攝像頭通過(guò)識(shí)別智能眼鏡的微型光源發(fā)出的特征光確定借書者實(shí)時(shí)位置并傳遞給上位機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，如該借書者偏離路線，則上位機(jī)將發(fā)送指令及時(shí)更新智能眼鏡屏上的指引路線。與此同時(shí)，上位機(jī)還會(huì)監(jiān)測(cè)已有用戶與新增用戶的位置，實(shí)時(shí)更新最優(yōu)路線，避免耗時(shí)或擁堵；

(6)目標(biāo)圖書定位：當(dāng)借書者抵達(dá)目標(biāo)書架后，智能眼鏡的外側(cè)攝像頭根據(jù)借書者正前方的方向與目標(biāo)書籍的偏差，用激光筆指引借書者向上或向下尋找，直到找到正確層數(shù)，完成粗定位；在借書者找到正確層數(shù)后，首先眼鏡的外側(cè)攝像頭識(shí)別所拍攝區(qū)域的圖書側(cè)面編碼，計(jì)算與目標(biāo)書籍位置的關(guān)系是在左邊、右邊或是正對(duì)，然后啟動(dòng)內(nèi)側(cè)攝像頭識(shí)別其眼動(dòng)情況，比較判斷借書者的注視方向與目標(biāo)書籍的左右偏差方位，用激光筆指引借書者向左或向右尋找到，直到找到正確位置，最后通過(guò)外側(cè)攝像頭掃碼，該借書者可以判斷是否為他想要借閱的圖書；

(7)智能指引結(jié)束：當(dāng)借書者抵達(dá)目標(biāo)書架后，上位機(jī)將在手機(jī)app上提示該借書者已經(jīng)抵達(dá)目的地，借書者拿到書并歸還智能眼鏡后確認(rèn)借書成功，即結(jié)束本次指引。

進(jìn)一步地，所述的步驟3中，最優(yōu)路線的規(guī)劃考慮路徑長(zhǎng)度、拐彎次數(shù)以及該路徑上已有借書者數(shù)量，避免擁堵。可設(shè)置為一條路徑最短、拐彎最少的路徑。

進(jìn)一步地，所述的步驟4中，借書者所佩戴的智能眼鏡是根據(jù)其預(yù)訂信息由系統(tǒng)分配的，在該借書者使用期間只顯示該借書者的最優(yōu)路徑并發(fā)出特征光。

進(jìn)一步地，所述的步驟5中，攝像頭通過(guò)特征光進(jìn)行定位是一種三維室內(nèi)定位方法，如圖3-5所示，過(guò)程如下：

(1)三個(gè)攝像頭為一組，在一個(gè)工作期間只識(shí)別某一特征光的頻率或編碼信息；

(2)設(shè)三個(gè)攝像頭的位置坐標(biāo)分別為a(x1,y1,z1)、b(x2,y2,z2)、c(x3,y3,z3)，攝像頭根據(jù)特征光源位置計(jì)算特征光源o與攝像頭連線oa、ob、oc間的夾角θab、θbc、θca，即為特征光源與三個(gè)攝像頭之間的夾角，在3個(gè)三角形中分別運(yùn)用余弦定理，可得：

ao²+bo²-ab²＝2aobocosθab，

bo²+co²-bc²＝2bococosθbc，

co²+ao²-ca²＝2coaocosθca.

式中：

(3)解方程組可以求得ao、bo、co的數(shù)值，總共有8組解，直接排除復(fù)數(shù)根和非正實(shí)數(shù)根，剩余的解如果不同的話，為了獲取定位的唯一結(jié)果，調(diào)用另一組攝像頭進(jìn)行定位，比較兩組解，得出唯一結(jié)果。

(4)在求出了ao、bo、co的數(shù)值后，若o位于△abc平面內(nèi)，則解顯然是唯一的，可得o點(diǎn)的坐標(biāo)值；若o不位于△abc平面內(nèi)，則存在處于鏡像位置的兩組解，但是其中一組可以通過(guò)光線入射方向排除，可以得到o點(diǎn)的坐標(biāo)值，也就是特征光源的位置，即實(shí)現(xiàn)了借書者的室內(nèi)三維定位。

進(jìn)一步地，所述的步驟6中，當(dāng)上一借書者完成路徑指引后，上位機(jī)將控制智能眼鏡停止發(fā)出特征光，等待下一個(gè)借書者使用。

實(shí)施例

下面用一個(gè)想要借書的學(xué)生為例，具體說(shuō)明本發(fā)明圖書館智能路徑指引系統(tǒng)和方法。

(1)預(yù)定圖書：該學(xué)生在去圖書館之前或者到達(dá)圖書館后，先在自己的手機(jī)app上預(yù)定所借圖書。

(2)目標(biāo)書架位置確定：上位機(jī)根據(jù)收到的該學(xué)生預(yù)定圖書信息確定目標(biāo)書架位置并發(fā)送到手機(jī)app上，該學(xué)生可以依此判斷是否找到正確書架。

(3)最優(yōu)路線規(guī)劃：該學(xué)生在已經(jīng)預(yù)定界面確定開(kāi)始借閱，將信息傳遞給上位機(jī)，同時(shí)上位機(jī)將規(guī)劃出最優(yōu)路徑，并控制智能眼鏡顯示路徑信息和發(fā)出特征光以供攝像頭定位。

(4)智能眼鏡顯示指引路線：該學(xué)生根據(jù)借閱序號(hào)選取對(duì)應(yīng)的智能眼鏡，規(guī)劃出來(lái)的最優(yōu)路徑將在眼鏡的顯示屏上顯示出來(lái)，指引該名學(xué)生到達(dá)目標(biāo)書架。

(5)路線監(jiān)測(cè)及及時(shí)更新：如果該學(xué)生的行走路線與規(guī)劃路線出現(xiàn)偏差，或前方路線有滯留用戶可能造成擁堵，則上位機(jī)會(huì)根據(jù)該學(xué)生的定位對(duì)路線進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，但仍保留原路徑讓學(xué)生自由選擇。

(6)目標(biāo)圖書定位：當(dāng)該學(xué)生抵達(dá)目標(biāo)書架后，智能眼鏡的外側(cè)攝像頭根據(jù)他正前方的方向與他想借的書籍的偏差，假設(shè)目標(biāo)書籍在其下方兩層的位置，則激光筆將指引他向下尋找兩層。在該學(xué)生找到正確層數(shù)后，先是眼鏡外側(cè)識(shí)別所拍攝區(qū)域的圖書側(cè)面編碼，計(jì)算與目標(biāo)書位置的關(guān)系是在左邊還是右邊或是正對(duì)。然后此時(shí)啟動(dòng)內(nèi)側(cè)攝像頭識(shí)別其眼動(dòng)情況，比較判斷他的注視方向與目標(biāo)書籍的左右偏差方位，假設(shè)目標(biāo)書籍在其右側(cè)五本書的位置，激光筆將指示向右側(cè)指示到第五本書的位置。最后，通過(guò)外側(cè)攝像頭掃碼該學(xué)生可以判斷是否為他想要借閱的圖書。

(7)智能指引結(jié)束：當(dāng)該學(xué)生根據(jù)指引找到目標(biāo)書架后，與app上提供的書架信息吻合，則回到前臺(tái)歸還智能眼鏡，并及時(shí)在app上進(jìn)行確認(rèn)完成本次指引。