一种图书馆智能路径指引系统及方法与流程

本发明属于自动化领域，涉及手机app设计、室内定位、路径规划与增强现实等技术，尤其涉及一种图书馆智能路径指引系统及方法。

背景技术：

路径指引系统作为一种高效的自动化系统，在车辆导航和军事应用中已经发挥了巨大的作用。将路径指引系统用于一些地形复杂的室内，如大型商场、图书馆和地下停车场等，都会给用户带来很大的便利。

目前已有一些提出将路径指引系统用于室内的文章，如基于ibeacon的室内路径导引系统，使用基于ibeacon的室内路径引导系统精确的检测室内用户的移动方向，并收集用户移动模式的上下文感知收集用户信息，提供精确的导引路线，并将引导信息通过消息推送的方式通知用户。

基于ios平台的室内定位与路径引导系统，是结合惯性导航原理设计出的一个室内定位与路径引导系统，并基于ios软件平台开发出相应的应用程序app。该系统实现过程中使用到了ios移动设备iphone的硬件配置和计算能力。使用iphone的加速度计检测出人员的前行走动，并通过相应的积分运算求得人员前行走动的距离。然后，使用iphone的磁力计测算出人员前行走动的朝向。在知道行走起点和前行的距离与朝向的情况下，得出人员前行的位移，进而在室内对人员进行定位。最后，把人员走动的情况信息与提前存入到iphone中的路径信息做比对，比对结果即可引导人员在室内指定路径上前行。

总体来说，尽管近年来提出了一些应用于室内的智能路径指引系统的设计方法，但是目前尚无一套完备成熟的路径指引系统可以在图书馆领域中推广，并且现有的室内路径指引系统中的人机交互功能不够详尽具体。

技术实现要素：

本发明针对现有图书馆指引方式的不足，提供一种图书馆智能路径指引系统及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种图书馆智能路径指引系统，包括上位机、手机app、摄像头和智能眼镜，其中：

所述的手机app用于与借书者人机交互，获取借书者预定图书信息。

所述的智能眼镜具有增强现实的功能，其镜片在显示实景的基础上还具有路径显示屏，在路径显示屏上叠加显示路径指引，用于指引借书者找到目标书架；同时在其镜腿上装有微型光源，可在上位机的控制下按特定频率或编码闪烁，用于摄像头识别借书者位置并传递给上位机；同时在其镜框上嵌有内外两个微型摄像头和一支激光笔：外侧摄像头用于拍照并扫描书籍二维码，内侧摄像头用于识别使用者的眼动情况，激光笔进行目标书籍的指示。

所述的摄像头安装在图书馆的天花板上，通过识别特定频率或编码的光源来确定该借书者的实时位置。

所述的上位机用于与手机app通信，确定借书者预定图书所在书架信息，并规划出最优路线，控制智能眼镜的路径显示屏及微型光源；同时，上位机通过摄像头确定的借书者位置信息监测并及时调整最优路线。

进一步地，所述最优路线的规划考虑最短路径，以及该路径上已有借书者数量，避免拥堵，同时根据借书者位置实时更新。

进一步地，所述的按特定频率或编码闪烁的特征光，具体为：

(1)特定频率：微型光源发出的光的频率不同，比如可见光的不同颜色甚至是不可见光(肉眼虽看不到，但是摄像头可以识别出来)；

(2)特定编码：微型光源发出的光的编码不同，比如特征光按照不同明暗间歇闪烁。

进一步地，所述的智能眼镜外侧摄像头可以根据借书者正前方的方向与目标书籍的偏差，用激光笔指引借书者向上或向下寻找，直到找到正确层数，完成粗定位；在借书者找到正确层数后，外侧摄像头识别所拍摄区域的图书侧面编码，计算与目标书籍位置的关系是在左边、右边或是正对，启动内侧摄像头。

进一步地，所述的智能眼镜内侧摄像头识别借书者眼动情况，比较判断注视方向与目标书籍的左右偏差方位，并控制激光笔指示到正确的位置，完成精细定位。

进一步地，所述的智能眼镜外侧摄像头，在对书籍进行扫码后，识别出该书籍的基本信息，帮助借书者判断是否为自己想借阅的书籍。

一种图书馆智能路径指引方法，该方法包括以下步骤：

(1)预定图书：借书者在手机app上查找自己所需借取的书籍并预定。

(2)目标书架位置确定：借书者在手机app上确定开始借书后，上位机通过借书者手机app中的预订信息，确定目标图书所在书架的位置信息；

(3)最优路线规划：上位机根据借书者当前位置与目标位置，结合图书馆书架摆放位置，规划出最优路径；

(4)智能眼镜显示指引路线：在借书者所配戴的智能眼镜的路径显示屏上显示最优路径指引；

(5)路线监测及实时更新：摄像头通过识别智能眼镜的微型光源发出的特征光确定借书者实时位置并传递给上位机进行检测，如该借书者偏离路线，则上位机将发送指令及时更新智能眼镜屏上的指引路线。与此同时，上位机还会监测已有用户与新增用户的位置，实时更新最优路线，避免耗时或拥堵；

(6)目标图书定位：当借书者抵达目标书架后，智能眼镜的外侧摄像头根据借书者正前方的方向与目标书籍的偏差，用激光笔指引借书者向上或向下寻找，直到找到正确层数，完成粗定位；在借书者找到正确层数后，首先眼镜的外侧摄像头识别所拍摄区域的图书侧面编码，计算与目标书籍位置的关系是在左边、右边或是正对，然后启动内侧摄像头识别其眼动情况，比较判断借书者的注视方向与目标书籍的左右偏差方位，用激光笔指引借书者向左或向右寻找到，直到找到正确位置，最后通过外侧摄像头扫码，该借书者可以判断是否为他想要借阅的图书。

(7)智能指引结束：上位机将在手机app上提示该借书者已经抵达目的地，借书者拿到书并归还智能眼镜后确认借书成功，即结束本次指引。

进一步地，所述的步骤3中，最优路线的规划考虑路径长度、拐弯次数以及该路径上已有借书者数量，避免拥堵。可设置为一条路径最短、拐弯最少的路径。

进一步地，所述的步骤4中，借书者所佩戴的智能眼镜是根据其预订信息由系统分配的，在该借书者使用期间只显示该借书者的最优路径并发出特征光。

进一步地，所述的步骤5中，摄像头通过特征光进行定位是一种三维室内定位方法，过程如下：

(1)三个摄像头为一组，在一个工作期间只识别某一特征光的频率或编码信息；

(2)设三个摄像头的位置坐标分别为a(x1,y1,z1)、b(x2,y2,z2)、c(x3,y3,z3)，摄像头根据特征光源位置计算特征光源o与摄像头连线oa、ob、oc间的夹角θab、θbc、θca，即为特征光源与三个摄像头之间的夹角，在3个三角形中分别运用余弦定理，可得：

ao²+bo²-ab²＝2aobocosθab，

bo²+co²-bc²＝2bococosθbc，

co²+ao²-ca²＝2coaocosθca.

式中：

(3)解方程组可以求得ao、bo、co的数值，总共有8组解，直接排除复数根和非正实数根，剩余的解如果不同的话，为了获取定位的唯一结果，调用另一组摄像头进行定位，比较两组解，得出唯一结果。

(4)在求出了ao、bo、co的数值后，若o位于△abc平面内，则解显然是唯一的，可得o点的坐标值；若o不位于△abc平面内，则存在处于镜像位置的两组解，但是其中一组可以通过光线入射方向排除，可以得到o点的坐标值，也就是特征光源的位置，即实现了借书者的室内三维定位。

进一步地，所述的步骤6中，当上一借书者完成路径指引后，上位机将控制智能眼镜停止发出特征光，等待下一个借书者使用。

本发明的有益效果是：

(1)本发明系统及方法可以让借书者最便捷的找到所需书籍，给用户以最好的借书体验。

(2)本发明在硬件方面需求简单，只需要智能眼镜及室内摄像头，软件方面也仅需要一个借书app和图书馆总处理机；

(3)本发明的系统及方法可普遍应用于各个图书馆或其他需要智能指引的场合，具有很高的移植性。

附图说明

图1为本发明的系统组成图。

图2为本发明的方法流程图。

图3为本发明的室内三维定位流程图。

图4为本发明的室内三维定位示意图1。

图5为本发明的室内三维定位示意图2。

图6为本发明的智能眼镜工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种智能路径指引系统，包括上位机、手机app、摄像头和智能眼镜，其中：

所述的手机app用于与借书者人机交互，获取借书者预定图书信息。

所述的智能眼镜具有增强现实的功能，其镜片在显示实景的基础上还具有路径显示屏，在路径显示屏上叠加显示路径指引，用于指引借书者找到目标书架；同时在其镜腿上装有微型光源，可在上位机的控制下按特定频率或编码闪烁，用于摄像头识别借书者位置并传递给上位机；同时在其镜框上嵌有内外两个微型摄像头和一支激光笔：外侧摄像头用于拍照并扫描书籍二维码，内侧摄像头用于识别使用者的眼动情况，激光笔进行目标书籍的指示。

所述的摄像头安装在图书馆的天花板上，通过识别特定频率或编码的光源来确定该借书者的实时位置。

所述的上位机用于与手机app通信，确定借书者预定图书所在书架信息，并规划出最优路线，控制智能眼镜的路径显示屏及微型光源；同时，上位机通过摄像头确定的借书者位置信息监测并及时调整最优路线。

进一步地，所述最优路线的规划考虑最短路径，以及该路径上已有借书者数量，避免拥堵，同时根据借书者位置实时更新。

进一步地，所述的按特定频率或编码闪烁的特征光，具体为：

(1)特定频率：微型光源发出的光的频率不同，比如可见光的不同颜色甚至是不可见光(肉眼虽看不到，但是摄像头可以识别出来)；

(2)特定编码：微型光源发出的光的编码不同，比如特征光按照不同明暗间歇闪烁。

进一步地，所述的智能眼镜外侧摄像头可以根据借书者正前方的方向与目标书籍的偏差，用激光笔指引借书者向上或向下寻找，直到找到正确层数，完成粗定位；在借书者找到正确层数后，外侧摄像头识别所拍摄区域的图书侧面编码，计算与目标书籍位置的关系是在左边、右边或是正对，启动内侧摄像头。

进一步地，所述的智能眼镜内侧摄像头识别借书者眼动情况，比较判断注视方向与目标书籍的左右偏差方位，并控制激光笔指示到正确的位置，完成精细定位。

进一步地，所述的智能眼镜外侧摄像头，可以在对书籍进行扫码后，识别出该书籍的基本信息，可以帮助借书者判断是否为自己想借阅的书籍。

如图2所示，一种图书馆智能路径指引方法，该方法包括以下步骤：

(1)预定图书：借书者在手机app上查找自己所需借取的书籍并预定。

(2)目标书架位置确定：借书者在手机app上确定开始借书后，上位机通过借书者手机app中的预订信息，确定目标图书所在书架的位置信息；

(3)最优路线规划：上位机根据借书者当前位置与目标位置，结合图书馆书架摆放位置，规划出最优路径；

(4)智能眼镜显示指引路线：在借书者所配戴的智能眼镜的路径显示屏上显示最优路径指引；

(5)路线监测及实时更新：摄像头通过识别智能眼镜的微型光源发出的特征光确定借书者实时位置并传递给上位机进行检测，如该借书者偏离路线，则上位机将发送指令及时更新智能眼镜屏上的指引路线。与此同时，上位机还会监测已有用户与新增用户的位置，实时更新最优路线，避免耗时或拥堵；

(6)目标图书定位：当借书者抵达目标书架后，智能眼镜的外侧摄像头根据借书者正前方的方向与目标书籍的偏差，用激光笔指引借书者向上或向下寻找，直到找到正确层数，完成粗定位；在借书者找到正确层数后，首先眼镜的外侧摄像头识别所拍摄区域的图书侧面编码，计算与目标书籍位置的关系是在左边、右边或是正对，然后启动内侧摄像头识别其眼动情况，比较判断借书者的注视方向与目标书籍的左右偏差方位，用激光笔指引借书者向左或向右寻找到，直到找到正确位置，最后通过外侧摄像头扫码，该借书者可以判断是否为他想要借阅的图书；

(7)智能指引结束：当借书者抵达目标书架后，上位机将在手机app上提示该借书者已经抵达目的地，借书者拿到书并归还智能眼镜后确认借书成功，即结束本次指引。

进一步地，所述的步骤3中，最优路线的规划考虑路径长度、拐弯次数以及该路径上已有借书者数量，避免拥堵。可设置为一条路径最短、拐弯最少的路径。

进一步地，所述的步骤4中，借书者所佩戴的智能眼镜是根据其预订信息由系统分配的，在该借书者使用期间只显示该借书者的最优路径并发出特征光。

进一步地，所述的步骤5中，摄像头通过特征光进行定位是一种三维室内定位方法，如图3-5所示，过程如下：

(1)三个摄像头为一组，在一个工作期间只识别某一特征光的频率或编码信息；

(2)设三个摄像头的位置坐标分别为a(x1,y1,z1)、b(x2,y2,z2)、c(x3,y3,z3)，摄像头根据特征光源位置计算特征光源o与摄像头连线oa、ob、oc间的夹角θab、θbc、θca，即为特征光源与三个摄像头之间的夹角，在3个三角形中分别运用余弦定理，可得：

ao²+bo²-ab²＝2aobocosθab，

bo²+co²-bc²＝2bococosθbc，

co²+ao²-ca²＝2coaocosθca.

式中：

(3)解方程组可以求得ao、bo、co的数值，总共有8组解，直接排除复数根和非正实数根，剩余的解如果不同的话，为了获取定位的唯一结果，调用另一组摄像头进行定位，比较两组解，得出唯一结果。

(4)在求出了ao、bo、co的数值后，若o位于△abc平面内，则解显然是唯一的，可得o点的坐标值；若o不位于△abc平面内，则存在处于镜像位置的两组解，但是其中一组可以通过光线入射方向排除，可以得到o点的坐标值，也就是特征光源的位置，即实现了借书者的室内三维定位。

进一步地，所述的步骤6中，当上一借书者完成路径指引后，上位机将控制智能眼镜停止发出特征光，等待下一个借书者使用。

实施例

下面用一个想要借书的学生为例，具体说明本发明图书馆智能路径指引系统和方法。

(1)预定图书：该学生在去图书馆之前或者到达图书馆后，先在自己的手机app上预定所借图书。

(2)目标书架位置确定：上位机根据收到的该学生预定图书信息确定目标书架位置并发送到手机app上，该学生可以依此判断是否找到正确书架。

(3)最优路线规划：该学生在已经预定界面确定开始借阅，将信息传递给上位机，同时上位机将规划出最优路径，并控制智能眼镜显示路径信息和发出特征光以供摄像头定位。

(4)智能眼镜显示指引路线：该学生根据借阅序号选取对应的智能眼镜，规划出来的最优路径将在眼镜的显示屏上显示出来，指引该名学生到达目标书架。

(5)路线监测及及时更新：如果该学生的行走路线与规划路线出现偏差，或前方路线有滞留用户可能造成拥堵，则上位机会根据该学生的定位对路线进行实时调整，但仍保留原路径让学生自由选择。

(6)目标图书定位：当该学生抵达目标书架后，智能眼镜的外侧摄像头根据他正前方的方向与他想借的书籍的偏差，假设目标书籍在其下方两层的位置，则激光笔将指引他向下寻找两层。在该学生找到正确层数后，先是眼镜外侧识别所拍摄区域的图书侧面编码，计算与目标书位置的关系是在左边还是右边或是正对。然后此时启动内侧摄像头识别其眼动情况，比较判断他的注视方向与目标书籍的左右偏差方位，假设目标书籍在其右侧五本书的位置，激光笔将指示向右侧指示到第五本书的位置。最后，通过外侧摄像头扫码该学生可以判断是否为他想要借阅的图书。

(7)智能指引结束：当该学生根据指引找到目标书架后，与app上提供的书架信息吻合，则回到前台归还智能眼镜，并及时在app上进行确认完成本次指引。