一种用于养老院的轮椅智能定位监控方法

技术领域

本发明涉及监控定位系统的技术领域，特别涉及一种用于养老院的轮椅智能定位监控系统。

背景技术

养老院定位监控系统是一种利用定位技术来监控养老院内老人的位置和活动情况的系统，通过这个系统，养老院管理人员可以实时了解老人的位置，确保他们的安全和福祉。现有的，如中国专利CN106597360B，一种基于RFID的机器人对室内目标实时动态定位监控方法，利用RFID“协助定位标签”布局室内固定物上以坐标定位，“需要定位标签”贴目标以定位监控，行走机器人安装RFID阅读器，阅读器与标签信息交互。标签编码设标签ID、类别及监测目标信息。将阅读器检测到的信号强度大到小分档，对应近到远距离分档，机器人通过“协助定位标签”更新自身坐标，检到“需要定位标签”通过信号强度档位得机器人与目标距离，实现定位，结果存数据库，判断安全性，不安全报警。该技术方案通过信号强度档位得机器人与目标距离判断判断室内目标是否脱离安全区域而判断室内目标是否安全，若远离了安全坐标或安全区域，则机器人发生报警，提醒人员进行处理；解除警报后，机器人继续行走。但是该技术方案应用于养老院时，由于养老院人数众多，加上信号干扰的因素，容易发生信号强度的误判，期间若误触警报，并且需要监控人员核实后解除警报，机器人继续行走，导致监控人员工作量巨大，具有一定的局限性。

发明内容

本发明提供一种用于养老院的轮椅智能定位监控方法，旨在解决现有定位监控方法应用于养老院时，由于养老院人数众多，加上信号干扰的因素，容易发生信号强度的误判，期间若误触警报，并且需要监控人员核实后解除警报，机器人继续行走，导致监控人员工作量巨大，具有一定的局限性的问题。的问题。

本发明提供的采用如下的技术方案：

一种用于养老院的轮椅智能定位监控方法，包括：

S1、在划定的各个区域内均设置RFID读写器和用于获取所在区域内实时视频画面的RGB-D相机，每个RFID读写器有效识读区域为所在区域，RFID读写器具有表示所在区域的标识信息和用于记录读取时间戳的计时器，在各个轮椅上设置具有代表轮椅用户的UID识别码的RFID标签；

S2、为每个轮椅用户独立训练一个人物识别模型；

S3、在三维地图中抽取所在区域的三维空间模型，以各区域RGB-D相机的光学中心为原点在三维空间模型上建立三维坐标系，并在三维坐标系上把所在区域的三维空间模型均匀切分为多个离散节点，标记出认为处于不安全地带的节点和安全地带的节点，将安全地带的节点进行连线，作为各区域内的若干条安全路径；

S4、当轮椅进入至RFID读写器有效识读区域内，RFID读写器触发解码RFID标签，将所述标识信息、读取信号时间戳与UID识别码组合为数据信息传输给处理模块；

S5、处理模块根据标识信息调用所在区域内的RGB-D相机符合读取信号时间戳的彩色图像和用于测量彩色图像中的物体与RGB-D相机之间距离的深度图像；

S6、处理模块根据UID识别码调用人物识别模型识别彩色图像中的轮椅用户的特征，计算彩色图像轮椅用户的位点和重心的二维坐标，确定彩色图像和深度图像之间的缩放比例，利用重心的二维坐标和缩放比例计算用户的深度信息，利用深度图像中轮椅用户的位点的二维坐标和深度信息计算出轮椅用户的位点的三维坐标，获取该读取信号时间戳下轮椅用户的位点的三维坐标；

S7、处理模块计算该读取信号时间戳下轮椅用户的位点相较于安全路径的偏移量和朝向角度，并传输给预警模块；

S8、预警模块判定所述步骤S7得到的偏移量是否为0，若是，则判定轮椅用户处于安全状态；若否，计算该读取信号时间戳与前一个读取信号时间戳偏移量差值和朝向角度变化速率，并结合偏移量差值和朝向角度变化速率判定轮椅用户是否处于安全状态，若经过步骤S8判定轮椅用户不处于安全状态，则在远程监控端标示轮椅用户所在区域的实时视频画面，若处于安全状态，则解除标示。

优选的，所述步骤S6中获取该读取信号时间戳下轮椅用户的位点的三维坐标的具体步骤为：

S61、在彩色图像和深度图像左上角分别建立二维坐标系，识别彩色图像中的轮椅用户图形后，在彩色图像中绘制矩形框包含轮椅用户图形，并以矩形框对角线的中心坐标作为彩色图像二维坐标系中轮椅用户图形的位点的二维坐标；

S62、计算彩色图像中轮椅用户图形的重心的二维坐标；

S63、确定RGB-D相机中彩色图像和深度图像的缩放比例；

S64、将所述步骤S62得到的重心的二维坐标和所述步骤S61中彩色图像二维坐标系的原点坐标之间的直线距离乘以缩放比例得到深度信息；

S65、通过以下公式将彩色图像中轮椅用户图形的位点的二维坐标转换到深度图像中的二维坐标系中：

x

y

其中，彩色图像中轮椅用户图形的位点二维坐标(x

通过以下公式计算轮椅用户的三维坐标点：

z

其中，fov

优选的，所述步骤S62中计算彩色图像中轮椅用户图形重心的二维坐标的方法具体为：将彩色图像中的轮椅用户图形分割为多个三角形部分，计算每个三角形部分的重心的二维坐标，并利用以下公式计算彩色图像中轮椅用户的重心的二维坐标：

其中，bar(x

优选的，所述步骤S63中采用以下公式确定RGB-D相机中彩色图像和深度图像之间的缩放比例：

其中，f

优选的，所述步骤S7中计算所述步骤S6获取的轮椅用户位点的三维坐标相较于安全路径的偏移量的方法具体包括以下步骤：

S71、分别计算所述步骤S6获取的位点相较于安全路径上每个节点的距离，并选择最近点，三维坐标为(x

S72、通过以下公式计算所述步骤S6获取的位点相较于该安全路径的偏移量：

d

其中，d

优选的，所述步骤S7中计算所述步骤S6获取的位点相较于安全路径的朝向角度的方法具体包括以下步骤：

S73、选择该条安全路径上最近点的两个相邻点的三维坐标(x

S74、计算所述步骤S6获取的轮椅用户的位点与最近点的向量W＝(x

S75、通过以下公式得到所述步骤S6获取的位点相较于安全路径的朝向角度：

θ＝atan2{sqrt[(V×W)

其中，V×W—向量V和向量W的叉乘，V·W—向量V和向量W的点积。

优选的，所述步骤S8中的具体步骤包括：

S81、预警模块判定所述步骤S7计算出的位点相对于安全路径的偏移量是否等于0，若判定结果为是，则判定轮椅用户处于安全状态；

S82、若所述步骤S81中判定结果为否，按以下公式计算当前读取信号时间戳的位点与前一读取信号时间戳的位点相较于安全路径的偏移量差值以及朝向角度变化速率：

Δd

其中，Δd

其中，δ—两个位点相较于安全路径的朝向角度变化速率，T

S83、判定所述步骤S82中偏移量差值是否小于0，若是，则判定轮椅用户不处于安全状态，在远程监控端标示轮椅用户所在区域的实时视频画面；

S84、若判定结果为否，则判定朝向角度变化速率是否大于设置的阈值，若否，在远程监控端标示轮椅用户所在区域的实时视频画面，若是，判定10s内偏移量是否等于0，若不等于0，在远程监控端标示轮椅用户所在区域的实时视频画面，若不等于0，解除标示。

一种用于养老院的轮椅智能定位监控系统，包括：RFID标签、RFID读写器、RGB-D相机、处理模块和预警模块，被配置为上述方法步骤。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：

1.本发明提供的一种用于养老院的轮椅智能定位监控方法通过联合各个区域内的RFID读写器和每个轮椅用户的RFID标签，结合拍摄实时视频的RGB-D相机，定位方案不受区域转换和人数的限制，使得本方案能够在人数众多的养老院中监测每个轮椅用户的实时三维坐标点，从而减少误判的情况。

2.本发明提供的一种用于养老院的轮椅智能定位监控方法通过结合远程监控端的实时视频画面，通过用于拍摄实时视频画面的RGB-D相机在一个视角下确定每个轮椅用户的实时三维坐标点。

3.本发明提供的一种用于养老院的轮椅智能定位监控方法通过结合当前的三维坐标点和之前的三维坐标点的偏移量差值，区别于现有技术中利用信号强度监测进行定位后，判断是否离开安全区域的方案，本发明可以不受区域转换的限制的同时，不仅判断轮椅用户是否离开安全区域，还通过偏移量差值判断轮椅用户接下来的脱困动作以及持续脱离安全区域的动作，从而减少误判的情况。

4.本发明提供的一种用于养老院的轮椅智能定位监控方法通过结合当前的三维坐标点和之前的三维坐标点的偏移量差值小于0的情况来预测轮椅用户接下来的脱困动作，并且通过计算出的朝向角度变化速率判定轮椅用户是否能够在脱离安全区域一定时间内重新进入安全区域，若能，则解除标示从而减少误判的情况。

附图说明

图1是本发明的一种用于养老院的轮椅智能定位监控方法的流程图；

图2是本发明的步骤S3的安全路径的规划示意图；

图3是本发明的所述步骤S62中分割的示意图图；

图4是本发明的预警模块的执行流程图。

具体实施方式

以下结合附图1-4对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例公开了一种用于养老院的轮椅智能定位监控方法，包括以下步骤：

(1)准备阶段：S1、将养老院划分为多个区域，在养老院的各个区域内固定设置RFID读写器和RGB-D相机，RGB-相机可拍摄实时视频，实时视频包含彩色图像和深度图像，并传输到远程监控端，RFID读写器具有代表所在区域标识信息和用于记录读取时间戳的计时器，在各个轮椅上固定设置具有代表轮椅用户的UID识别码的RFID标签，RFID读写器感应并解码读取到的相应RFID标签数据信息，减小RFID读写器天线功率以限制其发送信号的范围，使单个区域内的RFID读写器的信号仅在所在区域内有效，即每个RFID读写器有效识读区域为所在区域；

RFID读写器发送的射频信号使用二进制编码方式，例如发送一个长度为N的编码序列，假设该编码序列为[110010101]，根据反射回接收到的信号进行匹配和解码，判断信号是否与该RFID标签的UID识别码编码匹配，确定信号来自哪个RFID标签，例如对于RFID标签A：对接收到的信号进行匹配和解码，判断是否与RFID标签A的UID识别码编码匹配。当RFID读写器读取到RFID标签的UID识别码后，将读取时计时器的时间戳添加到读取到的相应RFID标签数据信息中，在读取到的相应RFID标签数据信息中包含标识信息。

S2、为每个轮椅用户独立训练一个人物识别模型；

正样本为仅包含单个轮椅用户整体图形的图像集合，负样本为不包含该轮椅用户的图像集合。

用OpenCV_createsamples.exe创建样本和OpenCV_traincascade.exe训练级联分类器。OpenCV_createsamples.exe是用来准备训练用的正样本数据和测试数据。OpenCV_createsamples.exe能够生成能被OpenCV_haartraining.exe和OpenCV_traincascade.exe程序支持的正样本数据。

启动RGB-D相机拍摄实时视频画面后，对每一帧画面进行捕捉，并对图像进行预处理(包括灰度化，特征提取，边缘检测等)。处理之后的图像通过生成的训练级联分类器进行识别。

S3、在三维地图中抽取所在区域的三维空间模型，以各区域RGB-D相机的光学中心为原点在三维空间模型上建立三维坐标系，并在三维坐标系上把所在区域的三维空间模型均匀切分为多个离散节点，离散步骤为：在三维空间模型内建立坐标系，沿x轴均分为i个平面，沿y轴均分为j个平面，沿z轴均分为k个平面，节点为各个平面的交点，对应序号坐标(i，j，k)和位置坐标(x

(2)应用阶段：利用通信连接的处理模块和预警模块实现以下步骤：

S4、当轮椅进入至RFID读写器有效识读区域内，RFID读写器触发解码RFID标签，将所述标识信息、读取信号时间戳与UID识别码组合为数据信息传输给处理模块；

S5、处理模块根据标识信息调用所在区域内的RGB-D相机符合读取信号时间戳的彩色图像和用于测量彩色图像中的物体与RGB-D相机之间距离的深度图像；

S6、处理模块根据UID识别码调用人物识别模型识别彩色图像中的轮椅用户的特征，计算彩色图像轮椅用户的位点和重心的二维坐标，确定彩色图像和深度图像之间的缩放比例，利用重心的二维坐标和缩放比例计算用户的深度信息，利用深度图像中轮椅用户的位点的二维坐标和深度信息计算出轮椅用户的位点的三维坐标，获取该读取信号时间戳下轮椅用户的位点的三维坐标；

获取该读取信号时间戳下轮椅用户的位点的三维坐标的具体步骤为：

S61、在彩色图像和深度图像左上角分别建立二维坐标系，识别彩色图像中的轮椅用户图形后，在彩色图像中绘制矩形框包含轮椅用户图形，并以矩形框对角线的中心坐标作为彩色图像二维坐标系中轮椅用户图形的位点的二维坐标；

S62、计算彩色图像中轮椅用户图形的重心的二维坐标；

计算彩色图像中轮椅用户图形重心的二维坐标的方法具体为：将彩色图像中的轮椅用户图形分割为多个三角形部分，计算每个三角形部分的重心的二维坐标，并利用以下公式计算彩色图像中轮椅用户的重心的二维坐标：

其中，bar(x

S63、确定RGB-D相机中彩色图像和深度图像的缩放比例；

采用以下公式确定RGB-D相机中彩色图像和深度图像之间的缩放比例：

其中，f

S64、将所述步骤S62得到的重心的二维坐标和所述步骤S61中彩色图像二维坐标系的原点坐标之间的直线距离乘以缩放比例得到深度信息；

S65、通过以下公式将彩色图像中轮椅用户图形的位点的二维坐标转换到深度图像中的二维坐标系中：

x

y

其中，彩色图像中轮椅用户图形的位点二维坐标(x

通过以下公式计算轮椅用户的三维坐标点：

z

其中，fov

S7、处理模块计算该读取信号时间戳下轮椅用户的位点相较于安全路径的偏移量和朝向角度，并传输给预警模块；

计算所述步骤S6获取的轮椅用户位点的三维坐标相较于安全路径的偏移量的方法具体包括以下步骤：

S71、分别计算所述步骤S6获取的位点相较于安全路径上每个节点的距离，并选择最近点，三维坐标为(x

S72、通过以下公式计算所述步骤S6获取的位点相较于该安全路径的偏移量：

d

其中，d

优选的，所述步骤S7中计算所述步骤S6获取的位点相较于安全路径的朝向角度的方法具体包括以下步骤：

S73、选择该条安全路径上最近点的两个相邻点的三维坐标(x

S74、计算所述步骤S6获取的轮椅用户的位点与最近点的向量W＝(x

S75、通过以下公式得到所述步骤S6获取的位点相较于安全路径的朝向角度：

θ＝atan2{sqrt[(V×W)

其中，V×W—向量V和向量W的叉乘，V·W—向量V和向量W的点积。

S8、预警模块判定所述步骤S7得到的偏移量是否为0，若是，则判定轮椅用户处于安全状态；若否，计算该读取信号时间戳与前一个读取信号时间戳偏移量差值和朝向角度变化速率，并结合偏移量差值和朝向角度变化速率判定轮椅用户是否处于安全状态，若经过步骤S8判定轮椅用户不处于安全状态，则在远程监控端标示轮椅用户所在区域的实时视频画面，若处于安全状态，则解除标示。

具体步骤包括：

S81、预警模块判定所述步骤S7计算出的位点相对于安全路径的偏移量是否等于0，若判定结果为是，则判定轮椅用户处于安全状态；

S82、若所述步骤S81中判定结果为否，按以下公式计算当前读取信号时间戳的位点与前一读取信号时间戳的位点相较于安全路径的偏移量差值以及朝向角度变化速率：

Δd

其中，Δd

其中，δ—两个位点相较于安全路径的朝向角度变化速率，T

S83、判定所述步骤S82中偏移量差值是否小于0，若是，则判定轮椅用户不处于安全状态，在远程监控端标示轮椅用户所在区域的实时视频画面；

S84、若判定结果为否，则判定朝向角度变化速率是否大于设置的阈值(例如5°/s)，若否，在远程监控端标示轮椅用户所在区域的实时视频画面，若是，判定10s内偏移量是否等于0，若不等于0，在远程监控端标示轮椅用户所在区域的实时视频画面，若不等于0，解除标示。

以上均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。