CN105783906A - 室内定位系统 - Google Patents

Abstract

一种室内定位系统，用于定位一待定位装置，该室内定位系统包含至少三个设置于一室内空间中不同的位置，且各自提供一对应的唯一特征信息的参考物件及一定位装置。每一参考物件的特征信息相关于一二维坐标。该定位装置包括一拍摄所述参考物件的至少一影像的影像拍摄单元及一处理单元。该处理单元根据该影像获得至少三个分别对应于该影像中所述参考物件的像素位置，且根据所述像素位置及该影像拍摄单元的焦距估算出一第一夹角及一第二夹角，并根据所述参考物件的特征信息、该第一夹角及该第二夹角估算出该待定位装置在一地面上的位置的定位坐标。

Description

室内定位系统

技术领域

本发明涉及一种定位系统，特别是涉及一种室内定位系统。

背景技术

全球卫星定位系统(GlobalPositioningSystem，简称GPS)为目前主流的定位技术，GPS是结合卫星及无线技术的导航系统，能提供用户精确的定位。用户只要在能接收到卫星信号的地区，便可以方便地利用GPS取得定位及导航信息。

然而，位于室内环境中的GPS接收器很可能由于建筑物的遮蔽，导致GPS信号的接收不良，因而无法进行定位。因此有需要发展出用于室内环境定位的定位技术。目前主要的室内定位技术包含地理标记定位法与距离估测定位法。

地理标记定位法所获得的定位信息为所处环境中一特定参考点的位置信息，并非待定位点实际的位置信息，所以其定位精准度较低。距离估测定位法是通过同时接收来自多个基地台的电磁波信号，通过电磁波信号的强度来推估待定位点与各个基地台的距离，并进行相关运算以获得定位信息，但此种通过电磁波信号强度所获得的定位信息容易受环境的影响，像是温度、反射造成的多通道效应等，导致定位精准度也不高，所以实有必要寻求一定位精准度较高的室内定位方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有较高定位精准度的室内定位系统。

本发明的室内定位系统，用于定位一可在一室内空间的一地面移动的待定位装置，该室内定位系统包含至少三个参考物件及一定位装置。

所述参考物件适于设置于该室内空间且分别位于不同的位置，所述参考物件各自能提供一对应的唯一特征信息，每一参考物件的特征信息相关于该参考物件所在位置相对于该室内空间的地面的一二维坐标。

该定位装置适于安装于该待定位装置，并包括一影像拍摄单元及一处理单元。该影像拍摄单元用于在每一预定时间期间内拍摄所述参考物件的至少一影像，该影像包含所述参考物件所提供的特征信息。该处理单元电连接该影像拍摄单元以便接收来自该影像拍摄单元的该影像，并根据该影像，获得至少三个分别对应于该影像中的所述参考物件的像素位置，且根据所述像素位置及该影像拍摄单元于拍摄该影像时的焦距，估算出所述参考物件中的任意两者相对于该影像拍摄单元所形成的一第一夹角以及不同于该第一夹角的一第二夹角，并根据所述参考物件的特征信息、该第一夹角及该第二夹角，估算出该待定位装置在该地面上一对应于该预定时间期间的位置的定位坐标。

本发明的室内定位系统，每一参考物件包含一作为其特征信息的唯一二维条形码，且该处理单元可操作来译码该二维条形码而获得该参考物件所在位置相对于该地面的该二维坐标。

本发明的室内定位系统，每一参考物件的二维条形码为一快速响应码。

本发明的室内定位系统，每一参考物件包含一作为该特征信息的唯一特征图案。该定位装置还包括一电连接该处理单元的储存单元，该储存单元储存一特征图案对二维坐标的查找表，该查找表包含所述参考物件的所述特征图案、及分别对应于所述特征图案且分别对应于所述参考物件所在位置相对于该地面的所述二维坐标。该处理单元可操作来辨识出该影像中的所述特征图案，并根据该储存单元所储存的该查找表，获得所述参考物件的所述二维坐标。

本发明的室内定位系统，每一参考物件包含一可操作在一发光状态及一熄灭状态其中之一的发光体，且对于每一参考物件，于该预定时间期间，该发光体被控制在该发光状态与该熄灭状态间切换，以便产生一作为该特征信息且表示该参考物件所在位置相对于该地面的该二维坐标的唯一N-位编码数据，N≧2。该影像拍摄单元于该预定时间期间内连续拍摄所述参考物件的N个影像，并将所述N个影像依序输出至该处理单元。该处理单元依序接收来自于该影像拍摄单元的所述N个影像，自所述N个影像的每一者中撷取至少三个分别对应所述参考物件的所述发光体的影像部分，并根据所述N个影像中对应每一参考物件的该发光体的所述影像部分，获得对应于该参考物件的特征信息的该N-位编码数据。

本发明的室内定位系统，每一发光体为一发光二极管单元。

本发明的室内定位系统，所述特征信息分别包含所述二维坐标，该处理单元还根据下列公式估算出该待定位装置在该地面上的位置的定位坐标(p,q)：

$\left\{\begin{array}{c}{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2={(p-x_1)}^2+{(q-y_1)}^2+{(p-x_2)}^2+{(q-y_2)}^2\\ -2\sqrt{[{(p-x_1)}^2+{(q-y_1)}^2][{(p-x_2)}^2+{(q-y_2)}^2]}\cos {\mathrm{\θ}}_2\\ {(x_2-x_3)}^2+{(y_2-y_3)}^2={(p-x_2)}^2+{(q-y_2)}^2+{(p-x_3)}^2+{(q-y_3)}^2\\ -2\sqrt{[{(p-x_2)}^2+{(q-y_2)}^2][{(p-x_3)}^2+{(q-y_3)}^2]}\mathrm{co}{{\mathrm{s\θ}}_1}_{}\end{array}\right.$

其中，(x₁,y₁)、(x₂,y₂)及(x₃,y₃)分别表示所述参考物件所在位置相对于该地面的所述二维坐标，θ₁代表该第一夹角相对于一平行该地面的水平面的二维夹角分量，θ₂代表该第二夹角相对于该水平面的二维夹角分量。

本发明的室内定位系统，该定位装置还包括一速度感测单元。该速度感测单元电连接该处理单元并可感测该待定位装置移动的一加速度及一角加速度以产生一指示该加速度与该角加速度的感测信号，且将该感测信号输出至该处理单元。该处理单元根据来自该速度感测单元的该感测信号、该预定时间期间及该定位坐标，估算出该待定位装置在该地面上一对应于下一个预定时间期间的一位置的定位坐标。

本发明的有益效果在于，该处理单元通过所述参考物件各自所提供的特征信息、该第一夹角及该第二夹角，来估算出该待定位装置在该地面上的位置的该定位坐标。

附图说明

本发明的其他的特征及功效，将于参照图式的实施方式中清楚地呈现，其中：

图1是一上视示意图，绘示一配置有本发明室内定位系统的第一实施例的室内环境；

图2是一方块图，说明本发明室内定位系统的第一实施例中的一定位装置；

图3是一示意图，绘示一由本发明室内定位系统的第一实施例的一影像拍摄单元拍摄三个参考物件的一影像；

图4是一示意图，说明该影像拍摄单元所拍摄的图3的影像的成像原理；

图5是一示意图，说明图4中分别对应所述三个参考物件且成像在一感光模块的像素位置相对于该感光模块的一水平中线的投影位置关系；

图6是一方块图，说明本发明室内定位系统的第二实施例中的一定位装置；

图7是一示意图，绘示由本发明室内定位系统的第二实施例的一影像拍摄单元拍摄三个参考物件的一影像；及

图8是一示意图，绘示由本发明室内定位系统的第三实施例的一影像拍摄单元连续拍摄三个参考物件的多幅影像。

具体实施方式

在本发明被详细描述之前，应当注意在以下的说明内容中，类似的组件是以相同的编号来表示。

参阅图1、图2与图3，本发明室内定位系统的第一实施例适用于定位一可在一如停车场的室内空间100的一地面101上移动的待定位装置1。在本实施例中，该待定位装置1为一汽车，但不限于此。该室内定位系统包含多个参考物件2，21，22，23及一定位装置3。

所述参考物件2，21，22，23设置于该室内空间100且分别位于不同的位置。例如，如图1所示，所述参考物件2，以不被遮蔽的方式，分别设在该室内空间100中对应的梁柱或壁面上，而所述参考物件21，22，23均设在同一壁面102上。所述参考物件2，21，22，23各自提供一对应的唯一特征信息，所述参考物件2，21，22，23的每一者的特征信息相关于其本身所在位置相对于该室内空间100的地面101的一二维坐标。在本实施例中，所述参考物件2，21，22，23的每一者包含，例如，一作为其特征信息的唯一二维条形码，而该二维条形码可为图3所示的快速响应码(QuickResponseCode，简称QRcode)。然而，在其他实施例中，所述参考物件2，21，22，23的每一者所提供的唯一特征信息也可为一条形码。因此，本实施例的所述参考物件2，21，22，23的每一者可被实施为一印有其对应特征信息(QRcode)的标签，且该标签是黏贴在该室内空间100中的对应梁柱或墙壁上的一适当位置上，借此，该标签所黏贴的位置即为该参考物件2，21，22，23的所在位置。

该定位装置3可拆离地安装于该待定位装置1，并包括一影像拍摄单元31、一速度感测单元32、一显示单元33及一电连接该影像拍摄单元31、该速度感测单元32及该显示单元33的处理单元34。在本实施例中，该定位装置3可被实施为一智能型手机，但不限于此。

在本实施例中，该影像拍摄单元31包括一镜头模块311及一如CMOS或CCD的感光模块312。该影像拍摄单元31可在每一预定时间期间内拍摄所述参考物件2，21，22，23其中至少三者的一影像，例如，该影像拍摄单元31在图1中所示的该待定位装置1的所在位置所拍摄到的三个参考物件21，22，23的影像300(见图3)，并将该影像300输出至该处理单元34。例如，该影像300包含所述参考物件21，22，23所提供的特征信息，即所述参考物件21，22，23对应的QRcode。

该速度感测单元32是用来感测该待定位装置1移动的一加速度及一角加速度以产生一指示该加速度与该角加速度的感测信号，且将该感测信号输出至该处理单元34。

该处理单元34接收来自该影像拍摄单元31的该影像。依照图3的例子，该处理单元34根据该影像300，获得三个分别对应于该影像300中所包含的所述参考物件21、22、23的像素位置，即图4中的分别对应所述参考物件21、22、23成像在该感光模块312上的像素位置21’，22’，23’，且根据该影像300被拍摄时该镜头模块311的焦距f(见图5)及所述像素位置21’，22’，23’，估算出所述参考物件21，22，23中的任意两者相对于该影像拍摄单元31所形成的一第一夹角，例如，相关于所述参考物件22，23的夹角ω₁(见图4)，以及不同于该第一夹角的一第二夹角，例如，相关于所述参考物件21，22的夹角ω₂(见图4)。由图4可知，夹角ω₁、ω₂，即该第一及第二夹角，是三维夹角，其可由一二维夹角分量，例如，在一平行该地面101的水平面上的夹角分量(简称为水平投影夹角)θ₁、θ₂，及一二维夹角分量，例如，在一垂直于该地面101的垂直方向的夹角分量(简称为垂直投影夹角)φ₁、φ₂所组成。由于该处理单元34所估算出的一定位坐标是一相对于该室内空间100的地面101的二维坐标，因此，该处理单元34通过将所述像素位置21’，22’，23’投影至一平行该地面101且通过该感光模块312的中心O的一水平中线H上，而获得如图4中所示的投影位置21”，22”，23”，并分别计算出所述投影位置21”，22”，23”与该感光模块312的中心O的距离L₁、L₂及L₃(见图5)。因此，通过所述距离L₃、L₁及L₂、该镜头模块311的焦距f(见图5)，及以下公式(1)、(2)计算出该水平投影夹角θ₁、θ₂以获得所述参考物件21，22，23与该影像拍摄单元31的该水平投影夹角θ₁、θ₂。

${\mathrm{\θ}}_1={\tan }^{-1}\left(\frac{L_1}{f}\right)+{\tan }^{-1}\left(\frac{L_2}{f}\right)---\left(1\right)$

${\mathrm{\θ}}_2={\tan }^{-1}\left(\frac{L_1}{f}\right)+{\tan }^{-1}\left(\frac{L_3}{f}\right)---\left(2\right)$

此外，该处理单元34还自该影像300撷取三个分别对应所述参考物件21、22、23的特征信息(也就是说，所述QRcode)，且解码所述QRcode以分别获得对应所述参考物件21、22、23所在位置相对于该地面101的所述二维坐标(x₁,y₁)，(x₂,y₂)，(x₃,y₃)，例如，所述二维坐标(x₁,y₁)，(x₂,y₂)，(x₃,y₃)分别为(27,14)、(27,17)、(27,12)(见图1)，且根据所述二维坐标(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)、及该水平投影夹角θ₁θ₂及下列公式(3)，估算出该待定位装置1在该地面101上对应于该预定时间期间的位置的该定位坐标(p,q)。

$\left\{\begin{array}{c}{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2={(p-x_1)}^2+{(q-y_1)}^2+{(p-x_2)}^2+{(q-y_2)}^2\\ -2\sqrt{[{(p-x_1)}^2+{(q-y_1)}^2][{(p-x_2)}^2+{(q-y_2)}^2]}\cos {\mathrm{\θ}}_2\\ {(x_2-x_3)}^2+{(y_2-y_3)}^2={(p-x_2)}^2+{(q-y_2)}^2+{(p-x_3)}^2+{(q-y_3)}^2\\ -2\sqrt{[{(p-x_2)}^2+{(q-y_2)}^2][{(p-x_3)}^2+{(q-y_3)}^2]}\cos {\mathrm{\θ}{}_1}_{}\end{array}\right.---\left(3\right)$

在本实施例中，为了加速处理单元34计算出公式(3)的p、q值的计算时间，该处理单元34可利用现有的泰勒展开法以简化公式(3)中的各个方程式，并利用现有的最小平方估测法计算出简化后的方程式的p、q值，但不以此为限。该处理单元34在估算出该待定位装置1的定位坐标(p,q)后，可将相关于该定位坐标(p,q)的定位信息显示于该显示单元33。

此外，对于移动中该待定位装置1，该处理单元34也可利用一已知的惯性定位法，根据前述估算出的定位坐标，估算出该待定位装置1对应于下一个预定时间期间的一位置的一定位坐标。

以下将进一步说明该处理单元34如何利用该惯性定位法来估算出该待定位装置1在该下一个预定时间期间的该定位坐标。

该处理单元34根据在目前的预定时间期间内所接收到来自该速度感测单元32的该感测信号、该预定时间期间及该待定位装置1对应于该目前预定时间期间所估算出的定位坐标，估算出该待定位装置1在该地面101上对应于该下一个预定时间期间的定位坐标。

值得特别说明的是，若该影像拍摄单元31在该下一个预定时间期间所拍摄到的一影像包含至少三个参考物件，则该处理单元34可利用该影像的定位方式，或配合地利用该惯性定位法来估算出该待定位装置1在该下一个预定时间期间的定位坐标。理想地，通过利用所述参考物件2的定位方式所获得的该定位坐标会相同于通过该惯性定位法所获得的该定位坐标。然而，对于移动中该待定位装置1，一旦该影像拍摄单元31在该下一个预定时间期间所拍摄到的该影像中所包含的参考物件少于三个参考物件时，则该处理单元34只能利用该惯性定位法来估算出该待定位装置1在该下一个预定时间期间的定位坐标。

参阅图1、图6与图7，本发明室内定位系统的第二实施例大致上是与该第一实施例相同，相同之处不再赘言，其中不同之处在于：所述参考物件2，21，22，23的每一者包含一作为该特征信息的唯一特征图案。因此，本实施例的所述参考物件2，21，22，23的每一者可被实施为，例如，一印有其对应的特征图案的标签，但不限于此。此外，该定位装置3还包括一电连接该处理单元34的储存单元35。

该储存单元35储存一特征图案对二维坐标的查找表351，该查找表351包含所述参考物件2，21，22，23的所述特征图案、及分别对应于所述特征图案且分别对应于所述参考物件2，21，22，23所在位置相对于该地面101的所述二维坐标。例如，图7所示为一由该影像拍摄单元31所拍摄的影像301，而表1是一对应图7的示例查找表351。

表1

当该处理单元34接收来自该影像拍摄单元31的一影像，例如，图7所示的影像301时，该处理单元34辨识出该影像301中分别对应所述参考物件21，22，23的所述特征图案，并根据该储存单元35所储存的该查找表351，获得所述参考物件21，22，23所在位置相对于该地面101的所述二维坐标。

参阅图1、图2与图8，本发明室内定位系统的第三实施例大致上是与该第一实施例相同，相同之处不再赘言，其中不同之处在于：所述参考物件2，21，22，23的每一者包含一可操作在一发光状态及一熄灭状态其中之一的发光体。所述参考物件2，21，22，23的每一者可被实施为，例如，一灯具，且每一发光体可为一发光二极管单元(简称为LED单元)20，但不限于此。在本实施例中，对于每一参考物件2，21，22，23，于每一该预定时间期间，该LED单元20被控制在该发光状态与该熄灭状态间切换，以便在该预定时间期间内产生一作为该特征信息且表示该参考物件2，21，22，23所在位置相对于该地面101的该二维坐标的唯一N-位编码数据，N≧2。

此外，在本实施例中，该影像拍摄单元31于该预定时间期间内连续拍摄所述参考物件2，21，22，23中至少三者的N幅影像，例如，图8所示连续拍摄所述参考物件21，22，23的10(N＝10)幅影像302，并将所述N幅影像依序输出至该处理单元34。

依照图8的例子，即N＝10，该处理单元34依序接收来自于该影像拍摄单元31的所述10幅影像302，自所述10幅影像302的每一者中撷取三个分别对应所述参考物件21，22，23的所述发光二极管单元20的影像部分，并根据所述10幅影像302中对应所述参考物件21，22，23中每一者的该发光二极管单元20的所述影像部分，获得对应于所述参考物件21，22，23中每一者的特征信息的该10-位编码数据，且将所述10-位编码数据译码，以获得分别对应所述参考物件21，22，23所在位置相对于该地面101的所述二维坐标。

举例来说，若N＝10，则在每一10-位编码数据中，对应前5位的数据部分，例如，可代表一二维坐标的x轴坐标成分，而对应后5位的数据部分，例如，可代表该二维坐标的y轴坐标成分，但不限于此。例如，一对应该参考物件21的10-位编码数据表示为”1101101110”，则此10-位编码数据经该处理单元34依照上述方式译码后所获得的二维坐标即为(27，14)(见图1)。

综上所述，在本发明的室内定位系统中，由于所述参考物件2，21，22，23各自能提供相关于其所在位置的特征信息，该处理单元34可利用该影像拍摄单元31所拍摄的影像或配合地使用惯性定位法来定位该待定位装置1。此外，通过增加所述参考物件2，21，22，23的数量，能有效地提高定位的精确度。因此，相较于现有的地理标记定位法与距离估测定位法，本发明的室内定位系统确实能以相对简单的运算处理，并同时能达到较高精准度的定位结果，所以确实能达成本发明的目的。

以上所述者，仅为本发明的实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明的范围。

Claims (8)

1.一种室内定位系统，用于定位一可在一室内空间的一地面上移动的待定位装置，其特征在于：该室内定位系统包含：

至少三个参考物件，适于设置于该室内空间且分别位于不同的位置，所述参考物件各自能提供一对应的唯一特征信息，每一参考物件的特征信息相关于该参考物件所在位置相对于该室内空间的地面的一二维坐标；及

一定位装置，适于安装于该待定位装置，并包括

一影像拍摄单元，用于在每一预定时间期间内拍摄所述参考物件的至少一影像，该影像包含所述参考物件所提供的特征信息，及

一处理单元，电连接该影像拍摄单元以便接收来自该影像拍摄单元的该影像，并根据该影像，获得至少三个分别对应于该影像中的所述参考物件的像素位置，且根据所述像素位置及该影像拍摄单元于拍摄该影像时的焦距，估算出所述参考物件中的任意两者相对于该影像拍摄单元所形成的一第一夹角以及不同于该第一夹角的一第二夹角，并根据所述参考物件的特征信息、该第一夹角及该第二夹角，估算出该待定位装置在该地面上一对应于该预定时间期间的位置的定位坐标。

2.根据权利要求1所述的室内定位系统，其特征在于：每一参考物件包含一作为其特征信息的唯一二维条形码，且该处理单元可操作来译码该二维条形码而获得该参考物件所在位置相对于该地面的该二维坐标。

3.根据权利要求2所述的室内定位系统，其特征在于：每一参考物件的二维条形码为一快速响应码。

4.根据权利要求1所述的室内定位系统，其特征在于：

每一参考物件包含一作为该特征信息的唯一特征图案；

该定位装置还包括一电连接该处理单元的储存单元，该储存单元储存一特征图案对二维坐标的查找表，该查找表包含所述参考物件的所述特征图案、及分别对应于所述特征图案且分别对应于所述参考物件所在位置相对于该地面的所述二维坐标；及

该处理单元可操作来辨识出该影像中的所述特征图案，并根据该储存单元所储存的该查找表，获得所述参考物件的所述二维坐标。

5.根据权利要求1所述的室内定位系统，其特征在于：

每一参考物件包含一可操作在一发光状态及一熄灭状态其中之一的发光体，且对于每一参考物件，于该预定时间期间，该发光体被控制在该发光状态与该熄灭状态间切换，以便产生一作为该特征信息且表示该参考物件所在位置相对于该地面的该二维坐标的唯一N-位编码数据，N≧2；

该影像拍摄单元于该预定时间期间内连续拍摄所述参考物件的N个影像，并将所述N个影像依序输出至该处理单元；及

该处理单元依序接收来自于该影像拍摄单元的所述N个影像，自所述N个影像的每一者中撷取至少三个分别对应所述参考物件的所述发光体的影像部分，并根据所述N个影像中对应每一参考物件的该发光体的所述影像部分，获得对应于该参考物件的特征信息的该N-位编码数据。

6.根据权利要求5所述的室内定位系统，其特征在于：每一发光体为一发光二极管单元。

7.根据权利要求1所述的室内定位系统，其特征在于：所述特征信息分别包含所述二维坐标，该处理单元还根据下列公式估算出该待定位装置在该地面上的位置的定位坐标(p,q)：

$\left\{\begin{array}{c}{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2={(p-x_1)}^2+{(q-y_1)}^2+{(p-x_2)}^2+{(q-y_2)}^2\\ -2\sqrt{[{(p-x_1)}^2+{(q-y_1)}^2][{(p-x_2)}^2+{(q-y_2)}^2]}\cos {\mathrm{\θ}}_2\\ {(x_2-x_3)}^2+{(y_2-y_3)}^2={(p-x_2)}^2+{(q-y_2)}^2+{(p-x_3)}^2+{(q-y_3)}^2\\ -2\sqrt{[{(p-x_2)}^2+{(q-y_2)}^2][{(p-x_3)}^2+{(q-y_3)}^2]}\cos {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right.$

其中，(x₁,y₁)、(x₂,y₂)及(x₃,y₃)分别表示所述参考物件所在位置相对于该地面的所述二维坐标，θ₁代表该第一夹角相对于一平行该地面的水平面的二维夹角分量，θ₂代表该第二夹角相对于该水平面的二维夹角分量。

8.根据权利要求1所述的室内定位系统，其特征在于：

该定位装置还包括一速度感测单元，电连接该处理单元并可感测该待定位装置移动的一加速度及一角加速度以产生一指示该加速度与该角加速度的感测信号，且将该感测信号输出至该处理单元；及

该处理单元根据来自该速度感测单元的该感测信号、该预定时间期间及该定位坐标，估算出该待定位装置在该地面上一对应于下一个预定时间期间的一位置的定位坐标。