CN108731662A - 三维定位装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维定位装置包含：至少三个无线传输模块，设置该场域的不同位置，并分别发出一无线讯号；至少一个第一气压传感器，邻设于该些无线传输模块的其中之一，该第一气压传感器感测到一第一气压；一第二气压传感器与一无线接收模块，分别设置于该待测物上，该第二气压传感器感测到一第二气压，且该无线接收模块分别接收该些无线讯号；以及一控制模块，分别耦接该第一气压传感器、该第二气压传感器与该无线接收模块，且该控制模块依据该些无线讯号、该第一气压与该第二气压计算出该待测物于该场域的三维位置。

Description

三维定位装置与方法

技术领域

本发明是关于一种定位装置与方法，特别是关于一种三维定位装置与方法。

背景技术

移动装置(例如手机)已是现代人生活不可或缺的用品之一，而定位技术发展至今，任何携带移动装置的用户都可以很方便地使用相关服务，进行如导航、周边景点导览、社交网络互动等多种用途，现代人的生活因此增添不少便利及趣味。目前市面上的定位装置(或是导航装置)大都采用全球定位系统(Global Position System,GPS)的技术，全球定位系统是结合卫星科技与无线通信的技术，可提供使用者精确的定位、速度及时间信息。

全球定位系统的定位需仰赖卫星与定位装置之间的相互配合才得以顺利运作。然而，目前的定位技术主要仍应用在室外的开阔空间，且受限于物理现实，定位的准确度还有待进一步提升，尤其不适于使用在室内单一场域的细部定位。举例来说，当待测物(例如人员)身处室内的大场域空间时(例如大卖场)，习知全球定位系统的定位技术因建筑物的遮蔽并无法得到待测物在该场域内的位置。

目前已有利用无线网络存取点(Wireless Network Access Point)来解决上述问题的作法。由于较广大的室内空间通常设置有一个以上的无线网络存取点，所以可以透过移动装置与不同的无线网络存取点的连接状态，判断待测物(例如人员)目前的所在地系临近于哪一个无线网络存取点。不过，虽然无线网络讯号的涵盖范围较广，但很容易受到建筑物本身或堆栈物品的影响而使讯号强度失准，其精准度有其极限，在实际运用上仍然有所局限。而且，无线网络存取点的技术也无法得知待测物在该场所内的高度信息。

发明内容

本发明之目的为提供一种三维定位装置与方法，可以较简易的方式得到待测物于特定场域内的确切位置(三维位置)，并具有定位精准度较高的优点。本发明特别适用于室内的场所。

本发明提出一种三维定位装置，用以侦测位于一场域内的一待测物的位置，三维定位装置包括至少三个无线传输模块、至少一个第一气压传感器、一无线接收模块、一第二气压传感器以及一控制模块。该些无线传输模块设置该场域的不同位置，并分别发出一无线讯号。第一气压传感器邻设于该些无线传输模块的其中之一，第一气压传感器感测到一第一气压。无线接收模块与第二气压传感器分别设置于待测物上，无线接收模块分别接收该些无线讯号，且第二气压传感器感测到一第二气压。控制模块分别耦接第一气压传感器、第二气压传感器与无线接收模块，且控制模块依据该些无线讯号、第一气压与第二气压计算出待测物于该场域的三维位置。

本发明另提出一种三维定位方法，其应用于一三维定位装置，并用以侦测位于一场域内的一待测物的位置，三维定位装置包含至少三个无线传输模块、至少一个第一气压传感器、一无线接收模块与一第二气压传感器，该些无线传输模块设置该场域的不同位置，第一气压传感器邻设于该些无线传输模块的其中之一，无线接收模块与第二气压传感器分别设置于待测物上，三维定位方法包括以下步骤：由该些无线传输模块分别发出一无线讯号；由第一气压传感器感测到一第一气压；由第二气压传感器感测到一第二气压；由无线接收模块分别接收该些无线讯号；以及依据该些无线讯号、第一气压与第二气压计算出待测物于该场域的三维位置。

在一实施例中，该些无线传输模块位于该场域的同一高度。

在一实施例中，该些无线传输模块的其中之一与该些无线传输模块的其中另一位于该场域的不同高度。

在一实施例中，当该些无线传输模块位于该场域的不同高度时，三个第一气压传感器分别邻设于三个无线传输模块。

在一实施例中，无线传输模块为Wi-Fi、或ZigBee、或蓝牙、或、或射频、或电信网络无线传输模块。

在一实施例中，控制模块依据接收到的该些无线讯号的接收信号强度指示(RSSI)分别得到该些无线传输模块与待测物之间的一距离，并依据第一气压与第二气压得到第一气压传感器与第二气压传感器之间的一高度差，且依据该些距离及高度差得到待测物于该场域的三维坐标位置。

在一实施例中，无线传输模块与无线接收模块之间的距离为d，第一气压传感器与第二气压传感器的高度差为h，待测物于该场域的一平面上的二维坐标为(x,y)，距离d、高度差h与坐标(x,y)满足以下方程式：d²＝(x²+y²)+h²。

在一实施例中，该些无线传输模块与第一气压传感器整合于该场域的灯具内。

承上所述，在本发明之三维定位装置与方法中，透过该些无线传输模块设置该场域的不同位置，并分别发出无线讯号，更透过位于待测物上的无线接收模块分别接收该些无线讯号，且透过第一气压传感器感测到第一气压以及第二气压传感器感测到第二气压，使得控制模块可依据该些无线讯号、第一气压与第二气压计算出待测物于该场域的三维位置。因此，本发明的三维定位装置与方法可以较简易的方式得到待测物(例如人员或对象)于特定场域内的确切位置(三维位置)，并具有定位精准度较高的优点，可提供给使用者作为后续工作时的参考。

附图说明

图1A与图1B分别为本发明较佳实施例之三维定位装置的功能方块示意图与立体示意图。

图1C为本发明较佳实施例之三维定位方法的流程步骤示意图。

图2A、图3A与图4A分别为图1B的三维定位装置中，不同的无线传输模块与待测物的侧视示意图。

图2B、图3B与图4B分别为图1B的三维定位装置中，待测物投影至平面时，与不同位置点的相对位置示意图。

具体实施方式

以下将参照相关图式，说明依本发明较佳实施例之三维定位装置与方法，其中相同的组件将以相同的参照符号加以说明。

请参照图1A至图1C所示，其中，图1A与图1B分别为本发明较佳实施例之三维定位装置1的功能方块示意图与立体示意图，而图1C为本发明较佳实施例之三维定位方法的流程步骤示意图。

如图1A与图1B所示，三维定位装置1可用以侦测位于一场域内的一待测物T的位置，并包括至少三个无线传输模块11a、11b、11c、至少一个第一气压传感器(pressurealtimeter)12、一无线接收模块13、一第二气压传感器14以及一控制模块15。另外，如图1C所示，本发明的三维定位方法是应用于三维定位装置1，并可用以侦测位于该场域内的待测物T的三维位置。三维定位方法包括以下步骤：由该些无线传输模块分别发出一无线讯号(步骤S01)；由第一气压传感器感测到一第一气压(步骤S02)；由第二气压传感器感测到一第二气压(步骤S03)；由无线接收模块分别接收该些无线讯号(步骤S04)；以及依据该些无线讯号、第一气压与第二气压计算出待测物于该场域的三维位置(步骤S05)。以下，将说明本实施例的三维定位装置1与三维定位方法的详细技术内容。

如图1A及图1B所示，本实施例是以三个无线传输模块11a、11b、11c与一个第一气压传感器12为例，然并不以此为限，在不同的实施例中，三维定位装置1也可包括多于三个的无线传输模块11a、11b、11c与多于一个的第一气压传感器12，并不限制。另外，上述所谓的「场域」，例如但不限于为室内的仓储空间、或卖场、或办公室，或其它的室内空间。而待测物T例如是人员或对象，且无线接收模块13与第二气压传感器14是分别设置于待测物T上。当待测物T为人员时，则无线接收模块13与第二气压传感器14可例如位于人员携带的移动装置内(例如手机或平板本身具有无线接收模块13与第二气压传感器14)，或者，无线接收模块13与第二气压传感器14也可以是人员另外配戴的接收与感测装置(例如配戴的智能手环内有无线接收模块13与第二气压传感器14)，或是人员另外携带无线接收模块13与第二气压传感器14的设备，并不限定；此外，当待测物T为对象时，则该对象上可安装有无线接收模块13与第二气压传感器14。

无线传输模块11a、11b、11c设置于该场域的不同位置，且无线传输模块11a、11b、11c可分别发出一无线讯号S1、S2、S3(步骤S01)。其中，无线传输模块11a、11b、11c可分别为Wi-Fi、或ZigBee、或蓝牙、或射频(RF)、或电信网络等无线传输模块，并不限定。因此，可透过无线传输模块11a、11b、11c分别发出无线讯号S1、S2、S3。

第一气压传感器12邻设于该些无线传输模块11a、11b、11c的其中之一，且第一气压传感器12可感测到一第一气压P1(步骤S02)。在本实施例中，第一气压传感器12是紧靠于无线传输模块11a而设置，以感测大气压力，经由换算后可得到第一气压传感器12所在位置的高度信息。较佳者，第一气压传感器12为气压高度计，可经由感测大气压力而得到设置位置的海拔高度。

无线传输模块11a、11b、11c与第一气压传感器12可位于该场域的同一高度上，例如但不限于位于天花板的不同位置上。较佳者，无线传输模块11a、11b、11c与第一气压传感器12可整合于该场域的天花板之不同灯具内，而待测物T(无线接收模块13与第二气压传感器14)则位于无线传输模块11a、11b、11c与该场域之一平面(例如地面)P之间。本实施例之无线传输模块11a、11b、11c与第一气压传感器12是位于该场域的同一高度上，因此只要设置一个第一气压传感器12即可得知无线传输模块11a、11b、11c的高度信息。

在不同的实施例中，无线传输模块的其中之一与无线传输模块的其中另一亦可位于该场域的不同高度上。若无线传输模块11a、11b、11c位于不同高度的话，则不同高度的无线传输模块也需配置第一气压传感器12。举例来说，例如无线传输模块11b位于柱子上，而无线传输模块11a、11c位于天花板的不同灯具上，且无线传输模块11b与无线传输模块11a、11c安装的高度不同时，则一个第一气压传感器12邻设于无线传输模块11a，且需要另一个第一气压传感器12邻设于无线传输模块11b，以透过第一气压传感器12得到无线传输模块11a、11c的高度信息，且透过另一个第一气压传感器12得到无线传输模块11b的高度信息。此外，在又一实施例中，当三个无线传输模块11a、11b、11c于该场域的高度皆不相同时，则需对应设置三个第一气压传感器12分别邻设于三个无线传输模块11a、11b、11c，以透过这三个第一气压传感器12分别取得这三个无线传输模块11a、11b、11c的高度信息，以供后续计算待测物T的位置坐标之用。

此外，无线传输模块11a、11b、11c与第一气压传感器12除了可安装于天花板的灯具或柱子上之外，在不同的实施例中，亦可将它们安装于例如侦烟器旁、或空调出风口、或其他设备上，本发明亦不限制。

第二气压传感器14可感测到一第二气压P2(步骤S03)，且无线接收模块13可分别接收由无线传输模块11a、11b、11c发出的无线讯号S1、S2、S3(步骤S04)。于此，由于第二气压传感器14设置于待测物T上，因此，第二气压传感器14感测的大气压力为待测物T所在高度的大气压力，进而可得到待测物T的高度信息。由于，气压传感器(12、14)感测大气压力而得知其海拔高度信息为通常知识者所熟知技术，或者可查询相关数据而得知，此处不再赘述其技术原理。

另外，无线接收模块13与无线传输模块11a、11b、11c对应设置。举例来说，无线传输模块11a、11b、11c若为Wi-Fi无线传输模块时，无线接收模块13则为Wi-Fi无线接收模块，以分别接收无线传输模块11a、11b、11c所发出的Wi-Fi无线讯号(S1、S2、S3)。

值得一提的是，上述的步骤S01、S02、S03的顺序只是举例。在不同的实施例中，步骤S01、S02、S03的顺序也可例如依序为S03、S02、S01，或S01、S03、S02，…或其他顺序，并不可用以限制本发明。

控制模块15分别耦接第一气压传感器12、第二气压传感器14与无线接收模块13。其中，耦接可为有线方式或无线方式的耦接，而无线例如可透过Wi-Fi、或ZigBee、或蓝牙、或射频(RF)、或电信网络等无线传输模块来进行。在一些实施例中，控制模块15可与无线接收模块13、第二气压传感器14整合成同一构件，例如位于人员(待测物T)所携带的移动装置内，或者控制模块15也可与无线传输模块11a、11b、11c或第一气压传感器12整合成同一构件，或者，控制模块15可为独立设置的构件，只要可以透过有线或无线方式与第一气压传感器12、第二气压传感器14与无线接收模块13耦接即可，本发明并不限制。

在本实施例中，控制模块15与无线接收模块13整合成同一构件(同样位于待测物T上，例如是人员携带的移动装置中包含有控制模块15、无线接收模块13、第二气压传感器14)。于此，控制模块15具有运算能力，并可包含核心控制组件，例如可包含至少一中央处理器(CPU，例如微处理器)及一内存，或包含其它控制硬件、软件或固件。

控制模块15可依据该些无线讯号S1、S2、S3、第一气压P1与第二气压P2计算出待测物T于该场域的三维位置(步骤S05)。如图1B所示，控制模块15可依据接收到的该些无线讯号S1、S2、S3的接收信号强度指示(Received Signal Strength Indication,RSSI)分别得到该些无线传输模块11a、11b、11c与待测物T之间的一距离d1、d2、d3。由于检测接收信号强度指示(RSSI)的检测设备简单，硬件成本低，也可通过多次测量平均获得较准确的信号强度值，因此，无线接收模块13接收到的无线讯号S1、S2、S3可分别得到无线传输模块11a、11b、11c与无线接收模块13(即待测物T)之间的RSSI测距度量值。之后，控制模块15再将此测距度量值转换而得到待测物T与无线传输模块11a、11b、11c之间的距离d1、d2、d3。由于，接收信号强度指示(RSSI)换算成距离为通常知识者所熟知技术，或者可查询相关数据而得知，此处不再赘述其技术原理。

另外，由于透过第一气压P1可得到第一气压传感器12所在位置的高度信息，透过第二气压P2可得到第二气压传感器14所在位置的高度信息，故控制模块15更可依据第一气压P1与第二气压P2得到第一气压传感器12与第二气压传感器14之间的一高度差。在一些实施例中，此高度差的精准度可小于20公分，在一些特殊例子甚至可以精准到小于5公分。在本实施例中，由于无线传输模块11a、11b、11c与第一气压传感器12位于该场域的同一高度，因此，无线传输模块11a、11b、11c与待测物T的高度差h1、h2、h3皆相同，且无线传输模块11a、11b、11c与平面P之间的高度差Ht相等且为已知，故待测物T离平面P的(z轴)高度h0亦可得知。

因此，控制模块15更可依据该些距离d1、d2、d3及高度差(h1、h2、h3)得到待测物T于场域的三维坐标位置。其中，无线传输模块11a、11b、11c与无线接收模块13之间的距离若以d来表示，而第一气压传感器12与第二气压传感器14的高度差以h来表示，且待测物T于该场域的平面P上的二维坐标为(x,y)时，则距离d、高度差h与坐标(x,y)将满足以下方程式：d²＝(x²+y²)+h²，以下会再详细说明。

请参照图1B并配合图2A与图2B、图3A与图3B、图4A与图4B所示，其中，图2A为图1B的三维定位装置1中，无线传输模块11a(第一气压传感器12)与待测物T的侧视示意图，而图2B为图1B的三维定位装置1中，待测物T投影至平面P时，与位置点O1的相对位置示意图，图3A为图1B的三维定位装置1中，无线传输模块11b与待测物T的侧视示意图，而图3B为图1B的三维定位装置1中，待测物T投影至平面P时，与位置点O2的相对位置示意图，图4A为图1B的三维定位装置1中，无线传输模块11c与待测物T的侧视示意图，而图4B为图1B的三维定位装置1中，待测物T投影至平面P时，与位置点O3的相对位置示意图。其中，位置点N1、N2、N3与待测物O位于同一高度，位置点N1、N2、N3投影到平面P分别为位置点O1、O2、O3，而待测物T投影到平面P为位置点N0。

在图2B中，若位置点O1的坐标为(0,0)，待测物T的坐标假设为(x1,y1)，则r1²＝x1²+y1²。另外，如图2A所示，由于位置点N1投影至平面P上为位置点O1，而待测物T投影至平面P上为位置点N0，故位置点N1与待测物T之间的距离及位置点O1与位置点N0的距离相同，皆为r1(以球体的形状来看，皆为球体半径)。因此，由图2A中可得知，d1²＝r1²+h1²＝(x1²+y1²)+h1²-----(式一)。

另外，在图3B中，若位置点O2的坐标为(0,0)，待测物T的坐标假设为(x2,y2)，则r2²＝x2²+y2²。同样地，如图3A所示，由于位置点N2投影至平面P上为位置点O2，而待测物T投影至平面P上为位置点N0，故位置点N2与待测物T之间的距离及位置点O2与位置点N0的距离相同，皆为r2。因此，由图3A中可得知，d2²＝r2²+h2²＝(x2²+y2²)+h2²-----(式二)。

另外，在图4B中，若位置点O3的坐标为(0,0)，待测物T的坐标假设为(x3,y3)，则r3²＝x3²+y3²。同样地，如图4A所示，由于位置点N3投影至平面P上为位置点O3，而待测物T投影至平面P上为位置点N0，故位置点N3与待测物T之间的距离及位置点O3与位置点N0的距离相同，皆为r3。因此，由图4A中可得知，d3²＝r3²+h3²＝(x3²+y3²)+h3²-----(式三)。

由上述的方程式(一)、(二)、(三)所组成的联立方程式中，由于d1、d2、d3可依据无线接收模块13接收到的无线讯号S1、S2、S3的接收信号强度指示(RSSI)经计算后得知，且无线传输模块11a、11b、11c与待测物T的高度差h1、h2、h3亦为已知(于此，h1＝h2＝h3)，故可由联立方程式中解出x1、y1、x2、y2、x3与y3的值而得到三点的坐标(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)。然后，再采用相关算法，例如三边测量法计算得到待测物T的二维坐标(x,y)的位置，配合上述得到的待测物T于z轴上的高度h0(h0＝Ht-h)，可得知待测物T的三维坐标(x,y,z)。

在上述实施例中，无线传输模块的数量为三个，三点即可定位出待测物T的位置，但是，若要得到更高的精准度，则可设置更多的无线传输模块。其中，无线传输模块的数量越多时，可得出更多个二维坐标(x,y)，再利用例如平均方式得到一平均的位置坐标，可更提高待测物T的位置准确度；或者，设置更多个第一气压传感器12，可得到更多个待测物T的高度信息，再藉由平均方式得到更精准的待测物T于z轴上的高度，藉此提高待测物T的定位精准度。

承上，藉由本发明的三维定位装置与方法，可以较简易的方式得到待测物(例如人员或对象)于特定场域内的确切位置(三维位置)，并具有定位精准度较高的优点。而在应用上，例如可侦测并定位出卖场内有多少人员及其位置，或者可侦测并定位出仓诸空间内对象位置，藉此可提供给卖场或仓诸在商品销售时的统计或参考。

综上所述，在本发明之三维定位装置与方法中，透过该些无线传输模块设置该场域的不同位置，并分别发出无线讯号，更透过位于待测物上的无线接收模块分别接收该些无线讯号，且透过第一气压传感器感测到第一气压以及第二气压传感器感测到第二气压，使得控制模块可依据该些无线讯号、第一气压与第二气压计算出待测物于该场域的三维位置。因此，本发明的三维定位装置与方法可以较简易的方式得到待测物(例如人员或对象)于特定场域内的确切位置(三维位置)，并具有定位精准度较高的优点，可提供给使用者作为后续工作时的参考。

以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明之精神与范畴，而对其进行之等效修改或变更，均应包含于后附之申请专利范围中。

【符号说明】

1：三维定位装置

11a、11b、11c：

12：第一气压传感器

13：无线接收模块

14：第二气压传感器

15：控制模块

d1、d2、d3、r1、r2、r3：距离

h0：高度

h1、h2、h3、Ht：高度差

N0、N1、N2、N3、O1、O2、O3：位置点

P：平面

P1：第一气压

P2：第二气压

S01～S05：步骤

S1、S2、S3：无线讯号

T：待测物

x1、x2、x3、y1、y2、y3：坐标值

x、y、z：方向

Claims (14)

1.一种三维定位装置，用以侦测位于一场域内的一待测物的位置，该三维定位装置包括：

至少三个无线传输模块，设置该场域的不同位置，并分别发出一无线讯号；

至少一个第一气压传感器，邻设于该些无线传输模块的其中之一，该第一气压传感器感测到一第一气压；

一第二气压传感器与一无线接收模块，分别设置于该待测物上，该第二气压传感器感测到一第二气压，且该无线接收模块分别接收该些无线讯号；以及

一控制模块，分别耦接该第一气压传感器、该第二气压传感器与该无线接收模块，且该控制模块依据该些无线讯号、该第一气压与该第二气压计算出该待测物于该场域的三维位置。

2.根据权利要求1所述的三维定位装置，其中该些无线传输模块位于该场域的同一高度上。

3.根据权利要求1所述的三维定位装置，其中该些无线传输模块的其中之一与该些无线传输模块的其中另一位于该场域的不同高度上。

4.根据权利要求1所述的三维定位装置，其中当该些无线传输模块位于该场域的不同高度时，三个该第一气压传感器分别邻设于三个该无线传输模块。

5.根据权利要求1所述的三维定位装置，其中该无线传输模块为Wi-Fi、或ZigBee、或蓝牙、或射频、或电信网络无线传输模块。

6.根据权利要求1所述的三维定位装置，其中该控制模块依据接收到的该些无线讯号的接收信号强度指示(RSSI)分别得到该些无线传输模块与该待测物之间的一距离，并依据该第一气压与该第二气压得到该第一气压传感器与该第二气压传感器之间的一高度差，且依据该些距离及该高度差得到该待测物于该场域的三维坐标位置。

7.根据权利要求1所述的三维定位装置，其中该无线传输模块与该无线接收模块之间的距离为d，该第一气压传感器与该第二气压传感器的高度差为h，该待测物于该场域的一平面上的二维坐标为(x,y)，该距离d、该高度差h与该坐标(x,y)满足以下方程式：d²＝(x²+y²)+h²。

8.根据权利要求1所述的三维定位装置，其中该些无线传输模块与该第一气压传感器整合于该场域的灯具内。

9.一种三维定位方法，用以侦测位于一场域内的一待测物的位置，该三维定位方法包括以下步骤：

利用至少三个无线传输模块来分别发出一无线讯号；

利用一第一气压传感器感测到一第一气压；

利用一第二气压传感器感测到一第二气压；

利用一无线接收模块来接收该些无线讯号；以及

依据该些无线讯号、该第一气压与该第二气压计算出该待测物于该场域的三维位置。

10.根据权利要求9述的三维定位方法，其中该些无线传输模块位于该场域的同一高度。

11.根据权利要求9述的三维定位方法，其中该些无线传输模块的其中之一无线传输模块与该些无线传输模块的其中之另一无线传输模块位于该场域的不同高度。

12.根据权利要求9述的三维定位方法，其中当该些无线传输模块位于该场域的不同高度时，该些气压传感器分别邻设于该些无线传输模块。

13.根据权利要求9述的三维定位方法，其系依据接收到的该些无线讯号的接收信号强度指示(RSSI)分别得到该些无线传输模块与该无线接收模块之间的一距离，并依据该第一气压与该第二气压得到该第一气压传感器与该第二气压传感器之间的一高度差，且依据该些距离及该高度差得到该待测物于该场域的三维坐标位置。

14.根据权利要求9述的三维定位方法，其中该无线传输模块与该无线接收模块之间的距离为d，该第一气压传感器与该第二气压传感器的高度差为h，该待测物于该场域的一平面上的二维坐标为(x,y)，该距离d、该高度差h与该坐标(x,y)满足以下方程式：d²＝(x²+y²)+h²。