CN110488220A - 测向芯片、测向方法及信标 - Google Patents

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Abstract

本发明公开测向芯片、测向方法及信标。测向芯片应用于一测向系统的一信标。该信标包含多个天线及一惯性测量单元。一移动装置可依据该信标所提供的一补充信息计算出一角度信息。该测向芯片包含一计算电路及一射频电路。该计算电路根据该惯性测量单元所产生的一加速度及一磁场向量产生一坐标转换信息或该坐标转换信息的一修正量。该坐标转换信息或该修正量可用于补偿该角度信息。该射频电路耦接该计算电路并用来传送该补充信息及该坐标转换信息或该修正量。

Description

测向芯片、测向方法及信标
技术领域
本发明涉及测向(direction finding)或测向系统。
背景技术
本公开的公开内容与以下的文献1～3有关。
1.Erica Gunhardson,“Indoor Positioning Using Angle of DepartureInformation,”MS thesis Department of Science and Technology,University,2015。
2.Tarek Hamel,and Robert Mahony,“Attitude estimation on SO(3)based ondirect inertial measurements,”Proc.Int.Conf.Robotics Automation(ICRA),pp.2170-2175,2006。
3.Smalling KM,Eure KW(2015),“A short tutorial on inertial navigationsystem and global positioning system integration,”Tech.rep.,NASA,NASA/TM–2015-218803,NASA,2015。
蓝牙低能量(Bluetooth low energy,BLE)技术用于测向(direction finding)或导航愈来愈常见。图1为现有测向系统的示意图。信标110部署于室内空间的固定位置。使用者的移动装置120从信标110取得信标数据(例如信标的通用唯一识别码(UniversallyUnique Identifier,UUID)、信标的主要/次要编号等)，然后将信标数据传送至服务器130。在一些情境中，服务器130传送信标110的坐标给移动装置120，移动装置120再基于三角测距法(triangulation，三角测量法)或指纹法(fingerprinting)并利用信标110的坐标以及接收信号强度指示(Received Signal Strength Indication,RSSI)等信息来计算出本身的坐标。在另一些情境中，服务器130根据移动装置120所传送的数据计算移动装置120的坐标，并将坐标传送给移动装置120。
图2为现有测向系统的另一示意图。在这个情境中，信标110记录本身的坐标，并将本身的坐标作为信标数据的其中一部分传送至移动装置120。也就是说，移动装置120不需要从服务器取得信标110的坐标。
移动装置120可以进一步基于角度信息(例如到达角(angle of arrival,AoA)及/或出发角(angle of departure,AoD))来提升定位的准确度，而信标110必须相对应地提供关于信标天线的补充信息(supplement)(例如补充信息包含同相/正交取样(I/Q sample)，同相/正交取样在不同的时槽(slot)用不同的天线送出)，以让移动装置120可以根据接收到的同相/正交取样在不同时槽的相位信息计算出角度信息(参考文献1第3章)。要能够有效利用上述的角度信息，移动装置120还必须知道信标110本身以及信标110的天线相对于测向系统的坐标系统(例如东-北-上(East-North-Up,ENU)坐标系统)的方向。举例来说，移动装置120可能必须知道天线相对于坐标系统的每个坐标轴的角度。现有的做法在部署信标110时必须一一测量每个信标110的天线的原始角度，然而当信标110移动或转动时这些原始角度便不再适用，而必须重新测量。因此需要提出更好的方式，以在部署信标110时节省时间及人力，以及在部署之后节省维护成本。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明的一目的在于提供测向芯片、测向方法及信标，以节省部署信标的时间及人力，并且降低信标部署之后的维护成本。
本发明公开一种测向芯片，应用于一测向系统的一信标。该信标包含多个天线及一惯性测量单元。一移动装置可依据该信标所提供的一补充信息计算出一角度信息。该测向芯片包含一计算电路及一射频电路。该计算电路根据该惯性测量单元所产生的一加速度及一磁场向量产生一坐标转换信息或该坐标转换信息的一修正量。该坐标转换信息或该修正量可用于补偿该角度信息。该射频电路耦接该计算电路并用来传送该补充信息及该坐标转换信息或该修正量。
本发明还公开一种测向方法，应用于一测向系统的一信标。该信标包含多个天线及一惯性测量单元。一移动装置可依据该信标所提供的一补充信息计算出一角度信息。该测向方法包含：根据该惯性测量单元所产生的一加速度及一磁场向量产生一坐标转换信息或该坐标转换信息的一修正量；以及传送该补充信息及该坐标转换信息或该修正量。该坐标转换信息或该修正量可用于补偿该角度信息。
本发明还公开一种测向系统的一信标，一移动装置可依据该信标所提供的一补充信息计算出一角度信息。该信标包含多个天线、一惯性测量单元及一测向芯片。该惯性测量单元用来产生一加速度及一磁场向量。该测向芯片耦接该天线及该惯性测量单元，用来根据该加速度及该磁场向量产生一坐标转换信息或该坐标转换信息的一修正量，并且传送该补充信息及该坐标转换信息或该修正量。
本发明的测向芯片、测向方法及信标便于测向系统的设置，使信标的天线方向不需要准确地对齐测向系统的坐标系统。详言之，本发明利用惯性测量单元(inertialmeasurement unit,IMU)自动测量及提供相关的加速度、磁场向量及/或角速度等信息，并利用这些信息来校准信标的天线方向，以节省部署信标的时间及人力。再者，本发明亦可利用惯性测量单元自动监控信标是否被转动或移动，使得后续的信标维护更为及时且节省成本。
有关本发明的特征、实作与技术效果，兹配合附图作实施例详细说明如下。
附图说明
图1为现有测向系统的示意图；
图2为现有测向系统的另一示意图；
图3为本发明信标的一实施例的示意图；
图4为本发明测向芯片的一实施例的功能方框图；以及
图5为本发明测向方法的一实施例的流程图。
符号说明
110、300 信标
120 移动装置
130 服务器
301 电路板
305 天线阵列
310 天线开关
320 测向芯片
330 惯性测量单元
322 存储器
324 计算电路
326 射频电路
S510～S540 步骤
具体实施方式
以下说明内容的技术用语是参照本技术领域的习惯用语，如本说明书对部分用语有加以说明或定义，该部分用语的解释是以本说明书的说明或定义为准。
本发明的公开内容包含测向芯片、测向方法及信标。由于本发明的测向芯片及信标所包含的部分元件单独而言可能为已知元件，因此在不影响该装置发明的充分公开及可实施性的前提下，以下说明对于已知元件的细节将予以省略。此外，本发明的测向方法的部分或全部流程可以是软件及/或固件的形式，并且可通过本发明的测向芯片或其等效装置来执行，在不影响该方法发明的充分公开及可实施性的前提下，以下方法发明的说明将着重于步骤内容而非硬件。
图3是本发明信标的一实施例的示意图。信标300包含电路板301、天线阵列305(包含天线305a～305d)、天线开关310、测向(direction finding)芯片320以及惯性测量单元330。天线阵列305、天线开关310、测向芯片320以及惯性测量单元330设置于电路板301之上。天线开关310控制天线305a～305d的切换(控制由某一个或某些个天线发射/接收信号)。测向芯片320为具有计算及/或程序执行能力的集成电路，并且可以基于以太网络协定及/或蓝牙协定处理数据。惯性测量单元330可以包含加速度计及磁力计。因为天线阵列305及惯性测量单元330皆固定于电路板301上，所以天线阵列305与惯性测量单元330之间的相对位置及相对角度实质上维持不变。惯性测量单元330可以提供测向芯片320有关于信标300的加速度及磁场向量等信息。天线开关310及惯性测量单元330为现有的元件，其功能及原理为本技术领域技术人员所熟知，故不再赘述。
图4为本发明测向芯片的一实施例的功能方框图。图5为本发明测向方法的一实施例的流程图。测向芯片320包含存储器322、计算电路324以及射频电路326。计算电路324耦接惯性测量单元330，且射频电路326耦接天线开关310。存储器322存储多个程序码或程序指令。计算电路324为具有程序执行能力的电路(例如微处理器、微控制器等)，并通过执行所述程序码或程序指令来实现测向芯片320的功能。射频电路326例如可以通过以太网络协定或蓝牙协定传输信号。
当信标300部署完成后，计算电路324从惯性测量单元330取得关于信标300的加速度及磁场向量等信息(步骤S510)、从存储器322取得信标坐标(步骤S515)(信标的坐标例如由使用者预先设定并存储于存储器322中)，然后根据信标300的加速度及磁场向量计算第一坐标系统和第二坐标系统的坐标转换信息或坐标转换信息的修正量(步骤S520)。更明确地说，第一坐标系统是信标300的自体坐标(body frame)，第二坐标系统是信标300所位于的测向系统的坐标系统(或称为导航坐标(navigationframe))(例如前述的东-北-上的坐标系统)，而坐标转换信息即第一坐标系统(PXYZ)和第二坐标系统(PENU)的转换矩阵(R)。计算电路324可以利用方向转换和追踪演算法得到坐标转换信息。第一坐标系统PXYZ、第二坐标系统PENU和转换矩阵R三者的关系如方程式(1)所示。
PENU＝R·PXYZ(1)
坐标转换信息的计算可以参考文献1的第3章、欧拉角(Euler angles)(例如参考https://en.wikipedia.org/wiki/Euler_angles)、四元数及空间旋转(Quaternions andspatial rotation)(例如参考https://en.wikipedia.org/wiki/Quaternions_and_spatial_rotation)以及四元数与欧拉角之间的转换(例如参考https://en.wikipedia.org/wiki/Conversion_between_quaternions_and_Euler_angles)。当第一坐标系统和第二坐标系统对齐时，亦即第一坐标系统的三个坐标轴和第二坐标系统的三个相对应的坐标轴之间的夹角皆为0度时，转换矩阵为单位矩阵。上述的方向转换和追踪演算法可以参考文献2及文献3。
第一坐标系统和第二坐标系统的坐标转换信息亦可被视为第一坐标系统和第二坐标系统之间的夹角，此夹角为信标300的天线方向信息的一部分。天线方向信息亦包含天线阵列的坐标。
计算电路324也可以根据加速度及磁场向量计算坐标转换信息的修正量(步骤S520)。更详细地说，在信标300移动或转动之后，计算电路324提供新的坐标转换信息。此新的坐标转换信息可以是更新后的欧拉角或单元四元数(unit quaternions)，或是原本的单元四元数加上额外的单元四元数。此额外的单元四元数即为步骤S520中的修正量。
接着计算电路324通过射频电路326将补充信息(例如同相/正交取样)及信标的通用唯一识别码及/或坐标发送至移动装置(步骤S530)。当射频电路326通过蓝牙协定传输信号时，则射频电路326以广播(advertising)或连线(connection)的方式传输上述数据至移动装置。当射频电路326通过以太网络协定传输信号时，则计算电路324可以将信标的通用唯一识别码及坐标传送至服务器，以供移动装置查询。接着计算电路324再通过射频电路326传送坐标转换信息或坐标转换信息的修正量(步骤S535)。
移动装置即可根据信标300的坐标(直接由从信标300取得，或以通用唯一识别码向服务器查询后取得)、补充信息、坐标转换信息(或坐标转换信息的修正量)得到移动装置本身在第二坐标系统中的坐标。举例来说，移动装置可以根据补充信息得到天线阵列305的角度信息，并且可以基于方程式(1)使用坐标转换信息来补偿角度信息，然后再根据补偿后的角度信息及信标坐标来定位(例如使用三角测距法)。
坐标转换信息的修正量与旧的或先前的坐标转换信息的乘积等于目前的坐标转换信息。换句话说，在一些情况中，当移动装置已有先前的坐标转换信息时，则移动装置可以利用先前的坐标转换信息及目前的坐标转换信息的修正量来补偿天线阵列305的角度信息。当测向芯片320只计算和传输坐标转换信息的修正量时，有助降低信标300的耗电。
接下来，计算电路324持续传送补充信息、信标的通用唯一识别码或坐标、及坐标转换信息或坐标转换信息的修正量(持续执行步骤S530、S535及S540)，直到达到预设时间(步骤S540为是)。在步骤S510完成后至预设时间达到之前，计算电路324可以控制惯性测量单元330停止运行(即非致能(disable，非使能)惯性测量单元330)以降低信标300的耗电，并且在预设时间达到后，计算电路324启动或致能(enable，使能)惯性测量单元330并且再次执行步骤S510～步骤S540。预设时间可以例如为数小时、数天或数星期。
在一些实施例中，惯性测量单元330还包含陀螺仪，并且计算电路324还可以根据陀螺仪的角速度信息来取得更准确的坐标转换信息或坐标转换信息的修正量。换句话说，计算电路324在步骤S510中还取得陀螺仪提供的角速度信息，并且在步骤S520中还参考角速度信息来计算坐标转换信息或坐标转换信息的修正量。
通过惯性测量单元的辅助，本发明可以使信标的部署更有效率，而且亦可以在部署完成后自动监控信标及其天线的角度是否改变。本发明的测向芯片、测向方法及信标可应用于蓝牙低能量室内定位。
由于本技术领域技术人员可通过本公开的装置发明的公开内容来了解本公开的方法发明的实施细节与变化，因此，为避免赘文，在不影响该方法发明的公开要求及可实施性的前提下，重复的说明在此予以省略。请注意，前述图示中，元件的形状、尺寸、比例以及步骤的顺序等仅为示意，是供本技术领域技术人员了解本发明之用，非用以限制本发明。
虽然本发明的实施例如上所述，然而所述实施例并非用来限定本发明，本技术领域技术人员可依据本发明的明示或隐含的内容对本发明的技术特征施以变化，这些变化均可能属于本发明所寻求的专利保护范围，换言之，本发明的专利保护范围须视本说明书的权利要求所界定者为准。

Claims (6)

1.一种测向芯片，应用于一测向系统的一信标，该信标包含多个天线及一惯性测量单元，一移动装置可依据该信标所提供的一补充信息计算出一角度信息，该测向芯片包含：
一计算电路，根据该惯性测量单元所产生的一加速度及一磁场向量产生一坐标转换信息或该坐标转换信息的一修正量，其中该坐标转换信息或该修正量可用于补偿该角度信息；以及
一射频电路，耦接该计算电路，用来传送该补充信息及该坐标转换信息或该修正量。
2.如权利要求1所述的测向芯片，其中该计算电路根据一预设时间致能或非致能该惯性测量单元。
3.一种测向方法，应用于一测向系统的一信标，该信标包含多个天线及一惯性测量单元，一移动装置可依据该信标所提供的一补充信息计算出一角度信息，该测向方法包含：
根据该惯性测量单元所产生的一加速度及一磁场向量产生一坐标转换信息或该坐标转换信息的一修正量，其中该坐标转换信息或该修正量可用于补偿该角度信息；以及
传送该补充信息及该坐标转换信息或该修正量。
4.如权利要求3所述的测向方法，还包含：
根据一预设时间致能或非致能该惯性测量单元。
5.一种测向系统的一信标，一移动装置可依据该信标所提供的一补充信息计算出一角度信息，该信标包含：
多个天线；
一惯性测量单元，用来产生一加速度及一磁场向量；
一测向芯片，耦接所述多个天线及该惯性测量单元，用来根据该加速度及该磁场向量产生一坐标转换信息或该坐标转换信息的一修正量，并且传送该补充信息及该坐标转换信息或该修正量。
6.如权利要求5所述的信标，其中所述多个天线及该惯性测量单元的相对位置及相对角度维持不变。
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