TW201020575A - Energy efficient indoor localization method and system by footstep-based mobility estimation - Google Patents

Description

201020575 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種室内定位方法及系統，特別是指 一種利用計步器估算移動速度以節省電源的室内定位方法 及系統。 【先前技術】

感測器網路技術的發展已在消費電子領域產生了許多 應用。此趨勢造成了用以追蹤物體的感測器網路部署於商 業及實驗用途上，例如倉庫中的財物追蹤、醫療場所内的 病人監測以及使用定位技術來推斷在家中的每曰生活活動 (Achvities of Daily Living ’ ADL)。物體的定位資訊對此等 類型的應用是不可或缺的。 傳統的定位研究著重在改良確認目標物的空間位置時 的準確性。然而，定位系統的實際部署顯示定位準確度以 及能量效率是同樣重要的，特別是在能量高價之情況下。 連接到被追蹤目標物的移動單元（如標籤器（Tag)或識別器 (Badge))之能量效率對於實際部署而言是關鍵性的。若一高 度準確的定㈣、統之移動單^需經常充電，則該定位系: 用處不大。因此’定位料度以及能量效率對於定位系統 之設計而言都是不可或缺的。 最近的研究討論了定位系統中的能量效率問題。例女 ，物體追蹤感測器網路系統中的能量效率以及定位準㈣ 通常是兩個矛盾的目標。 ^ 藉由改變疋位資訊之取樣_ (Sampling Rate)，一消耗鲂古处 θ 月牦較间能置的定位系統可換來較佳《 201020575 定位準確度。料率在此定義為定位設施以及其移動單元 被觸發以執行決定位置時所需的通訊及計算之頻率。此外 ，這些系統已確認了一些基本的省電方案，其在對定位準 確度影響較小的情況下適應性地降低了取樣率。這些系統 的一般機制是：（1)偵測或預測被追蹤目標物之移動度模式 :以及（2)接著根據動態改變的移動度模式動態調整取樣率 。例如，當被追蹤物體緩慢改變其位置時，取樣率可被降 低，以達到較佳的省電目的，而不會喪失較多的定位準確 度。 現存解決方案有兩個主要的缺點。第一，目前的適應 性機制即使是動態的，也僅是基於試探法來計算取樣率。 目前並沒有對於因訊號雜訊、通訊延遲及取樣延遲而導致 的定位誤差之正規分析，而這樣的正規分析可使得在給定 由應用所指定的所需定位誤差界限之情況下，系統能夠得 到絕對正確的取樣率，以提供準確的足夠定位資訊同時 最小化取樣率及能量消耗。 其次’目前解決方案的移動度預測是基於所估計的位 置資訊。藉由取得兩個最近的估計值，再將其除以經歷的 時間内所移動的距離，可獲得移動速度。由於位置估計誤 差，此預測出的移動速度本質上是不準確的。當物體靜止 時’不利的影響是特別明顯的。由於連續位置估計值間的 不同，網路或許會持續經常性地的取樣，而將物體視為正 在移動。 因此’基於習知室内定位系統有如上所述之缺點，故 201020575 有必要尋求解決之道。 【發明内容】

因此’本發明之目的 移動速度以節省電源的室 ’即在提供一種利用計步器估算 内定位方法。 室 於是’本發明利用計步器仕笪 ^ L _ 益估鼻移動速度以節省電源的 内定位方法適用於估算一摞槳 _ ^ A 碼帶一識別器之待追蹤對象之 移動速度，且包含下列步驟：首先，一定位引擎基於該識 别器之接收訊號強度量測結果’估計該識別器之位置；接 著’根據自-設於該識別器之計步器所得之步伐數，估計 該識別器之移動速度；然後利用一定位誤差模型 動速度計算出一休眠時間 自該移 其中在該休眠時間，該識別器 停止發射無線電訊號以節省電源。 本發明之另一目的，即在提供一種利用計步器估算移 動速度以節省電源的室内定位系統。 於是，本發明利用計步器估算移動速度以節省電源的 室内定位系統適用於估算一待追蹤對象之移動速度。該系 統包含一識別器、一定位引擎、一計步器、一移動度估計 器以及一取樣率適應器。該識別器被該待追蹤對象所攜帶 。該定位引擎用以基於該識別器之接收訊號強度量測結果 ’估計該識別器之位置。該計步器設於該識別器。該移動 度估計器用以根據自該計步器所得之步伐數，估計談識別 器之移動速度。該取樣率適應器用以利用一定位誤差模型 ’自該移動速度計算出一休眠時間，其中在該休眠時間， 該識別器停止發射無線電訊號以節省電源。 201020575 本發明之功效在於，可利用計步器推算出移動識別器 之移動速度’再利用定位誤差模型計算出可供識別器停止 發射無線電訊號之最長休眠時間，因而呈現較佳的省電效 果，且可呈現較低的非符合率。 【實施方式】 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配〇 #考圖式之一個較佳實施例的詳細說明巾，將可 清楚的呈現。 首先，本發明專利說明書中先對本發明欲解決之問題 予以公式化。接著，在簡短介紹用以實施本發明定位方法 之定位系統中所使用的定位引擎後，再描述此定位系統中 用來預測定位誤差之模型。此模型接著可被用來導出本發 明之定位方法。 在公式化本發明欲解決之問題的過程中，首先給定一 被追蹤物體，則於一特定應用中可指定一定位誤差 (Positional Error)之容限（其具有長度單位）。該定位誤差可 定義為實際（實況（Ground-truth))位置與定位引擎所報告者之 間的差值。 參閱圖1，此種室内定位系統中的總定位誤差來自於兩 個誤差源。第一個誤差源是當定位引擎計算被追蹤物體之 位置時，來自於該定位引擎的估計誤差（Estimati〇n Err〇r)。 如圖1所*，由於量測問題，該定位引擎可能會認為物體 在’而非几7。第二個誤差源類似於一取樣區間内定位樣 本之新鮮度（Freshness)問題。再如圖i所示，兩個連續的位 201020575 :樣本〜及〜對於一移動目標物在時間~及。被計算。 若特定應用中請求此移動目標物在時間~ y之位 置，則被提供給該特定應用的位置是，但户"已非此移 動目標物之最新位置。換言之，即使定位引擎所估計的位 置資訊在取樣日㈣時是完美的，但該特定應用巾仍然會發 生定位誤差，其正比於取樣區間之長度，且也稱為延遲存 取誤差（Delay Access Επ·〇ι·)。

在導證定位誤差之模型冑’本說明書中先簡述該定位 系統如何運作，以及解釋任何影#定料確度之相關參數 該定位系統由基礎設施以及移動單元組成。該基礎設 施包含安裝在部署環境之天花板的信標（Bea叫節點。這些 信標節點使用無線電㈣Zigbee &線電)來週期性地廣播 信標封包，其含有信標封包之信標ID。由於信標節點硬接 線至建築物的電力源，故此基礎設施元件的省電並非本發 明的目的。 該移動元件包含由被追蹤人員所攜帶之識別器。由於 是以電池來運作，故其能量耗用才是本發明的目標。每一 識別器與該基礎設施元件具有相同的zigbee無線電。每一 識別器可取得信標封包之接收功率之紀錄，一感測器網路 基礎設施將此紀錄、信標ID對以及訊號強度（Signal Strength，SS)傳回執行於一遠端伺服器的定位引擎。該定位 引擎執行一結合ss指紋以及ss傳播模型之複合演算法。 旦定位引擎從移動識別器收集足夠的Ss資訊則其可估 201020575 計該識別器之目前位置。該目前位置被轉傳至―定位中介 軟體(Middleware) ’其接著將該目前位置回報給該特定應用 同時，本發明室内定位方法計算移動識別器之休眠時間 (Sleep Time)，纟中在此休眠時間内該移動識別器的無線電 介面會被關閉以節省電源。 疋位廣算法的細節並非本發明的重點且重點應是在 於.⑴本發明中的定位系統會產生估計誤差；以及⑺在移 動識別器取得SS #測結果的時間與定位引擎計算識別器之 目前位置的時間之間具有一處理及網路延遲。 基於以上說明，本說明書中發展出以下模型以預測定 位系統令的定位誤差： 總誤差==估計誤差+ (處理與網路延遲+休眠時間沁移動 方程式（1)中的估計誤差量測實況位置與來自定位引擎 的估計位置之間距。該處理與網路延遲表示在移動識別器 的SS量測的時間與伺服器上計算位置的時間之間的處理與 網路延遲。根據實際實驗量測結果，此處理與網路延遲是 相當小的，因此其可被視為定位基礎設施所給定的已知常 數。另一方面，該估計誤差為一未知變數，其可根據定位 基礎設施動態改變。本發明之較佳實施例中的定位系統使 用了 3公尺之平均定位誤差。 方程式（1)中的移動速度為移動識別器之目前移動速度 。由於該移動速度為未知動態變數，故需發展—預測試探 法來估計移動速度之目前數值。該休眠時間為識別器關閉 201020575 :無線電介面以節省電源之時間區間。在該時間區間結束 =，需喚賴識別器以進行下—Μ置取樣。該休眠時間 控制參數，其可使本發明之室内定位方法達成較省電 之目的。

在方程式⑴等號右邊的第二項估計以該移動速度行進 的移動識別器從最近一次取樣位置移動的距離。需注意的 疋’該第二項在-取樣區間結束時達到最大值。因此，該 總誤差在_休眠時間區間内接近該定位誤差之一上界限。 接著，藉由將-特定應用的誤差容限設定為等於方程 式⑴中的總誤差’可獲得移動識別器之最長可能休眠時間 ，同時符合該經指定較位誤差容限。使用該最長休眠時 間的原因是為了最大化省電的量，因為在該時間内可關閉 移動識別器之無線電1此，該最長休眠時間可使用以下 方程式（2)來計算·· 休眠時間=(誤差容限—估計誤差）/移動速度—處理與 網路延遲。....................... ................................ 在方程式（2)中有一未知變數，即移動速度。由於此未 知變數隨著時間是動態的，故本發明之可省電的室内定位 方法在使用此方程式（2)前需持續地預測移動速度之目前數 值。此外，本發明可省電的室内定位方法也需基於移動速 度之目前預測數值來改變休眠時間。如以下表1中所示， 方程式（2)之定位誤差模型中的所有參數可分類為控制參數 、已知系統參數、需預測之未知變數，以及特定應用所指 定的輸入。 11 201020575 表1 參數 休眠時間 說明 控制參數（由本發明之可省電 室内定位方法來調整） 處理與網路延遲、估計誤差

已知系統參數（由定位系統給 定） 未知變數（需預測) 特疋應用所指定的輸入 參閱圖2、3 ’本發"估算 電源的室内^统及方法之較佳實施例分別如圖2、3所 示。該系統之架構包含三個元件：一定位引擎u、一移動 度估計器12以及一取樣率適應器13。至於，本發明利用計 步器估算移動速度以節省電源的室内定位方法適用於估算 -攜帶-識別$ 1〇之待追縱對象（圖未示）之移動速度其 中該待追蹤對象例如可為一攜帶該識別器1〇移動之人員等 。該方法包含以下步驟。首先，如步驟21所示該定位引 擎11基於該識別器10之接收訊號強度（Received Signai Q Strength，RSS)量測結果，估計該識別器ι〇之位置。 接著’如步驟22所示，根據自一連接至該識別器1〇 之計步器14所得之步伐數，該移動度估計器η估計該識 別器10之移動速度。 本發明室内定位方法之較佳實施例中是使用加速度計 來做為本發明中的計步器14。然本發明並不限於此，任何 可用以估測該待追蹤對象之行進步伐數的裝置都可做為本 12 201020575 月中的4步器14，而都在本發明之欲保護範圍内。 在本發明之較佳實施财，#計步器Μ使用加速 來實施時’該移動度估計器12所執行的步驟22包括以下 子步驟。首先’藉㈣測該加速度計之讀數之零交叫⑽ C_ing)，可獲得料追蹤對象於—行進時似間之步伐 數。接著，藉由將該步伐數與該待追蹤對象之-平均步伐 = 目乘’可計算出一移動距離。然後，該移動速度可計 算為該移動距離除以該行進時間區間。

於是’如㈣23衫，該取樣率適應器13基於方程 式（2)所定義的位置誤差模型計算該休眠時間，其中在該休 眠時間’該識別器Π)停止發射無線電訊號以節省電源^因 此，若移動度的預測準確，則此步驟23所計算出的休眠時 間也會是符合㈣應用所需定位料度的最長可能休 間。 町 為了評估本發明可省電之室内定位方法，發明人進行 了-系列實驗’以藉由改變影響因子，來比較本發明室$ 定位方法與習知室内定位方法。這些影響因子包括特定應 用所指定的誤差容限以及該移動目標物的移動程度。而. 驗過程中量測並比較兩個效能量度：電源消耗及非符人率 (N〇n-conformance Rate)。電源消耗使用本發 〇 J戈％之室 内定位方法來量測被追蹤識別器上的每秒平均電源肖耗 實驗中用來量測真實工作環境中的電源消耗之方式θ ^ 移動識別器在真實環境中運作時，蒐集來自該移動$別备 的真實資料以及編碼跡（Code Traces)，且接著將該等編器 13 201020575 饋送到-實際電源估計玉具。至於，非符合率則是量測實 施本發明室⑽位方法較㈣統對料制所報告的位 置超出指定誤差容限之比率。實驗結果顯示，與習知室内 定位方法比較下，本發明利用計步器估算移動速度以節省 電源的室内定対法呈現較佳的省電效果以及較低的非符 合率。 歸納上述，本發明利用計步器估算移動速度以節省電 源的室内定位方法及系統可利用計步器推算出移動識別器 之移動速度’再利用定位誤差模型計算出可供識別器停止 發射無線電訊號之最長休眠時間，因而呈現較佳的省電效❹ 果’且可呈現較低的非符合率，故確實能達成本發明之目 的0 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，*不 能以此㈣本發明實施之範圍，即大凡依本發明中請:利 範圍及發明說明内容所作之簡單的等效變化與修舞，皆仍 屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1是一示意圖，說明室内定位系統中的總定位誤差 之取樣誤差源； 圖2是一方塊圖，說明用以實施本發明利用計步器估 算移動速度以節省電源的室内定位方法之室内定位系統之 系統架構；以及 圖3是一流程圖，說明本發明利用計步器估算移動速 度以節省電源的室内定位方法之一較佳實施例。 14 201020575 【主要元件符號說明】 10··· ……識別器 別 器之計步器所得之步伐 11… ……定位引擎 數 ，估計識別器之移動速 12···. ……移動度估計器 度 13·.· ……取樣率適應器 23 .........利用定位誤差模 14···· ……計步器 型 ，自移動速度計算出休 21·... ……定位引擎基於識 眠時間，其中在該休眠時 別器之接收訊號強度量測 間 ，識別器停止發射無線 結果 ，估計識別器之位置 電訊號以節省電源 22···· ……根據自連接至識

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Claims (1)

1. 201020575

   、申請專利範圍： 種利用#步器估算移動速度以節省電源的室内定位方 法適用於估算一攜帶一識別器之待追縱對象之移動速 度，該方法包含下列步驟： (a)疋位引擎基於該識別器之接收訊號強度量測結 果’估計該識別器之位置； (b) 根據自一設於該識別器之計步器所得之步伐數， 估計該識別器之移動速度；以及

   (c) 利用一定位誤差模型，自該移動速度計算出一休 B民時間’其中在該休眠時間，該識別器停止發射無線電 訊號以節省電源。 2·依據中請專利範圍第1項所述之利用計步H估算移動速 度以節省電源的室内定位方法，其中該（b)步驟中的計步 器為一加速度計。 3.依據申請專利範圍第2項所述之利用計步器估算移動速 度以節省電源的室内定位方法，其中該（b)步驟包括下列 子步驟：

   (bl)藉由偵測該加速度計之讀數之零交又獲得該 待追蹤對象於一行進時間區間之步伐數； (b2)藉由將該步伐數與該待追蹤對象之一平均步伐 大小相乘’計算一移動距離；及 (b3)將該移動速度計算為該移動距離除以該行進時 間區間。 4.依據申請專利範圍第3項所述之利用計步器估算移動速 16 201020575 度以節省電源的室内定位方法，其中在該（C)步驟中，該 休眠時間是利用該基於以下方程式之定位誤差模型計算 而得： 休眠時間=(誤差容限一估計誤差）/移動速度— 處理與網路延遲。 5·依據申請專利範圍第3項所述之利用計步器估算移動速 度以節省電源的室内定位方法，其中在該（c)步驟中，該 無線電訊號是Zigbee無線電訊號。 ❹6·依據申請專利範圍第！項所述之利用計步器估算移動速 度以節省電源的室内定位方法，其中在該（c)步驟中，該 休眠時間是利用該基於以下方程式之定位誤差模型計算 而得： 休眠時間=(誤差容限一估計誤差）/移動速度— 處理與網路延遲。 依據中請專利範圍第！項所述之利用計步器估算移動速 Q 度以節省電源的室内定位方法，其中在該⑷步驟中，該 無線電訊號是Zigbee無線電訊號。 8.依據中請專利範圍第7項所述之利用計步器估算移動速 度以節省電源的室内定位方法’其中在該⑷步驟中，該 =時間是利用該基於以下方程式之定位誤差模型計算 休眠時間=(誤差容限-估計誤差)/移動速度— 處理與網路延遲。 9·-種利用計步器估算移動速度以節省電源的室内定位系 17 201020575 統’適用於估算一待追蹤對象之移動速度，該系統包含 —識別器，被該待追蹤對象所攜帶； —定位引擎，用以基於該識別器之接收訊號強度量 測結果’估計該識別器之位置； —計步器，設於該識別器； 一移動度估計器’用以根據自該計步器所得之步伐 數’估計該識別器之移動速度；以及 一取樣率適應器，用以利用一定位誤差模型，自該 移動速度計算出一休眠時間，其中在該休眠時間，該識 . 別器停止發射無線電訊號以節省電源。 1 〇.依據申請專利範圍第9項所述之利用計步器估算移動速 度以節省電源的室内定位系統，其中該計步器為一加速 度計。 依據申請專利範圍第10項所述之利用計步器估算移動速 度以節省電源的室内定位系統，其中該移動度估計器更 用以藉由偵測該加速度計之讀數之零交又，獲得該待追 ⑩ 蹤對象於一行進時間區間之步伐數，再藉由將該步伐數 與該待追蹤對象之一平均步伐大小相乘，計算一移動距 離，繼而將該移動速度計算為該移動距離除以該行進時 間區間。 12·依據申請專利範圍第u項所述之利用計步器估算移動速 度以節省電源的室内定位系統，其中該休眠時間是利用 該基於以下方程式之定位誤差模型計算而得： 18 201020575 休眠時間=(誤差容限一估計誤差）/移動速度一 處理與網路延遲。 13. 依據申請專利範圍第11項所述之利用計步器估算移動速 度以節省電源的室内定位系統，其中該無線電訊號是 Zigbee無線電訊號。 14. 依據申請專利範圍第9項所述之利用計步器估算移動速 度以節省電源的室内定位系統，其中該休眠時間是利用 該基於以下方程式之定位誤差模型計算而得： Φ 休眠時間=(誤差容限一估計誤差）/移動速度一 處理與網路延遲。 15. 依據申請專利範圍第9項所述之利用計步器估算移動速 度以節省電源的室内定位系統，其中該無線電訊號是 Zigbee無線電訊號0 16. 依據申請專利範圍第15項所述之利用計步器估算移動速 度以節省電源的室内定位系統，纟中該休眠時間是利用 該基於以下方程式之定位誤差模型計算而得： 9 休眠時間=(誤差容限-估計誤差）/移動速度— 處理與網路延遲。 19