TW201020579A - Indoor localization method and its system - Google Patents
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Description
201020579 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種定位方法及其系統,特別是指一 種利用一非同步協定之室内定位方法及其系統。 【先前技術】 現今,在室外一般的定位方式就是透過全球定位系統 (Global Position System,GPS),透過 GPS 可以極為便利且 正確地取得一使用者的位置資訊,且依相關定位硬體設備 @ 的優劣差異,使得其所提供之定位的誤差值落於數十公尺 到數公尺之内的準確度;然而,室内相對於室外是一個範 圍較小的空間,且室内的格局也相對地比較密集,所以不 容許如GPS所提供之數公尺或甚至數十公尺如此大的誤差 ,而提高了室内定位準確度之可行性的門檻。 然而,隨著無線傳輸技術的進步,除了將其直接地使 用在通訊領域外,其他許多運用無線傳輸技術的應用也就 如雨後春筍般,大量的蘊孕而生,其中,較為廣泛的即為 鲁 運用在室内定位之範疇中,其目前所使用之方式即利用「 無線電信號強度指示識別基礎」(Radio Signal Strength Indicator-signature-based,RSSI-signature-based)技術來進行 室内之定位。RSSI識別基礎技術主要是利用一信號接收器/ 發射器與多個設置於室内之不同地方的信號發射台/接收台( 通常為無線網路基地台)之間信號接收或傳遞的強弱程度, 來進一步得知該信號接收器/發射器之位置。 但是,一個運用RSSI識別基礎系統來進行室内定位的 5 201020579 共通瓶頸為一定位的準確度會隨著該RSSI識別時效性的老 化而減低;此外,每一信號發射台/接收台之天線方向性、 室内移動物體或固定障礙物所導致之雜訊干擾、攜帶該信 號接收器/發射器移動時之角度、位置及方向的改變,以及 仏標(beacon)距離的變化等,對於室内定位之準確度的影響 也鮮有相關學術單位或業者進行深入分析探討。 因此’如何開發出一套提昇RSSI識別基礎之室内定位 效率及準確度的方法及相關系統,便成為相關業者所欲努 力研究的方向。 【發明内容】 因此,本發明之目的,即在提供一種利用一非同步協 定之室内定位方法。 於是,本發明室内定位方法,包含以下步驟: (a)叹置複數具有非同步發射複數定位訊號功能之信標 於一室内空間。 _ (b)於該室内空間進行一訓練階段:逐步移動一定位單 疋以接收該等信標發出之訊號,#出複數訊號向量及由該 等訊號向量構成之訊號識別值。 ⑷於欲求得之位置進行—追蹤階段:收集該等信標發 出之訊號’得出訊號向量,與該等訊號識別值進行比對。 (d)運用—判斷機制得出評估位置。 此外,本發明之另—目的,即在提供—種具有依昭一 非同步協定處理之室蚊位钱。 …、 、疋本發明室内定位系統,適用於對一室内空間途 201020579 行定位,該室内定位系統包含: 複數信標,該等信標安裝於該室内空間内,且具有一 非同步發射複數定位訊號功能。 一定位單元,用來接收該等信標的定位訊號,且具有 執行一訓練階段、一追蹤階段及一判斷機制功能’藉由執 行該訓練階段產生複數訊號向量及複數由該等訊號向量構 成之訊號識別值,且藉由該追蹤階段收集該等訊號向量並 與該等訊號識別值進行比對,並運用該判斷機制得出最鄰 近的一評估位置。 本發明之功效在於,利用該非同步協定並判斷該定位 單元接收該等信標之定位訊號及訊號向量所產生之該定位 單元的評估位置,而達成室内定位之目的。 【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 以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中,將可清 楚的呈現。 參閱圖1及圖2,本發明室内定位方法的較佳實施例包 含以下步驟: 首先,如步驟11所示,設置複數具有一非同步發射複 數定位訊號功能之信標22於一室内空間20。在本較佳實施 例中,該等信標22所依照之非同步發射複數定位訊號功能 是由 Dimitrios Lymberopoulos ' Quentin Lindesy 及 Andreas Savvides 於「An Empirical Characterization of Radio Signal Strength Variability in 3-D IEEE 802.1.5.4 Networks Using 7 201020579
Monopole Antennas」研究論文中所提出之非同步協定 (Desynchronization protocol,DESYN protocol)來發射該等 定位訊號,以避免該等信標22間於傳輸時發生該等定位訊 號之碰撞;該DESYN協定主要是先將該等信標22之其中 一信標22指定為一節點,再藉由該節點運算與其鄰近的信 標22所發射之定位訊號間的時間差距,來調整其所應發射 之定位訊號的時間點,以防止該等信標22於發射該等定位 訊號之相互碰撞的情況。 此外,在前述之步驟11中,每一信標22所發射之每二 定位訊號間之時間間隔設定為二百毫秒,每一定位訊號是 包括其信標22之身分識別資料(ID)的簡短封包(packet), 然而,前述之本較佳實施例中所利用的非同步協定、信標 22之發射時間間隔,及每一定位訊號所包括之内容等,於 實際應用上,是具有相關背景者所易於思及而變化運用, 故不應受該較佳實施例之特定範例為限。 其次,如步驟12所示,將該室内空間20劃分出複數 子區域,而在本較佳實施例中,該等子區域是以網格狀 (grid)之形式劃分,且每一網格(即子區域)相距三十公分, 也就是約人走一步之距離。 接著,如步驟13所示,於該室内空間20進行一訓練 階段,逐步移動一定位單元21以接收該等信標22發出之 訊號,得出複數訊號向量及由該等訊號向量構成之複數訊 號識別值。 值得一提的是,在本較佳實施例中,該訓練階段是利 201020579 用該定位單元21在每__子區域内接收該等^ 訊號,並利用該等定位訊號 ^ 之疋位 段時間内所取得之該等並將於— ^ ^ 置進仃平均處理而得出芎輦 ’且每—訊號_值在實際應科,是由四十 個訊號向量所構成產生的,而該定位單“在每一子區: 内停留八秒,並於其間接收該等 ^ „ 叹通等信標22之定位訊號及其訊 触意的是,㈣務㈣實驗,本較佳實施 例中之定位單元21在每-子區域内所能接收之該等信棹22 之平均接收數量為十個;同樣地,在此須重申的是,該定 位單元所能接收該等信標22之平均數目應不僅围限本 較佳實施例中之特定數量限制。
然後,如步驟14所示,於欲求得定位之位置進行一追 蹤階段1收集該等信標22發出之該等訊號,得出複數訊號 向量’並與料訊號識別值進行比對。在本較佳實施例中 ’該追蹤階段是令較位單元21於該㈣空間2G中移動 以接收該等信標22的定位訊號’並進而取得該等訊號向量 最後,如步驟15所示,運用一判斷機制得出一評估位 置。值得一提的是,在本較佳實施例中,該判斷機制是先 找出複數鄰近該定位單元21之目標評估位置,再經過一運 算處理,而得出該評估位置;而該運算處理在本較佳實施 例中可運用在無線網路相關領域中所常用的κ最鄰近鄰居 (k-nearest-neighbor)演算法來實現,該演算法主要是:當在 該訓練階段所接收之該等訊號識別值或在該追縱階段時所 201020579 接收之該等訊號向量的數量不足,即有缺漏而不足時,即 产 利用該預設數值填入這些空缺值,接著再算出在該追蹤階 段接收之該等訊號向量與該訓練階段之該等訊號識別值間 的複數距離,又此處之距離通常可為歐幾里德距離(又稱歐 式距離,Euclidean distance)、曼哈頓距離(Manhattan distance),並將該等距離分別去除以原始訊號向量之數目( 即總數),而算出該等參考值,進而得出該評估位置;然而 ,在實務運用上,也可以採用其他的習知技術或未來發展 出的技術,此為具有相關背景者所易於思及而變化運用,❹ 故不應受該較佳實施例之特定範例為限。 接下來,我們將以一實際實驗例子來檢視利用本發明 至内疋位方法所架構出之室内定位系統的可行性: 開始,我們在一個包含多間小房間之樓層平面的室 内空間2〇之不同位置上,總共設置了多個信標22,即如圖 2所示。 接下來,為了隨時監測此實驗過程之作業順利與否, 以及於問題發生時能立即反應解決,故每—個信標Μ皆利〇 用通用序歹J匯流排集線器(USB仙叩斗分別平均地與二台主 ,其中之—相連’也就是說’每-台主機23是與半數 L標相連’此外’值得注意的是,此二台主機23所扮 夷角色猶如閉道器(gateway),而允許對其内相關程式碼 ^更新升級,而且該等信標22及該等主機以是使用複 數永久供電之雷调^ 冤原25,以免去須替換電池之不便,以提供 長時間之實驗的進行。 10 201020579 至於本實驗中所使用之通用序列匯流排集線器24是利 用一稱為「通用序列匯流排延長器(USB extender)」來克服 一般通用序列匯流排集線器之5公尺傳輸限制,而達成超 過45公尺以上之本實驗所需之傳輸使用距離。而為了避免 多重冗長的線路架設於此建築物内,我們使用如圖3所示 之「串鏈結構(chaining scheme)」來將鄰近之信標連接起來 然後,再應用前述所提之步驟n至步驟16的順序進行 本發明之室内定位方法,而完成室内定位之相關程序。 最後,由此實務操作結果可知’藉由本發明所提出之 室内定位方法,確實可有效地完成室内之定位。此外,也 藉由前述之實驗,我們得出了以下相關分析· (1) 每一信標22之天線方向性—經由進行三種不同路線 之定位路線發現,其產生出三種不同的定位錯誤誤差值, 故可確定每一信標22之天線的方向指向會影響於室内定位 時之準確性。 (2) 室内移動物體或固定障礙物所導致之雜訊干擾,以 及攜帶該定位單元21移動時之角度、位置及方向的改變— 如圖4可知,我們分析出當該定位單元21處於以下四種狀 況:置於一椅子上、握於手中、靜止地站立及隨步走動時 之定位誤差,因此,攜帶該定位單元21時之不同的移動方 式將對其室内定位之準確度造成影響。 (3) 信標22距離的變化一經實驗觀察得知,當距離該等 k標22越近’其定位之準確度就越高。 11 201020579 歸納上述’本發明室内定位方法及其系統,其主要特 徵在於’藉由該定位單元21以及該等設置於該室内空間 内不同地方之信標22間的信號強弱判斷,再辅以該非同步 協定及相關訊號向量之傳送,以提供較有效且準確的室内 定位’並藉由對信帛22之天線方向性、室内移動物體或固 定障礙物、攜帶該定位單元21移動時之角度、位置及方向 的改變及信標22距離的變化等因素之分析,而提高於進行 此室内定位方法的操作準確性,所以確實能夠達到本發明 所欲提昇RSSI識別基礎之室内定位準確度的目的。 ❿ 惟以上所述者,僅為本發明之一較佳實施例而已,當 不能以此限定本發明實施之範圍,即大凡依本發明申請專 利範圍及發明說明内容所作之簡單的等效變化與修飾皆 仍屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1是一流程圖,說明本發明室内定位方法之較佳實 施例的進行步驟; 圖2是一室内平面圖,說明本較佳實施例中一室内 〇 空間及其内之一定位單元、複數信標、複數通用序列匯流 排集線器、二台主機及其電源之相對設置位置; 圖3是一示意圖,說明本較佳實施例中該等通用序列 匯流排集線器之内部構造以及與該等主機及電源間之連結 關係;及 圖4是一曲線圖,說明利用本較佳實施例之實驗所呈 現之分析結果。 12 201020579 【主要元件符號說明】 11 〜15·. •步驟 23…… ••主機 20....... •室内空間 24…… ••通用序列匯流排集 21....... •定位單元 線器 22....... •信標 25…… ••電源
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Claims (1)
- 201020579 十、申請專利範圍: 1. 一種至内疋位方法,包含以下步驟: (a) 設置複數具有一非同步發射複數定位訊號功能之 信標於一室内空間; (b) 於該室内空間進行一訓練階段逐步移動一定位 單疋以接收該等信標發出之訊號,得出複數訊號向量及 由該等訊號向量構成之複數訊號識別值; (c) 於欲求得定位之位置進行一追蹤階段收集該等 仏標發出之該等訊號,得出複數訊號向量,並與該等訊 號識別值進行比對;及 (d) 運用一判斷機制得出一評估位置。 2. 依據巾請專利範圍第1項所述之室内定位方法,其中, 在該⑷㈣中,該非同步發射該等定位職功能是藉由 每個尨標計算與其鄰近的信標所發射之訊號間的時間差 距,來調整其所應發射之定位訊號的時間點,以防止該 等仏標於發射該等定位訊號之相互碰撞的情況。3. 依據中請專利範圍第1或2項所述之室内定位方法更 包含一位於該⑻步驟前之⑷步驟,將該室内空間劃分出 複數子區域。 4.依據中π專利s圍第3項所述之室内^位方法,其中 在該⑷步驟中,該判斷機制是先找出複數鄰近該i位 ::目標評估位置’再經過-運算處理,而得出該評 5.依據申請專利範圍第 4項所述之室内定位方法,其中 14 201020579 在該(d)步驟中,哕 等訊號向是將在該追蹤階段接收之該 作為一權重而算出9等目\之該等訊號識別值間的一距離 均而得出該評=目標評估位置之座標,再將其平 6·依據申請專利範圍笛 在·m 項所述之室内定位方法,其中, ()步驟中,該距離為歐幾里德距離。 7.依據申請專利範圍第5項所述之室内定位方法,其中,在該⑷步驟中,該等子區域是以網格狀之形式割分。 8·依據申請專利笳囹笙 圍帛6項所述之室内定位方法,其中, 在該⑷步驟中,每-子區域相距30公分。 、 依據申π專利範圍第6項所述之室内定位方法,其中, 在該⑷步驟中,每—信標所發射之每二定位訊號間之時 間間隔設定為200毫秒。 10·依據巾請專利範圍第6項所述之室内定位方法,其中,在該(b)步驟中,該訓練階段是制該定位單元在每一子 區域内接收該等信標之定位訊號,並利用該等定位訊號 形成該等訊號向量,並將於一段時間内所取得之該等訊 號向量進行平均處理而得出該等訊號識別值。 11.依據申請專利範圍第9項所述之室内定位方法其中, 在該(b)步驟之訓練階段中,該定位單元在每一子區域内 停留8秒’並於其間接收該等信標之定位訊號。 12.依據申凊專利範圍第項所述之室内定位方法,其中, 在該(b)步驟之訓練階段中,每一訊號識別值是由4〇個 δίΐ號向量所構成產生的。 15 201020579 13. 依據申請專利範圍帛6項所述之室内定位方法其中, 在該(c)步驟中,該追蹤階段是令該定位單元於該室内空 間中移動以接收該等信標的定位訊號,並進而取得該等 訊號向量。 14. 依據申請專利範圍第6項所述之室内定位方法其中, 在該⑷步驟中,每一定位訊號是包括其信標之身分識別 資料的簡短封包。 15. 依據申請專利範圍第6項所述之室内定位方法其中, 在u(b)步驟中,該定位單元在每一子區域内所能接收之 魯 該等信標之平均接收數量為10個。 16. —種室内定位系統,適用於對一室内空間進行定位,該 室内定位系統包含: 複數信標,該等信標安裝於該室内空間内且具有 一非同步發射複數定位訊號功能;及 一定位單元,用來接收該等信標的定位訊號,且具 有執行-訓練階段、-追蹤階段及一判斷機制功能,藉 由執行該訓練階段產生複數訊號向量及複數由該等訊^ 〇 向量構成之訊號識別值,且藉由該追蹤階段收集該等訊 號向量並與該等訊號識別值進行比對,並運用該判斷機 制得出最鄰近的一評估位置。 17. 依據巾請專利範圍第16項所述之室内定位系統更包含 一用來與該等信標相連並監控該等信標運作狀況之主機 〇 18. 依據中請專利範圍第17項所述之室内定位系統更包含 16 201020579 延县器來連接β玄等信標與該主機之間的通用序列匯流排 延長器。 19. 依據中請專利範圍第18項所述之室以位线,更包含 複數用來提供料信標與該主機運作所需之電源。 20. 依射請專利範圍第19項.所述之室内定位系統,其中, 該等#標所利用之非同步發射該等定位訊號功能是藉由 母個仏彳示计算與其鄰近的信標所發射之訊號間的時間差 距,來調整其所應發射之定位訊號的時間點,以防止該 等信標於發射該等定位訊號之相互碰揸的情況。 17
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