TWI387775B - 定位系統與定位方法 - Google Patents

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Description

定位系統與定位方法
本發明是有關於一種定位技術，且特別是有關於一種定位移動裝置的技術。
拜科技飛快地進展所賜，工業朝向自動化發展，以將反覆、瑣碎又吃力的勞力密集工作利用自動化機器來完成。對於自動化機器而言，定位的準確度會直接影響其所能提供的服務。以下對習知的定位技術進行說明。
以習知的自動化搬運載具為例，其可以自動地將貨品從一地搬運至另一地。自動化搬運載具是利用輪子進行移動，並利用里程計及方向感測器來進行定位。值得一提的是，自動化搬運載具若遇到崎嶇不平的道路，容易使里程計產生誤差。此外，自動化搬運載具若遇到顛頗的道路而產生震動，也容易使方向感測器產生誤差。在長時間使用下，自動化搬運載具會持續地累積誤差。一旦累積的誤差過大，將會導致自動化搬運載具無法順利地將貨品從一地搬運至另一地。
因此，習知另提出利用環境攝影機來輔助自動化搬運載具進行定位。結合環境攝影機輔助自動化移動載具定位，首要條件為必須先完成環境攝影機之校正。環境攝影機之校正之目的在於建構影像參考座標與世界參考座標之對應關係。透過攝影機之校正參數，可將自動化移動載具在影像上成像的座標位置轉換至世界座標位置，完成定位值得一提的是，當環境攝影機重新對焦或改變視角時，必須重新對環境攝影機進行校正，直接影響實際運作之效率及彈性。此外，若僅依賴環境攝影機來對自動化搬運載具進行定位，一旦環境攝影機產生誤差則無法準確地對自動化搬運載具進行定位。另外，當自動化搬運載具被環境障礙物所遮蔽時，僅透過環境攝影機輔助定位，也會造成定位失敗。
本發明提供一種定位方法，可一併校正第一定位裝置的定位資訊與第二定位裝置的參數。
本發明提供一種定位系統，可動態更新第一定位裝置的定位資訊與第二定位裝置的參數。另外可以無須事先進行第二定位裝置的校正程序。
本發明提出一種定位方法，其包括利用第一定位裝置取得移動裝置的第一方位資訊。另外，利用第二定位裝置取得移動裝置的第二方位資訊，其中第二方位資訊對應第一方位資訊。此外，依據第一方位資訊，在誤差範圍內產生多個第一候選方位資訊，並將產生的第一候選方位資訊透過第二定位裝置之參數轉換至影像座標，成為第二候選方位資訊。再者，在上述第二候選方位資訊中，選擇與第二方位資訊之間誤差最小的其一，以更新第一定位裝置的方位資訊，進而可完成第二定位裝置的參數校正。
從另一角度來看，本發明提出一種定位系統，其包括第一定位裝置、第二定位裝置與運算模組。第一定位裝置可取得移動裝置的第一方位資訊。第二定位裝置可取得移動裝置的第二方位資訊，其中第二方位資訊對應第一方位資訊。運算模組可接收第一方位資訊與第二方位資訊。另外，運算模組可依據第一方位資訊，在誤差範圍內產生多個第一候選方位資訊。此外，運算模組可在上述透過第一候選方位資訊轉換成的第二候選方位資訊中選擇與第二方位資訊之間誤差最小的其一更新第一定位裝置的方位資訊，進而可完成第二定位裝置的參數校正。
基於上述，本發明利用第一、第二定位裝置分別取得移動裝置的第一、第二方位資訊。此外，依據第一方位資訊，在誤差範圍內產生多組第一候選方位資訊。另外，在上述透過第一候選方位資訊轉換成的第二候選方位資訊中選擇與第二方位資訊之間誤差最小的其一以更新第一定位裝置的資訊與第二定位裝置的資訊。如此一來，可一併完成移動裝置的方位資訊修正與第二定位裝置的參數校正。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1是依照本發明的一實施例的一種定位系統的方塊圖。請參照圖1，定位系統10可用來對移動裝置50進行定位。定位系統10包括定位裝置20、30與運算模組40。在本實施例中，定位系統10還可包括無線通訊裝置21、31、41，其中無線通訊裝置21、31、41分別電性連接定位裝置20、30與運算模組40，可用以進行無線通訊。
圖2是依照本發明的一實施例的一種定位系統的示意圖。請合併參照圖1與圖2，在本實施例中，移動裝置50以車輛為例進行說明。運算模組40可配置於伺服器中。定位裝置20可配置於移動裝置50中。定位裝置20可包括里程計與方向感測器，其中里程計可以記錄移動裝置50的移動量，方向感測器可感測移動裝置50的方向。也就是說，定位裝置20可利用里程計與方向感測器得知移動裝置50的移動資訊。定位裝置20可透過無線通訊裝置21、41將移動資訊傳輸給運算模組40。運算模組40可依據移動裝置50在世界參考座標的初始方位及上述移動資訊，求得移動裝置50移動後在世界參考座標的方位，上述方位可包括座標與方向。
承接上述，在本實施例中，定位裝置30以攝影機為例進行說明，定位裝置30可配置在環境中，與移動裝置50相距一距離，其視野涵蓋移動裝置50的移動範圍，可用來拍攝移動裝置50。請注意，移動裝置50上可事先配置標誌，用以指示移動裝置50的方向。定位裝置30可將拍攝移動裝置50的影像透過無線通訊裝置31、41傳輸給運算模組40。運算模組40可依據上述移動裝置50的影像估測移動裝置50在影像參考座標的方位。請注意，運算模組40儲存有影像參考座標與世界參考座標的對應關係，此對應關係可由定位裝置30的參數資訊表達，因此運算模組40可依據定位裝置30的參數資訊對影像參考座標與世界參考座標互相進行轉換。另外，運算模組40內還可存有移動裝置樣版影像，可用來評估定位裝置30所提供的數據的的誤差大小。以下配合流程圖對定位方法作更詳細地說明。
圖3是依照本發明的一實施例的一種定位方法的流程圖。圖4是依照本發明的一實施例的一種移動裝置的移動示意圖。請合併參照圖1、圖3與圖4，假設移動裝置50在世界參考座標的初始方位為(X1 ,Y1 ,θ1 )，其中X1 ,Y1 代表移動裝置的座標，θ1 代表移動裝置的方向。另外，假設移動裝置50在影像參考座標的初始方位為(U1 ,V1 ,α1 )，其中U1 ,V1 代表移動裝置的座標，α1 代表移動裝置的方向。
當移動裝置50移動後，可由圖3的定位方法對移動裝置50進行定位。首先，可由步驟S301，利用定位裝置20取得移動裝置50的第一方位資訊。舉例來說，定位裝置20可透過里程計與方向感測器取得移動裝置50的移動資訊。運算模組40可透過無線通訊裝置41、21取得上述移動資訊，並依據移動裝置50的初始位置與上述移動資訊估算移動裝置50移動後在世界參考座標的方位(X2 ,Y2 ,θ2 )。在本實施例中，方位(X2 ,Y2 ,θ2 )可視為第一方位資訊。請注意，由於移動裝置50在移動過程中可能會遇到崎嶇不平的道路或發生震動...等等的因素干擾，因此利用定位裝置20所取得的第一方位資訊並不一定準確，亦即第一方位資訊可能存在著誤差。
接著可由步驟S302，利用定位裝置21取得移動裝置50的第二方位資訊。舉例來說，定位裝置20可透過定位裝置30拍攝移動裝置50的影像。運算模組40可透過無線通訊裝置41、31取得上述移動裝置50的影像，並以運算模組40內儲存的定位裝置30的參數資訊，估算移動裝置50移動後在影像參考座標的方位(U2 ,V2 ,α2 )。在本實施例中，方位(U2 ,V2 ,α2 )可視為第二方位資訊。請注意，第二方位資訊亦可能存在著誤差，因此以透過所產生的多個第一候選方位資訊，產生對應的多個第二候選方位資訊，選取最小誤差的第二候選方位資訊更新移動裝置50的定位資訊，以下提供詳細的步驟供熟習本領域技術者參詳。
接著可由步驟S303，依據第一方位資訊，在誤差範圍內產生多個候選方位資訊。舉例來說，可在誤差範圍內產生多個第一候選方位資訊，並將多個第一候選方位資訊映射成多個第二候選方位資訊。更具體地說，運算模組40可依據方位(X2 ,Y2 ,θ2 )在一誤差範圍內，例如(X2 ±Δt,Y2 ±Δt,θ2 ±Δs)，隨機產生多個第一候選方位資訊。在本實施例中多個第一候選方位資訊以100個為例進行說明。多個第一候選方位資訊分別為(X2 +ex1,Y2 +ey1,θ2 +et1)～(X2 +ex100,Y2 +ey100,θ2 +et100)。由於方位(X2 ,Y2 ,θ2 )可能存在誤差，因此經由隨機產生的多個第一候選方位資訊，其誤差可能大於或小於方位(X2 ,Y2 ,θ2 )的誤差。以隨機方式產生多個第一候選方位資訊的好處在於可較客觀地模擬方位(X2 ,Y2 ,θ2 )的誤差。
承接上述，圖5是依照本發明的一實施例的一種世界參考座標與影像參考座標的轉換示意圖。請配合參照圖5，接著可將上述多個第一候選方位資訊由運算模組40所儲存的定位裝置30的參數資訊，將多個第一候選方位資訊從世界參考座標轉換至第二候選方位資訊的影像參考座標。因此世界參考座標的候選方位資訊(X2 +ex1,Y2 +ey1,θ2 +et1)～(X2 +ex100,Y2 +ey100,θ2 +et100)分別轉換為影像參考座標的候選方位資訊(U2 +eu1,V2 +ev1,α2 +ea1)～(U2 +eu100,V2 +ev100,α2 +ea100)。
接著可由步驟S304，在上述第二候選方位資訊中選擇與第二方位資訊誤差最小的其一以更新第一定位裝置(例如定位裝置20)的定位資訊與第二定位裝置(例如定位裝置30)的參數資訊。舉例來說，可在上述第二候選方位資訊選擇與第二方位資訊之間誤差最小的其一更新定位裝置20的方位資訊與定位裝置30的參數資料，並儲存於運算模組40。更具體地說，第二候選方位資訊(U2 +eu1,V2 +eV1,α2 +ea1)～(U2 +eu100,V2 +ev100,α2 +ea100)所對應的影像區塊位置與運算模組40所儲存的移動裝置樣版影像進行比較，以取得多個第二候選方位資訊中與第二方位(U2 ,V2 ,α2 )之間誤差最小的其一。假設第二候選方位資訊(U2 +eum,V2 +evm,α2 +eam)誤差最小，其中1≦m≦100。
承接上述，接著可依據選定的(U2 +eum,V2 +evm,α2 +eam)第二候選方位資訊，轉換回世界座標(X2 +wexm,Y2 +weym,θ2 +wetm)更新第一定位裝置方位(X2 ,Y2 ,θ2 )並作為第一方位資訊，此即表示移動裝置50的定位結果。另外，可依據候選方位資訊(U2 +eum,V2 +evm,α2 +eam)更新第二方位(U2 ,V2 ,α2 )，建立更新後第一方位(X2 ,Y2 ,θ2 )與第二方位(U2 ,V2 ,α2 )的對應關係並儲存於運算模組40。值得一提的是，步驟S304的用意在於篩選出誤差最小的，以完成移動裝置50的定位，同時此兩方位資訊可進一步用來校正定位裝置30的參數。
圖6是依照本發明的一實施例的一種移動裝置的另一移動示意圖。請繼續參照圖6，接著當移動裝置50再次移動時，可再重複圖3的各步驟對移動裝置50進行定位在此則不再贅述。圖6中N代表移動裝置50移動的次數，且N為自然數。
雖然上述實施例中已經對定位系統與定位方法描繪出了一個可能的型態，但所屬技術領域中具有通常知識者應當知道，各廠商對於定位系統與定位方法的設計都不一樣，因此本發明的應用當不限制於此種可能的型態。換言之，只要是利用第一、第二定位裝置分別取得移動裝置的第一、第二方位資訊。此外，依據第一方位資訊，在誤差範圍內產生多組第一候選方位資訊，並將產生的第一方位候選資訊透過第二定位裝置之參數轉換至影像座標，成為第二方位候選資訊。另外，在上述第二候選方位資訊中選擇與第二方位資訊之間誤差最小的其一以進一步更新第一定位裝置的資訊與第二定位裝置的資訊，就已經是符合了本發明的精神所在。以下再舉幾個實施方式以便本領域具有通常知識者能夠更進一步的了解本發明的精神，並實施本發明。
請再參照圖1與圖2，上述實施例中定位裝置30雖以一台攝影機為例進行說明，但本發明並不以此為限。在其他實施例中，定位裝置30也可包括多台攝影機。舉例來說，圖7是依照本發明的另一實施例的一種定位系統的示意圖。在本實施例中利用多台攝影機可涵蓋更大的視野，也就是說只要移動裝置50在任一台攝影機的視野中，即可透過定位裝置30對移動裝置50進行定位。當移動裝置50在多台攝影機的視野中時，也可透過多台攝影機對移動裝置50進行拍攝，以取得不同視角的影像，並逐步透過移動裝置50與各攝影機的資訊，自動完成所有攝影機參數的校正，省卻先前技術必須逐一進行人工校正的費時程序。運算模組40可透過多張不同視角的影像更精確地估算移動裝置50的方位。
請再參照圖1，上述實施例中，運算模組40雖配置於伺服器中，但其僅是一種選擇實施例。舉例來說，運算模組40亦可配置於移動裝置50中，耦接定位裝置20，可透過無線通訊裝置21、31與定位裝置30進行通訊，如此更省下無線通訊裝置41的成本。又例如，運算模組40亦可與定位裝置30進行整合，其可透過無線通訊裝置21、31與定位裝置20進行通訊，如此也可省下無線通訊裝置41的成本。
另外，上述實施例中，圖3的步驟S303雖依據方位(X2 ,Y2 ,θ2 )的誤差範圍內，即(X2 ±Δt,Y2 ±Δt,θ2 ±Δs)隨機產生多個第一候選方位資訊，但其僅是一種選擇實施例，但本發明並不以此為限。在其他實施例中，可依據移動裝置50的移動特性定義誤差範圍。舉例來說，當移動裝置50在X方向移動量大於Y方向移動量時，可加大移動裝置50在X方向的誤差範圍並縮小Y方向的誤差範圍。同理，當移動裝置50的方向改變量變大時，也可隨之增大移動裝置50在方向上的誤差範圍。如此可更進一步地降低誤差。
上述實施例中，多個第一候選方位資訊雖亦隨機方式產生，但在其他實施例中多個第一候選方位資訊也可採用不同的方式產生。例如，熟習本領域技術者可設定多組誤差估計表，從多組誤差估計表中選擇其一，並據以產生上述多組候選方位資訊。
此外，上述實施例中，多個第一候選方位資訊與產生的對應第二候選方位資訊雖以100個為例進行說明。但在其他實施例中，熟習本領域技術者可依其需求決定多個候選方位資訊的數量。
再者，上述實施例中移動裝置50雖以車輛為例進行說明，但本發明並不以此為限，移動裝置50也可以是各式各樣的移動載具、移動機器人、移動平台或佩戴移動量(或速度)感測器的人員。此外，上述第一方位資訊雖僅以方向與座標為例進行說明，但本發明並不以此為限。舉例來說方位資訊亦可以是移動裝置50的姿態(Pose)資訊。更具體地說，當移動裝置50為移動機器人時，熟習本領域技術者亦可藉由圖3的各步驟更新移動機器人的姿態資訊。
請繼續參照圖1，當運算模組40中事先無儲存影像參考座標與世界參考座標的對應關係時，即定位裝置30的參數資訊，可依據定位裝置20所取得的方位資訊與移動裝置50在影像上的成像位置座標的對應關係獲得。
在上述實施例中，定位裝置20雖以里程計與方向感測器為例進行說明，但本發明並不以此為限。舉例來說，在其他實施例中定位裝置20也可以用計時器配合速度感測器來實施里程計。
綜上所述，本發明利用第一、第二定位裝置分別取得移動裝置的第一、第二方位資訊。此外，依據第一方位資訊，在誤差範圍內產生多組第一候選方位資訊，並將產生的第一方位候選資訊透過第二定位裝置之參數轉換至影像座標，成為第二方位候選資訊。另外，在上述第二候選方位資訊中選擇與第二方位資訊之間誤差最小的其一以更新第一方位資訊。如此一來，可一併校正第二定位裝置的參數資訊。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10．．．定位系統
20、30．．．定位裝置
21、31、41．．．無線通訊裝置
40．．．運算模組
50．．．移動裝置
S301～S304．．．一種定位方法的各步驟
圖1是依照本發明的一實施例的一種定位系統的方塊圖。
圖2是依照本發明的一實施例的一種定位系統的示意圖。
圖3是依照本發明的一實施例的一種定位方法的流程圖。
圖4是依照本發明的一實施例的一種移動裝置的移動示意圖。
圖5是依照本發明的一實施例的一種世界參考座標與影像參考座標的轉換示意圖。
圖6是依照本發明的一實施例的一種移動裝置的另一移動示意圖。
圖7是依照本發明的另一實施例的一種定位系統的示意圖。
S301～S304．．．一種定位方法的各步驟

Claims (18)

  1. 一種定位方法，包括：利用一第一定位裝置取得一移動裝置的一第一方位資訊，其中該第一定位裝置用以取得該移動裝置在一世界參考座標的一移動量與一方向，並且該第一方位資訊是在該世界參考座標內；利用一第二定位裝置取得該移動裝置的一第二方位資訊，其中該第二定位裝置是用以取得該移動裝置的一影像，該第二方位資訊是根據該影像取得，該第二方位資訊是在一影像參考座標內，並且該第二方位資訊對應該第一方位資訊；決定一誤差範圍，當該移動裝置在一第一方向的移動量大於在一第二方向的移動量時，增加在該第一方向的該誤差範圍並且減少在該第二方向的該誤差範圍；在該世界參考座標內產生多個第一候選方位資訊，其中每一該些第一候選方位資訊與該第一方位資訊之間的誤差是在該誤差範圍之內，並將產生的該些第一方位候選資訊透過該第二定位裝置之參數轉換至該影像參考座標，成為多個第二方位候選資訊；以及在該些第二候選方位資訊中選擇與該第二方位資訊之間誤差最小的其一以同步更新該第一定位裝置的資訊與該第二定位裝置的資訊。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的定位方法，其中該第一方位資訊與該第二方位資訊包括該移動裝置的座標或移 動方向。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的定位方法，其中產生該些第一候選方位資訊的方式是隨機產生。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的定位方法，其中該誤差範圍與該移動裝置的移動特性相關。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的定位方法，其中該第一定位裝置配置於該移動裝置中，且包括里程計，用以感測該移動裝置的該移動量。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的定位方法，其中該第二定位裝置包括攝影機，與該移動裝置相距一距離，用以拍攝該移動裝置。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的定位方法，其中該移動裝置為移動載具、移動平台、移動機器人、佩戴移動量或速度感測器的人員。
  8. 一種定位系統，包括：一第一定位裝置，取得一移動裝置的一第一方位資訊，其中該第一定位裝置用以取得該移動裝置在一世界參考座標的一移動量與一方向，並且該第一方位資訊是在該世界參考座標內；一第二定位裝置，取得該移動裝置的一第二方位資訊，其中該第二定位裝置是用以取得該移動裝置的一影像，該第二方位資訊是根據該影像取得，該第二方位資訊是在一影像參考座標內，並且該第二方位資訊對應該第一方位資訊；以及 一運算模組，接收該第一方位資訊與該第二方位資訊，決定一誤差範圍，當該移動裝置在一第一方向的移動量大於在一第二方向的移動量時，增加在該第一方向的該誤差範圍並且減少在該第二方向的該誤差範圍，該運算模組在該世界參考座標內產生多個第一候選方位資訊，其中每一該些第一候選方位資訊與該第一方位資訊之間的誤差是在該誤差範圍之內，以及將產生的該些第一方位候選資訊透過該第二定位裝置之參數轉換至該影像參考座標，成為多個第二方位候選資訊，在該些第二候選方位資訊中選擇與該第二方位資訊之間的誤差最小的其一以同步更新該第一定位裝置的資訊與該第二定位裝置的資訊。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的定位系統，其中該第一方位資訊與該第二方位資訊包括該移動裝置的座標或移動方向。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的定位系統，其中產生該些第一候選方位資訊的方式是隨機產生。
  11. 如申請專利範圍第8項所述的定位系統，其中該誤差範圍與該移動裝置的移動特性相關。
  12. 如申請專利範圍第8項所述的定位系統，其中該第一定位裝置，配置於該移動裝置中，且包括里程計，用以感測該移動裝置的該移動量。
  13. 如申請專利範圍第8項所述的定位系統，其中該第一定位裝置，配置於該移動裝置中，且包括方向感測器， 用以感測該移動裝置的該方向。
  14. 如申請專利範圍第8項所述的定位系統，其中該第一定位裝置包括無線通訊裝置，與該第二定位裝置或該運算模組進行通訊。
  15. 如申請專利範圍第8項所述的定位系統，其中該第二定位裝置包括攝影機，與該移動裝置相距一距離，用以拍攝該移動裝置。
  16. 如申請專利範圍第8項所述的定位系統，其中該第二定位裝置包括無線通訊裝置，與該第一定位裝置或該運算模組進行通訊。
  17. 如申請專利範圍第8項所述的定位系統，其中該運算模組包括無線通訊裝置，與該第一定位裝置或第二定位裝置進行通訊。
  18. 如申請專利範圍第8項所述的定位系統，其中該移動裝置為移動載具、移動平台、移動機器人、佩戴移動量或速度感測器的人員。
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