TWI395970B - 行動裝置定位方法及設備 - Google Patents

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Description

行動裝置定位方法及設備
本發明是有關於一種行動裝置定位方法及設備，且特別是有關於一種無縫式混合型的行動裝置定位方法及設備。
全球定位系統(Global Positioning System，GPS)是一種以全球為範圍且利用衛星找出物體經緯度座標資訊的系統，其取得容易與便宜，且在室外空曠處具有較佳的定位效率。然GPS具有諸如昂貴的硬體成本或首次定位時間的延遲等缺點。此外，礙於先天上的限制，GPS在高建築物、隧道或室內時經常收訊不良或中斷。是故，如何準確定位得到使用者在室內環境的位置係為目前業界廣泛討論和研究的議題，其中利用射頻(RF)訊號以對使用者進行室內環境定位的方法係被提出。
利用射頻訊號進行定位之諸多方法包括無線網路三角(wireless triangulation)定位及無線網路樣本比對(pattern matching)定位等，通常牽涉到到達時間(time of arrival，TOA)，到達角度(angle of arrival，AOA)或射頻訊號強度等特徵值或參數。其中，無線網路三角定位係透過數學或物理現象以推測使用者與多個存取點(access point，AP)的距離關係而找出使用者的位置。
此外，無線網路樣本比對係透過使用者所在地對於多個存取點的特徵值比對而找出使用者的位置。然而，由於 可能會產生訊號強度衰減模型不易建立或是訊號強度不穩定等問題，因此上述利用射頻訊號進行定位的方法容易產生定位飄移(drift)的問題，此現象會產生不合理的使用者移動路徑。此外，上述方法亦無法有效地在多層建築內立體移動定位。
本發明係有關於一種行動裝置定位方法及設備，藉由感測行動裝置的移動軌跡或移動狀態，並結合利用射頻訊號進行定位的方法，故得以兼顧定位的準確度及應用於大型環境時的定位效率。
根據本發明之第一方面，提出一種行動裝置定位方法，包括下列步驟。基於行動裝置之一先前定位點，依據關聯於先前定位點之一先前機率分佈以產生多個樣本點。取得行動裝置之一當前移動軌跡或一當前移動狀態，並依據當前移動軌跡或當前移動狀態至少其中之一移動此些樣本點。基於行動裝置所接收之一射頻訊號得到一當前預估點，且產生此些樣本點對應於射頻訊號或當前預估點之一當前機率分佈而得到移動後的此些樣本點對應的權重，並依據具有此些樣本點的權重高低與分佈得到行動裝置之一當前定位點。
根據本發明之第二方面，提出一種行動裝置定位設備，包括一接收器、一感測回饋單元以及一處理器。接收器用以接收一射頻訊號。感測回饋單元用以取得行動裝置 之一當前移動軌跡或一當前移動狀態。處理器耦接至接收器及感測回饋單元。其中，處理器基於行動裝置之一先前定位點，依據關聯於先前定位點之一先前機率分佈以產生多個樣本點，然後依據當前移動軌跡或當前移動狀態至少其中之一移動此些樣本點，再基於射頻訊號得到一當前預估點，且產生此些樣本點對應於射頻訊號或當前預估點之一當前機率分佈而得到移動後的此些樣本點對應的權重，並依據此些樣本點的權重高低與分佈得到行動裝置之一當前定位點。
為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本發明係提出一種行動裝置定位方法及設備，藉由感測行動裝置的移動軌跡或移動狀態，並結合利用射頻訊號進行定位的方法，故得以減少定位飄移的問題，提高定位的準確度，並且使得應用於大型環境時的定位效率能夠提升。
本發明之行動裝置定位設備可以單獨存在，亦可被整合於各種行動裝置，例如為行動電話、個人數位助理或是導航裝置。接下來茲舉將行動裝置定位設備整合於行動裝置為例做說明。請參照第1圖，其繪示依照本發明較佳實施例之行動裝置之一例之方塊圖。行動裝置100包括一顯示單元110及一行動裝置定位設備120。行動裝置定位設備120係將定位得到的行動裝置100的位置以文字或圖形 顯示於顯示單元110。
行動裝置定位設備120包括一接收器122、一感測回饋單元124、一圖資單元126以及一處理器128。接收器122用以接收一射頻訊號，此射頻訊號，例如為一全球定位系統(GPS)訊號、一WiFi訊號、一Zigbee訊息、一GSM訊號、一藍芽訊號或其他之射頻訊號，並不做限定。感測回饋單元124用以取得行動裝置100之一當前移動軌跡或一當前移動狀態。圖資單元126用以儲存並提供一地圖資訊，然並不限制。地圖資訊亦可由外部建置的伺服器經由傳輸而由接收器122提供給處理器128，進而節省圖資單元126的成本。亦即，圖資單元126實質上為一可選擇(option)元件。處理器128耦接至接收器122、感測回饋單元124及圖資單元126。
處理器128基於行動裝置100之一先前定位點，依據關聯於先前定位點之一先前機率分佈以產生多個樣本點。處理器128依據當前移動軌跡或當前移動狀態至少其中之一移動此些樣本點。亦即，處理器128可依據當前移動軌跡及當前移動狀態兩者移動樣本點，亦可僅依據兩者之一移動樣本點。然後，處理器128再基於射頻訊號得到一當前預估點，且產生此些樣本點對應於射頻訊號或當前預估點之一當前機率分佈而得到移動後的此些樣本點對應的權重。之後，處理器128依據此些樣本點的權重高低與分佈得到行動裝置100之一當前定位點。
請參照第2圖，其繪示依照本發明較佳實施例之行動裝置定位方法之流程圖。於初始階段(initial stage)S200 中，行動裝置定位設備120係對行動裝置100進行首次定位。處理器128基於行動裝置100之一初始位置，在一樣本空間(sample space)內產生多個樣本點(sample particle)，此些樣本點可為隨機散佈於樣本空間內，亦可為固定形態(例如為矩陣形態)散佈於樣本空間內。接下來茲以樣本點係隨機散佈為例做說明，然並不做限定。因為是首次定位，故對應於初始位置，此些樣本點係被設定為具有相同的權重。
然後於實際取樣階段(sampling stage)S300中，此些樣本點被隨機移動。接著於預估位置階段(prediction stage)S400，處理器128基於接收器122所接收的射頻訊號得到一初始預估點，此初始預估點可由傳統諸多利用射頻訊號進行定位之諸多方法(例如無線網路三角定位或無線網路樣本比對定位等)而得到。處理器128產生此些樣本點對應於射頻訊號或初始位置之一初始機率分佈而得到移動後的此些樣本點對應的權重，並依據此些樣本點的權重高低與分佈得到行動裝置之一初始定位點。至此，完成了第1次定位程序。其中，處理器128所產生之對應於射頻訊號之機率分佈係為利用射頻訊號與一內部資料庫或一外部資料庫內所儲存的多筆特徵值比對而得到。
對於行動裝置100而言，第t次定位程序所得到的定位點係為第(t+1)次定位程序之一先前定位點，t為正整數。請配合參照第3圖，其繪示依照本發明較佳實施例之行動裝置定位方法之示意圖。在完成第t次定位程序後，接續決定取樣分佈階段(re-sampling stage)S500，基於在第 t次定位程序中得到的行動裝置100之一先前定位點Et (如第3圖之階段600所示)，依據關聯於先前定位點Et 之樣本點之一先前機率分佈，在一樣本空間610內產生並隨機散佈多個樣本點(以固定形態散佈亦可，不做限制。)其中，因為先前機率分佈可能為高斯分佈或常態分佈的關係，此些樣本點具有不盡相同的權重。其中，因為關聯到樣本點之先前機率分佈，故在第t定位程序中具太低機率的點會被過濾掉而不會散佈有樣本點。
請配合參照第4圖，其繪示依照本發明較佳實施例之行動裝置定位方法之實際取樣階段S300之詳細流程圖。實際取樣階段S300接收初始階段S200或決定取樣分佈階段S500之多個樣本點。於步驟S302中，感測回饋裝置124取得行動裝置100之一當前移動軌跡(如第3圖之階段602所示，行動裝置100由真實位置Lt 移到真實位置Lt+1 。)，並依據當前移動軌跡移動此些樣本點。於步驟S302中，感測回饋裝置124可利用加速度感測器、指北感測器與加速度感測器、或角加速度感測器與加速度感測器等慣性元件取得當前移動軌跡。此外，感測回饋裝置124亦可以利用行動裝置100之移動趨勢資料計算取得當前移動軌跡。更進一步地，感測回饋裝置124可以利用外界所建置分佈的感測元件，例如是利用在室內每個房間的出入口建置感應器所感測得到的移動資料，而據以計算以取得當前移動軌跡。
對應於階段602及步驟S302，樣本空間610內的每個樣本點可都移動當前移動軌跡而散佈得到樣本空間 612。樣本空間610內的每個樣本點亦可依據樣本空間610內的每個樣本點而做一錐形隨機發散投射而散佈得到樣本內間612。亦即，依據當前移動軌跡移動樣本點的實際方式並不做限制。如此一來，樣本點可藉由當前移動軌跡而散佈在行動裝置100移動後的真實位置Lt+1 附近而不會過於凌亂分散，提高整體的定位準確度。
之後，於步驟S304中，處理器128決定是否採用圖資模式。若是，則進入步驟S306，若否，則進入步驟S308。若採用圖資模式，則於樣本點依據當前移動軌跡移動後，處理器128依據所接收的地圖資訊判斷此些樣本點之移動路徑是否合理，若否，則處理器128移除對應至不合理路徑之樣本點。如第3圖之階段604所示，其中由於障礙物614(例如為牆)的存在，故部份樣本點因移動路徑不合理而被移除。之後處理器128會補上足夠數量的樣本點。此外，於取得當前移動軌跡後，處理器128亦可以依據當前移動軌跡並配合地圖資訊來移動樣本點，如此則可避免不合理移動路徑的產生。
另外，處理器128依據當前移動軌跡並配合地圖資訊來移動樣本點亦可適用於對在多層建築內立體移動的使用者進行定位。亦即，當前移動軌跡可為行動裝置100於一平面上的移動軌跡，亦可為行動裝置100於一立體空間中的移動軌跡。舉例來說，搭配地圖資訊，處理器128可在樓梯間或電梯處觸發不同樓層的設定，並透過感測回饋裝置124藉由地心引力感測器(g sensor)所得到的g值變化量來取得移動軌跡。如此一來，樣本點即可朝不同樓層 散佈，進而解決了對在多層建築內立體移動的使用者進行定位的問題。
在第3圖之階段606中，樣本點被隨機移動而散佈於樣本空間616內。(若樣本點為固定型態散佈則可省略此階段。)此時，於步驟S308中，處理器128決定是否採用移動狀態，若是，則進入步驟S310，處理器128分析所取得之當前移動軌跡以得到當前移動狀態，並依據當前移動狀態調整樣本點。其中，處理器128係分析當前移動軌跡以判斷行動裝置100係快速移動、正常移動或緩移移動。若行動裝置100處於快速移動、正常移動或緩移移動狀態中，則樣本點被隨機調整移動的距離可依移動狀態做動態調整。亦即，行動裝置之不同的當前移動狀態，會使得樣本點散佈於不同的取樣空間616內。此外，亦可以透過人為設定而使得處理器128在易定位出錯的地域限縮樣本空間而得以減低飄移現象。
接著，於預估位置階段(prediction stage)S400，處理器128基於接收器122所接收的射頻訊號得到一當前預估點，此當前預估點可由諸多利用射頻訊號進行定位之諸多方法而得到，例如利用GPS訊號透過三角定位而得到，或是利用WiFi訊號透過特徵值的樣本比對定位等而得到。處理器128產生樣本點對應於射頻訊號或當前預估點之一當前機率分佈而得到移動後的此些樣本點對應的權重，其中每個樣本點對應的權重可為對應到當前機率分佈的機率，亦可為繼承先前的權重並以對應到當前機率分佈的機率加以調整而得到的新權重。當前機率分佈例如為高斯分 佈。權重越高，即代表行動裝置100位在樣本點所對應的位置上的機率越高。反之，權重越低，即代表行動裝置100位在樣本點所對應的位置上的機率越低。是故，處理器128依據樣本點的權重高低與分佈得到行動裝置100之一當前定位點Et+1 。其中，處理器128可挑選具最高權重的樣本點為當前定位點Et+1 ，亦可挑選前K個最高權重的樣本點的中心位置為當前定位點Et+1 ，並不做限制。如此一來，整體定位的準確度提升。至此，完成了第(t+1)次定位程序。每一次的定位程序均執行一次S300~S500的循環。
本發明上述實施例所揭露之行動裝置定位方法及設備，具有多項優點，以下僅列舉部分優點說明如下：
本發明之行動裝置定位方法及設備，利用粒子過濾演算法(particle filter algorithm)承接既有的多種利用射頻訊號進行定位的方法，並利用地圖資訊之輔助，搭配感測回饋元件取得行動裝置之移動軌跡與移動狀態，來限制行動裝置進行定位的範圍，故得以減少射頻訊號強度飄移、誤差的問題，提高整體的定位精準度，並且使得應用於大型環境時的定位效率能夠提升，且解決了對在多層建築內立體移動的使用者進行定位的問題。
綜上所述，雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧行動裝置
110‧‧‧顯示單元
120‧‧‧行動裝置定位設備
122‧‧‧接收器
124‧‧‧感測回饋單元
126‧‧‧圖資單元
128‧‧‧處理器
S200~S500、600~608‧‧‧階段
S302~S310‧‧‧步驟
610~612、616‧‧‧樣本空間
614‧‧‧障礙物
第1圖繪示依照本發明較佳實施例之行動裝置之一例之方塊圖。
第2圖繪示依照本發明較佳實施例之行動裝置定位方法之流程圖。
第3圖繪示依照本發明較佳實施例之行動裝置定位方法之示意圖。
第4圖繪示依照本發明較佳實施例之行動裝置定位方法之實際取樣階段S300之詳細流程圖。
S200~S500‧‧‧階段

Claims (18)

  1. 一種行動裝置定位方法，包括：基於一行動裝置之一先前定位點，依據關聯於該先前定位點之一先前機率分佈以產生複數個樣本點；取得該行動裝置之一當前移動軌跡或一當前移動狀態，並依據該當前移動軌跡或該當前移動狀態至少其中之一移動該些樣本點；以及基於該行動裝置所接收之一射頻訊號得到一當前預估點，且產生該些樣本點對應於該射頻訊號或該當前預估點之一當前機率分佈而得到移動後的該些樣本點對應的權重，並依據該些樣本點的權重高低與分佈得到該行動裝置之一當前定位點。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之行動裝置定位方法，更包括：基於該行動裝置之一初始位置，產生該些樣本點，其中對應於該初始位置，該些樣本點的權重相同；隨機移動該些樣本點；以及基於該射頻訊號得到一初始預估點，且產生該些樣本點對應於該射頻訊號或該初始預估點之一初始機率分佈而得到移動後的該些樣本點對應的權重，並依據該些樣本點的權重高低與分佈得到該行動裝置之一初始定位點。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之行動裝置定位方法，更包括：於該些樣本點移動後，依據一地圖資訊判斷該些樣本點之移動路徑或結果是否合理；以及 若否，則移除對應至不合理路徑之該些樣本點。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之行動裝置定位方法，其中該當前移動軌跡係為該行動裝置於一平面上的移動軌跡或該行動裝置於一立體空間中的移動軌跡。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之行動裝置定位方法，更包括：分析所取得之該當前移動軌跡以得到該當前移動狀態，並依據該當前移動軌跡及該當前移動狀態調整該些樣本點。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之行動裝置定位方法，更包括：於取得該當前移動軌跡後，依據該當前移動軌跡並配合一地圖資訊移動該些樣本點。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之行動裝置定位方法，其中該射頻訊號係為一全球定位系統(GPS)訊號、一無線網路訊號、一無線通訊訊號或一藍芽訊號。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之行動裝置定位方法，更包括：利用一慣性元件、一感測元件或是計算該行動裝置之一移動向量以取得該行動裝置之該當前移動軌跡。
  9. 一種行動裝置定位設備，包括：一接收器，用以接收一射頻訊號；一感測回饋單元，用以取得該行動裝置之一當前移動軌跡或一當前移動狀態；以及一處理器，耦接至該接收器及該感測回饋單元； 其中，該處理器基於該行動裝置之一先前定位點，依據關聯於該先前定位點之一先前機率分佈以產生複數個樣本點，然後依據該當前移動軌跡或該當前移動狀態至少其中之一移動該些樣本點，再基於該射頻訊號得到一當前預估點，且產生該些樣本點對應於該射頻訊號或該當前預估點之一當前機率分佈而得到移動後的該些樣本點對應的權重，並依據具有該些樣本點的權重高低與分佈得到該行動裝置之一當前定位點。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之行動裝置定位設備，其中該處理器更基於該行動裝置之一初始位置，產生該些樣本點，其中對應於該初始位置，該些樣本點的權重相同，該處理器隨機移動該些樣本點，然後基於該射頻訊號得到一初始預估點，且產生該些樣本點對應於該射頻訊號或該初始預估點之一初始機率分佈而得到移動後的該些樣本點對應的權重，並依據該些樣本點的權重高低與分佈得到該行動裝置之一初始定位點。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之行動裝置定位設備，更包括：一圖資單元，耦接至該處理器，用以提供一地圖資訊；其中，於該些樣本點移動後，該處理器依據該地圖資訊判斷該些樣本點之移動路徑或結果是否合理，若否，則該處理器移除對應至不合理路徑之該些樣本點。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之行動裝置定位設備，其中該接收器更用以接收一地圖資訊，該處理器於該些樣本點移動後，依據該地圖資訊判斷該些樣本點之移動 路徑或結果是否合理，若否，則該處理器移除對應至不合理路徑之該些樣本點。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之行動裝置定位設備，其中該當前移動軌跡係為該行動裝置於一平面上的移動軌跡或該行動裝置於一立體空間中的移動軌跡。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之行動裝置定位設備其中該處理器更分析所取得之該當前移動軌跡以得到該當前移動狀態，並依據該當前移動軌跡及該當前移動狀態調整該些樣本點。
  15. 如申請專利範圍第9項所述之行動裝置定位設備，更包括：一圖資單元，耦接至該處理器，用以提供一地圖資訊；其中，該處理器更依據該當前移動軌跡並配合該地圖資訊移動該些樣本點。
  16. 如申請專利範圍第9項所述之行動裝置定位設備，其中該接收器更用以接收一地圖資訊，該處理器更依據該當前移動軌跡並配合該地圖資訊移動該些樣本點。
  17. 如申請專利範圍第9項所述之行動裝置定位設備，其中該射頻訊號係為一GPS訊號、一無線網路訊號、一無線通訊訊號或一藍芽訊號。
  18. 如申請專利範圍第9項所述之行動裝置定位設備，其中該感測回饋單元係為一慣性元件或一感測元件以取得該行動裝置之該當前移動軌跡。
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