TWI444645B - 定位方法和定位裝置 - Google Patents

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Chin Lien Hsu
Tsung Ying Hsieh
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Quanta Comp Inc
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Description

定位方法和定位裝置
本發明係有關於一種無線輸入系統，且特別有關於一種定位方法以及定位裝置。
隨著無線網路的發達，利用無線裝置直接於空氣介面中藉由各種手勢輸入的輸入介面逐漸融入人們的生活當中。為了更正確的解讀各種手勢輸入，上述種類的輸入介面需要更精確的無線裝置定位方式。
基於上述目的，本發明實施例揭露了一種定位方法，適用於一電子裝置用以定位一行動裝置，包括：決定上述行動裝置之一初步平面位置；獲得上述行動裝置之一傾斜角度；以及，根據該傾斜角度，修正上述平面初步位置的一誤差而獲得上述行動裝置之一修正平面位置。
本發明實施例更揭露了一種電子裝置，包括一傳收器以及一控制器。該傳收器接收一行動裝置之第一訊號。該控制器耦接上述傳收器，根據上述接收之第一訊號而決定上述行動裝置之一初步平面位置，獲得上述行動裝置之一傾斜角度，以及根據該傾斜角度，修正上述平面初步位置的一誤差而獲得上述行動裝置之一修正平面位置。
為使本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
實施例中的各元件之配置係為說明之用，並非用以限制本發明。且實施例中圖式標號之部分重複，係為了簡化說明，並非意指不同實施例之間的關聯性。
第1圖係顯示本發明實施例中一種定位系統1的系統圖，包括定位裝置10、行動裝置12、第一參考裝置14以及第二參考裝置16。定位系統1可為一種無線網路，包括無線區域網路(Wireless LAN，WLAN)、無線廣域網路(Wireless MAN，WMAN)，利用可無線上網的無線存取點(Access Point，AP)去定位網路範圍內之行動裝置。定位裝置10、行動裝置12、第一參考裝置14以及第二參考裝置16可藉由同一種通訊協定溝通。行動裝置12係為一種手持輸入裝置，能在預定的空間範圍中移動，使用者可藉由在預定的空間範圍中揮動行動裝置12而輸入資料或是指令至定位裝置10。定位裝置10能對行動裝置12進行定位而得知行動裝置12在上述預定的空間範圍中相對於定位裝置10的位置，進而判斷行動裝置12所輸入的內容。在某些實施例中，行動裝置12可以是一個電視頻道遙控器，當使用者使用行動裝置12在預定的空間範圍中手寫輸入某個電視頻道編號，例如3，定位裝置10可藉由定位行動裝置12的移動軌跡而判斷使用者想要切換至電視頻道3， 而控制一家用視訊裝置切換至電視頻道3。當使用者使用行動裝置12在預定的空間範圍中向上揮動時，定位裝置10可藉由定位行動裝置12的移動軌跡而判斷使用者想要增加音量，因此控制一播放裝置調整對應的音量大小。當定位裝置10能夠正確定位行動裝置12時，就可以正確判斷使用者輸入的資料，進而正確執行對應的應用服務。
行動裝置12可為電子筆、遙控器、娛樂裝置、通訊裝置、家用電子裝置或其他可移動並且可和定位裝置10溝通的電子裝置。定位裝置10偵測到的定位位置是行動裝置12實際收發無線訊號的位置(無線模組安裝的物理上位置)，然而需要偵測的定位位置可能是行動裝置12上其他非收發無線訊號的位置，例如行動裝置12的端點(如前端)，因此當行動裝置12傾斜並和參考地平面形成一傾斜角度時就會產生一定位誤差。定位裝置10必須移除或減低定位誤差以修正偵測到的定位位置，並且獲得精確的定位位置。行動裝置12的硬體構造以及運作方式的實施例在第3圖以及其相關段落中有詳細描述。
定位裝置10可為定位盒、家用影音中心、無線存取點或附加定位功能的介面平台。定位裝置10可以使用各種定位技術獲得行動裝置12的初步平面位置。上述定位技術可以是收訊時間法(Time of Arrival，以下稱為TOA)、訊號接收角度(Angle of Arrival，以下稱為AOA)、訊號強度法(Received Signal Strength，以下稱為RSS)或其他室內定位技術。接著，定位裝置10能偵測行動裝置12的傾斜 角度，並且根據行動裝置12的傾斜角度修正初步平面位置而獲得修正的平面位置。最後，定位裝置10能藉由二或多個鄰近參考裝置14和16更進一步定位行動裝置12在3維空間中的定位位置。第一參考裝置14和上述第一參考裝置16的垂直位置必需不同，定位裝置10才能正確找出行動裝置12的垂直位置。定位裝置10和參考裝置14和16的硬體構造以及運作方式的實施例分別在第2圖、第4圖以及其相關段落中有詳細描述。
本實施例提出一種對移動裝置的定位方案，利用一種設計簡單並且省電的定位系統對一移動裝置進行定位並對定位資料的誤差提出修正，藉以修正水平範圍的定位誤差，進而達成在3維空間中的定位功能。
第2圖係顯示本發明實施例中一種定位裝置10的方塊圖，包括控制器200、記憶裝置202、無線傳收器204、定位電路206、電源供應裝置208、影像感應器210和指示裝置212。控制器200耦接記憶裝置202、無線傳收器204、定位電路206、電源供應裝置208、影像感應器210和指示裝置212。影像感應器210和指示裝置212係非必須裝置。在一些實施例中，定位裝置10可以不包括影像感應器210和指示裝置212。
無線傳收器204能夠利用無線通訊技術，例如紅外線、超音波、或其他頻段的無線通訊技術和行動裝置12、第一參考裝置14以及第二參考裝置16進行溝通以及傳遞資訊。定位電路206用於利用相關定位技術例如TOA、AOA 或RSS技術來定位行動裝置12的初步平面位置。在某些實施例中，定位電路206利用收訊時間法來偵測行動裝置12的初步平面位置。無線傳收器204可以先發出一無線訊號至空氣介面中，當無線訊號碰到行動裝置12即會反射，無線傳收器204可以偵測到反射的無線訊號以及判斷收到從發出到收到無線訊號的傳遞時間。藉由無線訊號的傳遞時間和光速的估計值，定位電路206便可估計行動裝置12的初步平面位置(X,Y)。
控制器200用於實施本實施例所提出之定位誤差修正方法以及3維空間定位方法。控制器200可以在記憶裝置202內分配一個記憶體空間用於預先儲存之一誤差修正查找表，例如圖表1，包括初步平面位置欄(X,Y)、傾斜角度欄θ、正確平面位置欄(X`,Y`)、以及誤差值欄(△X,△Y)。上述初步平面位置欄(X,Y)可藉由前述TOA、AOA或RSS技術獲得。上述傾斜角度可由影像感應器210偵測得知或由行動裝置12本身偵測(第3圖之移動感應器308)並且傳送給定位裝置10。上述初步平面位置(X,Y)可藉由定位電路206估計。而後，控制器200可以使用上述誤差修正查找表，根據行動裝置12的傾斜角度θ，並且將定位電路206計算出之初步平面位置(X,Y)修正相應誤差值(△X,△Y)而獲得正確平面位置(X`,Y`)，即(X`,Y`)=(X,Y)-(△X,△Y)或(X`,Y`)=(X,Y)+(△X,△Y)。
參考第6圖，顯示本發明實施例中一種水平定位誤差的示意圖，用於解釋上述修正誤差值(△X,△Y)而獲得正確平面位置(X`,Y`)的動作。第6圖的行動裝置12係為一支定位筆(或遙控器)，其無線傳收器位於行動裝置12的中間部位，定位裝置10需要定位的位置為行動裝置12的尖端。當行動裝置12和參考平面形成一傾斜角度θ時，定位裝置10定位到的初步平面位置為(X1,Y1)，而所需定位到的正確平面位置為(X1`,Y1`)，初步平面位置為(X1,Y1)和正確平面位置為(X1`,Y1`)之間的誤差值為(△X1,△Y1)。
請回到第2圖的誤差修正查找表，在出廠測試時，廠商可以針對某幾個定位環境進行誤差測量以建立對應的幾個誤差修正查找表。對於某個定位環境設定來說，控制器200可以從定位範圍內每個固定距離的行動裝置之固定傾斜角度測量誤差值，藉以建立一個誤差修正查找表。例如，在測量建立查找表時，可在以定位裝置10為中心每0.5公尺距離的圓形範圍上每30度角度的正確定位位置(X`,Y`)放上行動裝置12，定位裝置10可對行動裝置12每15度的傾斜角度θ測量一次初步平面位置(X,Y)，藉以計算相應誤差值(△X,△Y)並且建立誤差修正查找表。控制器200可以在定位電路206第一次安裝至定位系統1時，根據符合 的定位環境，從上述幾個誤差修正查找表中載入要使用的誤差修正查找表。
在某些實施例中，定位裝置10的控制器200也可以根據行動裝置12的傾斜角度θ實際計算出一相應誤差值(△X,△Y)，進而修正初步平面位置(X,Y)的誤差而獲得正確平面位置(X`,Y`)。例如，無線傳收器204可以位於要估算定位位置之行動裝置12端點距離10公分之處，控制器200可以藉由三角函數和傾斜角度θ估計相應誤差值(△X,△Y)，進而得出正確平面位置(X`,Y`)。
影像感應器210可以是相機或攝影機，用於偵測行動裝置12的傾斜角度。指示裝置212可為LED裝置、影像顯示裝置或語音裝置，用於指示定位狀態，例如正在定位中或是已定位完成。指示裝置212之指示可用LED裝置之亮暗或閃爍來表示，或是影像顯示裝置顯示圖案、影像或文字來表示，亦可以語音輸出來告知指示使用者目前的定位狀態。電源供應裝置208提供電源以供電給定位裝置10，其主要和外部電源接頭相接，或可包括電力儲存裝置，例如電池。
實施例中提出一種定位裝置，對一移動裝置進行定位並對定位資料的誤差提出修正，藉以修正水平範圍的定位誤差。
第3圖係顯示本發明實施例中一種行動裝置12的方塊圖，包括控制器300、無線傳收器302、定位電路304、電源供應裝置306、移動感應器308和指示裝置310。控制器300耦接至無線傳收器302、定位電路304、電源供應裝置 306、移動感應器308和指示裝置310。在某些實施例中，行動裝置12可以不包括定位電路304、移動感應器308或指示裝置310。使用者可利用行動裝置12輸入資料或指示至定位系統內。
控制器300用於判斷使用者的資訊和應用需求，使用者的資訊可包括使用者使用該設施的優先權限。定位電路304可使用TOA、AOA或RSS技術用於自行定位行動裝置12相對於定位裝置10的初步定位位置，或用於判斷參考裝置14、16的位置以及到參考裝置14、16的距離。移動感應器308可以是加速感應器(Gravity sensor)或是加速計(accelerometer)，用於自行偵測行動裝置12的傾斜角度。無線傳收器302用於和定位裝置10以及參考裝置14、16傳遞資訊，可將定位位置資料和行動裝置12的傾斜角度傳送給定位裝置10。
指示裝置310可為LED裝置、影像顯示裝置或語音裝置，用於指示定位狀態，例如正在定位中或是已定位完成。指示裝置310之指示可用LED裝置之亮暗或閃爍來表示，或是影像顯示裝置顯示圖案、影像或文字來表示，亦可以語音輸出來告知指示使用者目前的定位狀態。電源供應裝置306提供電源以供電給行動裝置12，其可包括電力儲存裝置，例如電池。
本實施例提出一種移動裝置，藉由在空間的移動軌跡而輸入資料或是指令。
第4圖係顯示本發明實施例中一種參考裝置14或16的方塊圖，包括定位電路400、無線傳收器402和電源供 應裝置404。定位電路400耦接無線傳收器402和電源供應裝置404。參考裝置14或16可以作為參考點，用於輔助對行動裝置12進行3維空間定位。3維空間的定位方法在第5圖和第7圖中有詳細解釋。
定位電路400可使用TOA、AOA或RSS技術用於定位參考裝置14、16的位置以及參考裝置14、16到行動裝置12的距離。無線傳收器402用於和定位裝置10以及行動裝置12傳遞資訊，可將參考裝置14、16的位置以及與行動裝置12的距離資訊傳送給定位裝置10。電源供應裝置404提供電源以供電給參考裝置14或16，其可以和外部電源接頭相接，或可以包括電力儲存裝置，例如電池。
本實施例提出一種參考裝置，用於輔助對行動裝置的3維空間定位。
第5圖係顯示本發明實施例中一種3惟空間定位方法5的流程圖，使用第1圖揭露的定位系統1。
定位方法5開始後，定位裝置10可以根據定位環境選擇用於修正定位誤差的誤差修正查找表(S500)。上述誤差修正查找表可以例如為表1所示。上述誤差修正查找表的選擇可以由該行動裝置12輸入執行。接著，定位裝置10能夠根據前述TOA、AOA、RSS或其他定位技術決定行動裝置12之初步平面位置(X,Y)(S502)，獲得上述行動裝置12之傾斜角度θ(S504)，以及根據該傾斜角度θ來修正上述平面初步位置的誤差(△X,△Y)而獲得上述行動裝置之一修正平面位置(X`,Y`)(S506)。在某些實施例中，定位裝置10能夠利用相機或鏡頭之影像感應器 210偵測行動裝置12的影像，接著控制器200藉由分析處理偵測到之影像的資料而判斷行動裝置12的傾斜角度θ，如第8圖所示。在其他實施例中，定位裝置10能夠利用無線傳收器204發出偵測訊號，並且接收分別從行動裝置12兩個不同位置302a、302b發出或反射之兩個回傳訊號，因為302a、302b位於不同的位置所以接收到該兩個回傳訊號的時間不會相同，接著控制器200藉由分析處理該兩個回傳訊號的接收時間差而判斷行動裝置12的傾斜角度θ，如第9圖所示。在另外一些實施例中，行動裝置12可以自己藉由移動感應器308判斷傾斜角度θ，並將傾斜角度θ資訊回傳給定位裝置10。定位裝置10可以在所選擇之誤差修正查找表中根據傾斜角度θ來尋找對應的誤差值(△X,△Y)。定位裝置10也可以根據傾斜角度θ計算對應的誤差值(△X,△Y)。定位裝置10能夠接著將誤差值(△X,△Y)從平面初步位置的誤差(△X,△Y)中移除以獲得修正平面位置(X`,Y`)，到此完成行動裝置12的平面定位。
定位裝置10能夠根據第一參考裝置14和第二參考裝置16的位置進一步對行動裝置12進行在空間中的定位。首先，定位裝置10能夠獲得第一參考裝置14和第二參考裝置16的正確空間位置以及第一參考裝置14和第二參考裝置16分別到行動裝置12的距離。在一些實施例中，第一參考裝置14和第二參考裝置16的正確空間位置可以是預先設定的正確空間位置。上述第一參考裝置14和第二參考裝置16分別到行動裝置12的距離可以由第一參考裝置14和第二參考裝置16或行動裝置12內部之定位電路根據 根據前述TOA、AOA、RSS或其他定位技術偵測得知。第7圖係顯示本發明實施例中一種空間定位的示意圖，包括第一參考裝置14、第二參考裝置16和行動裝置12在空間中的位置。定位裝置10位於原點座標(0,0,0)，第一參考裝置14位於座標(Xr1,Yr1,Zr1)，第二參考裝置16位於座標(Xr2,Yr2,Zr2)，行動裝置12位於座標(X`,Y`,Z1)，第一參考裝置14到行動裝置12的第一距離為L1，第二參考裝置16到行動裝置12的距離為L2。定位裝置10能夠根據行動裝置12之修正平面位置(X`,Y`)、第一參考裝置14的第一距離L1以及第一參考裝置座標(Xr1,Yr1,Zr1)而使用3維三角函數計算算出行動裝置12之二個可能垂直位置Z1和Z2。
(X`-Xr1)^2+(Y`-Yr1)^2+(Z-Zr1)^2=L1^2
Z=Zr1±(L1^2-(X`-Xr1)^2+(Y`-Yr1)^2)^0.5
該二個可能垂直位置Z1和Z2到第一參考裝置座標(Xr1,Yr1,Zr1)的距離皆相同(S508)。接著同時參考第5圖和第7圖的實施例，定位裝置10能夠將算出之兩個可能位置(X`,Y`,Z1)和(X`,Y`,Z2)、第二參考裝置16的第二距離L2以及第二參考裝置座標(Xr2,Yr2,Zr2)而帶入3維三角函數計算而決定上述二個可能垂直位置Z1和Z2中的哪一個是正確的垂直位置(S510)。正確的垂直位置會符合第二距離L2以及第二參考裝置座標(Xr2,Yr2,Zr2)的三角函數關係。在第7圖的實施例中，行動裝置12的正確空間位置在(X`,Y`,Z1)。所以行動裝置12座標(X`,Y`,Z1)到第二參考裝置座標(Xr2,Yr2,Zr2)的距離會是L2，而另一個 行動裝置12’可能座標(X`,Y`,Z2)到第二參考裝置座標(Xr2,Yr2,Zr2)的距離不會是L2。第一參考裝置14和第二參考裝16的垂直位置不可以相同才可以正確找出行動裝置12的垂直位置。在步驟S512時定位方法5結束。
本發明描述之各種邏輯區塊、模組、以及電路可以使用通用處理器、數位訊號處理器(數位訊號處理，DSP)、特定應用積體電路(Application Specific Integrated電路，ASIC)、或其他可程控邏輯元件、離散式邏輯電路或電晶體邏輯閘、離散式硬體元件、或用於執行本發明所描述之執行的功能之其任意組合。通用處理器可以為微處理器，或者，該處理器可以為任意商用處理器、控制器、微處理器、或狀態機。
本發明描述之各種邏輯區塊、模組、以及電路的操作以及功能可以利用電路硬體或嵌入式軟體碼加以實現，該嵌入式軟體碼可以由一處理器存取以及執行。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，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。
10‧‧‧定位裝置
200‧‧‧控制器
202‧‧‧記憶裝置
204‧‧‧無線傳收器
206‧‧‧定位電路
208‧‧‧電源供應裝置
210‧‧‧影像感應器
12‧‧‧行動裝置
300‧‧‧控制器
302‧‧‧無線傳收器
302a、302b‧‧‧位置
304‧‧‧定位電路
306‧‧‧電源供應裝置
308‧‧‧移動感應器
310‧‧‧指示裝置
14,16‧‧‧參考裝置
400‧‧‧定位電路
402‧‧‧無線傳收器
404‧‧‧電源供應裝置
5‧‧‧定位方法
L1‧‧‧第一距離
L2‧‧‧第二距離
S500、S502...S512‧‧‧步驟
第1圖係顯示本發明實施例中一種定位系統1的系統圖。
第2圖係顯示本發明實施例中一種定位裝置10的方塊圖。
第3圖係顯示本發明實施例中一種行動裝置12的方塊圖。
第4圖係顯示本發明實施例中一種參考裝置14、16的方塊圖。
第5圖係顯示本發明實施例中一種定位方法5的流程圖。
第6圖係顯示本發明實施例中一種水平定位誤差的示意圖。
第7圖係顯示本發明實施例中一種空間定位的示意圖。
第8圖係顯示本發明實施例中一種偵測影像資料判斷傾斜角度θ的示意圖。
第9圖係顯示本發明實施例中一種根據接收時間差判斷傾斜角度θ的示意圖。
S500、S502...S512‧‧‧步驟

Claims (12)

  1. 一種定位方法，適用於一電子裝置用以定位一行動裝置，包括：決定上述行動裝置之一初步平面位置；獲得上述行動裝置之一傾斜角度；以及根據該傾斜角度，修正上述平面初步位置的一誤差而獲得上述行動裝置之一修正平面位置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之定位方法，更包括：獲得上述行動裝置和一第一參考裝置之間的一第一距離，以及上述第一參考裝置的一第一空間位置；獲得上述行動裝置和一第二參考裝置之間的一第二距離，以及上述第二參考裝置的一第二空間位置；根據上述修正平面位置、上述第一距離以及上述第一空間位置而判斷上述行動裝置之二可能垂直位置；以及根據上述修正平面位置、上述第二距離以及上述第二空間位置而判斷上述二可能垂直位置中之其一為上述行動裝置之一正確垂直位置；其中上述第一參考裝置和上述第一參考裝置的垂直位置不同。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之定位方法，其中，上述修正上述初步平面位置步驟包括藉由上述傾斜角度搜尋一查找表以得到上述平面初步位置的上述誤差。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之定位方法，其中，上述獲得上述傾斜角度步驟包括藉由上述電子裝置之一影像 感應器獲得上述行動裝置之影像，並且透過影像處理上述影像而判斷上述行動裝置之上述傾斜角度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之定位方法，其中，上述獲得上述傾斜角度步驟包括藉由接收上述行動裝置所傳送之訊號而獲得上述傾斜角度。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之定位方法，其中，上述決定上述初步平面位置步驟可藉由收訊時間法(Time of Arrival，TOA)、訊號接收角度(Angle of Arrival，AOA)、或訊號強度法(Received Signal Strength，RSS)技術而獲得。
  7. 一種電子裝置，包括：一傳收器，接收一行動裝置之第一訊號；以及一控制器，耦接上述傳收器，根據上述接收之第一訊號而決定上述行動裝置之一初步平面位置，獲得上述行動裝置之一傾斜角度，以及根據該傾斜角度，修正上述平面初步位置的一誤差而獲得上述行動裝置之一修正平面位置。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電子裝置，其中，上述控制器獲得上述行動裝置和一第一參考裝置之間的一第一距離，以及上述第一參考裝置的一第一空間位置，獲得上述行動裝置和一第二參考裝置之間的一第二距離，以及上述第二參考裝置的一第二空間位置，根據上述修正平面位置、上述第一距離以及上述第一空間位置而判斷上述行動裝置之二可能垂直位置，以及 根據上述修正平面位置、上述第二距離以及上述第二空間位置而判斷上述二可能垂直位置中之其一為上述行動裝置之一正確垂直位置；以及上述第一參考裝置和上述第一參考裝置的垂直位置不同。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之電子裝置，其中，上述控制器藉由上述傾斜角度搜尋一查找表以得到上述平面初步位置的上述誤差。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之電子裝置，更包括一影像感應器，耦接上述控制器，獲得上述行動裝置之影像，其中上述控制器透過影像處理上述影像而判斷上述行動裝置之上述傾斜角度。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之電子裝置，其中，上述傳收器藉由接收上述行動裝置所傳送之第二訊號而獲得上述傾斜角度。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之電子裝置，其中，上述決定上述初步平面位置步驟可藉由收訊時間法(Time of Arrival,TOA)、訊號接收角度(Angle of arrival)、或訊號強度法(Received Signal Strength,RSS)技術而獲得。
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