TWI454701B

TWI454701B - 定位估測方法與定位系統

Info

Publication number: TWI454701B
Application number: TW100114400A
Authority: TW
Inventors: Chi Ming Wu
Original assignee: Wistron Corp
Priority date: 2011-04-26
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2014-10-01
Also published as: CN102759355A; TW201243334A; CN102759355B

Description

定位估測方法與定位系統

本發明係指一種定位估測方法及相關定位系統，尤指一種可提升可靠度之定位估測方法及相關定位系統。

三維空間(Three Dimension，3D)定位技術已被廣泛使用在各種電子產品的應用中，習知的定位方式通常會使用兩種以上不同的慣性感測器互相搭配來達到物體定位的效果。然而，由於不同種類的慣性感測器會有不同的反應速度，反應時間當然隨之不同，如此一來，各慣性感測器的訊號輸出時間將不易達到一致。舉例來說，若陀螺儀的偵測時間為每度1/720秒，而重力感測器為每度1/1600秒，在此情況下，將造成物體在某一位置的定位資訊係由不同時間的感測訊號所估算出來的而產生錯誤的定位結果。

另一方面，由於慣性感測器通常係在運動狀態(時間連續)下進行感測，也就是說，感測訊號係透過對時間積分運算所推算出的訊號值。再者，通常慣性感測器本身會存在有些許的感測誤差，在此情況下，隨著時間的增長，感測誤差也隨者時間不斷的累積，因此，時間越久則所造成的誤差透過積分運算所得到的數值也更加龐大，如此一來，若將慣性感測器使用在長時間的感測運用中，將會產生不準確的感測結果。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種定位估測方法及相關定位系統。

本發明揭露一種定位估測方法，用於具有複數個慣性感測器之一定位系統，其中該複數個慣性感測器係設置於一物體上，該定位估測方法包含有利用該複數個慣性感測器感測該物體之運動狀態，以產生複數個感測訊號；根據一容錯臨限值，自該複數個感測訊號中選取出合於誤差範圍內之複數個候選感測訊號；以及根據該複數個候選感測訊號，計算出該物體之一估測位置。

本發明另揭露一種定位系統，用來估測出一物體之位置，其包含有複數個慣性感測器、一訊號處理單元及一位置運算單元。該複數個慣性感測器，設置於該物體上，用來感測該物體之運動狀態，以產生複數個感測訊號。該訊號處理單元包含有一訊號接收單元及一容錯偵測單元。該訊號接收單元，耦接於該複數個慣性感測器，用來接收該複數個感測訊號。該容錯偵測單元，耦接於該訊號接收單元，用來根據一容錯臨限值，自該複數個感測訊號中選取出合於誤差範圍內之複數個候選感測訊號。該位置運算單元，耦接於該容錯偵測單元，用來根據該複數個候選感測訊號，計算出該物體之一估測位置。

請參考第1圖，第1圖為本發明實施例之一定位系統10之示意圖。定位系統10用來估測出一物體OB之位置。定位系統10包含有慣性感測器IS1～IS3、一訊號處理單元102、一位置運算單元104。慣性感測器IS1～IS3係分別被設置於物體OB上，用來感測物體OB之運動狀態，以產生感測訊號S1～S3。訊號處理單元102包含有一訊號接收單元106、一容錯偵測單元108及一歸零重置單元110。訊號接收單元耦接於慣性感測器IS1～IS3，用來接收感測訊號S1～S3。容錯偵測單元108耦接於訊號接收單元106，用來根據一容錯臨限值，自感測訊號感測訊號S1～S3中選取出合於誤差範圍內之複數個候選感測訊號。歸零重置單元110耦接於慣性感測器IS1～IS3與容錯偵測單元108，用來控制慣性感測器IS1～IS3，以執行一歸零重置處理程序。位置運算單元104耦接於容錯偵測單元108，用來根據所選擇出之候選感測訊號，計算出物體OB之估測位置。換言之，定位系統10可估測出物體OB於三維空間中之相對應位置，如此一來，若透過定位系統10估測出物體OB於不同時間之位置後，即可決定出物體OB之運動軌跡。

關於定位系統10的詳細操作方式，請繼續參考以下說明。請參考第2圖，第2圖為本發明實施例之一流程20之示意圖。流程20包含有下列步驟：

步驟200：開始。

步驟202：利用慣性感測器IS1～IS3感測物體OB之運動狀態，以產生感測訊號S1～S3。

步驟204：根據容錯臨限值，自感測訊號S1～S3中選取出合於誤差範圍內之複數個候選感測訊號。

步驟206：根據所選取出候選感測訊號，計算出物體OB之估測位置。

步驟208：結束。

根據流程20，首先，分別利用慣性感測器IS1～IS3來感測物體OB之運動狀態，並據以產生感測訊號S1～S3(步驟202)。由於慣性感測器可能會因長時間所累計的感測誤差或設置位置的影響，甚至可能是發生故障的關係，而導致產生不正確的感測訊號。在此情況下，容錯偵測單元108可對訊號接收單元106所接收到之感測訊號S1～S3進行分析篩選，以根據一容錯臨限值，自感測訊號S1～S3中選取出合於誤差範圍內之候選感測訊號(步驟204)，接著，位置運算單元104再根據所選擇出的候選感測訊號，來計算出物體OB之估測位置(步驟206)。換言之，本發明運用容錯設計之方式來排除不當(超出容許誤差範圍)的感測訊號，以提升位置估測的可靠度，進而能獲得更準確的物體定位資訊。

進一步說明，在步驟204中，容錯偵測單元108可將全部的感測訊號區分為候選感測訊號或異常感測訊號。也就是說，容錯偵測單元108可根據容錯臨限值，將感測訊號S1～S3中合於誤差範圍內之感測訊號選擇作為候選感測訊號，以提供後續物體位置估測運算。同時，將超出誤差範圍之感測訊號選擇作為異常感測訊號，而不再作為後續物體位置估測運算之數據。舉例來說，請參考第3圖，第3圖為第1圖中之感測訊號S1～S3之訊號波形圖。假設容錯臨限值為TH，且在時間點T時，慣性感測器IS3因為感測異常而產生超出誤差範圍許多之感測訊號S3時，如第3圖所示，在時間點T時，慣性感測器IS3所感測出之感測訊號S3的訊號值與相鄰的慣性感測器IS2所感測出之感測訊號S2的訊號值之間存有很大的差異。因此，在步驟204中，容錯偵測單元108可比較每一感測訊號與其相鄰慣性感測器所對應之感測訊號，以計算出相對應之訊號差異值，當所計算出之訊號差異值小於容錯臨限值TH(亦即合於誤差範圍內)時，容錯偵測單元108將此感測訊號選為候選感測訊號。同理，當所計算出之訊號差異值不小於容錯臨限值TH(亦即超過誤差範圍)時，將此感測訊號選為異常感測訊號。換言之，容錯偵測單元108可選擇感測訊號S1與S2作為候選感測訊號SC1與SC2，並將感測訊號S3設定為異常感測訊號SAB1。接著，在步驟206中，位置運算單元104便僅根據候選感測訊號SC1與SC2，來計算物體OB之估測位置而能避免不當的數據來影響物體OB之位置估測。

此外，由於各慣性感測器係設置於同一物體上，且正常的感測器在同一時間點所感測到的感測訊號值通常不會差異太大。因此，容錯偵測單元108亦可透過比較每一感測訊號與其他感測訊號之訊號平均值，來計算出相對應的訊號差異值。當所計算出之訊號差異值小於容錯臨限值時，容錯偵測單元108可將相對應的感測訊號選為候選感測訊號。同理，當所計算出之訊號差異值不小於容錯臨限值時，則將相對應的感測訊號選為異常感測訊號。

另一方面，在步驟204中，當容錯偵測單元108選擇出異常感測訊號後，歸零重置單元110可控制對慣性感測器IS1～IS3，執行一歸零重置處理程序。舉例來說，透過歸零重置單元110之控制，慣性感測器IS1～IS3會於一歸零重置處理週期內暫時停止感測程序，如此一來，針對感測出異常感測訊號之慣性感測器來說，將可改善感測異常的情況，在後續的感測過程中，經過歸零重置處理之慣性感測器將可再度正確地感測物體的運動狀態。此外，為了消除慣性感測器因長時間所累計的感測誤差而導致產生不正確的感測訊號，即使定位系統10中之慣性感測器沒有產生超出誤差範圍之感測訊號，歸零重置單元110每隔一特定週期，依序對慣性感測器IS1～IS3執行歸零重置處理程序，如此一來，相當於將時間重新計算，在短時間內對物體位置估測做一次重置運算，而可消除因時間所帶來的感測誤差，以預防不正確感測訊號的發生。

此外，在步驟206中，位置運算單元104係根據所選擇出的候選感測訊號，來計算出物體OB之估測位置。例如，位置運算單元104可計算所選擇出之候選感測訊號之平均值，以決定出物體OB之估測位置。由於慣性感測器IS1～IS3係設置於物體OB上之不同位置，相對地，感測靈敏度也會有所不同。因此，位置運算單元104可根據一權重分配比例，對所選擇出的候選感測訊號進行加權運算，並據以決定出物體OB之估測位置。較佳地，前述權重分配比例係相對應於各相對應慣性感測器之設置位置，例如敏感度越小的位置給予較小的權重，反之亦然，如此一來，針對各慣性感測器的設置位置不同而給予不同的權重的方式，將可消除敏感度不均的影響，進而增加三維空間位置估測的可靠性。

值得注意的是，上述的例子僅為用來說明本發明之應用，並非本發明之限制條件，熟知此項技藝者應可了解，在不違背本發明之精神下，第2圖之流程中的步驟可再增加其他的中間步驟、可將數個步驟合併成單一步驟或是可省略部分步驟，以做適當之變化。當然，假若可得到大致相同的結果，則第2圖中的之流程20並非限定要依據第2圖中所示之順序來執行。此外，定位系統10係為本發明之一實施例，本領域具通常知識者當可據以做不同之變化。舉例來說，訊號接收單元106可透過無線或有線方式來連結至慣性感測器IS1～IS3以取得相對應之感測訊號。同理，歸零重置單元110亦可透過無線或有線方式來與慣性感測器IS1～IS3進行聯繫，以控制相對應之慣性感測器進行歸零重置處理。此外，本發明所述之慣性感測器不拘於任何種類及數量，凡是能提供物體運動之相關物理量資訊的裝置皆適用。舉例來說，無論是三軸加速感測器、重力感測器、陀螺儀或電子羅盤......等皆屬本發明可應用之範疇，但不以此為限。

以下進一步以應用於一電子筆為例來說明，請參考第4圖，第4圖為第1圖之定位系統10應用於一電子筆時之一示意圖。假設物體OB為一電子筆，慣性感測器IS1～IS3分別為一三軸加速感測器，容錯臨限值為TH。當使用者欲透過操作物體OB來進行立體繪圖時，透過定位系統10之運作將可估測出物體OB於不同時間之位置，如此一來，即可決定出物體OB之運動軌跡，而能實現繪圖的目的。詳細來說，首先，可利用慣性感測器IS1～IS3來感測物體OB之運動狀態，並據以產生感測訊號S1～S3。例如，在時間T時，感測訊號S1之訊號值為(X1，Y1，Z1)，感測訊號S2之訊號值為(X2，Y2，Z2)，感測訊號S3之訊號值為(X3，Y3，Z3)。接著，利用容錯偵測單元108將各感測訊號與其相鄰慣性感測器所對應之感測訊號進行比較。若感測訊號S1與S2間之訊號差異值小於容錯臨限值TH且感測訊號S3與S2間之訊號差異值大於容錯臨限值TH，容錯偵測單元108可選擇感測訊號S1與S2作為候選感測訊號SC1與SC2，並將感測訊號S3設定為異常感測訊號SAB1。接著，位置運算單元104便可依據候選感測訊號SC1與SC2，來計算物體OB之估測位置。當然，由於感測訊號S3之數據已超出容許誤差範圍，因此，將會被排除而不作為位置計算的基礎。此外，由於慣性感測器IS1較靠近筆尖處，感測敏感度可能較大，因此給予較大的權重比例。舉例來說，候選感測訊號SC1與SC2所對應的權重比例分別為W1與W2，其中W1大於W2，若物體OB在時間T時之估測位置為座標值(X，Y，Z)，則X=(W1＊X1)+(W2＊X2)，Y=(W1＊Y1)+(W2＊Y2)，Z=(W1＊Z1)+(W2＊Z2)。此外，由於存在了異常感測訊號SAB1，歸零重置單元110將會根據異常感測訊號SAB1，來控制對慣性感測器IS1～IS3執行歸零重置處理程序，重新進行時間積分運算，如此一來，感測出異常感測訊號SAB1之慣性感測器IS3將可據以消除原先運作時所累計的感測誤差。換言之，定位系統10除了能摒除不正確的感測訊號，避免影響正確位置的估測之外，更能對存有累計誤差的慣性感測器進行歸零重置處理程序，使其在後續的感測過程中，可再度正確的感測物體的運動狀態。

綜上所述，本發明運用容錯設計之方式來排除不正確的感測訊號，而能有效地提升位置估測的可靠度。另一方面，本發明更結合歸零重置處理來消除慣性感測器之累計誤差，並且針對各慣性感測器的設置位置不同而給予不同的權重的方式，以消除敏感度不均的影響，進而獲得更準確的物體定位資訊。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10‧‧‧定位系統

102‧‧‧訊號處理單元

104‧‧‧位置運算單元

106‧‧‧訊號接收單元

108‧‧‧容錯偵測單元

110‧‧‧歸零重置單元

20‧‧‧流程

200、202、204、206、208‧‧‧步驟

IS1~IS3‧‧‧慣性感測器

OB‧‧‧物體

S1~S3‧‧‧感測訊號

SAB1‧‧‧異常感測訊號

SC1~SC2‧‧‧候選感測訊號

第1圖為本發明實施例之一定位系統之示意圖。

第2圖為本發明實施例之一流程之示意圖。

第3圖為第1圖中之感測訊號之訊號波形圖。

第4圖為第1圖中之定位系統應用於電子筆時之示意圖。

20．．．流程

200、202、204、206、208．．．步驟

Claims

一種定位估測方法，用於具有複數個相同類型之慣性感測器之一定位系統，其中該複數個相同類型之慣性感測器係設置於一物體上，該定位估測方法包含有：利用該複數個相同類型之慣性感測器感測該物體之運動狀態，以產生複數個感測訊號；根據一容錯臨限值，自該複數個感測訊號中選取出合於誤差範圍內之複數個候選感測訊號；以及根據該複數個候選感測訊號，計算出該物體之一估測位置。
如請求項1所述之定位估測方法，其中根據該容錯臨限值，自該複數個感測訊號中選取出合於誤差範圍內之複數個候選感測訊號之步驟包含有：針對每一感測訊號，比較每一感測訊號與其相鄰慣性感測器所對應之感測訊號，以決定出一訊號差異值；以及當該訊號差異值小於該容錯臨限值時，選擇該相對應之感測訊號作為一候選感測訊號。
如請求項1所述之定位估測方法，其中根據該容錯臨限值，自該複數個感測訊號中選取出合於誤差範圍內之複數個候選感測訊號之步驟包含有：針對每一感測訊號，比較每一該感測訊號與其他感測訊號之一訊號平均值，以決定出一訊號差異值；以及當該訊號差異值小於該容錯臨限值時，選擇該相對應之感測訊號作為一候選感測訊號。
如請求項1所述之定位估測方法，其中根據該容錯臨限值，自該複數個感測訊號中選取出合於誤差範圍內之複數個候選感測訊號之步驟另包含有：將該複數個感測訊號中沒有被選取為候選感測訊號者，選擇作為一異常感測訊號；以及當存在有該異常感測訊號時，對該複數個相同類型之慣性感測器，執行一歸零重置處理程序。
如請求項4所述之定位估測方法，其中當存在有該異常感測訊號時，對該複數個相同類型之慣性感測器，執行該歸零重置處理程序之步驟包含有：於一歸零重置處理週期內，停止利用該複數個相同類型之慣性感測器感測該物體之運動狀態。
如請求項1所述之定位估測方法，其中根據該複數個候選感測訊號，計算出該物體之該估測位置之步驟包含有：根據一權重分配比例，對該複數個候選感測訊號進行加權運算，並據以決定出該物體之該估測位置。
請求項6所述之定位估測方法，其中該權重分配比例係相對應於該複數個相同類型之慣性感測器之位置。
如請求項1所述之定位估測方法，其中根據該複數個候選感測訊號，計算出該物體之該估測位置之步驟包含有：計算出該複數個候選感測訊號之一平均值，以決定出該物體之該估測位置。
如請求項1所述之定位估測方法，其另包含有：每隔一特定週期，依序對該該複數個相同類型之慣性感測器，執行一歸零重置處理程序。
一種定位系統，用來估測出一物體之位置，包含有：複數個相同類型之慣性感測器，設置於該物體上，用來感測該物體之運動狀態，以產生複數個感測訊號；一訊號處理單元，包含有：一訊號接收單元，耦接於該複數個相同類型之慣性感測器，用來接收該複數個感測訊號；以及一容錯偵測單元，耦接於該訊號接收單元，用來根據一容錯臨限值，自該複數個感測訊號中選取出合於誤差範圍內之複數個候選感測訊號；以及一位置運算單元，耦接於該容錯偵測單元，用來根據該複數個候選感測訊號，計算出該物體之一估測位置。
如請求項10所述之定位系統，其中該容錯偵測單元比較每一慣性感測器所感測到之感測訊號與其相鄰慣性感測器所對應之感測訊號，以決定出一訊號差異值，並於該訊號差異值小於該容錯臨限值時，選擇該相對應之感測訊號作為一候選感測訊號。
如請求項10所述之定位系統，其中該容錯偵測單元比較每一慣性感測器所感測到之感測訊號與其他慣性感測器所對應之感測訊號之一訊號平均值，以決定出一訊號差異值，並於該訊號差異值小於該容錯臨限值時，選擇該相對應之感測訊號作為一候選感測訊號。
如請求項10所述之定位系統，其中該容錯偵測單元將該複數個感測訊號中沒有被選取為候選感測訊號者，選擇作為一異常感測訊號。
如請求項10所述之定位系統，其中該訊號處理單元另包含有：一歸零重置單元，耦接於該複數個相同類型之慣性感測器與該容錯偵測單元，用來控制對該複數個相同類型之慣性感測器，執行一歸零重置處理程序。
如請求項14所述之定位系統，其中該歸零重置單元係於一歸零重置處理週期內，控制該該複數個相同類型之慣性感測器停止感測該物體之運動狀態。
如請求項14所述之定位系統，其中該歸零重置單元每隔一特定週期，依序對該該複數個相同類型之慣性感測器，執行一歸零重置處理程序。
如請求項10所述之定位系統，其中該位置運算單元根據一權重分配比例，對該複數個候選感測訊號進行加權運算，並據以決定出該物體之該估測位置。
如請求項17所述之定位系統，其中該權重分配比例係相對應於該複數個相同類型之慣性感測器之位置。
如請求項10所述之定位系統，其中該位置運算單元計算出該複數個候選感測訊號之一平均值，並據以決定出該物體之該估測位置。
如請求項10所述之定位系統，其中該複數個相同類型之慣性感測器係分別為一三軸加速感測器、一重力感測器、一陀螺儀或一電子羅盤。
如請求項10所述之定位系統，其中該複數個相同類型之慣性感測器係分別設置於該物體之不同位置。