TWI526708B - Indoor positioning system - Google Patents

Description

室內定位系統

本發明是有關於一種定位系統，特別是指一種室內定位系統。

全球衛星定位系統(Global Positioning System，簡稱GPS)為目前主流之定位技術，GPS是結合衛星及無線技術之導航系統，能提供使用者精確的定位。使用者只要在能接收到衛星訊號的地區，便可以方便地利用GPS取得定位及導航資訊。

然而，位於室內環境中的GPS接收器很可能由於建築物的遮蔽，導致GPS訊號的接收不良，因而無法進行定位。因此有需要發展出用於室內環境定位的定位技術。目前主要的室內定位技術包含地理標記定位法與距離估測定位法。

地理標記定位法所獲得的定位資訊為所處環境中一特定參考點的位置資訊，並非待定位點實際的位置資訊，故其定位精準度較低。距離估測定位法係透過同時接收來自多個基地台的電磁波訊號，藉由電磁波信號的強度來推估待定位點與各個基地台的距離，並進行相關運算以獲得定位資訊，但此種藉由電磁波信號強度所獲得的定位 資訊容易受環境之影響，像是溫度、反射造成的多通道效應等，導致定位精準度亦不高，故實有必要尋求一定位精準度較高的室內定位方法。

因此，本發明之目的，即在提供一種具有較高定位精準度的室內定位系統。

於是本發明室內定位系統，用於定位一可在一室內空間的一地面移動的待定位裝置，該室內定位系統包含至少三個參考物件及一定位裝置。

該等參考物件適於設置於該室內空間且分別位在不同的位置，該等參考物件各自能提供一對應的唯一特徵資訊，每一參考物件的特徵資訊相關於該參考物件所在位置相對於該室內空間之地面的一二維座標。

該定位裝置適於安裝於該待定位裝置，並包括一影像拍攝單元及一處理單元。該影像拍攝單元用於在每一預定時間期間內拍攝該等參考物件的至少一影像，該影像包含該等參考物件所提供之特徵資訊。該處理單元電連接該影像拍攝單元以便接收來自該影像拍攝單元的該影像，並根據該影像，獲得至少三個分別對應於該影像中之該等參考物件的像素位置，且根據該等像素位置及該影像拍攝單元於拍攝該影像時的焦距，估算出該等參考物件中之任意兩者相對於該影像拍攝單元所形成的一第一夾角以及不同於該第一夾角的一第二夾角，並根據該等參考物件之特徵資訊、該第一夾角及該第二夾角，估算出該待定位裝 置在該地面上一對應於該預定時間期間之位置的定位座標。

1‧‧‧待定位裝置

2、2a~2c‧‧‧參考物件

2a’、2b’、2c’‧‧‧成像之像素位置

2a”、2b”、2c”‧‧‧投影位置

20‧‧‧發光二極體單元

3‧‧‧定位裝置

31‧‧‧影像拍攝單元

311‧‧‧鏡頭模組

312‧‧‧感光模組

32‧‧‧速度感測單元

33‧‧‧顯示單元

34‧‧‧處理單元

35‧‧‧儲存單元

351‧‧‧查找表

300~302‧‧‧影像

100‧‧‧室內空間

101‧‧‧地面

102‧‧‧壁面

f‧‧‧焦距

ω ₁‧‧‧第一夾角

ω ₂‧‧‧第二夾角

θ ₁、θ ₂‧‧‧水平投影夾角

、‧‧‧垂直投影夾角

O‧‧‧中心

H‧‧‧水平中線

L1、L2、L3‧‧‧距離

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一上視示意圖，繪示一配置有本發明室內定位系統之第一實施例的室內環境；圖2是一方塊圖，說明本發明室內定位系統之第一實施例中的一定位裝置；圖3是一示意圖，繪示一由本發明室內定位系統之第一實施例的一影像拍攝單元拍攝三個參考物件的一影像；圖4是一示意圖，說明該影像拍攝單元所拍攝的圖3之影像的成像原理；圖5是一示意圖，說明圖4中分別對應該等三個參考物件且成像在一感光模組的像素位置相對於該感光模組的一水平中線的投影位置關係；圖6是一方塊圖，說明本發明室內定位系統之第二實施例中的一定位裝置；圖7是一示意圖，繪示由本發明室內定位系統之第二實施例的一影像拍攝單元拍攝三個參考物件的一影像；及圖8是一示意圖，繪示由本發明室內定位系統之第三實施例的一影像拍攝單元連續拍攝三個參考物件的多幅影像。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1、圖2與圖3，本發明室內定位系統之第一實施例適用於定位一可在一如停車場的室內空間100的一地面101上移動的待定位裝置1。在本實施例中，該待定位裝置1為一汽車，但不限於此。該室內定位系統包含多個參考物件2，2a，2b，2c及一定位裝置3。

該等參考物件2，2a，2b，2c設置於該室內空間100且分別位在不同的位置。例如，如圖1所示，該等參考物件2，以不被遮蔽之方式，分別設在該室內空間100中對應的樑柱或壁面上，而該等參考物件2a，2b，2c均設在同一壁面102上。該等參考物件2，2a，2b，2c各自提供一對應的唯一特徵資訊，該等參考物件2，2a，2b，2c之每一者的特徵資訊相關於其本身所在位置相對於該室內空間100的地面101的一二維座標。在本實施例中，該等參考物件2，2a，2b，2c的每一者包含，例如，一作為其特徵資訊的唯一二維條碼，而該二維條碼可為圖3所示的快速回應碼(Quick Response Code，簡稱QR code)。然而，在其他實施例中，該等參考物件2，2a，2b，2c的每一者所提供的唯一特徵資訊亦可為一條碼。因此，本實施例的該等參考物件2，2a，2b，2c的每一者可被實施為一印有其對應特徵資訊(QR code)的標籤，且該標籤係黏貼在該室內空間100中之對應樑柱或牆壁上的一適當位置上，藉 此，該標籤所黏貼的位置即為該參考物件2，2a，2b，2c的所在位置。

該定位裝置3可拆離地安裝於該待定位裝置1，並包括一影像拍攝單元31、一速度感測單元32、一顯示單元33及一電連接該影像拍攝單元31、該速度感測單元32及該顯示單元33的處理單元34。在本實施例中，該定位裝置3可被實施為一智慧型手機，但不限於此。

在本實施例中，該影像拍攝單元31包括一鏡頭模組311及一如CMOS或CCD的感光模組312。該影像拍攝單元31可在每一預定時間期間內拍攝該等參考物件2，2a，2b，2c其中至少三者的一影像，例如，該影像拍攝單元31在圖1中所示之該待定位裝置1的所在位置所拍攝到的三個參考物件2a，2b，2c的影像300(見圖3)，並將該影像輸出至該處理單元34。例如，該影像300包含該等參考物件2a，2b，2c所提供之特徵資訊，即該等對應的QR code。

該速度感測單元32是用來感測該待定位裝置1移動的一加速度及一角加速度以產生一指示該加速度與該角加速度的感測信號，且將該感測信號輸出至該處理單元34。

該處理單元34接收來自該影像拍攝單元31的該影像。依照圖3的例子，該處理單元34根據該影像300，獲得三個分別對應於該影像300中所包含之該等參考物件2a、2b、2c的像素位置，即圖4中的分別對應該等參考 物件2a、2b、2c成像在該感光模組312上的像素位置2a’，2b’，2c’，且根據該影像300被拍攝時該鏡頭模組311的焦距f(見圖5)及該等像素位置2a’，2b’，2c’，估算出該等參考物件2a，2b，2c中之任意兩者相對於該影像拍攝單元31所形成的一第一夾角，例如，相關於該等參考物件2b，2c的該第一夾角ω ₁(見圖4)，以及不同於該第一夾角的一第二夾角，例如，相關於該等參考物件2a，2b的該第二夾角ω ₂(見圖4)。由圖4可知，夾角ω ₁、ω ₂，即該第一及第二夾角，是三維夾角，其可由一二維夾角分量，例如，在一平行該地面101的水平面上的夾角分量(簡稱為水平投影夾角)θ ₁、θ ₂，及一二維夾角分量，例如，在一垂直於該地面101之垂直方向的夾角分量(簡稱為垂直投影夾角)、所組成。由於該處理單元34所估算出的一定位座標是一相對於該室內空間100的地面101的二維座標，因此，該處理單元34藉由將該等像素位置2a’，2b’，2c’投影至一平行該地面101且通過該感光模組312之中心O的一水平中線H上，而獲得如圖4中所示的投影位置2a”，2b”，2c”，並分別計算出該等投影位置2a”，2b”，2c”與該感光模組312之中心O的距離L ₁ 、L ₂ 及L ₃ (見圖5)。因此，藉由該等距離L ₁ 、L ₂ 、L ₃ 、該鏡頭模組311之焦距f(見圖5)，及以下公式(1)、(2)計算出該水平投影夾角θ ₁、θ ₂以獲得該等參考物件2a，2b，2c與該影像拍攝單元31之該水平投影夾角θ ₁、θ ₂。

此外，該處理單元34還自該影像300擷取三個分別對應該等參考物件2a、2b、2c之特徵資訊(亦即，該等QR code)，且解碼該等QR code以分別獲得對應該等參考物件2a、2b、2c所在位置相對於該地面101之該等二維座標(x ₁,y ₁)，(x ₂,y ₂)，(x ₃,y ₃)，例如，該等二維座標(x ₁,y ₁)，(x ₂,y ₂)，(x ₃,y ₃)分別為(27,14)、(27,17)、(27,12)(見圖1)，且根據該等二維座標(x ₁,y ₁)、(x ₂,y ₂)、(x ₃,y ₃)、及該水平投影夾角θ ₁、θ ₂及下列公式(3)，估算出該待定位裝置1在該地面101上對應於該預定時間期間之位置的該定位座標(p,q)。

在本實施例中，為了加速處理單元34計算出公式(3)之p、q值的計算時間，該處理單元34可利用習知的泰勒展開法以簡化公式(3)中的各個方程式，並利用習知的最小平方估測法計算出簡化後之方程式的p、q值，但不以此為限。該處理單元34在估算出該待定位裝置1的定位座標(p,q)後，可將相關於該定位座標(p,q)的定位資訊顯示於該顯示單元33。

此外，對於移動中該待定位裝置1，該處理單元34亦可利用一已知的慣性定位法，根據前述估算出的定位座標，估算出該待定位裝置1對應於下一個預定時間期間的一位置的一定位座標。

以下將進一步說明該處理單元34如何利用該慣性定位法來估算出該待定位裝置1在該下一個預定時間期間的該定位座標。

該處理單元34根據在目前的預定時間期間內所接收到來自該速度感測單元32的該感測信號、該預定時間期間及該待定位裝置1對應於該目前預定時間期間所估算出的定位座標，估算出該待定位裝置1在該地面101上對應於該下一個預定時間期間的定位座標。

值得特別說明的是，若該影像拍攝單元31在該下一個預定時間期間所拍攝到的一影像包含至少三個參考物件，則該處理單元34可利用該影像的定位方式，或配合地利用該慣性定位法來估算出該待定位裝置1在該下一個預定時間期間的定位座標。理想地，藉由利用該等參考物件2的定位方式所獲得的該定位座標會相同於藉由該慣性定位法所獲得的該定位座標。然而，對於移動中該待定位裝置1，一旦該影像拍攝單元31在該下一個預定時間期間所拍攝到的該影像中所包含的參考物件少於三個參考物件時，則該處理單元34只能利用該慣性定位法來估算出該待定位裝置1在該下一個預定時間期間的定位座標。

參閱圖1、圖6與圖7，本發明室內定位系統之第二實施例大致上是與該第一實施例相同，相同之處不在贅言，其中不同之處在於：該等參考物件2，2a，2b，2c的每一者包含一作為該特徵資訊的唯一特徵圖案。因此，本實施例的該等參考物件2，2a，2b，2c的每一者可被實 施為，例如，一印有其對應之特徵圖案的標籤，但不限於此。此外，該定位裝置3還包括一電連接該處理單元34的儲存單元35。

該儲存單元35儲存一特徵圖案對二維座標的查找表351，該查找表351包含該等參考物件2，2a，2b，2c的該等特徵圖案、及分別對應於該等特徵圖案且分別對應於該等參考物件2，2a，2b，2c所在位置相對於該地面101之該等二維座標。例如，圖7所示為一由該影像拍攝單元31所拍攝的影像301，而表1是一對應圖7的示例查找表351。

當該處理單元34接收來自該影像拍攝單元31的一影像，例如，圖7所示之影像301時，該處理單元34辨識出該影像301中分別對應該等參考物件2a，2b，2c的該等特徵圖案，並根據該儲存單元35所儲存的該查找表351，獲得該等參考物件2a，2b，2c所在位置相對於該地面101之該等二維座標。

參閱圖1、圖2與圖8，本發明室內定位系統之第三實施例大致上是與該第一實施例相同，相同之處不在 贅言，其中不同之處在於：該等參考物件2，2a，2b，2c的每一者包含一可操作在一發光狀態及一熄滅狀態其中之一者的發光體。該等參考物件2，2a，2b，2c的每一者可被實施為，例如，一燈具，且每一發光體可為一發光二極體單元(簡稱為LED單元)20，但不限於此。在本實施例中，對於每一參考物件2，2a，2b，2c，於每一該預定時間期間，該LED單元20被控制在該發光狀態與該熄滅狀態之間切換，以便在該預定時間期間內產生一作為該特徵資訊且表示該參考物件2，2a，2b，2c所在位置相對於該地面101之該二維座標的唯一N-位元編碼資料，N≧2。

此外，在本實施例中，該影像拍攝單元31於該預定時間期間內連續拍攝該等參考物件2，2a，2b，2c中至少三者的N幅影像，例如，圖8所示連續拍攝該等參考物件2a，2b，2c的10(N=10)幅影像302，並將該等N幅影像依序輸出至該處理單元34。

依照圖8的例子，即N=10，該處理單元34依序接收來自於該影像拍攝單元31的該等10幅影像302，自該等10幅影像302之每一者中擷取三個分別對應該等參考物件2a，2b，2c之該等發光二極體單元20的影像部分，並根據該等10幅影像302中對應該等參考物件2a，2b，2c中每一者之該發光二極體單元20的該等影像部分，獲得對應於該等參考物件2a，2b，2c中每一者之特徵資訊的該10-位元編碼資料，且將該等10-位元編碼資料解碼，以獲得分別對應該等參考物件2a，2b，2c所在位置相對於該地面101 之該等二維座標。

舉例來說，若N=10，則在每一10-位元編碼資料中，對應前5位元的資料部分，例如，可代表一二維座標的x軸座標成分，而對應後5位元的資料部分，例如，可代表該二維座標的y軸座標成分，但不限於此。例如，一對應該參考物件2a的10-位元編碼資料表示為”1101101110”，則此10-位元編碼資料經該處理單元34依照上述方式解碼後所獲得的二維座標即為(27，14)(見圖1)。

綜上所述，在本發明的室內定位系統中，由於該等參考物件2，2a，2b，2c各自能提供相關於其所在位置的特徵資訊，該處理單元34可利用該影像拍攝單元31所拍攝之影像或配合地使用慣性定位法來定位該待定位裝置1。此外，藉由增加該等參考物件2，2a，2b，2c的數量，能有效地提高定位的精確度。因此，相較於習知的地理標記定位法與距離估測定位法，本發明之室內定位系統確實能以相對簡單的運算處理，並同時能達到具較高精準度之定位功能，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，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專利說明書內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內。

1‧‧‧待定位裝置

2、2a~2c‧‧‧參考物件

3‧‧‧定位裝置

100‧‧‧室內空間

101‧‧‧地面

102‧‧‧壁面

Claims (8)

1. 一種室內定位系統，用於定位一可在一室內空間的一地面上移動的待定位裝置，該室內定位系統包含：至少三個參考物件，適於設置於該室內空間且分別位在不同的位置，該等參考物件各自能提供一對應的唯一特徵資訊，每一參考物件的特徵資訊相關於該參考物件所在位置相對於該室內空間之地面的一二維座標；及一定位裝置，適於安裝於該待定位裝置，並包括一影像拍攝單元，用於在每一預定時間期間內拍攝該等參考物件的至少一影像，該影像包含該等參考物件所提供之特徵資訊，及一處理單元，電連接該影像拍攝單元以便接收來自該影像拍攝單元的該影像，並根據該影像，獲得至少三個分別對應於該影像中之該等參考物件的像素位置，且根據該等像素位置及該影像拍攝單元於拍攝該影像時的焦距，估算出該等參考物件中之任意兩者相對於該影像拍攝單元所形成的一第一夾角以及不同於該第一夾角的一第二夾角，並根據該等參考物件之特徵資訊、該第一夾角及該第二夾角，估算出該待定位裝置在該地面上一對應於該預定時間期間之位置的定位座標。
2. 如請求項1所述的室內定位系統，其中，每一參考物件包含一作為其特徵資訊的唯一二維條碼，且該處理單元可操作來解碼該二維條碼而獲得該參考物件所在位置相對於該地面之該二維座標。
3. 如請求項2所述的室內定位系統，其中，每一參考物件的二維條碼為一快速回應碼。
4. 如請求項1所述的室內定位系統，其中：每一參考物件包含一作為該特徵資訊的唯一特徵圖案；該定位裝置還包括一電連接該處理單元的儲存單元，該儲存單元儲存一特徵圖案對二維座標的查找表，該查找表包含該等參考物件的該等特徵圖案、及分別對應於該等特徵圖案且分別對應於該等參考物件所在位置相對於該地面之該等二維座標；及該處理單元可操作來辨識出該影像中的該等特徵圖案，並根據該儲存單元所儲存的該查找表，獲得該等參考物件的該等二維座標。
5. 如請求項1所述的室內定位系統，其中：每一參考物件包含一可操作在一發光狀態及一熄滅狀態其中之一者的發光體，且對於每一參考物件，於該預定時間期間，該發光體被控制在該發光狀態與該熄滅狀態之間切換，以便產生一作為該特徵資訊且表示該參考物件所在位置相對於該地面之該二維座標的唯一N-位元編碼資料，N≧2；該影像拍攝單元於該預定時間期間內連續拍攝該等參考物件的N個影像，並將該等N個影像依序輸出至該處理單元；及該處理單元依序接收來自於該影像拍攝單元的該等 N個影像，自該等N個影像之每一者中擷取至少三個分別對應該等參考物件之該等發光體的影像部分，並根據該等N個影像中對應每一參考物件之該發光體的該等影像部分，獲得對應於該參考物件之特徵資訊的該N-位元編碼資料。
6. 如請求項5所述的室內定位系統，其中，每一發光體為一發光二極體單元。
7. 如請求項1所述的室內定位系統，其中，該等特徵資訊分別包含該等二維座標，該處理單元還根據下列公式估算出該待定位裝置在該地面上之位置的定位座標(p,q)： 其中，(x ₁,y ₁)、(x ₂,y ₂)及(x ₃,y ₃)分別表示該等參考物件所在位置相對於該地面的該等二維座標，θ ₁代表該第一夾角相對於一平行該地面之水平面的二維夾角分量，θ ₂代表該第二夾角相對於該水平面的二維夾角分量。
8. 如請求項1所述的室內定位系統，其中：該定位裝置還包括一速度感測單元，電連接該處理單元並可感測該待定位裝置移動的一加速度及一角加速度以產生一指示該加速度與該角加速度的感測信號，且將該感測信號輸出至該處理單元；及該處理單元根據來自該速度感測單元的該感測信號 、該預定時間期間及該定位座標，估算出該待定位裝置在該地面上一對應於下一個預定時間期間的一位置之定位座標。