TWI528046B

TWI528046B - 室內定位系統及方法

Info

Publication number: TWI528046B
Application number: TW103120719A
Authority: TW
Inventors: 陳俊良; 張凡生; 王辰修; 馬奕葳; 湯嘉倫
Original assignee: 陳俊良
Priority date: 2014-06-16
Filing date: 2014-06-16
Publication date: 2016-04-01
Also published as: TW201600873A

Description

室內定位系統及方法

本發明是有關於一種室內定位系統及方法，特別是有關於一種利用指向性天線配合多點定位進行準確定位的系統及方法。

現今之定位系統已廣泛應用於工程、醫療、追蹤、個人定位等民生用途上，其定位方式包含GPS定位系統與無線基地台定位等，其中GPS雖可於地球表面絕大部分地區(98%)提供準確的定位，然而GPS於室內中卻容易受到環境佈局等干擾因素，導致無法使用GPS進行室內定位。

近年來發展出適用於室內環境的無線定位來輔助甚至取代GPS於室內定位的角色，其中又以指紋比對法，即透過事先訓練量測環境中不同位置的無線定位訊號樣式，於定位時從訓練的樣式中選出與當前訊號相似者來估測目標位置之方式最為廣泛應用，然而指紋定位系統於環境特徵值較相似或是較單純之室內場域中，僅依靠偵測某些特定無線基地台(Access Point)之訊號值來當作比對之參考依據，容易造成誤判且提升誤差率。

本發明提供之室內定位系統，結合指紋定位以及多點定位之演算機制，記錄無線基地台(Access Point)來源訊號對於四支指向性天線之訊號強弱值，並將原本於接收端之全向性天線改成指向性天線，讓每次樣式訓練中能夠增加四種方位的定位資訊，無論是環境特徵較為複雜或是單純之室內場景，皆可透過指紋定位與指向性天線之結合方式，使此定位系統具高適應性與高精準度等特性。

有鑑於前述問題，本發明提出一種室內定位方法，其包含：控制一定位裝置之複數個指向性天線分別對複數個無線基地台進行掃描以接收複數個訊號之RSSI值；將所接收之複數個該訊號之RSSI值與一n值表比對並利用一RSSI距離公式計算得到該定位裝置與複數個該無線基地台之間的複數個距離，再利用複數個該距離進行一多點定位步驟而獲得一初步定位位置；以及將所接收之複數個該訊號之RSSI值與一參考點表進行比較而取得一參考範圍，將落在該參考範圍內之該初步定位位置作為一最終定位位置；其中該n值表係為複數個該訊號之RSSI值與複數個環境衰減因子的對應關係，該RSSI距離公式係為該訊號之RSSI值與該距離的函數關係，該參考點表係為複數個參考點之位置與複數個預設訊號之RSSI值的對應關係。

較佳地，其中複數個該無線基地台之數量係為三個以上。

較佳地，其中該多點定位步驟係包含將複數個該距離作為半徑，以複數個該無線基地台之位置作為圓心，畫出複數個圓並以複數個該圓之複數個交點定義一初步範圍，將該初步範圍之幾何中心點作為該初步定位位置。

較佳地，其中複數個該預設訊號之RSSI值係藉由位於各該參考點上的複數個該指向性天線對應複數個該無線基地台所量測得到。

較佳地，其中該藍芽模組係藉由控制高低電壓差以切換複數個該指向性天線。

對應於前述方法，本發明亦提出一種室內定位系統，其包含：一定位裝置，包含複數個指向性天線以及一藍芽模組，複數個該指向性天線分別對複數個無線基地台進行掃描以接收複數個訊號之RSSI值；以及一管理器，包含一WiFi模組，並藉由該藍芽模組控制該定位裝置且利用該WiFi模組接收複數個該訊號之RSSI值；其中該管理器將複數個該訊號之RSSI值與一n值表比對並利用一RSSI距離公式計算得到該定位裝置與複數個該無線基地台之間的複數個距離，將複數個該距離進行一多點定位步驟而獲得一初步定位位置，且該管理器將所接收之複數個該訊號之RSSI值與一參考點表進行比較而取得一參考範圍，將落在該參考範圍內之該初步定位位置作為一最終定位位置，其中該n值表係為複數個該訊號之RSSI值與複數個環境衰減因子的對應關係，該RSSI距離公式係為該訊號之RSSI值與該距離的函數關係，該參考點表係為複數個參考點之位置與複數個預設訊號之RSSI值的對應關係。

較佳地，其中複數個該無線基地台之數量係為三個以上。

承上所述，本發明之室內定位系統及方法可具有一或多個下述優點：

(1)此室內定位系統將原本於接收端之全向性天線改成指向性天線以獲得訊號源之方向，並配合接收該訊號之訊號強度指標(Received Signal Strength Indication,RSSI)作為推測訊號源與接收器之間距離的判斷基礎，進而快速獲得定位結果。

(2)此室內定位系統可藉由多點定位(Multilateration Algorithm)進行初步定位，並進一步將初步定位修正而獲得更準確之最終定位位置。

有關本發明所採用之技術、手段及其功效，茲舉一較佳實施例並配合圖式詳述如後，此僅供說明之用，在專利申請上並不受此種結構之限制。

10‧‧‧定位系統

100‧‧‧定位裝置

101‧‧‧無線控制模組

102‧‧‧藍芽模組

121‧‧‧射頻開關

200‧‧‧管理器

201‧‧‧WiFi模組

202‧‧‧資料庫

300‧‧‧無線基地台

Ant1~Ant4‧‧‧指向性天線

Vcont1、Vcont2、V_DD‧‧‧電壓

第1圖顯示本發明實施例之室內定位系統10之示意圖。

第2圖顯示本發明實施例之無線控制模組101之平面示意圖。

第3圖顯示本發明實施例之定位裝置所在預設環境之示意圖。

第4圖顯示本發明實施例之室內定位方法之建立定位資料庫的流程圖。

第5圖顯示本發明實施例之室內定位方法之實際定位時的定位流程。

以下將參照相關圖式，說明依本發明之室內定位系統之實施例，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。

請參考第1圖，其繪示本發明實施例之室內定位系統10之示意圖。室內定位系統10包含有定位裝置100、管理器200及多個無線基地台300。定位裝置100包含無線控制模組101、藍芽模組102以及用來傳送與接收訊號之指向性天線Ant1~Ant4。管理器200包含WiFi模組201及資料庫202。較佳地，管理器200可為筆記型電腦，且該管理器200具有藍芽傳輸部(未顯示)以連結藍芽模組102。指向性天線Ant1~Ant4可分別朝向不同方向設置，定位裝置100可利用指向性天線Ant1~Ant4掃描並接收無線基地台300所傳送之訊號，並據以決定定位裝置100之所在位置。

進一步說明，請參考第2圖，其繪示本發明實施例之無線控制模組101之平面示意圖。如第2圖所示，本發明實施例之無線控制模組101可切換四種方向的指向性天線Ant1~Ant4。輸入輸出端(I/O)111可與管理器200之無線傳輸部(未顯示)進行連結，較佳地，該無線傳輸部可為外接式無線收發器(WiFi Dongle)。射頻開關(RF Switch)121電性連接至指向性天線Ant1~Ant4及輸入輸出端111。電壓VDD為無線控制模組101之電源電壓。當進行接收或傳送訊號時，管理器200發送指定之藍芽指令至藍芽模組102，以藉由藍芽模組102透過射頻開關121控制指向性天線Ant1~Ant4。該藍芽模組102可藉由控制Vcont1、Vcont2高低電壓差而切換指向性天線Ant1~Ant4。舉例而言，如下方表1及表2所示。

表1為管理器200發送指定之藍芽指令的對照表。表2為射頻開關121切換電壓之對照表。

藍芽模組102接收管理器200所發送之切換指向性天線之請求後，藍芽模組102將該藍芽指令傳送給無線控制模組101，藉由施加至射頻開關121之電壓Vcont1及Vcont2，控制指向性天線Ant1~Ant4的開啟或關閉。其中藍芽指令(s1on)指定Vcont1、Vcont2為低電壓，控制無線控制模組101切換至指向性天線Ant1；藍芽指令(s2on)指定Vcont1為低電壓而Vcont2為高電壓，控制無線控制模組101切換至指向性天線Ant2；藍芽指令(s3on)指定Vcont1為高電壓而Vcont2為低電壓，控制無線控制模組101切換至指向性天線Ant3；藍芽指令(s3on)指定Vcont1、Vcont2為高電壓，控制無線控制模組101切換至指向性天線Ant4。

請一併參考第3圖及第4圖，第3圖繪示本發明實施例之定位裝置所在預設環境之示意圖，第4圖繪示本發明實施例之室內定位方法之建立定位資料庫的流程圖。在進行定位流程之前，需要先進行環境建置，即藉由管理器200進行建立定位資料庫202之流程，資料庫202包含參考點表及n值表。該建立資料庫202之流程步驟包含如下。

步驟S301，設定環境參考點。其藉由管理器200輸入所在環境之室內環境參數，該室內環境參數包含區域大小、指定之無線基地台名稱等，管理器200會將所在環境之區域分割成複數個子區域，該複數個子區域分別以複數個參考點表示。如第3圖所示，複數個子區域分別以參考點P₁~P₃表示，且定位裝置100被置於該預設地圖的中央處。在該預設地圖之複數個子區域內隨機設置有複數個無線基地台300。

步驟S302，位於參考點上，接收環境中各指向性天線Ant1~Ant4之訊號之RSSI值。其藉由定位裝置100位於各參考點上，控制指向性天線Ant1~Ant4接收來自複數個無線基地台300所發射之複數個訊號之RSSI值，管理器200將該複數個訊號之RSSI值儲存為複數個預設訊號之RSSI值。

步驟S303，儲存各參考點之位置與位於各參考點上所接收之訊號之RSSI值作為資料庫之參考點表。其藉由將步驟S302中定位裝置100測量之訊號之RSSI值及其所對應的參考點之位置的對應關係製作成參考點表，該參考點表係如下表3所示。

表3為本發明之參考點表。其中P₁~P₃表示各參考點之位置，AP₁~AP₃表示各無線基地台之名稱。舉例而言，在參考點P₁上，指向性天線Ant1分別對各無線基地台AP₁~AP₃接受無線訊號，測量到的無線訊號之強度值RSSI分別為v1_11~v1_13；指向性天線Ant2分別對各無線基地台AP₁~AP₃無線訊號，測量到的無線訊號之強度值RSSI分別為v2_11~v2_13；指向性天線Ant3分別對各無線基地台AP₁~AP₃接受無線訊號，測量到的無線訊號之強度值RSSI分別為v3_11~v3_13；以及指向性天線Ant4分別對各無線基地台AP₁~AP₃接受無線訊號，測量到的無線訊號之強度值RSSI分別為v4_11~v4_13。因此，位於參考點P₁之位置接受到無線基地台AP₁之訊號強度值RSSI(v1_11,v2_11,v3_11,v4_11)則儲存為預設RSSI強度值；位於參考點P₁之位置所接受到無線基地台AP₂之訊號強度值RSSI(v1_12,v2_12,v3_12,v4_12)則儲存為預設RSSI強度值；位於參考點P₁之位置所接受到無線基地台AP₃之訊號強度值RSSI(v1_13,v2_13,v3_13,v4_13)則儲存為預設RSSI強度值。同理而言，位於參考點P₂之位置所接受到無線基地台AP₁~AP₃之訊號強度值RSSI(v1_21,v2_21,v3_21,v4_21)、(v1_22,v2_22,v3_22,v4_22)、(v1_23,v2_23,v3_23,v4_23)則分別儲存為預設RSSI強度值；以此類推，管理器200可計算並獲得本發明之參考點表。

步驟S304，利用資料庫中之訊號之RSSI值建立n值表。其藉由定位裝置100針對各無線基地台300進行單位公尺的訊號之RSSI值量測，即每一公尺記錄一量測值，並將該結果代入RSSI距離公式中以計算出本發明之定位裝置100位於該環境下的訊號之RSSI值值與功率衰減因子的對應關係，並將其儲存於資料庫中作為n值表，該RSSI距離公式及該n值表如下式1及表4所示。

式1 L(d)=L₀-10nlog(d)

其中L(d)為定位裝置距離指定之無線基地台d公尺之訊號值；L₀為單位公尺之訊號值；n為功率衰減因子；d為定位裝置與指定之無線基地台的距離。且多個基地台係對應具有多個n值表。

表4

其中X₁~X_n係為對指定之無線基地台所測得的訊號之RSSI值；N₁~N_n係為對指定之無線基地台的功率衰減因子。

請參考第5圖，其繪示本發明實施例之室內定位方法之實際定位時的定位流程，該實際定位流程步驟包含如下。

步驟S401，取得環境中各無線基地台之訊號之RSSI值。位於未知位置之本發明的定位裝置100之指向性天線Ant1~Ant4進行接收訊號之RSSI值，並將所獲得之訊號之RSSI值儲存於管理器200中。

步驟S402，將所接收之訊號之RSSI值與資料庫所建立之n值表進行比對，以取得初步距離。其藉由n值表中訊號之RSSI值與功率衰減因子之對應關係查得在該環境中之各無線基地台的對應功率衰減因子，即n值，接著將測得之訊號之RSSI值及n值代入上式1中以求得與指定之無線基地台之間的距離，管理器200將該距離儲存並定義為初步距離。

步驟S403，利用所取得之初步距離進行多點定位，計算出初步定位位置。管理器200將在步驟S402中計算出的與複數個無線基地台之間的複數個初步距離作為半徑，將複數個無線基地台之位置作為圓心，據此畫出複數個圓並以複數個該圓之複數個交點定義初步範圍，將該初步範圍之幾何中心點作為初步定位位置。

步驟S404，將訊號之RSSI值與資料庫中的各參考點進行距離比對以圍出參考範圍。管理器200將在步驟S401中所測得的複數個訊號之RSSI值與資料庫中之參考點表之各參考點進行比對，篩選出最接近之複數個參考點並將複數個該參考點所圍出之範圍定義為參考範圍。其中篩選方法係利用阿基里德距離公式計算出距離最接近之複數個參考點。舉例而言，假設本發明實施例之定位裝置100之指向性天線Ant1在未知位置接收到位於區域中的四台無線基地台所發出訊號之RSSI值分別為(v1_1,v1_2,v1_3,v1_4,)。其中該區域係分割成X個子區域，且X個子區域對應X個參考點。因此，在如上所述之資料庫中之各參考點對應四台無線基地台發出訊號之RSSI值分別為：參考點P₁(v1_11,v1_12,v1_13,v1_14)、參考點P₂(v1_21,v1_22,v1_23,v1_24)、...、參考點P_x(v1_x1,v1_x2,v1_x3,v1_x4)。因此，位於未知位置之定位裝置100至各參考點之未知距離可利用阿基里德距離公式計算得出。

因此，本發明的定位方法之取得參考範圍之計算方法如下。藉由管理器200進行計算，獲得定位裝置100至參考點P₁之阿基米德距離為定位裝置100至參考點P₂之阿基米德距離為而定位裝置100至參考點P_x之阿基米德距離為接著，挑選所有歐基里德距離之中最小的四個歐基里德距離，將其所對應之四個參考點視為最接近目標物之複數個參考點，將四個該參考點連線所圍的區域定義為參考範圍。

步驟S405，判斷初步定位位置是否在參考範圍內，若超出該參考範圍，則改用該參考範圍內中心點位置作為最終定位結果。將步驟S403所獲得之初步定位位置與步驟S404所獲得之參考範圍進行比對，若其比對結果相符合，即初步定位位置在參考範圍內，則將初步定位位置視為最終定位結果。但若其比對結果不相符，即初步定位位置不在參考範圍內，則利用參考範圍內中心點位置定義為最終定位結果。

承上所述，本發明之室內定位系統及方法可將原本於接收端之全向性天線改成指向性天線以獲得訊號源之方向，並配合接收訊號強度指標RSSI作為推測訊號源與接收器之間距離的判斷基礎，進而快速獲得定位結果。並且，此室內定位系統可藉由多點定位進行初步定位，再將該初步定位修正為該參考範圍內之中心點而獲得更準確之最終定位位置。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本創作之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。