TWI630404B - 定位追蹤系統及其方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種定位追蹤系統及其方法。在此系統中，電力傳送單元基於磁共振技術提供電力給電力接收單元。而電力接收單元適性選擇一個電力傳送單元來接收電力，並對應利用藍芽連結來廣播廣播資訊。這些電力傳送單元接收此廣播資訊，以分別取得相對於那些電力接收單元的位置資訊後，即可基於這些位置資訊決定電力接收單元的位置。藉此，僅需變動軟體設計，即可在無線充電技術中導入定位功能。

Description

定位追蹤系統及其方法

本發明是有關於一種定位技術，且特別是有關於一種基於磁共振(Magnetic Resonance，MR)技術的定位追蹤系統及其方法。

出門在外，人們已經習慣透過衛星導航系統(例如，全球定位系統(Global Positioning System，GPS)、全球導航衛星系統(GLONAS)、北斗衛星導航系統等)來得知所在位置。而在現行管理需求日益增加的情況下，針對使用者或物品的進出入管理及位置追蹤亦有其必要性。然而，當人們處於室內環境或其他無法接收到衛星信號的環境，便無法透過習用的衛星導航系統來定位。因此，相關業者已積極開發前述環境下的定位方案。

另一方面，為了提升方便性，越來越多行動裝置(例如，智慧型手機、平板電腦等)配備有無線充電功能，從而擺脫使用充電線的困擾。以磁共振(Magnetic Resonance，MR)無線充電技術為例，行動裝置係作為電力接收單元(Power Receiving Unit，PRU)以透過耦合共振接收電力傳送單元(Power Transmitting Unit，PTU)所提供電力。雖然現行無線充電技術的充電效率略遜於有線充電，但隨著大量廠商投入研發，其相當有機會成為未來電子產品的主要功能。

有鑑於此，本發明提供一種定位追蹤系統及其方法，其對磁共振(MR)無線充電技術導入定位功能，從而實現室內定位同時充電之雙重功能。

本發明的定位追蹤方法，適用於透過數個電力傳送單元定位一個電力接收單元，這些電力傳送單元係基於磁共振技術傳輸電力至電力接收單元，而此方法包括下列步驟。電力接收單元適性選擇一個電力傳送單元來接收電力，並對應利用一條藍芽連結來廣播資訊。電力接收單元接收此廣播資訊，以分別取得相對於電力接收單元的三個位置資訊。基於那些位置資訊決定電力接收單元的位置。

在本發明的一實施例中，上述各位置資訊係接收訊號強度，而基於那些位置資訊決定電力接收單元的位置，包括下列步驟。依據電力接收單元分別相對於電力傳送單元的接收訊號強度計算電力接收單元分別相對於那些電力傳送單元的距離，並據以計算電力接收單元的位置。

在本發明的一實施例中，上述藍芽連結係一低電源藍芽(Bluetooth Low Energy，BLE)連結，而分別透過那些藍芽連結傳送那些位置資訊，包括下列步驟。對通用屬性配置檔(General Attribute Profile，GATT)服務之通用唯一識別碼(Universally Unique Identifier，UUID)新增廣播資訊。發送夾帶於通用唯一識別碼之資料中的廣播資訊。

在本發明的一實施例中，上述基於那些位置資訊決定電力接收單元的位置，包括下列步驟。基於三邊測量(Trilateration)計算電力接收單元的位置。

在本發明的一實施例中，上述基於那些位置資訊決定電力接收單元的位置，包括下列步驟。將那些位置資訊傳送至後端主機。透過後端主機決定電力接收單元的位置。

而本發明的定位追蹤系統，其包括數個電力傳送單元及一個電力接收單元。各電力傳送單元基於磁共振技術傳送電力。而電力接收單元適性選擇一個電力傳送單元來接收電力，並對應利用一條藍芽連結來廣播廣播資訊，使那些電力傳送單元分別接收此廣播資訊而取得相對於電力接收單元的位置資訊，且電力接收單元的位置基於那些位置資訊而得出。

在本發明的一實施例中，上述各位置資訊係接收訊號強度。而電力接收單元的位置係基於電力接收單元分別相對於那些電力傳送單元的接收訊號強度而得出。

在本發明的一實施例中，上述接收訊號強度夾帶於廣播資訊中。

在本發明的一實施例中，上述各藍芽連結係低電源藍芽連結。而電力接收單元對通訊屬性配置檔服務之通用唯一識別碼新增那廣播資訊，並發送夾帶於此通用唯一識別碼之資料中的廣播資訊。

在本發明的一實施例中，上述電力接收單元的位置係基於三邊測量而得出。

在本發明的一實施例中，上述的定位追蹤系統更包括後端主機。此後端主機自那些電力傳送單元取得那些位置資訊，並依據那些位置資訊決定電力接收單元的位置。

基於上述，基於MR無線充電的技術下，僅需變更軟體程式(即增加配置檔傳送UUID及接收訊號強度)，再適當佈建電力傳送單元及後端主機，即能在硬體設計未變動的情況下，導入室內定位追蹤。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是依據本發明一實施例之定位追蹤系統1的示意圖。請參照圖1，定位追蹤系統1包括電力傳送單元(PTU)100、電力接收單元(PRU)200及後端主機300。需說明的是，圖1中各裝置的數量僅供參考，但至少需要有三個PTU 100及一個PRU 200，以透過三個PTU 100對一個PRU 200定位。

請參照圖2係PTU 100及PRU 200的元件方塊圖。PTU 100係無線充電器，並至少包括但不限於傳送共振器110、匹配電路120、放大器130、電源供應140、微控制單元(Micro Control Unit，MCU)150及後端網路單元160(可選的)。

傳送共振器110具有感應線圈及共振電路，以操作在6.78百萬赫茲(M Hz)的共振頻率。匹配電路120可以係電感及電容以各種形式(例如，串聯、並聯、矩陣網路等)所組成電路。放大器130可以係運算放大電路、緩衝器或儀表放大器等增加或維持訊號輸出功率的電路。電源供應140可以係各類型電池或市電。微控制單元150可以係是中央處理單元(CPU)，或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微處理器(Microprocessor)、數位信號處理器(DSP)、可程式化控制器、特殊應用積體電路(ASIC)或其他類似元件或上述元件的組合，微控制單元150可以處理PTU 100所有軟體程式操作。此外，於本實施例中，微控制單元150更整合藍芽收發器、電路、晶片或系統單晶片(System-on-chip，SoC)，支援低功率藍芽(Bluetooth Low Energy，BLE)標準，並可處理頻外(out-of-band)信令(signaling)。後端網路單元160可以係支援光纖、乙太網路、匯流排等有線通訊或是支援Wi-Fi、ZigBee等無線通訊技術之網路處理器、電路、收發器或SoC。

PRU 200可以係智慧型手機、平板電腦、穿戴式裝置、筆記型電腦等各類型可攜式裝置，並至少包括但不僅限於接收共振器210、整流器220、直流-直流轉換器230、裝置負載240及微控制單元250。

接收共振器210具有感應線圈及共振電路，並與傳送共振器110共振耦合在6.78 M Hz的共振頻率。整流器220可以係各類型全波或半波整流器。直流-直流轉換器230係將直流電源轉換成不同電壓直流電源的轉換器。裝置負載240可以係顯示器、喇叭、麥克風等可消耗功率的電子元件。微控制單元250的實施態樣可參照微控制單元150，微控制單元250可以處理PRU 200所有軟體程式操作，並整合藍芽收發器、電路、晶片或SoC (支援BLE標準)以與微控制單元150雙向通訊。

基於前述硬體結構，PTU 100不僅可透過磁共振技術傳輸電力至PRU 200，PTU 100亦可與PRU 200透過藍芽技術雙向通訊。前述硬體架構亦可參考AirFuel共振無線充電技術的標準或其他磁共振無線充電技術標準，本文不再贅述。此外，於其他實施例中，微控制單元150, 250與其所整合的藍芽收發器、電路、晶片或SoC亦可能是分別獨立的元件(即，未整合在一起)。

請接著參照圖3係後端主機300的元件方塊圖，後端主機300可以係桌上型電腦、筆記型電腦、伺服器、電腦工作站等電子裝置，並至少包括但不僅限於儲存單元310、通訊單元320及處理單元330。儲存單元310可以係任何型態的固定或可移動隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、快閃記憶體(flash memory)、傳統硬碟(hard disk drive)、固態硬碟(solid-state drive)或類似元件或上述元件的組合，並用以儲存位置資訊(例如，與其他裝置間的距離、接收訊號強度等)、通用唯一識別碼(UUID)、PRU 200的位置等相關資訊、資料及檔案。通訊單元320的實施態樣可參照後端網路單元160，並透過有線或無線連接，使後端主機300與PTU 100可相互傳遞訊號。處理單元330的實施態樣可參照微控制單元150，且處理單元330處理後端主機300所有軟體程式操作。

需說明的是，為了維持符合原MR技術之PTU的硬體設計，於本實施例中，通訊單元320係藍芽收發器、電路、晶片或SoC，使PTU 100無須額外設置後端網路單元160，且通訊單元320直接與微控制單元150建立藍芽連結來傳送或接收資料。然而，於其他實施例中，PTU 100亦可設置後端網路單元160，而透過藍芽技術以外的通訊技術與後端主機300通訊。

為了方便理解本發明實施例的操作流程，以下將舉諸多實施例詳細說明如何對定位追蹤系統1中的PRU 200定位。圖4是依據本發明一實施例說明一種定位追蹤方法之流程圖。請參照圖4，本實施例的方法適用於圖1中定位追蹤系統1中的各裝置。下文中，將搭配圖1中定位追蹤系統1的各裝置及其位置說明本發明實施例所述之方法。本方法的各個流程可依照實施情形而隨之調整，且並不僅限於此。此外，圖中各裝置的位置可視應用者之需求而調整，其僅係作為範例來幫助讀者理解。

以圖1左上角之PRU 200為例，PRU 200可適性選擇鄰近PTU 100來接收電力，並對應利用藍芽連結來廣播廣播資訊(步驟S410)。具體而言，針對電力傳輸部分，PRU 200會挑選最接近或訊號最強的PTU 100來接收電力，假設PRU 200較接近上方之PTU 100或此PTU 100相對於PRU 200的訊號強度為最強，則此PTU 100會被挑選並對PRU 200提供電力。

需說明的是，PRU 200靜止或移動過程中，微控制單元250會隨時比較不同PTU 100的電力訊號強度，以適時地調整到接收來自訊號強度最強之PRU 200所提供的電力。

另一方面，針對資料傳輸部分，由於PTU 100及PRU 200皆支援BLE標準，此標準具有一對多資料傳輸功能，因此PTU 100可與特定範圍(例如，10、15公尺等)內的PTU 100分別建立BLE連結。而於本實施例中，PRU 200係與傳送電力之PTU 100建立藍芽連結，且當藍芽連結建立完成後，PTU 100即可與PRU 200相互經由對應藍芽連結收發資料。此時，PRU 200之微控制單元250亦可偵測或取得相對於那些PTU 100的接收訊號強度(例如，接收訊號強度指示(Received Signal Strength Indicator，RSSI)、接收功率(Received Power，RX)或其他關於接收信號大小之數值)，以取得分別相對於那鄰近PTU 100的位置資訊。而接收訊號強度可由公式(1)推算得出PRU 200相對於PTU 100的距離： …(1) d係距離， RSSI係接收訊號強度指示(負值)， A係發射端(即PTU 100)與接收端(即PRU 200)相隔1公尺時的訊號強度，而 n係環境衰減因子。位置資訊即可採用接收訊號強度或是距離 d。而為了簡化PRU 200的運作，本發明實施例的位置資訊係接收訊號強度，並待後續由其他裝置推算距離 d。

接著，PRU 200可透過已建立的藍芽連結傳送廣播資訊。具體而言，根據BLE標準的軟體運作流程，在系統正常運作流程中建立BLE連結後，微控制單元250可在BLE連結事件週期間呼叫處理BLE事件。此時，微控制單元250可挑選(建立或使用既有)某一通用屬性配置檔(General Attribute Profile，GATT)服務之通用唯一識別碼(Universally Unique Identifier，UUID)，並對其新增一個或更多個廣播資訊，即在選定的UUID對應資料中的承載資料(payload)、標頭(header)或特徵(characteristic)的特定欄位填入廣播資訊。而選定的UUID即係代表此PRU 200。接著，微控制單元250可經由已建立的BLE連結發送夾帶於選定UUID之資料中的廣播資訊至對應PTU 100的微控制單元150。

需說明的是，本實施例係為了符合AirFuel共振無線充電技術而採用BLE標準，然於其他實施例中，微控制單元150, 250亦可能係支援藍芽基本速率(Basic Rate，BR)/增進資料速率(Enhanced Data Rate，EDR)、或BR/EDR與BLE結合之雙模，而位置資訊須因應於通訊協定之變更而夾帶於其他配置檔(profile)中。

而由於PRU 200係藉由廣播方式來發送廣播資訊，因此其他相鄰PTU 100亦可接收到此廣播資訊，並使這些PTU 100的微控制單元150能分別偵測接收此廣播資訊的接收訊號強度，從而取得相對於PRU 200的位置資訊(步驟S420)。不同PTU 100所收到的接收訊號強度則會因與PRU 200的距離遠近關係而有所不同。此外，由於此廣播資訊夾帶代表PRU 200的UUID，各微控制單元150即可辨識此位置資訊係對應於哪一PRU 200，而不會受其他PRU 200所廣播之廣播資訊而混淆。

而微控制單元150收到位置資訊後，即可將位置資訊(或 若有設置後端網路單元160則透過後端網路單元160)轉送至後端主機300，並由處理單元330基於三邊測量(Trilateration)計算PRU 200的位置(步驟S430)。具體而言，假設處理單元330的儲存單元310已記錄所有PTU 100的位置資訊(可轉換成各種座標系統的座標，圖1中PRU 200左上方之PTU 100的座標為 ，PRU 200右上方最近之PTU 100的座標為 ，PRU 200左下方最近之PTU 100的座標為 )，處理單元330可進一步基於公式(1)得出或直接取得PRU 200相對不同PTU 100的距離 d(圖1中PRU 200與其左上方之PTU 100的距離為 ，PRU 200與其右上方最近之PTU 100的距離為 ，PRU 200與其左下方最近之PTU 100的距離為 。以距離 、 、 為半徑做三個圓，再根據畢氏定理，即可得出PRU 200的位置(座標為 ，其詳細推導可參照現有三邊測量的公式，本文不加以贅述)： …(2) …(3) …(4)

需說明的是，前述實施例係將接收訊號強度夾帶於廣播資訊中，然於其他實施例中，廣播資訊亦可僅夾帶UUID而不具有接收訊號強度，且傳送電力之PTU 100係直接偵測反應於此廣播資訊的接收訊號強度。而為了簡化PTU 100及PRU 200的運算，前述實施例係透過後端主機300來計算PRU 200的相對位置，然於其他實施例中，前述PTU 100的微控制單元150亦可取得另二PTU 100所取得的位置資訊，或者PRU 200取得三個PTU 100所取得的位置資訊，並據以推算PRU 200的相對位置，故可省略不設後端主機300。此外，前述至少取得對應於三個不同裝置的位置資訊，係為了符合三邊測量的要求，但事實上基於距離及已知座標來推算未知座標的測量公式還有很多種，端視應用本發明者自行調整，且位置資訊只要至少三個即可。

為了方便理解，以下再藉由BLE標準的軟體運作流程圖作為範例輔以說明。請參照圖5係PRU 200的運作流程圖，微控制單元250先與微控制單元150建立BLE連線(步驟S510)。經連接成功(步驟S520)後，微控制單元250即可處理BLE事件，而於GATT層增加UUID及RSSI至傳送的配置檔(步驟S530)。接著，微控制單元250處理接收封包及先前傳輸狀態並掃描感測器(步驟S540)，再確認是否有任何資料要傳送(步驟S550)。最後，微控制單元250呼叫BLE元件的發送功能，並要求傳送前述UUID及RSSI值至後端主機300(步驟S560)，而使微控制單元250廣播UUID及RSSI。

數個PTU 100接收到前述UUID及RSSI之後，請參照圖6係一範例說明後端主機300的運作流程。處理單元330透過通訊單元320接收來自PTU 100的UUID及RSSI(步驟S610)，並檢查相同UUID(即對應到某一PRU 200)是否已收到三個以上RSSI值(步驟S620)。若未達三個RSSI值，則後端主機300繼續接收此UUID的RSSI(返回步驟S610)。而若已達到三個RSSI值，則處理單元330使用接收的UUID及三個RSSI值進行三邊量測，以決定PRU 200的相對位置。

值得注意的是，本發明實施例的應用情境有很多，例如，在醫院中，針對特定病患、護士、醫生或醫療儀器的位置需要加以管控，則可將PRU 200應用於前述管控人員之電子設備或物品，若前述管控人員或儀器移動至管控區域則發出警報。在賣場中，將推車裝載PRU 200，則可監控推車位置，並在推車移動至特定位置時透過周遭的顯示器呈現符合使用者的商品廣告。諸如此類的室內定位應用，可依據需求而調整。

綜上所述，現存MR無線充電技術已結合藍芽通訊，使PTU不僅能提供電力至PRU，亦可與PRU相互傳送資料。基於前述背景條件，本發明實施例僅調整軟體程序，增加配置檔傳送UUID及RSSI的機制，即可推算特定PRU的相對位置。應用者只要適當地於環境中佈建PTU，甚至額外增設後端主機，即可在硬體設計未變動的情況下，導入室內定位追蹤。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧定位追蹤系統

100‧‧‧電力傳送單元

200‧‧‧電力接收單元

300‧‧‧後端主機

110‧‧‧傳送共振器

120‧‧‧匹配電路

130‧‧‧放大器

140‧‧‧電源供應

150、250‧‧‧微控制單元

160‧‧‧後端網路單元

210‧‧‧接收共振器

220‧‧‧整流器

230‧‧‧直流-直流轉換器

240‧‧‧裝置負載

310‧‧‧儲存單元

320‧‧‧通訊單元

330‧‧‧處理單元

S410~S430、S510~S560、S610~S630‧‧‧步驟

圖1是依據本發明一實施例之定位追蹤系統的示意圖。 圖2是依據本發明一實施例之電力傳送單元及電力接收單元的元件方塊圖。 圖3是依據本發明一實施例之後端主機的元件方塊圖。 圖4是依據本發明一實施例之定位追蹤方法的流程圖。 圖5是依據本發明一實施例之電力接收單元的運作流程圖。 圖6是依據本發明一實施例之後端主機的運作流程圖。

Claims (12)

1. 一種定位追蹤方法，適用於透過多個電力傳送單元(Power Transmitting Unit，PTU)定位一電力接收單元(Power Receiving Unit，PRU)，而該些電力傳送單元基於一磁共振(Magnetic Resonance，MR)技術傳輸電力至該電力接收單元，該定位追蹤方法包括：該電力接收單元在該些電力傳送單元中適性選擇其中一個電力傳送單元，以自所選擇的該電力傳送單元來接收電力，並對應利用一藍芽連結來廣播一廣播資訊至該些電力傳送單元中的至少三個電力傳送單元；每一所述至少三個電力傳送單元接收該廣播資訊，從而取得每一所述至少三個電力傳送單元相對於該電力接收單元的位置資訊；以及基於所取得的多個所述位置資訊，計算該電力接收單元的位置。
2. 如申請專利範圍第1項所述的定位追蹤方法，其中所述位置資訊係一接收訊號強度，而基於所取得的多個所述位置資訊，計算該電力接收單元的位置的步驟包括：依據該電力接收單元分別相對於所述至少三個電力傳送單元的接收訊號強度，計算該電力接收單元分別相對於所述至少三個電力傳送單元的距離，並據以決定該電力接收單元的位置。
3. 如申請專利範圍第2項所述的定位追蹤方法，其中該接收訊號強度夾帶於該廣播資訊中。
4. 如申請專利範圍第1項所述的定位追蹤方法，其中每一該藍芽連結係一低電源藍芽(Bluetooth Low Energy，BLE)連結，而利用該藍芽連結來廣播該廣播資訊的步驟包括：對通用屬性配置檔(General Attribute Profile，GATT)服務之一通用唯一識別碼(Universally Unique Identifier，UUID)新增該廣播資訊；以及發送夾帶於該通用唯一識別碼之資料中的該廣播資訊。
5. 如申請專利範圍第1項所述的定位追蹤方法，其中基於所取得的多個所述位置資訊，計算該電力接收單元的位置的步驟，包括：基於三邊測量(Trilateration)計算該電力接收單元的位置。
6. 如申請專利範圍第1項所述的定位追蹤方法，其中在取得每一所述至少三個電力傳送單元相對於該電力接收單元的位置資訊的步驟之後，更包括：每一所述至少三個電力傳送單元轉送該位置資訊至一後端主機，以透過該後端主機基於所取得的多個所述位置資訊，計算該電力接收單元的位置。
7. 一種定位追蹤系統，包括：多個電力傳送單元，基於一磁共振技術傳送電力；以及一電力接收單元，在該些電力傳送單元中適性選擇其中一個 電力傳送單元，以自所選擇的該電力傳送單元來接收電力，並對應利用一藍芽連結來廣播一廣播資訊至該些電力傳送單元中的至少三個電力傳送單元，其中，每一所述至少三個電力傳送單元接收該廣播資訊，從而取得每一所述至少三個電力傳送單元相對於該電力接收單元的位置資訊，使得該電力接收單元、其中一個所述電力傳送單元及一後端主機的其中一個基於所取得的多個所述位置資訊，計算該電力接收單元的位置。
8. 如申請專利範圍第7項所述的定位追蹤系統，其中所述位置資訊係一接收訊號強度，而該電力接收單元、其中一個所述電力傳送單元及該後端主機的其中一個依據該電力接收單元分別相對於所述至少三個電力傳送單元的接收訊號強度，計算該電力接收單元分別相對於所述至少三個電力傳送單元的距離，並據以決定該電力接收單元的位置。
9. 如申請專利範圍第8項所述的定位追蹤系統，其中該接收訊號強度夾帶於該廣播資訊中。
10. 如申請專利範圍第7項所述的定位追蹤系統，其中每一該藍芽連結係一低電源藍芽連結，而該電力接收單元對通用屬性配置檔服務之一通用唯一識別碼新增該廣播資訊，並發送夾帶於該通用唯一識別碼之資料中的該廣播資訊。
11. 如申請專利範圍第7項所述的定位追蹤系統，其中該電力接收單元的位置係基於三邊測量而得出。
12. 如申請專利範圍第7項所述的定位追蹤系統，更包括：該後端主機，自每一所述至少三個電力傳送單元取得所述位置資訊，並依據所取得的多個所述位置資訊，計算該電力接收單元的位置。