TWI634404B - 利用磁力場形之定位及姿態估測方法及其系統與包含有該方法之電腦可讀取記錄媒體 - Google Patents

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Abstract

一種利用磁力場形之定位及姿態估測方法。首先，在三維空間座標中設置至少一組三個磁性地標，且任意兩個磁性地標具有不同的磁場方向。利用三軸磁力感測器感測至少一組三個磁性地標的磁場，並利用分磁方法產生三個於三軸磁力感測器目前位置之磁場分量。依據三軸磁力感測器目前位置之三個軸上的三個磁場分量，得到三個非線性方程式後，解三個非線性方程式，以取得三軸磁力感測器的位置資訊，並依據三軸磁力感測器相對於至少一組三個磁性地標的三軸磁力向量，估算三軸磁力感測器在三維空間座標中的姿態向量。

Description

利用磁力場形之定位及姿態估測方法及其系統與包含有該方法之電腦可讀取記錄媒體
本發明是有關於一種定位方法及其系統，且特別是有關於一種利用磁力場形之定位及姿態估測方法及其系統，以及包含有該方法之電腦可讀取記錄媒體。
無人搬運車(Automated Guided Vehicle, AGV)為自動化物料傳輸中之重要載具，相較於採用輸送帶之方式，AGV具有不佔空間、可彈性調整產線之優點。對於無軌導引式AGV而言，現有技術多以雷射反光標籤、磁柱或二維條碼標籤等方式來達成定位之目的。然而，上述標籤定位技術在實際使用時，皆須預先淨空場地空間，對於設廠之初未做預先規劃之工廠使用不易。此外，上述標籤定位技術被限制於二維度，故無法應用於三維度，且上述標籤定位技術亦無法判斷待測物在三維空間中的姿態，有待改善。
本發明係有關於一種利用磁力場形之定位及姿態估測方法及其系統，以及包含有該方法之電腦可讀取記錄媒體，只需在待測物（例如移動載具）上安裝一個三軸磁力感測器，使待測物能在三維空間中達到定位及姿態估測之功效，具備機動性與場佈方便性。
根據本發明之一方面，提出一種利用磁力場形之定位及姿態估測方法，用於定位一移動載具，移動載具上設置一三軸磁力感測器，此定位及姿態估測方法包括下列步驟。在三維空間座標中設置至少一組三個磁性地標，此至少一組三個磁性地標中的任意兩個磁性地標具有不同的磁力場形以及不同的磁場方向。至少一組三個磁性地標在三維空間座標中的位置向量與姿態向量為已知數。利用三軸磁力感測器感測至少一組三個磁性地標的磁場，並利用分磁方法產生三個於三軸磁力感測器目前位置之磁場分量。依據三軸磁力感測器目前位置之三個軸上的三個磁場分量，得到三個非線性方程式後，使用擴展卡曼濾波器解三個非線性方程式，以取得三軸磁力感測器的位置資訊，並依據三軸磁力感測器相對於至少一組三個磁性地標的三軸磁力向量，估算三軸磁力感測器在三維空間座標中的姿態向量。
根據本發明之一方面，提出一種利用磁力場形之定位系統，包括至少一組三個磁性地標、一三軸磁力感測器以及一邏輯運算處理單元。至少一組三個磁性地標設置於三維空間座標中，此至少一組三個磁性地標中的任意兩個磁性地標具有不同的磁力場形以及不同的磁場方向。三軸磁力感測器設置於移動載具上。邏輯運算處理單元連接三軸磁力感測器，三軸磁力感測器感測至少一組三個磁性地標的磁場，並產生至少三個磁場資訊至邏輯運算處理單元，邏輯運算處理單元計算三軸磁力感測器相對於至少一組三個磁性地標的磁場向量，並估算三軸磁力感測器在三維空間座標中的位置向量。
一種電腦可讀取記錄媒體，用以儲存一電腦程式，當電腦載入電腦程式後，用以執行上述的利用磁力場形之定位及姿態估測方法。
為了對本發明之上述及其他方面有更清楚的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。以下是以相同/類似的符號表示相同/類似的元件做說明。
請參照第1及2圖，依照本發明一實施例之利用磁力場形之定位及姿態估測方法包括下列步驟S11至S14。首先，在步驟S11中，在三維空間座標（X,Y,Z）中設置至少一組三個磁性地標111-113，例如：在地面、牆面、頂面或任一位置上設置至少一組三個磁性地標111-113，但亦可設置更多個磁性地標，以增加定位範圍。
各個磁性地標111-113用以產生一預定的磁力場形。各個磁性地標111-113可為一磁鐵或一電磁鐵，例如具有一個N極磁力源以及一個S極磁力源，但亦可具有多個N極磁力源以及多個S極磁力源。磁性地標111-113的磁場強度可由磁力源的數量來決定。另外，各個磁性地標111-113例如為一有源變頻式磁性產生元件，用以產生具有不同固定頻率的磁力訊號。
請參照第2圖，依照本發明一實施例之利用磁力場形之定位及姿態估測系統100包括至少一組三個磁性地標111-113、一三軸磁力感測器120以及一邏輯運算處理單元130。三軸磁力感測器120設置於移動載具（圖未繪示）上。當移動載具移動時，在移動載具的路徑上或周圍物件上設置至少一組三個磁性地標111-113，並以設置在移動載具上的三軸磁力感測器120感測至少一組三個磁性地標111-113的磁場。
在第2圖中，以設置三個磁性地標111-113為例，此組三個磁性地標111-113中的任意兩個磁性地標111-113具有不同的磁場方向，且此組三個磁性地標111-113在三維空間座標（X,Y,Z）中的位置向量（相對於原點O）與姿態向量為已知數。在本實施例中，以單磁矩電磁鐵地標為例，此組三個磁性地標111-113分別輸入不同固定頻率的正弦波，以利於後續的分磁，且此組三個磁性地標111-113在三維空間座標（X,Y,Z）中的位置向量分別表示為 、 、 ，姿態向量分別表示為 、 、 。其中， 待測點A（即三軸磁力感測器120）的位置資訊為未知數，表示為 。
在一實施例中，至少一組三個磁性地標111-113在三維空間座標（X,Y,Z）中不共點且不限制要正交，也就是說，三個磁性地標111-113不需限制為正交且共點的三個磁性地標，只要任意兩個磁場向量的合不等於另一個磁場向量的倍數即可，進而提高系統的靈活性。
在步驟S12中，以三軸磁力感測器120感測至少一組三個磁性地標111-113的磁場，以取得三個磁性地標111-113的磁場向量合，並進行後續的分磁處理。在本實施例中，三軸磁力感測器120連接邏輯運算處理單元130，以產生至少三個磁場資訊至邏輯運算處理單元130。為了便於計算三個磁性地標111-113的磁場分量，可透過分磁方式將三個磁性地標111-113的磁場分開，其中三個磁性地標111-113的磁場向量分別表示為B 1、B 2、B 3，磁場向量合表示為B=B 1+B 2+B 3，其中
接著，邏輯運算處理單元130可使用帶通濾波器的分磁方式，得到三個不同固定頻率的磁場向量在三軸磁力感測器120目前位置之三個軸上的磁場分量，分別表示為B 1’、B 2’、B 3’(如第2圖所示)，其中
邏輯運算處理單元130例如是電腦或設置在電腦中的單晶片微處理器或包含有儲存於電腦可讀取記錄媒體中的電腦程式，在另一實施例中，邏輯運算處理單元130例如設置於移動載具上。邏輯運算處理單元130接收磁場資訊之前，可先經由低通濾波器來降低磁場資訊中的雜訊，並提高雜訊比，之後，磁場資訊可經過類比/數位轉換轉換器轉換成數位化磁場資訊。
接著，在步驟S13中，依據三個磁場向量之大小，得到三個非線性磁力方程式後，使用擴展卡曼濾波器(Kalman filter)或其他線性化演算法解三個非線性磁力方程式，以取得三軸磁力感測器120的位置資訊（或位置向量）。在本實施例中，使用以三個不同的固定頻率作為限制項的擴展卡曼濾波器，解析三個磁性地標111-113的波形及振幅，取得之三組波形與振幅即為三個磁性地標111-113在三維空間座標（X, Y, Z）之三個軸上的三個磁場分量。非線性磁力方程式如式(1) （1） 其中， ，µ為空間磁場常數值之1/4π倍。
在本實施例中，將非線性磁力方程式線性化後得到線性化測量矩陣、狀態方程式與測量方程式，其中線性化測量矩陣如式(2) （2） 狀態方程式如式(3) （3） 測量方程式如式(4) <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> </td><td><img wi="505" he="38" file="02_image029.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> （4） </td></tr></TBODY></TABLE>其中 與 分別為高斯分佈之雜訊，其共變異矩陣分別為 。演算法的流程如下： <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 測量更新： </td></tr><tr><td><img wi="191" he="107" file="02_image037.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr><tr><td> 時間更新： </td></tr><tr><td><img wi="141" he="52" file="02_image039.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr></TBODY></TABLE>其中，K為最優卡爾曼增益，P為協方差估計，A為狀態變換模型，H為觀測模型，h為測量方程式，S為狀態估計。
接著，在步驟S14中，當取得三軸磁力感測器120的位置資訊之後，三個磁性地標111-113的磁場向量B 1、B 2、B 3便為已知，因此，可透過比較磁場向量B 1、B 2、B 3與磁場分量B 1’、B 2’、B 3’，得到三軸磁力感測器120之姿態旋轉矩陣資訊，進而得知待測物的姿態（例如方位角、俯仰角等資訊）。姿態旋轉矩陣R表示為 且 行列式 的值 。
也就是說，在步驟S14中，根據上述的演算法，邏輯運算處理單元130便能根據三軸磁力感測器120在三維空間座標（X,Y,Z）中的位置向量，計算三軸磁力感測器120目前位置之三個軸上的三個磁場分量B 1’、B 2’、B 3’，並可依據三軸磁力感測器120相對於此組三個磁性地標111-113的三軸磁力向量，估算三軸磁力感測器120在三維空間座標（X,Y,Z）中的姿態向量。
請參照第3圖，由於磁性地標產生之磁場會隨感測距離遞減，當超過預定範圍後，三軸磁力感測器120（參見第2圖）將無法感測不到任何磁場變化。因此，本發明利用分磁方法，在移動載具的路徑上或周圍物件上設置多個磁性地標111a、112a、113a、114a，並且抓取最大能量之其中三個磁性地標111a、112a、114a，可以將定位範圍E1-E4擴充。若每一個以半徑為d的圓為一組定位點，擴充的方式為將兩組定位點的距離D設為最大值，並且符合待定位空間完全被覆蓋的要求。若使用不同的固定頻率來分辨不同的磁場，最少可使用4組（共12種）具有不同頻率的磁性地標來完成。以上述之方法擴充定位範圍E1-E4，同時也提供了站點的分辨功能。
本發明上述實施例所揭露之利用磁力場形之定位及姿態估測方法及其系統，可以用來偵測移動載具（例如是無人車或任意物體）在空間中的位置資訊及姿態，且磁性地標111-113可任意擺放。因此，本發明不需要對環境有事先佈置的需求，也不需要設置多個三軸磁力感測器，以節省成本。此外，習知技術利用磁場強度來估測距離為非線性(與距離的平方成反比)且對雜訊抵抗力低，然而本案利用任意擺放的至少一組三個磁性地標111-113，可讓定位系統更為靈活且定位範圍更廣且可以算出待測物的位置資訊及姿態向量。
綜上所述，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。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，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。
100‧‧‧利用磁力場形之定位及姿態估測系統
111-113，111a-114a‧‧‧磁性地標
120‧‧‧三軸磁力感測器
130‧‧‧邏輯運算處理單元
X,Y,Z‧‧‧三維空間座標
、、‧‧‧位置向量
、、‧‧‧姿態向量
‧‧‧待測點的位置資訊
A‧‧‧待測點
B1’、B2’、B3’‧‧‧磁場分量
d‧‧‧半徑
D‧‧‧距離
O‧‧‧原點
E1-E4‧‧‧定位範圍
第1圖繪示依照本發明一實施例之利用磁力場形之定位及姿態估測方法的流程圖。 第2圖繪示依照本發明一實施例之利用磁力場形之定位及姿態估測系統的示意圖。 第3圖繪示應用本發明之定位系統的定位範圍擴充的示意圖。

Claims (10)

  1. 一種利用磁力場形之定位及姿態估測方法，用於定位一移動載具，該移動載具上設置一三軸磁力感測器，該定位及姿態估測方法包括： 在三維空間座標中設置至少一組三個磁性地標，該至少一組三個磁性地標中的任意兩個磁性地標具有不同的磁場方向； 該至少一組三個磁性地標在該三維空間座標中的位置向量與姿態向量為已知數； 利用該三軸磁力感測器感測該至少一組三個磁性地標的磁場，並利用分磁方法產生三個於該三軸磁力感測器目前位置之三個軸上的磁場分量；以及 依據該三軸磁力感測器目前位置之三個軸上的三個磁場分量，得到三個非線性磁力方程式後，使用擴展卡曼濾波器解該三個非線性磁力方程式，以取得該三軸磁力感測器的位置資訊，並依據該三軸磁力感測器相對於該至少一組三個磁性地標的三軸磁力向量，估算該三軸磁力感測器在該三維空間座標中的姿態向量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的定位及姿態估測方法，其中該分磁方法包括： 使用帶通濾波器將該至少一組三個磁性地標的磁場分為在該三維空間座標之三個軸上的三個磁場分量；以及 以三個不同的固定頻率作為限制項的擴展卡曼濾波器，解析該三個磁性地標的波形及振幅，取得之三組波形與振幅為該三個磁性地標在該三維空間座標之三個軸上的三個磁場分量。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的定位及姿態估測方法，其中該至少一組三個磁性地標在該三維空間座標中不共點。
  4. 一種利用磁力場形之定位系統，用於定位一移動載具，該定位系統包括： 至少一組三個磁性地標，設置於三維空間座標中，該至少一組三個磁性地標中的任意兩個磁性地標具有不同的磁場方向； 一三軸磁力感測器，設置於該移動載具上；以及 一邏輯運算處理單元，連接該三軸磁力感測器，該三軸磁力感測器感測該至少一組三個磁性地標的磁場，並產生至少三個磁場資訊至該邏輯運算處理單元，該邏輯運算處理單元由分頻方法取得該三軸磁力感測器相對於該至少一組三個磁性地標的磁場向量，並估算該三軸磁力感測器在該三維空間座標中的位置向量。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的定位系統，其中該邏輯運算處理單元更依據該三軸磁力感測器在該三維空間座標中的位置向量，計算該三軸磁力感測器目前位置之三個軸上的三個磁場分量，並依據該三軸磁力感測器相對於該至少一組三個磁性地標的三軸磁力向量，估算該三軸磁力感測器在該三維空間座標中的姿態向量。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的定位系統，其中該邏輯運算處理單元包括一單晶片微處理器。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的定位系統，其中該邏輯運算處理單元使用帶通濾波器將該至少一組三個磁性地標的磁場分為在該三軸磁力感測器目前位置之三個軸上的三個磁場分量，並以三個不同的固定頻率作為限制項的擴展卡曼濾波器解析該三個磁性地標的波形及振幅，取得之三組波形與振幅為該三個磁性地標在該三維空間座標之三個軸上的三個磁場分量。
  8. 如申請專利範圍第4項所述的定位系統，其中各該磁性地標包括一有源變頻式磁性產生元件。
  9. 如申請專利範圍第4項所述的定位系統，其中該至少一組三個磁性地標在該三維空間座標中不共點。
  10. 一種電腦可讀取記錄媒體，用以儲存一電腦程式，當電腦載入該電腦程式後，用以執行如申請專利範圍第1至3項其中之一所述的利用磁力場形之定位及姿態估測方法。
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