TWI655451B - 空間定位及方向指引動態回饋系統 - Google Patents

空間定位及方向指引動態回饋系統 Download PDF

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TWI655451B
TWI655451B TW107120002A TW107120002A TWI655451B TW I655451 B TWI655451 B TW I655451B TW 107120002 A TW107120002 A TW 107120002A TW 107120002 A TW107120002 A TW 107120002A TW I655451 B TWI655451 B TW I655451B
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林憶茹
洪翊凱
黃敏偉
陳彥廷
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Abstract

本發明係關於一種空間定位及方向指引動態回饋系統，該系統包含藍牙定位器、具有複數信標發射器、攝影機、方向指引器以及擴音器之定位及指引模組、伺服器及虛實互動平台，藉此，當配戴有藍牙定位器之使用者進入設有定位及指引模組之室內空間且位於信標發射器之發射範圍時，伺服器能藉信標發射器及攝影機分別取得使用者之距離及位置資訊，並產生分析結果以供虛實互動平台依分析結果控制方向指引器及擴音器產生指引光源及播放引導聲響來引導使用者朝目的地方向前進，且能藉觀察高齡使用者對於視覺及聲音指引之反應來作為功能退化與否之指標。

Description

空間定位及方向指引動態回饋系統
本發明係關於一種系統，尤指能透過無線訊號傳輸技術進行室內空間定位、方向指引及動態回饋之系統者。
按，定位技術隨著科技的進步而迅速發展，目前常見的空間定位方式主要係採用紅外線、超聲波、射頻識別標籤(RFID)、Wi-Fi、藍牙及ZigBee技術。以目前使用頻率較高之射頻識別標籤(RFID)、Wi-Fi及藍牙技術而言，射頻識別標籤(RFID)是利用無線電波來傳送識別資料，且感應器不僅無需與接收器接觸，對於識別資料的傳輸亦無方向性的要求，使用於空間定位時，能透過天線與設於物品之標籤所生成之感應電流進行數據交換，以達到識別與定位之目的。Wi-Fi為一種短程無線傳輸技術，其係透過無線基地台掃瞄Wi-Fi訊號以進行資料交換之工作，並能利用移動設備與三個網路接入點之無線信號強度，藉差分算法精準進行三角定位來達到空間定位之目的。藍牙(Bluetooth)為一種短距離於固定設備、移動設備以及個人網域之間進行數據交換之無線通訊技術，並能透過於空間內安裝複數個藍牙區域網接入點，以藉由測量信號強度來進行三角定位。由於藍牙空間定位技術具有設備體積小、短距離、低功耗及易於設 置於移動設備中之優點，加上近年來信標(Beacon)技術發展漸趨成熟，而顯然已成為現今運用於空間移動定位服務之趨勢。
此外，人口逐漸老化為世界性的趨向，隨著老年人口的增長與平均壽命的延長，使社會朝向高齡化發展，並使罹患失智症之人口比例相對增加，由於失智症之病程相當冗長，故患者經常成為家庭中極為沉重的負擔。而失智症患者除會產生智力衰退、記憶障礙、人格與行為改變、注意力無法集中及情緒憂鬱外，亦伴隨有步態障礙的產生，且初期徵兆常被誤認為正常老化現象，使大多數患者延誤治療時機，因此，失智症的早期檢測為非常重要的預防關鍵。
有鑑於目前低功耗藍牙信標技術乃為現今運用於空間定位與方向指引之趨勢，是以，本發明之目的係基於信標技術結合影像技術達到室內空間定位並指引使用者朝目的地方向前進之目的。
本發明之另一目的是透過室內空間定位針對高齡使用者進行方向指引測試，藉以了解高齡使用者對於視覺、聲音之動作與反應，並達到檢測高齡使用者功能退化程度之目的。
為達前揭目的，本發明提供一種空間定位及方向指引動態回饋系統，該系統包含：一藍牙定位器，配戴於一使用者；至少一定位及指引模組，係透過一固定平台佈設於一室內空間內，且於該平台設有：複數信標(Beacon)發射器，該信標發射器係於配戴有藍牙定位器之使用者進入發射範圍時，依據信號強度指標(Received Signal Strength Indication,RSSI)變化獲知使用者與信標發射器之間的距離資訊；一攝影機，用以擷取該使用者之位置資訊；一方向指 引器，包含一光源單元，用以產生引導使用者移動方向之指引光源；以及一擴音器，用以播放引導使用者朝一方向移動之聲響；一伺服器，用以持續接收及分析距離資訊及位置資訊，並記錄及比對分析結果；以及一虛實互動平台，連結於伺服器，並能以分析結果為依據，持續傳送及更新指令傳送指令以控制方向指引器及擴音器產生回饋。
基於上述，當配戴有藍牙定位器之使用者進入室內空間且位於信標發射器之發射範圍時，伺服器能藉信標發射器及攝影機分別取得使用者之距離資訊及位置資訊，並產生分析結果以供虛實互動平台依據分析結果控制方向指引器及擴音器產生指引光源及播放引導聲響，藉此，引導使用者朝目的地方向前進，以達成方向指引之功效，且能透過觀察高齡使用者對於視覺及聲音指引之反應測試高齡使用者以作為功能退化與否之指標。
本發明：
1‧‧‧藍牙定位器
2‧‧‧定位及指引模組
20‧‧‧平台
21‧‧‧信標發射器
22‧‧‧攝影機
23‧‧‧方向指引器
230‧‧‧移動塊
231‧‧‧容槽
232‧‧‧樞軸
233‧‧‧光源單元
234‧‧‧光柵轉盤
235‧‧‧光柵片
24‧‧‧擴音器
3‧‧‧伺服器
4‧‧‧虛實互動平台
5‧‧‧互動平台布幕
A‧‧‧使用者
B‧‧‧空間
C‧‧‧指引光源
D‧‧‧陪伴者
第1圖係本發明系統之架構圖。
第2圖係本發明定位及指引模組之立體圖。
第3圖係本發明方向指引器之立體圖。
第4圖係本發明系統之使用示意圖。
第5~6圖係本發明系統之定位演算示意圖。
第7~9圖係本發明系統另一實施例之使用示意圖。
為使 貴審查委員瞭解本發明欲達成目的所運用之技術、手段及功效，餘下，茲列舉一較佳實施例並配合圖式，詳細說明如后： 首先，請參閱第1圖並配合第2圖所示，該系統包含一藍牙定位器1、至少一定位及指引模組2、一伺服器3以及一虛實互動平台4。該藍牙定位器1配戴於一使用者A；該定位及指引模組2係透過一固定平台20佈設於一室內空間B內(圖中未顯示)，且平台20包含複數信標(Beacon)發射器21、一攝影機22、一方向指引器23以及一擴音器24；其中，信標發射器21為蘋果公司所研發之iBeacon信標發射器21，且係利用低功率藍牙技術(BLE4.0)進行傳輸，並能於配戴有藍牙定位器1之使用者A進入發射範圍時，依據信號強度指標(Received Signal Strength Indication,RSSI)變化獲知使用者A與信標發射器21之間的距離資訊；該攝影機22為紅外線攝影機，位於攝影機22周圍佈設有複數紅外線光源，且於前方設有魚眼鏡頭以增加拍攝視角，而能擷取使用者A之位置資訊；該方向指引器23係於平台20形成一具容槽231之移動塊230(配合參閱第3圖)，位於容槽231內設有一樞軸232，並將光源單元233樞接於樞軸232，該光源單元233係以低能雷射光源來產生引導使用者A移動方向之指引光源C(圖中未顯示)，且於光源單元233前端設有一光柵轉盤234，位於光柵轉盤234結合至少一具指引圖案之光柵片235，較佳者，移動塊230及光柵轉盤234係透過馬達360°旋轉，並使光源單元233藉樞軸232以單一軸向擺動樞轉，進而讓光源單元233所發出之指引光源C藉光柵轉盤234、樞軸232及移動塊230依不同方位調整投射方向；該擴音器24用以播放引導使用者A朝一方向移動之聲響。該伺服器3用以持續接收及分析距離資訊及位置資訊，並記錄其分析結果；該虛實互動平台4連結於伺服器3，並能以分析結果為依據，持續傳送及更新指令以控制方向指引器23及擴音器24產生回饋。
其次，請仍然參閱第1~3圖並配合第4圖所示，於本發明之實施例一，係於一空間B中間設伺服器3，並於空間B內設置六個定位及指引模組2，當配戴有藍牙定位器1之使用者A進入室內空間B且位於定位及指引模組2之信標發射器21的發射範圍時，會隨著使用者A與信標發射器21之距離遠近使信號強度指標(RSSI)值產生變化，同時透過攝影機22發射位於外側之紅外線光源，再利用魚眼鏡頭擷取俯視空間影像，並進行影像幾何校正以獲得使用者A於實際空間B之位置資訊，且將信標發射器21與攝影機22之定位及位置資訊傳送予伺服器3進行紀錄分析。
其中，於本實施例所使用之第一種定位演算法為三角定位法(Triangulation)，請配合參閱第5~6圖，首先，係於六個定位及指引模組2設於空間B時，定義每一信標發射器21於空間B內之已知座標位置{如(x1,y1)、(x2,y2)…}，接著，利用三個參考點進行定位演算，如第5圖，使用者A之位置座標為(x,y)，已知的三個參考點座標為(x1,y1)、(x2,y2)及(x3,y3)，同時利用信號強度指標(RSSI)值測得三個參考點座標之間的距離L1、L2及L3，由於高度H1、H2及H3皆為相同數值，故可經公式(1)運算分別獲得如第6圖之空間B平面距離半徑值r1、r2及r3： 假設座標(x1,y1)=(0,0)，此時，可經公式(2)運算獲得公式(3)之關係矩陣，並以公式(4)表示：
公式(4)：Hx=b
公式(5)：x=H -1 b再由公式(5)運算以得知(x,y)，可獲知使用者A所在的空間位置座標值(x,y)。當(x1,y1)、(x2,y2)及(x3,y3)進行座標轉移時能獲得新的(x’1,y’1)、(x’2,y’2)及(x’3,y’3)的座標值，同樣經由反轉移計算可推導至所要定位之位置，而獲得所在位置之資訊。
而本實施例所使用之第二種定位演算法為訊號指紋法(Fingerprinting)，其係於離線階段事先於室內空間B區域中分別規劃且固定各個信標發射器21之參考點，以便將所獲得之各參考點信號強度指標(RSSI)值存放於指紋資料庫中，當使用者A實際於空間B中移動時，則能透過上線階段經由先前所建立之指紋資料庫查詢以得到所在位置，並藉由實際位置與查詢指紋資料庫所得位置進行比對與修正，進而找出接近參考點的位置。
藉此，使伺服器3能利用信標發射器21及攝影機22分別取得使用者A之距離資訊及位置資訊(請回顧第1~2圖)，並持續產生分析結果以供虛實互動平台4依據分析結果傳送及更新指令來控制方向指引器23及擴音器24，此時，方向指引器23能藉由雷射光源並利用旋轉光柵轉盤234以投射所需光柵片235圖案之指引光源C(如第4圖所示)，並透過使光源單元233於樞軸232上樞轉或旋轉移動塊230之方式調整所欲投影指引光源C的位置(如第3圖所示)，同時可利用擴音器24播放引導聲響，以引導使用者A朝目的地方向前進，並達成方向指引之功效。
再者，請參閱第7圖所示，於本發明之實施例二，係事先建構一測試空間B，位於測試空間B內設有伺服器3、六個定位及指引模組2以及互動平台布幕5，且於測試空間B內之地板上以複數行、列區隔出虛擬陣列(如1,1、1,2…)(如第8圖所示)，當配戴有藍牙定位器1之高齡使用者A及未配戴藍牙定位器1之陪伴者D共同進入測試空間B時，能透過攝影機22將所擷取之影像利用背景差值運算來獲得使用者A與陪伴者D的影像位置，並於動態二值化影像後以重心演算法來得知使用者A與陪伴者D的影像重心位置，同時，利用定位及指引模組2之信標發射器21所獲知之信號強度指標(RSSI)值來進行定位演算，由於電磁波的傳遞可能因空間B中的物件干擾造成反射、散射或繞射而影響定位精度，因此，本實施例透過僅有使用者A配戴藍牙定位器1之方式來與陪伴者D之移動作區別，此時，能藉由虛實互動平台4控制方向指引器23於測試空間B地面及互動平台布幕5產生指引光源，再透過擴音器24播放引導聲響，以藉由觀察高齡使用者A於測試空間B之虛擬陣列中，對於 視覺及聲音指引進行移動與停留時間之資訊(如第9圖所示)，來作為測試使用者A功能退化與否之指標。
是以，使用本發明之系統顯然能達成如下功效：
1.本發明係基於信標技術結合紅外線影像技術達到室內空間定位之功效，並進一步透過投射指引光源與播放引導聲響來達成指引使用者朝目的地方向前進之目的。
2.本發明係透過室內空間定位以針對高齡使用者進行方向指引測試，藉以了解高齡使用者對於視覺、聲音之動作與反應，並達到檢測高齡使用者功能退化程度之功效。
3.本發明之系統能設置於居家空間中，以用於供使用者於居家空間進行定位，進而達成引導高齡或失智使用者至廁所或臥房…等方向之功效。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，並非用以限定本發明之實施範圍，凡未脫離本發明技術精神所為之變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。
綜上所述，本發明確實已突破傳統並具有改良及創新之創作內容且能具體實施，理應符合發明專利之法定要件，爰依法提出專利申請，懇請 鈞局審查委員授予合法專利權，以勵創作，至感德便。

Claims (10)

  1. 一種空間定位及方向指引動態回饋系統，該系統包含︰一藍牙定位器，配戴於一使用者；至少一定位及指引模組，係透過一固定平台佈設於一室內空間內，且於該平台設有︰複數信標(Beacon)發射器，該信標發射器係於配戴有該藍牙定位器之使用者進入發射範圍時，依據信號強度指標(Received Signal Strength Indication, RSSI)變化獲知該使用者與該信標發射器之間的距離資訊；一攝影機，用以擷取該使用者之位置資訊；一方向指引器，包含一光源單元，用以產生引導該使用者移動方向之指引光源；以及一擴音器，用以播放引導該使用者朝一方向移動之聲響；一伺服器，用以持續接收及分析該距離資訊及該位置資訊，並記錄及比對分析結果；以及一虛實互動平台，連結於該伺服器，並能以該分析結果為依據，持續傳送及更新指令以控制該方向指引器及該擴音器產生回饋。
  2. 如請求項1所述之空間定位及方向指引動態回饋系統，其中，該信標發射器係利用低功率藍牙技術(BLE4.0)進行傳輸。
  3. 如請求項1所述之空間定位及方向指引動態回饋系統，其中，該攝影機為紅外線攝影機，且於該攝影機周圍佈設有複數紅外線光源。
  4. 如請求項1所述之空間定位及方向指引動態回饋系統，其中，該攝影機前方設有魚眼鏡頭。
  5. 如請求項1所述之空間定位及方向指引動態回饋系統，其中，該方向指引器係於該平台形成一具容槽之移動塊，且於該容槽內設一樞軸，以供該光源單元樞接，並於該光源單元前端設有一光柵轉盤，使該光源單元所發出之指引光源能藉該光柵轉盤、該樞軸及該移動塊依不同方位調整投射方向。
  6. 如請求項5所述之空間定位及方向指引動態回饋系統，其中，該光柵轉盤設有至少一具指引圖案之光柵片。
  7. 如請求項5所述之空間定位及方向指引動態回饋系統，其中，該移動塊及該光柵轉盤能360°旋轉，而該光源單元能藉該樞軸以單一軸向擺動樞轉。
  8. 如請求項7所述之空間定位及方向指引動態回饋系統，其中，該移動塊及該光柵轉盤係透過馬達轉動。
  9. 如請求項1所述之空間定位及方向指引動態回饋系統，其中，該指引光源為低能雷射光源。
  10. 如請求項1所述之空間定位及方向指引動態回饋系統，其中，該空間內設有互動平台布幕，用以投影顯示該指引光源。
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