TWI656353B - 測向晶片、測向方法及信標 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露測向晶片、測向方法及信標。測向晶片應用於一測向系統之一信標。該信標包含複數個天線及一慣性測量單元。一行動裝置可依據該信標所提供之一補充資訊計算出一角度資訊。該測向晶片包含一計算電路及一射頻電路。該計算電路根據該慣性測量單元所產生之一加速度及一磁場向量產生一座標轉換資訊或該座標轉換資訊之一修正量。該座標轉換資訊或該修正量可用於補償該角度資訊。該射頻電路耦接該計算電路並用來傳送該補充資訊及該座標轉換資訊或該修正量。

Description

測向晶片、測向方法及信標
本發明是關於測向（direction finding）或測向系統。
本案的揭露內容與以下的文獻1~3有關。 1. Erica Gunhardson, “Indoor Positioning Using Angle of Departure Information,” MS thesis Department of Science and Technology, Linköping University, 2015. 2. Tarek Hamel, and Robert Mahony, “Attitude estimation on SO(3) based on direct inertial measurements,” Proc. Int. Conf. Robotics Automation (ICRA) ,pp. 2170-2175, 2006 .3. Smalling KM, Eure KW (2015), “A short tutorial on inertial navigation system and global positioning system integration,” Tech. rep., NASA, NASA/TM–2015-218803, NASA, 2015.
藍芽低能量（Bluetooth low energy, BLE）技術用於測向（direction finding）或導航愈來愈常見。圖1為習知測向系統的示意圖。信標110部署於室內空間的固定位置。使用者的行動裝置120從信標110取得信標資料（例如信標的通用唯一識別碼（Universally Unique Identifier, UUID）、信標的主要/次要編號等），然後將信標資料傳送至伺服器130。在一些情境中，伺服器130傳送信標110的座標給行動裝置120，行動裝置120再基於三角測距法（triangulation）或指紋法（fingerprinting）並利用信標110的座標以及接收訊號強度指示（Received Signal Strength Indication, RSSI）等資訊來計算出本身的座標。在另一些情境中，伺服器130根據行動裝置120所傳送的資料計算行動裝置120的座標，並將座標傳送給行動裝置120。
圖2為習知測向系統的另一示意圖。在這個情境中，信標110記錄本身的座標，並將本身的座標作為信標資料的其中一部分傳送至行動裝置120。也就是說，行動裝置120不需要從伺服器取得信標110的座標。
行動裝置120可以進一步基於角度資訊（例如到達角（angle of arrival, AoA）及/或出發角（angle of departure, AoD））來提升定位的準確度，而信標110必須相對應地提供關於信標天線的補充資訊（supplement）（例如補充資訊包含同相/正交取樣（I/Q sample），同相/正交取樣在不同的時槽（slot）用不同的天線送出），以讓行動裝置120可以根據接收到的同相/正交取樣在不同時槽的相位資訊計算出角度資訊（參考文獻1第3章）。要能夠有效利用上述的角度資訊，行動裝置120還必須知道信標110本身以及信標110的天線相對於測向系統之座標系統（例如東－北－上（East-North-Up, ENU）座標系統）的方向。舉例來說，行動裝置120可能必須知道天線相對於座標系統的每個座標軸的角度。習知的做法在部署信標110時必須一一量測每個信標110的天線的原始角度，然而當信標110移動或轉動時該些原始角度便不再適用，而必須重新量測。因此需要提出更好的方式，以在部署信標110時節省時間及人力，以及在部署之後節省維護成本。
鑑於先前技術之不足，本發明之一目的在於提供測向晶片、測向方法及信標，以節省部署信標的時間及人力，並且降低信標部署之後的維護成本。
本發明揭露一種測向晶片，應用於一測向系統之一信標。該信標包含複數個天線及一慣性測量單元。一行動裝置可依據該信標所提供之一補充資訊計算出一角度資訊。該測向晶片包含一計算電路及一射頻電路。該計算電路根據該慣性測量單元所產生之一加速度及一磁場向量產生一座標轉換資訊或該座標轉換資訊之一修正量。該座標轉換資訊或該修正量可用於補償該角度資訊。該射頻電路耦接該計算電路並用來傳送該補充資訊及該座標轉換資訊或該修正量。
本發明另揭露一種測向方法，應用於一測向系統之一信標。該信標包含複數個天線及一慣性測量單元。一行動裝置可依據該信標所提供之一補充資訊計算出一角度資訊。該測向方法包含：根據該慣性測量單元所產生之一加速度及一磁場向量產生一座標轉換資訊或該座標轉換資訊之一修正量；以及傳送該補充資訊及該座標轉換資訊或該修正量。該座標轉換資訊或該修正量可用於補償該角度資訊。
本發明另揭露一種測向系統之一信標，一行動裝置可依據該信標所提供之一補充資訊計算出一角度資訊。該信標包含複數個天線、一慣性測量單元及一測向晶片。該慣性測量單元用來產生一加速度及一磁場向量。該測向晶片耦接該天線及該慣性測量單元，用來根據該加速度及該磁場向量產生一座標轉換資訊或該座標轉換資訊之一修正量，並且傳送該補充資訊及該座標轉換資訊或該修正量。
本發明之測向晶片、測向方法及信標便於測向系統的設置，使信標的天線方向不需要準確地對齊測向系統的座標系統。詳言之，本發明利用慣性測量單元（inertial measurement unit, IMU）自動量測及提供相關的加速度、磁場向量及/或角速度等資訊，並利用該些資訊來校準信標的天線方向，以節省部署信標的時間及人力。再者，本發明亦可利用慣性測量單元自動監控信標是否被轉動或移動，使得後續的信標維護更為及時且節省成本。
有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作實施例詳細說明如下。
以下說明內容之技術用語係參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。
本發明之揭露內容包含測向晶片、測向方法及信標。由於本發明之測向晶片及信標所包含之部分元件單獨而言可能為已知元件，因此在不影響該裝置發明之充分揭露及可實施性的前提下，以下說明對於已知元件的細節將予以節略。此外，本發明之測向方法的部分或全部流程可以是軟體及/或韌體之形式，並且可藉由本發明之測向晶片或其等效裝置來執行，在不影響該方法發明之充分揭露及可實施性的前提下，以下方法發明之說明將著重於步驟內容而非硬體。
圖3係本發明信標之一實施例的示意圖。信標300包含電路板301、天線陣列305（包含天線305a~305d）、天線開關310、測向（direction finding）晶片320以及慣性測量單元330。天線陣列305、天線開關310、測向晶片320以及慣性測量單元330設置於電路板301之上。天線開關310控制天線305a~305d的切換（控制由某一個或某些個天線發射/接收訊號）。測向晶片320為具有計算及/或程式執行能力的積體電路，並且可以基於乙太網路協定及/或藍芽協定處理資料。慣性測量單元330可以包含加速度計及磁力計。因為天線陣列305及慣性測量單元330皆固定於電路板301上，所以天線陣列305與慣性測量單元330之間的相對位置及相對角度實質上維持不變。慣性測量單元330可以提供測向晶片320有關於信標300的加速度及磁場向量等資訊。天線開關310及慣性測量單元330為習知的元件，其功能及原理為本技術領域具有通常知識者所熟知，故不再贅述。
圖4為本發明測向晶片之一實施例的功能方塊圖。圖5為本發明測向方法的一實施例的流程圖。測向晶片320包含記憶體322、計算電路324以及射頻電路326。計算電路324耦接慣性測量單元330，且射頻電路326耦接天線開關310。記憶體322儲存複數個程式碼或程式指令。計算電路324為具有程式執行能力的電路（例如微處理器、微控制器等），並藉由執行該些程式碼或程式指令來實現測向晶片320的功能。射頻電路326例如可以透過乙太網路協定或藍芽協定傳輸訊號。
當信標300部署完成後，計算電路324從慣性測量單元330取得關於信標300的加速度及磁場向量等資訊（步驟S510）、從記憶體322取得信標座標（步驟S515）（信標的座標例如由使用者預先設定並儲存於記憶體322中），然後根據信標300的加速度及磁場向量計算第一座標系統和第二座標系統的座標轉換資訊或座標轉換資訊的修正量（步驟S520）。更明確地說，第一座標系統是信標300的自體座標（body frame），第二座標系統是信標300所位在之測向系統的座標系統（或稱為導航座標（navigation frame））（例如前述之東－北－上的座標系統），而座標轉換資訊即第一座標系統（ ）和第二座標系統（ ）的轉換矩陣（ ）。計算電路324可以利用方向轉換和追蹤演算法得到座標轉換資訊。第一座標系統 、第二座標系統 和轉換矩陣 三者的關係如方程式(1)所示。 (1)
座標轉換資訊的計算可以參考文獻1的第3章、尤拉角（Euler angles）（例如參考https://en.wikipedia.org/wiki/Euler_angles）、四元數及空間旋轉（Quaternions and spatial rotation）（例如參考https://en.wikipedia.org/wiki/Quaternions_and_spatial_rotation）以及四元數與尤拉角之間的轉換（例如參考https://en.wikipedia.org/wiki/Conversion_between_quaternions_and_Euler_angles）。當第一座標系統和第二座標系統對齊時，亦即第一座標系統的三個座標軸和第二座標系統的三個相對應的座標軸之間的夾角皆為0度時，轉換矩陣為單位矩陣。上述的方向轉換和追蹤演算法可以參考文獻2及文獻3。
第一座標系統和第二座標系統的座標轉換資訊亦可被視為第一座標系統和第二座標系統之間的夾角，此夾角為信標300之天線方向資訊的一部分。天線方向資訊亦包含天線陣列的座標。
計算電路324也可以根據加速度及磁場向量計算座標轉換資訊的修正量（步驟S520）。更詳細地說，在信標300移動或轉動之後，計算電路324提供新的座標轉換資訊。此新的座標轉換資訊可以是更新後的尤拉角或單元四元數（unit quaternions），或是原本的單元四元數加上額外的單元四元數。此額外的單元四元數即為步驟S520中的修正量。
接著計算電路324透過射頻電路326將補充資訊（例如同相/正交取樣）及信標的通用唯一識別碼及/或座標發送至行動裝置（步驟S530）。當射頻電路326透過藍芽協定傳輸訊號，則射頻電路326以廣播（advertising）或連線（connection）的方式傳輸上述資料至行動裝置。當射頻電路326透過乙太網路協定傳輸訊號，則計算電路324可以將信標的通用唯一識別碼及座標傳送至伺服器，以供行動裝置查詢。接著計算電路324再透過射頻電路326傳送座標轉換資訊或座標轉換資訊的修正量（步驟S535）。
行動裝置即可根據信標300的座標（直接由從信標300取得，或以通用唯一識別碼向伺服器查詢後取得）、補充資訊、座標轉換資訊（或座標轉換資訊的修正量）得到行動裝置本身在第二座標系統中的座標。舉例來說，行動裝置可以根據補充資訊得到天線陣列305的角度資訊，並且可以基於方程式(1)使用座標轉換資訊來補償角度資訊，然後再根據補償後的角度資訊及信標座標來定位（例如使用三角測距法）。
座標轉換資訊的修正量與舊的或先前的座標轉換資訊的乘積等於目前的座標轉換資訊。換句話說，在一些情況中，當行動裝置已有先前的座標轉換資訊，則行動裝置可以利用先前的座標轉換資訊及目前的座標轉換資訊的修正量來補償天線陣列305的角度資訊。當測向晶片320只計算和傳輸座標轉換資訊的修正量時，有助降低信標300的耗電。
接下來，計算電路324持續傳送補充資訊、信標的通用唯一識別碼或座標、及座標轉換資訊或座標轉換資訊的修正量（持續執行步驟S530、S535及S540），直到到達預設時間（步驟S540為是）。在步驟S510完成後至預設時間到達之前，計算電路324可以控制慣性測量單元330停止運作（即非致能（disable）慣性測量單元330）以降低信標300的耗電，並且在預設時間到達後，計算電路324啟動或致能（enable）慣性測量單元330並且再次執行步驟S510～步驟S540。預設時間可以例如數小時、數天或數星期。
在一些實施例中，慣性測量單元330更包含陀螺儀，並且計算電路324更可以根據陀螺儀的角速度資訊來取得更準確的座標轉換資訊或座標轉換資訊的修正量。換句話說，計算電路324在步驟S510中更取得陀螺儀提供的角速度資訊，並且在步驟S520中更參考角速度資訊來計算座標轉換資訊或座標轉換資訊的修正量。
藉由慣性測量單元的輔助，本發明可以使信標的部署更有效率，而且亦可以在部署完成後自動監控信標及其天線的角度是否改變。本發明的測向晶片、測向方法及信標可應用於藍芽低能量室內定位。
由於本技術領域具有通常知識者可藉由本案之裝置發明的揭露內容來瞭解本案之方法發明的實施細節與變化，因此，為避免贅文，在不影響該方法發明之揭露要求及可實施性的前提下，重複之說明在此予以節略。請注意，前揭圖示中，元件之形狀、尺寸、比例以及步驟之順序等僅為示意，係供本技術領域具有通常知識者瞭解本發明之用，非用以限制本發明。
雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可依據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。
110、300‧‧‧信標
120‧‧‧行動裝置
130‧‧‧伺服器
301‧‧‧電路板
305‧‧‧天線陣列
310‧‧‧天線開關
320‧‧‧測向晶片
330‧‧‧慣性測量單元
322‧‧‧記憶體
324‧‧‧計算電路
326‧‧‧射頻電路
S510~S540‧‧‧步驟
［圖1］為習知測向系統的示意圖； ［圖2］為習知測向系統的另一示意圖； ［圖3］為本發明信標之一實施例的示意圖； ［圖4］為本發明測向晶片之一實施例的功能方塊圖；以及 ［圖5］為本發明測向方法的一實施例的流程圖。

Claims (6)

  1. 一種測向晶片，應用於一測向系統之一信標，該信標包含複數個天線及一慣性測量單元，一行動裝置可依據該信標所提供之一補充資訊計算出一角度資訊，該測向晶片包含：一計算電路，根據該慣性測量單元所產生之一加速度及一磁場向量產生一座標轉換資訊或該座標轉換資訊之一修正量，其中該座標轉換資訊或該修正量可用於補償該角度資訊；以及一射頻電路，耦接該計算電路，用來傳送該補充資訊及該座標轉換資訊或該修正量至該行動裝置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之測向晶片，其中該計算電路係根據一預設時間致能或非致能該慣性測量單元。
  3. 一種測向方法，應用於一測向系統之一信標，該信標包含複數個天線及一慣性測量單元，一行動裝置可依據該信標所提供之一補充資訊計算出一角度資訊，該測向方法包含：根據該慣性測量單元所產生之一加速度及一磁場向量產生一座標轉換資訊或該座標轉換資訊之一修正量，其中該座標轉換資訊或該修正量可用於補償該角度資訊；以及傳送該補充資訊及該座標轉換資訊或該修正量至該行動裝置。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之測向方法，更包含：根據一預設時間致能或非致能該慣性測量單元。
  5. 一種測向系統之一信標，一行動裝置可依據該信標所提供之一補充資訊計算出一角度資訊，該信標包含：複數個天線；一慣性測量單元，用來產生一加速度及一磁場向量；一測向晶片，耦接該些天線及該慣性測量單元，用來根據該加速度及該磁場向量產生一座標轉換資訊或該座標轉換資訊之一修正量，並且傳送該補充資訊及該座標轉換資訊或該修正量至該行動裝置。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之信標，其中該些天線及該慣性測量單元的相對位置及相對角度實質上維持不變。
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