TWI781655B - 結合圖資之超寬頻定位系統 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種結合圖資之超寬頻定位系統，包含一第一訊號發送/接收器以及一電子裝置，該電子裝置與該第一訊號發送/接收器連結，該電子裝置根據一圖資以及一輸入訊號，產生至少一初始化圖資座標，並根據一空間座標系，取得至少一相對資訊，根據該空間座標系以及該相對資訊，產生至少一初始化空間座標，根據該至少一初始化空間座標以及該至少一初始化圖資座標，設定一座標轉換函數，並根據該第一訊號發送/接收器之一第一空間座標以及該座標轉換函數，取得一圖資座標；如此一來，可更彈性地將第一訊號發送/接收器之空間座標對應到圖資，提升利用超寬頻定位技術之效率及便利性之目的。
Description
本發明係關於一種定位系統，尤指一種結合圖資之超寬頻定位系統。
目前超寬頻定位之技術，主要係多個基地台以飛時測距（Time of Fight, TOF）或到達時間差（Time Difference of Arrival, TDOA）之方式，找出複數個基地台與一標籤間之距離或距離差，進而找出該標籤位置。
詳細而言，現有超寬頻定位技術，若要在一空間場域中，定位出一標籤在該場域所處之一標籤位置並將該空間標籤位置呈現於顯示模組時，一般來說，做法為在空間中選擇一原點，以雷射測距儀量測複數個基地台的空間座標，接著，該標籤廣播至少一訊號，該基地台自該標籤接收到該訊號後，將根據該訊號，透過飛時測距(Two-Way Ranging)或到達時間差之方式，計算該標籤與該複數個基地台間的一相對資訊，由已知該基地台的座標位置，再加上計算而得之距離或距離差，即可計算(如以至少三邊量測法,Tri-Lateration)得知該標籤位置，並以一定比例將標籤空間座標轉換到顯示模組上。
然而，現有技術，需透過先對該場域進行量測，且需要複數個基地台，才可得知該標籤位置，在場域量測以基地台架設上，將需要花費大量時間，才能完成顯示。
據此，現有技術超寬頻定位之方式相當費時，實乃仍存在需要改善之處。
有鑑於上述現有技術之不足，本發明之主要目的在於提供一種結合圖資之超寬頻定位系統，藉由單一超寬頻基地台與圖資之對應降低真實場域本身的設置限制，以提升定位效率及便利性。
為達上述目的所採取的主要技術手段係令前述結合圖資之超寬頻定位系統，包含：
一第一訊號發送/接收器；
一電子裝置，係與該第一訊號發送/接收器連結，並根據一圖資與至少一輸入訊號，產生與該第一訊號發送/接收器相對應之至少一初始化圖資座標；
其中，該電子裝置根據一空間座標系，取得至少一相對資訊，根據該空間座標系以及該至少一相對資訊，產生與該第一訊號發送/接收器相對應之至少一初始化空間座標，根據該至少一初始化空間座標以及該至少一初始化圖資座標，設定一座標轉換函數，並根據該第一訊號發送/接收器之一第一空間座標以及該座標轉換函數，取得一圖資座標。
透過上述本發明之結合圖資之超寬頻定位系統，該電子裝置與該第一訊號發送/接收器連結，並根據一圖資與至少一輸入訊號，產生與該第一訊號發送/接收器相對應之至少一初始化圖資座標，接著，該電子裝置根據該空間座標系以及該至少一相對資訊，產生該至少一初始化空間座標，根據該至少一初始化空間座標以及該至少一初始化圖資座標，設定一座標轉換函數，並根據該第一訊號發送/接收器之一第一空間座標以及該座標轉換函數，取得一圖資座標；據此，可免除對該場域量測以及劃線的時間，進而提升超寬頻定位系統及方法的使用便利性之目的。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容瞭解本發明之其他優點與功效。本發明也可藉由其他不同的具體實施例加以實施或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
關於本發明結合圖資之超寬頻定位系統之第一實施例，請參考圖1所示，其包括一第一訊號發送/接收器1以及一電子裝置2，該電子裝置2與該第一訊號發送/接收器1係以超寬頻無線訊號（Ultra-wideband, UWB）連結。首先，該電子裝置2將根據一圖資與至少一輸入訊號，產生與該第一發送/接收器1相對應之至少一初始化圖資座標，隨後，該電子裝置2根據一空間座標系，取得至少一相對資訊，接著，根據該空間座標系以及該至少一相對資訊，產生與該第一訊號發送/接收器1相對應之至少一初始化空間座標，根據該至少一初始化空間座標以及該至少一初始化圖資座標，設定一座標轉換函數，並根據該第一訊號發送/接收器1之一第一空間座標以及該座標轉換函數，取得一圖資座標。
詳細而言，本發明係藉由至少一初始測量資訊測量該第一訊號發送/接收器1與該電子裝置2間之該至少一相對資訊，具體而言，可透過該第一訊號發送/接收器1廣播該至少一初始測量資訊，而該電子裝置2接收該至少一初始測量資訊，或該電子裝置2廣播該至少一初始測量資訊，而該第一訊號發送/接收器1接收該至少一初始測量資訊，該第一訊號發送/接收器1再廣播至少一第二訊號由電子裝置2接收後，該電子裝置2根據該至少一初始測量資訊，以雙向測距(Two-Way-Ranging, TWR)或是雙邊雙向測距( Asymmetric double side two way ranging, ADSTWR) 之距離計算方式計算或是以複數個天線以訊號到達角(Angle of Arrival, AOA)或訊號到達相位差(Phase Difference of Arrival, PDOA)之角度計算方式而得該至少一相對資訊，該至少一相對資訊可為至少一距離、至少一方向角以及至少一傾角的其中之一，或該至少一相對資訊亦可為前述之組合。
較佳地，該第一訊號發送/接收器1可為一超寬頻訊號發射/接收器，該電子裝置2可為一行動裝置、一平板、一超寬頻訊號基地台等。該電子裝置2預存該圖資，且該圖資具有複數個像素，該電子裝置2器亦或可進一步透過網路與一伺服器（圖未繪示）連結，且該伺服器具有該圖資，該電子裝置2自該伺服器接收該圖資。
舉例來說，在一跑道上，該跑道上的運動員配戴一超寬頻訊號發射/接收器11，行動裝置2根據該圖資的該等像素與至少一輸入訊號選擇該等像素的其中之一，以產生該至少一初始化圖資座標，該行動裝置2將根據該至少一初始測量資訊，計算出與該超寬頻訊號發射/接收器11間之該至少一相對資訊（即距離），接著，根據該空間座標系以及該至少一相對資訊，產生與該超寬頻訊號發射/接收器11相對應之該至少一初始化空間座標，隨後，根據該超寬頻訊號發射/接收器11的該至少一初始化圖資座標以及該至少一初始化空間座標，而設定該座標轉換函數，當該超寬頻訊號發射/接收器11移動後，將根據該座標轉換函數，取得該超寬頻訊號發射/接收器11的移動後之座標11’。本發明亦可提供多個球員各自配戴具有該超寬頻訊號發射/接收器11之標籤在籃球場上的位置，亦或是，也可在電視上額外加上一電子裝置2，將超寬頻訊號發射/接收器製作成標籤貼在遙控器上或內建於遙控器內，移動標籤時，電視會即時呈現標籤之位置。
初始測量資訊初始測量資訊較佳地，如圖2所示，本發明之該電子裝置2進一步包含一第一天線陣列模組21以及一第一處理模組22，該第一天線陣列模組21具有至少二第一天線單元21a,21b，該等天線單元21a,21b彼此設置至少一天線距離，以形成一維空間天線陣列，該等天線單元21a,21b並且分別接收該至少一初始測量資訊，該電子裝置2根據該圖資顯示與該至少一輸入訊號，以產生該至少一初始化圖資座標，該第一處理模組22與該二天線單元21a,21b耦接，該等天線單元21a,21b接收該至少一初始測量資訊，該第一處理模組22將根據該等天線單元21a,21b 間之該至少一天線距離、一光速、與該第一訊號發送/接收器1之頻率以及該等天線單元21a,21b分別接收該至少一初始測量資訊，計算與該第一訊號發送/接收器1間之該至少一距離以及該至少一方向角，接著，根據該空間座標系、該至少一距離以及該至少一方向角，產生該至少一初始化空間座標，隨後，該第一處理模組22並根據該至少一初始化空間座標以及該至少一初始化圖資座標，設定該座標轉換函數，再者，根據第一訊號發送/接收器1後續移動之該第一空間座標以及該座標轉換函數，取得第一訊號發送/接收器1後續移動之該圖資座標。較佳地，該電子裝置2提供該使用者根據該圖資，供輸入至少三輸入訊號，產生與該第一訊號發送/接收器1相對應之至少三初始化圖資座標，根據該至少一天線距離、該光速、該第一訊號發送/接收器1之頻率以及該至少三初始測量資訊，計算得至少三距離以及至少三方向角，並根據該至少三初始化空間座標以及該至少三初始化圖資座標，設定該座標轉換函數，並根據該第一空間座標以及該座標轉換函數，取得該圖資座標。
詳細而言，電子裝置2可根據第一訊號發送/接收器1之至少一初始測量資訊到達該等天線單元21a,21b之相位差(Phase Difference of Arrival, PDOA)，加上已知之天線單元21a,21b間之天線距離，該光速與該第一訊號發送/接收器之頻率計算出到達角(AOA,Angle of Arrival) ，以得到方向角，並根據時間戳記以雙向測距(Two-Way-Ranging, TWR)或是雙邊雙向測距( Asymmetric double side two way ranging, ADSTWR) 之距離計算方式得到該至少一距離，若該第一天線陣列模組21包含三第一天線單元21a,21b,21c，根據第一訊號發送接/收器1之至少一初始測量資訊，電子裝置2可根據第一第一訊號發送/接收器1之至少一初始測量資訊到達該等天線單元21a,21b,21c中的其中二天線單元之相位差，加上已知之該等天線距離與該等天線單元之角度關係，該光速與第一訊號發送/接收器1之頻率計算出二到達角，以取得該至少一方向角與該至少一傾角，並根據前述之雙向測距或是雙邊雙向測距之距離計算方式得到該至少一距離。
又一較佳實施例，仍參考圖2所示，該第一天線陣列模組21可進一步包含三天線單元21a,21b,21c，該等天線單元21a,21b,21c間隔設置二天線距離，以形成多維空間天線陣列（如：2維空間），且與該第一處理模組22耦接，並用以接收該至少一初始測量資訊，接著，該第一處理模組22根據該天線單元21a,21b,21c之該等天線距離、該光速、該第一訊號發送/接收器之頻率與該至少一初始測量資訊，計算與該第一訊號發送/接收器1間之該至少一距離、該至少一方向角以及該至少一傾角，並根據該空間座標系、該至少一距離、該至少一方向角以及該至少一傾角，產生該至少一初始化空間座標，隨後，根據該至少一初始化空間座標以及該至少一初始化圖資座標，設定該座標轉換函數，並根據該第一空間座標以及該座標轉換函數，取得該圖資座標。於本實施例，較佳地，該電子裝置2提供使用者根據該圖資，輸入至少四輸入訊號，以產生至少四初始化圖資座標，該第一處理模組22根據該等天線距離、該光速、該第一訊號發送/接收器1之頻率與該至少四初始測量資訊，計算得至少四距離、至少四方向角以及至少四傾角，並根據該至少四初始化空間座標以及該至少四初始化圖資座標，設定該座標轉換函數，並根據該第一空間座標以及該座標轉換函數，取得該圖資座標。
另外，本發明之第二實施例，如圖3所示，，本發明之該結合圖資之超寬頻定位系統可進一步包含一第二訊號發送/接收器3，分別與該第一訊號發送/接收器1以及該電子裝置2連結，該第二訊號發送/接收器3可透過該超寬頻無線訊號自該第一訊號發送/接收器1接收該至少一初始測量資訊，並根據該至少一初始測量資訊，取得該至少一相對資訊，將該至少一相對資訊藉由藍芽訊號傳送至該電子裝置2，以提供該電子裝置2可根據接收到的該至少一相對資訊，設定該座標轉換函數。
進一步，該第二訊號發送/接收器3進一步包含一第二天線陣列模組31以及一第二處理模組32，該第二天線陣列模組31具有至少二第二天線單元31a,31b，該等天線單元31a,31b分別與該第二處理模組32耦接，該等天線單元31a,31b用以接收該至少一初始測量資訊，而該第二處理模組32進而取得該至少一相對資訊，當該第二處理模組32當取得該至少一相對資訊後，傳送至該電子裝置2。該第二天線陣列模組31進一步具有三第二天線單元31a,31b,31c。於本實施例中，該第二天線陣列模組31、該第二處理單元模組32與以上所述之實施例的該第一天線陣列模組21、該第一處理模組22之實施例相同，故不再贅述。
前述實施例中，輸入該至少一輸入訊號後，產生該至少一初始化圖資座標時，以二維空間為例，該初始化圖資座標之座標為[x y], 電子裝置2得到該至少一距離與該至少一方向角之相對資訊，根據一空間座標系可得該至少一初始化空間極座標或對應之初始化空間卡式座標，以卡式座標為例，以 [x’ y’]代表 ，可建立二座標之間的關係，如：
+
若電子裝置2之坐標系與圖資坐標系兩個軸向都一致且已知圖資比例尺（假設為1)，則a、b、c、d均為1,只需一個初始化圖資座標及可求得osx與osy，以此轉換函數將該第一訊號發送/接收器1之該初始化圖資座標轉換為該圖資座標，該電子裝置2之坐標系可以但不限於以二天線模組21a,21b之中間點為原點，電路板的長邊為x’,短邊為y’，反之，若該電子裝置2任意擺放，且不知圖資比例，則可以至少三個以上之初始化圖資座標來用線性代數或是回歸求得轉換函數。
同樣的，三維空間的轉換為：
若該電子裝置2之坐標系與圖資坐標系至少三個軸向都一致且已知圖資比例，只需一個初始化圖資座標及可求得轉換函數, 若該電子裝置任意擺放，且不知圖資比例，則可以4個以上之初始化圖資座標來用線性代數或是回歸求得轉換函數。
上述實施例中，該空間座標系之原點，可以係該電子裝置2、該第二訊號發送/接收器3或任一空間之位置，圖資包含但不限於一維地圖、二維地圖、三維地圖、高維度座標(如三維座標加色彩) 、網頁頁面、圖形檔案（JPEG、PNG等)、向量圖檔（DXF、GeoJSON等)，輸入訊號包含但不限於觸控輸入訊號，滑鼠輸入訊號、按鈕輸入訊號與感測輸入訊號(如大力搖晃遙控器經加速器感測輸入)等，圖資座標包含但不限於一維座標、二維座標、三維座標、高維度座標(如三維座標加色彩)，輸入訊號產生圖資座標的方式包含但不限於根據觸控輸入訊號的位置指定圖資座標、根據滑鼠輸入訊號的位置指定圖資座標、根據遙控器按鈕輸入訊號設定或讀取一預設圖資座標等，且上述實施列中所提之連結包含但不限於同步無限傳輸、非同步傳輸、掃描與廣播等，該座標轉換函數的方式包含但不限於計算求得轉換矩陣係數，本發明之空間座標與圖資座標包含但不限於卡式座標與極座標，初始測量資訊包含但不限於識別碼(Identification)、發送或接收時間戳記(Timestamp) 、發送序號(Sequence Number) ，初始測量資訊的形式包含但不限於加上高頻載波之無線訊號或是數位訊號，電子裝置或該第一處理模組根據初始測量資訊可以得到的資訊包含但不限於根據初始測量資訊到達任二天線產生的強度峰值的時間差得到相位差或是根據時間戳記得到距離。
根據前述較佳實施例的具體應用方式及說明，本發明係進一步歸納一結合圖資之超寬頻定位方法，如圖4所示，主要係由前述的藉由一結合圖資之超寬頻定位系統，該結合圖資之超寬頻定位系統包含一第一訊號發送/接收器以及一電子裝置，令該電子裝置執行包含以下步驟：
根據一圖資以及一輸入訊號，產生至少一初始化圖資座標（S40）；
根據一空間座標系，取得至少一相對資訊（S41）；
根據該空間座標系以及該至少一相對資訊，產生至少一初始化空間座標（S42）；
根據該至少一初始化空間座標以及該至少一初始化圖資座標，設定一座標轉換函數（S43）；
根據一第一空間座標以及該座標轉換函數，取得一圖資座標（S44）。
接著，如圖5所示，其中當該方法執行前述「取得該至少一相對資訊」（S41）之步驟，包含以下步驟：接收至少一初始測量資訊（S410）；根據該至少一初始測量訊號，取得該至少一相對資訊之至少一距離、至少一方向角或至少一傾角（S411）。
較佳實施例，請參考圖6所示，其中，當接收到該至少一初始測量資訊後，於「取得該至少一相對資訊之至少一距離、至少一方向角或至少一傾角」（S411）之步驟，更包括以下步驟：根據該至少一天線距離、一光速、一頻率以及該至少一初始測量資訊，計算得該至少一距離以及該至少一方向角（S412）；根據該空間座標系、該至少一距離以及該至少一方向角，產生該初始化空間座標（S413）。
又一較佳實施例，請參考圖7所示，其中，當接收到該至少一初始測量資訊後，於「取得該至少一相對資訊之至少一距離、至少一方向角或至少一傾角」（S411）之步驟，更包含下列步驟：根據該等天線距離、該光速、該頻率與該至少一初始測量資訊，計算得該至少一距離、該至少一方向角以及該至少一傾角（S412A）；根據該空間座標系、該至少一距離、該至少一方向角以及該至少一傾角，產生該至少一初始化空間座標（S413A）。
綜上所述，本發明之結合圖資之超寬頻定位系統及方法，利用圖資，可提供使用者即時在電子裝置上對圖資上的該第一訊號發送/接收器的位置進行定位，進而提升超寬頻定位系統及方法的使用便利性之目的。
上述實施例僅例示性說明本發明，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所載。
1:第一訊號發送/接收器
2:電子裝置
21:第一天線陣列模組
21a,21b,21c:第一天線單元
22:第一處理模組
3:第二訊號發送/接收器
31:第二天線陣列模組
31a,31b,31c:第二天線單元
32:第二處理模組
圖1係本發明之第一實施例方塊圖。
圖2係本發明之較佳實施例方塊圖。
圖3係本發明之第二實施例的系統方塊圖。
圖4係本發明之第一實施例方法流程圖圖。
圖5係本發明之較佳實施例的方法流程圖。
圖6係本發明之又一佳實施例的方法流程圖。
圖7係本發明之較佳實施例的再一方法流程圖。
1:第一訊號發送/接收器
2:電子裝置
Claims (10)
- 一種結合圖資之超寬頻定位系統，包含：一第一訊號發送/接收器；一電子裝置，根據一圖資與至少一輸入訊號，產生與該第一訊號發送/接收器相對應之至少一初始化圖資座標；一第二訊號發送/接收器，係與該第一訊號發送/接收器以及該電子裝置連結，自該第一訊號發送/接收器接收至少一初始測量資訊，以取得該至少一相對資訊之至少一距離、至少一方向角或至少一傾角，並將該至少一相對資訊之該至少一距離、該至少一方向角或該至少一傾角傳送至該電子裝置；該電子裝置根據一空間座標系，取得至少一相對資訊，根據該空間座標系以及該至少一相對資訊，產生與該第一訊號發送/接收器相對應之至少一初始化空間座標，根據該至少一初始化空間座標以及該至少一初始化圖資座標，設定一座標轉換函數，並根據該第一訊號發送/接收器之一第一空間座標以及該座標轉換函數，取得一圖資座標。
- 如請求項1所述之結合圖資之超寬頻定位系統，其中，該電子裝置自該第一訊號發送/接收器接收至少一初始測量資訊，以取得該至少一相對資訊之至少一距離、至少一方向角或至少一傾角。
- 如請求項2所述之結合圖資之超寬頻定位系統，其中，該電子裝置進一步包含： 一第一天線陣列模組，具有至少二天線單元，該至少二天線單元間隔至少一天線距離，並分別接收該至少一初始測量資訊；一第一處理模組，與該第一天線陣列模組耦接；其中，該第一處理模組根據該至少一天線距離、一光速、該第一訊號發送/接收器之頻率以及該至少一初始測量資訊，計算得該至少一距離以及該至少一方向角，根據該空間座標系、該至少一距離以及該至少一方向角，產生該初始化空間座標。
- 如請求項3所述之結合圖資之超寬頻定位系統，其中，該第一處理模組根據該至少一天線距離以及該至少三初始測量資訊，計算得至少三距離以及至少三方向角，並根據該空間座標系、該至少三距離以及該至少三方向角，產生至少三初始化空間座標，並根據該至少三初始化空間座標以及該至少三初始化圖資座標，設定該座標轉換函數，並根據該第一空間座標以及該座標轉換函數，取得該圖資座標。
- 如請求項3所述之結合圖資之超寬頻定位系統，其中，該第一天線陣列模組包含：三天線單元，該等天線單元間隔設置二天線距離，且分別接收該至少一初始測量資訊；其中，該第一處理模組根據該等天線距離、該光速、該第一訊號發送/接收器之頻率與該至少一初始測量資訊，計算得該至少一距離、該至少一方向角以 及該至少一傾角，並根據該空間座標系、該至少一距離、該至少一方向角以及該至少一傾角，產生該至少一初始化空間座標。
- 如請求項5所述之結合圖資之超寬頻定位系統，其中，該第一處理模組根據該等天線距離、該光速、該第一訊號發送/接收器之頻率與該至少四初始測量資訊，計算得該至少四距離、該至少四方向角以及該至少四傾角，根據該空間座標系、該至少四距離、該至少四方向角以及該至少四傾角，產生至少四初始化空間座標，並根據該至少四初始化空間座標以及該至少四初始化圖資座標，設定該座標轉換函數，並根據該第一空間座標以及該座標轉換函數，取得該圖資座標。
- 如請求項1所述之結合圖資之超寬頻定位系統，其中，該第二訊號發送/接收器進一步包含：一第二天線陣列模組，具有二天線單元，該等天線單元間隔設置至少一天線距離，且分別接收該至少一初始測量資訊；一第二處理模組，與該第二天線陣列模組耦接；其中，該第二處理模組根據該至少一天線距離、一光速、該第一訊號發送/接收器之頻率以及該至少一初始測量資訊，計算得該至少一距離以及該至少一方向角，並將該至少一距離以及該至少一方向角傳送至電子裝置。
- 如請求項7所述之結合圖資之超寬頻定位系統，其中，該第二處理模組根據該至少一天線距離、該光速、該第一訊號發送/接收器之頻率以及該至少 三初始測量資訊，計算得至少三距離以及至少三方向角，並將該至少三距離以及該至少三方向角傳送至電子裝置。
- 如請求項7所述之結合圖資之超寬頻定位系統，其中，該第二天線陣列模組更包含：三天線單元，該等天線單元間隔設置二天線距離，且分別接收該至少一初始測量資訊；其中，該第二處理模組根據該等天線距離、該光速、該第一訊號發送/接收器之頻率、該至少一初始測量資訊，計算得該至少一距離、該至少一方向角以及該至少一傾角，並根據該空間座標系、該至少一距離、該至少一方向角以及該至少一傾角，並將該至少一距離、該至少一方向角以及該至少一傾角傳送至電子裝置。
- 如請求項9所述之結合圖資之超寬頻定位系統，其中，該第二處理模組根據該等天線距離、該光速、該第一訊號發送/接收器之頻率、該至少四初始測量資訊，計算得該至少四距離、該至少四方向角以及該至少四傾角，並將該至少四距離、該至少四方向角以及該至少四傾角傳送至電子裝置。
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