TWI380048B - Indoor localization method and its system - Google Patents

Description

1380048 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種定位方法及其系統，特別是指一 種利用一非同步協定之室内定位方法及其系統。 【先前技術】 現今，在室外一般的定位方式就是透過全球定位系統 (Global Position System，GPS) ’ 透過 GPS 可以極為便利且 正確地取得一使用者的位置資訊，且依相關定位硬體設備 的優劣差異，使得其所提供之定位的誤差值落於數十公尺 到數公尺之内的準確度；然而，室内相對於室外是一個範 圍較小的空間，且室内的格局也相對地比較密集，所以不 容許如GPS所提供之數公尺或甚至數十公尺如此大的誤差 ’而提咼了室内定位準確度之可行性的門捏。 然而，隨著無線傳輸技術的進步，除了將其直接地使 用在通訊領域外，其他許多運用無線傳輸技術的應用也就 如雨後春筒般，大量的蘊孕而生，其中’較為廣泛的即為 運用在室内定位之範疇中，其目前所使用之方式即利用「 無線電信號強度指示識別基礎」（Radi〇 Signy strength Indicator-signature-based，RSSI-Signature-based)技術來進行 室内之定位。RSSI識別基礎技術主要是利用一信號接收器/ 發射器與多個設置於室内之不同地方的信號發射台/接收台（ 通常為無線網路基地台）之間信號接收或傳遞的強弱程度， 來進一步得知該信號接收器/發射器之位置。 但是，一個運用RSSI識別基礎系統來進行室内定位的 5 1380048 共通瓶頸為一定位的準確度會隨著該RSSI識別時效性的老 化而減低；此外’每一信號發射台/接收台之天線方向性、 室内移動物體或ϋ定障礙物所導致之雜訊干擾、穩帶該信 號接收器/發射器移動時之角《、位置及方向的改變，以及 信標（beacon)距離的變化等，對於室内定位之準確度的影響 也鮮有相關學術單位或業者進行深入分析探討。 因此，如何開發出一套提昇RSSI識別基礎之室内定位 效率及準喊度的方法及相關系統，便成為相關業者所欲努 力研究的方向。 【發明内容】 因此，本發明之目的，即在提供一種利用一非同步協 定之室内定位方法。 於是，本發明室内定位方法，包含以下步驟： (a) 設置複數具有非同步發射複數定位訊號功能之信標 於一室内空間。 (b) 於該室内空間進行一訓練階段：逐步移動一定位單 几以接收該等信標發出之訊號，#出複數訊號向量及由該 等訊號向量構成之訊號識別值。 ⑷於欲求得之位置進行—追蹤階段：收集該等信標發 出之讯號’得出訊號向量’與該等訊號識別值進行比對。 (d)運用一判斷機制得出評估位置。 此外，本發明之另—目的，即在提供一種具有依昭一 非同步協定處理之室内定㈣統。 於疋，本發明室内定位系統，適用於對一室内空間進 6 行定位，該室内定位系統包含： 複數信標，該等信標安裝於該室内空間内，且具有一 非同步發射複數定位訊號功能。 一定位單元，用來接收該等信標的定位訊號，且具有 執行一訓練階段、一追蹤階段及一判斷機制功能，藉由執 行該訓練階段產生複數訊號向量及複數由該等訊號向量構 成之訊號識別值，且藉由該追蹤階段收集該等訊號向量並 與該等訊號識別值進行比對，並運用該判斷機制得出最鄰 近的一評估位置。 本發明之功效在於，利用該非同步協定並判斷該定位 單元接收該等信標之定位訊號及訊號向量所產生之該定位 單元的評估位置，而達成室内定位之目的。 【實施方式】 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清 楚的呈現。 參閱圖1及圖2，本發明室内定位方法的較佳實施例包 含以下步驟： 首先，如步驟11所示，設置複數具有一非同步發射複 數定位訊號功能之信標22於一室内空間20。在本較佳實施 例中，該等信標22所依照之非同步發射複數定位訊號功能 是由 Dimitrios Lymberopoulos、Quentin Lindesy 及 Andreas Savvides 於「An Empirical Characterization of Radio Signal Strength Variability in 3-D IEEE 802.1.5.4 Networks Using 1380048 定位訊號，以避免該等信標22間於傳輸時發生該等定位訊 號之碰撞；該DESYN協定主要是先將該等信標22之其^ 之定位訊號的時間點，以防止該等信標22於發射該等定位 訊號之相互碰撞的情況。

此外，在前述之步驟U中，每一信標22所發射之每二 定位訊號間之時間間隔設定為二百毫秒，每一定位訊號是 包括其信標22之身分識別資料（ID)的簡短封包（packet), 然而，前述之本較佳實施例中所利用的非同步協定、信標 22之發射時間間隔，及每一定位訊號所包括之内容等，於 實際應用±，是具有相關背景者所易於思及而變化運用， 故不應受該較佳實施例之特定範例為限。

Monopole Antennas」研究論文中所提出之非同步協定 (Desynchronization protoc〇b DESYN pr〇t〇c〇I)來發射該等 一信標22指定為一節點，再藉由該節點運算與其鄰近的作 標22所發射之定位訊號間的時間差距，來調整其所應發射 其次，如步驟12所示，將該室内空間2〇劃分出複數 子區域，而在本較佳實施例中，該等子區域是以網格狀 (gnd)之形式劃分，且每一網格（即子區域）相距三十公分， 也就是約人走一步之距離。 接著，如步驟13所示，於該室内空間2〇進行一訓練 階段’逐步移動-定位單元21以接收該等信標22發出之 號，付出複數訊號向量及由該等訊號向量構成之複數訊 號識別值。 值得一提的是，在本較佳實施例中，該訓練階段是利 8 1380048 用該定位單元21在每一子區域内接收該等信標22之定位 訊號，並利用該等定位訊號形成該等訊號向量，並將於一 段時間内所取得之該等訊號向量進行平均處理而得出該等 訊號識別值，且每一訊號識別值在實際應用中，是由四十 個訊號向量所構成產生的，而該^位單元21在每—子區域 。内停留纟並於其間接收該等信標22之定位訊號及其訊 號向ϊ：，在此須注意的是，經實務操作實驗，本較佳實施 例中之疋位單兀21在每一子區域内所能接收之該等信標Μ 之平均接收數量為十個；同樣地，在此須重申的是，咳定 位單元2!所能接收該等信標22之平均數目應不僅園：本 較佳實施例中之特定數量限制。 然後’如步驟Η所示’於欲求得定位之位置進行一追 Π段並!集該等信標22發出之該等訊號，得出複數訊號 °里等職識難進行比對。在本較佳實 ，=追縱随是令該定位單元21於該室时間2G中移動 ^收違#標22的定位訊號，並進而取得該等訊號向量 最後，如步驟1 S你· %IS ra 置。值得一提的是，制得出一評估位 找出複數鄰近該定位單…目標評二判=是： 算處理，而得出該評估位置;而該運算處理在 ::中可運用在無線網路相關領域中所常用 = (k-neareSNneighb。⑽算法來實現，該演算法主要3 該訓練階段所接收之該等 要疋.备在 R#U識別值或在該追蹤階段時所 1380048

接收之該等訊號向量的數量不足，即有缺漏而不足時，即 利用該預設數值填入這些空缺值，接著再算出在該追蹤階 段接收之該等訊號向量與該訓練階段之該等訊號識別值間 的複數距離，又此處之距離通常可為歐幾里德距離（又稱歐 式距離，Euclidean distance)、曼哈頓距離（ManhaUan distance)，並將該等距離分別去除以原始訊號向量之數目（ 即總數）’而算出該等參考值，進而得出該評估位置；然而 ，在實務運用上，也可以採用其他的習知技術或未來發展 出的技術’此為具有相關背景者所易於思及而變化運用， 故不應受該較佳實施例之特定範例為限。 接下來，我們將以一實際實驗例子來檢視利用本發明 室内定位方法所架構出之室内定位系統的可行性： 一開始，我們在一個包含多間小房間之樓層平面的室 内空間20之不同位置上，總共設置了多個信標22，即如圖 2所示。

接下來’為了隨時監測此實驗過程之作業順利與否， 以及於問題發生時能立即反應解決’故每一個信標22皆利 用通用序列匯流排集線器（USB Hub)24分別平均地與二台主 機23其中之一相連，也就是說，每一台主機23是與半數 is標22相連，此外’值得注意的是，此二台主機23所扮 演之角色猶如閘道器（gateway)，而允許對其内相關程式瑪 的更新、升級’而且該等信標22及該等主機23是使用複 數永久供電之電源25，以免去須替換電池之不便，以提供 長時間之實驗的進行。 10 至於本實驗中所使用之通用序列匯流排集線器24是利 用—稱為「通用序列匯流排延長器（USB extender)」來克服 一般通用序列匯流排集線器之5公尺傳輸_，而達成超 過45公尺以上之本實驗所需之傳輸使用距離。而為了避免 多重冗長的線路架設於此建築物内，我們使用如圖3所示 之「串鏈結構（chaining scheme)」纟將鄰近之信標連接起來 〇 然後，再應用前述所提之步驟丨丨至步驟16的順序進行 本發明之室内定位方法，而完成室内定位之相關程序。 ^最後，由此實務操作結果可知’藉由本發明所提出之 室内定位方法’確實可有效地完成室内之定位。此外，也 藉由前述之實驗，我們得出了以下相關分析： ―⑴每-信標22之天線方向性_經由進行三種不同路線 之定位路線發現，其產生出三種不同的定位錯誤誤差值， 故可確疋每一信標22之天線的方向指向會影響於室内定位 時之準確性。 (2)室内移動物體或固定障礙物所導致之雜訊干擾，以 及攜帶該定位單元21移動時之角度、位置及方向的改變— 圖4可知我們分析出當該^位單^ 21處於以下四種狀 a置於椅子上、握於手中、靜止地站立及隨步走動時 、定位誤I因此’攜帶該定位單元21時之不同的移動方 式將對其室⑽位之準確度造成影響。 〇)信標22距離的變化_經實驗觀察得知 信標22«，其定位之準確度就越高。 4 ^«0048 歸納上述，本發明室内定位方法及其系統，其主要特 徵在於，藉由該定位單元21以及該等設置於該室内空間2〇 内不同地方之信標22間的信號強弱判斷，再輔以該非同步 協定及相關訊號向量之傳g，以提供較有效且準確的室内 定位’並藉由對信標22之天線方向性、室内移動物體或固 定障礙物、攜帶該定位單元21移動時之角度 '位置及方向 的改變及信標22距離的變化等因素之分析，而提高於進行 此室内定位方法的操作準確性，所以確實能夠達到本發明 所欲提昇RSSI識別基礎之室内定位準择度的目的。 惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，當 不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請: 利範圍及發明說明内容所作之簡單的等效變化與修飾^，皆 仍屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1是一流程圖’說明本發明室内定位方法之較 施例的進行步驟； 圖2是一室内平面圖，說明本較佳實施例中， 空間及其内之―中— 、 早兀、複數信標、複數通用序列匯流 排集線器、二台主機及其電源之相對設置位置； 圖3疋π意圖’說明本較佳實施例中該等通用序列 匯流排集線器之内部構造以 關係；及 U專主機及電源間之連結 圖4是-曲線圖，說明利用本較佳實施例 現之分析結果。 ^呈 12 1380048 【主要元件符號說明】 11- Ί5···步驟 23…… …主機 20· .......室内空間 24…… …通用序列匯流排集 21 · .......定位單元 線器 22· .......信標 25…… ••電源

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Claims (1)

1. Ι·04&〇97146248號專利申請案補充、修正部分無劃線之說明書替換頁 ' 修正曰期：101年7月e 十、申請專利範圍： 1.—種室内定位方法，包含以下步驟： . (a)設置複數具有一非同步發射複數定位訊號功能之 -·信標於-室内空間，其中該非同步發射該等定位訊號功 •能是藉由每個信標計算與其鄰近的信標所發射之訊號間 的時間差距，來調整其所應發射之定位訊號的時間點， 以防止該等信標於發射該等定位訊號之相互碰撞的情況

   (b)於4至内空間進行—訓練階段，逐步移動一定位 單元以接收該等信標發出之訊號，得出複數訊號向量及 由該等訊號向量構成之複數訊號識別值； 位置進行一追蹤階段，收集該等 知出複數訊號向量，並與該等訊 (c)於欲求得定位之 信標發出之該等訊號， 號識別值進行比對；及 ⑷運用—判斷機制得出-評估位置。 2.請專利範圍第1項所述之室内定位方法，更包含 二^(b)步驟別之(e)步驟，將該室内空間劃分出複數 子區域。 3.依據申請專利筋圖黎〇 ^ 圍第2項所述之室内定位方法，其中， 在該（d)步驟中，兮刻 一 μ斷機制是先找出複數鄰近該定位單 兀之目標評估位署 干 位置。 置再經過一運算處理，而得出該評估 依據申請專利範 在該（d)步驟令， 圍第3項所述之室内定位方法， 該運算處理是將在該追蹤階段接 其中， 收之該 Ϊ4 4. 138004¾ 097146248號專利中靖幸站☆ i χ心、"，城 J T吻茱補充、修正部分無劃線之說明書替換頁 2〇 3 - 修正曰期：ιοί年7 , 等訊號向量與該訓練階段之該等訊號識別值間的一距離 作為一權重而算出該等目標評估位置之座標再將其平 - 均而得出該評估位置。 5.依據申請專利範圍第4項所述之室内定位方法其中 在該（d)步騾中，該距離為歐幾里德距離。

   6_依據申請專利範圍第4項所述之室内定位方法其中 在該（e)步騾中，該等子區域是以網格狀之形式劃分。 7.依據申請專利範圍第5項所述之室内定位方法，其中 在該（e)步騾中，每一子區域相距3〇公分。 8_依據申請專利範圍第5項所述之室内定位方法其中 在該（a)步騾中，每一信標所發射之每二定位 間間隔設定為200毫秒。 訊號間之時 9. 依據申請專利範圍第5項所述之室内定位方法，其中， 在該（b)步騾中，該訓練階段是利用該定位單元在每一子 區域内接收該等信標之定位訊號，並利用該等定位訊號 形成該等訊號向量，並將於一段時間内所取得之該等訊 號向量進行平均處理而得出該等訊號識別值。 10. 依據中請專利範圍第8項所述之室内定位方法，其中， 在該（b)步騾之訓練階段中，該定位單元在每—子區域内 停留8秒，並於其間接收該等信標之定位訊號。 11. 依據中請專利範圍第9項所述之室内^位方法，其中， 在該（b)步驟之訓練階段中，每-訊號識別值是由如個 訊號向量所構成產生的。 12.依據申請專利範圍第5項所述之室内定位方法，其中 15 138004%〇97146248號專利申請案補充、修正部分無劃線之說明書替換頁 2ό Θ 修正日期：101年7 在該（C)步驟中，該追蹤階段是令該定位單元於該室内空 ' 間中移動以接收該等信標的定位訊號，並進而取得該等 - 訊號向量。 .13.依據申請專利範圍第5項所述之室内定位方法其中， • 在該（a)步騾中，每一定位訊號是包括其信標之身分識別 貨料的間短封包。 14.依據申請專利範圍第5項所述之室内定位方法其中， 在該（b)步驟中，該定位單元在每一子區域内所能接收之 9 该等彳s標之平均接收數量為1 〇個。 1 5. —種至内疋位系統，適用於對一室内空間進行定位該 室内定位系統包含： 複數信標，該等信標安裝於該室内空間内，且具有 一非同步發射複數定位訊號功能，其中該等信標所利用 之非同步發射該等定位訊號功能是藉由每個信標計算與 其鄰近的信標所發射之訊號間的時間差距，來調整其所 應發射之定位訊號的時間點，以防止該等信標於發射該 ® 等定位訊號之相互碰撞的情況； 一疋位單元’用來接收該等信標的定位訊號，且具 有執行一訓練階段、一追蹤階段及一判斷機制功能，藉 由執行該訓練階段產生複數訊號向量及複數由該等訊號 向里構成之訊號識別值’且藉由該追蹤階段收集該等訊 號向量並與該等訊號識別值進行比對，並運用該判斷機 制得出最鄰近的一評估位置； —主機’用來與該等信標相連並監控該等信標運作 16 138004¾ 097146248號專利申請案補充、修正部分無劃線之說明書替換頁 修正曰期：101年7月 .: 狀況； ' 複數通用序列匯流排延長器，用來連接該等信標與 - 該主機；及 - 複數電源，用來提供該等信標與該主機運作所需之 . 電源。

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