基于慣性測量元件輔助的無線信號室內(nèi)定位系統(tǒng)與方法
【專利摘要】本公開提供一種基于慣性測量元件與地圖信息輔助的無線信號室內(nèi)定位系統(tǒng)與方法，該系統(tǒng)包含：至少一個可執(zhí)行運算的移動式無線信號收發(fā)裝置，每個裝置至少包括一種以上的無線信號收發(fā)器，與一種以上的慣性感測元件，用于搜集移動裝置所測量到的無線信號強度與本身的運動信號等信息；兩個以上的固定式無線信號收發(fā)裝置，用以提供定位所需的無線信號來源；一個以上的無線信號觀察裝置，用以觀察固定式無線信號收發(fā)裝置的信號強度；一個以上的訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫，用于存儲一種以上的標(biāo)準(zhǔn)比對信息；一個以上包含對室內(nèi)空間描述的地圖信息，用以協(xié)助判斷連續(xù)時間內(nèi)位移的合理性；以及一個以上的運算核心單元，根據(jù)訓(xùn)練階段所搜集的信息與定位階段所搜集的信息，通過地圖信息的輔助進行比對，用以計算出定位結(jié)果。
【專利說明】基于慣性測量元件輔助的無線信號室內(nèi)定位系統(tǒng)與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及一種基于慣性測量元件與地圖信息輔助的無線信號室內(nèi)定位系統(tǒng)與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于智能移動裝置的普及，使得3G/WiFi無線網(wǎng)絡(luò)使用率大幅提升，進而帶動無線網(wǎng)絡(luò)布建需求，以及帶動基于無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。除了游戲或是社群網(wǎng)絡(luò)外，在智能移動裝置中一個非常重要的應(yīng)用即是定位系統(tǒng)。其衍生應(yīng)用如移動個人導(dǎo)航及適地性服務(wù)(Location Based Service, LBS)。一般定位系統(tǒng)可分為戶外定位系統(tǒng)(由GPS定位)與室內(nèi)定位系統(tǒng)。相較于戶外定位系統(tǒng)，無線信號定位系統(tǒng)可布建于室內(nèi)無法接收到衛(wèi)星信號之處，成為室內(nèi)定位系統(tǒng)中不可或缺的技術(shù)。
[0003]常見的無線信號室內(nèi)定位方法主要分為以信號衰減模型為基礎(chǔ)的三角定位法、以統(tǒng)計為基礎(chǔ)的機率模型法、及以機器學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)的樣式比對法三種。三角定位法及機率模型法容易因為不同室內(nèi)環(huán)境的差異性而造成較大的定位誤差，因此大多數(shù)的定位系統(tǒng)采用樣式比對的方式進行定位。然而，不論是何種方法，都須假設(shè)無線信號發(fā)射源所發(fā)射的信號必須為穩(wěn)定的信號，不可隨時間的不同而有所差異。但實際上，無線信號源可能會因為傳輸質(zhì)量及本身穩(wěn)定度不足等因素，在不同時間點被測量出不同強度的信號，而造成定位精準(zhǔn)度的下降。三角定位法必須將環(huán)境因素考慮至衰減模型中，并隨著不同環(huán)境調(diào)整不同參數(shù)，而樣式比對法則需重新建立訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫。然而，實際的室內(nèi)環(huán)境難以使用單一衰減模型搭配某些參數(shù)就可完全符合，而重新建立訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫又無法即時反應(yīng)變化的信號。目前常見的移動裝置中除了無線信號收發(fā)器外，也包含了各種慣性測量元件(IMU)，如電子羅盤。傳統(tǒng)的室內(nèi)定位系統(tǒng)皆未深入結(jié)合慣性測量元件及地圖信息以協(xié)助進行室內(nèi)定位。此外，盡管電子羅盤可以提供裝置的朝向信息，但其測量的數(shù)值容易被地磁或室內(nèi)空間擺設(shè)影響其正確性，讓電子羅盤的可用性大幅降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本公開實施例提供一種無線信號室內(nèi)定位系統(tǒng)與方法，特別是基于慣性測量元件與地圖信息輔助的無線信號室內(nèi)定位系統(tǒng)與方法。
[0005]在一實施例中，本公開是關(guān)于一種基于慣性測量元件與地圖信息輔助的無線信號室內(nèi)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含:至少一個可執(zhí)行運算的移動式無線信號收發(fā)裝置，每個裝置至少包含一種以上的無線信號收發(fā)器，與一種以上的慣性感測元件，用于搜集移動裝置所測量的無線信號強度與本身的運動信號等信息；兩個以上的固定式無線信號收發(fā)裝置，用以提供定位所需的無線信號來源；一個以上的無線信號觀察裝置，用以觀察固定式無線信號收發(fā)裝置的信號強度；一個以上的訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫，用于存儲一種以上的標(biāo)準(zhǔn)比對信息；一個以上包含對室內(nèi)空間描述的地圖信息，用以協(xié)助判斷連續(xù)時間內(nèi)位移的合理性；以及一個以上的運算核心單元，根據(jù)訓(xùn)練階段所搜集的信息與定位階段所搜集的信息，通過地圖信息的輔助進行比對，用以計算出一定位結(jié)果。
[0006]在另一實施例中，本公開是關(guān)于一種基于慣性測量元件與地圖信息輔助的無線信號室內(nèi)定位方法，包含:一訓(xùn)練階段，包含管理者建立室內(nèi)空間的地圖信息、并規(guī)劃定義方位軸、坐標(biāo)系統(tǒng)以及訓(xùn)練位置；在每個訓(xùn)練位置上將移動式無線信號收發(fā)裝置于不同方向所測量到的無線信號，與慣性感測元件的感測信號等信息搜集后，傳至訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫記錄；以及，無線信號觀察裝置掃描固定式無線信號收發(fā)裝置的信號強度信息，亦傳送至運算核心單元；以及一定位階段，包含:使用者開啟移動式無線信號收發(fā)裝置的定位程序，并將當(dāng)時的無線信號強度與慣性感測元件的感測信號等信息，傳送給運算核心單元；當(dāng)運算核心單元收到無線信號強度與感測信號等信息后，進行信號修正與位移檢測的處理，接著將處理過的信息進行方向修正與定位演算后，根據(jù)歷史特征與地圖信息縮小候選位置，以得到使用者的位置；以及將辨識出的位置結(jié)果傳回移動式無線信號收發(fā)裝置進行顯示。
[0007]現(xiàn)在配合下列圖示、實施例的詳細(xì)說明及申請專利范圍，將上述及本公開的其他內(nèi)容詳述于后。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1所示為本公開的一種基于慣性測量元件與地圖信息輔助的無線信號室內(nèi)定位系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖。
[0009]圖2所示為本公開的系統(tǒng)在訓(xùn)練階段時，移動式無線收發(fā)裝置信息搜集的信息流示意圖。
[0010]圖3所示為本公開的系統(tǒng)中，無線信號觀察裝置掃描固定式無線信號收發(fā)裝置的信息流示意圖。
[0011]圖4所示為本公開的系統(tǒng)在定位階段時，移動式無線信號收發(fā)裝置掃描固定式無線信號收發(fā)裝置的信息流及與服務(wù)器取得定位結(jié)果的示意圖。
[0012]圖5所示為本公開的系統(tǒng)在定位階段時，固定式無線信號收發(fā)裝置掃描移動式無線信號收發(fā)裝置的信息流示意圖。
[0013]圖6所示為本公開的一種基于慣性測量元件與地圖信息輔助的無線信號室內(nèi)定位方法的流程圖。
[0014]圖7所示為本公開的方法中，地球方位、使用者定義方位與各訓(xùn)練位置方向偏差的示意圖。
[0015]圖8所示為本公開的方法中，使用者方位軸向的計算示意圖。
[0016]圖9所示為本公開的方法中，修正朝向的示意圖。
[0017]圖10所示為本公開的定位算法所采用的歷史比對及候選位置集合縮小法的流程圖。
[0018]圖11所示為本公開的實施例中室內(nèi)直行的情境范例。
[0019]圖12所示為本公開的實施例經(jīng)過步驟1001刪去不合理候選位置后的結(jié)果。
[0020]圖13所示為本公開的實施例中歷史比對運算于直行情境下的過程。
[0021]圖14所示為本公開的實施例中室內(nèi)轉(zhuǎn)彎情境范例。
[0022]圖15所示為本公開的實施例經(jīng)過步驟1003刪去不合理候選位置后的結(jié)果。
[0023]圖16所示為本公開的實施例中歷史比對與步驟1005于轉(zhuǎn)彎情境時的運算過程。[0024]【主要元件符號說明】
[0025]101移動式無線信號收發(fā)裝置
[0026]102固定式無線信號收發(fā)裝置
[0027]103訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫
[0028]104地圖信息
[0029]105運算核心單元
[0030]106服務(wù)器
[0031]107無線信號觀察裝置
【具體實施方式】
[0032]本公開涉及一種基于慣性測量元件與地圖信息輔助的無線信號室內(nèi)定位系統(tǒng)與方法。
[0033]圖1所示為本公開的一種基于慣性測量元件與地圖信息輔助的無線信號室內(nèi)定位系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。如圖1所示，本公開的系統(tǒng)包含:至少一個可執(zhí)行運算的移動式無線信號收發(fā)裝置101，每個裝置101至少包含一種以上的無線信號收發(fā)器(如WiFi等)，與一種以上的慣性感測元件(MU，如加速度計等)，用于搜集裝置101所接收的無線信號與本身的運動信息；兩個以上的固定式無線信號收發(fā)裝置102(如基站等)，用以提供定位所需的無線信號來源；一個以上的無線信號觀察裝置107，用以觀察固定式無線信號收發(fā)裝置102的信號強度；一個以上的訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫103，用于存儲一種以上的標(biāo)準(zhǔn)比對信息；一個以上包含對室內(nèi)空間描述的地圖信息104，用以協(xié)助判斷連續(xù)時間內(nèi)位移的合理性；以及一個以上的運算核心單元105，根據(jù)訓(xùn)練階段所搜集的信息與定位階段所搜集的信息，通過地圖信息的輔助進行比對，用以計算出定位結(jié)果。
[0034]值得注意的是，該運算核心單元105根據(jù)目前及先前歷史特征進行多次比對，其中特征，例如無線信號強度、朝向角度、磁力計值、陀螺儀值、加速度計值等，并根據(jù)與該特征最接近的一候選位置，決定移動式無線信號收發(fā)裝置101的實際所在位置，其中該候選位置，可經(jīng)由運算核心單元105搭配室內(nèi)地圖信息、是否正在行進中、及朝向等相關(guān)信息，并刪除不合理的候選位置后，以得到實際的位置，提升定位的準(zhǔn)確度。該運算核心單元105可執(zhí)行于一服務(wù)器106或移動式無線收發(fā)裝置101上，二者實施方式類似，差別在于，當(dāng)執(zhí)行于移動式無線信號收發(fā)裝置101時，相關(guān)所需的數(shù)據(jù)庫103與地圖信息104會存放于該移動式無線信號收發(fā)裝置101中；而當(dāng)執(zhí)行于服務(wù)器106時，同理相關(guān)所需的地圖信息104也會存放于服務(wù)器106中，但訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫103則可存放在于服務(wù)器106中或外部服務(wù)器。以下的實施例將依照執(zhí)行于服務(wù)器106的例來說明。另外，該固定式無線信號收發(fā)裝置102或移動式無線信號收發(fā)裝置101所收發(fā)的無線信號類型，可為WiF1、Bluetooth, RFID、Zigbee，或其他可測量出強度的無線信號。其中，該無線信號強度觀察裝置107可為一基站(Access Point)、路由器(Router)、電子標(biāo)簽(Tag)等，但不受限。另外，無線信號觀察裝置107也可同時充當(dāng)為提供無線信號來源的一固定式無線信號收發(fā)裝置102。
[0035]本公開的基于慣性測量元件與地圖信息輔助的無線信號室內(nèi)定位系統(tǒng)，其操作包含一訓(xùn)練階段與一定位階段；其中，在訓(xùn)練階段時，無線信號觀察裝置107會觀察并記錄固定式無線收發(fā)裝置102的信號強度，并在定位階段時進行相同的觀察。運算核心單元105于定位階段時，則根據(jù)無線信號觀察裝置107于訓(xùn)練階段及定位階段的觀察結(jié)果，動態(tài)修正移動式無線信號收發(fā)裝置101所測量，或者訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫103所記錄的信號強度。再者，在建立訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫103時，同時記錄根據(jù)慣性測量元件所得的朝向角度、預(yù)期朝向角度、或以上兩者的偏移量，并于定位時通過無線信號比對的結(jié)果，動態(tài)修正移動式無線信號收發(fā)裝置101的當(dāng)下朝向角度。最后，利用修正后的信號強度、朝向角度、及慣性測量元件所得出的移動步數(shù)、移動步距、是否轉(zhuǎn)彎、與地圖等各信息間的關(guān)系，搭配歷史記錄，采取一篩選機制，過濾樣式比對不符合條件的候選位置。以下將對本系統(tǒng)的各個操作進行說明。
[0036]圖2所示為在訓(xùn)練階段時，移動式無線信號收發(fā)裝置101信息搜集的信息流示意圖。本系統(tǒng)的使用須在系統(tǒng)啟始前規(guī)劃好搜集樣式比對所需的各訓(xùn)練位置，并于每個訓(xùn)練位置的單一相同或多個不同方向，使用移動式無線信號收發(fā)裝置101進行多次訓(xùn)練數(shù)據(jù)的搜集。搜集數(shù)據(jù)需包含環(huán)境中提供定位的無線信號強度，及移動式無線信號收發(fā)裝置101中各種慣性測量元件所測量的信息。如圖2所示，移動式無線信號收發(fā)裝置101將所感測到由固定式無線信號收發(fā)裝置102所發(fā)出的無線信號，與其慣性感測元件所測量的信息，直接或經(jīng)由一固定式無線信號收發(fā)裝置102傳至服務(wù)器106并存儲于訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫103中。
[0037]圖3所示為無線信號觀察裝置107掃描固定式無線信號收發(fā)裝置102的信號強度的信息流示意圖。在訓(xùn)練階段，除了移動式無線信號收發(fā)裝置101搜集訓(xùn)練數(shù)據(jù)外，每臺無線信號觀察裝置107也都會觀察其余固定式無線信號收發(fā)裝置102所發(fā)出的信號強度，并且將多次所測量的數(shù)值回報給服務(wù)器106并存儲于訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫103中。由于不同時間所觀察的信號強度可能會不同，故可對于不同時間的觀察各別存儲其觀察值，例如對于早晨、中午、晚間三個時段的觀察結(jié)果分別存儲。
[0038]圖4所示則為在定位階段時，移動式無線信號收發(fā)裝置101掃描固定式無線信號收發(fā)裝置102的信息流示意圖。當(dāng)完成訓(xùn)練階段或訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫103已建立后，使用者若開啟移動式無線信號收發(fā)裝置101的定位程序，該定位程序就會開始搜集當(dāng)下環(huán)境中的無線信號強度以及本身慣例測量元件所測量到的加速度、朝向、與旋轉(zhuǎn)角度等信息，并且傳送給服務(wù)器106作為位置辨識所需的信息(以執(zhí)行于服務(wù)器106的例進行說明)。同時，每臺無線信號觀察裝置107都會持續(xù)觀察其余固定式無線信號收發(fā)裝置102的信號強度，并回報給服務(wù)器106中的運算核心單元105。此時無線信號觀察裝置107所觀察的結(jié)果可存儲于訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫103中，再由運算核心單元105于訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫103中取出，或者由無線信號觀察裝置107送至運算核心單元105，或者也可由運算核心單元105于無線信號觀察裝置107中取出。運算核心單元105收到觀察結(jié)果后，會將經(jīng)無線信號觀察裝置107所動態(tài)掃描到的信號信息，與訓(xùn)練階段所搜集到的觀察數(shù)據(jù)進行比對，運算核心單元105并且動態(tài)地將移動式無線信號收發(fā)裝置101所測量到的無線信號強度，或訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫103中所記錄的信號強度進行動態(tài)修正。
[0039]圖5所示為定位階段時，固定式無線信號收發(fā)裝置102掃描移動式無線信號收發(fā)裝置101的信息流示意圖。在某些廠牌的移動式無線信號收發(fā)裝置101的限制下，是無法對固定式無線信號收發(fā)裝置102進行掃描，例如iPhone或iPad等產(chǎn)品，在操作系統(tǒng)iOS4以后的版本中，是禁止手機應(yīng)用程序掃描WiFi基站的信號強度。因此，本公開提出一以固定式無線信號收發(fā)裝置102掃描移動式無線信號收發(fā)裝置101信號強度的方法進行定位。如圖5所示，固定式無線信號收發(fā)裝置102掃描移動式無線信號收發(fā)裝置101的無線信號強度，并將掃描結(jié)果傳至服務(wù)器106。
[0040]圖6所示為本公開的一種基于慣性測量元件與地圖信息輔助的無線信號室內(nèi)定位方法的流程圖。如圖6所示，步驟601為在訓(xùn)練階段中，場地或建物的管理者必須先繪制出室內(nèi)空間的地圖，以建立地圖信息并規(guī)劃方位、坐標(biāo)系統(tǒng)以及訓(xùn)練位置；在每個訓(xùn)練位置上將移動式無線信號收發(fā)裝置101于單一相同或多個不同方位，所測量到的無線信號與慣性信號等信息，傳至訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫103記錄；以及，將無線信號觀察裝置107所掃描到的固定式無線信號收發(fā)裝置102的信號強度，亦傳送至訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫103記錄。在步驟602中，則開始進入定位階段，使用者開啟移動式無線信號收發(fā)裝置101的一定位程序后，并將當(dāng)時的無線信號強度與慣性信號等信息，傳送給服務(wù)器106中的運算核心單元105。運算核心單元105在收到該移動式無線信號收發(fā)裝置101所傳送的信息后，會先根據(jù)慣性信號的信息進行朝向、是否移動、移動步數(shù)、移動距離等進行前處理。步驟603中，當(dāng)運算核心單元105收到無線信號強度與慣性信號等信息后，再將其中的無線信號強度的信息進行修正的處理；接著進行步驟604，將處理過的信息進行方向修正與定位演算，以得到使用者的實際位置。最后，如步驟605所示，將辨識出的位置結(jié)果傳回移動式無線信號收發(fā)裝置101的定位程序進行顯示。值得注意的是，上述對朝向、是否移動、步數(shù)與步距等信息的計算方式是不作任何限制，例如可由該慣性信號中一軸(如指向地心的軸)的振幅值大小來決定。另一方面，本實施例的定位算法是采用歷史比對及候選位置集合縮小法(History Matching withCandidate Set Shrinking),其詳細(xì)算法在后面會加以說明。其中步驟601的訓(xùn)練階段中，還包含該運算核心單元105根據(jù)移動式無線信號收發(fā)裝置101于搜集訓(xùn)練數(shù)據(jù)時所記錄的標(biāo)準(zhǔn)朝向角度，或者標(biāo)準(zhǔn)朝向角度與實際測量的朝向角度的差異，進行動態(tài)朝向角度修正。
[0041]圖7至圖9用以說明上述步驟601中定義坐標(biāo)系統(tǒng)與步驟604中方向修正時的計算。圖7所示為地球方位、使用者定義的方位與方向偏差的示意圖。圖8所示為使用者定義的方位軸向計算的示意圖。圖9為修正朝向的示意圖。
[0042]由于使用者所定義的室內(nèi)空間方位并不一定符合地球的東南西北方位，因此使用者方位與羅盤方位往往會有一個角度的偏差量。此外，由于一般的電子羅盤是通過空間中的地磁判斷方向，但是地磁在室內(nèi)空間中很容易會受到室內(nèi)擺設(shè)，如馬達、鐵柜等物品干擾，而不同地點又會有不同程度的干擾。因此，在未知的情形下難以僅通過電子羅盤得到正確的方位信息，如圖7所示，在室內(nèi)使用電子羅盤并非在任何位置都能測量出與實際地球方位一致的方向。
[0043]由于一般的室內(nèi)空間多以方形設(shè)計為主，因此即使站在不同位置，還是可以單靠人的判斷找出大致一致的方位。例如，站在門口面向窗戶的方向與站在窗戶面向門口的方向是否一致是很容易辦到的。因此，本公開利用這個特點作為判斷方位的標(biāo)準(zhǔn)，提出的下列方向修正方式:
[0044]1.首先選定一個參考點(RP)作為基準(zhǔn),此參考點是選取磁場干擾較少的地點，如圖7所示。
[0045]2.定義一組前后、左右的兩條互相垂直的方位軸(一般與建物方位有關(guān))，此二條方位軸與地球的東西南北的方位軸無須同向。并且，在參考點上針對此所定義的方向軸進行多次方向值的檢測與記錄。
[0046]3.根據(jù)所記錄的多組方向值,利用回歸方式(regression)求出與記錄值最接近且相互垂直的二軸，即參考點的參考方位軸，如圖8所示之前后、左右二軸，由于此二軸必須垂直，因此可先將其中一軸旋轉(zhuǎn)90度后，將所有方向值以單一回歸方程式，計算單一軸的角度，再將此角度逆轉(zhuǎn)90度以求得另一軸的角度。
[0047]4.在其它所有的訓(xùn)練位置(TP)上，同樣進行前后、左右二條方位軸的多次方向值檢測與記錄，并且求出平均值，然后依據(jù)各平均值，求出與參考點在此方向的方向值的差異，以得到每個訓(xùn)練位置的各別方向差異量。
[0048]5.在定位階段中，如果是要對某訓(xùn)練位置的無線信號強度進行特征比對時，即使用此方向差異量，對定位時所測量到的方向值進行修正。此外，也可將方向差異量作為樣式比對中的一項，與無線信號強度一起計算整體特征差異量。
[0049]6.最后，如果該訓(xùn)練位置的整體特征差異量最小，并被挑選為辨識的位置，則該位置的方向修正結(jié)果即視為當(dāng)下的方向修正結(jié)果。
[0050]使用者也可對所有訓(xùn)練位置，包含參考位置均直接采用東西南北的地球方位而非自行定義的方位來計算。而修正結(jié)果等同于前后、左右的方位軸與地球方位軸的夾角為O度或90度的倍數(shù)的情形。
[0051]圖9所示為修正朝向的示意圖。如圖9(A)所示,挑選出參考點的參考方位軸后，將以參考點所測量到的方向值作為標(biāo)準(zhǔn)的方向值，再記錄與計算其余于訓(xùn)練位置所測量到的方向值與差異。然后，再如圖9(B)所示，對于每個候選位置(CP)進行特征比對前，分別以該候選位置對應(yīng)的方向差異值進行修正。最后，以挑選出特征最接近的候選位置的修正結(jié)果作為方向或角度修正的結(jié)果。
[0052]圖6的步驟603中，信號強度修正的【具體實施方式】說明如下，請同時參照圖3。動態(tài)修正無線信號強度是利用某些無線信號觀察裝置107持續(xù)觀察其余固定式無線信號收發(fā)裝置102的信號強度，并將觀察結(jié)果傳送給運算核心單元105進行處理。運算核心單元105在收到觀察結(jié)果后，將此結(jié)果與訓(xùn)練時的觀察結(jié)果進行比對，并于差異過大時根據(jù)比對結(jié)果，修正移動式無線信號收發(fā)裝置101所測量到的信號強度或訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫103中所記錄的信號強度。最后，運算核心單元105再將修正后的信號強度用于特征比對，以決定移動式無線信號收發(fā)裝置101的所在位置。
[0053]無線信號修正范例流程如下:
[0054]1.在訓(xùn)練階段時，無線信號觀察裝置107將所觀察到的固定式無線信號收發(fā)裝置102的信號強度，以直接或間接方式記錄于訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫103中。記錄內(nèi)容可例如為所有在某固定式無線信號收發(fā)裝置102信號范圍之內(nèi)所有無線信號觀察裝置107所測量到的信號強度的平均值。
[0055]2.在定位階段時，無線信號觀察裝置107將所觀察到的固定式無線信號收發(fā)裝置102的信號強度，以直接或間接方式傳送至運算核心單元105或暫存于數(shù)據(jù)庫103中。
[0056]3.于定位階段時，對于每個固定式無線信號收發(fā)裝置102，運算核心單元105計算在某固定式無線信號收發(fā)裝置102信號范圍之內(nèi)所有無線信號觀察裝置107所測量到的平均值，并與訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫103中所記錄的平均值進行比對。
[0057]4.根據(jù)比對結(jié)果，運算核心單元105將移動式無線信號收發(fā)裝置101所測量到的信號強度或者訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫103中所記錄的標(biāo)準(zhǔn)信號強度進行動態(tài)修正。
[0058]圖10所示為本公開于定位演算中所采用的歷史比對及候選位置集合縮小法(History Matching with Candidate Set Shrinking Method)的流程圖。此法乃是利用人員行進的方向來縮小候選位置的集合，以進一步提升準(zhǔn)確率。步驟1001根據(jù)目前行進的朝向，刪除方向不符合的候選位置。步驟1002根據(jù)是否行進朝向是否改變，判斷是否發(fā)生轉(zhuǎn)彎。步驟1003根據(jù)最后一次轉(zhuǎn)彎，搭配地圖信息刪除不合理的候選位置。步驟1004根據(jù)歷史記錄的多筆信號差異值進行比對。最后，步驟1005回推歷史記錄中的先前位置，并根據(jù)當(dāng)時的轉(zhuǎn)彎及地圖信息過濾不合理的候選位置。
[0059]圖11至圖16為本公開的歷史比對及候選位置集合縮小法的一實施過程。
[0060]圖11所示為室內(nèi)直行的情境范例。假設(shè)在一個室內(nèi)環(huán)境中，布建三個固定式無線信號收發(fā)裝置(AP1，AP2，AP3)，并已規(guī)劃了 25個訓(xùn)練位置(TPs)。在定位階段時，假設(shè)使用者從門口進入，在走了三步后，各步傳送了三次無線信號(WiFi)與三次慣性感測信號等信息至服務(wù)器，分別為頂U info 1、MUinf。2、及MU info3。
[0061]根據(jù)慣性感測信息，將目前的方向根據(jù)所有訓(xùn)練位置所對應(yīng)的角度偏差值進行修正，得到所有可能目前修正后的角度。通過歷史記錄，可得知使用者正由本圖的下方往上方行走，因此可以將非從下方往上方走的候選位置(CPs)先行過濾。如圖12所示橫向的位置。
[0062]接下來進行轉(zhuǎn)彎檢測，首先考慮直走時沒有發(fā)生轉(zhuǎn)彎的情境。此時不管是最后的時間點或者前幾步的時間點都是否朝同樣的方向前進。當(dāng)沒有轉(zhuǎn)彎事件被檢測到時，就直接開始進行歷史比對的計算。如圖13所示為歷史比對于直行情境的運算過程，包含:計算每一候選位置與IMU info3的特征距離dl ;計算前一個位置；取得最近的訓(xùn)練位置；計算該訓(xùn)練位置與IMU info2的特征距離d2 ;以及，計算再前一個位置的最近訓(xùn)練位置與IMUinfo I的特征距離d3。
[0063]本公開所使用的樣式比對(pattern matching)的作法是將檢測數(shù)據(jù)與訓(xùn)練數(shù)據(jù)進行差異量d的計算，再從差異量最小的結(jié)果挑選出最有可能的對象。因此對于每一個剩下的候選位置，計算差異量時，暫時先假設(shè)該位置就是使用者的目前位置。除此之外，可根據(jù)目前的候選位置以及使用者的位移，計算出前兩個時間點可能的兩個位置。由于前幾個時間點的無線信號特征與最后一個時間點的特征很有可能會因為使用者的移動而改變，因此通過利用慣性感測信息算出的距離或差異量，可以找出正確的比對對象。接下來，對于這些可能的位置，個別找出離此位置最接近的訓(xùn)練位置并計算差異量dl、d2與d3。如此一來，就可以對每個候選位置計算出dl+d2+d3的差異量總和。最后，將差異量總和最小的候選位置挑選為使用者目前的位置，而根據(jù)此位置修正的方向結(jié)果即視為目前方向角度。
[0064]接下來考慮使用者在直走時轉(zhuǎn)彎的情境。如圖14所示。如果一轉(zhuǎn)彎事件發(fā)生，代表轉(zhuǎn)彎后的方向必定與轉(zhuǎn)彎前方向不同，因此除了可以利用轉(zhuǎn)彎后的方向進行步驟1001處理之外，也可以利用轉(zhuǎn)彎前的方向信息，過濾掉那些不可能從轉(zhuǎn)彎前方向轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)彎后方向的候選位置。
[0065]圖15所示為經(jīng)過步驟1003后的結(jié)果。由于使用者是從朝地圖右方的方向轉(zhuǎn)至朝上方的方向，因此對于轉(zhuǎn)彎后的時間點，最左邊一排的候選位置就可以通過步驟1003的過濾被排除。
[0066]在進行歷史比對時(步驟1004)，對轉(zhuǎn)彎前的時間點而言，此時不但可以得知當(dāng)時的朝向，更可以得知接下來會發(fā)生一個轉(zhuǎn)彎以及轉(zhuǎn)彎后的朝向。利用此信息，可進行步驟1005的候選位置過濾。圖16所示為歷史比對(步驟1004)與步驟1005于轉(zhuǎn)彎情境時的運算過程。假設(shè)在計算d2時，所找到的最近訓(xùn)練位置為地圖最右上方的位置，但是由于已知下一個轉(zhuǎn)彎會向左轉(zhuǎn)(朝地圖上方)。因此地圖最上方的一排訓(xùn)練位置是不可能的轉(zhuǎn)彎前位置，進而可將目前正在比對的候選位置排除。最后，同樣計算所有可能的dl+d2+d3總和，并在選取最小總和的候選位置后，將以此候選位置修正的方向結(jié)果視為目前的方向結(jié)果。
[0067]本公開所提出的系統(tǒng)與方法在與已知方法比較后，正確率可以從38%提升2.4倍至89%，而誤差距離可以從1.72公尺縮小將近50%至0.93公尺。因此可以明顯看出本公開的方法與系統(tǒng)對定位結(jié)果可以有顯著的改善。
[0068]綜合言之，本公開提供一種基于慣性測量元件與地圖信息輔助的無線信號室內(nèi)定位系統(tǒng)，包含:至少一個可執(zhí)行運算的移動式無線信號收發(fā)裝置，每個裝置至少包含一種以上的無線信號收發(fā)器與一種以上的慣性感測元件，用于搜集移動裝置所測量的無線信號與本身運動信號的信息；兩個以上的固定式無線信號收發(fā)裝置，用以提供定位所需的無線信號來源；一個以上的無線信號觀察裝置，用以觀察固定式無線信號收發(fā)裝置的信號強度；一個以上的訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫，用于存儲一種以上的標(biāo)準(zhǔn)比對信息；一個以上包含對室內(nèi)空間描述的地圖信息，用以協(xié)助判斷連續(xù)時間內(nèi)位移的合理性；以及一個以上的運算核心單元，根據(jù)訓(xùn)練階段所搜集的信息與定位階段所搜集的信息，通過地圖信息的輔助進行比對，用以計算出定位結(jié)果。
[0069]相對地，本公開也提供一種基于慣性測量元件與地圖信息輔助的無線信號室內(nèi)定位方法，包含:管理者須先建立室內(nèi)空間的地圖并規(guī)劃方位、坐標(biāo)系統(tǒng)以及訓(xùn)練位置，建立訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫與地圖信息；使用者開啟移動式無線信號收發(fā)裝置的定位程序，并將當(dāng)時的無線信號強度與慣性感測等信息傳送給運算核心單元；當(dāng)運算核心單元收到無線信號強度與慣性感測等信息后，將進行信號修正與位移檢測的處理，接著將處理過的信息進行方向修正與定位演算以得到使用者位置；以及，將辨識出的位置結(jié)果，傳回移動式無線信號收發(fā)裝置進行顯示。
[0070]以上所述者皆僅為本公開實施例，不能依此限定本公開實施的范圍。大凡依據(jù)本公開權(quán)利要求書所作的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬于本公開權(quán)利要求書要求保護的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種動態(tài)無線信號強度修正系統(tǒng)，配合至少一個具備運算與無線信號收發(fā)能力的移動式無線信號收發(fā)裝置及一個無線信號觀察裝置，包含: 兩個以上的固定式無線信號收發(fā)裝置，以提供移動式無線信號收發(fā)裝置及無線信號觀察裝置的至少一種無線信號源，并收發(fā)該移動式無線信號收發(fā)裝置的至少一無線信號； 一個以上的無線信號觀察裝置，以觀察并記錄由這些固定式無線信號收發(fā)裝置所發(fā)出的至少一無線信號的強度； 一個以上的訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫，以存儲一種以上的標(biāo)準(zhǔn)無線信號強度；以及 一個以上的運算核心單元，根據(jù)移動式無線信號收發(fā)裝置所接收的無線信號強度、無線信號觀察裝置于定位前與定位時所觀察到的無線信號強度、與訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫所記錄的該標(biāo)準(zhǔn)無線信號強度，進行動態(tài)信號強度修正。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該無線信號的類型為WiF1、Bluetooth、RFID、Zigbee的其中之一或其組合。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該無線信號觀察裝置為基站、路由器、或電子標(biāo)簽的其中之一或其組合。此外，該無線信號觀察裝置也可同時為提供無線信號源的固定式無線信號收發(fā)裝置。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫可存儲由該無線信號觀察裝置所觀察到的該至少一無線信號的強度。`
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中該訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫可根據(jù)不同時段，如早中晚，分別記錄該至少一無線信號強度集合。
6.如權(quán)利要求1所述的動態(tài)無線信號強度修正的系統(tǒng)，其中信號強度修正的被修正信號強度是訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫中所記錄的標(biāo)準(zhǔn)信號強度、或定位階段中由移動式無線信號收發(fā)裝置所搜集的信號強度的其中之一或其組合。
7.—種動態(tài)無線信號強度修正方法,包含: 訓(xùn)練時，無線信號觀察裝置將其觀察固定式無線信號收發(fā)裝置所發(fā)出的信號的觀察結(jié)果存入訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫中； 進行定位時，運算核心單元根據(jù)當(dāng)時無線信號觀察裝置所觀察的結(jié)果與訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫中所記錄的觀察結(jié)果，對移動式無線信號收發(fā)裝置所測量的信號強度或者訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫中所記錄的信號強度進行動態(tài)修正。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中該觀察結(jié)果是由無線信號觀察裝置存于訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫中再由運算核心單元于訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫中取出、或由無線信號觀察裝置傳送至運算核心單元、或由運算核心單元于無線信號觀察裝置中取出的其中之一或其組合。
9.一種基于慣性測量元件與地圖信息輔助的無線信號室內(nèi)定位系統(tǒng)，配合至少一個具備運算、無線信號收發(fā)與慣性感測能力的移動式無線信號收發(fā)裝置，包含: 兩個以上的固定式無線信號收發(fā)裝置，以提供移動式無線信號收發(fā)裝置的至少一種無線信號源，并收發(fā)該移動式無線信號收發(fā)裝置的至少一無線信號與至少一感測信號； 一個以上的訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫，以存儲一種以上的標(biāo)準(zhǔn)比對信息； 一個以上對室內(nèi)空間描述的地圖信息；以及 一個以上的運算核心單元，根據(jù)移動式無線信號收發(fā)裝置所接的無線信號與測量的感測信號、訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)準(zhǔn)比對信息、與該地圖信息，計算出定位結(jié)果。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中該無線信號的類型為WiF1、Bluetooth、RFID、Zigbee的其中之一或其組合。
11.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中該運算核心單元是執(zhí)行于服務(wù)器中或該移動式無線收發(fā)裝置中的其中之一或其組合；當(dāng)執(zhí)行于該移動式無線收發(fā)裝置時，相關(guān)所需的該訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫與地圖信息也可存放于該移動式無線信號收發(fā)裝置中；當(dāng)執(zhí)行于該服務(wù)器時，相關(guān)所需的該訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫與地圖信息也會存放于該服務(wù)器。
12.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中該地圖信息包含至少一訓(xùn)練位置、至少一可行走的位置、至少一可轉(zhuǎn)彎的位置，及在該每一個可轉(zhuǎn)彎的位置可進行的轉(zhuǎn)彎信息，以判斷轉(zhuǎn)彎行為于該可轉(zhuǎn)彎的位置上是否合理。
13.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中該運算核心單元再根據(jù)歷史特征與候選位置集合中的每個候選位置特征，計算累積特征差異，并根據(jù)該累積特征差異最小的候選位置，決定該移動式無線信號收發(fā)裝置的所在位置。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中這些特征包含無線信號強度、朝向角度、磁力計值、陀螺儀值及加速度計值的其中之一或其組合。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中該無線信號強度是指該移動式無線信號收發(fā)裝置測量該固定式無線信號收發(fā)裝置的結(jié)果、該固定式無線信號收發(fā)裝置測量該移動式無線信號收發(fā)裝置的結(jié)果，或無線信號觀察裝置測量該移動式無線信號收發(fā)裝置的結(jié)果的其中之一或其組合。
16.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中這些特征，再包含這些訓(xùn)練位置的測量朝向角度與標(biāo)準(zhǔn)朝向角度、或上述該二角度的差異值的其中之一，以修正角度差異。
17.如權(quán)利要求13所述 的系統(tǒng)，其中該運算核心單元依據(jù)該地圖信息與這些特征，以縮減該候選位置集合，提升定位準(zhǔn)確率。
18.一種基于慣性測量元件與地圖信息輔助的無線信號室內(nèi)定位方法，配合至少一個具備運算、無線信號收發(fā)與慣性感測能力的移動式無線信號收發(fā)裝置，包含: 該移動式無線信號收發(fā)裝置于訓(xùn)練時，搜集至少一個訓(xùn)練位置的至少一無線信號與至少一慣性信號，并存儲于訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫中； 該移動式無線信號收發(fā)裝置于定位時，接收當(dāng)時位置的至少一無線信號與至少一慣性信號，并傳送予該運算核心單元； 該運算核心單元依據(jù)所接收的該無線信號及該慣性信號，與存儲于該訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫的該無線信號及該慣性信號，依序進行位移檢測，方向修正與定位演算，以得到位置結(jié)果。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中再包含傳回該位置結(jié)果至該移動式無線信號收發(fā)裝置顯示，或不傳回該移動式無線信號收發(fā)裝置的其中之一。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其中還包含搜集該移動式無線信號收發(fā)裝置于這些訓(xùn)練位置的測量朝向角度及標(biāo)準(zhǔn)朝向角度、或上述該二角度的差異值的其中之一，并將搜集的數(shù)據(jù)存入訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫中。
21.如權(quán)利要求18所述的方法，其中還包含動態(tài)無線信號強度修正的步驟，其包含: 觀察至少一固定式無線信號收發(fā)裝置所發(fā)出的無線信號，并將觀察結(jié)果存入該訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫中； 根據(jù)所接收的這些無線信號與該觀察結(jié)果，進行動態(tài)修正。
22.如權(quán)利要求18所述的方法，其中該定位演算是歷史比對及候選位置集合縮小法。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中該歷史比對及候選位置集合縮小法是根據(jù)歷史特征與候選位置集合中的每個候選位置特征，計算累積特征差異，并根據(jù)該累積特征差異最小的候選位置，決定該移動式無線信號收發(fā)裝置的所在位置。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中該歷史比對及候選位置集合縮小法還包括: 根據(jù)行進朝向特性，刪除不符合的至少一這些候選位置； 根據(jù)這些慣性信號之一，判斷是否發(fā)生至少一轉(zhuǎn)彎事件； 根據(jù)最后一次發(fā)生的轉(zhuǎn)彎事件與地圖信息，刪除至少一這些候選位置； 根據(jù)歷史記錄累積多筆信號差異值進行比對；以及 回推歷史記錄中的先前位置、對于當(dāng)時而言的最后一次發(fā)生的轉(zhuǎn)彎事件及接下來會發(fā)生的下一個轉(zhuǎn)彎事件、與該地圖信息，刪除至少一這些候選位置。
25.如權(quán)利要求18所述的方法，其中該方向修正還包含: 無線信號收發(fā)裝置于訓(xùn)練時，搜集這些訓(xùn)練位置的預(yù)期朝向角度及實際朝向角度、或上述該二角度的差異量，并將結(jié)果 記錄于訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫中； 運算核心單元根據(jù)該預(yù)期朝向角度、該實際朝向角度與該差異量，對移動式無線收發(fā)裝置的目前朝向角度進行修正； 運算核心單元根據(jù)修正后的這些角度進行該定位演算； 運算核心單元根據(jù)運算后的結(jié)果，選出候選位置，并以其所對應(yīng)的修正量，作為該移動式無線收發(fā)裝置的方向角度修正量。
【文檔編號】H04W64/00GK103889049SQ201310045868
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2013年2月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月19日
【發(fā)明者】高永威, 張圣安, 郭倫嘉 申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院