TWI570423B - 定位方法 - Google Patents

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Description

定位方法
本發明是有關於一種定位方法，特別是指一種利用單一預定參考點來進行定位的定位方法。
傳統定位方式例如，全球衛星定位系統(Global Positioning System，簡稱GPS)必須測得一待定位裝置與至少三個預定參考點之距離後，再利用三角定位法來計算該待定位裝置之定位座標，然而，位於室內環境中的GPS接收器很可能由於建築物的遮蔽，導致GPS訊號的接收不良，因而無法進行定位。
其他利用單一預定參考點的定位方法，則需要獲得該待定位裝置跟該預定參考點之間的夾角資訊才可進行定位，然而，在實際使用上，該夾角資訊不易獲得。
因此，本發明之目的，即在提供一種利用單一預定參考點來進行定位以降低成本的定位方法。
於是本發明定位方法，用於定位一移動的待定位裝置，該定位方法是由一定位系統來實施，該定位系統 包含一距離估測單元、一設置在該待定位裝置的指向估測單元、及一連接該距離估測單元與該指向估測單元的處理單元，該定位方法包含下列步驟。
(a)藉由該距離估測單元，於一當前單位時間點與先前連續N個單位時間點中估測該待定位裝置在每一單位時間點與一預定參考點之距離，每一相鄰的兩單位時間點之差被定義為一單位時間；(b)藉由該指向估測單元，在先前N個單位時間內估測該待定位裝置在每一單位時間內的移動方向與一參考方向的夾角以獲得該待定位裝置的移動方向之單位向量；及(c)藉由該處理單元，根據步驟(a)所估測之該等N+1個距離、步驟(b)所估測之該等N個移動方向之單位向量、及多個分別對應該待定位裝置在先前N個單位時間點之位置相對於一座標系統的定位座標，估算該待定位裝置在該當前單位時間點之位置相對於該座標系統的定位座標。
本發明之功效在於，藉由該距離估測單元估測出該待定位裝置在每一單位時間點與該預定參考點之距離，並藉由該指向估測單元估測出每一單位時間內該待定位裝置的移動方向之單位向量，且藉由該處理單元根據該等距離、該等移動方向之單位向量、及該待定位裝置在先前N個單位時間點的定位座標，估算該待定位裝置在當前單位時間點的定位座標，以達成僅利用單一預定參考點來進行 定位，進而有效降低成本。
1‧‧‧定位系統
11‧‧‧距離估測單元
111‧‧‧第一收發模組
112‧‧‧距離計算模組
113‧‧‧第二收發模組
12‧‧‧指向估測單元
13‧‧‧處理單元
2‧‧‧待定位裝置
100‧‧‧預定參考點
200‧‧‧軌道
31~33‧‧‧步驟
331~333‧‧‧子步驟
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一上視示意圖，繪示一配置有該室內定位系統的自動導引車輛；圖2是一方塊圖，說明實施本發明定位方法的定位系統；圖3是一流程圖，說明本發明定位方法之實施例；及圖4是一示意圖，說明利用本發明定位方法所估算出之所有定位座標而繪製出之移動軌跡。
參閱圖1與圖2，本發明定位方法之實施例用於定位一移動的待定位裝置2。該定位方法是由一定位系統1來實施。該定位系統1被設置於一如自動導引車輛(Automatic Guided Vehicle，簡稱AGV)的待定位裝置2上以定位該自動導引車輛。該定位系統1包含一距離估測單元11、一設置在該待定位裝置2的指向估測單元12、及一連接該距離估測單元11與該指向估測單元12的處理單元13。
在本實施例中，該處理單元13設置於該待定位裝置2上，並電連接於該距離估測單元11及該指向估測單元12，然而，在本發明之其他實施例中，該處理單元13 亦可設置於一遠端伺服器中，並經由一網路與該距離估測單元11及該指向估測單元12連接。
該距離估測單元11包括一設置於該待定位裝置2之第一收發模組111、一設置於該待定位裝置2且電連接該第一收發模組111之距離計算模組112，及一設置於一預定參考點100之第二收發模組113。
該第一收發模組111用於傳送一第一無線訊號至該第二收發模組113，當該第二收發模組113接收到該第一無線訊號時，該第二收發模組113傳送一第二無線訊號至該第一收發模組111。該距離計算模組112用於根據該第一無線訊號之發送時間及該第二無線訊號之接收時間計算該待定位裝置2與該預定參考點100之距離。在本實施例中，該第一無線訊號與該第二無線訊號包含一超音波訊號，但不限於此。在本發明的其他實施例中，該第一無線訊號與該第二無線訊號亦可包含一紅外線訊號、一雷達訊號及一無線電訊號之其中一者。
在本實施例中，該指向估測單元12包含一慣性感測器，但不限於此。在本發明的其他實施例中，該指向估測單元12亦可包含一電子羅盤。
參閱圖1、圖2與圖3，本發明定位方法之實施例包含下列步驟。
在步驟31中，該距離估測單元11於一當前單位時間點與先前連續N個單位時間點中估測該待定位裝置2在每一單位時間點與該預定參考點100之距離，每一相鄰 的兩單位時間點之差被定義為一相同的單位時間，N≧0。
在步驟32中，該指向估測單元12在先前N個單位時間內估測該待定位裝置2在每一單位時間內的移動方向與一參考方向的夾角以獲得該待定位裝置2的移動方向之單位向量。
在步驟33中，該處理單元13根據步驟31所估測之該等N+1個距離、步驟32所估測之該等N個移動方向之單位向量、及多個分別對應該待定位裝置2在先前N個單位時間點之位置相對於一座標系統的定位座標，估算該待定位裝置2在該當前單位時間點(亦被定義為第n個單位時間點)之位置相對於該座標系統的定位座標。在本實施例中，該座標系統為一XY座標系統，且該XY座標系統中的X軸平行於該參考方向，且該座標系統之原點為該預定參考點100。
值得特別說明的是，步驟33還包含下列子步驟。
在子步驟331中，該處理單元13根據一相關於步驟31所估測的該等N+1個距離、步驟32所估測之該等N個移動方向之單位向量、及該待定位裝置2分別在先前N個單位時間點的該等定位座標的成本函數，獲得該待定位裝置2在當前單位時間內(亦即，第n個單位時間內)之移動距離α n 。在本實施例中，該成本函數可被表示成下列公式(1)：
α代表成本函數中之變數，α n-1代表該待定位裝置2在第n-1個單位時間內之移動距離，代表該待定位裝置2在第i+1個單位時間內之移動方向的單位向量，、分別代表該待定位裝置2之位置在第i個單位時間點及第i+1個單位時間點相對於該預定參考點100的座標向量，並分別作為該待定位裝置2在第i個單位時間點及第i+1個單位時間點之位置相對於該座標系統的定位座標，。
在子步驟332中，該處理單元13根據該成本函數及該待定位裝置2在第n個單位時間點之位置與該預定參考點100的距離r n ，還定義出一相關於該待定位裝置2之位置的測量向量z n ，以獲得z n 、α n 。在本實施例中，該測量向量z n 可被表示成下列公式(2)：
v代表測量該待定位裝置2與該預定參考點100之距離時的一(N+1)×1測量雜訊向量。當該處理單元13根據公式(2)所獲得之α n 值的多個解滿足多個限制條件中之一者時，該處理單元13可根據所滿足的限制條件獲得α n 值的唯一解，在本實施例中，該等限制條件如下：
限制條件1：若ε n>0，α n 恆為一正值
限制條件2：若<0且ε n<0，α n 為一較小的正值
在本實施例中，該處理單元13係將公式(2)經由一濾波處理如，有條件限制卡爾曼濾波以獲得α n 。
在子步驟333中，該處理單元13根據該成本函數還定義出一相關於該待定位裝置2在第n個單位時間點之位置相對於該座標系統的定位座標(x n ,y n )及該待定位裝置2在第n個單位時間內之移動距離α n 的狀態向量x n ，以獲得該定位座標(x n ,y n )。在本實施例中，該狀態向量x n 可被表示成下列公式(3)：
x n-1代表該待定位裝置2在第n-1個單位時間點之位置相對於該座標系統之X軸的X座標，y n-1代表該待定位裝置2在第n-1個單位時間點之位置相對於該座標系統之Y軸的Y座標，代表該待定位裝置2在第n個單位時間內相對於該座標系統之X軸的移動方向的單位分量，代表該待定位裝置2在第n個單位時間內相對於該座標系統之Y軸的移動方向的單位分量，w代表該待定位裝置2從第n-1個單位時間點至第n個單位時間點的一3×1雜訊向量。在本實施例中，該處理單元13係將公式(3)經由該濾波處理如，有條件限制卡爾曼濾波以獲得x n 。
值得一提的是，在本實施例中，該預定參考點之數量為1，然而，在本發明之其他實施例中，該預定參考點之數量亦可大於1。當該預定參考點之數量大於1時，該距離估測單元11在該當前單位時間點與先前連續N個單位時間點估測該待定位裝置2在每一單位時間點與每一預定 參考點之距離。該處理單元13根據該距離估測單元11所估測之該等距離、步驟32所估測之該等移動方向之單位向量、該待定位裝置2在先前N個單位時間點之位置相對於該座標系統的定位座標的成本函數，估算該待定位裝置2在當前單位時間點的定位座標。藉由利用2個以上之預定參考點所估算出的定位座標(x n ,y n )會比利用1個預定參考點所估算出的定位座標(x n ,y n )更加準確。
另外值得一提的是，在本實施例中，該座標系統為一XY座標系統，且該待定位裝置2之位置相對於該座標系統的定位座標(x n ,y n )是一二維座標，然而，在本發明之其他實施例中，該座標系統亦可為一XYZ座標系統，且該處理單元13所計算出的定位座標(x n ,y n ,z n )亦可為一三維座標。當該定位座標(x n ,y n ,z n )為三維座標時，該處理單元13於獲得z n 、α n 之方式類似於上述之子步驟332，其差別僅在於，移動方向的單位向量及座標向量皆為三維向量。此外，該處理單元13係根據下列公式(4)獲得x n 。
z n-1代表該待定位裝置2在第n-1個單位時間點之位置相對於該座標系統之Z軸的Z座標，代表該待定位裝置2在第n個單位時間內相對於該座標系統之Z軸的移動方向的單位分量，w代表該待定位裝置2從第n-1個單位時間點至第n個單位時間點的一4×1雜訊向量。
參閱圖1與圖4，該待定位裝置2(亦即，該自動導引車輛)一開始被設置於一近橢圓形軌道200外的任一初始點，接著，該自動導引車輛駛入該軌道200內並沿該軌道200移動。該預定參考點100位於該軌道200之正下方。該定位系統1利用本發明定位方法之實施例自該初始點對該自動導引車輛進行定位直到該自動導引車輛靜止不再移動。一如個人電腦之運算裝置將該定位系統1所估算出之所有定位座標繪製成如圖4所示之移動軌跡。
由圖4可知，即使該定位系統1針對該初始點所估算出之定位座標(x0,y0)是不正確的位置，但本發明定位方法之實施例依舊可將後續所估算出之定位座標收斂到正確的位置。此外，藉由本發明定位方法之實施例所估算出之定位座標的定位精準度約在90%左右。
綜上所述，本發明之定位方法確實能以單一預定參考點100來達到成本較低且精準度高之定位功能，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內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內。
31~33‧‧‧步驟
331~333‧‧‧子步驟

Claims (7)

  1. 一種定位方法，用於定位一移動的待定位裝置，該定位方法是由一定位系統來實施，該定位系統包含一距離估測單元、一設置在該待定位裝置的指向估測單元、及一連接該距離估測單元與該指向估測單元的處理單元，該定位方法包含下列步驟：(a)藉由該距離估測單元，於一當前單位時間點與先前連續N個單位時間點中估測該待定位裝置在每一單位時間點與一預定參考點之距離，每一相鄰的兩單位時間點之差被定義為一單位時間；(b)藉由該指向估測單元，在先前N個單位時間內估測該待定位裝置在每一單位時間內的移動方向與一參考方向的夾角以獲得該待定位裝置的移動方向之單位向量；及(c)藉由該處理單元，根據步驟(a)所估測之該等N+1個距離、步驟(b)所估測之該等N個移動方向之單位向量、及多個分別對應該待定位裝置在先前N個單位時間點之位置相對於一座標系統的定位座標，估算該待定位裝置在該當前單位時間點之位置相對於該座標系統的定位座標。
  2. 如請求項1所述的定位方法，其中，在該步驟(c)中，該當前單位時間點被定義為第n個單位時間點，該處理單元還根據下列成本函數獲得該待定位裝置在第n個單位時間內之移動距離α n ： 其中，α代表成本函數中之變數，α n-1代表該待定位裝置在第n-1個單位時間內之移動距離，代表該待定位裝置在第i+1個單位時間內之移動方向的單位向量，、分別代表該待定位裝置之位置在第i個單位時間點及第i+1個單位時間點相對於該預定參考點的座標向量，並分別作為該待定位裝置在第i個單位時間點及第i+1個單位時間點之位置相對於該座標系統的定位座標，。
  3. 如請求項2所述的定位方法，其中α n 滿足以下限制條件中之一者，限制條件1：若ε n>0，α n 恆為一正值，限制條件2：若<0且ε n<0，α n 為一較小的正值。
  4. 如請求項3所述的定位方法，其中，在該步驟(c)中，該座標系統為一XY座標系統，且該XY座標系統中的X軸平行於該參考方向，且該預定參考點為該XY座標系統中的原點，該處理單元根據該成本函數，還定義出下列一相關於該待定位裝置之位置的測量向量z n 及一相關於該待定位裝置在第n個單位時間點之位置相對於該座標系統的定位座標(x n ,y n )及該待定位裝置在第n個單位時間內之移動距離α n 的狀態向量x n ， 其中，r n 代表該待定位裝置在第n個單位時間點之位置與該預定參考點之距離，v代表測量該待定位裝置與該預定參考點之距離時的一(N+1)×1測量雜訊向量，x n-1代表該待定位裝置在第n-1個單位時間點之位置相對於該座標系統之X軸的X座標，y n-1代表該待定位裝置在第n-1個單位時間點之位置相對於該座標系統之Y軸的Y座標，代表該待定位裝置在第n個單位時間內相對於該座標系統之X軸的移動方向的單位分量，代表該待定位裝置在第n個單位時間內相對於該座標系統之Y軸的移動方向的單位分量，w代表該待定位裝置從第n-1個單位時間點至第n個單位時間點的一3×1雜訊向量。
  5. 如請求項4所述的定位方法，其中，在該步驟(c)中，該處理單元經由一濾波處理獲得α n 及x n 。
  6. 如請求項3所述的定位方法，其中，在該步驟(c)中，該座標系統為一XYZ座標系統，且該XYZ座標系統中的X軸平行於該參考方向，且該預定參考點為該XYZ座標系統中的原點，該處理單元根據該成本函數，還定義出下列一相關於該待定位裝置之位置的測量向量z n 及一相關於該待定位裝置在第n個單位時間點之位置相對於該座標系統的定位座標(x n ,y n ,z n )及該待定位裝置在第n個單位時間內之移動距離α n 的狀態向量x n ， 其中，r n 代表該待定位裝置在第n個單位時間點之位置與該預定參考點之距離，v代表測量該待定位裝置與該預定參考點之距離時的一(N+1)×1測量雜訊向量，x n-1代表該待定位裝置在第n-1個單位時間點之位置相對於該座標系統之X軸的X座標，y n-1代表該待定位裝置在第n-1個單位時間點之位置相對於該座標系統之Y軸的Y座標，z n-1代表該待定位裝置在第n-1個單位時間點之位置相對於該座標系統之Z軸的Z座標，代表該待定位裝置在第n個單位時間內相對於該座標系統之X軸的移動方向的單位分量，代表該待定位裝置在第n個單位時間內相對於該座標系統之Y軸的移動方向的單位分量，代表該待定位裝置在第n個單位時間內相對於該座標系統之Z軸的移動方向的單位分量，w代表該待定位裝置從第n-1個單位時間點至第n個單位時間點的一4×1雜訊向量。
  7. 如請求項6所述的定位方法，其中，在該步驟(c)中，該處理單元經由一濾波處理獲得α n 及x n 。
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