TWI687650B - 利用磁力場形之定位及姿態估測方法及其系統 - Google Patents

利用磁力場形之定位及姿態估測方法及其系統 Download PDF

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Abstract

一種利用磁力場形之定位及姿態估測方法，包括下列步驟。首先，在三維空間座標中，選取任意設置在移動載具周圍的至少三個磁性地標，此至少三個磁性地標中的任意兩個磁性地標具有不同的磁場方向。利用一組至少五個三軸磁力感測器感測至少三個磁性地標的磁場，並利用分磁方法分別產生三個於各三軸磁力感測器目前位置之三個軸上的磁場分量，解五個非線性磁力方程式，以取得至少三個磁性地標在三維空間座標中的位置資訊與磁矩資訊，並根據磁性地標的三軸磁矩向量估算此組至少五個三軸磁力感測器在三維空間中的位置向量及姿態向量。

Description

利用磁力場形之定位及姿態估測方法及其系統
本發明是有關於一種定位方法及其系統，且特別是有關於一種利用磁力場形之定位及姿態估測方法及其系統
無人搬運車(Automated Guided Vehicle,AGV)為自動化物料傳輸中之重要載具，相較於採用輸送帶之方式，AGV具有不佔空間、可彈性調整產線之優點。對於無軌導引式AGV而言，現有技術多以雷射反光標籤、磁柱或二維條碼標籤等方式來達成定位之目的。然而，上述標籤定位技術在實際使用時，皆須預先淨空場地空間，對於設廠之初未做預先規劃之工廠使用不易。此外，上述標籤定位技術被限制於二維度，故無法應用於三維度之定位系統，且上述標籤定位技術亦無法判斷待測物在三維空間中的姿態，有待改善。
本發明係有關於一種利用磁力場形之定位及姿態估測方法及其系統，藉由分析三維空間中多個磁性地標的磁場，可得到磁性地標與磁力感測器的位置資訊，故不需事先建立磁性地 標的位置及地圖，即可對在三維空間中一移動載具進行定位及姿態估測，因而具備機動性與場佈方便性。
根據本發明之一方面，提出一種利用磁力場形之定位及姿態估測方法，包括下列步驟。首先，在三維空間座標中，選取任意設置在該移動載具周圍的至少三個磁性地標，該至少三個磁性地標中的任意兩個磁性地標具有不同的磁場方向。該至少三個磁性地標在三維空間座標中的位置資訊與磁矩資訊為未知數。利用一組至少五個三軸磁力感測器感測該至少三個磁性地標的磁場，並利用分磁方法分別產生三個於各該三軸磁力感測器目前位置之三個軸上的磁場分量，其中此組至少五個三軸磁力感測器的空間分佈不在同一平面上。依據各三軸磁力感測器目前位置之三個軸上的三個磁場分量，得到五個非線性磁力方程式後，根據至少三個磁性地標在零空間中的磁矩向量解五個非線性磁力方程式，以取得至少三個磁性地標在三維空間座標中的位置資訊與磁矩資訊，並依據取得的至少三個磁性地標的三軸磁矩向量，估算此組至少五個三軸磁力感測器在三維空間座標中的位置向量及姿態向量。
根據本發明之一方面，提出一種利用磁力場形之定位及姿態估測系統，用於定位一移動載具。該定位及姿態估測系統包括至少三個磁性地標、一組至少五個三軸磁力感測器以及一邏輯運算處理單元。至少三個磁性地標任意設置在該移動載具周圍的三維空間座標中，該至少三個磁性地標中的任意兩個磁性地 標具有不同的磁場方向。此組至少五個三軸磁力感測器設置於該移動載具上，其中此組至少五個三軸磁力感測器的三維座標不在同一平面上。邏輯運算處理單元連接此組至少五個三軸磁力感測器，此組至少五個三軸磁力感測器感測該至少三個磁性地標的磁場，並產生至少十五個磁場資訊至該邏輯運算處理單元，該邏輯運算處理單元根據各個三軸磁力感測器感測到的該至少三個磁性地標的三軸磁矩向量，估算此組至少五個三軸磁力感測器在該三維空間座標中的位置向量及姿態向量。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
100:利用磁力場形之定位及姿態估測系統
111-116:磁性地標
120:移動載具
121-125:三軸磁力感測器
130:邏輯運算處理單元
X、Y、Z:三維空間座標
O:原點
P1-P5:三維座標點
O BL1 、 O BL2 、 O BL3 :位置資訊
H L1 、 H L2 、 H L3 :磁矩資訊
Figure 107140436-A0305-02-0013-15
、
Figure 107140436-A0305-02-0013-16
、
Figure 107140436-A0305-02-0013-17
:位置向量
第1圖繪示依照本發明一實施例之利用磁力場形之定位及姿態估測方法的流程圖。
第2圖繪示依照本發明一實施例之利用磁力場形之定位及姿態估測系統的示意圖。
第3圖繪示三軸磁力感測器選擇未知的一個磁性地標並得到新的磁性地標在三維空間座標中的位置資訊與磁矩資訊的示意圖。
第4圖繪示三軸磁力感測器重新選擇另外三個未知的磁性地標並得到此三個磁性地標在三維空間座標中的位置資訊與磁矩資訊的示意圖。
以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。以下是以相同/類似的符號表示相同/類似的元件做說明。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考所附圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。
請參照第1及2圖，依照本發明一實施例之利用磁力場形之定位及姿態估測方法包括下列步驟S11至S15，可用於定位一移動載具120。移動載具120例如為無人搬運車、無人車或無人飛行器等。移動載具120可在三維空間中任意移動且移動載具120上設置一組至少五個三軸磁力感測器121-125，其中此組至少五個三軸磁力感測器121-125的三維座標點P1-P5不在同一平面上，也就是說三維座標點P1-P5中至少一點不共平面即可。請參照第2圖，定位及姿態估測系統100包括至少三個磁性地標111-113、一組至少五個三軸磁力感測器121-125以及一邏輯運算處理單元130。
磁性地標111-113的數量不限定，可為三個以上的任意數量。磁性地標111-113可設置在移動載具120的周圍區域，例如地面、牆面或三維空間中任何一點上，當移動載具120移動至一目前位置時，選取任意設置在移動載具120目前位置周圍的至少三個磁性地標111-113，以做為定位用的磁性地標。當移動載具 120移動至一新位置時，可選取移動載具120新位置周圍的至少三個磁性地標111-113，以做為定位用的磁性地標，依此類推。
邏輯運算處理單元130例如是電腦或設置在電腦中的單晶片微處理器或包含有儲存於電腦可讀取記錄媒體中的電腦程式。在另一實施例中，邏輯運算處理單元130例如設置於移動載具120上。邏輯運算處理單元130接收磁場資訊之前，可先經由低通濾波器來降低磁場資訊中的雜訊，並提高雜訊比，之後，磁場資訊可經過類比/數位轉換轉換器轉換成數位化磁場資訊。
請參照第1及2圖，在步驟S11中，在三維空間座標(X,Y,Z)中，選取任意設置在移動載具120目前位置周圍的至少三個磁性地標111-113，上述至少三個磁性地標111-113中的任意兩個磁性地標具有不同的磁場方向，且上述至少三個磁性地標111-113在三維空間座標(X,Y,Z)中的位置向量(相對於原點O)與姿態向量為未知數。也就是說，不需先建立磁性地標111-113的地圖。在本實施例中，以單磁矩電磁鐵地標為例，各個磁性地標111-113例如為一有源變頻式磁性產生元件，用以產生具有不同固定頻率的磁力訊號，且各個磁性地標111-113分別輸入不同固定頻率的正弦波，以利於後續的分磁。
在一實施例中，上述至少三個磁性地標111-113在三維空間座標(X,Y,Z)中不共點且不限制要正交，也就是說，三個磁性地標111-113不需限制為正交且共點的三個磁性地標， 只要任意兩個磁場向量的合不等於另一個磁場向量的倍數即可，進而提高系統的靈活性。
請參照第1及2圖，在步驟S12中，以一組至少五個三軸磁力感測器121-125感測至少三個磁性地標111-113的磁場，以取得至少三個磁性地標111-113的磁場向量合，並進行後續的分磁處理。
在本實施例中，每個三軸磁力感測器121-125連接邏輯運算處理單元130，以產生至少三個磁場資訊至邏輯運算處理單元130，因此可提供至少十五個磁場資訊至邏輯運算處理單元130。為了便於計算至少三個磁性地標111-113的磁場分量，可透過分磁方式將三個磁性地標111-113的磁場分開，其中各個磁力感測器取得三個磁性地標111-113的磁場向量合，其中磁場向量合BS1,BS2,…,BSN表示如下，N為5或大於5之整數：
Figure 107140436-A0305-02-0008-2
接著，邏輯運算處理單元130可使用帶通濾波器的分磁方式，得到三個不同固定頻率的磁場向量在各個三軸磁力感測器121-125目前位置之三個軸上的磁場分量，分別表示為BS1’,BS2’,…,BSN’，其中
Figure 107140436-A0305-02-0009-3
上述的分磁方法包括以三個不同的固定頻率作為限制項的擴展卡曼濾波器，解析至少三個磁性地標的波形及振幅，取得之至少三組波形與振幅為至少三個磁性地標在三維空間之三個軸上的三個磁場分量。接著，在步驟S13中，對於同一磁性地標，可由以下步驟取得各個磁性地標111-113的位置向量與姿態向量。
已知各個磁性地標的磁場
Figure 107140436-A0305-02-0009-4
，X=P-OB，R=|X|，|H|=1，式(3)，P為單一三軸磁力感測器的位置，OB為單一磁性地標的位置，H為單一磁性地標的磁矩單位向量，X為單一三軸磁力感測器相對於各個磁性地標的位置向量，R為位置向量X的絕對值(即距離)。在第2圖中，由於各個三軸磁力感測器121-125分別放置於感測器座標系統的X軸、Y軸、Z軸以及原點O上，且各個三軸磁力感測器121-125與原點O的距離為已知數，此為前一次的推測結果，因此上述式(3)中P、B為已知數，但OB、H、BT為未知數。
另外，由於每一磁性地標111-113的磁場為封閉曲線，且各磁力線之間不會交錯，因此各磁力線上各點的磁場向量 與磁矩與位移向量三者共平面且內積空間為零，即B×X．H=0，根據上述的 X = P-O B ，可以得到B×P．H+H×OB．B=0。重新排列上述結果，可得到
Figure 107140436-A0305-02-0010-5
。
對於所有三軸磁力感測器121-125，依據各個三軸磁力感測器121-125目前位置之三個軸上的三個磁場分量，可以得到至少五個非線性磁力方程式如下，
Figure 107140436-A0305-02-0010-23
Figure 107140436-A0305-02-0010-26
由以上關係，可知
Figure 107140436-A0305-02-0010-8
，根據至少三個磁性地標111-113在零空間中的磁矩向量解上述五個非線性磁力方程式，即可求出零空間(null space)單位向量。其計算流程如下，首先，令零空間
Figure 107140436-A0305-02-0010-9
，則HLi=V(4：6)。令r=HLi×OBLi=V(1：3)，OBLi=r×HLi+tHLi，將OBLi代回式(3)，即可解出t，得到OBLi。利用OBLi與HLi求出BT，若BT為負，HLi乘一負號。
根據上述結果，邏輯運算處理單元130可以取得至少三個磁性地標111-113在三維空間座標(X,Y,Z)中的位置資訊與磁矩資訊，即 O BLi 與 H Li 。如第2圖所示，磁性地標111的位置資訊與磁矩資訊為 O BL1 與 H L1 ，磁性地標112的位置資訊與磁矩資訊為 O BL2 與 H L2 ，磁性地標113的位置資訊與磁矩資訊為 O BL3 與 H L3 。
接著，在步驟S14中，當取得至少三個磁性地標111-113的位置資訊與磁矩資訊之後，根據式(1)，即可得知各個三軸磁力感測器121-125相對於各個磁性地標111-113的位置向量，並可依據各個三軸磁力感測器121-125感測到的各個三個磁性地標111-113的三軸磁矩向量，估算各個三軸磁力感測器121-125於三維空間座標(X,Y,Z)中的姿態向量。
如第2圖所示，其中
Figure 107140436-A0305-02-0011-10
表示三軸磁力感測器121相對於磁性地標111的位置向量，
Figure 107140436-A0305-02-0011-11
表示三軸磁力感測器121相對於磁性地標112的位置向量，
Figure 107140436-A0305-02-0011-12
表示三軸磁力感測器121相對於磁性地標113的位置向量。其他磁力感測器122-125的位置向量類似，不再繪示。
接著，在步驟S15中，當前磁性地標的磁矩指向矩陣為[ H L1 H L2 ... H LN ]= H L ，若已知初始狀態矩陣為H0，則當前相對初始狀態的旋轉矩陣為
Figure 107140436-A0305-02-0011-13
。當前任一磁性地標位置為oB，若已知此磁性地標初始位置為
Figure 107140436-A0305-02-0011-22
，則當前感測器陣列系統的原點位置於初始座標為
Figure 107140436-A0305-02-0011-14
得到PGlobal與R後，根據以下公式，可以將任意未知磁性地標之磁矩資訊HL與位置資訊OB相對最初座標系統之HL0與OB0算出，並將磁矩資訊HL與位置資訊OB計錄下來，其中OB0=RTOB+PGlobal HL0=RTHL
也就是說，在步驟S15中，當移動載具120移動至一新位置A(參見第3圖)且移動載具120周圍具有一未知的磁性地標114時，邏輯運算處理單元130可根據此組至少五個三軸磁力感測器121-125在三維空間座標(X,Y,Z)中新位置A的位置向量及姿態向量，估算未知的磁性地標114在三維空間座標中的位置資訊與磁矩資訊。
請參照第3圖，由於磁性地標產生之磁場會隨感測距離遞減，當其中至少一個磁性地標的距離超過預定範圍時，三軸磁力感測器121-125將無法感測到其中至少一個磁性地標的磁場變化。因此，本實施例之定位及姿態估測系統100可以進一步選擇未知的一個新的磁性地標114，並經由計算得到新的磁性地標114在三維空間座標中的位置資訊與磁矩資訊，以估算此組至少五個三軸磁力感測器121-125在三維空間座標中的位置向量及姿態向量。
或者，在第4圖中，當移動載具120移動到新位置B時，可以重新選擇另外三個未知的磁性地標114、115與116，並經由上述的流程步驟S11-S14計算得到此三個磁性地標114-116在三維空間座標中的位置資訊與磁矩資訊，以估算此組至少五個三軸磁力感測器121-125在三維空間座標中的位置向量及姿態向量。
本發明上述實施例所揭露之利用磁力場形之定位及姿態估測方法及其系統，可以用來偵測移動載具(例如是無人 車或任意物體)在空間中的位置及姿態，且磁性地標的位置可任意擺放且不需事先建立地圖，以減少地圖的資料量及運算量。因此，本發明不需要對環境有事先佈置的需求，可讓定位系統更為靈活且定位範圍更廣，具備機動性與場佈方便性。
綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
S11-S15:各個步驟

Claims (8)

  1. 一種利用磁力場形之定位及姿態估測方法，用於定位一移動載具，該移動載具上設置一組至少五個三軸磁力感測器，該定位及姿態估測方法包括：在三維空間座標中，選取任意設置在該移動載具周圍的至少三個磁性地標，該至少三個磁性地標中的任意兩個磁性地標具有不同的磁場方向；該至少三個磁性地標在該三維空間座標中的位置資訊與磁矩資訊為未知數；利用該組至少五個三軸磁力感測器感測該至少三個磁性地標的磁場，並利用分磁方法分別產生三個於各該三軸磁力感測器目前位置之三個軸上的磁場分量，其中該組至少五個三軸磁力感測器的三維座標不在同一平面上；以及依據各該三軸磁力感測器目前位置之三個軸上的三個磁場分量，得到五個非線性磁力方程式後，根據該至少三個磁性地標在零空間中的磁矩向量解該五個非線性磁力方程式，以取得該至少三個磁性地標在該三維空間中的位置資訊與磁矩資訊，並依據取得的該至少三個磁性地標的三軸磁矩向量，估算該組至少五個三軸磁力感測器在該三維空間座標中的位置向量及姿態向量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之定位及姿態估測方法，其中該分磁方法包括： 使用帶通濾波器將該至少三個磁性地標的磁場分為在該三維空間之三個軸上的三個磁場分量；以及以三個不同的固定頻率作為限制項的擴展卡曼濾波器，解析該至少三個磁性地標的波形及振幅，取得之至少三組波形與振幅為該至少三個磁性地標在該三維空間之三個軸上的三個磁場分量。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之定位及姿態估測方法，更包括：當該移動載具移動至一新位置且該移動載具周圍具有至少一未知的磁性地標時，根據該組至少五個三軸磁力感測器在該三維空間座標中該新位置的位置向量及姿態向量，估算該至少一未知的磁性地標在該三維空間座標中的位置資訊與磁矩資訊。
  4. 一種利用磁力場形之定位及姿態估測系統，用於定位一移動載具，該定位及姿態估測系統包括：至少三個磁性地標，任意設置在該移動載具周圍的三維空間座標中，該至少三個磁性地標中的任意兩個磁性地標具有不同的磁場方向；一組至少五個三軸磁力感測器，設置於該移動載具上，其中該組至少五個三軸磁力感測器的三維座標不在同一平面上；以及一邏輯運算處理單元，連接該組至少五個三軸磁力感測器，該組至少五個三軸磁力感測器感測該至少三個磁性地標的磁場，並產生至少十五個磁場資訊至該邏輯運算處理單元，該邏輯運算處理單元根據各個三軸磁力感測器感測感測到的該至少三個磁性地 標的三軸磁矩向量，估算該組至少五個三軸磁力感測器在該三維空間中的位置向量及姿態向量。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之定位及姿態估測系統，其中該邏輯運算處理單元包括一單晶片微處理器。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之定位及姿態估測系統，其中該邏輯運算處理單元使用帶通濾波器將該至少三個磁性地標的磁場分為在該三維空間之三個軸上的三個磁場分量，並以三個不同的固定頻率作為限制項的擴展卡曼濾波器解析該至少三個磁性地標的波形及振幅，取得之該至少三組波形與振幅為該至少三個磁性地標在該三維空間之三個軸上的三個磁場分量。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之定位及姿態估測系統，其中各該磁性地標包括一有源變頻式磁性產生元件。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之定位及姿態估測系統，當該移動載具移動至一新位置且該移動載具周圍具有至少一未知的新的磁性地標時，該邏輯運算處理單元根據該組至少五個三軸磁力感測器在該三維空間座標中該新位置的位置向量及姿態向量，估算該至少一未知的磁性地標在該三維空間座標中的位置資訊與磁矩資訊，並記錄在該邏輯運算單元之內。
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