TWI774140B - 雙向訊號定位方法及其雙向訊號定位系統 - Google Patents

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Abstract

一種雙向訊號定位方法及其雙向訊號定位系統，包括以下步驟：控制待測定位設備以複數之發射功率發射複數之定位訊號；使複數之已知位置設備接收複數之定位訊號，藉以回傳複數之回應訊號給待測定位設備；記錄該複數之定位訊號強度、複數之回應訊號強度、複數之對應接收時間及該複數之已知位置設備之座標到資料庫；找出訊號強度較大的已知位置設備；由資料庫中取出訊號強度-距離函數及訊號強度-距離標準差函數；以及根據訊號強度-距離函數及訊號強度-距離標準差函數以找出待測定位設備之設備位置。

Description

雙向訊號定位方法及其雙向訊號定位系統
本發明係關於一種雙向訊號定位方法及其雙向訊號定位系統，特別是一種利用不同功率之訊號之接收及傳送來定位的雙向訊號定位方法及其雙向訊號定位系統。
傳統上室內設備的定位方法常常使用三邊定位，而三邊定位所需要的距離通常都是使用訊號強度或是飛行時間(ToA，Time of Arrivial)所計算出來。因此訊號強度或是飛行時間計算的準確度會影響推斷出來的距離，進而影響三邊定位的準確性。先前技術中的定位方法都只仰賴固定功率發射訊號。基於固定發射訊號功率之定位方法，以致於定位準確度受限於單一功率訊號之衰退形式。
現今如同手機的移動設備，往往都配備其他不同功能的感測器，搭配陀螺儀、電子羅盤這一類的感測器可以很好地輔助並改善定位精準度。然而考量到設備的成本，室內定位設備不一定會搭配各式各樣的感測器。室內定位在沒有其他感測器輔助的情況下，只能依靠訊號強度來推估距離並且使用此資料來進行定位。然而，於先前技術中，藍牙設備的訊號強度往往變動很大，造成定位誤差很大。
因此，有必要發明一種新的雙向訊號定位方法及其雙向訊號定位系統，以解決先前技術的缺失。
本發明之主要目的係在提供一種雙向訊號定位方法，可達到利用不同功率之訊號之接收及傳送來定位之效果。
本發明之另一主要目的係在提供一種用於上述方法之雙向訊號定位系統。
為達成上述之目的，本發明之雙向訊號定位方法係用於雙向訊號定位系統以找出空間內之待測定位設備之設備位置，空間還包括複數之已知位置設備。方法包括以下步驟：控制待測定位設備以複數之發射功率發射複數之定位訊號；使複數之已知位置設備接收複數之定位訊號，藉以回傳複數之回應訊號給待測定位設備；記錄該複數之定位訊號強度、複數之回應訊號強度、複數之對應接收時間及該複數之已知位置設備之座標到資料庫；找出所接收的複數之定位訊號及複數之回應訊號中訊號強度較大的已知位置設備；由資料庫中取出訊號強度-距離函數及訊號強度-距離標準差函數；以及根據訊號強度-距離函數及訊號強度-距離標準差函數以找出待測定位設備之設備位置。
本發明之雙向訊號定位系統包括處理模組、資料庫及計算模組。處理模組係控制待測定位設備以複數之發射功率發射複數之定位訊號，使複數之已知位置設備接收複數之定位訊號，藉以回傳複數之回應訊號給待測定位設備。資料庫係電性連接處理模組，用以儲存訊號強度-距離函數及訊號強度-距離標準差函數，且於複數之已知位置設備接收複數之定位訊號後，資料庫係記錄該複數之定位訊號強度、複數之回應訊號強度、複數之對應接收時間及該複數之已知位置設備之座標，藉此處理模組係找出所接收的該複數之定位訊號中訊號強度較大的已知位置設備。計算模組係電性連接資料庫，用以根據複數之定位訊號之強度、複數之回應訊號之強度、複數之對應接收時間及強度較大的已知位置設備查詢訊號強度-距離函數及訊號強度-距離標準差函數，以找出待測定位設備之設備位置。
為能讓 貴審查委員能更瞭解本發明之技術內容，特舉較佳具體實施例說明如下。
請先參考圖1係本發明之雙向訊號定位系統進行設定之系統架構圖。
於本發明之一實施例中，雙向訊號定位系統1包括一處理模組11、一資料庫12及一計算模組13，彼此之間係互相電性連接。雙向訊號定位系統1用以於一空間內利用已知位置設備50(如圖3所示)找出一待測定位設備40之一設備位置。而在找出待測定位設備40前，該雙向訊號定位系統1還可以先利用測試發射設備20及接收設備30來建立所需的訊號強度-距離函數及訊號強度-距離標準差函數資料，但本發明並不限於此。其中測試發射設備20、接收設備30、待測定位設備40及已知位置設備50皆可發送及接收無線訊號，此無線訊號可以為藍牙訊號，且測試發射設備20、接收設備30、待測定位設備40及已知位置設備50也可為相同或不同的家電設備、電腦設備或行動裝置等，但本發明並不限於此。
需注意的是，雙向訊號定位系統1具有的各模組可以為硬體裝置、軟體程式結合硬體裝置、韌體結合硬體裝置等方式架構而成，例如可以將一電腦程式產品儲存於一電腦可讀取媒體中讀取並執行以達成本發明之各項功能，但本發明並不以上述的方式為限。此外，本實施方式僅例示本發明之較佳實施例，為避免贅述，並未詳加記載所有可能的變化組合。然而，本領域之通常知識者應可理解，上述各模組或元件未必皆為必要。且為實施本發明，亦可能包含其他較細節之習知模組或元件。各模組或元件皆可能視需求加以省略或修改，且任兩模組間未必不存在其他模組或元件。處理模組11、資料庫12或計算模組13可以設置於同一裝置或分別設置於不同裝置內，或是可以設置於測試發射設備20、接收設備30、待測定位設備40或已知位置設備50其中任何一種設備內，但本發明並不限於此。
因此，於本發明之一實施例中，該處理模組11係設定該測試發射設備20之複數之發射功率，所以測試發射設備20可以發射複數之測試訊號。接著讓接收設備30在與該測試發射設備20相距複數之對應距離下，接收該複數之測試訊號，例如在相隔10公分、20公分或是1公尺到6公尺間不同的距離下，分別用不同之發射功率發射出不同的測試訊號。但本發明並不限於此數值。藉此該處理模組11偵測得知該接收設備30所接收之複數之測試訊號強度，以將該複數之測試訊號強度及該複數之對應距離記錄到該資料庫12。最後該計算模組13由資料庫12的數值計算得到訊號強度-距離函數及訊號強度-距離標準差函數，並回存於該資料庫12中。
接著請參考圖2係本發明之資料設定流程之步驟流程圖。此處需注意的是，以下雖以上述雙向訊號定位系統1為例說明本發明之資料設定流程，但本發明之資料設定流程並不以使用在上述相同結構的雙向訊號定位系統1為限。
首先進行步驟201：設定一測試發射設備之複數之發射功率，使該測試發射設備在複數之對應距離下，對一接收設備發射複數之測試訊號。
首先該處理模組11係設定該測試發射設備20之複數之發射功率。所以測試發射設備20可以發射複數之測試訊號，接著讓接收設備30在與該測試發射設備20相距複數之對應距離下，例如在相隔10公分、20公分或是1公尺到6公尺間不同的距離下，接收該複數之測試訊號。
其此進行步驟202：偵測該接收設備所接收之複數之測試訊號強度。
其次處理模組11偵測接收設備30所接收到的所有訊號的訊號強度。
接著進行步驟203：記錄該複數之測試訊號強度及該複數之對應距離到一資料庫。
接著處理模組11將接收設備30所接收到的所有測試訊號的訊號強度及該測試訊號的所對應的對應距離都儲存到資料庫12內。
最後進行步驟204：計算得到一訊號強度-距離函數及一訊號強度-距離標準差函數，並回存於該資料庫。
最後該計算模組13根據上述的所有訊號的訊號強度及該訊號的所對應的對應距離進行計算，就可以針對每個不同的發射功率計算得到訊號強度-距離函數及訊號強度-距離標準差函數，以得知接收設備30所接收到的訊號強度與測試發射設備20之間距離的關係及其標準差。藉此可回存於該資料庫12中。如此一來，即可完成本發明之資料設定流程。
接著請參考圖3係本發明之雙向訊號定位系統進行定位之系統架構圖。
在資料庫12中建立訊號強度-距離函數及訊號強度-距離標準差函數後，雙向訊號定位系統1就可以利用已知位置設備50在空間內找出一待測定位設備40之一設備位置。需注意的是，本發明之一實施方式中雖然利用直接先執行資料設定流程的方式來得知訊號強度-距離函數及訊號強度-距離標準差函數，但本發明並不限定每次都要執行資料設定流程來重新在資料庫12內建立訊號強度-距離函數及訊號強度-距離標準差函數。該些訊號強度-距離函數及訊號強度-距離標準差函數可以預先設定於待測定位設備40或已知位置設備50之內。
如此一來，該處理模組11控制該待測定位設備40以複數之發射功率發射複數之定位訊號，使該複數之已知位置設備50接收該複數之定位訊號，再使複數之已知位置設備50回傳複數之回應訊號給該待測定位設備40。處理模組11可記錄下該複數之定位訊號強度、該複數之回應訊號強度、複數之對應接收時間及複數之已知位置設備50之位置到該資料庫12。複數之已知位置設備50還會接收該待測定位設備40的一識別碼，藉以辨識待測定位設備40。此識別碼也會儲存於資料庫12中。藉此，該處理模組11找出所接收的該複數之定位訊號及複數之回應訊號中訊號強度較大設備，例如該已知位置設備51、52、53。最後該計算模組13就可以由已知位置設備51、52、53的位置再根據該訊號強度-距離函數及該訊號強度-距離標準差函數以找出待測定位設備40之設備位置。
而關於找出待測定位設備40之設備位置的詳細方法請參考圖4係本發明之設備定位流程之第一實施方式之步驟流程圖。
首先進行步驟401：控制該待測定位設備以複數之發射功率發射複數之定位訊號。
首先當待測定位設備40進入一空間時，處理模組11要先控制待測定位設備40以不同的發射功率發射出定位訊號。
其次進行步驟402：使該複數之已知位置設備接收該複數之定位訊號，藉以回傳複數之回應訊號給該待測定位設備。
如此一來，不同的已知位置設備50就可以接收到待測定位設備40之定位訊號，處理模組11可以再控制不同的已知位置設備50回傳複數之回應訊號給待測定位設備40。此時複數之已知位置設備50還會接收該待測定位設備40的識別碼。
其次進行步驟403：記錄該複數之定位訊號強度、該複數之回應訊號強度、複數之對應接收時間及該複數之已知位置設備之座標。
由於待測定位設備40是以不同的發射功率發射出定位訊號，所以在已知位置設備50接收定位訊號並回傳回應訊號後，已知位置設備50會將所有的定位訊號的數據、其對應接收時間及以及已知位置設備50之座標傳送回資料庫12中，待測定位設備40會將所有的回應訊號的數據傳送回資料庫12中。
再進行步驟404：找出所接收的該複數之定位訊號及複數之回應訊號中訊號強度較大的該已知位置設備。
處理模組11會從資料庫12的資料中找出複數之定位訊號及複數之回應訊號中訊號強度較大的該已知位置設備51、52、53。
接著進行步驟405：根據該訊號強度-距離函數及該訊號強度-距離標準差函數得到設備之複數個不同功率下之複數之機率分布平面。
接著就計算模組13可以根據該複數之定位訊號之強度、複數之回應訊號之強度、該複數之對應接收時間及該強度較大的該已知位置設備查詢該訊號強度-距離函數及該訊號強度-距離標準差函數，以已知位置設備51、52、53的固定點座標為圓心，依照訊號強度-距離函數求得此訊號強度下的距離，即設定此距離為基礎半徑。再以訊號強度-距離標準差函數求得此訊號強度下的距離標準差，即設定此標準差做為半徑調整的依據。藉此計算出已知位置設備51、52、53在不同功率下之複數之機率分布平面。
在此請同時參考圖5係依照圖4，為本發明之設備定位流程之第一實施方式之機率分布相關示意圖。
例如在此實施方式中，可以在高、中、低功率下，得到已知位置設備51、52、53接收的定位訊號所可能的9個機率分布平面及回應訊號所可能的9個機率分布平面。圖5中所示的是僅以已知位置設備51、52、53接收的定位訊號所可能的9個機率分布平面為例進行說明。於圖5中，在高功率下會得到已知位置設備51、52、53接收的定位訊號的機率分布平面A1、A2、A3，在中功率下會得到已知位置設備51、52、53接收的定位訊號的機率分布平面A4、A5、A6，在低功率下會得到已知位置設備51、52、53接收的定位訊號的機率分布平面A7、A8、A9。
再進行步驟406：將該複數之機率分布平面相乘後，得到一最終機率分布平面。
接著計算模組13將得到的機率分布平面A1到A9相乘，就可以得到最終機率分布平面。
最後進行步驟407：於該最終機率分布平面中找出最大機率位置，以設定為該待測定位設備之該設備位置。
最後計算模組13從最終機率分布平面中找出最大機率位置，將最大機率位置設定為該待測定位設備40之該設備位置41，就可以得知待測定位設備40的座標。
接著請參考圖6係本發明之設備定位流程之第二實施方式之步驟流程圖。
首先進行步驟601：控制該待測定位設備以複數之發射功率發射複數之定位訊號。再進行步驟602：使該複數之已知位置設備接收該複數之定位訊號，藉以回傳複數之回應訊號給該待測定位設備。接著進行步驟603：記錄該複數之定位訊號強度、複數之回應訊號強度、複數之對應接收時間及該複數之已知位置設備之座標及步驟604：找出所接收的該複數之定位訊號及複數之回應訊號中訊號強度較大的該已知位置設備。
由於上述步驟601到步驟604的技術與步驟401到步驟404相同，故在此不再贅述。
接著進行步驟605：依複數之功率分組，設定複數個該已知位置設備為圓心，使用訊號強度與距離函數得到距離，使用距離變異度函數得到標準差畫出複數之圓，並得到複數之圓之間之複數之相交點。
接著就計算模組13可以根據該複數之定位訊號之強度、該複數之回應訊號強度、該複數之對應接收時間及該強度較大的該已知位置設備查詢該訊號強度-距離函數及該訊號強度-距離標準差函數，將不同功率下的已知位置設備進行分組。由於待測定位設備40在相同功率下偵測得到最大強度的定位訊號及回應訊號都可能同一個已知位置設備所發出的，所以在相同功率下就只保留一個座標當作為圓心。所以在此實施方式中，可以在高、中、低功率下，最多可以得到已知位置設備的18個座標，最少可以得到9個座標。接著依照訊號強度-距離函數求得此訊號強度下的距離，即設定此距離為基礎半徑，再以訊號強度-距離標準差函數求得此訊號強度下的距離標準差，即設定此標準差做為半徑調整的依據。
在此請同時參考圖7A-7B係依照圖6，為本發明之設備定位流程之第二實施方式於不同發射功率下的同心圓之相關示意圖。
圖7A-7B中係以找出三個已知位置設備51、52、53的座標為例進行說明，但本發明並不限制於此數量。所以於本實施例中，以已知位置設備51、52、53的固定點座標為圓心畫出複數之圓後，兩兩固定點來求交點。圖7A中先將原半徑距離減去0.67個標準差設定為最小半徑，原半徑距離加上0.67個標準差為設定為最大半徑，若兩圓之間有相切或相交即可結束。若兩圓之間沒相交，就再增加0.0134(也就是(0.67*2)/100)個標準差，直到與另一圓有相交點為止。如此一來就可以得到複數之圓之間的複數之相交點a到f，即已知位置設備51、52之圓之間具有相交點a、b，已知位置設備51、53之圓之間具有相交點c、d，已知位置設備52、53之圓之間具有相交點e、f。每組功率中已知位置設備51、52、53的固定點之圓之間最多可以得到6個相交點，但本發明並不限於一定要到6個相交點。而圖7B為已知位置設備51、52、53在另一個功率下計算得到的相交點的示意圖。故於圖7B中可以得到已知位置設備51、52、53在另一個功率下的到6個相交點g到l。
再進行步驟606：將該複數之相交點進行一三角化流程，以得到複數之三角形。
在此請參考圖7C係依照圖6，為本發明之設備定位流程之第二實施方式之相交點進行三角化流程之相關示意圖。
此時計算模組13將該所有的相交點a到l去除離群值後，進行一德勞內三角化流程，以得到複數個三角形。於本實施方式中假設得到的12個相交點a到l進行計算，但本發明並不限於此，當找出更多座標就可以得到較多的相交點，較多的相交點就可以得到較精確的結果。
最後進行步驟607：於該複數之三角形中找出具有最小外接圓半徑之三角形，以將該外接圓的圓心設定為該待測定位設備之該設備位置。
在此請參考圖7D係依照圖6，為本發明之設備定位流程之第二實施方式之找出最小同心圓之相關示意圖。
最後計算模組13再找出其中外接圓半徑最小的三角形中最小外接圓的圓心。將最小外接圓的圓心設定為該待測定位設備40之該設備位置41，就可以得知待測定位設備40的座標。以圖7D為例，可以得到相交點i、h、k構成之三角形為具有最小外接圓半徑之三角形。故其外接圓之圓心的座標即為設備位置41。
此處需注意的是，本發明之雙向訊號定位方法並不以上述之步驟次序為限，只要能達成本發明之目的，上述之步驟次序亦可加以改變。
藉由本案的雙向訊號定位方法及雙向訊號定位系統1，即可有效地找出待測定位設備40的位置，不須裝設太多的額外感應模組。
綜上所陳，本發明無論就目的、手段及功效，在在均顯示其迥異於習知技術之特徵，懇請  貴審查委員明察，早日賜准專利，俾嘉惠社會，實感德便。惟應注意的是，上述諸多實施例僅係為了便於說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
雙向訊號定位系統1 處理模組11 資料庫12 計算模組13 測試發射設備20 接收設備30 待測定位設備40 設備位置41 已知位置設備50、51、52、53 機率分布平面A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9 相交點a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l
圖1係本發明之雙向訊號定位系統進行設定之系統架構圖。 圖2係本發明之資料設定流程之步驟流程圖。 圖3係本發明之雙向訊號定位系統進行定位之系統架構圖。 圖4係本發明之雙向訊號定位方法之第一實施方式之步驟流程圖。 圖5係依照圖4，為本發明之雙向訊號定位方法之第一實施方式之機率分布相關示意圖。 圖6係本發明之雙向訊號定位方法之第二實施方式之步驟流程圖。 圖7A-7B係依照圖6，為本發明之雙向訊號定位方法之第二實施方式於不同發射功率下的同心圓之相關示意圖。 圖7C係依照圖6，為本發明之雙向訊號定位方法之第二實施方式之相交點進行三角化流程之相關示意圖。 圖7D係依照圖6，為本發明之雙向訊號定位方法之第二實施方式之找出最小同心圓之相關示意圖。
雙向訊號定位系統1 處理模組11 資料庫12 計算模組13 待測定位設備40 已知位置設備50、51、52、53

Claims (8)

  1. 一種雙向訊號定位方法，係用於一雙向訊號定位系統以找出一空間內之一待測定位設備之一設備位置，該空間還包括複數之已知位置設備，該方法包括以下步驟：控制該待測定位設備以複數之發射功率發射複數之定位訊號；使該複數之已知位置設備接收該複數之定位訊號，藉以回傳複數之回應訊號給該待測定位設備；記錄該複數之定位訊號強度、該複數之回應訊號強度、複數之對應接收時間及該複數之已知位置設備之座標到一資料庫；找出所接收的該複數之定位訊號中及該複數之回應訊號中強度較大的該已知位置設備；由該資料庫中取出一訊號強度-距離函數及一訊號強度-距離標準差函數；根據該訊號強度-距離函數及該訊號強度-距離標準差函數，得到不同功率中強度較大的複數個該已知位置設備；依複數之功率分組，設定複數個該已知位置設備為圓心，使用訊號強度與距離函數得到距離，使用距離變異度函數得到標準差畫出複數之圓；得到複數之圓之間之複數之相交點；將該複數之相交點進行一三角化流程，以得到複數之三角形；以及於該複數之三角形中找出具有最小外接圓半徑之三角形，以將該 外接圓的圓心設定為該待測定位設備之該設備位置。
  2. 如請求項1所述之雙向訊號定位方法，更包括找出三個定位訊號強度較大及三個回復訊號強度較大的該已知位置設備之步驟。
  3. 如請求項1所述之雙向訊號定位方法，更包括接收該待測定位設備的一識別碼之步驟。
  4. 如請求項1所述之雙向訊號定位方法，更包括執行一資料設定流程之步驟，該資料設定流程包括：設定一測試發射設備之複數之發射功率，使該測試發射設備在複數之對應距離下，對一接收設備發射複數之測試訊號，其中不同之測試訊號係對應不同之發射功率；偵測該接收設備所接收之複數之測試訊號強度；記錄該複數之測試訊號強度及該複數之對應距離到一資料庫；以及計算得到該訊號強度-距離函數及該訊號強度-距離標準差函數，並儲存於該資料庫。
  5. 一種雙向訊號定位系統，用以於一空間內找出一待測定位設備之一設備位置，該空間還包括複數之已知位置設備，該雙向訊號定位系統包括：一處理模組，係控制該待測定位設備以複數之發射功率發射複數之定位訊號，使該複數之已知位置設備接收該複數之定位訊號，藉以回傳複數之回應訊號給該待測定位設備； 一資料庫，係電性連接該處理模組，用以儲存一訊號強度-距離函數及一訊號強度-距離標準差函數，且於該複數之已知位置設備接收該複數之定位訊號後，該資料庫係記錄該複數之定位訊號強度、該複數之回應訊號強度、複數之對應接收時間及該複數之已知位置設備之座標，藉此該處理模組係找出所接收的該複數之定位訊號中及該複數之回應訊號中強度較大的該已知位置設備；以及一計算模組，係電性連接該資料庫，其中該處理模組根據該訊號強度-距離函數及該訊號強度-距離標準差函數，得到不同功率中強度較大的複數個該已知位置設備，該處理模組依複數之功率分組，設定複數個該已知位置設備為圓心，使用訊號強度與距離函數得到距離，使用距離變異度函數得到標準差畫出複數之圓，並得到複數之圓之間之複數之相交點，藉此該計算模組將該複數之相交點進行一三角化流程，以找出外接圓半徑最小的三角形中最小外接圓的圓心，以設定為該待測定位設備之該設備位置。
  6. 如請求項5所述之雙向訊號定位系統，該處理模組係找出三個定位訊號強度較大及三個回復訊號強度較大的該已知位置設備。
  7. 如請求項5所述之雙向訊號定位系統，包括接收該待測定位設備的一識別碼。
  8. 如請求項5所述之雙向訊號定位系統，其中該處理模組係設定一測試發射設備之複數之發射功率以發射複數之測試訊 號，使一接收設備在與該測試發射設備相距複數之對應距離下，接收該複數之測試訊號，其中不同之測試訊號係對應不同之發射功率；藉此，該處理模組偵測得知該接收設備所接收之複數之測試訊號強度，以將該複數之測試訊號強度及該複數之對應距離記錄到該資料庫，使該計算模組得以計算得到該訊號強度-距離函數及該訊號強度-距離標準差函數，並儲存於該資料庫。
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