TWI485421B - 圖資校正裝置、系統和方法 - Google Patents

Description

圖資校正裝置、系統和方法

本揭露主要係關於圖資校正技術，特別係有關於利用複數類型之圖資特徵結構資訊達成圖資校正之技術。

近年來，全球定位系統(Global Positioning System,GPS)被廣泛運用在各種電子裝置例如行動電話或是汽車的導航系統上，其係接收衛星訊號，並根據與各顆衛星的相對位置對擁有全球定位系統接收器的電子裝置作定位，以判定電子裝置的位置。使用者亦可以利用電子裝置中的導航軟體進行路徑規劃與導航作業。

隨著使用者需求的改變，全球定位系統(GPS)除了提供一般汽車的追蹤及導航之外，另外也提供其他的追蹤及導航服務，例如，行人導航、腳踏車導航、或貴重物品追蹤等。在戶外，全球定位系統(GPS)可準確提供被追蹤體所在位置的資訊，然而，在室內環境中或是當衛星訊號受到干擾/遮蔽時，例如隧道、遮棚等，因衛星訊號無法穿透而收不到訊號，致使全球定位系統無法使用，進而使得對應的服務無法實現。因此，為了在無全球定位系統(GPS)的訊號狀態下持續追蹤被追蹤體的位置，現有的導航設備便使用慣性測量單元(Inertial Measurement Unit)來偵測被追蹤體移動的相關信號，並以航位推估(Dead Reckoning)方法來補償失去全球定位系統(GPS)訊號時的位移資訊。

然而，現有行人室內自主式定位技術，應用行人配戴慣性元件偵測運動訊號來推估定位的方法，推估定位計算因為受到慣性元件本身飄移(drift)等因素，容易造成定位結果之誤差隨時間逐漸累積，系統有效使用時間及穩定性亦容易受到限制。

本揭露提供了一種圖資校正技術，可利用複數類型之圖資特徵結構資訊達成圖資校正之技術。

根據本揭露之一實施例提供了一種圖資校正裝置，適用於一定位裝置，包括：一慣性感測模組，量測上述定位裝置所產生的一運動訊號；一位移估測模組，根據上述運動訊號估測上述定位裝置之一位移資訊；一圖資儲存模組，儲存上述定位裝置所在環境之複數類型之圖資特徵結構資訊；以及一比對校正模組，比對上述位移資訊與上述圖資特徵結構資訊以進行一圖資校正，並提供一定位座標。

根據本揭露之一實施例提供了一種定位方法，包括：藉由一慣性感測模組量測一定位裝置之一運動訊號；藉由一位移估測模組根據上述運動訊號，估測上述定位裝置之一位移資訊；藉由一圖資儲存模組儲存上述定位裝置所在環境之複數類型之圖資特徵結構資訊；以及藉由一比對校正模組比對上述位移與上述圖資特徵結構資訊以進行一圖資校正，並提供一定位座標。

根據本揭露之一實施例提供了一種圖資校正系統，包 括：一定位裝置，其中上述定位裝置包括：一慣性感測模組，量測上述定位裝置所產生的一運動訊號；一位移估測模組，根據上述運動訊號估測上述定位裝置之一位移資訊；一圖資儲存模組，儲存上述定位裝置所在環境之複數類型之圖資特徵結構資訊；以及一比對校正模組，比對上述位移資訊與上述圖資特徵結構資訊，以進行一圖資校正並提供一定位座標；以及一顯示裝置，接收上述定位座標，並顯示上述定位裝置所在之一位置資訊。

第1圖係顯示根據本揭露一實施例所述之圖資校正系統100之架構圖。如圖所示，根據本揭露一實施例所述之圖資校正系統100，包括，一定位裝置110、一顯示裝置，其中定位裝置110包括了慣性感測模組112、位移估測模組114、圖資儲存模組116、比對校正模組118。

根據本揭露一實施例，定位裝置110之慣性感測模組112係用以量測定位裝置110所產生的一運動訊號S1，其中運動訊號S1包括定位裝置110所產生的加速度和角速度。舉例來說，定位裝置110通常會佩帶在使用者的身上，當使用者移動時，慣性感測模組112就會利用一加速度感測器(Accelerometer Meter)和一陀螺儀(Gyro)來作感測，藉由感測定位裝置110在x,y,z軸旋轉或是移動所產生之方向或位置之改變結果來產生運動訊號S1。

根據本揭露一實施例，位移估測模組114則用以根據 運動訊號S1估測定位裝置之一位移資訊S2，特別說明的是此時的位移資訊S2還並未經過校正，因此，可能受到定位裝置110飄移(drift)的因素，因而造成容易隨時間累積之誤差。

根據本揭露一實施例，圖資儲存模組116用以儲存定位裝置110所在環境之複數類型之圖資特徵結構資訊D1，其中圖資特徵結構資訊包括複數幾何型態資訊(例如：多邊形幾何型和線段幾何型)與複數座標資訊。根據本揭露一實施例，複數類型之圖資特徵結構資訊包括了：(1)一空間(room)類型，以一多邊形幾何型態記錄，用以定義複數封閉空間區域範圍，舉例來說：房間、會議室、辦公室等；(2)一空間進出口(passage)類型，以一線段幾何型態記錄，用以定義上述封閉空間區域範圍之間的複數進出口，以及通過上述進出口之一校正點座標與一方位角，舉例來說：房間或辦公室的門、電梯的進出、逃生出口等；(3)行走動線(route)類型，以線段幾何型態記錄，用以定義在一可行走空間區域範圍內之一動線位置以及一動線方位角，舉例來說：辦公室之走道、教室之走廊、公園的步道等行人可行走之動線；以及(4)一障礙物空間(obstacle)類型，以多邊形的幾何型態記錄，用以定義一障礙物空間區域範圍，舉例來說：會議桌、櫥櫃及吧台等。根據上述實施例，定位裝置110可根據上述複數類型圖資特徵，預先針對使用者所要行走之環境作一分類和設定以產生複數類型之圖資特徵結構資訊D1，並將複數類型之圖資特徵結構資訊D1儲 存在儲存模組116中，舉例來說：可針對使用者所在辦公的工作大樓，對每一樓層之環境都先作複數類型圖資特徵之分類，以產生複數類型之圖資特徵結構資訊D1，或者可針對使用者所在之校園，對校園整個平面以及建物之環境都先作複數類型圖資特徵之分類，以產生複數類型之圖資特徵結構資訊D1。

根據本揭露一實施例，比對校正模組118用以比對位移資訊S2與圖資特徵結構資訊D1，以進行一圖資校正並提供一定位座標S3。根據本揭露一實施例，比對校正模組118比對位移資訊S2與圖資特徵結構資訊D1以進行上圖資校正，係利用根據比對位移資訊S2與圖資特徵結構資訊D1所產生之一比對結果，來調整對應位移資訊S2之權重值。根據本揭露一實施例，顯示裝置120接收定位座標S3，並顯示定位裝置110所在之一位置資訊。

根據上述實施例，更明確地來說，比對校正模組118透過一粒子濾波器(圖未顯示)將位移資訊S2作一粒子初始化之動作，並將白雜訊以高斯分佈的方式加入位移資訊S2中以計算各粒子下一時刻的分布，接著利用圖資特徵結構資訊D1分別計算權重及相關校正動作，校正方法的步驟如下：(1)分析推估粒子坐標是否坐落於圖資特徵類型中之可行走空間之幾何範圍內，若是的話則維持原權重以保留此粒子推估之坐標；(2)推估粒子坐標若坐落於圖資特徵類型中之可行走空間之幾何範圍外時，分析是否同時通過圖資特徵類型中之空間進出口之幾何範圍，若是的話則保留 此粒子坐標與方位角，並以圖資特徵類型中之空間進出口校正點坐標與方位角等資訊進行坐標及方位角調整；若否的話，則降權重以排除此粒子坐標的可能性；(3)推估粒子坐標若坐落於圖資特徵類型中之可行走空間之幾何範圍內時，進一步分析粒子坐標是否位於圖資特徵類型中之行走動線之幾何範圍附近，若是位於設定門檻距離內的話，將粒子坐標與方位角，強制附合於圖資特徵類型中之行走動線幾何圖形上，並調整方位角一致；(4)推估粒子坐標若坐落於圖資特徵類型中之可行走空間之幾何範圍內時，進一步分析粒子坐標是否位於圖資特徵類型中之障礙物空間之幾何範圍內，若是的話，則排除此粒子坐標的可能性；若否的話，則保留此推估坐標。

最後，依全部粒子的權重，加總計算最佳估算定位解，以求得定位座標S3，在此所使用之計算最佳估算定位解之方式，係使用貝氏定理(Bayesian Theorem)來作估算，貝氏定理是大多數動態估計演算法發展的基礎，貝氏定理可以做簡單地描述如下：在一個動態追蹤系統，一般而言，系統模型的分布密度函數P (x _k |x _{k -1} ,z _{1：k -1} )與輔助觀測模型的分布密度函數P (z _k |x _k )能夠用下面的方程式表示：x _k =f _k (x _{k -1} ,w _k )

z _k =h _k (x _k ,v _k )

上述方程式是在k時刻的狀態向量，是系統雜訊，是輔助觀測量，是觀測雜訊，與分別是狀態與觀測量向量的非線性函數。

補充說明的是，粒子濾波(particals filter,PF)起源於蒙特卡羅方法(Monte Carlo methods)，利用粒子集合來表示概率，可以用在任何形式的狀態空間模型上。通過從後驗概率中抽取的隨機狀態粒子來表達其分佈，這可視為一種循序重要性採樣法(Sequential Importance Sampling)。因此，粒子濾波器是指通過尋找一組在狀態空間傳播的隨機樣本對機率密度函數進行近似，以樣本均值代替積分運算，從而獲得狀態最小變方分佈的過程。這裡的樣本即指粒子，當樣本數量N→∞時可以逼近任何形式的機率密度分佈。所以粒子濾波器使用加權的粒子表示概率密度函數，通過觀測值更新粒子的權值，得到優化的狀態估計值和方差。

根據本揭露一實施例，定位裝置110之慣性感測模組112、位移估測模組114、圖資儲存模組116、比對校正模組118可整合於一圖資校正裝置(圖未顯示)中。

第2A-2B圖係顯示根據本揭露一實施例之未經過校正之行人軌跡圖及經過校正後之行人軌跡圖。根據第2A圖，使用者在此平面環境行走5圈，由於受到定位裝置110飄移(drift)的因素，因而，造成定位結果之誤差。然而，根據第2B圖所示，經過本揭露實施例所述之利用複數類型之圖資特徵結構資訊來校正後，確實可明顯得到較精確的定位結果。

第3圖係顯示根據本揭露一實施例所述之定位方法之流程圖300。首先，在步驟S310，藉由一慣性感測模組量測一定位裝置之一運動訊號；在步驟S320，藉由一位移估 測模組根據上述運動訊號，估測上述定位裝置之一位移資訊；在步驟S330，藉由一圖資儲存模組儲存上述定位裝置所在環境之複數類型之圖資特徵結構資訊；在步驟S340，藉由一比對校正模組比對上述位移與上述圖資特徵結構資訊以進行一圖資校正，並提供一定位座標；在步驟S350，上述比對校正模組比對上述位移資訊與上述圖資特徵結構資訊以進行上述圖資校正，係利用根據比對上述位移資訊與上述圖資特徵結構資訊所產生之一比對結果，來調整對應上述位移資訊之權重值。

第4圖係顯示根據本揭露一實施例所述之流程圖300之步驟S340。根據本揭露一實施例，步驟340包括，步驟342，分析推估粒子坐標是否坐落於圖資特徵類型中之可行走空間之幾何範圍內，若是的話，執行步驟344和執行步驟346，步驟344係進一步分析粒子坐標是否位於圖資特徵類型中之行走動線之幾何範圍附近，若是位於設定門檻距離內的話，將粒子坐標與方位角，強制附合於圖資特徵類型中之行走動線幾何圖形上，並調整方位角一致，步驟346係進一步分析粒子坐標是否位於圖資特徵類型中之障礙物空間之幾何範圍內，若是的話，則排除此粒子坐標的可能性，若否的話，則保留此推估坐標；若推估粒子坐標若坐落於圖資特徵類型中之可行走空間之幾何範圍外時，則執行步驟348，分析是否同時通過圖資特徵類型中之空間進出口之幾何範圍，若是的話則保留此粒子坐標與方位角，並以圖資特徵類型中之空間進出口校正點坐標與方位 角等資訊進行坐標及方位角調整。

傳統上行人室內自主式定位技術，應用行人配戴慣性元件偵測運動訊號來推估定位的方法，推估定位計算因為受到慣性元件本身飄移(drift)等因素，容易造成定位結果之誤差隨時間逐漸累積，系統有效使用時間及穩定性亦容易受到限制，因此，經由本揭露所提出之定位方法，經由設計多種圖資特徵結構及資訊，透過機率密度的演算流程，來可改善定位結果及提升精度，以利於實現應用於行人室內定位的目標。

本說明書中所提到的「一實施例」或「實施例」所提到的特定的特徵、結構或性質，可包括在本說明書的至少一實施例中。因此，在不同地方出現的語句「在一個實施例中」，可能不是都指同一個實施例。另外，此特定的特徵、結構或性質，也可以任何適合的方式與一個或一個以上的實施例結合。

本說明書所揭露之實施例，對於任何在本領域熟悉此技藝者，將很快可以理解上述之優點。在閱讀完說明書內容後，任何在本領域熟悉此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，可以廣義之方式作適當的更動和替換。因此，本說明書所揭露之實施例，是用以保護本發明之專利要求範圍，並非用以限定本發明之範圍，此外，在不同實施例中，本說明書可能會重複使用相同的索引標號和/或文字。使用這些索引標號和/或文字的目的是為了簡化和闡明本發明，但並非用以表示在不同實施例和/或所揭露之結構必須具有相同之特徵。

100‧‧‧圖資校正系統

110‧‧‧定位裝置

112‧‧‧慣性感測模組

114‧‧‧位移估測模組

116‧‧‧圖資儲存模組

118‧‧‧比對校正模組

120‧‧‧顯示裝置

300、400‧‧‧流程圖

S1‧‧‧運動訊號

S2‧‧‧位移資訊

S3‧‧‧定位座標

D1‧‧‧圖資特徵結構資訊

第1圖係顯示根據本揭露一實施例所述之圖資校正系統100之架構圖。

第2A-2B圖係顯示根據本揭露一實施例之未經過校正之行人軌跡圖及經過校正後之行人軌跡圖。

第3圖係顯示根據本揭露一實施例所述之定位方法之流程圖300。

第4圖係顯示根據本揭露一實施例所述之流程圖300之步驟S340。

100‧‧‧圖資校正系統

110‧‧‧定位裝置

112‧‧‧慣性感測模組

114‧‧‧位移估測模組

116‧‧‧圖資儲存模組

118‧‧‧比對校正模組

120‧‧‧顯示裝置

S1‧‧‧運動訊號

S2‧‧‧位移資訊

S3‧‧‧定位座標

D1‧‧‧圖資特徵結構資訊

Claims (12)

1. 一種圖資校正裝置，適用於一定位裝置，包括：一慣性感測模組，量測上述定位裝置所產生的一運動訊號；一位移估測模組，根據上述運動訊號估測上述定位裝置之一位移資訊；一圖資儲存模組，儲存上述定位裝置所在環境之複數類型之圖資特徵結構資訊，其中上述圖資特徵結構資訊包括複數幾何型態資訊與複數座標資訊；以及一比對校正模組，比對上述位移資訊與上述圖資特徵資訊以進行一圖資校正，並提供一定位座標。
2. 如申請專利範圍第1項所述之圖資校正裝置，其中上述運動訊號包括上述定位裝置的一加速度和一角速度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之圖資校正裝置，其中上述複數類型之圖資特徵結構資訊包括：一空間(room)類型，以一多邊形幾何型態記錄，用以定義複數封閉空間區域範圍；一空間進出口(passage)類型，以一線段幾何型態記錄，用以定義上述封閉空間區域範圍之間的複數進出口，以及通過上述進出口之一校正點座標與一方位角；行走動線(route)類型，以上述線段幾何型態記錄，用以定義在一可行走空間區域範圍內之一動線位置以及一動線方位角；以及一障礙物空間(obstacle)類型，以上述多邊形的幾何型 態記錄，用以定義一障礙物空間區域範圍。
4. 如申請專利範圍第1項所述之圖資校正裝置，其中，上述比對校正模組比對上述位移資訊與上述圖資特徵資訊以進行上述圖資校正，係利用根據比對上述位移資訊與上述圖資特徵資訊所產生之一比對結果，來調整對應上述位移資訊之權重值。
5. 一種圖資校正方法，包括：藉由一慣性感測模組量測一定位裝置之一運動訊號；藉由一位移估測模組根據上述運動訊號，估測上述定位裝置之一位移資訊；藉由一圖資儲存模組儲存上述定位裝置所在環境之複數類型之圖資特徵結構資訊，其中上述圖資特徵結構資訊包括複數幾何型態資訊與複數座標資訊；以及藉由一比對校正模組比對上述位移與上述圖資特徵資訊以進行一圖資校正，並提供一定位座標。
6. 如申請專利範圍第5項所述之圖資校正方法，其中上述運動訊號包括上述定位裝置的一加速度和一角速度。
7. 如申請專利範圍第5項所述之圖資校正方法，其中上述複數類型之圖資特徵結構資訊包括：一空間(room)類型，以一多邊形幾何型態記錄，用以定義複數封閉空間區域範圍；一空間進出口(passage)類型，以一線段幾何型態記錄，用以定義上述封閉空間區域範圍之間的複數進出口，以及通過上述進出口之一校正點座標與一方位角； 行走動線(route)類型，以上述線段幾何型態記錄，用以定義在一可行走空間區域範圍內之一動線位置以及一動線方位角；以及一障礙物空間(obstacle)類型，以上述多邊形的幾何型態記錄，用以定義一障礙物空間區域範圍。
8. 如申請專利範圍第5項所述之圖資校正方法，其中，上述比對校正模組比對上述位移資訊與上述圖資特徵結構資訊以進行上述圖資校正，係利用根據比對上述位移資訊與上述圖資特徵結構資訊所產生之一比對結果，來調整對應上述位移資訊之權重值。
9. 一種圖資校正系統，包括：一定位裝置，其中上述定位裝置包括：一慣性感測模組，量測上述定位裝置所產生的一運動訊號；一位移估測模組，根據上述運動訊號估測上述定位裝置之一位移資訊；一圖資儲存模組，儲存上述定位裝置所在環境之複數類型之圖資特徵結構資訊，其中上述圖資特徵結構資訊包括複數幾何型態資訊與複數座標資訊；以及一比對校正模組，比對上述位移資訊與上述圖資特徵結構資訊，以進行一圖資校正並提供一定位座標；以及一顯示裝置，接收上述定位座標，並顯示上述定位裝置所在之一位置資訊。
10. 如申請專利範圍第9項所述之圖資校正系統，其 中上述運動訊號包括上述定位裝置的一加速度和一角速度。
11. 如申請專利範圍第9項所述之圖資校正系統，其中上述複數類型之圖資特徵結構資訊包括：一空間(room)類型，以一多邊形幾何型態記錄，用以定義複數封閉空間區域範圍；一空間進出口(passage)類型，以一線段幾何型態記錄，用以定義上述封閉空間區域範圍之間的複數進出口，以及通過上述進出口之一校正點座標與一方位角；行走動線(route)類型，以上述線段幾何型態記錄，用以定義在一可行走空間區域範圍內之一動線位置以及一動線方位角；以及一障礙物空間(obstacle)類型，以上述多邊形的幾何型態記錄，用以定義一障礙物空間區域範圍。
12. 如申請專利範圍第9項所述之圖資校正系統，其中，上述比對校正模組比對上述位移資訊與上述圖資特徵結構資訊以進行上述圖資校正，係利用根據比對上述位移資訊與上述圖資特徵結構資訊所產生之一比對結果，來調整對應上述位移資訊之權重值。