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    本發明提供了一種應用於一長鍊狀車隊中之定位方法，該長鍊狀車隊係沿同一方向移動，並具有一移動軌跡與一個領導成員，該領導成員位於該移動軌跡之最前端，其中該定位方法包括下列步驟：一定位步驟，透過一衛星定位系統在一預設時間內取得一位置資料；以及一傳輸步驟，透過一無線網路系統傳輸一週期訊號至訊號範圍內之複數個車隊成員；其中，領導成員進行定位步驟、傳輸步驟；以及，移動軌跡係依據複數個該位置資料所連結而成。
    公开号:TW201309070A
    申请号:TW100128008
    申请日:2011-08-05
    公开日:2013-02-16
    发明作者:Lien-Wu Chen；Chien-Cheng Wu；Yu-Chee Tseng
    申请人:Nat Univ Tsing Hua；
    IPC主号:G01S19-00
    专利说明:
    應用於長鍊狀車隊之定位方法
    本發明係關於一種定位方法，特別是關於一種應用於一長鍊狀車隊中之定位方法。
    全球定位系統(Global Positioning System,GPS)已是社會大眾所知，不僅可內建於目前市面上之可攜式電子裝置，且廣泛應用於各類型可移動裝置(例如：行動電話)。然而，在可攜式電子裝置使用GPS時，會造成其裝置十分耗電，使得電池容易在短時間內被消耗殆盡，因此不適合長時間開啟。
    另外，多數可移動裝置受限於電源之電能供給，例如：於車隊行進間如果長時間開啟GPS時，則很容易就把電池消耗完畢，故需額外加裝充電設備。若車隊為自行車隊的話，則使用者因無法外加充電設備，故增加使用者的不便。
    本發明之目的之一，藉由車隊移動時的移動軌跡，並利用車隊成員相互合作定位，不需使用額外的充電設備，亦不需預先下載地圖資料，進一步可以減少車隊成員開啟GPS數目，進而延長整個車隊之網路的運作時間。
    本發明一實施例提供了一種應用於一長鍊狀車隊中之定位方法，該長鍊狀車隊係沿同一方向移動，並具有一移動軌跡與一個領導成員，該領導成員位於該移動軌跡之最前端，其中該定位方法包括下列步驟：
    一定位步驟，透過一衛星定位系統在一預設時間內取得一位置資料；以及一傳輸步驟，透過一無線網路系統傳輸一週期訊號至訊號範圍內之複數個車隊成員；其中，領導成員進行定位步驟、傳輸步驟；以及，移動軌跡係依據複數個該位置資料所連結而成。
    由於GPS定位需要消耗大量電力，且可移動裝置上搭載的電池電力有限，故本發明利用移動裝置的群聚特性與無線通訊技術使這些裝置能夠合作定位，進而減少車隊中需要開啟GPS裝置的數量，而一樣能夠達到快速定位、與維持一定範圍定位精確度之特性。
    請參考第1A圖，第1A圖顯示本發明之長鍊狀車隊中之定位方法之一實施例示意圖，其中長鍊狀車隊100包含複數個車隊成員C1~C9，且長鍊狀車隊100具有一移動軌跡W與一個領導成員K，領導成員K位於移動軌跡W之最前端，換言之，車隊成員C1~C9隨著領導成員K沿著移動軌跡W往一方向D行進。
    在本實施例中，領導成員K與車隊成員C1~C9間均攜帶可移動裝置(例如：行動電話)，利用可移動裝置內的Wi-Fi無線隨意網路(Wireless Ad Hoc Network)系統，使長鍊狀車隊100在移動軌跡W上形成一長鏈狀網路，故領導成員K與車隊成員C1~C9可在長鏈狀網路中進行訊號傳輸。
    在此請注意，領導成員K透過全球定位系統(Global Positioning System，以下簡稱GPS)，在每隔一預設時間內取得一位置資料，並透過可移動裝置內的Wi-Fi無線隨意網路系統，傳輸週期訊號至訊號範圍內之車隊成員C1~C3。
    週期訊號包含一時間資料T、對應該時間資料T之位置資料P、以及對應該時間資料T之移動軌跡W。其中，移動軌跡W係依據領導成員K在每隔一段時間定位所取得之複數個位置資料所連結而成，且圖中弧線表示領導成員K之訊號範圍，換言之，領導成員K透過Wi-Fi天線之傳輸半徑為R1。
    接著，在傳輸半徑R1內的車隊成員C1~C3，透過一演算法並依據位置資料與移動軌跡W計算出車隊成員C1~C3與領導成員K之距離，以計算出在移動軌跡W上之相對位置。故，車隊成員C1~C3不需另外開啟GPS進行定位，即可得知其所在位置。
    在此請注意，在本發明之長鍊狀車隊之定位方法中，車隊成員C1~C3之Wi-Fi無線隨意網路系統會依據自身之位置，自行設定車隊成員C1~C3之一退讓時間(back-off time)，使車隊成員依據自身的退讓時間進行倒數，並決定具有最短之退讓時間之車隊成員C1~C3其中之一為中繼成員M1。在本實施例中，車隊成員C3距離領導成員K之Wi-Fi無線隨意網路系統最遠，故為中繼成員M1。
    當中繼成員M1之退讓時間倒數結束後，中繼成員M1之GPS將自行啟動以進行定位，以取得中繼成員M1此時之位置資料，並由中繼成員M1透過Wi-Fi無線隨意網路系統，傳輸週期訊號至訊號範圍內之車隊成員C1~C7，換言之，車隊成員C1~C2在還未倒數完退讓時間時，將會接收來自中繼成員M1所傳輸之週期訊號。如圖所示，中繼成員M1透過Wi-Fi天線之傳輸半徑為R2，且中繼成員M1亦具有一對應的移動軌跡W2。
    在一實施例中，使用者可依據各車隊成員C1~C3與領導成員K之距離而決定其退讓時間長短，本發明不應以此為限。舉例說明：領導成員K之Wi-Fi天線的訊號傳輸半徑為100公尺，則與領導成員K之距離為100公尺之車隊成員，其退讓時間可設定為2微秒(μs)；與領導成員K之距離為70公尺之車隊成員，其退讓時間可設定為3微秒(μs)；與領導成員K之距離為50公尺之車隊成員，其退讓時間可設定為5微秒(μs)。
    在另一實施例中，使用者可依據各車隊成員C1~C3之可移動裝置之剩餘電量多寡而決定其退讓時間長短，例如：可移動裝置剩餘電量越多的車隊成員其退讓時間越短，如此一來，由於可移動裝置透過GPS定位時非常耗電，可以避免其剩餘電量太低之車隊成員成為中繼成員M1之情形。
    當車隊成員C4~C7接收週期訊號，並依據週期訊號內對應的位置資料，透過演算法計算出傳輸半徑R2內的車隊成員C4~C7與中繼成員M1之距離，再依據移動軌跡W2計算出其所在位置。換言之，在傳輸半徑R2內的車隊成員C4~C7，透過一演算法並依據中繼成員M1之位置資料與移動軌跡W2計算出車隊成員C4~C7與中繼成員M1之距離，以計算出在移動軌跡W2上之相對位置。
    車隊成員C4~C7之Wi-Fi無線隨意網路系統會依據自身之位置，自行設定車隊成員C4~C7之一退讓時間，使車隊成員依據自身的退讓時間進行倒數，並決定具有最短之退讓時間之車隊成員C4~C7其中之一為一中繼成員M2。在本實施例中，車隊成員C7距離中繼成員M1之無線網路系統最遠，故為中繼成員M2。如圖所示，中繼成員M2透過Wi-Fi天線之傳輸半徑為R3，且中繼成員M2亦具有一對應的移動軌跡W3。
    同上述的步驟，本實施車隊成員C8~C9可以決定其最後一個中繼成員M3為車隊成員C9，且車隊成員C8~C9是根據與中繼成員M2的距離與移動軌跡W3來計算位置。其餘原理與前述相同，不在另行贅述。此時，領導成員K與車隊成員C1~C9不斷重複進行上述之步驟進行定位。
    在此請注意，領導成員K、中繼成員M1、以及M2雖具對應的移動軌跡W、W2、以及W3，但移動軌跡W、W2、以及W3具有相同的移動路徑與方向，故可視為移動軌跡W包含移動軌跡W2與W3，
    在本實施例中，位於移動軌跡W中間的中繼成員M1分別接受領導成員K與中繼成員M2所傳輸的週期訊號。同理，位於領導成員K與中繼成員M1之間的車隊成員C1~C2分別接受來領導成員K與中繼成員M1所傳輸的週期訊號。故，除了領導成員K與末端的中繼成員M3之外，移動軌跡W中間的中繼成員M1、M2、車隊成員C1、C2、C4~C6以及C8均分別接收來自前方與後方的週期訊號。
    請同時參考第1B圖，第1B圖顯示本發明之長鍊狀車隊中之定位方法之一實施例示意圖，在本發明一實施例中，若目前領導成員K之位置被車隊成員C1~C9其中之一領先時，例如：車隊成員C2超前領導成員K，由於車隊成員C2超出中繼成員M1的訊號範圍，則車隊成員C2係只能接收來自後方的領導成員K的週期訊號。此時，超前的車隊成員C2重新設定一新退讓時間進行倒數，新退讓時間倒數完後進行前述的定位步驟與傳輸步驟，亦即車隊成員C2之可移動裝置自行啟動GPS進行定位，並透過車隊成員C2的Wi-Fi無線隨意網路系統傳輸週期訊號至車隊成員C2訊號範圍內之車隊成員。
    在此請注意，當領導成員K分別接收來自超前的車隊成員C2與中繼成員M1之週期訊號時，則車隊成員C2係取代領導成員K成為新領導成員K’。故，長鍊狀車隊100內之各車隊成員透過可移動裝置，可隨時更換領導成員，且不斷重覆前述的步驟進行定位、傳輸、計算位置、以及決定中繼成員等步驟
    在本實施例中，車隊成員C1~C3與領導成員K之距離、車隊成員C4~C7與中繼成員M1之距離、以及C8~C9與中繼成員M2之距離，可利用抵達時間(Time of arrival,TOA)演算法進行運算。
    舉例說明，請同時參考第2圖，第2圖顯示長鍊狀車隊中領導成員K、車隊成員C2、以及中繼成員M1之位置示意圖。其中，箭號係代表移動軌跡W。假設領導成員K定位完成後，於時間T1時傳輸週期資料至車隊成員C2。則車隊成員C2收到領導成員K與中繼成員M1之週期資料之時間分別為T3，則可利用下式(1)計算出距離

    其中，為領導成員K與車隊成員C2之距離，為車隊成員C2與中繼成員M1之距離，c為光速(3×108公尺/秒)。
    此時再利用下式(2)計算出位置PC2_T3：

    其中，PK_T1為領導成員K於時間T1之位置，PC2_T3為車隊成員C2於時間T3之位置，PM1_T2為中繼成員M1於時間T2之位置，PC2_T4為車隊成員C2於時間T4之位置。故，當領導成員K與中繼成員M1利用GPS完成定位取得其對應之位置資料後，在透過式(1)~(4)、以及領導成員K之移動軌跡W以計算出車隊成員C2於各時間之位置。在此請注意，上述之距離計算方法亦可透過車隊成員的座標進行計算，例如：領導成員K於時間T1之位置PK_T1之座標為(XK_T1,YK_T1)，車隊成員C2於時間T3之位置PC2_T3之座標為(XC2_T3,YC2_T3)則式(3)可以改寫成下式(5)：
    在另一實施例中，車隊成員C1~C3與領導成員K之距離、車隊成員C4~C7與中繼成員M1之距離、以及C8~C9與中繼成員M2之距離，利用接受訊號強度(Received Signal Strength,RSS)演算法進行運算。假設Wi-Fi之週期訊號在空氣中傳播的能量方程式為下式(6)：
    其中Pr是接收功率、Pt是發射功率，d是距離，Gr是接收天線增益、Gt是發射天線增益、λ是Wi-Fi之週期訊號波長、L是系統耗損因子、π是圓周率。其中，除了距離d之外其他參數皆可以事先量測。
    若領導成員K於時間T1發出週期訊號，而於車隊成員C2在時間T3收到此週期訊號後，可測得訊號強度為Pr，再根據式(6)計算出領導成員K與車隊成員C2之距離。接著，依據週期訊號內之領導成員K的位置資料與式(3)，即可計算出車隊成員C2在時間T3時的位置PC2_T3。
    請回復參閱第1B圖，本發明之定位方法亦可透過各車隊成員與領導成員K之位置或距離，判斷出車隊成員是否超前領導成員K。假設：Wi-Fi天線的訊號傳輸半徑為100公尺，車隊成員C2與領導成員K之距離為30公尺，領導成員K與中繼成員M1之距離為50公尺，但由於車隊成員C2仍然處於領導成員K或中繼成員M1之訊號傳輸範圍內，故可透過車隊成員C2與中繼成員M1之距離是否大於領導成員K與中繼成員M1之距離，若大於則車隊成員C2超前領導成員K，故此時車隊成員C2為新領導成員K’。
    請參閱第3圖，第3圖顯示本發明之長鍊狀車隊中之定位方法之一流程圖，其包含以下步驟：步驟S300：開始；步驟S301：領導成員或中繼成員開啟GPS進行定位，以取得位置資料；步驟S302：透過Wi-Fi傳輸週期訊號至訊號範圍內之車隊成員；步驟S303：車隊成員依據週期訊號內的時間資料、對應該時間資料之位置資料、以及對應時間資料之移動軌跡計算出其對應的位置；步驟S304：車隊成員依據距離或電池電量決定退讓時間，並進行倒數；步驟S305：車隊成員判斷是否在退讓時間倒數結束前接收到週期信號，若否，則跳至步驟S306；若是則跳至步驟S307；步驟S306：成為中繼成員，跳至步驟S301；以及步驟S307：成為車隊成員，跳至步驟S303。
    綜上所述，可移動裝置上搭載的電池容量有限，故本發明利用移動裝置的群聚特性與無線通訊技術使這些裝置能夠合作定位，進而減少車隊中需要開啟GPS裝置的數量，而一樣能夠達到快速定位、與維持一定範圍定位精確度之特性。
    以上雖以實施例說明本發明，但並不因此限定本發明之範圍，只要不脫離本發明之要旨，該行業者可進行各種變形或變更。
    100．．．長鍊狀車隊
    C1~C9．．．車隊成員
    K、K’．．．領導成員
    M1~M3．．．中繼成員
    W．．．移動軌跡
    D．．．方向
    ．．．距離
    第1A圖顯示本發明之長鍊狀車隊中之定位方法之一實施例示意圖。
    第1B圖顯示本發明之長鍊狀車隊中之定位方法之一實施例示意圖。
    第2圖顯示長鍊狀車隊中之位置示意圖。
    第3圖顯示顯示本發明之長鍊狀車隊中之定位方法之一流程圖。
    100．．．長鍊狀車隊
    C1~C9．．．車隊成員
    K．．．領導成員
    M1~M3．．．中繼成員
    W．．．移動軌跡
    D．．．方向
    权利要求:
    Claims (10)
    [1] 一種應用於一長鍊狀車隊中之定位方法，該長鍊狀車隊係沿同一方向移動，並具有一移動軌跡與一個領導成員，該領導成員位於該移動軌跡之最前端，其中該定位方法包括下列步驟：一定位步驟，透過一定位系統在一預設時間內取得一位置資料；以及一傳輸步驟，透過一無線網路系統傳輸一週期訊號至訊號範圍內之複數個車隊成員；其中，其中該領導成員進行該定位步驟、該傳輸步驟；以及，該移動軌跡係依據複數個該位置資料所連結而成。
    [2] 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中，該定位方法更包含：一計算位置步驟，透過一演算法並依據該位置資料與該移動軌跡計算出訊號範圍內之該些車隊成員之距離與位置；以及一中繼成員設定步驟，依據訊號範圍內該些車隊成員之位置，決定該些車隊成員之一退讓時間(back-off time)，並決定具有最短之該退讓時間之該些車隊成員其中之一為一中繼成員；其中，該些車隊成員進行該計算位置步驟與該中繼成員設定步驟；該中繼成員在倒數完該退讓時間後，進行該定位步驟、該傳輸步驟、與該計算位置步驟；以及，該中繼成員位於該無線網路系統之訊號範圍內，並距離該無線網路系統最遠。
    [3] 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中，於該移動軌跡中間的該些中繼成員係分別接受來自領導成員或前一個中繼成員、以及後一個中繼成員所傳輸的該週期訊號。
    [4] 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中，於該移動軌跡之最末端之中繼成員進行係接受來自前一個中繼成員所傳輸的該週期訊號。
    [5] 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中，當領導成員之位置被該些車隊成員其中之一領先時，則該車隊成員係取代該領導成員成為一新領導成員。
    [6] 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中，當領先的該車隊成員在訊號範圍內時，該車隊成員係只接收來自該領導成員之該週期訊號，則該車隊成員係重新設定一新退讓時間進行倒數，在該新退讓時間倒數完後進行該定位步驟與該傳輸步驟；當該領導成員接收來自該車隊成員與該中繼成員之該週期訊號時，則該車隊成員係取代該領導成員成為該新領導成員。
    [7] 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中，當領先的該車隊成員之位置且不在訊號範圍時，則該車隊成員係設定該新退讓時間進行倒數，在該新退讓時間倒數完後進行該定位步驟與該傳輸步驟。
    [8] 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中，該演算法為一抵達時間(Time of arrival,TOA)演算法，利用該週期訊號被傳送與被接收時之一時間差計算出一距離，並依據該移動軌跡與該距離以計算出該些車隊成員之位置。
    [9] 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中，該演算法為接受訊號強度(Received Signal Strength,RSS)演算法，利用該週期訊號被傳送與被接收時之一訊號強度差計算出一距離，並依據該移動軌跡與該距離以計算出該些車隊成員之位置。
    [10] 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該週期訊號包含一時間資料、對應該時間資料之該位置資料、以及對應該時間資料之該移動軌跡。
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    US9000976B2|2015-04-07|
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    引用文献:
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