研發室內地圖輔助之行人慣導定位技術

現今，室外透空良好的環境下，透過衛星進行載波相位差分定位的精度 可達公分等級，可說明衛星定位技術在室外已趨於完備。然而此技術於室內 等訊號遮蔽的區域並無法發揮良好的效用，使用上受到許多的限制，故室內 定位技術相較於室外更加具有挑戰，基於不同理論以及相對應設備，室內定 位在過去二十年間也發展出許多不同的定位方法。傳統技術上無論是主動或 被動的室內定位系統，大多都採用架設陣列式接收或發射器以得知使用者位 置，如紅外線與超聲波定位系統，然而其限制為需要額外硬體設施以及高昂 的硬體成本。為降低相關成本需求，近代所發展出的定位系統則以無線電訊 號為主，射頻標籤(RFID)與低功耗藍牙(BLE)系統都受到高度關注，兩者具 有硬體體積小、成本略為降低之優點，但定位精度會受到硬體布設密度的影 響。近年來蘋果大力推廣採用 BLE 系統做為解決室內定位之方案，此系統 除了巧妙避開 WiFi 所使用之頻寬以減少訊號之干擾，降低播報功率減低電 量消耗外，更可透過電池供電使得布設上具有較高度的彈性，此系統通常利 用近似演算法以及三邊定位演算法進行定位，前者為當使用者收到藍牙訊號 即視為使用者為於該位置上，後者則是採用衛星定位之概念，當使用者同時 接收到三顆以上的藍牙訊號，透過交會解算出使用者所在的位置，圖7.13 即 為三邊定位示意圖。

圖7.13 三邊定位示意圖

表 7.1 為現代主流室內定位技術之特點整理，可知近代室內定位技術雖 然相當多樣化，但各項技術均有其優缺點。基於慣性導航原理的定位技術仍 有存在之必要性，PDR 為利用慣性感測技術應用於室內導航系統中常見的演 算法，透過加速度計、陀螺儀、磁力計等感測器，利用類似導線測量之概念 由前一時刻之位置推算下一時刻位置圖。

表7.1 室內導航技術之特色 目前常見之

室內定位技術 WiFi BLE RFID Vision

based INS PDR Requirement of

additional

infrastructures Yes Yes Yes Optional No No Requirement of

database Yes Optional Optional Yes No No Training process Yes Optional Optional Yes

Against

environmental

changes No No No No Yes Yes Accumulated

error with time No No No No Yes Yes

合方位之結果，位置上可避免不正常現象的產生，本團隊今年度將依據場域 開放性評估後擇一最適宜之圖資輔助法並進行相關演算法開發以提高定位 精度，圖 7.14 表示圖資輔助之概念，其中(A)說明使用者會先基於先前的位 置搜尋出目前所在的大略區域以及興趣點位置，(B)表示透過手機感測器可 獲取方向以及步伐偵測資料後，方向資料可給定抵達至興趣點之路徑規劃，

結合手機計步資訊後 PDR 會根據行走路徑進行屬性匹配如(C)，因部分區域 可能僅具有特定方位屬性，例如東西向走廊即表示南北向的行走於該部分路 段中不會出現，故當使用者所在位置屬於該路段，透過資料庫中資料屬性提 供演算法判斷可以行走之區域以及各區域可能之方位，約制使用者可行走之 範圍，最後修正行人軌跡於合理的路徑上並於使用平台上呈現如(D)。

圖7.14 圖資輔助方位示意圖

為提高利用 PDR 演算法進行室內定位之精度，本案今年度結合地圖輔 助技術概念之程序如圖7.15，流程為先利用各感測器所獲得的資料可推得使 用者之步長以及移動方向，然而如同上述所提及，因環境、感測器優劣或行 人動態等因素均可能造成方向上的誤差以及距離誤差之累積，因此透過事先 建置之圖資即可提供適應於不同裝置規格、環境甚至是在不需後處理調整參 數之情況下，再輔以藍牙協助位置之更新，此技術能提供相較於僅使用PDR 演算法更為可靠的定位精度。

圖7.15 地圖輔助技術概念流程圖

本團隊期中測試場域選擇於國立成功大學測量及空間資訊學系系館二 樓測試地圖輔助室內定位技術。測試場景如圖 7.16 所示，測試手機共包含三 種規格如圖 7.17 及表 7.2，而參與測試人員有四位，測試時會將手機平放置 於胸前，將相關結果繼續進行後續的精度分析。

圖 7.16 期中測試場域

圖7.17 期中測試手機（分別為 HTC M7、SONY Z2 及 SONY Z3）

表7.2 期中測試手機之規格

HTC M7 SONY Z2 SONY Z3

作業系統與版本 Android 4.1 Android 4.4 Android 4.4

處理器核心數 四核心 四核心 四核心

RAM 2 GB 3GB 3GB

ROM 32 GB 16GB 16GB

處理器 Qualcomm Snapdragon 600,

1.7GHz

Qualcomm Snapdragon 801

Qualcomm Snapdragon 801,

2.5GHz

主螢幕尺寸 4.7 吋 5.2 吋 5.2 吋

藍牙版本 V4.0 V4.0 V4.0

主相機感光元件 UltraPixels CMOS CMOS 衛星定位 A-GPS, GPS A-GPS, GPS A-GPS, GPS

測試成果如圖7.18，第一列以綠色虛線表示測試路線，黑色圓圈即為本 次測試的起、終點，如圖 7.11 之紅色點位。二至四列則各別為利用三款手機

測試的成果，A、B、C 和 D 表不同的四位受試者，青色為純慣性室內定位 之成果，紅色線則為結合地圖輔助技術之慣性室內定位成果。

從圖7.18 中可明顯看出，純慣性室內定位在缺少地圖輔助的狀況下，極 容易因初始航向的不準確而導致整體軌跡的偏移，進而產生後續相當的定位 誤差，主要原因在於慣性定位的初始航向是由磁力計所提供，然而在室內空 間中，磁力計會受到磁場的擾動而產生誤差，例如電器產品等，因此在結合 地圖輔助技術下，即能將慣性室內定位的成果修正於較合理的路徑上。

圖 7.18 期中測試成果

表 7.3 為各測試軌跡之閉合百分比，閉合百分比為一閉合路徑之起、終 點之誤差，該指標說明測試軌跡過程中誤差的累積相較於行走距離之變化。

表中 PDR 表示純慣性室內定位成果；FDT 則為結合地圖輔助技術之慣性室 內定位成果。將誤差量化後之成果，閉合百分比計算後之結果與圖7.18 所顯 示的成果相符，結合地圖輔助之慣性室內定位精度明顯優於純慣性室內定位 成果，而有如此之結果原因實為初始方位不準確所導致，採用地圖輔助之慣 性室內定位成果中，12 組實驗中軌跡平均閉合百分比僅 0.70%，該數值即表 示當使用者大約行走143 公尺後，累積的定位誤差僅有 70 公分。

表7.3 期中測試成果閉合百分比

Field User HTC M7 SONY Z2 SONY Z3 PDR FDT PDR FDT PDR FDT NCKU

143 m

A 2.43 1.09 12.07 0.61 29.96 0.66 B 1.30 0.74 14.00 0.66 33.44 0.68 C 0.91 0.64 12.45 0.60 32.90 0.64 D 5.79 0.66 9.40 0.61 30.42 0.77 Mean of FDT: 0.70%, STD: 0.13%

Mean of basic PDR: 15.42%, STD: 12.78%

Unit: loop closure error/traveling distance (%)

為更進一步說明該地圖輔助技術結合慣性室內定位成果之精度，本團隊 額外採用全測站儀量測圖7.11 中四個綠色點位坐標，將其視為參考值，用以 作為進行精度分析的檢核點，除此之外，值得一提的是因本測試中所設計的 行走路徑為一往返路線，故其中有三個檢核點會行經兩次。將結合地圖輔助 慣性室內定位成果統計每一次經過個檢核點之誤差，如圖 7.19 所示，以直方 圖的呈現方式來確認整體軌跡精度之表現，藍色柱狀表示誤差小於一公尺；

紅色柱狀則為誤差介於一至兩公尺範圍；綠色柱狀為誤差介於二至三公尺；

黃色則為誤差大於三公尺，從圖 7.19 中顯示約 80%的定位誤差皆小於兩公 尺，並且顯示出地圖輔助結果之成效並不侷限於起、終點之閉合誤差，在整 體軌跡的部分亦有相當的幫助。

圖 7.19 期中檢核點之誤差統計

本團隊期末測試場域採用故宮南院進行地圖輔助技術成果之驗證，測試 場景如圖 7.20 所示，藍色實線為本次測試的行走路徑，紅色三角形為測試 起、終點，四個紅色圓形則為轉點。本次測試手機為 MI 8，如圖 7.21 及表 7.4，參與測試人員共兩位，測試時會將手機平放置於胸前，並將相關結果繼

圖 7.20 期末測試場域

圖7.21 期末測試手機（MI 8）

表7.4 期末測試手機之規格 MI 8 作業系統與版本 Android 8.1

處理器核心數 八核心

RAM 8GB

ROM 128GB

處理器 Qualcomm Snapdragon 845

主螢幕尺寸 6.21 吋

藍牙版本 V5.0

主相機感光元件 CMOS

衛星定位 A-GPS, BeiDou, GLONASS, GPS

測試成果如圖7.22，上下兩列各自代表不同使用者，紅色星號則為行走 之軌跡，粉色點號則為加入地圖輔助修正後之軌跡，本次測試路徑總長度為 67.203 公尺。由圖 7.22 中可發現純慣性導航的軌跡可能會因為航向偏移導 致軌跡會超出合理範圍，例如軌跡會超出展廳，結合地圖修正之成果即能將 慣性室內定位的成果修正於較合理的路徑上。

圖 7.22 期末測試成果

表 7.5 為各測試軌跡之閉合百分比，閉合百分比經計算後之結果同樣與 圖 7.22 所顯示的成果相符，結合地圖輔助之慣性室內定位精度明顯優於純 慣性室內定位成果，採用地圖輔助之慣性室內定位成果中，六組實驗中軌跡 平均閉合百分比僅 2.58%。

表7.5 期末測試成果閉合百分比 Unit:% PDR FDT Trajectory1 5.72 2.28 Trajectory2 5.2 2.46 Trajectory3 15.72 2.88 Trajectory4 6.68 3.29 Trajectory5 3.5 2.84 Trajectory6 3.6 1.72 MEAN 6.74 2.58 STD 4.57 0.55

利用行走路徑中四個轉點作為檢核點進行定位精度之驗證，將結合地圖 輔助慣性室內定位成果統計每一次經過各檢核點之誤差，如圖 7.23 所示，以 直方圖的呈現方式來確認整體軌跡精度之表現，藍色柱狀表示誤差小於 0.5

尺，從圖 7.23 中顯示超過 90%的定位誤差皆小於 1 公尺，並且顯示出地圖 輔助結果之成效並不侷限於起、終點之閉合誤差，在整體軌跡的部分亦有相 當的幫助。

圖 7.23 期末檢核點之誤差統計

經由期中與期末之測試驗證，說明結合地圖輔助之技術可明顯提升整體 定位導航之精度，並協助修正軌跡至合理範圍，除了閉合百分比顯著下降外，

各檢核點定位精度也有一定程度之提升，期末驗證的檢核點精度亦均可達到 一公尺甚至更小誤差，故結合地圖輔助技術可有效改善定位精度成果。