移動物體的精確導航系統及方法
2023-05-14 09:17:56 2
專利名稱：移動物體的精確導航系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種導航方法及系統，特別涉及一種移動物體在不可見 區域內能夠被精確定位的導航方法與系統。
背景技術：
全球衛星定位系統(GPS)是一種已知的導航系統，其在衛星信號可及的區 域內可對移動物體進行準確的定位；然而，在衛星信號不可及的區域內，例如 地下室、隧道，或是有幹擾及遮蔽情形，則衛星信號會失效無法進行定位。
慣性導航系統(INS)是另一種己知的導航系統，其允許自動操作且不受地
形影響。在進行起點位置初始化後，慣性導航系統可以輸出移動物體的位置、 速度、方向等信息。然而其導航解會隨著時間漂移，使得導航誤差增加。 將全球衛星定位系統與慣性導航系統組合成一複合式導航系統，可以利用
INS的短時導航精度彌補GPS的導航誤差；此外利用GPS的長時間導航精度 彌補INS導航誤差隨時間遞增的誤差。
臺灣專利第489212號(美國專利US 6167347)公開了一種定位及導航方 法，其耦合了一個全球定位系統(GPS)與一慣性測量單元(IMU)，並利用一卡爾 曼濾波器(Kalman Filter)融合GPS與IMU的信號以提高組合定位與導航系統 的精度，利用IMU來輔助衛星訊號漏失。換言之，該IMU信號用以增強或補 充GPS信號，因此該專利的定位及導航仍是僅能適用於衛星信號可及的區域。
美國專利US 7,117,087提供了一種預測一移動物體於導航系統中的位置 的方法。當移動物體位於不可見區域時，利用單位時間的位移量及方向計算出 直線距離，並與一地圖進行媒合，計算出該移動物體的位置。然而，移動物體 的速度、方向有顯著變化時，預估位置會有明顯誤差。
臺灣專利1284193公開了一種車輛的導航系統及修正方法，其主要以GPS 為導航的參考，配合一陀螺儀裝置取得一車行方向與角度，且結合一電子地圖 以計算出車行位置，據此達到修正GPS的導航誤差。然而，當GPS信號消失 時應該如何進行定位與導航，在該專利中沒有揭露。
臺灣專利I250302公開了一種導航裝置的角度校正方法及裝置，其利用移 動物體的速度作為依據，且以一電子羅盤測得角度校正值以校正GPS定位資 料的角度，藉此提高導航的精確度。然而，該專利中沒有教導如何在GPS偵測不到的區域執行定位及導航。
美國專利US 6,826,477揭露一種行人的導航方法及設備。其利用輸入行 人的生理特徵(Physiological Characteristics)狀態形成 一 步行模式(Step Model),然後以慣性偵測裝置偵測行人的各方向加速度、方向，以及通過GPS 偵測行人的位置，並將各項資料輸入該步行模式，進而預測出該行人的位置、 速度及方向。其中步行模式的預測值與GPS的觀測值可以通過一卡爾曼濾波 器進行資料融合。然而，在該專利中沒有教導如何在GPS偵測不到的區域執 行定位及導航。
發明內容
由於先前技術在GPS無信號的條件下無法產生定位及導航作用，或是導 航及定位的精確度不足，因此本發明的目的是提供一種移動物體的精確導航系 統和方法，該創新的方法與系統可以解決先前技術的缺點。
為實現上述目的，本實用新型採用以下技術方案 一種移動物體的精確導 航方法，用以顯示該移動物體在一不可見區域內的運動位置及軌跡，其包括以 下步驟讀取一 GPS定位資料，其包含該移動物體的位置觀測值；讀取一慣 性偵測資料，其包含該移動物體的位置、速度及方向觀測值；利用該GPS定 位資料與慣性導航系統資料，配合離散式數學累積及/或積分運算建立出一誤 差模型；以該移動物體在進入該不可見區域的最後一筆GPS資料及慣性偵測 資料為一初始值輸入到誤差模型以產生及輸出一第一感測器平均誤差偏移量 (△ 該第一感測器平均誤差偏移量(A XO與該移動物體位於不可見區域
內所產生的第一筆慣性偵測資料(Q1)進行資料融合，形成一第一預估位置(EP1)
以對應該移動物體的位置與運動軌跡。
一種移動物體的精確導航系統，用以顯示該移動物體的位置與運動軌跡，
它包含 一前置平臺，配置在該移動物體，其具有一中央處理單元，一 GPS 接收器與一慣性偵測裝置連結中央處理單元，及一無線傳輸模組連結中央處理
單元； 一後端平臺，具有一訊號接收器及一顯示器分別與一預估器連結，該訊 號接收器用以接收前置平臺的輸出信號，該預估器用以處理來自前置平臺的輸 出信息，該顯示器用以顯示該預估器的輸出資訊； 一無線網路，位於前置平臺 與後端平臺之間，用以將前置平臺的輸出信號傳送到後端平臺的訊號接收器； 以及一誤差模型，建立在前置平臺與後端平臺之其一，且與中央處理單元或預
5估器連結。
本發明提供的移動物體精確導航系統包括一前端平臺用以提供GPS資料 及慣性偵測資料； 一後端平臺具有一預估器以進行資料的融合與預測； 一無線
網路用以使該前端平臺的資料傳遞到後端平臺；以及一誤差模型(error model)
配置在前端平臺或後端平臺，其用以讀取GPS資料及慣性偵測資料以建立一 數學模型；在移動物體進入不可見區域時，輸入一初始值或一輸入值於該誤差 模型使其產生一校正值，該校正值輸入該預估器與慣性偵測資料融合以形成一 預估位置用以對應該移動物體在一不可見區域的位置與運動狀態。
因為本發明所公開的系統與方法可以在GPS無法觀測的不可見區域內顯
示出被追蹤的移動物體的位置與運動狀態，因此具有精確定位及導航的功能，
而應用上可以與手持裝置結合以作為旅行者、登山者或救難者的導航器；配合
電子地圖則成為車輛的導航器，再加上無線網路則可以達到為車輛的追蹤與監
控，配設一存儲元件則可以作為行車記錄器。
圖1是本發明之一導航系統示意圖； 圖2是本發明另一導航系統示意圖3A是本發明導航系統顯示的一移動物體在可見區域的位置與運動狀態 示意圖3B是本發明導航系統顯示的一移動物體在不可見區域的位置與運動狀 態示意圖4是本發明導航方法流程圖。
具體實施例方式
以下根據本發明所實現的目的、功效及組態，及時較佳實施例，並配合圖 式對本發明作進一步說明，並非對本發明的限定。
請參閱圖1，本發明公開的導航系統10包括一全球定位系統接收器(GPS receiver) 12用以接收來自至少一個人造衛星11所傳送的位置資料； 一慣性偵 測裝置14用以偵測一移動物體的速度、距離、方向及角度等。該移動物體包 括移動的車子、移動的貨物或移動的人等。
該GPS接收器12與慣性偵測裝置14分別連結一中央處理單元16，且該 GPS接收器12所接收的資料以及慣性偵測裝置14所偵測到資料分別傳送到該中央處理單元16。其中，慣性偵測裝置14可以包括一加速度器142、 一電 子羅盤144及一陀螺儀146。
一無線傳輸模組18連接中央處理單元16用以傳送GPS資料及加速度器 142、羅盤144及陀螺儀146所偵測的資料。
該全球定位系統接收器12、慣性偵測裝置14、中央處理單元16及無線 傳輸模組18配置在一可攜式裝置或固定式裝置內，且將該裝置定義為一前端 平臺20。
一後端平臺30包括一訊號接收器32用以接收來自前端平臺20的信息。 一誤差模型36連結該訊號接收器32，且能夠讀取該前端平臺20所輸出的信 息作為參考值。
該誤差模型36利用加速器(Accelerometer)，陀螺儀(Gyro Meter)及電子
羅盤(Compass)等感測器所偵測得知的某移動物體的加速度及方位角，然後可 利用兩次離散式數學累積或積分運算的方式將加速度及方位角的資訊轉換成 速度和位移的資訊。
該後端平臺30每次針對一個觀察點所計算得到的相對速度、方位角和位 置皆與前一個觀察點的位置有關。相鄰兩個觀察點的時間間隔可以被設定成相 同，舉例而言，運算時間的區間可以是每次GPS運算完成的固定參考時間(約 1秒)。在同一時間點，後端平臺30所計算得到的相對速度、方位角和位置與 利用GPS感測器在良好收訊下所計算出來的目前絕對位置、速度、和方位角 比對後，即可產生一誤差修正量，再經過統計分析模式，則進一步得到一感測 器平均誤差偏移量(AXn)。
當GPS接收機進入弱或無收訊區時，後端平臺30利用接收到慣性偵測裝 置14的加速度器142，陀螺儀(Gyro Meter) 146及電子羅盤144各項資料作 為一初始值或一輸入值輸入誤差模型36以產生前述的感測器平均誤差偏移量 (△ Xn)，該感測器平均誤差偏移量與初始值或輸入值再進入一預估器(如EKF, Kalman filter, H一infinity filter, unscented filter, particle filter...)34以進行數學 的運算，配合路徑描繪的技巧及圖資內建的鎖路功能，則可以進行漂移位置的 修正，以達到精準定位的效果。
值得注意的是，當前端平臺20的信息包括GPS資料及慣性偵測裝置14的偵測資料，表示該移動物體位於GPS可偵測的區域(可見區域)，此時該誤差 模型36執行資料分析與數學模型的建立但不輸出感測器平均誤差偏移量(A
Xn)o
預估器34連結訊號接收器32與誤差模型36。該訊號接收器32與誤差模 型36分別將前端平臺20的輸出信息以及感測器平均誤差偏移量(AXn)傳送 至預估器34內，且各項資料在預估器34內進行資料融合併產生一預估位置。 一顯示器38連結預估器34且配合一電子地圖39以顯示該移動物體的位置及 運動軌跡。
一無線網路40位於前端平臺20與後端平臺30之間，用以使前端平臺20 的輸出信息通過該無線網路40傳送到後端平臺40。該無線網路40可以是GMS 網路、GPRS網路、Zigbee網路、藍牙網路，或其組合。
請參閱圖2，本實施例與前一實施例的不同處在於將誤差模型36配置 在前端平臺20內。
該誤差模型36用以接收GPS接收器12的定位資料以及慣性偵測裝置14 的偵測資料，且依各資料產生一數學模型。
當僅有慣性偵測裝置14傳送偵測資料至誤差模型36時，誤差模型36產 生及輸出一感測器平均誤差偏移量(A Xn)。該慣性偵測裝置14的偵測資料與 預測校正值通過該無線傳輸模組18及無線網路40傳送到後端平臺30。預估 器34接收各項資料後經融合及計算可以產生一預估位置。
以上所公開的預估器34可以是一硬體、 一軟體或是一韌體，例如以卡爾 曼濾波器(Kalman Filter)來融合資料；後端平臺30可以是個人電腦(PC)或是伺 服器。
關於一移動物體在不可見區域的位置及運動軌跡的預測原理如下
請參閱圖3A，圖中顯示一移動物體以GPS進行絕對位置的定位及其運動 軌跡的描述，如P1、 P2、 P3…Pn，其中在可見區域內，如區域A、區域C， 該GPS的定位及運動資料可以被明確的顯示出來，而在不可見區域，如區域 B，因無法取得GPS的定位資料，所以顯示成空白區域。
請參閱圖3B，圖中顯示一移動物體以GPS進行絕對位置的定位與運動軌 跡的描述(P1、 P2、 P3…Pn)，同時也顯示該慣性偵測裝置進行相對位置的偵測與運動軌跡的描述(Q1、 Q2、 Q3…Qn)。在區域A與區域C包含GPS定
位資料及慣性偵測裝置的偵測資料，所以顯示出兩條不同但接近的曲線，且相 對應的資料(點)不一定重合，這是因為慣性偵測裝置的偵測資料會產生偏差量。 換言之，對每一個偵測位置而言，GPS資料與慣性偵測資料間存在一誤差偏 移量(AX)，且滿足
P = Q+AX (1)
在區域B內，雖然無法取得GPS定位資料，但是慣性偵測裝置仍可以發 揮偵測功能並提供偵測資料，因此，以慣性偵測裝置的偵測資料為依據，配合 該誤差模型以產生該感測器平均誤差偏移量(AXn)，代入方程式(1)則產生一 預估位置(Estimating Position, EP)如下
EPn=Qn+AXn (2)
其中，n表示在不可見區域所產生的預估次序且n^1。 AX!以該移動物 體在進入該不可見區域前的最後一筆GPS資料及慣性偵測資料為一初始值輸 入到該誤差模型所產生的感測器平均誤差偏移量；當n^2, EPn-1與Qn為一 輸入值被輸入到該誤差模型以產生AXn。關於該誤差模型的建立方式已闡述 於前面的說明內容。
請參閱圖4，關於該移動物體的定位及導航方法如下
步驟S51為讀取GPS資料及慣性偵測資料程序。其中，該GPS資料包 含該移動物體的位置觀測值、運動狀態觀測值；該慣性偵測資料包含該移動物 體的位置、方向、速度大小及加速度大小等資料，且該慣性偵測資料可通過一 原始資料處理程序(Raw Data Processing)執行雜訊過濾(noise filtering),增益 修正(gain correction)及數位化(digitization)。
步驟S52為移動物體的所在區域判別程序。若可讀取到GPS資料及慣性 偵測資料則判定該移動物體位於一可見區域，如此一來，後端平臺即可依該 GPS資料顯示該移動物體的位置與運動軌跡。若僅能讀取到慣性偵測資料， 則判定該移動物體位於一不可見區域，此時進入預測校正值的產生程序。
步驟S53為產生一預測校正值的程序。其以該移動物體在進入不可見區域 前的最後一筆GPS資料及慣性偵測資料為輸入值/初始值，且該輸入值/初始值 被輸入誤差模型後可經計算而產生一感測器平均誤差偏移量A Xn。步驟S54為移動物體在不可見區域內的位置與運動軌跡預測程序。其於一預估器內融合該慣性偵測資料與預測校正值形成一預估位置(EP)。該預估位置(EP)可以顯示於一顯示器。
此外，若本發明所公開的系統隨著時間遞延仍僅讀取到慣性偵測資料，則表示移動物體未離開不可見區域。該預估位置值(EP)作為步驟S53所揭露的預測校正值程序中的輸入值並配合該誤差模型的計算以產生下一個預估位置。如此重複直至該移動物體離開不可見區域。當該移動物體在不可見區域內，本系統可以產生複數個預估位置以表示該移動物體的位置及運動軌跡。
因為本發明所公開的系統與方法可以在GPS無法觀測的不可見區域內顯示出被追蹤的移動物體的位置與運動狀態，因此具有精確定位及導航的功能，而應用上可以與手持裝置結合以作為旅行者、登山者或救難者的導航器；配合電子地圖則成為車輛的導航器，再加上無線網路則可以達到為車輛的追蹤與監控，配設一存儲元件則可以作為行車記錄器。
以上為本發明的較佳實施例以及設計圖式，上述較佳實施例以及設計圖式僅是舉例說明，並非用於限制本發明的權利範圍，凡以均等的技術手段、或為本申請專利範圍所涵蓋的權利範圍而實施者，均不脫離本發明的保護範圍。
權利要求
1、一種移動物體的精確導航方法，用以顯示該移動物體在一不可見區域內的運動位置及軌跡，其包括以下步驟讀取一GPS定位資料，其包含該移動物體的位置觀測值；讀取一慣性偵測資料，其包含該移動物體的位置、速度及方向觀測值；利用該GPS定位資料與慣性導航系統資料，配合離散式數學累積及/或積分運算建立出一誤差模型；以該移動物體在進入該不可見區域的最後一筆GPS資料及慣性偵測資料為一初始值輸入到誤差模型以產生及輸出一第一感測器平均誤差偏移量(ΔX1)；該第一感測器平均誤差偏移量(ΔX1)與該移動物體位於不可見區域內所產生的第一筆慣性偵測資料(Q1)進行資料融合，形成一第一預估位置(EP1)以對應該移動物體的位置與運動軌跡。
2、 如權利要求1所述的移動物體的精確導航方法，其特徵在於該慣性 偵測資料被導入一原始資料處理程序用以執行雜訊過濾及資料數位化。
3、 如權利要求1所述的移動物體的精確導航方法，其特徵在於取第n-1 筆預估位置EPn-1的資料與第n筆的慣性偵測資料Qn作為一輸入值且輸入到 該誤差模型以產生一第n感測器平均誤差偏移量A Xn，接著融合Qn與A Xn 以產生第n預估位置EPn，其中n&2。
4、 如權利要求1所述的移動物體的精確導航方法，其特徵在於該誤差 模型所產生的感測器平均誤差偏移量位移量及方向。
5、 一種移動物體的精確導航系統，用以顯示該移動物體的位置與運動軌跡，其特徵在於它包含一前置平臺，配置在該移動物體，其具有一中央處理單元，一GPS接收 器與一慣性偵測裝置連結中央處理單元，及一無線傳輸模組連結中央處理單 元；一後端平臺，具有一訊號接收器及一顯示器分別與一預估器連結，該訊號 接收器用以接收前置平臺的輸出信號，該預估器用以處理來自前置平臺的輸出 信息，該顯示器用以顯示該預估器的輸出資訊；一無線網路，位於前置平臺與後端平臺之間，用以將前置平臺的輸出 信號傳送到後端平臺的訊號接收器；以及一誤差模型，建立在前置平臺與後端平臺之其一，且與中央處理單元 或預估器連結。
6、 如權利要求5所述的移動物體的精確導航系統，其特徵在於所述 慣性偵測裝置包括一加速度器、 一電子羅盤及一陀陀儀且連結中央處理單元。
7、 如權利要求5所述的移動物體的精確導航系統，其特徵在於所述誤差模型為一軟體， 一硬體或一韌體，用以將GPS接收器的定位資料與慣 性偵測裝置的偵測資料進行離散式數學累積及/或積分運算。
8、 如權利要求5所述的移動物體的精確導航系統，其特徵在於所述無線網路包括GSM網路、GPRS網路或Zigbee網路。
9、 如權利要求5所述的移動物體的精確導航系統，其特徵在於所述 後端平臺可以是一電腦或一伺服器。
10、 如權利要求5所述的移動物體的精確導航系統，其特徵在於所 述預估器包含一卡爾曼濾波器。
全文摘要
本發明公開了一種移動物體的精確導航方法，即物體於運動過程以全球定位系統資料及慣性偵測資料建立一誤差模型且能夠輸出一校正值。當移動物體進入一不可見區域，該校正值與慣性偵測資料融合以產生一預估位置；為實現上述方法，本發明還公開了一精確導航系統，包括一前端平臺用以接收全球定位系統資料及產生慣性偵測資料，且這些資料可以通過一無線網路傳送到一後端平臺；誤差模型配設在前端平臺或後端平臺，且後端平臺具有一預估器可以將誤差模型所輸出的校正值及慣性偵測資料融合以產生一預估位置。
文檔編號G01C21/00GK101476891SQ20081005592
公開日2009年7月8日 申請日期2008年1月2日 優先權日2008年1月2日
發明者玓 丘, 周元玉, 豐 田 申請人:丘 玓;金瑞通科技股份有限公司