CN101598569A

CN101598569A - 设置方位辨识方法及其导航装置

Info

Publication number: CN101598569A
Application number: CNA2008101112723A
Authority: CN
Inventors: 张祥杰; 陈永裕; 黄仕璟
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2008-06-05
Filing date: 2008-06-05
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2028-06-05
Also published as: CN101598569B

Abstract

本发明公开了一设置方位辨识方法，其应用在可携式导航装置中。该方法主要是根据加速度计在第一方向及第二方向量测到的加速度值来判定该导航装置的设置方位为纵向或横向，并进行相对应的坐标转换，使导航装置不受工作方位影响维持正常的工作。在另一实施例中，本发明更提供一导航装置，其利用该设置方位辨识方法来辨识该导航装置的设置方位以及检测导航装置的所在坐标位置以提供使用者位置以及交通信息。

Description

设置方位辨识方法及其导航装置

技术领域

本发明涉及一种电子装置设置的方位判断技术，尤其涉及一种辨识导航装置设置的方位辨识方法以及使用该方法的导航装置。

背景技术

如图1所示，该图为现有技术的全球定位(global position system，GPS)与惯性导航(inertia navigation system)系统示意图。该在该现有技术中，该全球定位与惯性导航系统10固定设置于一交通工具(例如：车辆)内的仪表板11上。由于图1的系统固定安装于车辆内，因此，对于使用者在空间的利用上比较没有机动性。近年来，随着惯性原件价格的平民化，未来全球定位与惯性导航系统已经逐渐普及在PDA或手机之中。

由于PDA或手机等可携式电子产品的体积小携带方便，因此使用者可以随着自己喜好安装于车内的任意位置。然而在纵向与横向的使用上需要克服几个问题，第一为判断旋转方位，以调整影像显示方向。第二为当全球定位与惯性导航系统的使用方向改变时，全球定位与惯性导航系统中的惯性导航模块中的加速度及角速度检测轴向也与原来的大地参考坐标产生了一坐标转换关系，此时若不作任何坐标转换修正，惯性导航模块将无法正常工作。

判断系统工作方位的技术，目前有被应用在手持式游戏机上，例如：美国专利US.Pat.NO.6,908,388专利中描述一个3D空间的游戏环境，包含一个外壳可供使用者抓取，一个倾斜传感器在外壳之内，观测点坐标判断机制跟随着倾斜传感器的输出信号而判断观测坐标。一个游戏影像产生处理机制，根据所判定的坐标来产生游戏影像。而该游戏系统以最小的处理负担，可以提供一个使用者感觉3D游戏空间随游戏装置的倾斜而变化。另外在美国专利US.Pat.No.7,158,118专利中也描述一包括双轴陀螺仪及加速度计以及处理单元的3D指示装置，其系利用第一参考面(例如3D指针装置的本体)感测到的运动信息转换到第二参考面(例如，使用者参考面)，主要是用来消除了手持此3D指针装置的角度倾斜效应。简单来说，即是一种使用惯性组件姿态检测再利用坐标转换去消除倾斜的影响。然而在前述的现有技术中，对于如何克服前述的两个问题，并未有具体而有效的作法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种设置方位辨识方法，其应用在可携式导航装置中。该方法主要是根据加速度计在第一方向及第二方向量测到的加速度值来判定该导航装置的设置方位为纵向或横向，并进行相对应的坐标转换，使导航装置不受工作方位影响维持正常的工作。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种导航装置，其利用前述的设置方位辨识方法来辨识该导航装置的设置方位以及检测导航装置的所在坐标位置以提供使用者位置以及交通信息。

为实现上述目的，在一实施例中，本发明提供一种设置方位辨识方法，其包括有下列步骤：提供一导航装置，其具有一转向感测模块以及感测一第一方向加速度的第一加速度计以及感测一第二方向加速度的一第二加速度计；撷取该导航装置的第一加速度计以及该第二加速度计所输出的加速度值；以及根据该第一加速度计以及该第二加速度计所输出的加速度值与一辨识信息相比较以判断该导航装置的设置方位，其中该辨识信息为当导航装置被转向到特定设置方位时该第一加速度计与该第二加速度计理论上应该感测到的加速度值。

而且，为实现上述目的，在另一实施例中，本发明更提供一种导航装置，包括：一惯性导航单元，其具有一第一加速度计、一第二加速度计、一第三加速度计以及一角速度感测模块；一卫星信号接收单元，以接收一卫星信号；以及一信号处理单元，其与该惯性导航单元以及该卫星信号接收单元相偶接，该信号处理单元可根据该第一加速度计以及该第二加速度计所输出的加速度值与一辨识信息相比较以判断该导航装置的设置方位以及根据该惯性导航单元以及该卫星信号输出一坐标位置，其中该辨识信息为当导航装置被转向到特定设置方位时该第一加速度计与该第二加速度计理论上应该感测到的加速度值。

而且，为实现上述目的，在另一实施例中，本发明更提供一种导航装置，其可设置于一交通工具内，并根据使用需要调整其设置方位，该导航装置包括：一惯性导航单元，其具有一第一加速度计、一第二加速度计、一第三加速度计以及一角速度感测模块；一卫星信号接收单元，以接收一卫星信号；一信号处理单元，其与该惯性导航单元以及该卫星信号接收单元相偶接，该信号处理单元可根据该第一加速度计以及该第二加速度计所输出的加速度值与一辨识信息相比较以判断该导航装置的设置方位以及根据该惯性导航单元以及该卫星信号输出一坐标位置，其中该辨识信息为当导航装置被转向到特定设置方位时该第一加速度计与该第二加速度计理论上应该感测到的加速度值；一数据库，其与该信号处理单元相偶接，该数据库内建立有地图与道路交通信息；以及一显示装置，其与该信号处理单元相连接，该显示装置显示该数据库所提供的信息。

采用本发明提供的设置方位辨识方法及其导航装置，可以判断导航装置的设置位置并且可以根据其设置的设置方位转换坐标系统以维持导航装置的运作。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为现有技术的全球定位(global position system，GPS)与惯性导航(inertia navigation system)系统示意图；

图2为本发明的导航装置实施例方块示意图；

图3A为本发明角速度感测模块第一实施例方块示意图；

图3B为本发明角速度感测模块第二实施例方块示意图；

图3C为本发明的角速度感测模块第三实施例示意图；

图3D为本发明的角速度感测模块第四实施例示意图；

图4为本发明的角速度感测说明示意图；

图5为本发明的设置方位辨识方法流程示意图；

图6A为导航装置直立状态示意图；

图6B与图6C为导航装置横向设置示意图。

其中，附图标记：

10-全球定位与惯性导航系统

11-仪表板

2-导航装置

20-惯性导航单元

201-第一加速度计

202-第二加速度计

203-第三加速度计

204-角速度感测模块

2041、2042、2043-陀螺仪传感器

2044、2045、2046-差分模块

2051～2056-加速度计

2047-第一辅助加速度计

2048-第二辅助加速度计

21-卫星信号接收单元

22-信号处理单元

23-存储单元

24-地图数据库

25-显示装置

4-设置方位辨识方法

40～42-步骤

90-绝对坐标

具体实施方式

为使贵审查委员能对本发明的特征、目的及功能有更进一步的认知与了解，下文特将本发明的装置的相关细部结构以及设计的理念原由进行说明，以使得审查委员可以了解本发明的特点，详细说明陈述如下：

请参阅图2所示，该图为本发明的导航装置实施例方块示意图。该导航装置2，其可设置于一交通工具内(例如：轮型车辆)内，该导航装置2主要包括有一惯性导航单元20(inertia navigation system，INS)、一卫星信号接收单元21(global position system，GPS)以及一信号处理单元22。该惯性导航单元20，其可量测空间中三轴的加速度状态以及该导航装置的转动状态。在本实施例中，该惯性导航单元20具有一第一加速度计201，其可检测第一轴(X轴)的加速度、一第二加速度计202，其可检测第三轴(Z轴)的加速度、一第三加速度计203，其可检测第二轴(Y轴)的加速度以及一角速度感测模块204，其可以感测第一轴(X轴)的转速以及第三轴(Z轴)的转速。

虽然图2中的实施例是利用三个加速度传感器201、202与203，但是由于现在半导体制程的进步，也可选择整合三个加速度计以感测三轴的运动状态的单一加速度计来实施。这是本领域技术人员根据本发明所揭露的技术，可以轻易置换的。其中该第二轴(Y轴)的加速度代表交通工具的前进或后退的加速度，而第一轴转速大小可代表交通工具倾角的角速度大小，第三轴(Z轴)转速大小则可代表该交通工具左右转向的角速度大小。

如图3A所示，该图为本发明角速度感测模块第一实施例方块示意图。在本实施例中，该角速度感测模块204由两个陀螺仪传感器2041与2042所构成以分别感测X轴以及Z轴的转速。利用陀螺仪传感器感测角速度的技术属于现有技术，在此不做赘述。如图3B所示，该图为本发明角速度感测模块第二实施例方块示意图。在本实施例中，该角速度感测模块204具有一陀螺仪传感器2043以感测X轴的转速。至于Z轴的转速由一差分模块2044所负责，其具有一对加速度计2051与2052，且相距一距离。通过该对加速度计2051与2052感测同一轴向的一加速度变化，利用差分得到第一轴的转动状态。如图4所示，该图为本发明的角速度感测说明示意图。在图示中，当加速度计2051以及加速度计2052所感测的第一轴(X轴)加速度信号积分便可得到位移(S₁，S₂)，然后推算S₁，S₂的差值，由于加速度计2051以及加速度计2052相差一距离h，所以可通过计算得到该第三轴(Z轴)的角度θ变化。

请参阅图3C所示，该图为本发明的角速度感测模块第三实施例示意图。在本实施例中，该角速度感测模块204由两个差分模块2045与2046所构成，每一个差分模块2045或2046具有一对加速度计2053与2054以及2055与2056，每一对加速度计2053与2054或2055与2056相距一距离。其中差分模块2045可通过感测同一轴向(Z轴)的加速度变化，以利用差分算出第一轴(X轴)的转速，而另一差分模块2046可通过感测同一轴向(X轴)的加速度变化，以利用差分算出则可量测第三轴(Z轴)的转速。

如图3D所示，该图为本发明的角速度感测模块第四实施例示意图。在本实施例中，该角速度感测模块204具有一第一辅助加速度计2047以及一第二辅助加速度计2048。请参阅图3D与图2所示，其中，该第一辅助加速度计2047，其与该第一加速度计201相距一距离，通过该第一加速度计201以及该第一辅助加速度计2047所感测的一加速度变化，利用差分以得到第三轴(Z轴)的转动状态。该第二辅助加速度计2048，其与该第二加速度计202相距一距离，通过该第二加速度计202以及该第二辅助加速度计2048感测的一加速度变化，利用差分以得到第一轴(X轴)的转动状态。

再回到图2所示，该卫星信号接收单元21，以接收一卫星信号。该卫星信号接收单元21属全球定位系统的现有技术元件，在此不作赘述。该信号处理单元22，其与该惯性导航单元20以及该卫星信号接收单元21相偶接，该信号处理单元22可根据该第一加速度计201以及该第二加速度计202所输出的加速度值与一辨识信息相比较以判断该导航装置2的设置方位以及根据该惯性导航单元20以及该卫星信号输出一坐标位置。

接续来说明该信号处理单元的运作方法，如图5所示，该图为本发明的设置方位辨识方法流程示意图。该方法主要包括有下列步骤：首先进行步骤40，撷取第一加速度计以及第二加速度计所输出的加速度值。第一加速度计可以感测X轴方向的加速度，第二加速度计可以感测Z轴方向的加速度。再回到图5所示，接着进行步骤41，根据该第一加速度计以及该第二加速度计所输出的加速度值与一辨识信息相比较以判断该导航装置的设置方位。如图2所示，该辨识信息可储存于一存储单元23中，该存储单元23与该信号处理单元22相偶接。一般而言，该存储单元23可选择为现有技术的存储器元件，其属于现有技术在此不作赘述。

由于导航装置2的摆设方位会使得第一加速度计以及第二加速度计所感测到的加速度产生变化。例如图6A所示，该图为导航装置2直立状态示意图。图2的方块设置于图6A中的导航装置的壳体26内，在图6A中仅以标号来示明各个加速度计。在图6A的状态下，由于重力G的作用，因此该第二加速度计202可以感测到重力加速度。反之，如图6B所示，该图为导航装置横向设置示意图。当导航装置经由图6A经由顺时针翻转至图6B的状态时，由于第一加速度计201与第二加速度计202的方位改变，所以此时感测到重力加速度的为第一加速度计201，其感测到的重力加速度值为正值。另外，当导航装置经由图6A经由逆时针翻转至图6C的状态时，由于第一加速度计201与第二加速度计202的方位改变，所以此时感测到重力加速度的为第一加速度计201，其感测到的重力加速度值为负值。需强调的是，虽然前述以重力加速度为说明实施例，但这是对于车辆在平坦道路上行驶而言的情况下(也即车辆倾角为零度)。如果当车辆有具有倾角时，例如：上下坡或者是上下交流道时，则所感测到的加速度值应该为重力加速度的三角函数关系值。这是本领域技术人员，根据本发明所揭露的技术可以了解的。

再回到图5所示，由于导航装置方位改变时第一加速度计与第二加速度计所检测到的加速度值会有变化，因此在步骤41中可以将所检测到的值与事先存在存储单元中的辨识信息进行比对，进而判断出该导航装置所处的设置方位状态。该辨识信息为当导航装置被转向到特定设置方位时该第一加速度计与该第二加速度计理论上应该感测到的加速度值，例如：图6A的直立状态时，则感测到重力加速度为第二加速度计202，如果是图6B的状态时，则感测到重力加速度的为第一加速度计201，其感测到的重力加速度值为正值。如果是图6C的状态，则感测到重力加速度的为第一加速度计201，其感测到的重力加速度值为负值。因此经由步骤41的比对之后，即可立即判断出该导航装置所设置的方位。最后，当判断出导航装置所设置的方位后(如图6A、图6B或者是图6C的状态)，再进行步骤42，进行重新转换惯性导航单元的坐标轴方向。

当导航装置不管是由直立设置转成横向设置或者是由横向设置转成直立设置时，其内的惯性导航单元所感测到的物理量对应到绝对坐标系统时会产生改变。这是因为原先惯性导航单元中负责检测交通工具转向以及倾角的传感器会随着导航装置位置的改变而产生变化。例如在图6A中，其第一轴x’与绝对坐标90的第一轴X一致，而所测得关于第一轴的转速ωx’代表车辆的倾角，另外，第三轴z’与绝对坐标90的第三轴Z一致，而所得关于第三轴的转速ωz’代表车辆的转向。可是当转至图6B的状态时，原先的第一轴x’则会与绝对坐标的第三轴Z一致，因此所检测到的转速ωx’则代表车辆的转向而非原先的车辆倾角。同样地，原先的第三轴z’则与绝对坐标90的第一轴X一致，所以所检测到的转速ωz’得代表车辆的倾角而非原先的转向角度。

因为有上述的变化，因此为了维持导航装置正常运作，因此需要进行步骤42，将进行重新转换惯性导航单元的坐标轴方向。也即，系统会根据导航装置的设置方位，而对感测到的转动状态给予不同的判断。例如：以图3A的角速度感测模块为例，当导航装置处于图6A的状态时，陀螺仪传感器2041所检测到的转速代表绝对坐标90中的X轴转速，也代表交通工具的倾角，而陀螺仪传感器2042所检测到的转速则代表绝对坐标90的Z轴转速，也即代表交通工具的转向。当通过步骤41判断出导航装置的设置方位后，便通过步骤42进行坐标转换，也就是说，当导航装置由直立改为横向时，陀螺仪传感器2041所检测到的信号便会对应到绝对坐标Z轴的转速，而反映出车辆的转向。同样地，陀螺仪传感器2042所检测到的信号则对应到绝对坐标X轴的转速，反映出交通工具的倾角。由于同样的陀螺仪传感器2041或2042所检测到的转速，会随着导航装置的设置方位改变而有不同的物理意义，因此步骤42的坐标转换极为重要。

请参阅图2所示，该导航装置更具有一数据库24以及一显示装置25。该数据库24与该信号处理单元22相偶接，该数据库24内建立有地图与道路交通信息。该显示装置25，其与该信号处理单元22相连接，该显示装置25显示该数据库22所提供的信息。该显示装置25可以显示出对应该坐标位置的区域地图，并于该地图上显示出标记，以里使用者识别其所在的位置。另外，该信号处理单元22根据该坐标位置以及使用者输入欲前往的目的地，规划出行车路线，并于该显示装置25上显示出来。

但以上所述者，仅为本发明的实施例，当不能以的限制本发明范围。即大凡依本发明权利要求所做的均等变化及修饰，仍将不失本发明的要义所在，也不脱离本发明的精神和范围，故都应视为本发明的进一步实施状况。

综合上述，本发明提供的设置方位辨识方法及其导航装置，可以判断导航装置的设置位置并且可以根据其设置的设置方位转换坐标系统以维持导航装置的运作。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种设置方位辨识方法，其特征在于，包括有下列步骤：

提供一导航装置，其具有一转向感测模块以及感测一第一方向加速度的第一加速度计以及感测一第二方向加速度的一第二加速度计；

撷取该导航装置的第一加速度计以及该第二加速度计所输出的加速度值；以及

根据该第一加速度计以及该第二加速度计所输出的加速度值与一辨识信息相比较以判断该导航装置的设置方位，其中该辨识信息为当导航装置被转向到特定设置方位时该第一加速度计与该第二加速度计理论上应该感测到的加速度值。

2.根据权利要求1所述的设置方位辨识方法，其特征在于，判断该导航装置的设置方位还包括有下列步骤：

判断该第一加速度计所感测到的加速度值是否为一方位加速度值，如果是的话则代表该导航装置的设置方位为直向设置；以及

判断该第二加速度计所感测到的加速度值是否为一方位加速度值，如果是的话则代表该导航装置的设置方位为横向设置。

3.根据权利要求2所述的设置方位辨识方法，其特征在于，该方位加速度值为重力加速度与导航装置倾角的函数。

4.根据权利要求1所述的设置方位辨识方法，其特征在于，还包括有根据该辨识结果转换该转向感测模块的感测坐标轴向的一步骤。

5.根据权利要求1所述的设置方位辨识方法，其特征在于，该辨识信息储存于一存储单元内。

6.一种导航装置，其特征在于，包括：

一惯性导航单元，其具有一第一加速度计、一第二加速度计、一第三加速度计以及一角速度感测模块；

一卫星信号接收单元，以接收一卫星信号；以及

一信号处理单元，其与该惯性导航单元以及该卫星信号接收单元相偶接，该信号处理单元可根据该第一加速度计以及该第二加速度计所输出的加速度值与一辨识信息相比较以判断该导航装置的设置方位以及根据该惯性导航单元以及该卫星信号输出一坐标位置，该辨识信息为当导航装置被转向到特定设置方位时该第一加速度计与该第二加速度计应该感测到的加速度值。

7.根据权利要求6所述的导航装置，其特征在于，该角速度感测模块为一陀螺仪感测模块，其可输出一第一轴的角速度以及一第三轴的角速度信号。

8.根据权利要求6所述的导航装置，其特征在于，该角速度感测模块具有：

一差分模块，其具有一对加速度计，该对加速度计相距一距离，通过该对加速度计感测的一加速度变化，利用差分得到第一轴的转动状态；以及

一陀螺仪传感器，其可感测第三轴的角速度。

9.根据权利要求6所述的导航装置，其特征在于，该角速度感测模块具有：

第一差分模块，其具有一对加速度计，该对加速计间相距-距离，通过该对加速度计感测的一加速度变化，利用差分以得到第一轴的转动状态；以及

第二差分模块，其具有一对加速度计，该对加速计间相距一距离，通过该对加速度计感测的一加速度变化，利用差分以得到第三轴的转动状态。

10.根据权利要求6所述的导航装置，其特征在于，还具有一存储单元以储存该辨识信息。

11.根据权利要求6所述的导航装置，其特征在于，该角速度感测模块具有：

第一辅助加速度计，其与该第一加速度计相距一距离，通过该第一加速度计以及该第一辅助加速度计所感测的一加速度变化，利用差分以得到第三轴的转动状态；以及

第二辅助加速度计，其与该第二加速度计相距一距离，通过该第二加速度计以及该第二辅助加速度计感测的一加速度变化，利用差分以得到第一轴的转动状态。

12.一种导航装置，其可设置于一交通工具内，并根据需要调整其设置方位，其特征在于，该导航装置包括：

一卫星信号接收单元，以接收一卫星信号；

一信号处理单元，其与该惯性导航单元以及该卫星信号接收单元相偶接，该信号处理单元根据该第一加速度计以及该第二加速度计所输出的加速度值与一辨识信息相比较以判断该导航装置的设置方位以及根据该惯性导航单元以及该卫星信号输出一坐标位置，该辨识信息为当导航装置被转向到特定设置方位时该第一加速度计与该第二加速度计应该感测到的加速度值；

一数据库，其与该信号处理单元相偶接，该数据库内建立有地图与道路交通信息；以及

一显示装置，其与该信号处理单元相连接，该显示装置显示该数据库所提供的信息。

13.根据权利要求12所述的导航装置，其特征在于，该角速度感测模块为一陀螺仪感测模块，其可输出一第一轴的角速度以及一第三轴的角速度信号。

14.根据权利要求12所述的导航装置，其特征在于，该角速度感测模块具有：

一陀螺仪传感器，其可感测第三轴的角速度。

15.根据权利要求12所述的导航装置，其特征在于，该角速度感测模块具有：

第一差分模块，其具有一对加速度计，该对加速计间相距一距离，通过该对加速度计感测的一加速度变化，利用差分以得到第一轴的转动状态；以及

16.根据权利要求12所述的导航装置，其特征在于，还具有一存储单元以储存该辨识信息。

17.根据权利要求12所述的导航装置，其特征在于，该角速度感测模块具有：

18.根据权利要求12所述的导航装置，其特征在于，根据该坐标位置于该显示装置上显示一定位标记。

19.根据权利要求12所述的导航装置，其特征在于，该信号处理单元根据该坐标位置，在该显示装置上显示一行车路线。