CN109520495B - 导航定位装置及应用其的导航定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种导航定位装置,包括储存器、标志特征分析器、第一坐标融合器及第二坐标融合器。储存器储存有图资,图资包含交通标志特征及交通标志特征的标志坐标。标志特征分析器用以分析摄像画面是否具有交通标志特征。当摄像画面具有交通标志特征,标志特征分析器分析摄像画面中的交通标志特征,并依据标志坐标计算装置坐标。第一坐标融合器用以融合装置坐标与第一融合坐标,并以融合后坐标做为第二融合坐标。第二坐标融合器用以融合第二融合坐标、交通载具惯性信息与全球定位坐标,并以融合后的坐标做为更新的第一融合坐标。
Description
技术领域
本发明是有关于一种导航定位装置及应用其的导航定位方法,且特别是有关于一种交通标志检测的导航定位装置及应用其的导航定位方法。
背景技术
一般来说,全球定位系统定位信息是导航重要的依据。然而,在市区,卫星信号容易被建筑物屏蔽,导致一般导航定位装置的定位误差高达3公尺以上,此不符自动驾驶车导航精度要求。传统导航定位方法若要提高定位精准度,必须增加许多昂贵的硬件设备。
因此,本领域业者努力地在不须建置昂贵硬件设备下,提高导航定位装置的定位精度。
发明内容
因此,本发明提出一种导航定位装置及应用其的导航定位方法,可改善前述现有问题。
根据本发明的一实施例,提出一种导航定位装置。导航定位装置包括一储存器、一标志特征分析器、一第一坐标融合器及一第二坐标融合器。储存器储存有一图资,图资包含一交通标志特征及交通标志特征的一标志坐标。标志特征分析器用以分析一摄像画面是否具有交通标志特征;当摄像画面具有交通标志特征,分析摄像画面中的交通标志特征,并依据标志坐标计算导航定位装置的一装置坐标。第一坐标融合器用以融合装置坐标与一第一融合坐标,并以融合后坐标做为一第二融合坐标。第二坐标融合器用以融合第二融合坐标、一交通载具惯性信息与一全球定位坐标,并以融合后的坐标做为更新的第一融合坐标。
根据本发明的另一实施例,提出一种导航定位方法。导航定位方法包括以下步骤。一标志特征分析器分析一摄像画面是否具有一交通标志特征,交通标志特征及交通标志特征的一标志坐标储存在一图资中;当摄像画面具有交通标志特征,标志特征分析器分析摄像画面中的交通标志特征,并依据标志坐标计算导航定位装置的一装置坐标;一第一坐标融合器融合装置坐标与一第一融合坐标,并以融合后坐标做为一第二融合坐标;以及,一第二坐标融合器融合第二融合坐标、一交通载具惯性信息与一全球定位坐标,并以融合后的坐标做为更新的第一融合坐标。
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解,下文特举实施例,并配合所附图式详细说明如下:
附图说明
图1绘示依照本发明一实施例的交通标志检测的导航定位装置的功能方块图。
图2A及图 2B绘示依照本发明一实施例的导航定位装置的定位流程图。
图3绘示图1的显示屏幕显示地图的画面。
图4绘示图3的交通载具接近路口的屏幕显示画面。
图5绘示图4的显示屏幕将更新的第一融合坐标显示在地图的画面。
其中,附图标记:
100:导航定位装置
110:储存器
120:控制器
125:摄像器
130:标志特征分析器
140:第一坐标融合器
150:第二坐标融合器
170:全球定位系统定位器
180:显示屏幕
190:导航器
C1:交通载具
D1、D2:差值
E1:定位误差
F1:摄像画面
M1:图资
M12:地图
M13:特征点
M11:交通标志特征
P1:地图位置
P2:实际位置
Q、Qcam:交通载具模型协方差矩阵
R:测量协方差矩阵
Xm:标志坐标
S:系数
S105~S185:步骤
U1:交通载具惯性信息
X’:中间产出值
Xg:全球定位坐标
Xcam:装置坐标
Xk:第二融合坐标
具体实施方式
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。
请参照图1,其绘示依照本发明一实施例的交通标志检测的导航定位装置 100的功能方块图。导航定位装置100可配置于一交通载具C1(绘示于图3),如汽车、机车或其它在路面上行走的交通工具,并用以提供一定位功能或一定位与导航功能。
导航定位装置100包括储存器110、控制器120、摄像器125、标志特征分析器130、第一坐标融合器140、第二坐标融合器150、全球定位系统定位器170、显示屏幕180及导航器190。控制器120电性连接储存器110、标志特征分析器130、第一坐标融合器140、第二坐标融合器150、全球定位系统定位器170及显示屏幕180,以接收、传送、处理及控制此些元件的信号及/ 或数据。控制器120可将载入图资M1,并控制显示屏幕180显示图资M1及导航定位装置100的所在坐标。
储存器110、控制器120、摄像器125、标志特征分析器130、第一坐标融合器140、第二坐标融合器150、全球定位系统定位器170及导航器190至少一者可以是采用半导体制程所制成的实体电路结构。此外,在一实施例中,储存器110、控制器120、摄像器125、标志特征分析器130、第一坐标融合器 140、第二坐标融合器150、全球定位系统定位器170与导航器190至少二者可整合成单个电路结构。
储存器110储存有图资M1。本实施例的图资M1除了包含道路信息外,更包含有数个交通标志特征M11及交通标志特征M11的标志坐标Xm。本文所指的坐标例如是全球经纬度。交通标志特征M11为路面上交通标志的特征。路面交通标志例如是邻近路口的标志,如斑马线、停止线、待转区、停车格与箭头至少一者,或其它已知的交通标志等。在另一实施例中,交通标志特征 M11也可以位于路口以外的位置。此外,图资M1可储存在储存器110内。
摄像器125用以撷取交通载具C1前方视野的摄像画面F1,以提供标志特征分析器130进行分析。标志特征分析器130用以分析摄像画面F1是否具有交通标志特征M11。当摄像画面F1具有交通标志特征M11,标志特征分析器 130分析摄像画面F1中的交通标志特征M11,并依据标志坐标Xm计算导航定位装置100的装置坐标Xcam。第一坐标融合器140用以融合装置坐标Xcam与第一融合坐标并以融合后坐标做为第二融合坐标Xk。第二坐标融合器150 用以融合第二融合坐标Xk、交通载具惯性信息U1与全球定位坐标Xg,并以融合后的坐标做为更新的第一融合坐标此外,交通载具惯性信息U1可由交通载具C1的惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)提供。
摄像器125可配置在导航定位装置100中。在另一实施例中,摄像器125 可配置在交通载具C1,其摄像画面F1可通过有线或无线方式传输给导航定位装置100。
如上述,由于装置坐标Xcam包含导航定位装置100与交通标志特征M11 的相对坐标关系,使导航定位装置100计算出的装置坐标Xcam更接近导航定位装置100的实际坐标。如此,本发明实施例的导航定位装置100可以在不采用昂贵的硬件设备下,达到昂贵硬件设备才能达到的定位精准度。在一实施例中,本发明实施例的导航定位装置100可以在不采用昂贵的硬件设备下,将定位精准度提高至公分等级。
此外,全球定位系统定位器170用以接收全球定位系统的卫星信号,并加以计算而获得导航定位装置100的当前(目前或最新)的全球定位坐标Xg。显示屏幕180可显示图资M1中与第一融合坐标相关的地图M12(地图M12也绘示于图3),且将第一融合坐标显示在地图M12上,让驾驶可通过所显示的地图M12及第一融合坐标得知交通载具C1在地图M12的位置(以下称地图位置)。
请参照图2A及2B,其绘示依照本发明一实施例的导航定位装置100的定位流程图。
在步骤S105中,控制器120载入图资M1,并控制显示屏幕180显示图资M1。本实施例的图资M1除了包含道路信息外,更包含有数个交通标志特征M11及其标志坐标Xm。
在步骤S110中,控制器120判断是否要初始化。例如,在导航定位装置 100刚开机时,在完成第一次定位前的这段期间表示尚未初始化,因此导航定位装置100开始第一次定位(初始化)。当导航定位装置100刚开机时,在取得第二融合坐标Xk后,方表示初始化完成。若尚未完成初始化,流程进入步骤 S115。步骤S115至S140的流程或步骤S115至S145的流程称为“初始化流程”。若已完成初始化,则流程进入步骤S150。
在步骤S115中,在初始化流程中,全球定位系统定位器170提供当前的全球定位坐标Xg。
在步骤S125中,请同时参照图3,其绘示图1的显示屏幕180显示地图 M12的画面。控制器120匹配地图M12与第一融合坐标并控制显示屏幕 180将第一融合坐标显示在地图M12上,让驾驶者可以通过地图M12观看交通载具C1的地图位置P1。
不过,基于许多因素,依据全球定位系统所计算的坐标难免具有定位误差,使交通载具C1(或导航定位装置100)在地图M12上的地图位置P1与实际位置 P2之间具有定位误差E1。且,随交通载具C1的前进,误差会累积而扩大到原本全球定位系统定位器170本身的误差。然,通过本发明实施例的定位方法,可缩小定位误差E1,如下说明。
在步骤S130中,请同时参照图4,其绘示图3的交通载具C1接近路口的屏幕显示画面。图4所示的交通载具C1例如是停在路口或行进中经过路口。控制器120可依据交通载具C1的当前全球定位坐标Xg及图资M1,判断交通载具C1是否接近路口。当交通载具C1接近路口时,标志特征分析器130方开始分析摄像器125的摄像画面F1,判断摄像画面F1是否具有交通标志特征 M11。由于标志特征分析器130是接近路口才开始分析,因此不会持续占用系统的分析资源。在另一实施例中,无论是否接近路口,标志特征分析器130 可持续分析摄像画面F1,以持续判断是否具有交通标志特征M11。
在本步骤中,若摄像画面F1具有交通标志特征M11,流程进入步骤S135;若否,流程进入步骤S145。
在步骤S135中,标志特征分析器130分析摄像画面F1中的交通标志特征 M11,并依据标志坐标Xm计算导航定位装置100的装置坐标Xcam。在一实施例中,标志特征分析器130可依据交通标志特征M11的特征点M13计算导航定位装置100相对特征点M13的距离及角度,然后依具此相对位置关系计算导航定位装置100的装置坐标Xcam。前述的标志坐标Xm例如是特征点M13 的坐标。此外,一个交通标志特征M11可以具有至少一特征点M13。特征点 M13可以是交通标志特征M11的转角点及/或边界线的一点,如中点。在一实施例中,标志特征分析器130可采用深度学习物件检测技术,依据交通标志特征M11计算出装置坐标Xcam。
在步骤S140中,第一坐标融合器140可采用例如是卡尔曼滤波(Kalman Filter)技术,融合装置坐标Xcam与第一融合坐标(初始化流程的第一融合坐标即全球定位坐标Xg),并以融合后坐标做为第二融合坐标Xk,然后进入步骤S110。
在步骤S140中,第一坐标融合器140可采用下式(1)~(3)运算第二融合坐标Xk。式(2)的卡尔曼增益K1依据第一融合坐标Qcam及R算出,其中的 Qcam为与交通载具模型协方差矩阵,而R为测量协方差矩阵。交通载具模型协方差矩阵Qcam及测量协方差矩阵R皆为常数。
在初始化流程中,式(1)中的第一融合坐标即为全球定位坐标Xg。在初始化流程中,当摄像画面F1具有交通标志特征M11时,装置坐标Xcam与第一融合坐标(即全球定位坐标Xg)相异,因此式(1)的装置坐标Xcam与第一融合坐标的第一差值D1不为0。在式(2)中,卡尔曼增益K1不为0。因此,在初始化流程中,如式(3)所示,会得到一新的且不同于第一融合坐标(即全球定位坐标Xg)的第二融合坐标Xk。此外,本发明实施例不限定卡尔曼增益 K1的实际数值,其可根据实际状况调整。
在步骤S145中,当步骤S130的判断结果为否(即,摄像画面F1未具有交通标志特征M11)时,控制器120以全球定位坐标Xg做为第二融合坐标Xk,然后进入步骤S110。
在步骤S145中,若以前示式(1)~(3)来看,在初始化流程中,当摄像画面 F1不具有交通标志特征M11时,第二坐标融合器150将以第一差值D1设为 0,因此式(3)中得到的第二融合坐标Xk会与第一融合坐标(在初始化流程为全球定位坐标Xg)相同。
如图2A所示,在步骤S140及S145后,流程皆进入步骤S110。在步骤 S110中,由于初始化已完成,因此流程会进入图2B的步骤S150,步骤S150 之后的流程称为“非初始化流程”。
在进入步骤S150之前,可先执行步骤S147,控制器120让第二融合坐标 Xk经过一移位暂存器(shift register)(未绘示),而成为第二融合坐标Xk-1,第二融合坐标Xk-1是第二融合坐标Xk移位成前一个时序的坐标。
在步骤S150中,控制器120判断全球定位系统定位器170的全球定位坐标Xg是否有更新。详言之,全球定位系统定位器170具有一固定接收频率,当此固定接收频率与控制器120的处理频率不同步时,如控制器120的处理频率大于此固定接收频率,则并非在每一次非初始化流程中全球定位坐标Xg都会更新。若全球定位坐标Xg有更新,流程进入步骤S155;若无,流程进入步骤S165。
在步骤S155中,由于全球定位坐标Xg有更新,因此第二坐标融合器150 融合第二融合坐标Xk-1、交通载具惯性信息U1与更新后的全球定位坐标Xg,并以融合后的坐标做为更新的第一融合坐标然后进入步骤S160。
在步骤S155中,第二坐标融合器150可采用下式(4)~(7)运算第一融合坐标式中的卡尔曼增益K2依据第二融合坐标Xk-1、中间产出值X’、参数 Q及R算出,本发明实施例不加以限定,其中的Q为交通载具模型协方差矩阵,而R为测量协方差矩阵。交通载具模型协方差矩阵Qcam及测量协方差矩阵R皆为常数。交通载具模型协方差矩阵Q与前述交通载具模型协方差矩阵 Qcam相异。在一实施例中,交通载具模型协方差矩阵Q与交通载具模型协方差矩阵Qcam相依,例如,交通载具模型协方差矩阵Q与交通载具模型协方差矩阵Qcam的关系为Qcam=S×Q,其中系数S介于0~1之间。在另一实施例中,交通载具模型协方差矩阵Q与交通载具模型协方差矩阵Qcam也可彼此独立而不具相依关系。
X'=f(Xk-1,U1).......................(4)
D2=(Xg-X')..............................(5)
K2=P(Xk,X',Q,R).......................(6)
在非初始化流程中,式(4)中的中间产出值X’依据第二融合坐标Xk-1与交通载具惯性信息U1计算得出。式(5)中第二差值D2为更新后的全球定位坐标 Xg与中间产出值X’的差值。在式(6)中,卡尔曼增益K2不为0。因此,在非初始化流程中,如式(7)所示,会得到更新的第一融合坐标
在步骤S165中,由于全球定位坐标Xg没有更新,因此第二坐标融合器 150将第二差值D2设为0。如此,在式(7),第一融合坐标与中间产出值X’相同。换言之,在非初始化流程中,当全球定位坐标Xg未更新时,第二坐标融合器150融合第二融合坐标Xk-1与交通载具惯性信息U1,并以融合后的坐标(即中间产出值X’)做为更新的第一融合坐标然后进入步骤S160。此外,从图2A的流程来看,步骤S165中的第二融合坐标Xk-1包含了全球定位坐标 Xg的信息。
如图2B所示,在步骤S155与S165后,流程皆进入步骤S160。
在步骤S160,请同时参照图5,其绘示图4的显示屏幕180将更新的第一融合坐标显示在地图M12上。由于更新的第一融合坐标已融合了交通标志特征M11的信息,因此定位误差E1相较于图4的定位误差E1明显缩小。在一实施例中,图5所示的定位误差E1能小于公分等级。
在步骤S160后,流程进入步骤S170。步骤S170的判断方式类似或同于前述步骤S130,即标志特征分析器130分析摄像画面F1中的交通标志特征 M11,并依据标志坐标Xm计算导航定位装置100的装置坐标Xcam,详细内容于此不再赘述。步骤S170中,当摄像画面F1具有交通标志特征M11时,流程依序进入步骤S175及S180;若否,流程进入步骤S185。步骤S175及S180 的判断方式分别类似或同于前述步骤S135及S140,其中步骤S140或步骤 S180为融合装置坐标Xcam与第一融合坐标并以融合后坐标做为第二融合坐标Xk,详细内容于此不再赘述。在步骤S185中,控制器120以第一融合坐标做为第二融合坐标Xk,然后流程回到步骤S150。
然后,比照前述非出初始化流程,导航定位装置100继续执行步骤S150 至S185,直到导航定位装置100关机或导航定位装置100接收到一暂停定位指令。
此外,在一实施例中,导航器190可规划导航定位装置100与一目的地(未绘示)的路径,并加以导航。在导航过程中,由于本发明实施例的定位方法可依据路径中的每个交通标志特征M11重新算导航定位装置100的坐标,让导航定位装置100的坐标在路径中不断地修正以更接近导航定位装置100的实际坐标,因此能让交通载具C1经过更精准地到达目的地。
本案交通标志检测的导航定位装置利用摄像器与标志特征分析器撷取交通标志或路口地面停止线,搭配具有路口地面标线信息的高精度电子地图,校正原本全球定位系统定位器(GPS)产生的误差,修正原本全球定位系统定位演算法得到的定位信息,达到路口处具公分等级的定位精度。
综上所述,虽然本发明已以实施例揭露如上,然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作各种的更动与润饰。因此,本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。
Claims (21)
1.一种交通标志检测的导航定位装置,其特征在于,包括:
一控制器,用以:在一初始化流程中,将一全球定位坐标做为一第一融合坐标;
一储存器,储存有一图资,该图资包含一交通标志特征及该交通标志特征的一标志坐标;
一标志特征分析器,用以:在该初始化流程中分析一摄像画面是否具有该交通标志特征;当该摄像画面具有该交通标志特征时,分析该摄像画面中的该交通标志特征,并依据该标志坐标计算该导航定位装置的一装置坐标;
一第一坐标融合器,用以:在该初始化流程中融合该装置坐标与该第一融合坐标,并以融合后坐标做为一第二融合坐标;
其中,该控制器更用以:在一非初始化流程中,判断该全球定位坐标是否有更新;以及
一第二坐标融合器,用以:
在该非初始化流程中,当该全球定位坐标有更新时,融合该第二融合坐标、一交通载具惯性信息与更新后的该全球定位坐标,并以融合后的坐标做为更新的该第一融合坐标;及在该非初始化流程中,当该全球定位坐标未更新时,融合该第二融合坐标、该交通载具惯性信息,并以融合后的坐标做为更新的该第一融合坐标。
2.如权利要求1所述的导航定位装置,其特征在于,当该导航定位装置在该初始化流程且该摄像画面具有该交通标志特征时,该第一坐标融合器用以融合该装置坐标与该全球定位坐标,并以融合后坐标做为该第二融合坐标。
3.如权利要求1所述的导航定位装置,其特征在于,当该导航定位装置在该初始化流程且该摄像画面不具有该交通标志特征时,该控制器用以将该全球定位坐标做为该第二融合坐标。
4.如权利要求1所述的导航定位装置,其特征在于,该第二融合坐标包含该全球定位坐标的信息。
5.如权利要求1所述的导航定位装置,其特征在于,当该导航定位装置在该非初始化流程、该全球定位坐标有更新且该摄像画面不具有该交通标志特征时,该控制器用以将该第一融合坐标做为该第二融合坐标。
6.如权利要求1所述的导航定位装置,其特征在于,当该导航定位装置在该非初始化流程、该全球定位坐标有更新且该摄像画面具有该交通标志特征时,该第一坐标融合器用以融合该装置坐标与该第一融合坐标,并以融合后坐标做为更新的该第二融合坐标。
7.如权利要求1所述的导航定位装置,其特征在于,该交通标志位于一路口,该标志特征分析器更用以:
当该导航定位装置接近该路口,开始分析该摄像画面是否具有该交通标志特征。
8.如权利要求1所述的导航定位装置,其特征在于,更包括:
一全球定位系统定位器,用以提供该导航定位装置当前的该全球定位坐标。
9.如权利要求1所述的导航定位装置,其特征在于,该交通标志为马路路面上的标志。
10.如权利要求1所述的导航定位装置,其特征在于,该交通标志为斑马线、停止线、待转区、停车格与箭头至少一者。
11.如权利要求1所述的导航定位装置,其特征在于,更包括:
一显示屏幕,显示该图资中与该第一融合坐标相关的地图,并将该第一融合坐标显示在该地图中。
12.一种交通标志检测的导航定位方法,其特征在于,包括:
一控制器在一初始化流程中,将一全球定位坐标做为一第一融合坐标;
一标志特征分析器在该初始化流程中分析一摄像画面是否具有一交通标志特征,该交通标志特征及该交通标志特征的一标志坐标储存在一图资中;
当该摄像画面具有该交通标志特征,该标志特征分析器分析该摄像画面中的该交通标志特征,并依据该标志坐标计算导航定位装置的一装置坐标;
一第一坐标融合器在该初始化流程中融合该装置坐标与该第一融合坐标,并以融合后坐标做为一第二融合坐标;
其中,该控制器在一非初始化流程中,判断该全球定位坐标是否有更新;以及
一第二坐标融合器在该非初始化流程中,当该全球定位坐标有更新时,融合该第二融合坐标、一交通载具惯性信息与更新后的该全球定位坐标,并以融合后的坐标做为更新的该第一融合坐标;及在该非初始化流程中,当该全球定位坐标未更新时,融合该第二融合坐标、该交通载具惯性信息,并以融合后的坐标做为更新的该第一融合坐标。
13.如权利要求12所述的导航定位方法,其特征在于,更包括:
在该初始化流程中,当该摄像画面具有该交通标志特征时,该控制器将该全球定位坐标做为该第一融合坐标;
其中,在该第一坐标融合器融合该装置坐标与该第一融合坐标的步骤中,该第一坐标融合器融合该装置坐标与该全球定位坐标,并以融合后坐标做为该第二融合坐标。
14.如权利要求12所述的导航定位方法,其特征在于,更包括:
在该初始化流程中,当该摄像画面不具有该交通标志特征时,该控制器将该全球定位坐标做为该第二融合坐标。
15.如权利要求12所述的导航定位方法,其特征在于,该第二融合坐标包含该全球定位坐标的信息。
16.如权利要求12所述的导航定位方法,其特征在于,更包括:
在该非初始化流程中、当该全球定位坐标有更新且该摄像画面不具有该交通标志特征时,该控制器将该第一融合坐标做为该第二融合坐标。
17.如权利要求12所述的导航定位方法,其特征在于,该交通标志位于一路口,该导航定位方法更包括:
当接近该路口,该标志特征分析器开始分析该摄像画面是否具有该交通标志特征。
18.如权利要求12所述的导航定位方法,其特征在于,更包括:
一全球定位系统定位器提供一当前的该全球定位坐标。
19.如权利要求12所述的导航定位方法,其特征在于,该交通标志为马路路面上的标志。
20.如权利要求12所述的导航定位方法,其特征在于,该交通标志为斑马线、停止线、待转区、停车格与箭头至少一者。
21.如权利要求12所述的导航定位方法,其特征在于,更包括:
一显示屏幕显示该图资中与该第一融合坐标相关的地图,并将该第一融合坐标显示在该地图中。
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