CN202837553U - 距离及方向校正的位置估测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型有关于一种距离及方向校正的位置估测装置，并设置于一移动件上。位置估测装置包括一能量测移动件移动距离、移动方向、及移动高度的惯性感测单元、一提供全球定位信息及误差信号的全球定位装置、一微控制单元，包含一提供惯性定位信息的演算单元与一距离及方向校正单元、及一输出精确位置的输出装置。其中，距离及方向校正单元根据误差信号以产生一位置修正信号，以适应性的调整惯性定位信息，而降低位置估测装置本身噪声及外界噪声的影响，进而提高估测目标物位置的准确性。
Description
技术领域
本实用新型是关于一种目标物的位置估测装置，尤指一种用于估算目标物航迹时，对目标物位置的距离及方向校正，以得到更准确的目标物所在位置的位置估测装置。
背景技术
一般常见的位置估测装置可通过全球卫星定位系统(GlobalPositioning System，GPS)于全天候、连续提供实时高精度的三维位置和速度信息计算而得，并可应用到估测移动目标物行进的轨迹路线。
然而，当使用者在高楼林立的市区、通过陆桥以及隧道使用位置估测装置时，卫星信号将容易受到遮挡，以致于无法提供使用者连续、准确、可靠的目标物所在位置。因此，越来越多的位置估测装置改用结合GPS系统以及惯性导航系统(inertial navigation system，INS)来进行航迹推算。INS系统利用加速度计、陀螺仪...等惯性感测单元(inertialmeasurement units，IMU)，其不会受到物体遮挡、且具有抗辐射性强、可全天候量测的优点。
此种目标物位置估算方法需要利用到GPS接收器每隔一段时间传回代表目标物位置的卫星信号来当作INS系统的初始位置，以便INS系统根据初始位置来进行后续位置推算。由上述可知，后续位置推算是通过惯性感测单元(IMU)中的距离感测元件、方位感测元件、及高度感测元件等感测元件来推得。感测元件在量测时，通常会受到外界噪声、亦或是装置本身噪声而使后续位置推算有误差。目前一般常用作法为透过扩展型卡尔曼滤波器(Extended Kalman Filter，EKF)来对后续位置推算作修正，但对于降低甚至排除感测元件在量测时会受到外界噪声及装置本身噪声的问题，仍有改善的空间。
创作人因于此，本于积极创作的精神，亟思一种距离及方向校正的位置估测装置，以根据GPS系统的精度因子(Dilution of Precision，DOP)来调整EKF滤波器，以进一步降低外界噪声及装置本身噪声的影响，进而推算出更准确的后续位置，几经研究实验终至完成本实用新型。
实用新型内容
鉴于现有技术中，感测元件在量测时会受到外界噪声、及装置本身噪声影响，而使后续位置推算有误差，本实用新型的目的是提供一种距离及方向校正的位置估测装置。
为达成上述目的，本实用新型提供了一种距离及方向校正的位置估测装置，并设置于一移动件上。该位置估测装置包括一惯性感测单元、一全球定位装置、及一微控制单元。其中，惯性感测单元具有一可量测该移动件移动距离的距离感测元件、一可量测该移动件所处方位的方位感测元件、及一可量测该移动件移动高度的高度感测元件。全球定位装置是每隔一第一时间输出一全球定位信息、及一误差信号。且该误差信号为一全球卫星定位系统的精度因子。
而微控制单元则耦接该惯性感测单元、及该全球定位装置。其中，该微控制单元包含一演算单元、及一距离及方向校正单元。演算单元耦接该惯性感测单元，并以每隔一第二时间输出一惯性定位信息。而距离及方向校正单元则耦接该演算单元及该全球定位装置之间。该距离及方向校正单元包括一扩展型卡尔曼滤波器。且此扩展型卡尔曼滤波器具有一代表装置噪声的装置协方差矩阵值、及一代表外界噪声的量测协方差矩阵值。其中，该距离及方向校正单元根据该惯性定位信息、该全球定位信息、及该误差信号来调整该装置协方差矩阵值、及该量测协方差矩阵值，并产生一位置修正信号至该演算单元。
此外，本实用新型的距离及方向校正单元可根据该惯性定位信息、及该全球定位信息产生一精确位置。当该距离及方向校正单元接收到该全球定位信息，以该全球定位信息作为该精确位置；反之，则以该惯性定位信息作为该精确位置。
再者，本实用新型还可包含一输出装置，耦接该微控制单元，以显示移动件目前所在位置，进而规划移动件行进的轨迹路线。其中，此输出装置可为一全球移动通信系统(GSM)。
再者，本实用新型的微控制单元还可包含一判断该全球定位信息是否为准确的有效位置判断单元。而有效位置判断单元接收该全球定位信息以及该误差信号。若该有效位置判断单元根据该误差信号判断该全球定位信息为准确，则该精确位置输出为该全球定位信息。
再者，本实用新型的距离感测元件可为一侦测该移动件加速度的加速度计。
再者，本实用新型的方位感测元件可包含一磁力方位感测元件、及一角度感测元件。其中，磁力方位感测元件可用来侦测移动件的方位角，而角度感测元件则可用来侦测移动件的角加速度。
再者，本实用新型的微控制单元还可包含一滤除该距离感测元件噪声、该方位感测元件噪声、以及该高度感测元件噪声的滤波单元。而此滤波单元可耦接于该惯性感测单元及该演算单元之间。
另外，本实用新型的微控制单元还可包含一地图修正单元。此地图修正单元可耦接于该距离及方向校正单元及该输出装置之间，以校正移动件行进的路线轨迹。
本实用新型的有益效果：本实用新型的位置估测装置利用GPS系统的DOP值来调整EKF滤波器中，代表装置噪声的协方差矩阵值(Covariance Matrix of Qk)、以及代表外界噪声的协方差矩阵值(Convariance Matrix of Rk)，以进一步降低甚至排除装置本身噪声及外界噪声的影响，进而估测出更准确的目标物位置，提高航迹规划的准确性。
附图说明
图1是本实用新型一较佳实施例的距离及方向校正的位置估测装置示意图。
图2是本实用新型一较佳实施例的精确位置推算示意图。
图3是本实用新型另一较佳实施例的距离及方向校正的位置估测装置示意图。
主要元件符号说明
10 惯性感测单元 20 全球定位装置
30 微控制单元 40 输出装置
60 惯性感测单元 70 全球定位装置
80 微控制单元 90 输出装置
110 距离感测元件 120 磁力方位感测元件
130 角度感测元件 140 高度感测元件
310 滤波单元 320 演算单元
330 距离及方向校正单元 340 地图修正单元
810 滤波单元 820 演算单元
830 距离及方向校正单元 840 地图修正单元
850 有效位置判断单元
具体实施方式
以上的概述与接下来的详细说明皆为示范性质，是为了进一步说明本实用新型的申请专利范围。而有关本实用新型的其它目的与优点，将在后续的说明与图示加以阐述。
请参考图1，是本实用新型一较佳实施例的距离及方向校正的位置估测装置示意图。如图1所示，本实施例的位置估测装置是设置于一移动件上，在本实施例中，此移动件为一车辆，以估测车辆目前所在位置，进而可规划车辆行进的路线轨迹。位置估测装置包括一惯性感测单元10、一全球定位装置20、一微控制单元30、及一输出装置40。其中，惯性感测单元10具有一可量测移动距离的距离感测元件110、一可量测该移动件所处方位的方位感测元件、及一可量测该移动件移动高度的高度感测元件140。
在本实施例中，距离感测元件110为用来侦测车辆加速度αa的加速度计。方位感测元件包含一磁力方位感测元件120、及一角度感测元件130。磁力方位感测元件120为用来侦测车辆方位角θa的磁力计。角度感测元件130为用来侦测车辆角加速度ωa的陀螺仪。而高度感测元件140则为用来侦测车辆气压值ρa的气压计。
全球定位装置20是每隔一第一时间t1输出一全球定位信息Pg、及一误差信号Dop。且该误差信号Dop为一全球卫星定位系统的精度因子(Dilution of Precision，DOP)。
而微控制单元30则耦接该惯性感测单元10、及该全球定位装置20，以据此产生一代表车辆目前所在位置的精确位置Pc，进而可规划车辆行进的路线轨迹，并显示于输出装置40。在本实施例中，输出装置40为一全球移动通信系统(GSM)。
上述微控制单元30包含一滤波单元310、一演算单元320、一距离及方向校正单元330、及一地图修正单元340。其中，滤波单元310耦接于惯性感测单元10及演算单元320之间，以分别滤除车辆的加速度αa、方位角θa、角加速度ωa、及气压值ρa的噪声。在本实施例中，滤波单元310为一低通滤波器(Low Pass Filter，LPF)，以将噪声过滤而降低惯性感测单元10于量测时所造成的误差，并产生滤波后的加速度αa、方位角θa、角加速度ωa、及气压值ρa至演算单元320。
演算单元320是透过滤波单元310连接距离感测元件110、磁力方位感测元件120、角度感测元件130、及高度感测元件140，以接收滤波后的加速度αa、方位角θa、角加速度ωa、及气压值ρa。并以每隔一第二时间t2输出一惯性定位信息Pi。且第一时间t1的时间间隔大于第二时间t2的时间间隔。
距离及方向校正单元330为耦接演算单元320及全球定位装置20，以根据惯性定位信息Pi、及全球定位信息Pg产生精确位置Pc。当距离及方向校正单元330接收到全球定位装置20传来的全球定位信息Pg时，距离及方向校正单元330将以全球定位信息Pg来作为精确位置Pc输出；反之，将以惯性定位信息Pi来作为精确位置Pc输出。
值得注意的是，距离及方向校正单元330是根据惯性定位信息Pi、全球定位信息Pg、及误差信号Dop而产生一位置修正信号Am至演算单元320。在本实施例中，距离及方向校正单元330包含一扩展型卡尔曼滤波器，且扩展型卡尔曼滤波器具有一代表装置噪声的装置协方差矩阵值Qk1、及一代表外界噪声的量测协方差矩阵值Rk1。在此，扩展型卡尔曼滤波器将装置协方差矩阵值Qk1乘以误差信号Dop，以及量测协方差矩阵值Rk1乘以误差信号Dop，以适应性的调整装置协方差矩阵值Qk1、与量测协方差矩阵值Rk1，进而降低外界噪声及装置本身噪声对惯性定位信息Pi的影响，以得到更精确的惯性定位信息Pi，而提高估测车辆所在位置、速度、及方位的准确性。
以下为更进一步的描述演算单元320如何估测惯性定位信息Pi、以及距离及方向校正单元330如何产生精确位置Pc。如下述，当距离及方向校正单元330有接收到全球定位信息Pg时，距离及方向校正单元330将会产生具有全球定位信息Pg的位置修正信号Am。此时，演算单元320将以全球定位信息Pg作为惯性定位信息Pi的初始位置。而距离及方向校正单元330亦将以全球定位信息Pg作为精确位置Pc输出。
而当距离及方向校正单元330未接收到全球定位信息Pg时，距离及方向校正单元330将会产生修正惯性定位信息Pi的位置修正信号Am。此时，演算单元320会根据代表全球定位信息Pg的初始位置、加速度αa、方位角θa、角加速度ωa、及气压值ρa，以每隔一第二时间t2输出车辆所在位置、速度、及方位的惯性定位信息Pi至距离及方向校正单元330，进而得到下一次的精确位置Pc。其中，计算车辆所在位置需要计算出车辆的移动距离、所在高度及所在方位。在此，车辆移动距离是由加速度αa积分两次并根据车辆在第二时间t2间隔所花的时间而求得。
车辆所在高度是根据气压值ρa，并透过关系式：而推得。其中，ρs为标准大气压力，R为气体常数，KT为温度梯度，g0为重力加速度，TS为目前设定温度。而车辆所在方位则透过方位角θa、以及角加速度ωa估算而得。
在本实施例中，演算单元320初始位置的所在方位，是撷取此时的方位角θa而推得。而推算之后惯性定位信息Pi的所在位置则皆根据初始位置的所在方位，并通过角加速度ωa积分两次而估算出相对于初始位置所在方位的相对偏移角度，进而得到之后惯性定位信息Pi的所在方位。此外，若演算单元320接收到下一次具有全球定位信息Pg的位置修正信号Am时，将改以下一次的全球定位信息Pg作为惯性定位信息Pi初始位置，并据此估算车辆所在位置、速度、及方位的惯性定位信息Pi。
请参考图2，是本实用新型一较佳实施例的精确位置推算示意图。接下来将进一步描述距离及方向校正单元330如何根据惯性定位信息Pi以及全球定位信息Pg来产生精确位置Pc0～Pc7。如图2所示，全球定位装置20是每隔第一时间t1输出一全球定位信息Pg1～Pg3...，而对应形成时间点t1a～t1c...。而演算单元320是每隔第二时间t2输出一惯性定位信息Pi1～Pi7，而形成时间点t2b～t2h...。其中，时间点t1b等于时间点t2d，时间点t1c等于时间点t2g，且此第一时间t1大于第二时间t2。
在本实施例中，距离及方向校正单元330于时间点t1a接收到全球定位信息Pg1、于时间点t1b接收到全球定位信息Pg2、于时间点t1c接收到全球定位信息Pg3。此时，距离及方向校正单元330将对应以全球定位信息Pg1、Pg2、Pg3作为精确位置Pc0、Pc3、Pc6。而演算单元320于时间点t1a接收到具有全球定位信息Pg1的位置修正信号Am1(未绘出)时，将会以全球定位信息Pg1来作为计算惯性定位信息Pi1、Pi2的初始位置，以估算精确位置Pc1、Pc2。同理，演算单元320于时间点t1b接收到具有全球定位信息Pg2的位置修正信号Am4(未绘出)时，将会以全球定位信息Pg2来作为计算惯性定位信息Pi4、Pi5的初始位置，以估算精确位置Pc4、Pc5。当然，时间点t2h亦如上述作法，以全球定位信息Pg3来作为计算惯性定位信息Pi7的初始位置，而估算出精确位置Pc7。
再来，地图修正单元340耦接于距离及方向校正单元330及输出装置40之间，以校正车辆行进的路线轨迹。当车辆行驶于路上时，精确位置Pc可能会被定位到旁边非道路的地方，透过地图修正单元340的校正，就可以把车辆拉回到更正确的位置，并传送车辆行进的路线轨迹至输出装置40。
接下来，请参考图3，是本实用新型另一较佳实施例的距离及方向校正的位置估测装置示意图。位置估测装置包括一惯性感测单元60、一全球定位装置70、一微控制单元80、及一输出装置90。其中，微控制单元80包含一滤波单元810、一演算单元820、一距离及方向校正单元830、及一地图修正单元840。
相较于图1，微控制单元80还包含一有效位置判断单元850。有效位置判断单元850接收全球定位信息Pg及误差信号Dop，以根据误差信号Dop判断全球定位信息Pg是否准确。若全球定位信息Pg被判断为准确，则输出全球定位信息Pg及误差信号Dop至距离及方向校正单元830；反之，则告知距离及方向校正单元830未收到全球定位信息Pg的信息，且产生误差信号Dop至距离及方向校正单元830。在本实施例中，若误差信号Dop小于2单位值，则全球定位信息Pg被判定为准确；反之，则有效位置判断单元850不输出全球定位信息Pg至距离及方向校正单元830。
至于本实施例的惯性感测单元60、全球定位装置70、输出装置90、及微控制单元80中，有关滤波单元810、演算单元820、距离及方向校正单元830、及地图修正单元840的工作原理皆与图1的运作相同，故在此不再赘述。
因此，本实用新型的位置估测装置利用GPS系统的DOP值来调整EKF滤波器中，代表装置噪声的协方差矩阵值(Covariance Matrix of Qk)、以及代表外界噪声的协方差矩阵值(Convariance Matrix of Rk)，以进一步降低甚至排除装置本身噪声及外界噪声的影响，进而估测出更准确的目标物位置，提高航迹规划的准确性。
上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本实用新型所主张的权利范围自应以权利要求所述为准，而非仅限于上述实施例。
Claims (7)
1.一种距离及方向校正的位置估测装置，其特征在于，设置于一移动件上，该位置估测装置包括：
一惯性感测单元，具有一能量测该移动件移动距离的距离感测元件、一能量测该移动件所处方位的方位感测元件、及一能量测该移动件移动高度的高度感测元件；
一全球定位装置，每隔一第一时间输出一全球定位信息、及一误差信号，且该误差信号为一全球卫星定位系统的精度因子；以及
一微控制单元，耦接该惯性感测单元、及该全球定位装置，该微控制单元包含：
一演算单元，耦接该惯性感测单元，并以每隔一第二时间输出一惯性定位信息。
2.如权利要求1所述的位置估测装置，其特征在于，还包含一输出装置，耦接该微控制单元。
3.如权利要求2所述的位置估测装置，其特征在于，该输出装置为一全球移动通信系统。
4.如权利要求1所述的位置估测装置，其特征在于，该距离感测元件为一侦测该移动件加速度的加速度计。
5.如权利要求1所述的位置估测装置，其特征在于，该方位感测元件包含一侦测该移动件方位角的磁力方位感测元件。
6.如权利要求5所述的位置估测装置，其特征在于，该方位感测元件还包含一侦测该移动件角加速度的角度感测元件。
7.如权利要求1所述的位置估测装置，其特征在于，该微控制单元还包含一滤除该距离感测元件噪声、该方位感测元件噪声、以及该高度感测元件噪声的滤波单元，耦接于该惯性感测单元及该演算单元之间。
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