TW200916730A - Augmented navigation system and method of a moving object - Google Patents

Description

200916730 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於·"種導航方法及系統’特別是，雜 不可見區域内能夠被精確定位之導航方法與系統。 【先前技術】 全球衛星定位系統(GPS)是-種已知的導航系统，轉衛 星信號可及的區域内可對移動物體進行準確的定位效果i然而 在衛星信號不可及的區域内，例如地下室、隨道 右= 及遮蔽情形，則衛星信號會失效無法進行定位。 ^性導航系統(INS)是另-種已知的導般系統，其允許自 呆作且不狄轉響。在進行起點位置初 恤。_導 差；此外利用GPS的長時間導輪掊痒猫、±. # 等沉巧 間遞增的誤差。 度彌補1NS導航誤差隨時 定位^專=美國專利US 6167347)揭露一種 制旦时_ ^ ’ 、、耦σ 了個全球定位系統(GPS)與一慣性

GpHTlZti利用—卡爾曼遽波器_man Filter)融合 且可利、用虎以提向組合定位與導航系統的精度，且在 且了利用’來辅助衛星訊號漏失 以增強或補充GPS信號，因㈣H之該’㈣用 適用於衛星信號可及的區域此5亥專利的疋位及導航仍是僅能 季统ΐΐίΐ上m〇87提供—種預測-移動物體於導航 方向有顯著變化時差移動物體的速度、 200916730 二灣專利丨284193揭露一種車輛的導航系統及修正方 :-二主要以GPS為導航的參考’配合—陀螺儀裝置取得-、查ί欲向與肖度，且結合—電子地圖以計算出車行位置，據此 如^正GPS的導航誤差。然而，當GPS信㈣失時應該 如何進仃疋位與導航，在該專利前案沒有揭露。 口，專利I250302揭露-種導航裝置的角度校正方法及 其利用移動物體的速度作為依據，且以—電子羅盤測得 权f值以校正gps定位資料的歧，藉此提高導航的精 ^行^及^刪沒有教導如何在GPS偵測不到的區 借⑽6,477揭露一種行人的導航方法及設 ί 能輸入行人的生理特徵(Physi〇logical CharacteristiCS) 并ΓώΙ々步行模式(step Model) ’然後以慣性谓測裝置偵測 向加速度、方向，以及藉GPS偵測行人的位置， =貝料輸入該步行模式，進而預測出該行人的位置、速 二4其t步行模式的預測值與GPS的觀測值可以藉由 又濾波器進行資料融合。然而，在該專利案中沒有教 rD何在GPS侧不__執行定位及導航。 【發明内容】 航作i於在gps無信號的條件下無法產生定位及導 創新的方：====點因此本發明提供-種 本，日 =目的係在提供—種移祕體的精確導航系統與 料^解台肋提供gps資料及慣性_資 二後鈿+台具有一預估器以進行資料的融合與預測；一無 模&用以使該前端平台的資料傳遞到後端平台；以及一誤差 GPS 配置.在前端平台或後端平台’其用以讀取 入不可貝/區生Ϊ測資料以建立一數學模型；在移動物體進 °°域寺’輸入一初始值或一輸入值於該誤差模型使其 6 200916730 產生一校正值，該校正值輸入哕 形成-預估位置用以對應該移慣性伽'm料融合以 與運練態。 购體在可見區域的位置 以下即根據本發明所揭露的 實施例，並配合圖式詳細說明。#、功效及組態，舉出較佳 【實施方式】 請參閱第1圖，一導航系統10 / 器(GPS _ver) 12用以接收來 度、距離、方向及角度等。該移移動物體的速 的貨物或麵的人料。 車子、移動 接收器12與該慣性偵測裝置 π 16，且該GPS接收器12所 二:2 :;，性_裝置14可以包含—加速度器，42早=羅 盤144及一陀螺儀146。 电于 -無線傳輸模組18伽以連接該中央處理單元16用以 傳送該GPS資料及該加速度n 142、該雜14 146所偵測的資料。 汉^丨匕螺儀 ^全球定位系統接收器12、該慣性偵測裝置14、該中央 處理單元16及δ亥無線傳輸极組18係配置在一可攜式裝置或 固定式裝置内，且將該裴置定義為一前端平台2〇广" 、一後端平台3〇係包含一訊號接收器32用以接收來自該 m端平台20的訊息。一誤差模型36連結該訊號接收器％ , 且能夠讀取該前端平台20所輸出的訊息作為參考值。 該誤差模型36係利用加速器(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 200916730 移的資訊。 該後端平台30每次針對-個觀察點所計算得到的相對速 度、方位角和位置皆與前-個觀察點的位置有關。相鄰二個觀 察點的時間間隔可以被設定成相0，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(約彳 在同 一時間點’該後端平台30所計算得到的相對速度、方位角和 位置與利用GPS感測器於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，而再 巧統計分析模式，則進-步制_感·平均誤差偏移量仏 Xn)。

田2 5接收機進入弱或無收訊區時，該後端平台30利 用接收到慣性摘測裝置14之加速度器142，陀螺儀(G =146及電子羅盤144各項資料作為一初始;^^ 該誤差，36以產生驗之感測科均誤差偏移量 誤差偏移量與該初始值或輸人值再進入 ^ _ fi|te「，HJnfinity fnte「，un_ted 技切進行數學的運算，配合路徑描_ 内建的鎖路功能，則可以進行漂移位置的修正，以 達到精準定位的效果。 / 人 值得注意的是，當前端平台2〇的訊息包含Gp 14的細情料，表示該移動物體位在GPS可 區ΐ，此時該誤差模型36執行資料分析i 予:、㈣建立但㈣城測H平均誤差偏移量(ΔΧ心。 該訊號接收器32與該誤差模型36。 态，、该誤差模型36分別將前端平台20的輸出 均誤差偏移量(△糖至該預= 你罢一貝料在顧估器34内進行資料融合並產生一預估 續亍連結該預估器34且配合一電子地圖39以 4不忒移動物體的位置及運動軌跡。 200916730 一無線網路40係位於該前端平台20與該後端平台3〇之 間，用以使s亥刖平台20的輸出訊息藉該無線網路傳送 到該後端平台40。該無線網路4〇可以是GMS網路、GPRS 網路、Zigbee網路、藍牙網路，或其組合。 請參閱第2圖，本實施例與前一實施例的不同處在於將該 誤差模型36配置在該前端平台2〇内。 該誤差模型36係用以接收GPS接收器彳2的定位以 ^該慣性侧裝置14的躺資料’且依各資料產生—數學模 *惶化境性俏測裝置14傳送偵測資料至該誤差模型％ 麵型36產生及輸出—制11平均縣偏移量(△ 置14賴啦料與該酬姐值藉該無線 組18及無線網路40傳送到該後端平台3 34接收各項資料後經融合及計算可以產生一預估位置預估器 以上所揭露的預估器34可以是—硬體一軟體 端平ft〇以^曰曼^波器(娜如Rter)來融合資料；而該後 鈿千口 3〇可以疋個人電腦(pC)或是伺服器。 原理Γΐ:移動物體在不可見區域的位置及運動執跡的預測 仿罟，圖’圖中顯示-移動物體以GPS進行絕對 位置的疋位及其運動執跡的描述 f仃3 在可見區域内’如區域A、區域 3:·_ n /、中 料可以被明確的顯示Μ的疋位及運動資 法取得GPS的定位資料所s不可見區域’如區域Β，因無 請灸㈣^ 所以顯示成空白區域。 位置的定位與運二二體y 對 細裝猶貞物—慣= 9 200916730 一定重合’這是因為慣性偵測裝置的偵測 i。換§之，對每一個摘測位置而言，GPS 貝枓與慣性制純間存在—誤差偏移量(Δχ)，且滿足： P=Q+ ΔΧ ⑴ 在區域_，雜無法料Gps故龍，但是慣性 測衣置仍可贿揮姻魏並提供伽 ΐ:置差的偏配合該誤差模型以產丄 广差偏移：_ ’代入方程式⑴則產生 (Estimating Position, EP)如下： Ερη=〇η+ΔΧη (2)

，中’ η表示在不可見區域所產生之讎次序且_。 △ X1係以_動物體在進人該不可見區域前的最後 G ，料及慣性侧資料為，始值輸人到該誤差模型所產生之 ，測器平均誤差偏移量；當G2，EP4 Qn為一輸入值被 輸入到該誤差模型以產生ΔΧη，於該誤 = 闡述於前面的說明内容。 i已 Ϊΐΐί/圖’關於該鑛物_定位及導航方法如下： = S51係、為讀取GPS資料及慣性伽資料程序。i 中，该GPS資料包含該移動碰齡置觀顺、運動翻 測值；該慣性彳貞啦料包含該移動物_位置、方向、速g 小及加速度大小等資料，且該慣性债測資料可藉由-朴^料 處理程序(Raw Data Process_執行雜精由 能ermg)、增益修正(ga丨·η correction)及數位化(digitization)阳 步驟S52係為移動物體的所在區域判別 到GPS資料及慣性偵測賴則判賴移動物體位存一可 域，如此—來，後端平台即可依該GPS資料顯示該移動物$ 的位置與運動細。若僅能讀取龍性彳貞_ 歹銘 動物=在一不可見區域，此時進入預測校正二= 二移 步驟S53係、為產生―_校正值的程序。其係以該移動 200916730 :===7筆 =料及慣性偵測資 可經計算模型後 步驟S54係為移動物體在不可見區域内的位署偽、番私私 其係於—預估器内融合該_== =值形成一預估位網。該預估位剩可上^ 性·ίί料若ί丨!明:i露的系統隨著時瞻 值^作為步㈣3所揭露之預測校正值程“的 配口義差模型的計算以產生下―個預估位置。如此重覆直至 =動^__可見區域。是以，#該機_在不可見區 置及鼓缝侧做扣絲該雜物體的位 因，本發明所揭露的系統與方法可以在GPS無法觀測的 不可見區域内顯示出被追縱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结合 以作為旅行者、登山者或救難者的導航器；配&電子“ ，車輛的導航器，再加上無線網路則可以達到為車輛的追縱與 監控，而配設一記憶體元件則可以作為行車記錄器。 、，上乃本發明之較佳實施例以及設計圖式，惟較佳實施例 2及設計圖式僅是舉例說明，並非用於限制本發明技藝之權利 範圍，凡以均等之技藝手段、或為下述「申請專利範圍」内容 所涵蓋之權利範圍而實施者，均不脫離本發明之範轉而為申請 人之權利範圍。 〜° 【圖式簡單說明】 第1圖係本發明之一導航系統示意圖。 第2圖係本發明另一導航系統示意圖。 200916730 第3A圖係本發明之導航系統顯示一移動物體在可見區域之位 置與運動狀態示意圖。 第3B圖本發明之導航系統顯示一移動物體在不 置與運動狀態示賴。 第4圖係本發明之導航方法流程圖。 【主要元件符號說明】 10導航系統 11人造衛星 12全球疋位系統接收器 14慣性谓測裝置 142加速度器 144羅盤 146陀螺儀 16中央處理單元 20前端平台 32訊號接收器 36誤差模型 39電子地圖 無線傳輸模紐 3〇後端平台 Μ預估器 38顯示器 —“^ 4〇無線網路 S51讀取GPS資料及慣性伯測資料程 S52係移動物體的所在區域判別程序 S53係產生一預測校正值的程序 辦係移動物體在不可見區域的位置與運動執跡預測程序

Claims (1)

1. 200916730 十、申請專利範圍： 1·一種移動物體的精確導航方法，係用以顯示該移動物體 在一不可見區域内的運動位置及執跡，其包含以下步驟： ^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定位資料與該慣性導航系統資料，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該誤差模型以產生及輪出一 第一感測ϋ平均誤差偏移量(ΔΧ1); ^ 口該第一感測器平均誤差偏移量（ΔΧ1)與該移動物體位在不 可見區域内所產生的第一筆慣性偵測資料(Q1)進行資料融合， 則形成一第一預估位置(ΕΡ1)以對應該移動物體的位置與運動 執跡。 、 、2·如申請專利範圍第1項所述之移動物體的精確導航方 法’其中，該慣性偵測資料係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.如申請專利範圍第1項所述之移動物體的精確導航方 法^其中’取第η-1筆預估位置EFVl的資料與第η筆的慣性偵 1，料Qn作為一輸入值且輸入到該誤差模型以產生一第η感測 器平均誤差偏移量ΔΧη，接著融合產生第η預仕 位置ΕΡη，其中η^2。 、、4·如申請專利範圍第1項所述之移動物體的精確導航方 法，其中，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. —種移動物體的精確導航系統，係用以顯示該移動 的位置與運動軌跡，其包含： 體 刮置平台，係配置在該移動物體，其具有一中央處理單 13 200916730 ^無^連結針域尋元，及 ===置平台的輸出訊息 一無線網路，係位於該前置平台輿 1前置平台的輪出訊號傳送到該後端平台的該 且與平台與該後端平台之其―， ^如申請專利範圍第5項所述之移動物體的精 陀儀日、！該5性偵測裝置包含—加速度器'、—電子羅盤及-^ 述之敕該巾央處理單元。7·如巾請專概11第5項所 蹲移動物體的精確導航系統，其中該誤差模型係一軟體，一 或一韌體，用以將該GpS接收器的定位資料與該慣性偵測 我置之偵測資料進行離散式數學累積及/或積分運算。 8_如申請專利範圍第5項所述之移動物體的精確導航系 、4 ’其中，該無線網路包含GSM網路、GPRS網路或zigbee 網路。 έ 9·如申請專利範圍第5項所述之移動物體的精確導航系 統，其中’該後端平台可以是一電腦或一伺服器。 1〇·如申請專利範圍第5項所述之移動物體的精確導航系 统’其中，該預估器包含一卡爾曼濾波器。 14