TW583411B - Signal sensing and output control method and system of the vehicle GPS/INS positioning system - Google Patents

Description

583411 五、發明說明（1) 一、 發明所屬之技術領域 本發明係有關於一種載具之GPS/丨NS定位系統的 感測及輸出控制方法與系統，尤指一種自全球定位么、 由加速度感測之慣性定位系統作特殊 =統與 對全球定位系統資料及慣性定位系統資料正並 進而輸出正確有效的定位資料，俾達到Ί 易及提高經濟效益之目的者。 难護各 二、 先前技術 ，全球定位系統（GPS )與慣性定位系統(】N 具經㊉使用的定位系統，其中，全球定位疋载 藉由接收多顆衛星微波信號而計算出載具即時i位置)係 度及加速度等資料’進而提供载具定位之 二、速 位和所計算出的相關資料產生誤差 會有吾星不能定 習知是由慣性定位系統（INS)作為補救、，目前板^，而—般 性定位系統都是以陀螺$ & 一 乂㊉見的慣 娟掠盅浐古 義為主惟陀螺儀不僅價格昂眚 的定位需求而古，汽車换 f費用杈同，β目前汽車 效益；再者，雖右如妓、主—Λ俄作為疋位，實不符經濟 一-二啼查4雖有林月方所創作台灣專利公告第五0二 仍然是益法達：太：： 方法與本發明有諸多不同’ GPS/Γμ，^人 之功效，此外，還有其他的 方沬沾φ ^ > 無卿疋控制系統設計或是控制的 =法句與本發明有所不同，故無法達成與本發明相同之功

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五、發明說明（2) 因鑑於全球定位系統（GPS )與慣性定位系統（INS)的 整合一直是航太界的一個目標，其中又牵涉到兩個系統硬 體與韌體的整合，在整合設計上有其實際的困難。故往往 這種整合是在GPS模組與慣性定位模組之後再做定位資料 處理的整合。本發明人等藉由多年的技術經驗深入研究， 經過潛心研發’特別提出一個整合的方法，讓Gps與丨Ns兩 個模組結合成一個模組，並在每一週期依照順序提供Gps 和INS的定位資料。 三、發明内容

本發明之主要目的，在於提供一種透過簡單的電路盥 韌體設計即可實現GPS資料與ins資料的整合輸出並有效應 用於載具疋位之方法，其主要係自全球定位系統Gps取得 載具之定位資料，並自每秒的全球定位資料報告週期中梅 取60 0〜850微秒的全球定位系統資料，另於一微電腦處理 器建立一慣性疋位系統I NS ’並利用一加速度計感測載具 之加速度^料，將該加速度資料輸入微電腦處理器計算， 並設定使微電腦處理器對加速度在每一週期取樣適當次 數，再以加速度及取樣週期計算出慣性定位系統之速度， 並於每週期中輸出1 2 0微秒的慣性定位系統速度資料，若 是全球定位系統GPS定位資料中的速度為可利用，則設定 慣性速度等於GPS速度，即完成載具一個週期的Gps定位資 料及慣性速度整合輸出報告。 本發明之另一目的，在於提供一種電路構造簡化，並 能有效整合GPS與INS速度資料來應用於載具定位之系統；

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五、發明說明（3) 其係包含有一全球定位系統，一寫入有慣性定位系統之微 電腦處理器，一與該微電腦處理器連接之加速度計，一與 微電腦處理器連接之偵測電路，一與該微電腦處理器連^ 之GPS/INS資料輸出切換電路，及一用以串接Gps與微電月似 處理器之串列匯流埠。 尚 四、實施方式 請配合參看第一、二、三圖所示，本發明之方法，主 要係自全球定位系統（GPS )取得載具之定位資料，並自 每秒的全球定位資料報告週期中擷取6〇〇〜86()微秒的全球 定位系統資料，另於一微電腦處理器内建立一慣性定位系 統（I NS )，並利用一加速度計感測載具之加速度資料， 將該加速度資料輸入微電腦處理器計算，並設定使微電腦 處理器對加速度在每一週期取樣適當次數，再以加速度資 料及取樣週期計算出載具之慣性定位系統的速度及速度方 向和位置’並於每週期中輸出十分之一週期的慣性定位系 統的慣性加速度、速度與位移資料，再判斷載具之全球定 位系統（GPS)的速度VGPS是否為可利用，當載具之全球 定位系統（GPS )的速度VGPS被判斷為可利用，^於一定 週期設定慣性定位系統（I N S)的速度V I N S等於全球定位系 統（GPS)之速度VGPS並輸出報告，即完成載具一個週期的 全球疋位系統（G P S)資料及慣性定位系統（丨n s )資料的整 合輸出報告。 其中，本發明實施時較佳的實施例，係自每秒的全球 定位資料報告週期中擷取860微秒的全球定位系統資料，

第6頁 583411 五、發明說明（4) ' ---- 而每週期中連續擷取超過86〇微秒的全球定位系統資料則 不予採納。 " 其中，本發明實施時較佳的實施例，係微電腦處理器 對加速度計在每一秒的取樣次數設定為十次。 其中，本發明實施時較佳的實施例，經過加速度及取 樣週期計算出慣性定位系統之速度，以每秒週期輸出^ 2 〇 微秒的慣性定位資料。 其中，本發明實施時較佳的實施例，在可用的全球定 位系統（G P S )的速度V G P S小於5 k m / h r，便校正慣性定位 系統（INS )的速度均為零，若可用的全球定位系統（Gps )的速度VGPS大於20km/hr時，於一定週期便校正慣性定 位系統（INS)的前進速度VINS等於全球定位系統（Gps) 之速度VGPS。 其中，本發明實施時，可以串列方式輸出入全球定位 系統GPS及慣性定位系統I NS資料，藉以擴展至多位元、兩 並列資料的輸出控制。 其中’本發明實施時，其加速度計所感測之載具加速 度為二轴（2-Dimension)加速度資料。 其中’本發明實施時’其加速度計所感測之載具加速 度可為三軸（3-Dimension)加速度資料。 請參看第四、五、六圖所示，本發明之系統，其係包 含有： 一全球定位系統GPS(30)，用以接收衛星之訊號以對 載具作定位；

第7頁 583411 五、發明說明（5) 微電腦處理器U 1，於該微電腦處理器u丨寫入 定位系統（IN S)， '' 、 一加速度計U2，與該微電腦處理器旧連接，提供該微 電腦處理器U1所需之加速度資料； 一 GPS資料傳輸偵測電路（1 〇 )，與微電腦處理器^ 1連 接，用以福測及控制全球定位系統（GPS )資料輸入該微 電腦處理器U1 ; 以 口 一GPS/INS資料輸出切換電路（20)，與該微電腦處理 器U1連接，用以控制全球定位系統（GPS )與慣性定位系 統（I NS )資料輸出切換及輸出之週期；及 一串列匯流埠，用以串接全球定位系統（Gps )盥微 電腦處理器U1。 /、 其中’本發明較佳實施例，其GPS資料傳輸偵測電路 (10)，係於全球定位系統（GPS )輸入線分接一PNp電晶體 Q1之基極’該電晶體Qi射極接電壓源vcc，集極延伸接至 ，電腦處理器U1之Ρ〇· 〇接腳，且該集極延伸線分接一電容 裔C1，該電容器C1並聯一電阻R2再接地。 其中’本發明較佳實施例，其Gps/INS資料輸出切換 電，（2〇) ’係於全球定位系統（GPS )輸入線分接另一PNP f晶體Q3之基極，該電晶體Q3射極延伸連接至微電腦處理 器U1之P1· 7接腳，而該電晶體q3之集極則連接一 NPN電晶 體Q2之基極’該電晶體⑽射極接地，該電晶體Q2之集極連 接至说電腦處理器U1之T X D接腳。 其中’本發明實施時，請配合參看五圖所示，可將

583411 五、發明說明（6) ΐ%ZS^ ^ ^^^^ ^ ^ t #^ ^^ f(J „ GPS及Λν ’使其得以串列方式輸出入全球定位系統 資料的V屮疋：系統1NS資料，藉以擴展至多位元、兩並列

貝枓的輸出控制。 J 實施Ϊ中；串列式資料輸出入控制切換電·，本發明 電曰】：：f:位兀的並列埠，④電路係由八組切換控制 ，母組切換控制電晶體組係由-層電晶 曰：》連接ΝΡΝ電晶體之基極，該ΝΡΝ電晶體射極接地， f母組切換控制電晶體組之ΡΝρ電晶體之基極匯接至並列 貝料輸入端，而每組切換控制電晶體組之NpN電晶體之集 極依序串接至微電腦處理器之!>2. 〇至ρ2· 7的接聊曰曰也就是 此並列資料輸出端。 其中，本發明實施時，其加速度計U2可為二軸（2 — 加速度計。 其中，本發明實施時，其加速度計U2可為三 加速度計。 本發明之加速度計定位原理，係以移動載具的相對位置 S、速度大小V與運動方向q，做為描述運動載具的三個重 要參數。其中移動載具的相對位置在計算機的功式為：

(1) Sx(k+l)=Sx(k)+Vx(K)X T; Sy(k+l)^Sy(k)+Vy(k)X T 而速度大小V之計算公式為： (2) Vx(k)=Vx(k-l)+ax(k)X χ； Vy(k) = Vy(k-1)+ ay (k)χ T 其中ax(k)、ay (k)乃是藉由加速度計的感測，而T則為每 次的取樣週期。至於載具移動的方向0可由下式求得 583411 五、發明說明（Ό Θ = tan-1 ( Vy/Vx) 本發明系統的運作原理如下： 1 · GPS資料狀態接腳能感測GPS資料的傳送狀態，其 GPS資料輸入的時間每秒更新報告週期中佔據6 〇 〇微秒' 至9 8 0微秒。 2 · GPS資料在輸入時所產生的高低信號會快速開關 損測電路中的電晶體Q1 ’進而將電容器C1充電至高電位狀 態。 3 ·其中，微電腦處理器U1的P0接埠是絕緣璋，藉 此’被電細處理裔U1的接腳p 〇 · 〇能夠感測電容号◦ 1是處於 高電位狀態（GPS資料在傳送狀態）或是低電位狀態（Gpg"5沒、 有資料在傳送），而不會降低電容器c丨的電壓。 4 ·其中’電容器C1的放電放電率是由偵測電路中的 電阻R2之電阻值大小來依實際需要設定控制。 5 · GPS資料的輸出會反映在q2的集極，再與INs資料 輸出接腳U1之TXD相連接，當無INS資料輸出時，w 2Τχΐ) 接腳是被内部拉至高電位狀態。 6 ·若是GPS資料輸出控制接腳是在高電位狀態，則 INS每次取樣資料並不會輸出而是被儲存在微電腦^理器 U1的記憶體中，此時GPS資料信號會經由q3的基極反映 Q2的集極上輸出。 ' j 7 · GPS資料輸出控制接腳呈低電位狀態時，便會停 止GPS資料輸出，也就是除能q3，同時開始經由微 理器TXD接腳輸出INS資料。 583411

五、發明說明（8) 8 .其中，GPS資料傳輪時間最大值是控制在 告週期的8 6 〇微秒，而INS資料傳輸時間則 週期的1 2 0微秒。 π P m σ 9 .因此，GPS資料若是超過每秒報告週期8 6 〇微 秒，由於是一些星歷資料（如$GPGSV )等非必要的Gps資 料而欲被忽略不計，便可藉由設定GPS資料輸出控制接= 呈低電位狀態即可達成。 1 0 ·當微電腦處理器U1完成INS十次取樣，且偵 電路的電容器ci呈低電位狀態，或者是GPS資料輸入超過 母秒報告週期的8 6 0微秒，其微電腦處理器υ丨都合於 輸出INS資料。 《 口 1 1 ·有關兩串列資料輸出控制的方法，可擴展至多 位元、兩並列資料的輸出控制，請配合參看第五圖所示。 因此，藉由本發明之方法與系統設計，可歸納本發明 具有下列幾點優點： $

1 ·藉由二或三轴的加速度計感測各輛加速度，再積分 獲得速度、及速度方向和位置之定位資料，配合簡化的谓 測與切換控制電路設置即可產生有效的定位資料整合，沒 有傳統必須使用陀螺儀的限制。 X

2.慣性疋位系統（I N S )的定位會有累積誤差的問 題，本發明透過韌體取得全球定位系統（GPS )的定位資 料’判斷校正慣性定位系統（I N S )的定位資料。而當〇 ρ ς 失效後，本整合模組亦能提供移動物體一定準確程度的定 位貢料。

第11頁 583411 五、發明說明（9) 3· GPS資料與INS 化的電路與韌體實現 低，經濟效益高。 資料的 切換 整 合 ，定位資科具有 及匈％校 足约的正 个我％工述之技術特徵已具體 符合新賴性進步性及產業利：：：於申請 谨钿鈞局依法核 j用彳貝值等發明 核予專利，以維護本申請人合 正是透過簡 確性，成本 利範圍， 利要件， 之權益。 583411 圖式簡單說明 五、簡單圖式說明 (一） 圖式部份： 第一圖係本發明之資料輸出入控制流程示意圖。 第二圖係本發明之GPS與INS速度判斷校正示意圖。 第三圖係本發明之GPS與INS速度取樣時序示意圖。 第四圖係本發明之整合電路示意圖。 第五圖係本發明另一實施例示意圖。 第六圖係本發明GPS與微電腦處理器等硬體示意圖。 (二） 圖號部份： (1 0 ) GPS資料傳輸偵測電路 (2 0 ) GPS/INS資料輸出切換電路 (3 0 )全球定位系統 (40) 串列式資料輸出入控制切換電路

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Claims (1)

1. 583411 六、申請專利範圍 1 · 一種載具之G P S / I N S定位系統的訊號感測及輸出 控制方法，其主要係自全球定位系統（GPS )取得載具之 定位資料，並自每秒的全球定位資料報告週期中擷取 6 0 0〜8 6 0微秒的全球定位系統資料，另於一微電腦處理器 内建立一慣性定位系統（I NS )，並利用一加速度計感測 載具之加速度資料，將該加速度資料在微電腦處理器計 算’並設定微電腦處理器對加速度在每一週期取樣適當次 數，再以加速度資料及取樣週期計算出載具之慣性定位系 統各軸的速度及速度方向和位置，並於每輸出週期中的十 分之一週期為慣性定位系統的資料，再判斷載具之全球定 位系統（GPS )的速度是否為可利用，當載具之全球定位 系統（G P S )的速度被判斷為可利用，則於一定週期設定 慣性定位系統的速度等於全球定位系統Gps之速度並輸出 報告，即完成載具一個週期的全球定位系統Gps資料及慣 性定位系統資料的整合輸出報告。 2 ·如申請專利範圍第1項所述之載具之GpS/INS定 位系統的訊號感測及輸出控制方法，其中，可自每秒的全 球定位資料報告週期中擷取8 6〇微秒的全球定位系統資 料’而每週期中連續擷取超過860微秒的全球定位系統資 料則不予採納。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之載具之GPS/INS定 位系統的訊號感測及輸出控制方法；其中，該微電腦處理 器對加迷度在每一週期取樣次數設定為十次。 4 ·如申請專利範圍第1項所述之載具之GPS/INS定

   第14頁 583411 六、申請專利範圍 位系統的訊號感測及輸出控制方法；其中，經過加速度及 取樣週期計算出慣性定位系統之速度，在每秒週期中輸出 1 2 0微秒的慣性定位資料。 5 ·如申請專利範圍第1項所述之載具之GPS/INS定 位系統的訊號感測及輸出控制方法；其中，當可利用的全 球定位系統（G P S )的速度小於5 k m / h r，便設定全球定位 系統（GPS )的速度等於零，而可利用的全球定位系統 (GPS)的速度大於20km/hr時，於一定週期便校正慣性定 位系統（INS )的前進速度VI NS等於全球定位系统G 之速度VGPS。 、 、 ύ 訊號感測及輪出 6 · —種載具之GPS/INS定位系統的 控制系統，其係包含有： 一全球定位系統GPS，用以接收傲s 作定位； 衝星之訊號以對載具 一微電腦處理器，於該微電腦處如 系統I NS ; 裔寫入有慣性定位 一加速度計，與該微電腦處理器 處理器所需之加速度資料； °建接，提供該微電腦 微電觸處理器連接，用 一GPS資料傳輸偵測電路，與 以偵測及控制全球定位系統（Gps ^ 理器； ）z貝料輪入該微電腦處 一 GPS/INS資料輸出切換電 接，用以控制全球定位系統（G ，與該微電腦處理号 )資料輸出切換及輸出之週期；及）與慣性定位系統°(1?^

   583411 六、申請專利範圍 一串列匯流埠，用以串接全球定位系統（Gps )與微 電腦處理器。 7 ·如申清專利範圍第6項所述之載具iGps/INS定 位糸統的ail 3虎感測及輸出控制糸統；其中，G P S資料傳輸 偵測電路，係於全球定位系統（GPS )輸入線分接一ΡΝΙ^電 晶體之基極’該電晶體射極接電壓源，而集極延伸接至微 電腦處理器之Ρ0·0接腳’且該集極延伸線分接一電容哭， 該電容器並聯一電阻再接地。 σσ 8 .如申請專利範圍第6項所述之載具2GPS/INSS 位糸統的訊5虎感測及輸出控制糸統；其中，gps/ins資料 輸出切換電路’係於全球定位系統（GPS )輸入線分接另 一 P N P電晶體之基極’該電晶體射極延伸連接至微電腦處 理器之P1· 7接腳，而該電晶體之集極則連接一NpN電晶體 之基極’該電晶體射極接地，該電晶體之集極連接至微電 腦處理器之TXD接腳。 9·如申請專利範圍第6項所述之載具2Gps/INS定位 系統的δίΐ號感測及輸出控制系統；其中，可將◦ p g / I n g二欠 料輸出切換電路設為串列式資料輸出入控制切換電路。貝 / 1 0 ·如申請專利範圍第9項所述之載具iGPS/INS定 位系統的訊號感測及輸出控制系統，其中，串列式資料輸 出入控制切換電路，可為多位元的並列埠，其電路係由二 組切換控制電晶體組所組成，每組切換控制^晶體組係由 一PNP電晶體集極連接一NPN電晶體之基極，該NpN電晶體 射極接地，且每組切換控制電晶體組之pNp電晶體之基極

   第16頁 583411 六、申請專利範圍 匯接至並列資料輸入端，而每組切換控制電晶體組之N P N 電晶體之集極依序串接至微電腦處理器之輸出埠P2. 0至 ： P 2. 7的接腳，也就是此並列資料輸出端。 1 1 ·如申請專利範圍第6項所述之載具之GPS/INS定 位系統的訊號感測及輸出控制系統；其中，其加速度計為 二軸加速度計。 1 2 ·如申請專利範圍第6項所述之載具之GPS/ I NS定 位系統的訊號感測及輸出控制系統；其中，其加速度計為 三軸加速度計。

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