TWI477800B - 可感測立體軌跡之定位裝置及其立體軌跡的感測方法 - Google Patents

Description

可感測立體軌跡之定位裝置及其立體軌跡的感測方法

本發明有關於一種定位裝置及其方法，且特別是有關於可感測立體軌跡的定位裝置及其感測立體軌跡的方法。

喜好進行登山、健行或攀岩等活動的運動者經常會在進行上述活動時攜帶定位裝置，除了用以量測氣溫、氣壓或記錄運動者的生理數值之外，還用以提供導航、移動路徑記錄等功能。

一般常用定位裝置係為利用全球定位系統(GPS)提供的座標位置實施導航與路徑偵測功能。但使用全球定位系統卻經常受限於提供資訊的衛星的位置，在提供高度或與地表垂直之位移變化的能力或準確度上都有不足。通常以全球定位系統量測高度所產生的誤差會遠大於量測平面位置的誤差。特別是對於徒步登山或健行的運動者來說，移動過程中地勢高低的變化量難以利用全球定位系統準確感測，因此無法利用定位裝置記錄或追蹤運動者的垂直運動位移。

即使有部分定位裝置增加了氣壓計輔助量測定位裝置的高度變化，但氣壓計也易受到外在氣候環境及本身設計造成誤差的影響，也不易準確記錄定位裝置隨運動者位移所產生的高度變化。

為此，本發明實施例提供一種可感測立體軌跡之定位 裝置，包括全球定位模組、加速度感測模組及運算單元。全球定位模組用以取得定位裝置的全球定位資訊。加速度感測模組持續感測定位裝置運動所產生的三維加速度變化並據以計算定位裝置的三維加速度向量。運算單元耦接全球定位模組及加速度感測模組，並根據全球定位資訊產生平面位置資訊，以及根據三維加速度向量產生短距離的多個三維軌跡。運算單元還根據平面位置資訊及所述多個三維軌跡產生多個短距離軌跡，並根據所述的多個短距離軌跡而形成長距離的三維運動軌跡。

除此之外，本發明實施例還提供一種立體軌跡的感測方法，適用於如上述的定位裝置。所述方法包括：接收定位裝置的全球定位資訊；接收根據定位裝置運動所產生的三維加速度變化而計算出的三維加速度向量；根據全球定位資訊產生平面位置資訊，以及根據三維加速度向量產生短距離的多個三維軌跡；根據平面位置資訊及所述多個三維軌跡產生多個短距離軌跡；及根據所述多個短距離軌跡而形成三維運動軌跡。

綜上所述，本發明實施例所提供的定位裝置及其立體軌跡感測方法可提供定位裝置相對於地方的水平方向及垂直方向的移動資料，進而提供立體的三維運動軌跡。

〔第一實施例〕

請參照圖1所繪示的一種可感測立體軌跡之定位裝置實施例之方塊圖。定位裝置1可包括全球定位(Global Position System,GPS)模組100、加速度感測模組102及運 算單元104。全球定位模組100及加速度感測模組102分別耦接於運算單元104。

全球定位模組100用以接收全球定位資訊，全球定位資訊中可包括地表的經、緯度。現有的全球定位模組100已可提供相當準確的全球定位資訊，其誤差通常在數公尺內甚至更小。因此以全球定位資訊對定位裝置1的所在地進行定位可得到相當準確的結果。

加速度感測模組102可為三軸加速度計，用以感測定位裝置1運動所產生的三維加速度，並據以計算出定位裝置1的三維加速度向量。根據定位裝置1的多個三維加速度向量可以計算出定位裝置1的移動速度及三維的位移，藉此除了可得知定位裝置1的水平位置變化之外，還可得到定位裝置1向上攀升或向下降低的垂直位置變化。本實施例中的加速度感測模組102可為重力感測器(G sensor)。重力感測器可以感測出定位裝置1傾斜的程度。藉此，當使用者攜帶定位裝置1的行進時，運算單元104可判斷定位裝置1的傾斜與否而獲得使用者正往上坡方向或下坡方向行進的軌跡。

運算單元104可為嵌入式控制器、微控制器或中央處理器，用以接收全球定位資訊以產生平面位置資訊。所述的平面位置資訊可為經、緯度所組成的地表二維座標。請參閱圖2所示的軌跡示意圖。圖2所示的橫軸可為經度軸，縱軸則為緯度軸，兩軸所形成的二維平面為對應於地表的經緯座標平面。在全球定位模組100持續感測全球定位資訊的情況下，運算單元104可依序按照平面位置資訊而得知定位裝置1在地表的平面移動軌跡。若將平面移動軌跡 視覺化顯示，則可供使用者觀察到如圖2所繪示的一段平面移動軌跡20，表現出定位裝置1在地表的各個位置，以及前進、後退、左轉或右轉等軌跡。

運算單元104還用以接收加速度感測模組102所計算的三維加速度向量，並且依序根據多個三維加速度向量而產生定位裝置1的三維軌跡。請參閱圖3所繪示的軌跡示意圖。為了簡化圖示，圖3繪示的是三維軌跡的其中二維座標構成的二維示意圖，其中的橫軸為相對於定位裝置1本身的平面座標之一(假設為x軸)，縱軸為相對於定位裝置1本身的高度座標(假設為z軸)。所述的三維軌跡可包括定位裝置1的平面位置變化以及其相對應的垂直位置變化。換言之，加速度感測模組102感測到的三維加速度向量不僅可供運算單元104判斷定位裝置1本身的平移資訊，更可根據定位裝置1本身的垂置位移變化而判斷定位裝置1移動過程中的高低起伏。若將根據三維加速度向量計算出來的軌跡視覺化後，即可呈現出如圖3所示的三維軌跡30。

具體來說，加速度感測模組102可在時間△T 內根據三軸的加速度計算出三維加速度向量Aβ ，並據此得到定位裝置1在時間△T 內的速度向量V及位置向量S：V=V _ε +Aβ ．△T ；S =V _ε ．△T +1/2Aβ ．△T ² ；其中，速度向量V為時間△T 內的最後速度；V _ε 為時間△T 內的初始速度，亦即為前一個時間△T 的最後速度。經過多個時間△T 後可算計出多個位置向量S _μ ：S _μ =V _{μ -1} ．△T _μ +1/2．Aβ _μ ．△T _μ ² ，其中，μ 為正整數。

運算單元104可計算每個S _μ 投射在三維座標上的分量為S _μx 、S _μy 及S _μz ，其中兩個維度(例如對應於定位裝置1之顯示器的兩軸所形成的座標平面)的所有分量的連線就形成三維軌跡當中的平面曲線，再結合第三個維度的分量後，就形成對應於定位裝置1的三維軌跡。

然而，由於加速度感測模組102僅感測定位裝置1本身的運動而產生相對資訊，因此雖可得知定位裝置1相對於自身的三維移動變化，但無法據此得知定位裝置1從何處開始移動，或是從何處開始向上攀升或下降。換句話說，藉由加速度感測模組102之三維加速度向量尚無法得到定位裝置1移動過程中的絕對位置資訊。

因此，運算單元104可結合可提供絕對位置的平面位置資訊以及可提供三維位移變化資訊的三維軌跡，計算出定位裝置1移動過程中的立體軌跡。所述的立體軌跡當中不僅包括高度變化的資訊，同時也可計算出定位裝置1在立體軌跡當中的每一個平面位置。

值得一提的是，由於加速度感測模組102產生的三維加速度向量是對三維加速度進行計算而得，而速度係為加速度對時間進行積分而得，積分所產生的誤差會隨著距離的增加而累積。若累積的誤差過大，將使得根據三維加速度向量計算出來的三維軌跡逐漸偏移，並造成立體軌跡與定位裝置1實際上的移動模式不符。換言之，當根據平面定位位置與多個三維軌跡計算定位裝置1的立體軌跡時，需要適時地提供定位位置以校正立體軌跡，避免計算出來的立體軌跡過度偏移。因此，在本實施例中，上述的立體軌跡為每隔一段移動距離後校正的一段短距離軌跡，以維 持短距離軌跡的準確性。

由於全球定位模組100所接收到的全球定位資訊可提供正確性高的平面位置資訊，因此，運算單元104更根據接收到的全球定位資訊計算定位裝置1移動的距離，當每隔上述的移動距離時，運算單元104接收新的全球定位資訊並產生平面位置資訊為一定位位置，以根據定位位置重新設定定位裝置1所在地。藉此，運算單元104可依序根據定位位置結合來自加速度感測模組102的多個三維加速度向量，分段計算出多個移動距離內的短距離軌跡。

請參閱圖4所示的軌跡示意圖。為了簡化圖示，圖4繪示的是三維的短距離軌跡的其中二維座標構成的二維示意圖，其中的橫軸為相對於地表的經度座標，縱軸為垂直於地表的高度座標。亦即在圖4上的每一點對應於一特定的經度座標值、特定的緯度座標值，以及一特定的高度座標值，惟緯度座標於圖4未示。其中，運算單元104可先接收全球定位資訊而產生定位位置22a，並判斷出定位裝置1所在的一平面絕對位置(即所在經、緯度)，再接收連續的多個三維加速度向量而得到定位裝置1從定位位置22a開始的一段三維軌跡30a。將定位位置22a作為三維軌跡30a的起始點加以結合後，即可得到短距離軌跡32a。

運算單元104可重覆地在每隔一段移動距離後，重新計算每一段短距離軌跡，產生如圖4所示的多段短距離軌跡。圖4所示的每一段短距離軌跡32a、32b及32c分別結合了定位位置與三維軌跡：22a與30a、22b與30b、22c與30c。運算單元104將計算出的各段短距離軌跡32a到32c依序連接即可產生一段長距離的三維運動軌跡34，藉此提 供包括定位裝置1之高度變化資訊的運動軌跡，並且利用全球定位資訊適時更新定位位置而減少軌跡的偏移。

請繼續參照圖1，本實施例的定位裝置1還可包括輸出單元106以及儲存單元108，並分別耦接於運算單元104。儲存單元108可為快閃記憶體或電子式可程式可抹除唯讀記憶體(EEPROM)等非揮發性的儲存晶片，用以儲存運算單元104算出的各個短距離軌跡。儲存單元108還可儲存電子地圖。輸出單元106可為定位裝置1的液晶螢幕，用以顯示運算單元104所輸出的資料。運算單元104可以根據計算出來的多個短距離軌跡，將定位裝置1之三維運動軌跡的立體曲線搭配儲存單元108中的電子地圖，輸出到輸出單元106。藉此，定位裝置1的使用者可以在螢幕上看到包含高度變化的運動軌跡。

〔第二實施例〕

請參閱圖5所繪示的一種立體軌跡的感測方法實施例的流程圖。本實施例所述的感測方法係可適用於如圖1所示的定位裝置1，故請一併參照圖1以利理解本實施例的各流程步驟。

定位裝置1的運算單元104接收全球定位模組100定期感測到的全球定位資訊(S501)，以及接收由加速度感測模組102根據感測定位裝置1自身因移動而產生的三維加速度所算出的三維加速度向量(S503)。

運算單元104接著可先依據全球定位資訊獲得平面位置資訊，以及根據多個三維加速度向量而獲得定位裝置1移動的三維軌跡(S505)。其中，從全球定位資訊所獲得的 平面位置資訊可為代表定位裝置1所在地之絕對位置的經、緯度座標。運算單元104可根據接收到的三維加速度向量(Aβ )及加速度感測模組102感測三維加速度的一時間(△T )計算定位裝置1的運動速度(V)，再根據運動速度(V)、三維加速度向量(Aβ )及所述時間(△T )計算三維軌跡。

接著運算單元104可結合平面位置資訊及取得平面位置資訊之後所算出的三維軌跡而獲得一段短距離軌跡(S507)。換言之，將可提供平面絕對位置之資訊的平面位置資訊結合於僅能表現定位裝置1之相對移動狀態的三維軌跡後，使得短距離軌跡可對應於定位裝置1水平移動的絕對位置，亦可表現出定位裝置1的高低起伏。由於根據三維加速度計算出來的三維加速度向量會隨著距離而累積誤差，故為適時校正三維軌跡的偏移，運算單元104可根據全球定位模組100定時感測到的全球定位資訊而計算出定位裝置1移動的距離，並且每隔一段移動距離，即根據平面位置資訊作為定位位置，再計算從定位位置為起始點的三維軌跡，以產生另一段短距離軌跡。

運算單元104計算出多段短距離軌跡後，可依序連接所述的多段短距離軌跡而產生長距離的三維運動軌跡(S509)，所述的三維運動軌跡不但包括定位裝置1相對於地表的平面位移記錄，也包括定位裝置1移動過程中的高低起伏等資訊的記錄。所述的三維運動軌跡可儲存在儲存單元108以供查詢。最後，運算單元104可以根據計算出並儲存在儲存單元108的資料，將多個短距離軌跡輸出到輸出單元106，以供定位裝置1的使用者瀏覽三維運動軌跡 的立體曲線(S511)。

其他與本實施例相同或相仿的說明，敬請參照前一實施例中相對應內容所述，於此不再贅言。

〔實施例的可能功效〕

根據本發明實施例，上述的定位裝置及其立體軌跡的感測方法提供一種可感測、記錄及顯示定位裝置運動時之三維位置變化的能力。藉此可解決一般定位裝置僅能提供平面定位而高度或垂直位移則無法準確量測的問題。

此外，根據本發明實施例所揭示，上述定位裝置及其立體軌跡的感測方法利用可提供準確之絕對位置的全球定位模組的資訊，校正利用加速度感測模組感測到之資料而計算出的軌跡，防止估算出來的三維軌跡的偏移，可確保量測出來的移動軌跡與定位裝置實際上的移動模式相符。

更進一步來說，上述定位裝置及其立體軌跡的感測方法還可將計算出來的具有三維之資訊的三維運動軌跡儲存及輸出，用以供使用者直接觀察到定位裝置移動的立體移動曲線。

以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。

1‧‧‧定位裝置

100‧‧‧全球定位模組

102‧‧‧加速度感測模組

104‧‧‧運算單元

106‧‧‧輸出單元

108‧‧‧儲存單元

20‧‧‧平面移動軌跡

22a-22c‧‧‧定位位置

30,30a-30c‧‧‧三維軌跡

32a-32c‧‧‧短距離軌跡

34‧‧‧三維運動軌跡

S501-S511‧‧‧流程步驟

圖1：本發明提供的一種可感測立體軌跡之定位裝置實施例的方塊圖；圖2：本發明中實施例中根據平面定位資訊所產生之平面移動軌跡示意圖； 圖3：本發明實施例中之三維軌跡示意圖；圖4：本發明實施例中之三維運動軌跡示意圖；及圖5：本發明提供的一種立體軌跡之感測方法實施例之流程圖。

1‧‧‧定位裝置

100‧‧‧全球定位模組

102‧‧‧加速度感測模組

104‧‧‧運算單元

106‧‧‧輸出單元

108‧‧‧儲存單元

Claims (3)

1. 一種可感測立體軌跡之定位裝置，包括：一全球定位模組，用以取得該定位裝置的一全球定位資訊；一加速度感測模組，持續感測該定位裝置運動所產生的三維加速度變化並據以計算該定位裝置的三維加速度向量；一運算單元，耦接該全球定位模組及該加速度感測模組，該運算單元根據該全球定位資訊產生一平面位置資訊，以及根據該三維加速度向量產生短距離的多個三維軌跡，並根據該平面位置資訊及該多個三維軌跡產生多個短距離軌跡，其中，該運算單元根據該三維加速度向量及感測該三維加速度的一時間計算該定位裝置的一運動速度，以及根據該運動速度、該三維加速度向量及該時間計算該三維軌跡，該運算單元還根據該全球定位資訊每隔一移動距離設定一定位位置，並根據所設定的多個定位位置與該多個三維軌跡獲得該多個短距離軌跡，藉此，該運算單元根據該多個短距離軌跡而形成一三維運動軌跡；以及一輸出單元，耦接該運算單元以接收該些短距離軌跡，並根據該些短距離軌跡輸出該三維運動軌跡的立體曲線，其中，該三維運動軌跡具有該定位裝置相對於一地表的平面位移記錄及該定位裝置移動過程中的高低起伏記錄之資訊。
2. 如申請專利範圍第1項所述的定位裝置，其中，該加速度感測模組為一重力感測器。
3. 一種立體軌跡的感測方法，適用於包括有一全球定位模組、一加速度感測單元及一運算單元的一定位裝置，該方法包括：接收該定位裝置的一全球定位資訊；接收根據該定位裝置運動所產生的三維加速度變化而計算出的一三維加速度向量；根據該全球定位資訊產生一平面位置資訊，以及根據該三維加速度向量產生短距離的多個三維軌跡，其中，根據該三維加速度向量及感測該三維加速度的一時間計算該定位裝置的一運動速度，並根據該運動速度、該三維加速度向量及該時間計算該三維軌跡；根據該平面位置資訊及該多個三維軌跡產生多個短距離軌跡，其中，每隔一移動距離根據該全球定位資訊設定一定位位置，並根據所設定的多個定位位置與該多個三維軌跡獲得該多個短距離軌跡，其中根據接收到的該全球定位資訊累計距離，用以判斷該定位裝置是否移動到該移動距離；根據該多個短距離軌跡而形成一三維運動軌跡；以及輸出該三維運動軌跡的立體曲線到一輸出單元，其中，該三維運動軌跡具有該定位裝置相對於一地表的平面位移記錄及該定位裝置移動過程中的高低起伏記錄之資訊。