TWI484207B - 用於一移動設備之定位裝置、定位方法及其電腦程式產品 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種用於一移動設備之定位裝置、定位方法及其電腦程式產品；更詳細地說，本發明係關於一種無需全球定位系統(Global Positioning System；GPS)之輔助，即可取得移動設備之位置資訊的定位裝置、定位方法及其電腦程式產品。
全球定位系統(Global Positioning System；GPS)係為一種中距離圓型軌道衛星系統，其係為地球表面的絕大部分地區提供準確的定位。由於其發展相當成功，原本僅供作為軍事用途的GPS亦早已開放供民間使用，因此在日常生活之應用上便產生了一些革命性的變化。例如：車輛駕駛者能夠透過GPS提供之訊號以及定位/導航裝置提供之電子地圖，而進行定位並得知其目前的所在位置或者是進一步完成導航的功能。
然而，由於車輛係為一隨時移動之設備，GPS提供之訊號即有可能因車輛經過之建築物、隧道或是地形之遮蔽而衰減或隔離。倘若車輛上之定位/導航裝置無法接收到GPS提供之訊號，將無法進行定位並提供車輛目前的所在位置，進而導致定位/導航裝置無法繼續進行導航。
然而，當車輛行駛於定位/導航裝置無法接收到GPS提供之訊號的區域時，為使得車輛上之定位/導航裝置能夠持續地提供車輛目前的所在位置，習知技術便利用感測單元進一步感測複數個參數來解決此一問題。詳細來說，車輛上之定位/導航裝置將根據感測單元(例如加速儀及/或陀螺儀)感測到的參數，藉由定位/導航裝置於無法接收到GPS提供之訊號前所定位的所在位置，以航位推算(Dead Reckoning；DR)的方式估測車輛目前的所在位置。據此，定位/導航裝置將可於無法接收到GPS提供之訊號的情況下，持續地提供車輛目前的所在位置。
然而，前述感測單元所感測到的參數仍然會因為各種因素的影響而降低定位/導航裝置進行定位的準確性。舉例而言，當汽車於上坡道路或下坡道路行駛時，感測單元將因重力之影響而感測到具有誤差的參數。除此之外，由於定位/導航裝置以航位推算的方式僅能估測車輛目前於平面上的所在位置，在現代城市以各種平面道路以及高架道路形成交通路網的情況下，也將造成定位/導航裝置進行定位的準確性大幅下降。
有鑑於此，在無法接收到GPS提供之訊號的情況下，要如何提供一種更為精確之定位方法，使得使用者可以得知其目前的所在位置，乃是現今製造定位/導航裝置之廠商需要努力解決的困難，也是廣大消費大眾殷切期盼的貼心智慧設計。
本發明之一目的在於提供一種用於一移動設備之定位裝置。該移動設備具有一初始速度。該定位裝置包含一儲存單元、一感測單元、一計算單元以及一處理單元。該儲存單元用以將該初始速度儲存為一初始速度資訊。該感測單元用以感測一加速度資訊以及一高度位移資訊。該計算單元根據該初始速度資訊、該加速度資訊、該高度位移資訊以及一預設時間週期計算一角度資訊，接著根據該加速度資訊以及該角度資訊計算一加速度調整資訊，並根據該初始速度資訊、該加速度調整資訊以及該預設時間週期計算一綜合位移資訊。該處理單元則根據該綜合位移資訊以及該高度位移資訊產生一位置資訊。
本發明之另一目的在於提供一種用於一移動設備之定位方法。該移動設備具有一初始速度。該定位方法包含下列步驟：令一儲存單元將該初始速度儲存為一初始速度資訊；令一感測單元感測一加速度資訊以及一高度位移資訊；令一計算單元根據該初始速度資訊、該加速度資訊、該高度位移資訊以及一預設時間週期計算一角度資訊；令該計算單元根據該加速度資訊以及該角度資訊計算一加速度調整資訊；令該計算單元根據該初始速度資訊、該加速度調整資訊以及該預設時間週期計算一綜合位移資訊；以及令一處理單元根據該綜合位移資訊以及該高度位移資訊產生一位置資訊。
另外，為達前段所述之目的，本發明更提供一種電腦程式產品，其內儲一種用於一移動設備之定位方法的程式。當該程式經由電腦被載入定位裝置後可執行並可完成前段所述之用於一移動設備之定位方法。
綜上所述，本發明之定位裝置、定位方法及其電腦程式產品將可根據感測單元感測到的初始速度資訊、加速度資訊、高度位移資訊以及預設時間週期計算角度資訊，並根據角度資訊調整加速度資訊。據此，在無法接收到GPS提供之訊號的情況下，本發明除了可以提供三維環境的定位，更可提升定位的準確性。
在參閱圖式及隨後描述之實施方式後，所屬技術領域具有通常知識者便可瞭解本發明之其它目的、優點以及本發明之技術手段及實施態樣。
以下將透過實施例來解釋本發明之內容，本發明係關於一種用於一移動設備之定位裝置、定位方法其電腦程式產品。定位裝置可以是智慧型行動電話、個人數位助理(personal digital assistant；PDA)或是小型網路電腦(netbook)等具有接收GPS提供之訊號的裝置。移動設備則可以是車輛、船艦或是航空器等具有移動能力之設備。需說明者，關於實施例之說明僅為閳釋本發明之目的，並非用以限制本發明，同時以下實施例及圖式中，與本發明非直接相關之元件均已省略而未繪示；且圖式中各元件間之尺寸關係僅為求容易瞭解，非用以限制實際比例。
以下將透過第1A圖至第1D圖繪示之示意圖來闡述本發明之第一實施例，其係一種用於一移動設備10之定位裝置11，定位裝置11用以計算移動設備10於位置k之一位置資訊，定位裝置11係設置於移動設備10中。
具體而言，第1A圖至第1C圖係繪示移動設備10於一預設時間週期(圖未繪示)，自位置k-1移動至位置k之示意圖。其中，位置k-1之三維位置座標係(x k -1
,y k -1
,z k -1
)；位置k之三維位置座標係(x k
,y k
,z k
)。第1A圖繪示之θ k
代表移動設備10於前述之預設時間週期，由座標(z k -1
)以Z方向移動至(z k
)之一角度；g代表重力加速度；g
sinθ k
代表重力加速度之一分量，Ax k
代表移動設備10自位置k-1移動至位置k之一加速度，ΔS k
代表移動設備10自位置k-1移動至位置k之一綜合位移，ΔD k
以及ΔH k
分別代表移動設備10自位置k-1移動至位置k之一水平位移以及一高度位移。其中，移動設備10於位置k-1時，具有一初始速度(圖未繪示)。
另一方面而言，第1B圖繪示之α k
代表移動設備10於前述之預設時間週期，由座標(x k -1
,y k -1
)以轉彎(由X方向轉彎至Y方向)的方式移動至(x k
,y k
)之一轉彎角度。而第1C圖則是繪示移動設備10自位置k-1移動至位置k之一三維座標示意圖。
本發明之第一實施例之定位裝置11如第1D圖所繪示，其包含一感測單元11a、一儲存單元11b、一計算單元11c以及一處理單元11d。感測單元11a更包含一加速儀111、一陀螺儀112、一高度計113以及一低通濾波器(low-pass filter；LPF)114。儲存單元11b用以儲存一地圖資訊126。同時，於本實施例中，當移動設備10位於位置k-1時，仍將藉由GPS提供之訊號計算其初始速度以及三維位置座標(x k -1
,y k -1
,z k -1
)，儲存單元11b將即時將前述之移動設備10於位置k-1時之初始速度以及三維位置座標(x k -1
,y k -1
,z k -1
)儲存為初始速度資訊127以及初始位置資訊128。
隨後，當移動設備10移動至位置k時，加速儀111將感測移動設備10之加速度，並產生一加速度資訊123。陀螺儀112用以感測移動設備10之轉彎角速度，並產生一轉彎角速度資訊124。高度計113則用以感測移動設備10之高度位移，並產生一高度位移資訊125。
需特別說明的是，本實施例所述之高度計113係根據氣壓的變化，感測移動設備10之高度位移，並藉此產生高度位移資訊125。倘若氣壓於短時間內劇烈變化，則將影響到高度位移資訊125的準確性，低通濾波器114將接收高度位移資訊125，並產生一調整後之高度位移資訊125’，進而提升高度計113產生之高度位移資訊125的準確性。在此需說明的是，本發明並不限制於僅能使用低通濾波器114提升高度位移資訊125之準確性，所屬技術領域具有通常知識者可依據需求以其它方式達成提升高度位移資訊125之準確性之目的，故在此不再贅述。
同時，本發明亦不限制僅能以加速儀111、陀螺儀112以及高度計113分別感測移動設備10之加速度、轉彎角速度以及高度位移，所屬技術領域具有通常知識者可依據需求以其它量測儀器達成感測移動設備10之加速度、轉彎角速度以及高度位移之目的，故在此不再贅述。
隨後，計算單元11c將根據初始速度資訊127、加速度資訊123以及前述之預設時間週期，以方程式(1)計算一暫存位移資訊：
其中，V k -1
代表初始速度資訊127(即移動設備10於位置k-1時之初始速度)；ΔT
代表預設時間週期；Ax k
代表加速度資訊123(即移動設備10自位置k-1移動至位置k之加速度)；代表暫存位移資訊。
當計算單元11c根據初始速度資訊127、加速度資訊123以及前述之預設時間週期，計算並產生暫存位移資訊之後，即以方程式(2)計算一角度資訊：
其中，代表暫存位移資訊；ΔH k
代表高度位移資訊125’(即移動設備10自位置k-1移動至位置k之高度位移)；θ k
代表角度資訊(即移動設備10於預設時間週期，由座標(z k -1
)以Z方向移動至(z k
)之角度)。
隨後，計算單元11c將根據前段所述之加速度資訊123以及角度資訊，以方程式(3)計算一加速度調整資訊：
ax k
=Ax k
-g
sinθ k
(3)
其中，Ax k
代表加速度資訊123(即移動設備10自位置k-1移動至位置k之加速度)；g代表重力加速度；θ k
代表角度資訊(即移動設備10於預設時間週期，由座標(z k -1
)以Z方向移動至(z k
)之角度)；ax k
代表加速度調整資訊。
類似地，計算單元11c將根據前段所述之轉彎角速度資訊124以及角度資訊，以方程式(4)計算一轉彎角速度調整資訊：
ω' k
=ω k
/cosθ k
(4)
其中，ω k
代表為轉彎角速度資訊124(即陀螺儀112感測之移動設備10之轉彎角速度)；θ k
代表角度資訊(即移動設備10於預設時間週期，由座標(z k -1
)以Z方向移動至(z k
)之角度)；ω' k
代表轉彎角速度調整資訊。
接著，計算單元11c將根據前述之初始速度資訊127、方程式(3)計算之加速度調整資訊以及預設時間週期計算，以方程式(5)計算一綜合位移資訊：
ΔS k
=V k -1
ΔT
+ax k
ΔT 2
/2 (5)
其中，V k -1
代表初始速度資訊127(即移動設備10於位置k-1時之初始速度)；ΔT
代表預設時間週期；ax k
代表加速度調整資訊；ΔS k
代表綜合位移資訊(即移動設備10自位置k-1移動至位置k之綜合位移)。
計算單元11c根據前述之角度資訊以及綜合位移資訊，以方程式(6)計算一水平位移資訊129：
ΔD k
=ΔS k
cosθ k
(6)
其中，ΔS k
代表綜合位移資訊(即移動設備10自位置k-1移動至位置k之一綜合位移)；θ k
代表角度資訊(即移動設備10於預設時間週期，由座標(z k -1
)以Z方向移動至(z k
)之角度)；ΔD k
代表水平位移資訊129(即移動設備10自位置k-1移動至位置k之水平位移)。
計算單元11c更將根據前述之轉彎角速度調整資訊以及預設時間週期，以方程式(7)計算一轉彎角度資訊130：
α k
=ω' k
ΔT
(7)
其中，ω' k
代表轉彎角速度調整資訊；ΔT
代表預設時間週期；α k
代表轉彎角度資訊130。
處理單元11d則接收高度位移資訊125、地圖資訊126、初始位置資訊128(即移動設備10於位置k-1之三維位置座標(x k -1
,y k -1
,z k -1
))、水平位移資訊129以及轉彎角度資訊130。隨後，處理單元11d將根據初始位置資訊128、水平位移資訊129以及轉彎角度資訊130，以方程式(8)計算一二維座標資訊：
(x k
,y k
)=(x k -1
+ΔD k
cosα k
,y k -1
+ΔD k
sinα k
) (8)
其中，(x k -1
,y k -1
)代表移動設備10於位置k-1之二維位置座標；ΔD k
代表水平位移資訊129(即移動設備10自位置k-1移動至位置k之水平位移)；α k
代表轉彎角度資訊130；(x k
,y k
)代表移動設備10於位置k之二維位置座標。
隨後，處理單元11d將根據二維座標資訊以及高度位移資訊125’產生位置資訊(圖未繪示)，並將根據位置資訊於地圖資訊126上標示移動設備10於位置k之一水平位置以及一高度位置(即三維位置座標(x k
,y k
,z k
))。
本發明之第二實施例如第2A圖至第2B圖所示，係為一種用於一移動設備之定位方法，例如第一實施例所述之移動設備10。本發明之定位方法可用於一定位裝置，例如第一實施例所述之定位裝置11。移動設備具有一初始速度，定位裝置包含一感測單元、一儲存單元、一計算單元以及一處理單元。其中，定位裝置之儲存單元儲存一地圖資訊。
具體而言，第二實施例所描述之定位方法可由一電腦程式產品執行，當定位裝置由一電腦載入該電腦程式產品並執行該電腦程式產品所包含之複數個指令後，即可完成第二實施例所述之定位方法。前述之電腦程式產品可儲存於電腦可讀取記錄媒體中，例如唯讀記憶體(read only memory；ROM)、快閃記憶體、軟碟、硬碟、光碟、隨身碟、磁帶、可由網路存取之資料庫或熟習此項技藝者所習知且具有相同功能之任何其它儲存媒體中。
首先，執行步驟201，儲存單元將初始速度儲存為一初始速度資訊，並經由步驟202感測單元感測一加速度資訊以及一高度位移資訊。於步驟203，感測單元更進一步調整高度位移資訊。
接著，經由步驟204，計算單元根據初始速度資訊、加速度資訊、預設時間週期以及高度位移資訊計算一角度資訊。具體而言，計算單元將根據初始速度資訊、加速度資訊以及預設時間週期計算一暫存位移資訊，並根據暫存位移資訊以及高度位移資訊計算角度資訊。
於步驟205，處理單元將判斷角度資訊是否超過一臨界值；若否，表示移動設備正行駛於平面道路上，不需對加速度資訊進行調整，接著執行步驟206，計算單元根據初始速度資訊、加速度資訊以及預設時間週期產生一綜合位移資訊。經由步驟207，處理單元根據綜合位移資訊以及高度位移資訊產生一位置資訊。最後，於步驟208中，處理單元將根據位置資訊於地圖資訊上標示一水平位置以及一高度位置。
於步驟207中，若處理單元判斷角度資訊超過臨界值，表示移動裝置正行駛於非平面道路，因此必須對加速度資訊進行調整，接著執行步驟209，計算單元根據初始速度資訊、加速度資訊以及角度資訊計算一加速度調整資訊。經由步驟210，計算單元根據初始速度資訊、加速度調整資訊以及預設時間週期計算綜合位移資訊。接著，於步驟211，計算單元根據綜合位移資訊以及角度資訊計算一水平位移資訊。經由步驟212，處理單元根據水平位移資訊以及高度位移資訊產生位置資訊。最後，執行步驟208，處理單元將根據位置資訊於地圖資訊上標示水平位置以及高度位置。
除了上述步驟，本發明之定位方法亦能執行第一實施例所描述之所有操作及功能，所屬技術領域具有通常知識者可直接瞭解本發明之定位方法如何基於上述第一實施例以執行此等操作及功能，故在此不再贅述。
綜上所述，本發明之定位裝置、定位方法及其電腦程式產品將可根據感測單元感測到的初始速度資訊、加速度資訊、高度位移資訊以及預設時間週期計算角度資訊，並根據角度資訊調整加速度資訊。據此，藉由本發明之定位裝置、定位方法及其電腦程式產品，將可在無法接收到GPS提供之訊號的情況下，提供精確且及時之三維環境的定位。
上述之實施例僅用來例舉本發明之實施態樣，以及闡釋本發明之技術特徵，並非用來限制本發明之保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範圍，本發明之權利保護範圍應以申請專利範圍為準。
10．．．移動設備
11．．．定位裝置
11a．．．感測單元
11b．．．儲存單元
11c．．．計算單元
11d．．．處理單元
111．．．加速儀
112．．．陀螺儀
113．．．高度計
114．．．低通濾波器
123．．．加速度資訊
124．．．轉彎角速度資訊
125．．．高度位移資訊
125’．．．調整之高度位移資訊
126．．．地圖資訊
127．．．初始速度資訊
128．．．初始位置資訊
129．．．水平位移資訊
130．．．轉彎角度資訊
第1A圖至第1D圖係為本發明之第一實施例之示意圖；以及
第2A圖至第2B圖係為本發明之第二實施例之定位方法之流程圖。
11‧‧‧定位裝置
11a‧‧‧感測單元
11b‧‧‧儲存單元
11c‧‧‧計算單元
11d‧‧‧處理單元
111‧‧‧加速儀
112‧‧‧陀螺儀
113‧‧‧高度計
114‧‧‧低通濾波器
123‧‧‧加速度資訊
124‧‧‧轉彎角速度資訊
125‧‧‧高度位移資訊
125’‧‧‧調整之高度位移資訊
126‧‧‧地圖資訊
127‧‧‧初始速度資訊
128‧‧‧初始位置資訊
129‧‧‧水平位移資訊
130‧‧‧轉彎角度資訊
Claims (18)
- 一種用於一移動設備之定位方法，該移動設備具有一初始速度，該定位方法包含下列步驟：令一儲存單元將該初始速度儲存為一初始速度資訊，並儲存該移動設備之一初始位置資訊；令一感測單元在無法接收到全球定位系統提供之訊號時，感測一加速度資訊以及一高度位移資訊，其中該高度位移資訊由該感測單元之一高度計所感測；令一計算單元根據該初始速度資訊、該加速度資訊、該高度位移資訊以及一預設時間週期計算一角度資訊；令該計算單元根據該加速度資訊以及該角度資訊計算一加速度調整資訊；令該計算單元根據該初始速度資訊、該加速度調整資訊以及該預設時間週期計算一綜合位移資訊；以及令一處理單元根據該初始位置資訊、該綜合位移資訊以及該高度位移資訊產生一位置資訊。
- 如請求項1所述之定位方法，更包含以下步驟：令該計算單元根據該初始速度資訊、該加速度調整資訊以及該預設時間週期計算一速度調整資訊；以及令該處理單元將該儲存單元儲存之初始速度資訊更新為該速度調整資訊。
- 如請求項1所述之定位方法，其中該計算一角度資訊之步驟更包含以下步驟：令該計算單元根據該初始速度資訊、該加速度資訊以及 該預設時間週期計算一暫存位移資訊；其中，該角度資訊係根據該暫存位移資訊以及該高度位移資訊計算之。
- 如請求項1所述之定位方法，其中該產生一位置資訊之步驟更包含以下步驟：令該計算單元根據該綜合位移資訊以及該角度資訊計算一水平位移資訊；其中，該位置資訊係根據該初始位置資訊、該水平位移資訊以及該高度位移資訊產生之。
- 如請求項4所述之定位方法，更包含下列步驟：令該儲存單元提供一地圖資訊；以及令該處理單元根據該位置資訊於該地圖資訊上標示一水平位置以及一高度位置。
- 如請求項1所述之定位方法，其中該感測一加速度資訊以及一高度位移資訊之步驟更包含以下步驟：令一低通濾波器(low-pass filter；LPF)調整該高度位移資訊。
- 一種用於一移動設備之定位裝置，該移動設備具有一初始速度，該定位裝置包含：一儲存單元，用以將該初始速度儲存為一初始速度資訊，並儲存該移動設備之一初始位置資訊；一感測單元，用以在無法接收到全球定位系統提供之訊號時，感測一加速度資訊以及一高度位移資訊，其中該高度位移資訊由該感測單元之一高度計所感測； 一計算單元，根據該初始速度資訊、該加速度資訊、該高度位移資訊以及一預設時間週期計算一角度資訊，接著根據該加速度資訊以及該角度資訊計算一加速度調整資訊，並根據該初始速度資訊、該加速度調整資訊以及該預設時間週期計算一綜合位移資訊；以及一處理單元，根據該初始位置資訊、該綜合位移資訊以及該高度位移資訊產生一位置資訊。
- 如請求項7所述之定位裝置，其中該計算單元根據該初始速度資訊、該加速度調整資訊以及該預設時間週期計算一速度調整資訊，該處理單元將該儲存單元儲存之初始速度資訊更新為該速度調整資訊。
- 如請求項7所述之定位裝置，其中該計算單元根據該初始速度資訊、該加速度資訊以及該預設時間週期計算一暫存位移資訊，並根據該暫存位移資訊以及該高度位移資訊計算該角度資訊。
- 如請求項7所述之定位裝置，其中該計算單元根據該綜合位移資訊以及該角度資訊計算一水平位移資訊，該處理單元根據該初始位置資訊、該水平位移資訊以及該高度位移資訊產生該位置資訊。
- 如請求項10所述之定位裝置，其中該儲存單元更儲存一地圖資訊，該處理單元根據該位置資訊於該地圖資訊上標示一水平位置以及一高度位置。
- 如請求項7所述之定位裝置，其中該感測單元更包含一低通濾波器，用以調整該高度位移資訊。
- 一種電腦程式產品，內儲一種用於一移動設備之定位方法之程式，該移動設備具有一初始速度，該程式經由一電腦被載入一定位裝置後執行：程式指令A，令一儲存單元將該初始速度儲存為一初始速度資訊，並儲存該移動設備之一初始位置資訊；程式指令B，令一感測單元在無法接收到全球定位系統提供之訊號時，感測一加速度資訊以及一高度位移資訊，其中該高度位移資訊由該感測單元之一高度計所感測；程式指令C，令一計算單元根據該初始速度資訊、該加速度資訊、該高度位移資訊以及一預設時間週期計算一角度資訊；程式指令D，令該計算單元根據該加速度資訊以及該角度資訊計算一加速度調整資訊；程式指令E，令該計算單元根據該初始速度資訊、該加速度調整資訊以及該預設時間週期計算一綜合位移資訊；以及程式指令F，令一處理單元根據該初始位置資訊、該綜合位移資訊以及該高度位移資訊產生一位置資訊。
- 如請求項13所述之電腦程式產品，更包含以下步驟：程式指令G，令該計算單元根據該初始速度資訊、該加速度調整資訊以及該預設時間週期計算一速度調整資訊；以及程式指令H，令該處理單元將該儲存單元儲存之初始速度資訊更新為該速度調整資訊。
- 如請求項13所述之電腦程式產品，其中程式指令C更執行：程式指令C1，令該計算單元根據該初始速度資訊、該加速度資訊以及該預設時間週期計算一暫存位移資訊；程式指令C2，令該計算單元根據該暫存位移資訊以及該高度位移資訊計算該角度資訊。
- 如請求項13所述之電腦程式產品，其中程式指令F更執行：程式指令F1，令該計算單元根據該綜合位移資訊以及該角度資訊計算一水平位移資訊；程式指令F2，令該處理單元係根據該初始位置資訊、該水平位移資訊以及該高度位移資訊產生該位置資訊。
- 如請求項16所述之電腦程式產品，該程式更執行：程式指令I，令該儲存單元提供一地圖資訊；以及程式指令J，令該處理單元根據該位置資訊於該地圖資訊上標示一水平位置以及一高度位置。
- 如請求項13所述之電腦程式產品，其中程式指令B更執行：程式指令B1，令一低通濾波器調整該高度位移資訊。
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