TWI657230B - 導航定位裝置及應用其之導航定位方法 - Google Patents

Abstract

導航定位裝置包括儲存器、標誌特徵分析器、第一座標融合器及第二座標融合器。儲存器儲存有圖資，圖資包含交通標誌特徵及交通標誌特徵的標誌座標。標誌特徵分析器用以分析攝像畫面是否具有交通標誌特徵。當攝像畫面具有交通標誌特徵，標誌特徵分析器分析攝像畫面中的交通標誌特徵，並依據標誌座標計算裝置座標。第一座標融合器用以融合裝置座標與第一融合座標，並以融合後座標做為第二融合座標。第二座標融合器用以融合第二融合座標、交通載具慣性資訊與全球定位座標，並以融合後的座標做為更新的第一融合座標。

Description

導航定位裝置及應用其之導航定位方法

本發明是有關於一種導航定位裝置及應用其之導航定位方法，且特別是有關於一種交通標誌偵測之導航定位裝置及應用其之導航定位方法。

一般來說，全球定位系統定位資訊是導航重要的依據。然而，在市區，衛星訊號容易被建築物屏蔽，導致一般導航定位裝置的定位誤差高達3公尺以上，此不符自動駕駛車導航精度要求。傳統導航定位方法若要提高定位精準度，必須增加許多昂貴的硬體設備。

因此，本領域業者努力地在不須建置昂貴硬體設備下，提高導航定位裝置的定位精度。

因此，本發明提出一種導航定位裝置及應用其之導航定位方法，可改善前述習知問題。

根據本發明之一實施例，提出一種導航定位裝置。導航定位裝置包括一儲存器、一標誌特徵分析器、一第一座標融合器及一第二座標融合器。儲存器儲存有一圖資，圖資包含一交通標誌特徵及交通標誌特徵的一標誌座標。標誌特徵分析器用以分析一攝像畫面是否具有交通標誌特徵；當攝像畫面具有交通標誌特徵，分析攝像畫面中的交通標誌特徵，並依據標誌座標計算導航定位裝置的一裝置座標。第一座標融合器用以融合裝置座標與一第一融合座標，並以融合後座標做為一第二融合座標。第二座標融合器用以融合第二融合座標、一交通載具慣性資訊與一全球定位座標，並以融合後的座標做為更新的第一融合座標。

根據本發明之另一實施例，提出一種導航定位方法。導航定位方法包括以下步驟。一標誌特徵分析器分析一攝像畫面是否具有一交通標誌特徵，交通標誌特徵及交通標誌特徵的一標誌座標儲存在一圖資中；當攝像畫面具有交通標誌特徵，標誌特徵分析器分析攝像畫面中的交通標誌特徵，並依據標誌座標計算導航定位裝置的一裝置座標；一第一座標融合器融合裝置座標與一第一融合座標，並以融合後座標做為一第二融合座標；以及，一第二座標融合器融合第二融合座標、一交通載具慣性資訊與一全球定位座標，並以融合後的座標做為更新的第一融合座標。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：

100‧‧‧導航定位裝置

110‧‧‧儲存器

120‧‧‧控制器

125‧‧‧攝像器

130‧‧‧標誌特徵分析器

140‧‧‧第一座標融合器

150‧‧‧第二座標融合器

170‧‧‧全球定位系統定位器

180‧‧‧顯示螢幕

190‧‧‧導航器

C1‧‧‧交通載具

D1、D2‧‧‧差值

E1‧‧‧定位誤差

F1‧‧‧攝像畫面

M1‧‧‧圖資

M12‧‧‧地圖

M13‧‧‧特徵點

M11‧‧‧交通標誌特徵

P1‧‧‧地圖位置

P2‧‧‧實際位置

Q、Q_cam‧‧‧交通載具模型協方差矩陣

R‧‧‧量測協方差矩陣

X_m‧‧‧標誌座標

S‧‧‧係數

S105~S185‧‧‧步驟

U1‧‧‧交通載具慣性資訊

X’‧‧‧中間產出值

X_g‧‧‧全球定位座標

‧‧‧第一融合座標

X_cam‧‧‧裝置座標

X_k‧‧‧第二融合座標

第1圖繪示依照本發明一實施例之交通標誌偵測的導航定位裝置的功能方塊圖。

第2A及2B圖繪示依照本發明一實施例之導航定位裝置的定位流程圖。

第3圖繪示第1圖之顯示螢幕顯示地圖的畫面。

第4圖繪示第3圖之交通載具接近路口的螢幕顯示畫面。

第5圖繪示第4圖之顯示螢幕將更新的第一融合座標顯示在地圖的畫面。

請參照第1圖，其繪示依照本發明一實施例之交通標誌偵測的導航定位裝置100的功能方塊圖。導航定位裝置100可配置於一交通載具C1(繪示於第3圖)，如汽車、機車或其它在路面上行走的交通工具，並用以提供一定位功能或一定位與導航功能。

導航定位裝置100包括儲存器110、控制器120、攝像器125、標誌特徵分析器130、第一座標融合器140、第二座標融合器150、全球定位系統定位器170、顯示螢幕180及導航器190。控制器120電性連接儲存器110、標誌特徵分析器130、第一座標融合器140、第二座標融合器150、全球定位系統定位器170及顯示螢幕180，以接收、傳送、處理及控制此些元件的訊號及/或資料。控制器120可將載入圖資M1，並控制顯示螢幕 180顯示圖資M1及導航定位裝置100的所在座標。

儲存器110、控制器120、攝像器125、標誌特徵分析器130、第一座標融合器140、第二座標融合器150、全球定位系統定位器170及導航器190至少一者可以是採用半導體製程所製成的實體電路結構。此外，在一實施例中，儲存器110、控制器120、攝像器125、標誌特徵分析器130、第一座標融合器140、第二座標融合器150、全球定位系統定位器170與導航器190至少二者可整合成單個電路結構。

儲存器110儲存有圖資M1。本實施例的圖資M1除了包含道路資訊外，更包含有數個交通標誌特徵M11及交通標誌特徵M11的標誌座標X_m。本文所指的座標例如是全球經緯度。交通標誌特徵M11為路面上交通標誌的特徵。路面交通標誌例如是鄰近路口的標誌，如斑馬線、停止線、待轉區、停車格與箭頭至少一者，或其它已知的交通標誌等。在另一實施例中，交通標誌特徵M11也可以位於路口以外的位置。此外，圖資M1可儲存在儲存器110內。

攝像器125用以擷取交通載具C1前方視野的攝像畫面F1，以提供標誌特徵分析器130進行分析。標誌特徵分析器130用以分析攝像畫面F1是否具有交通標誌特徵M11。當攝像畫面F1具有交通標誌特徵M11，標誌特徵分析器130分析攝像畫面F1中的交通標誌特徵M11，並依據標誌座標X_m計算導航定位裝置100的裝置座標X_cam。第一座標融合器140用以融合裝置 座標X_cam與第一融合座標，並以融合後座標做為第二融合座標X_k。第二座標融合器150用以融合第二融合座標X_k、交通載具慣性資訊U1與全球定位座標X_g，並以融合後的座標做為更新的第一融合座標X_K。此外，交通載具慣性資訊U1可由交通載具C1的慣性量測單元(Inertial Measurement Unit,IMU)提供。

攝像器125可配置在導航定位裝置100中。在另一實施例中，攝像器125可配置在交通載具C1，其攝像畫面F1可透過有線或無線方式傳輸給導航定位裝置100。

如上述，由於裝置座標X_cam包含導航定位裝置100與交通標誌特徵M11的相對座標關係，使導航定位裝置100計算出的裝置座標X_cam更接近導航定位裝置100的實際座標。如此，本發明實施例的導航定位裝置100可以在不採用昂貴的硬體設備下，達到昂貴硬體設備才能達到的定位精準度。在一實施例中，本發明實施例的導航定位裝置100可以在不採用昂貴的硬體設備下，將定位精準度提高至公分等級。

此外，全球定位系統定位器170用以接收全球定位系統的衛星訊號，並加以計算而獲得導航定位裝置100的當前(目前或最新)的全球定位座標X_g。顯示螢幕180可顯示圖資M1中與第一融合座標相關的地圖M12(地圖M12也繪示於第3圖)，且將第一融合座標顯示在地圖M12上，讓駕駛可透過所顯示的地圖M12及第一融合座標得知交通載具C1在地圖M12的位置(以下稱地圖位置)。

請參照第2A及2B圖，其繪示依照本發明一實施例之導航定位裝置100的定位流程圖。

在步驟S105中，控制器120載入圖資M1，並控制顯示螢幕180顯示圖資M1。本實施例的圖資M1除了包含道路資訊外，更包含有數個交通標誌特徵M11及其標誌座標X_m。

在步驟S110中，控制器120判斷是否要初始化。例如，在導航定位裝置100剛開機時，在完成第一次定位前的這段期間表示尚未初始化，因此導航定位裝置100開始第一次定位(初始化)。當導航定位裝置100剛開機時，在取得第二融合座標X_k後，方表示初始化完成。若尚未完成初始化，流程進入步驟S115。步驟S115至S140的流程或步驟S115至S145的流程稱為「初始化流程」。若已完成初始化，則流程進入步驟S150。

在步驟S115中，在初始化流程中，全球定位系統定位器170提供當前的全球定位座標X_g。

在步驟S120中，控制器120以全球定位座標X_g做為第一融合座標。

在步驟S125中，請同時參照第3圖，其繪示第1圖之顯示螢幕180顯示地圖M12的畫面。控制器120匹配地圖M12與第一融合座標，並控制顯示螢幕180將第一融合座標顯示在地圖M12上，讓駕駛者可以透過地圖M12觀看交通載具C1的地圖位置P1。

不過，基於許多因素，依據全球定位系統所計算的座標 難免具有定位誤差，使交通載具C1(或導航定位裝置100)在地圖M12上的地圖位置P1與實際位置P2之間具有定位誤差E1。且，隨交通載具C1的前進，誤差會累積而擴大到原本全球定位系統定位器170本身的誤差。然，透過本發明實施例之定位方法，可縮小定位誤差E1，如下說明。

在步驟S130中，請同時參照第4圖，其繪示第3圖之交通載具C1接近路口的螢幕顯示畫面。第4圖所示之交通載具C1例如是停在路口或行進中經過路口。控制器120可依據交通載具C1的當前全球定位座標X_g及圖資M1，判斷交通載具C1是否接近路口。當交通載具C1接近路口時，標誌特徵分析器130方開始分析攝像器125的攝像畫面F1，判斷攝像畫面F1是否具有交通標誌特徵M11。由於標誌特徵分析器130是接近路口才開始分析，因此不會持續占用系統的分析資源。在另一實施例中，無論是否接近路口，標誌特徵分析器130可持續分析攝像畫面F1，以持續判斷是否具有交通標誌特徵M11。

在本步驟中，若攝像畫面F1具有交通標誌特徵M11，流程進入步驟S135；若否，流程進入步驟S145。

在步驟S135中，標誌特徵分析器130分析攝像畫面F1中的交通標誌特徵M11，並依據標誌座標X_m計算導航定位裝置100的裝置座標X_cam。在一實施例中，標誌特徵分析器130可依據交通標誌特徵M11的特徵點M13計算導航定位裝置100相對特徵點M13的距離及角度，然後依具此相對位置關係計算導 航定位裝置100的裝置座標X_cam。前述的標誌座標X_m例如是特徵點M13的座標。此外，一個交通標誌特徵M11可以具有至少一特徵點M13。特徵點M13可以是交通標誌特徵M11的轉角點及/或邊界線的一點，如中點。在一實施例中，標誌特徵分析器130可採用深度學習物件偵測技術，依據交通標誌特徵M11計算出裝置座標X_cam。

在步驟S140中，第一座標融合器140可採用例如是卡爾曼濾波(Kalman Filter)技術，融合裝置座標X_cam與第一融合座標(初始化流程的第一融合座標即全球定位座標X_g)，並以融合後座標做為第二融合座標X_k，然後進入步驟S110。

在步驟S140中，第一座標融合器140可採用下式(1)~(3)運算第二融合座標X_k。式(2)的卡爾曼增益K1依據第一融合座標、Q_cam及R算出，其中的Q_cam為與交通載具模型協方差矩陣，而R為量測協方差矩陣。交通載具模型協方差矩陣Q_cam及量測協方差矩陣R皆為常數。

在初始化流程中，式(1)中的第一融合座標即為全球定位座標X_g。在初始化流程中，當攝像畫面F1具有交通標誌特徵M11時，裝置座標X_cam與第一融合座標(即全球定位座標X_g)相異，因此式(1)的裝置座標X_cam與第一融合座標的第一差值D1不 為0。在式(2)中，卡爾曼增益K1不為0。因此，在初始化流程中，如式(3)所示，會得到一新的且不同於第一融合座標(即全球定位座標X_g)的第二融合座標X_k。此外，本發明實施例不限定卡爾曼增益K1的實際數值，其可根據實際狀況調整。

在步驟S145中，當步驟S130的判斷結果為否(即，攝像畫面F1未具有交通標誌特徵M11)時，控制器120以全球定位座標X_g做為第二融合座標X_k，然後進入步驟S110。

在步驟S145中，若以前示式(1)~(3)來看，在初始化流程中，當攝像畫面F1不具有交通標誌特徵M11時，第二座標融合器150將以第一差值D1設為0，因此式(3)中得到的第二融合座標X_k會與第一融合座標X_K(在初始化流程為全球定位座標X_g)相同。

如第2A圖所示，在步驟S140及S145後，流程皆進入步驟S110。在步驟S110中，由於初始化已完成，因此流程會進入第2B圖的步驟S150，步驟S150之後的流程稱為「非初始化流程」。

在進入步驟S150之前，可先執行步驟S147，控制器120讓第二融合座標X_k經過一移位暫存器(shift register)(未繪示)，而成為第二融合座標X_k-1，第二融合座標X_k-1係第二融合座標X_k移位成前一個時序的座標。

在步驟S150中，控制器120判斷全球定位系統定位器170的全球定位座標X_g是否有更新。詳言之，全球定位系統定位器170具有一固定接收頻率，當此固定接收頻率與控制器120的 處理頻率不同步時，如控制器120的處理頻率大於此固定接收頻率，則並非在每一次非初始化流程中全球定位座標X_g都會更新。若全球定位座標X_g有更新，流程進入步驟S155；若無，流程進入步驟S165。

在步驟S155中，由於全球定位座標X_g有更新，因此第二座標融合器150融合第二融合座標X_k-1、交通載具慣性資訊U1與更新後的全球定位座標X_g，並以融合後的座標做為更新的第一融合座標，然後進入步驟S160。

在步驟S155中，第二座標融合器150可採用下式(4)~(7)運算第一融合座標。式中的卡爾曼增益K2依據第二融合座標X_k-1、中間產出值X’、參數Q及R算出，本發明實施例不加以限定，其中的Q為交通載具模型協方差矩陣，而R為量測協方差矩陣。交通載具模型協方差矩陣Q_cam及量測協方差矩陣R皆為常數。交通載具模型協方差矩陣Q與前述交通載具模型協方差矩陣Q_cam相異。在一實施例中，交通載具模型協方差矩陣Q與交通載具模型協方差矩陣Q_cam相依，例如，交通載具模型協方差矩陣Q與交通載具模型協方差矩陣Q_cam的關係為Q _cam =S×Q，其中係數S介於0~1之間。在另一實施例中，交通載具模型協方差矩陣Q與交通載具模型協方差矩陣Q_cam也可彼此獨立而不具相依關係。

X'=f(X _k-1,U1).........................(4)

D2=(X _g -X')..............................(5)

K2=P(X _k ,X',Q,R).......................(6)

在非初始化流程中，式(4)中的中間產出值X’依據第二融合座標X_k-1與交通載具慣性資訊U1計算得出。式(5)中第二差值D2為更新後的全球定位座標X_g與中間產出值X’的差值。在式(6)中，卡爾曼增益K2不為0。因此，在非初始化流程中，如式(7)所示，會得到更新的第一融合座標。

在步驟S165中，由於全球定位座標X_g沒有更新，因此第二座標融合器150將第二差值D2設為0。如此，在式(7)，第一融合座標與中間產出值X’相同。換言之，在非初始化流程中，當全球定位座標X_g未更新時，第二座標融合器150融合第二融合座標X_k-1與交通載具慣性資訊U1，並以融合後的座標(即中間產出值X’)做為更新的第一融合座標，然後進入步驟S160。此外，從第2A圖的流程來看，步驟S165中的第二融合座標X_k-1包含了全球定位座標X_g的資訊。

如第2B圖所示，在步驟S155與S165後，流程皆進入步驟S160。

在步驟S160，請同時參照第5圖，其繪示第4圖之顯示螢幕180將更新的第一融合座標顯示在地圖M12上。由於更新的第一融合座標已融合了交通標誌特徵M11的資訊，因此定位誤差E1相較於第4圖的定位誤差E1明顯縮小。在一實施例中，第5圖所示的定位誤差E1能小於公分等級。

在步驟S160後，流程進入步驟S170。步驟S170的判斷方式類似或同於前述步驟S130，即標誌特徵分析器130分析攝像畫面F1中的交通標誌特徵M11，並依據標誌座標X_m計算導航定位裝置100的裝置座標X_cam，詳細內容於此不再贅述。步驟S170中，當攝像畫面F1具有交通標誌特徵M11時，流程依序進入步驟S175及S180；若否，流程進入步驟S185。步驟S175及S180的判斷方式分別類似或同於前述步驟S135及S140，其中步驟S140或步驟S180為融合裝置座標X_cam與第一融合座標，並以融合後座標做為第二融合座標X_k，詳細內容於此不再贅述。在步驟S185中，控制器120以第一融合座標做為第二融合座標X_k，然後流程回到步驟S150。

然後，比照前述非出初始化流程，導航定位裝置100繼續執行步驟S150至S185，直到導航定位裝置100關機或導航定位裝置100接收到一暫停定位指令。

此外，在一實施例中，導航器190可規劃導航定位裝置100與一目的地(未繪示)的路徑，並加以導航。在導航過程中，由於本發明實施例之定位方法可依據路徑中的每個交通標誌特徵M11重新算導航定位裝置100的座標，讓導航定位裝置100的座標在路徑中不斷地修正以更接近導航定位裝置100的實際座標，因此能讓交通載具C1經過更精準地到達目的地。

本案交通標誌偵測之導航定位裝置利用攝像器與標誌特徵分析器擷取交通標誌或路口地面停止線，搭配具有路 口地面標線資訊的高精度電子地圖，校正原本全球定位系統定位器(GPS)產生的誤差，修正原本全球定位系統定位演算法得到的定位資訊，達到路口處具公分等級的定位精度。

綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (19)

1. 一種交通標誌偵測之導航定位裝置，包括：一控制器，用以：在一初始化流程中，將一全球定位座標做為一第一融合座標；一儲存器，儲存有一圖資，該圖資包含一交通標誌特徵及該交通標誌特徵的一標誌座標；一標誌特徵分析器，用以：在該初始化流程中，分析一攝像畫面是否具有該交通標誌特徵；當該攝像畫面具有該交通標誌特徵時，分析該攝像畫面中的該交通標誌特徵，並依據該標誌座標計算該導航定位裝置的一裝置座標；一第一座標融合器，用以：在該初始化流程中，融合該裝置座標與一第一融合座標，並以融合後座標做為一第二融合座標；其中，該控制器更用以：在一非初始化流程中，判斷該全球定位座標是否有更新；以及一第二座標融合器用以：在該非初始化流程中，當該全球定位座標有更新時，融合該第二融合座標、一交通載具慣性資訊與更新後之該全球定位座標，並以融合後的座標做為更新的該第一融合座標；及在該非初始化流程中，當該全球定位座標未更新時，融合該第二融合座標與交通載具慣性資訊，並以融合後的座標做為更新的該第一融合座標。
2. 如申請專利範圍第1項所述之導航定位裝置，其中當該導航定位裝置在該初始化流程且該攝像畫面具有該交通標誌特徵時，該第一座標融合器用以融合該裝置座標與該全球定位座標，並以融合後座標做為該第二融合座標。
3. 如申請專利範圍第1項所述之導航定位裝置，其中當該導航定位裝置在該初始化流程且該攝像畫面不具有該交通標誌特徵時，該控制器用以將該全球定位座標做為該第二融合座標。
4. 如申請專利範圍第1項所述之導航定位裝置，其中當該導航定位裝置在該非初始化流程、該全球定位座標有更新且該攝像畫面不具有該交通標誌特徵時，該控制器用以將該第一融合座標做為該第二融合座標。
5. 如申請專利範圍第1項所述之導航定位裝置，其中當該導航定位裝置在該非初始化流程、該全球定位座標有更新且該攝像畫面具有該交通標誌特徵時，該第一座標融合器用以融合該裝置座標與該第一融合座標，並以融合後座標做為更新的該第二融合座標。
6. 如申請專利範圍第1項所述之導航定位裝置，其中該交通標誌位於一路口，該標誌特徵分析器更用以：當該導航定位裝置接近該路口，開始分析該攝像畫面是否具有該交通標誌特徵。
7. 如申請專利範圍第1項所述之導航定位裝置，更包括： 一全球定位系統定位器，用以提供該導航定位裝置當前的該全球定位座標。
8. 如申請專利範圍第1項所述之導航定位裝置，其中該交通標誌為馬路路面上的標誌。
9. 如申請專利範圍第1項所述之導航定位裝置，其中該交通標誌為斑馬線、停止線、待轉區、停車格與箭頭至少一者。
10. 如申請專利範圍第1項所述之導航定位裝置，更包括：一顯示螢幕，顯示該圖資中與該第一融合座標相關的地圖，並將該第一融合座標顯示在該地圖中。
11. 一種交通標誌偵測之導航定位方法，包括：在一初始化流程中，以一全球定位座標做為一第一融合座標；在該初始化流程中，一標誌特徵分析器分析一攝像畫面是否具有一交通標誌特徵，該交通標誌特徵及該交通標誌特徵的一標誌座標儲存在一圖資中；在該初始化流程中，當該攝像畫面具有該交通標誌特徵，該標誌特徵分析器分析該攝像畫面中的該交通標誌特徵，並依據該標誌座標計算該導航定位裝置的一裝置座標；在該初始化流程中，一第一座標融合器融合該裝置座標與該第一融合座標，並以融合後座標做為一第二融合座標；在一非初始化流程中，判斷該全球定位座標是否有更新； 當該全球定位座標有更新，一第二座標融合器融合該第二融合座標、一交通載具慣性資訊與更新後之該全球定位座標，並以融合後的座標做為更新的該第一融合座標；以及當該全球定位座標未更新，該第二座標融合器融合該第二融合座標與該交通載具慣性資訊，並以融合後的座標做為更新的該第一融合座標。
12. 如申請專利範圍第11項所述之導航定位方法，更包括：在該初始化流程中，當該攝像畫面具有該交通標誌特徵時，該控制器將該全球定位座標做為該第一融合座標；其中，在該第一座標融合器融合該裝置座標與該第一融合座標之步驟中，該第一座標融合器融合該裝置座標與該全球定位座標，並以融合後座標做為該第二融合座標。
13. 如申請專利範圍第11項所述之導航定位方法，更包括：在該初始化流程中，當該攝像畫面不具有該交通標誌特徵時，該控制器將該全球定位座標做為該第二融合座標。
14. 如申請專利範圍第11項所述之導航定位方法，更包括：在該非初始化流程中、當該全球定位座標有更新且該攝像畫面不具有該交通標誌特徵時，該控制器將該第一融合座標做為該第二融合座標。
15. 如申請專利範圍第11項所述之導航定位方法，其中該交通標誌位於一路口，該導航定位方法更包括：當接近該路口，該標誌特徵分析器開始分析該攝像畫面是否具有該交通標誌特徵。
16. 如申請專利範圍第11項所述之導航定位方法，更包括：一全球定位系統定位器提供一當前的該全球定位座標。
17. 如申請專利範圍第11項所述之導航定位方法，其中該交通標誌為馬路路面上的標誌。
18. 如申請專利範圍第11項所述之導航定位方法，其中該交通標誌為斑馬線、停止線、待轉區、停車格與箭頭至少一者。
19. 如申請專利範圍第11項所述之導航定位方法，更包括：一顯示螢幕顯示該圖資中與該第一融合座標相關的地圖，並將該第一融合座標顯示在該地圖中。