TWI691729B - 導航系統及導航系統的操作方法 - Google Patents

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導航系統包含雷達、影像處理單元及處理器。雷達設置於移動載具，並掃描移動載具周邊的物體以產生物體位置分布資訊。物體位置分布資訊包含物體相對於雷達的座標值。影像處理單元以移動載具為中心，根據物體位置分布資訊產生移動環境圖。移動環境圖包含物體位置分布資訊中至少一物體所對應的物體參考點、以至少一物體參考點為圓心並以預定長度為半徑所圈圍出之至少一障礙區域，及排除至少一障礙區域所取得之可通行區域。處理器計算移動環境圖中，可通行區域之質心及質心相對於移動載具之質心座標，並將質心座標設定為移動載具之導航目標。

Description

導航系統及導航系統的操作方法
本發明是有關於一種導航系統，特別是一種利用雷達偵測障礙物以計算導航目標的導航系統。
在先前技術中，導航系統必須事先根據通用的定位座標系建構高精密度的地圖，才能夠透過衛星得知車輛在地圖上的位置，並得知路徑上可能會遇到的障礙，進而產生航向建議。然而建構高精密度的地圖不僅需要高精密的感測元件，同時也需要複雜的演算法及人力來共同建立。因此，對於較少使用者會進入的區域或私人領地來說，建構高精密度的地圖並不符合效益。
舉例來說，倘若農業工作者欲在果園中利用導航系統來自動駕駛機具，則由於果樹生長的情況會隨時間變化，例如枝幹的大小和位置都會隨時間變化，因此即便花費了大量的金錢和時間建立出果園的高精密地圖，實際上也難以長期提供有效的導航資訊，造成機具定位的困難，甚至產生錯誤的導航資訊。
本發明之一實施例提供一種導航系統，導航系統包含雷達、影像處 理單元及處理器。
雷達設置於移動載具。雷達掃描移動載具周邊的複數個物體以產生物體位置分布資訊，而物體位置分布資訊包含複數個物體相對於雷達的複數個座標值。
影像處理單元耦接於雷達。影像處理單元以移動載具為中心，根據物體位置分布資訊產生移動環境圖。移動環境圖包含物體位置分布資訊中至少一物體所對應的至少一物體參考點、以至少一物體參考點為圓心並以預定長度為半徑所圈圍出之至少一障礙區域，及排除至少一障礙區域所取得之可通行區域。
處理器耦接於影像處理單元。處理器計算移動環境圖中，可通行區域之質心及質心相對於移動載具之質心座標，及將質心座標設定為移動載具之導航目標。
本發明之另一實施例提供一種導航系統的操作方法，導航系統包含雷達及影像處理單元，雷達設置於移動載具。
導航系統的操作方法包含雷達掃描移動載具周邊的複數個物體以產生物體位置分布資訊，其中物體位置分布資訊包含複數個物體相對於雷達的複數個座標值，影像處理單元以移動載具為中心，根據物體位置分布資訊產生移動環境圖，其中移動環境圖包含物體位置分布資訊中至少一物體所對應的至少一物體參考點、以至少一物體參考點為圓心並以預定長度為半徑所圈圍出之至少一障礙區域，及排除至少一障礙區域所取得之可通行區域，計算移動環境圖中，可通行區域之質心及質心相對於移動載具之質心座標，及將質心座標設定為移動載具之導航目標。
100:導航系統
110:雷達
120:影像處理單元
130:處理器
V1:移動載具
INFP:物體位置分布資訊
IMGM:移動環境圖
DZ:掃描死角區
A、B、C、D、E、F、G:果樹
P1至P16:物體參考點
O1至O16:障礙區域
AR:可通行區域
CT:質心
E1、E2、E3、E4:邊界
200:方法
S210至S240:步驟
第1圖是本發明一實施例之導航系統的示意圖。
第2圖是本發明一實施例之移動載具所處的環境示意圖。
第3圖是本發明一實施例之移動環境圖。
第4圖是本發明一實施例之第1圖之導航系統的操作方法。
第1圖是本發明一實施例之導航系統100的示意圖。導航系統100可包含雷達110、影像處理單元120、及處理器130。
雷達110可設置於移動載具V1，移動載具V1可例如是能夠受控移動的車輛或機具。雷達110可以掃描移動載具V1周邊的複數個物體以產生物體位置分布資訊INFP，物體位置分布資訊INFP可包含周邊物體相對於雷達110的座標值。
第2圖是本發明一實施例之移動載具V1所處的環境示意圖。在第2圖中，移動載具V1是處於果林中，由於果樹的大小和樣貌會隨時間成長改變，因此利用衛星定位搭配事先建構之高精度地圖的導航方式並不準確，且所需花費的成本過高。相較之下，導航系統100則可以透過雷達110即時地掃描周邊的物體，並取得周邊物體相對於雷達110的位置以提供對應的導航指示。
在有些實施例中，雷達110可包含二維的光達(LiDAR)感測器，並且可以週期性地掃描周圍的物體。在此情況下，雷達110可以朝向不同的方向發出雷射脈衝光，並根據接收反射光的時間長短推算出各個方向上的物體與雷達110之間的距離，如此一來，就可以根據雷射光的發射方向及推算出的距離得知物體相對於雷達110的位置，並可換算成對應的座標值。
舉例來說，雷達110可以偵測到雷達110周邊的果樹A、B、C、D、E 及F。由於雷射光無法穿透果樹，因此在第2圖中，雷達110實際上所偵測到的可能是果樹A至F靠近雷達110一側的多個參考點P，而雷達110所產生的物體位置分布資訊INFP即可包含這些參考點P相對於雷達110的座標值。同理，在第2圖中，由於果樹G及果樹B與雷達110是設置在同一直線上，因此射向果樹G的雷射脈衝光會被果樹B擋住，使得雷達110無法偵測到果樹G的存在。然而在此情況下，當移動載具V1朝著果樹G前進時，也勢必會先受到果樹B的阻礙，因此在已偵測到果樹B的情況下，即使沒有偵測到果樹G，導航系統100仍然可以提供有效且適當的導航指令，並避開障礙。
影像處理單元120可耦接於雷達110，並且可以移動載具V1為中心，根據物體位置分布資訊INFP產生移動環境圖IMGM。舉例來說，影像處理單元120可根據物體位置分布資訊，將所偵測到的周遭環境切割成複數個區塊，並且根據每個區塊中是否存在物體來設定移動環境圖IMGM中對應的畫素的值。在有些實施例中，每個區塊可以例如但不限於對應到實際環境中2.5公分乘以2.5公分的區域。
第3圖是本發明一實施例之移動環境圖IMGM。移動環境圖IMGM可包含物體位置分布資訊INFP中至少一物體所對應的物體參考點P1至P16、以物體參考點P1至P16為圓心並以預定長度為半徑所圈圍出之障礙區域O1至O16，及排除障礙區域O1至O16所取得之可通行區域AR。
在本發明的有些實施例中，雷達110可能只會在單一個水平面上進行掃描，然而由於果樹的枝幹形狀不易預測，因此影像處理單元120會以物體參考點P1至P16為圓心，並以預定長度為半徑，例如但不限於對應到實際長度一公尺的距離，來圈圍出障礙區域O1至O16。也就是說，影像處理單元120可以根據物體參考點P1至P16為中心來設置膨脹層，以避免移動載具V1因為進入到障礙區域中，而撞擊到位於不同高度的枝幹，而阻礙行進。
在有些實施例中，為了減少移動載具V1碰觸到障礙物的可能性，可以將雷達110設置在移動載具V1具有最大橫切面的高度上，例如接近於車輪的高度，並在此高度上進行掃描，以偵測較容易碰觸到的障礙物。
接著，影像處理單元120就可以將障礙區域O1至O16排除以得出沒有障礙物的可通行區域AR。在本發明的有些實施例中，影像處理單元120可以將任兩個相鄰障礙區域的外公切線設定成可通行區域AR的邊界，亦即可通行區域AR的形狀可以是不規則的多邊形。然而在有些實施例中，影像處理單元120也可以根據能夠排除最多相鄰障礙區域的外公切線來設定可通行區域AR的邊界。舉例來說，在第3圖中，障礙區域O1及障礙區域O7較為靠近移動載具V1的行進方向，因此影像處理單元120可根據障礙區域O1及障礙區域O7的外公切線來設定邊界E1。如此一來，通行區域AR的形狀就會較為單純，以利後續處理器130計算出導航目標。
此外，影像處理單元120也可將移動環境圖IMGM的邊界E3作為可通行區域AR的邊界，並將通過雷達110並與移動載具V1的前進方向相垂直的直線作為可通行區域AR的邊界E4。
在此情況下，耦接於影像處理單元120的處理器130便可計算移動環境圖IMGM中，可通行區域AR的質心CT及質心CT相對於移動載具V1的質心座標，並將質心座標設定為移動載具V1之導航目標。一般而言，由於質心CT會位處在可通行區域AR之相對邊界(例如邊界E1及E2)的中間位置，因此能夠指引移動載具V1避開可能的障礙。
在第2圖的實施例中，雷達110的掃描角度約為270度，且主要涵蓋了移動載具V1的前方區域，而在移動載具V1的後方區域則是對應到雷達110死角的掃描死角區DZ。在此情況下，當產生移動環境圖IMGM時，影像處理單元120便可直接設定對應於掃描死角區DZ的畫素值，而無須檢測其中是否有物體存在， 以減少運算量。此外，影像處理單元120也可將掃描死角區DZ排除在可通行區域AR之外。
在有些實施例中，雷達110也可以完成360度的掃描，此時雖然沒有掃描死角區，然而影像處理單元120仍然可以根據系統的需求，將雷達110後方的區域排除在可通行區域AR，以確保導航目標維持在行進方向上。
由於導航系統100可以透過雷達即時地掃描周圍的障礙物，將物體位置分布資訊轉換成移動環境圖，並以移動環境圖中可通行區域AR的質心作為導航目標，因此可以根據目前的環境給予適當的導航指令，並且避開障礙物。此外，由於導航系統100無需事先繪製高精度的地圖，因此也可簡化程序，並降低開發成本。
第4圖是本發明一實施例之導航系統100的操作方法200。方法200可包含步驟S210至S240。
S210：雷達110掃描移動載具V1周邊的複數個物體以產生物體位置分布資訊INFP；S220：影像處理單元120以移動載具V1為中心，根據物體位置分布資訊INFP產生移動環境圖IMGM；S230：計算移動環境圖IMGM中，可通行區域AR之質心CT及質心CT相對於移動載具V1之質心座標；及S240：將質心座標設定為移動載具V1之導航目標。
綜上所述，本發明之實施例所提供的導航系統及導航系統的操作方法可以透過雷達即時地掃描周圍的障礙物，將物體位置分布資訊轉換成移動環境圖，並以移動環境圖中可通行區域的質心作為導航目標，因此可以根據目前的環境給予適當的導航指令，並且避開障礙物。此外，由於本發明之實施例所提供的導航系統及導航系統的操作方法無需事先繪製高精度的地圖，因此也可 簡化程序，並降低開發成本。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
200:方法
S210至S240:步驟

Claims (10)

  1. 一種導航系統，包含：一雷達，設置於一移動載具，用以掃描該移動載具周邊的複數個物體以產生一物體位置分布資訊，該物體位置分布資訊包含該些物體相對於該雷達的複數個座標值；一影像處理單元，耦接於該雷達，用以以該移動載具為中心，根據該物體位置分布資訊產生一移動環境圖，其中該移動環境圖包含該物體位置分布資訊中該些物體中之至少一物體所對應的至少一物體參考點、以該至少一物體參考點為圓心並以一預定長度為半徑所圈圍出之至少一障礙區域，及排除該至少一障礙區域所取得之一可通行區域；及一處理器，耦接於該影像處理單元，用以計算該移動環境圖中，該可通行區域之一質心及該質心相對於該移動載具之一質心座標，及將該質心座標設定為該移動載具之一導航目標。
  2. 如請求項1所述之導航系統，其中：該移動環境圖另包含對應至該雷達之一死角的一掃描死角區，且該可通行區域不包含該掃描死角區。
  3. 如請求項1所述之導航系統，其中影像處理單元係根據該至少一障礙區域中兩障礙區域的一外公切線設定該可通行區域之一邊界。
  4. 如請求項1所述之導航系統，其中該雷達包含一二維光達(LiDAR)感測器。
  5. 如請求項1所述之導航系統，其中該雷達係設置在移動載具上具有一最大橫切面之一高度上。
  6. 一種導航系統的操作方法，該導航系統包含一雷達及一影像處理單元，該雷達係設置於一移動載具，且該方法包含：該雷達掃描該移動載具周邊的複數個物體以產生一物體位置分布資訊，其中該物體位置分布資訊包含該些物體相對於該雷達的複數個座標值；該影像處理單元以該移動載具為中心，根據該物體位置分布資訊產生一移動環境圖，其中該移動環境圖包含該物體位置分布資訊中該些物體中之至少一物體所對應的至少一物體參考點、以該至少一物體參考點為圓心並以一預定長度為半徑所圈圍出之至少一障礙區域，及排除該至少一障礙區域所取得之一可通行區域；計算該移動環境圖中，該可通行區域之一質心及該質心相對於該移動載具之一質心座標；及將該質心座標設定為該移動載具之一導航目標。
  7. 如請求項6所述之方法，其中：該移動環境圖另包含對應至該雷達之一死角的一掃描死角區，且該可通行區域不包含該掃描死角區。
  8. 如請求項6所述之方法，其中該影像處理單元以該移動載具為中心，根據該物體位置分布資訊產生該移動環境圖包含：影像處理單元根據該至少一障礙區域中兩障礙區域的一外公切線設定該可通行區域之一邊界。
  9. 如請求項6所述之方法，其中該雷達包含一二維光達(LiDAR)感測器。
  10. 如請求項6所述之方法，其中該雷達係設置在移動載具上具有一最大橫切面之一高度上。
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