TWI807340B - 車輛自動定位管理系統及方法 - Google Patents

Abstract

本發明是一種車輛自動定位管理系統及方法，包括一車端裝置和一攜帶式裝置，該車端裝置安裝在車輛上，並透過無線定位方式取得該車輛的第一定位位置，再傳送給該攜帶式裝置，該攜帶式裝置透過GPS取得該車輛的第二定位位置；當多數車輛組成車隊，並分別由攜帶式裝置上傳其第一、第二定位位置至一伺服器，經過點位誤差分析、圖像翻轉疊合及點位誤差修正等運算後以修正各車輛的第二定位位置；藉此提供車隊各成員準確的定位資料，以利於車隊管理。

Description

車輛自動定位管理系統及方法

本發明係關於一種車輛自動定位管理系統及方法，尤指一種可有效解決GPS定位誤差問題，並提供準確定位資料以利車隊管理的相關技術。

我國公開第200835238號「行動聯隊即時資訊交換系統」發明專利案揭露了一種車隊管理系統與資訊分享機制，其用於行動小組聯隊勤務中，讓小組成員在行動勤務中能即時交換資訊、相互連結通信。其系統包括即時資訊交換伺服台、勤務行動指揮台、勤務行動台；其中，即時資訊交換伺服台隨時接受勤務行動指揮台、勤務行動台的連線和資訊交換，並可根據交換的資訊進行人為或自動決策；另且利用各車上安裝的勤務行動台所配置GPS衛星定位接收器，可以計算出隊員是否在勤務內執行任務，當隊員的行動超出此一勤務範圍時，將即時發出警示信號及訊息。

再者，我國新型專利權第M560062號「智能自行車系統、用於其中的感測器、控制器與受控設備」，其感測器是分別設置於自行車的腳踏板、輪框或輪胎內緣等處，以感測自行車的騎乘狀態或周遭的環境，從而產生感測信號。且感測器透過無線的方式與控制器無線連結並進行通訊，並將產生的感測信號傳送給控制器。控制器可將接收到的感測訊號處理後產生騎乘資訊顯示給使用者，並且進一步地根據接收到的感測訊號產生控制信號。受控設備是設在自行車的尾部或頭部，透過無線的方式與控制器無線連結以進行通訊，並且接收控信號，依據控制信號執行相應的動作。

該智能自行車系統更包括一個雲端伺服器，控制器可以無線地連結雲端伺服器以進行通訊，並且將接收的感測信號上傳給雲端伺服器進行儲存與記錄。當自行車隊中各自行車的控制器皆無線地連結雲端伺服器時，可以讓雲端伺服器指定自行車隊其中一員作為車隊長，車隊長的控制器可以用於指示自行車隊中是否有自行車脫隊或有發生其他狀況的資訊。換言之，上述智能自行車系統提供了自行車隊的群組內管理功能。

由上述可知，現有技術中有具備資訊交換功能以構成行動聯隊，並進行車隊管理；另前述智能自行車系統利用在自行車隊的各自行車上分設感測器、控制器及受控設備，配合連線雲端伺服器，以指定車隊長進行如是否脫隊及分享各種狀況、資訊的車隊管理。

而在脫隊管理方面，必要的資訊為車隊各成員的位置，前述專利案均採用全球衛星定位系統(以下簡稱GPS)進行定位，如眾所周知，GPS為廣泛運用的定位技術，其缺點在於誤差大(精確度20~1英尺)，其定位點很容易偏移至附近的建築物(在非道路路線上)；另一方面，由於是利用接收衛星訊號進行定位，一旦車隊成員接近較大或顯著的遮蔽物時，衛星訊號將被遮蔽，造成車隊成員的定位點消失，進而產生誤判。

綜上所述，利用GPS進行車隊的脫隊管理為已知技術，但因GPS定位誤差大，因而無法準確判讀車隊成員的定位，進而造成誤判，故有待進一步檢討，並謀求可行的解決方案。

因此本發明的主要目的在提供一種車輛自動定位管理系統及方法，主要仍採用GPS進行定位，但配合另一種定位技術對GPS定位點進行補償修正，以提供準確的定位資料，利於車隊管理。

為達成前述目的採取的主要技術手段係令前述車輛自動定位管理系統，包括一車端裝置和一攜帶式裝置； 該車端裝置包含： 一控制模組； 一無線定位模組，用以進行方位角定位和距離定位，且與該控制模組連接，以送出無線定位資料； 一無線通訊模組，與該控制模組連接，用與該攜帶式裝置連結，以傳送無線定位資料； 該攜帶式裝置包含： 一無線通訊介面，用以與該車端裝置連結，以接收無線定位資料； 一GPS定位模組，用以提供GPS定位資料； 一行動通訊介面，供傳送該無線定位資料與該GPS定位資料； 藉此，該攜帶式裝置接收的無線定位資料與產生的GPS定位資料進一步進行計算點位誤差、圖像疊合及點位誤差修正等運算，以修正該GPS定位資料的誤差，進而產生準確的定位資料。

為達成前述目的採取的主要技術手段係令前述車隊自動定位管理方法，包括： 對一車隊的複數成員進行無線定位，以取得複數的無線定位點； 以GPS取得該車隊各成員的GPS定位點； 分別計算該等無線定位點與GPS定位點的點位誤差，以取得誤差最小的二個以上可信任無線定位點和二個以上可信任GPS定位點； 對該等可信任無線定位點和可信任GPS定位點進行圖像疊合； 利用該等可信任無線定位點以外的無線定位點修正該等可信任GPS定位點以外的GPS定位點。

在前述方法中係取無線定位技術準確度高的優點配合GPS定位可以結合導航地圖資訊的特點，在同時透過GPS定位和無線定位分別對車隊成員進行定位後，利用誤差率低的無線定位點修正GPS定位點，補償了GPS定位點誤差大的問題，因而可提供準確的定位與導航資訊，以利於車隊管理與脫隊監控。

關於本發明的車隊自動定位管理系統之一較佳實施例，為方便說明，以下的實施方式說明，將以應用在自行車及其組成的車隊為例，但必須聲明的是其僅為舉例說明而已，其不用來限制本發明可以應用的領域，亦即除了自行車以外，本發明還適用於其他具有車隊管理需求的車輛上。

首先請參考圖1所示，其包括一車端裝置10和一攜帶式裝置20；其中，該車端裝置10主要係由一控制模組11、一無線定位模組12和一無線通訊模組13所組成，該控制模組11係作為車端裝置10的處理運算中樞，其分別與無線定位模組12和無線通訊模組13連接，以接收無線定位模組12產生的無線定位資料，並透過無線通訊模組13傳送給攜帶式裝置20。該控制模組11係透過CANBUS / UART / RS232 / RS485 / I2C / SPI / GPIO 或其他類似通訊技術與無線定位模組12連結。

在本實施例中，該無線定位模組12包含一方向角定位單元121和一距離定位單元122，該方向角定位單元121為利用無線電波抵達不同天線之時間差計算目標的相對方位，其可透過 AOA / AOD 或其他類似技術來實現；該距離定位單元122則是根據無線電波之訊號強度或來回時間差以計算目標之距離，其可由 RSSI / TOF 或其他類似技術來實現。由上述可知，利用無線定位模組12的方向角定位單元121、距離定位單元122可以測量出一個以上目標的相對方位或距離。

由於車端裝置10係供設置在自行車上，因此車端裝置10可進一步結合各種感測器，以感測提供自行車各項與運行有關的參數，作為車隊監控與管理之用，所述的感測器包括但不限於一車速偵測模組14、一姿態偵測模組15、一燈控模組16；其中，該車速偵測模組14係透過偵測車輪或其相關機構旋轉之頻率產生計算車速之訊號，其可由霍爾感應器所構成。該姿態偵測模組15用以偵測車身目前之姿態，包含加速度、傾斜角度、旋轉角度等，其可為三軸加速度、陀螺儀或其他類似技術所構成。該燈控模組16係用以控制前後大燈、方向燈和/或其他警示燈。

當車端裝置10運用在電動車或電輔助力自行車，則可進一步包括一電池管理模組17、一馬達控制模組18；該電池管理模組17負責提供自行車運作需要的電力並管理電池充放電循環，該馬達控制模組18係透過驅動電機馬達以提供自行車前進之助力。

該控制模組11作為車端裝置10的處理運算中樞，其將接收來自前述各模組收集和/或產生之資料並進行初步的邊緣運算，再透過無線通訊模組13和攜帶式裝置20連結。

該攜帶式裝置20包括但不限於一無線通訊介面21、一行動通訊介面22、一GPS定位模組23、一車隊管理模組24和一人機控制介面25；其中，該無線通訊介面21是透過無線方式和車端裝置10的無線通訊模組13連結，一可行的實現方式係由藍牙構成。該GPS定位模組23是透過接收衛星訊號以產生定位資料；該行動通訊介面22係用以與一雲端伺服器連結，並進行資料交換，其可為3G/4G/5G或類似的行動通訊技術構成。

該車隊管理模組24係用以提供使用者各種車隊管理介面服務，該人機控制介面25可為顯示器/觸控面板/語音控制/外部按鍵等方式之組合。在本實施例中，該攜帶式裝置20可由一手機構成，該人機控制介面25為手機現有的人機介面，該車隊管理模組24可為手機上安裝的應用程式(APP)所構成。

在本實施例中，該攜帶式裝置20將接收的無線定位資料和GPS定位模組23產生的GPS定位資料透過行動通訊介面22送至雲端伺服器進行定位點誤差修正運算。

有關本發明車輛自動定位系統之具體應用方式，請參考圖2所示，多數的車端裝置10被分別安裝在一車隊各成員的自行車上，各車端裝置10的無線定位資料將分別送至車隊各成員持有的攜帶式裝置20，再由攜帶式裝置20將接收的無線定位資料與自行產生的GPS定位資料傳送至一雲端伺服器30，經由雲端伺服器30進行修正運算後，將修正後定位資料回傳給攜帶式裝置20，提供車隊各成員的準確位置，以利於車隊管理，有效監控或避免脫隊狀況。

本發明配合上述系統所執行的自動定位管理方法，包括以下步驟(請配合參看圖3所示）： 對一車隊的複數成員進行無線定位，以取得複數的無線定位點(301)； 以GPS取得該車隊各成員的GPS定位點(302)； 分別計算該等無線定位點與GPS定位點的點位誤差，以取得誤差最小的二個以上可信任無線定位點和二個以上可信任GPS定位點(303)； 對該等可信任無線定位點和可信任GPS定位點進行圖像疊合(304)； 利用該等可信任無線定位點以外的無線定位點修正該等可信任GPS定位點以外的GPS定位點(305)。

前述步驟(301)主要係由車端裝置10上的無線定位模組12執行定位，進一步而言，車隊成員分別以其車端裝置10的無線定位模組12對彼此進行方向角定位及距離定位，首先參閱圖4所示，係無線定位模組12執行方向角定位的示意圖，主要係令一車端裝置10A作為發送端，由其無線定位模組12A定期地發出無線電波，讓其他車端裝置10B(圖中僅以一車端裝置10B示意)進行定位，其他車端裝置10B的無線定位模組12B係作為接收端，接收來自發送端的無線電波，該無線定位模組12B具有一組陣列天線，該組陣列天線至少包含兩個天線121B、122B，兩天線121B、122B同時接收來自發送端的無線電波，利用兩天線121B、122B收到無線電波的時間差計算出車端裝置10A的相對角度。

請參閱圖5所示，進一步揭示車端裝置10A、10B間進行距離定位的技術，主要係由一車端裝置10A傳送一定位請求之訊號以作為發起端，另一車端裝置10B收到該定位請求後，經過一段內部處理時間(T _reply)後，回送一定位回應訊號給車端裝置10A，車端裝置10A接收到定位回應訊號後，計算定位訊息來回的時間差(T _cycle)，減去內部處理時間(T _reply)後可取得無線電波在空氣中傳輸所花費的時間((T _cycle- T _reply)/2)，再乘上無線電波在空氣中的行進速度，車端裝置10A即可得到相對於車端裝置10B之距離。

由上述可知，各個車端裝置10可由其無線定位模組12運用前述的方向定位和距離計算出與另一車端裝置10的相對角度與距離。儘管無線定位技術具有較低誤差(小於10公分)，但仍有其先前的限制，即無線定位的有效距離在必須60公尺以內，且無線定位缺乏經緯度，無法直接與地圖結合，因此單獨用於車隊成員之定位追蹤有其困難。基於上述原因，本發明利用無線定位低誤差的優點對GPS定位資料進行修正，以提供高準確度且可結合地圖資訊的定位資料。

請參閱圖6所示，係本發明結合無線定位與GPS定位的示意圖，左上圖為透過GPS定位模組產生之車隊定位資訊，包含5位隊員A~E，由於此種定位方式含有經緯度，可以直接顯示於導航地圖，但其定位精準度較差，容易因為衛星訊號遮蔽產生點位偏移或是完全無法定位之情況。

以上述五隊員A~E的定位情況而言，隊員B的GPS定位位置因GPS誤差較大的關係，其定位點已脫離道路，偏移至附近的建築物。隊員D的GPS定位位置可能因衛星訊號被遮蔽等因素，而無法取得定位點(定位點消失)。

又如圖6的左下圖則為透過無線定位產生之車隊定位資訊。如先前所述，此種定位方式誤差較低(小於10公分)，能準確顯示出各隊員的相對位置，但因隊員E所在位置已超出無線定位之最大距離(~60m)，或是受到建築物之遮蔽，無法經由無線定位方式取得其相對位置。

而利用本發明的自動定位管理方法則可整合GPS定位與無線定位，結合其二者之優點並補償彼此的缺點，以完成高精準且可對應地圖之定位資訊，即如圖6之右圖所示，無線定位產生的定位點將用以修正GPS定位點，使其恢復到原先的位置上，而GPS定位則相對找回無線定位有效距離以外的隊員E。有關結合無線定位與GPS定位的具體技術，謹進一步詳述如后。

如圖7A所示，是利用無線定位產生一車隊各隊員A~G的相對位置，圖7B則為利用GPS定位對同一車隊各隊員a~g產生的相對位置，由圖7A、圖7B的比較可以看出，GPS定位在三位隊員a,f,e的相對位置上出現點位誤差，且因衛星訊號被遮蔽，甚至無法得知隊員d、g的GPS位置。

接著進行如圖3所示步驟(303)，對無線定位和GPS定位均存在的隊員A,B,C,E,F、a,b,c,e,f計算其間的點位誤差，請參閱圖8A所示，在無線定位取得的隊員中，先以隊員A之定位點為基準點，計算取得隊員A與其他隊員B,C,E,F的相對距離A(_____)B(_____), A(_____)C(_____), A(_____)E(_____), A(_____)F(_____)；又如圖8B所示，在GPS定位取得隊員中，亦以隊員a之定位點為基準點，計算取得該隊員a與其他隊員 b,c,e,f 的相對距離 a(____)b(____), a(____)c(____), a(____)e(____), a(____)f(____)，藉此可透過下式取得隊員A(a)與其他隊員B,C,E,F(b,c,e,f)在距離上的誤差總和。 abs()為絕對值，表示不論變大變小均視為誤差

在取得各隊員A,B,C,E,F(a,b,c,e,f)間的誤差總和後，找出誤差總和最小之N個定位點作為基準，N為2以上之數值，在本實施例中，N為2，亦即取2個誤差總和最小的隊員B(b)、C(c)定位點為基準，接著進行如圖3所示步驟(304)之圖像疊合，如圖9所示，主要係將無線定位點(圖9左上圖)和GPS定位點(圖9左下圖)相互疊合，隨後如圖3所示步驟(305)，以其他隊員的無線定位點A,E,F修正出現誤差的GPS定位點a,e,f，接著進一步在GPS定位補上缺漏的隊員D,G，隨即完成如圖9右圖所示的GPS定位資料。

如圖9A所示的無線定位圖形可旋轉為任意角度，但不影響計算及最後的疊合結果。

由上述可知，本發明的自動定位管理系統及方法結合誤差小的無線定位和能夠載入地圖的GPS定位，以提供高準確度的定位機制，可利於車隊管理，配合車端裝置10的各項感測模組及攜帶式裝置20安裝的車隊管理模組24可提供各種即時警示訊息，包括前方車況、後方來車、隊員脫隊、隊員電量不足及其可被偵測的緊急狀況，配合攜帶式裝置20的人機控制介面25可搭配聲音、震動或其他訊息讓隊員更容易察覺。

在車隊管理方面，該車隊管理模組24可提供如圖10A所示的雷達模式，以標記車隊成員之即時位置及距離，亦可提供如圖10B所示的地圖模式，以導航地圖形式標記車隊成員之即時位置。

10、10A、10B:車端裝置 11:控制模組 12、12A、12B:無線定位模組 121:方向角定位單元 122:距離定位單元 121B、122B:天線 13:無線通訊模組 14:車速偵測模組 15:姿態偵測模組 16:燈控模組 17:電池管理模組 18:馬達控制模組 20:攜帶式裝置 21:無線通訊介面 22:行動通訊介面 23:GPS定位模組 24:車隊管理模組 25:人機控制介面 30:雲端伺服器

圖1為本發明自動定位管理系統的方塊圖。 圖2為本發明自動定位管理系統的應用示意圖。 圖3為本發明自動定位管理方法的流程圖。 圖4為本發明利用無線定位模組執行方向角定位的示意圖。 圖5為本發明利用無線定位模組執行距離定位的示意圖。 圖6為本發明結合無線定位和GPS定位的示意圖。 圖7A為本發明利用無線定位產生一車隊各隊員定位點之示意圖。 圖7B為本發明利用GPS定位產生一車隊各隊員定位點之示意圖。 圖8A為本發明計算各無線定位相對距離之示意圖。 圖8B為本發明計算各GPS定位相對距離之示意圖。 圖9為本發明進行點位誤差修正的示意圖。 圖10A為本發明之車隊管理模組所提供雷達模式示意圖。 圖10B為本發明之車隊管理模組所提供地圖模式示意圖。

10:車端裝置

11:控制模組

12:無線定位模組

121:方向角定位單元

122:距離定位單元

13:無線通訊模組

14:車速偵測模組

15:姿態偵測模組

16:燈控模組

17:電池管理模組

18:馬達控制模組

20:攜帶式裝置

21:無線通訊介面

22:行動通訊介面

23:GPS定位模組

24:車隊管理模組

25:人機控制介面

Claims (11)

1. 一種車輛自動定位管理系統，包括一車端裝置和一攜帶式裝置；該車端裝置包含：一控制模組；一無線定位模組，用以進行方位角定位和距離定位，且與該控制模組連接，以送出無線定位資料；一無線通訊模組，與該控制模組連接，用與該攜帶式裝置連結，以傳送無線定位資料；該攜帶式裝置包含：一無線通訊介面，用以與該車端裝置連結，以接收無線定位資料；一GPS定位模組，用以提供GPS定位資料；一行動通訊介面，供傳送該無線定位資料與該GPS定位資料；藉此，該攜帶式裝置接收的無線定位資料與產生的GPS定位資料進一步進行計算點位誤差、圖像疊合及點位誤差修正等運算，以修正該GPS定位資料的誤差。
2. 如請求項1所述之車輛自動定位管理系統，該車端裝置進一步包括：一車速偵測模組，係透過偵測車輪或其相關機構旋轉之頻率產生計算車速之訊號；一姿態偵測模組，係用以偵測車身目前之姿態，包含加速度、傾斜角度、旋轉角度；一燈控模組，係用以控制一前後大燈、一方向燈和/或其他警示燈。
3. 如請求項2所述之車輛自動定位管理系統，該車端裝置進一步包括：一電池管理模組，係負責提供自行車運作需要的電力並管理電池充放電循環；一馬達控制模組，係透過驅動一電機馬達以提供自行車前進之助力。
4. 如請求項1所述之車輛自動定位管理系統，該攜帶式裝置包括：一無線通訊介面，是透過無線方式和該車端裝置的無線通訊模組連結；一行動通訊介面，係用以與一雲端伺服器連結，並進行資料交換；一GPS定位模組，是透過接收衛星訊號以產生定位資料；一車隊管理模組，係用以提供使用者各種車隊管理介面服務；一人機控制介面，為顯示器/觸控面板/語音控制/外部按鍵之組合。
5. 如請求項4所述之車輛自動定位管理系統，該攜帶式裝置為一手機，該車隊管理模組為該手機安裝的應用程式(APP)，其提供一雷達模式和一地圖模式。
6. 如請求項1至5中任一項所述之車輛自動定位管理系統，該攜帶式裝置進一步與一雲端伺服器連結，以送出該無線定位資料與GPS定位資料，該雲端伺服器進行點位誤差分析、圖像疊合及點位誤差修正運算，並回傳修正後定位資料予該雲端伺服器。
7. 一種車輛自動定位管理方法，主要係由請求項1至6中任一項所述的車輛自動定位管理系統所執行，其包括：對一車隊的複數成員進行無線定位，以取得複數的無線定位點；以GPS取得該車隊各成員的GPS定位點； 分別計算該等無線定位點與GPS定位點的點位誤差，以取得誤差最小的二個以上可信任無線定位點和二個以上可信任GPS定位點；對該等可信任無線定位點和可信任GPS定位點進行圖像疊合；利用該等可信任無線定位點以外的無線定位點修正該等可信任GPS定位點以外的GPS定位點。
8. 如請求項7所述之車輛自動定位管理方法，計算該等無線定位點與GPS定位點的點位誤差係取得誤差最小的二個可信任無線定位點和二個可信任GPS定位點，並以二個可信任無線定位點和二個可信任GPS定位點為基準進行疊合。
9. 如請求項7所述之車輛自動定位管理方法，該無線定位是透過方向角定位和距離定位以判斷各無線定位點間相對方位與距離。
10. 如請求項7所述之車輛自動定位管理方法，經過定位修正的該等GPS定位點根據該等無線定位點進一步補足缺漏的GPS定位點。
11. 如請求項7所述之車輛自動定位管理方法，經過定位修正的該等GPS定位點進一步包含位於有效距離以外的無線定位點。

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