TW202122752A - 應用高精地圖之定位定向系統與定位定向方法 - Google Patents

Abstract

一種應用高精地圖之定位定向系統與定位定向方法。在定位方法中，首先利用慣性導航系統來推估車輛之位置、姿態及速度。然後，利用衛星導航系統、高精地圖系統以及輪速計來提供車輛之第一車輛位置、第一車輛速度、第二車輛位置、車輛姿態以及第二車輛速度。然後，利用加法器來計算推估位置與第一車輛位置/第二車輛位置之差值、推估速度與第一車輛速度/第二車輛速度之差值，以及推估姿態與車輛姿態之差值。接著，利用定位補償模組來運用前述差值補償推估位置/推估姿態/推估速度。

Description

應用高精地圖之定位定向系統與定位定 向方法

本發明是有關於一種應用高精地圖之定位定向系統與定位定向方法。

隨者電子技術的發展，車載導航裝置在人們的生活中越來越不可或缺。車載導航裝置可偵測車輛當下的位置，並根據使用者需求來提供相關服務，例如路徑規劃、駕駛輔助等。現行的車載導航裝置以整合式定位定向系統最廣為使用，此架構包含自主連續相對定位的慣性導航系統以及仰賴電波之絕對定位技術如全球導航衛星系統，然而衛星訊號傳遞在都市地區容易受到如建築物、車輛等障礙物產生遮蔽及反射干擾的現象，帶有誤差的衛星定位成果便會經由整合影響最後的定位定向效能。

因此，在基於量產及市場需求等硬體成本限制下，需要一種高精確度的定位定向系統與定位定向方法來降低慣性導航系統的定位誤差。

本發明之實施例提出一種應用高精地圖之定位定向系統，其可降低車載導航裝置的定位誤差。此定位定向系統包含慣性導航系統、衛星導航系統、高精地圖系統、輪速計、第一加法器、第二加法器、第三加法器以及定位補償模組。慣性導航系統係用以推估車輛之位置、姿態及速度。衛星導航系統係用以提供車輛之第一車輛位置以及第一車輛速度。高精地圖系統係用以提供車輛於高精地圖上之第二車輛位置以及車輛姿態。輪速計係用以提供車輛之第二車輛速度。第一加法器係電性連接至慣性導航系統以及衛星導航系統，以計算推估位置與第一車輛位置之第一位置差值，以及計算推估速度與第一車輛速度之第一速度差值。第二加法器係電性連接至慣性導航系統以及高精地圖系統，以計算推估位置與第二車輛位置之第二位置差值，以及計算推估姿態與車輛姿態之姿態差值。第三加法器係電性連接至慣性導航系統以及輪速計，以計算推估速度與第二車輛速度之第二速度差值。定位補償模組係電性連接至慣性導航系統、第一加法器、第二加法器以及第三加法器，以根據第一位置差值、第二位置差值、第一速度差值、第二速度差值以及姿態差值來對車輛推估位置、推估姿態及推估速度進行補償，以獲得車輛之補償後位置、補償後姿態以及補償後速度。

在一些實施例中，前述之定位定向系統更包含衛星定位優化模組，其係電性連接於衛星導航系統、高精地 圖系統以及第一加法器之間，以根據高精地圖來優化衛星導航系統所提供之第一車輛位置以及第一車輛速度。

在一些實施例中，高精地圖系統更用以進行一高精地圖搜尋步驟，以根據車輛之補償後位置、補償後姿態以及補償後速度來於該高精地圖上進行搜尋，以獲得車輛於高精地圖上之車輛位置與車輛姿態，並據此來更新前述之第二車輛位置以及車輛姿態。

在一些實施例中，前述之定位定向系統更包含零速更新模組，其係電性連接於輪速計與定位補償模組之間，以於第二車輛速度為0時，來輸出零速更新訊號至定位補償模組，以告知定位補償模組車輛目前為靜止狀態。

在一些實施例中，慣性導航系統包含加速度計以及陀螺儀。

本發明之實施例亦提出一種應用高精地圖之定位定向方法，其可降低車載導航裝置的定位誤差。在此定位方法中，首先利用慣性導航系統來推估車輛之位置、姿態以及速度。然後，利用衛星導航系統來提供第一車輛位置以及第一車輛速度。接著，利用高精地圖系統來提供車輛於高精地圖上之第二車輛位置以及車輛姿態。然後，利用輪速計來提供第二車輛速度。接著，計算推估位置與第一車輛位置之第一位置差值，以及計算推估速度與該第一車輛速度之第一速度差值。然後，計算推估位置與第二車輛位置之第二位置差值，以及計算推估姿態與車輛姿態之姿態差值。接著，計算推估速度與第二車輛速度之第二速度差值。然後，利用定 位補償模組來根據第一位置差值、第二位置差值、第一速度差值、第二速度差值以及姿態差值來對車輛推估位置、推估姿態及推估速度進行補償，以獲得車輛之補償後位置、補償後姿態以及補償後速度。

在一些實施例中，前述之定位方法更包含：根據該高精地圖來優化該衛星導航系統所提供之該第一車輛位置以及該第一車輛速度。

在一些實施例中，前述之定位方法更包含：利用高精地圖系統來進行高精地圖搜尋步驟，以根據車輛之補償後位置、補償後姿態以及補償後速度來於高精地圖上進行搜尋，以獲得對應至車輛於高精地圖上之車輛位置與車輛姿態，並據此來更新前述之第二車輛位置以及車輛姿態。

在一些實施例中，前述之定位方法更包含：當於第二車輛速度為0時，利用零速更新模組來輸出零速更新訊號至定位補償模組，以告知定位補償模組車輛目前為靜止狀態。

在一些實施例中，慣性導航系統包含加速度計以及陀螺儀。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧定位定向系統

110‧‧‧慣性導航系統

110D‧‧‧慣性導航資料

120‧‧‧衛星導航系統

120D‧‧‧衛星導航資料

130‧‧‧高精地圖系統

130D‧‧‧高精地圖資料

140‧‧‧衛星定位優化模組

140D‧‧‧優化後衛星導航資料

150‧‧‧輪速計

150D‧‧‧車輛速度資料

160‧‧‧第一加法器

170‧‧‧第二加法器

180‧‧‧第三加法器

190‧‧‧定位補償模組

190D‧‧‧補償後車輛定位資料

195‧‧‧零速更新模組

195D‧‧‧零速更新訊號

200‧‧‧搜尋方法

210~240‧‧‧步驟

300‧‧‧定位方法

310~380‧‧‧步驟

[圖1]係繪示根據本發明實施例之應用高精地圖之定位定向系統的功能方塊示意圖。

[圖2]係繪示根據本發明實施例之高精地圖系統之搜尋方法的流程示意圖。

[圖3]係繪示根據本發明實施例之應用高精地圖之定位定向系統所對應定位方法的流程示意圖。

圖1係繪示根據本發明實施例之應用高精地圖之定位定向系統100的功能方塊示意圖。定位定向系統100包含慣性導航系統110、衛星導航系統120、高精地圖系統130、衛星定位優化模組140、輪速計150、第一加法器160、第二加法器170、第三加法器180以及定位補償模組190。高精地圖之定位定向系統100係運用衛星導航系統120、高精地圖系統130以及輪速計140所提供的車輛資訊來補償慣性導航系統110所提供的車輛資訊，以減少定位誤差。

慣性導航系統110(Inertial Navigation System；INS)係用以提供車輛的慣性導航資料110D，其包含車輛推估位置、推估姿態及推估速度。在本實施例中，慣性導航系統110包含運算器和多個慣性感測元件(Inertial Measurement Unit；IMU)(例如，陀螺儀和加速度計)，其可持續地計算車輛的加速度、角速度以及其他定位定向資訊。透過將慣性感測元件所測量的移動資訊(例如，加速度和角速度)，累加至推估之資訊，透過計算可獲 得下一個時間的定位定向資訊。

衛星導航系統120係用以透過衛星系統來提供車輛的衛星導航資料120D，其包含車輛的位置(以下稱為第一車輛位置)以及速度(以下稱為第一車輛速度)。在本實施例中，衛星導航系統120為全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System；GNSS)，但本發明之實施例並不受限於此。

高精地圖系統130係儲存有高精地圖(High Definition Maps；HD maps)，且可根據高精地圖來提供車輛於高精地圖上的資料130D，其包含車輛的位置(以下稱為第二車輛位置)與姿態(以下稱為車輛姿態)。例如，利用道路上所有車道中心線之坐標位置提供車量的位置，以及根據車輛所在車道之坡度、車道之行駛方向等來提供車輛的姿態。在本實施例中，高精地圖包含以車道中心線之高精度(平面精度優於20公分、三維精度優於30公分)空間資訊及其拓樸關係，但本發明之實施例並不受限於此。

在本發明之一些實施例中，採用衛星定位優化模組140來利用高精地圖優化衛星導航系統120所提供之衛星導航資料120D，以提供優化後的衛星導航資料140D。在本實施例中，衛星定位優化模組140係利用高精地圖所提供之資訊來判斷衛星導航系統120所提供之資訊是否合格。

例如，衛星定位優化模組140會計算第一車輛位置與第二車輛位置在平面上的距離差值，並判斷此平面距離差值是否大於一預設平面距離閥值。若此平面距離差值大 於預設平面距離閥值，則表示衛星定位資訊不合格，故刪除不合格的衛星定位資訊。若此平面距離差值小於或等於預設平面距離閥值，則保留合格的衛星定位資訊。

在一些例子中，衛星定位優化模組140會計算第一車輛位置與第二車輛位置在高度上的距離差值，並判斷此高度距離差值是否大於一預設高度距離閥值。若此高度距離差值大於預設高度距離閥值，則表示衛星定位資訊不合格，故刪除不合格的衛星定位資訊。若此高度距離差值小於或等於預設高度距離閥值，則保留合格的衛星定位資訊。本發明判斷衛星定位資訊是否合格的方式並不受限於上述實施例。

在一些例子中，衛星定位優化模組140以第二車輛位置計算到各個觀測衛星的幾何距離，並個別判斷這些幾何距離與已消除系統誤差之衛星導航系統120觀測量之差值，若差值大於一預設閥值則表示此筆衛星觀測量不合格，故刪除此筆不合格的衛星觀測量，再重新計算第一車輛位置。若最後剩下的衛星觀測量不足以計算定位資訊，或重新計算之第一車輛位置和第二車輛位置之間的位置差值大於另一預設閥值，則刪除此筆衛星定位資訊。本發明判斷衛星定位資訊是否合格的方式並不受限於上述實施例。

輪速計150係用以量測車輛之輪速，並據以提供車輛速度(以下稱為第二車輛速度)，其中輪速計150所提供的車輛速度資料150D包含車輛之輪速以及第二車輛速度。在本實施例中，輪速計140可為磁電式輪速感測器或或 霍爾式輪速感測器，但本發明之實施例並不受限於此。

第一加法器160係電性連接至慣性導航系統110以及衛星導航系統120，以計算慣性導航資料110D之推估位置與優化後衛星導航資料140D之第一車輛位置間的差值(以下稱為第一位置差值)，以及計算慣性導航資料110D之推估速度與優化後衛星導航資料140D之第一車輛速度間的差值(以下稱為第一速度差值)，並將第一位置差值以及第一速度差值傳送至定位補償模組190。在一些實施例中，第一加法器160也會將收到的慣性導航資料110D和優化後衛星導航資料140D傳送至定位補償模組190。

第二加法器170係電性連接至慣性導航系統110以及高精地圖系統130，以計算慣性導航資料110D之推估位置與高精地圖資料130D之第二車輛位置間的差值(以下稱為第二位置差值)，以及計算慣性導航資料110D之推估姿態與高精地圖資料130D之姿態間的差值，並將第二位置差值以及姿態差值傳送至定位補償模組190。在一些實施例中，第二加法器170也會將收到的慣性導航資料110D和高精地圖資料130D傳送至定位補償模組190。

第三加法器180係電性連接至慣性導航系統110以及輪速計150，以計算慣性導航資料110D之推估速度與車輛速度資料150D之第二車輛速度間的差值(以下稱為第二速度差值)，並將第二速度差值傳送至定位補償模組190。在一些實施例中，第三加法器180也會將收到的慣性導航資料110D和車輛速度資料150D傳送至定位補償模組 190。

定位補償模組190係電性連接至慣性導航系統110、第一加法器160、第二加法器170以及第三加法器180，以根據前述之第一位置差值、第二位置差值、第一速度差值、第二速度差值以及姿態差值來對慣性導航資料110D之推估位置、推估姿態及推估速度進行補償，以獲得補償後的車輛定位資料190D。補償後的車輛定位資料190D包含補償後位置、補償後姿態以及補償後速度。在本實施例中，定位補償模組190可為延伸型卡爾曼濾波器(Extended Kalman Filter；EKF)、適應型卡爾曼濾波器(Adaptive Kalman Filter；AKF)、無跡卡爾曼濾波器(Unscented Kalman filter；UKF)或粒子濾波器(Particle Filter；PF)，其可根據預設的補償機制來根據前述之第一位置差值、第二位置差值、第一速度差值、第二速度差值以及姿態差值來對慣性導航資料110D之推估位置、推估姿態及推估速度進行補償。例如，針對前述之第一位置差值、第二位置差值、第一速度差值、第二速度差值以及姿態差值分別設定不同的權重，再對慣性導航資料110D之推估位置、推估姿態及推估速度進行補償。然而，本發明之慣性導航資料110D的補償機制並不受限於上述實施例。

在本發明之一些實施例中，定位定向系統100更含零速更新模組195。零速更新模組195係電性連接於輪速計150與定位補償模組190之間，以於車輛速度資料150D之第二車輛速度為0時，輸出零速更新訊號195D至定位補償 模組190，以告知定位補償模組190車輛目前為靜止狀態。如此，定位補償模組190便會將補償後位置的值設定為與上一個時間點的補償後位置的值相同(即，車輛位置不變)。在本實施例中，零速更新模組195可為數位信號處理器(digital signal processor；DSP)、特殊應用集成電路(application specific integrated circuit；ASIC)或場式可編程閘陣列(field programmable gate array；FPGA)。然而，本發明之實施例並不受限於此。

另外，高精地圖系統130會接收補償後的車輛定位資料190D以及慣性導航資料110D，以據此來產生下一個時間點所需的搜尋結果(即，高精地圖資料130D)。

請參照圖2，其係繪示根據本發明實施例之高精地圖系統130之搜尋方法200的流程示意圖。在搜尋方法200中，首先進行步驟210，以根據上一個時間點的搜尋結果來決定車輛位於路口或車道上。若車輛位於車道上，則進行步驟221，以利用高精地圖來取得此車道的空間資訊。然後，進行步驟222，以根據目前的慣性導航資料110D來判斷車輛是否接近路口或具有航向變化。接著，若車輛接近路口，則進行步驟223，以取得即將面臨之路口空間資訊。若車輛有航向變化，則進行步驟224，以取得與當下車道位置同向之車道空間資訊。然後，進行步驟240，以根據補償後的車輛定位資料190D來取得幾何距離最短之地圖位置，以作為目前時間點的搜尋結果。例如，在前述之車道/路口中找到與補償後位置(車輛定位資料190D)之幾何距離最短的 地圖位置。另外，若步驟222判斷出車輛未接近路口，也未具有航向變化，則直接進行步驟240。

請回到步驟210，若車輛位於路口，則進行步驟231，以利用高精地圖來取得此路口的空間資訊。接著，進行步驟232，以根據前述之路口空間資訊來取得即將面臨之車道空間的資訊。然後，再進行前述之步驟240。然而，本發明之實施例並不受限於此。

請參照圖3，其係繪示根據本發明實施例之高精地圖之定位定向系統100所對應之定位方法300的流程示意圖。在定位方法300中，首先進行步驟310，以利用慣性導航系統110來推估車輛之位置、姿態及速度。然後，進行步驟320，以利用衛星導航系統120來提供車輛之第一車輛位置以及第一車輛速度。接著，進行步驟330，以利用高精地圖系統130來提供車輛於高精地圖上之第二車輛位置以及車輛姿態。然後，進行步驟340，以利用輪速計150來提供車輛之第二車輛速度。接著，進行步驟350，以計算前述推估位置與第一車輛位置之第一位置差值，以及計算前述推估速度與第一車輛速度之第一速度差值，其中步驟350可利用第一加法器160來進行。然後，進行步驟360，以計算前述推估位置與第二車輛位置之第二位置差值，以及計算前述推估姿態與車輛姿態之姿態差值，其中步驟360可利用第二加法器170來進行。接著，進行步驟370，以計算前述推估速度與第二車輛速度之第二速度差值，其中步驟370可利用第三加法器180來進行。然後，進行步驟380，以利用定位補 償模組190來根據第一位置差值、第二位置差值、第一速度差值、第二速度差值以及姿態差值來對車輛推估位置、推估姿態及推估速度進行補償，以獲得車輛之補償後位置、補償後姿態以及補償後速度。

值得一提的是，定位方法300之步驟順序並不受限於上述實施例。在合適的狀況下，上述步驟的順序可以改變，以達到補償慣性導航系統110所提供之車輛資訊的目的。

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，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧定位定向系統

110‧‧‧慣性導航系統

110D‧‧‧慣性導航資料

120‧‧‧衛星導航系統

120D‧‧‧衛星導航資料

130‧‧‧高精地圖系統

130D‧‧‧高精地圖資料

140‧‧‧衛星定位優化模組

140D‧‧‧優化後衛星導航資料

150‧‧‧輪速計

150D‧‧‧車輛速度資料

160‧‧‧第一加法器

170‧‧‧第二加法器

180‧‧‧第三加法器

190‧‧‧定位補償模組

190D‧‧‧補償後車輛定位資料

195‧‧‧零速更新模組

195D‧‧‧零速更新訊號

Claims (10)

1. 一種應用高精地圖之定位定向系統，包含：

   一慣性導航系統，用以提供一車輛之一推估位置、一推估姿態以及一推估速度；

   一衛星導航系統，用以提供該車輛之一第一車輛位置以及一第一車輛速度；

   一高精地圖系統，用以提供該車輛於一高精地圖上之一第二車輛位置以及一車輛姿態；

   一輪速計，用以提供該車輛之一第二車輛速度；

   一第一加法器，電性連接至該慣性導航系統以及該衛星導航系統，以計算該推估位置與該第一車輛位置之一第一位置差值，以及計算該推估速度與該第一車輛速度之一第一速度差值；

   一第二加法器，電性連接至該慣性導航系統以及該高精地圖系統，以計算該推估位置與該第二車輛位置之一第二位置差值，以及計算該推估姿態與該車輛姿態之一姿態差值；

   一第三加法器，電性連接至該慣性導航系統以及該輪速計，以計算該推估速度與該第二車輛速度之一第二速度差值；以及

   一定位補償模組，電性連接至該慣性導航系統、該第一加法器、該第二加法器以及該第三加法器，以根據該第一位置差值、該第二位置差值、該第一速度差值、該第二 速度差值以及該姿態差值來對該車輛之該推估位置、該推估姿態以及該推估速度進行補償，以獲得該車輛之一補償後位置、一補償後姿態以及一補償後速度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之應用高精地圖之定位定向系統，更包含：

   一衛星定位優化模組，電性連接於該衛星導航系統、該高精地圖系統以及該第一加法器之間，以根據該高精地圖來優化該衛星導航系統所提供之該第一車輛位置以及該第一車輛速度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之應用高精地圖之定位定向系統，其中該高精地圖系統更用以進行一高精地圖搜尋步驟，以根據該車輛之該補償後位置、該補償後姿態以及該補償後速度來於該高精地圖上進行搜尋，以獲得該車輛於該高精地圖上之車輛位置與車輛姿態，並據以更新該第二車輛位置以及該車輛姿態。
4. 如申請專利範圍第1項所述之應用高精地圖之定位定向系統，更包含：

   一零速更新模組，電性連接於該輪速計與該定位補償模組之間，以於該第二車輛速度為0時，來輸出一零速更新訊號至該定位補償模組，以告知該定位補償模組該車輛目前為靜止狀態。
5. 如申請專利範圍第1項所述之應用高精地圖之定位定向系統，其中該慣性導航系統包含一加速度計以及一陀螺儀。
6. 一種應用高精地圖之定位定向方法，包含：

   利用一慣性導航系統來提供一車輛之一推估位置、一推估姿態以及一推估速度；

   利用一衛星導航系統來提供該車輛之一第一車輛位置以及一第一車輛速度；

   利用一高精地圖系統來提供該車輛於一高精地圖上之一第二車輛位置以及一車輛姿態；

   利用一輪速計來提供該車輛之一第二車輛速度；

   計算該推估位置與該第一車輛位置之一第一位置差值，以及計算該推估速度與該第一車輛速度之一第一速度差值；

   計算該推估位置與該第二車輛位置之一第二位置差值，以及計算該推估姿態與該車輛姿態之一姿態差值；

   計算該推估速度與該第二車輛速度之一第二速度差值；以及

   利用一定位補償模組來根據該第一位置差值、該第二位置差值、該第一速度差值、該第二速度差值以及該姿態差值來對該車輛之該推估位置、該推估姿態以及該推估速度進行補償，以獲得該車輛之一補償後位置、一補償後姿 態以及一補償後速度。
7. 如申請專利範圍第6項所述之應用高精地圖之定位定向方法，更包含：

   根據該高精地圖來優化該衛星導航系統所提供之該第一車輛位置以及該第一車輛速度。
8. 如申請專利範圍第6項所述之應用高精地圖之定位定向方法，更包含：

   利用該高精地圖系統來進行一高精地圖搜尋步驟，以根據該車輛之該補償後位置、該補償後姿態以及該補償後速度來於該高精地圖上進行搜尋，以獲得對應至該車輛於該高精地圖上之車輛位置與車輛姿態，並據以更新該第二車輛位置以及該車輛姿態。
9. 如申請專利範圍第6項所述之應用高精地圖之定位定向方法，更包含：

   當於該第二車輛速度為0時，利用一零速更新模組來輸出一零速更新訊號至該定位補償模組，以告知該定位補償模組該車輛目前為靜止狀態。
10. 如申請專利範圍第6項所述之應用高精地圖之定位定向方法，其中該慣性導航系統包含一加速度計以及一陀螺儀。

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