TWI383127B - 一種輔助導航之速度運算方法 - Google Patents

Description

一種輔助導航之速度運算方法

本發明係揭露一種輔助導航之速度運算技術方法，特別是指一種當導航系統無法有效接收全球衛星定位系統(Global Positioning System；GPS)定位資訊時，輔助導航系統不至於中斷導航的速度運算之技術方法。

全球衛星定位系統(Global Positioning System；GPS)為一由美國軍方運用太空科技研發的技術，原理係利用與地球同步之衛星，取其相對位置，測出使用者在三維空間中之精確位置。此技術具有全天候、範圍全球覆蓋與快速省時高效率等優點。

GPS系統在技術局部轉移到民間後，除了運用在精確定時、工程施工與勘探測繪等各方面，與我們日常生活最為息息相關的莫過於汽車導航之應用。首先，在汽車上安裝一GPS導航裝置以供接收GPS定位資訊，再配合預先儲存的地圖資訊，透過導航軟體即可提供駕駛人精確即時的定位和移動資訊。如此一來省卻了駕駛人按圖索驥的不便，大大提升了行車的便利性。

然，即使擁有多項優點，GPS導航在實用上還是有美中不足的缺憾。除了GPS衛星本身可能發生暫時性的故障之外，由於其定位功能係仰賴人造衛星由太空發出的訊號，太陽風、大氣濃度變化、建築物外型折射與遮蔽物(如隧道、橋下或停車場)的影響都可能造成導航中斷或誤判。

因應以上狀況，通常可朝以下三個方向來加以解決：其一為強化接收效能，其二為尋求一暫時性替代的輔助導航(Dead Reckoning；DR)技術，其三則為利用參考站的設置來修正GPS的誤差。

在強化接收效能方面，如中華民國專利公告I271535號「全球定位系統(GPS)天線調整系統和方法以及GPS衛星訊號强度顯示模組和方法」，係揭露一產生衛星訊號強弱測定數據供天線調整，藉以提升天線接收效能的方法。

在尋求一暫時性替代的DR技術方面，當訊號來源中斷，導航系統自動切換至輔助導航模式，藉由車輪轉速傳感器取得汽車之行進速度，配合預存地圖資訊追蹤使用者定位持續導航。

在利用參考站的設置來修正GPS的誤差方面，最典型者為習知技術地面差分定位系統(Differential GPS；以下簡稱DGPS)，其係利用參考站的設置來修正GPS的誤差，再廣播此即時誤差值供訊息傳輸範圍內的使用者加入運算，藉以校正誤差。在中華民國專利公告I227332號「校正GPS/DGPS定位偏差並消弭遮蔽障礙之裝置及方法」中，更進一步提出一種定點短距通訊的手法，藉以將精準度提高達98%以上。

在這些解決方向之中，相較於DGPS在設備上的較高需求，雖然目前的DR技術精確度並不高，但是卻有較高的應用性，故廣為廠商所積極開發研究。然，在目前DR技術中車輪轉速傳感器之應用，在下列情況中，行進速度的估算會產生誤差：車輪滑動行進、胎壓或輪胎本身磨耗因素造成輪胎半徑變化，以 及傳感器污損等。本發明即針對現有的DR技術中，車輪轉速傳感器應用之缺失，對行進速度判斷之需求提出另一種解決方案。

有鑒於在習知技術所提供之GPS導航技術中，普遍存在受到GPS衛星本身可能發生暫時性的故障，以及外物遮蔽或干擾等不利因素的影響，而導致導航中斷的嚴重問題。因此，本發明目的在於提供一輔助導航之速度運算方法與其應用裝置，其係在GPS導航系統訊號中斷時，持續提供定位資訊之一輔助慣性導航系統中，提供速度運算資訊。

本發明為解決習知技術之問題所採用之技術手段係提供一種GPS導航系統終端裝置，包含一記憶單元、一影像擷取單元、一計時器與一處理單元，處理單元具有一影像運算模組。在GPS導航系統終端裝置無法有效接收一GPS定位資訊時，可自動擷取複數個路面影像，並藉由辨識一交通標線之一端點，計算使用者行經該交通標線之一單位時間。或者定義一單位時間，再藉由辨識該交通標線之該端點判斷一位移長度。該交通標線之長度或該位移長度，皆可代表使用者之一行進距離。該處理單元利用影像運算模組將該行進距離除以單位時間即求得一速度，並據以提供該導航畫面。

相較於習知之GPS導航系統，由於本發明包含一記憶單元、一影像擷取單元、一計時器與一處理單元，故可藉由路面實景的擷取加以判斷出駕駛人之速度資訊，有效解決上述「受遮蔽物等外物影響而導致GPS導航中斷」之問題。即使駕駛人處於氣候不佳、上空有遮蔽物或GPS導航故障等問題，經由輔助導航模式的切換，將本發明求得之速度運算結果結合GPS導航系統終端裝置中預先儲存之地圖資訊，駕駛人仍可持續取得自身定位與移動方向，藉以提升導航精確率並確保行車安全。

又，相較於習知之DR技術中，車輪轉速傳感器之應用，本發明排除了車輪轉速傳感器在車輪滑動行進、胎壓或輪胎本身磨耗因素造成輪胎半徑變化，以及傳感器污損等情況下誤判之缺失。

最後，相較於DGPS技術，本發明之技術成本大幅偏低，廣泛應用指日可待。

關於本發明相關之組合實施方式不勝枚舉，故在此不再一一贅述，僅列舉二個較佳實施例加以具體說明。

請參閱第一圖至第四圖，第一圖係顯示在本發明較佳實施中，一全球衛星定位系統(Global Positioning System；GPS)導航系統，係結合一載具實現導航技術；第二圖係顯示本發明較佳實施例之功能方塊圖； 三圖係顯示在本發明較佳實施中，當載具進入遮蔽區並行駛於具一交通標線之一直線路段之示意圖；第四圖係影像擷取單元擷取路面影像之示意圖。

如圖所示，一全球衛星定位系統(Global Positioning System；GPS)導航系統100包含一GPS導航系統終端裝置1和三GPS衛星2、2a與2b。其中，GPS導航系統終端裝置1係裝設在一載具200，且GPS衛星2係持續對地球發送一GPS定位信號S1。

GPS導航系統終端裝置1包含一處理單元11、一記憶單元12、一影像擷取單元13、一顯示單元14、一信號接收單元16與一計時器17。處理單元11具有一影像運算模組111，影像運算模組111包括一影像判斷程式1111及一速度運算程式1112。

記憶單元12、影像擷取單元13、顯示單元14、信號接收單元16與計時器17係分別電性連接於處理單元11，且影像擷取單元13可為一電荷耦合裝置(Charge Coupled Device；CCD)。其中，記憶單元12中係預存至少一地圖資訊121。

如第三圖所示，在一般之常態導航狀態下，信號接收單元16可以接收GPS定位信號S1，藉以接收該GPS定位信號S1所載送一GPS定位資訊122。其中，GPS定位信號S1通常可為一滿足國際航運電子協會第0183號(National Marine Electronic Association 0183；NMEA 0183)通信協定之信號。

當一駕駛人(未標示)駕駛載具200進入路段A並行駛於一遮蔽物300之遮蔽範圍，信號接收單元16就會無法有效接收到GPS定位信號S1，致使上述之常態導航狀態被迫中斷。其中，路段A具一交通標線 3，其係為一虛線並包含至少一單位線段31，單位線段31之長度L1和間隔長度L2分別為4公尺和6公尺。需特別說明的是，長度L1和L2並不以此為限。此時，會進入一輔助導航狀態。

如第四圖所示，當GPS導航系統終端裝置1進入輔助導航狀態，影像擷取單元13開啟並根據一影像擷取範圍R將路段A之路面實景擷取為複數個路面影像18，其中，影像擷取範圍R係涵蓋交通標線3。

接著，請參閱第五圖至第五B圖，其係在本發明第一實施例中，影像判斷程式判斷連續擷取之路面影像之示意圖。路面影像18被傳送至處理單元11，以藉由影像運算模組111在路面影像18周邊定義一端點辨識範圍ER，並且辨識路面影像18中，交通標線3’之單位線段31’之一第一端點311’與一第二端點312’。如第五圖所示，倘若第一端點311’位置落於端點辨識範圍ER內並接近路面影像18上緣，代表載具200正要行經單位線段31，影像判斷程式1111據此定義一起始時間供計時器17擷取。如第五A圖所示，倘若第一端點311’位置落於端點辨識範圍ER之外，影像判斷程式1111不動作。如第五B圖所示，倘若第二端點312’位置落於端點辨識範圍ER內並接近路面影像18下緣，代表載具200正要駛離單位線段31，影像判斷程式1111據此定義一終止時間供計時器17擷取。計時器17藉由擷取起始時間與終止時間計算出一單位時間，其係代表載具200行經單位線段31所費時間。

然後，單位時間傳回影像運算模組111。速度運算程式1112將單位線段31之長度L1除以單位時間即求得一行進速度。行進速度搭配地圖資訊121綜合 運算產生一導航畫面141，並呈現在顯示單元14。其中，單位線段31之長度L1係根據中華民國道路交通標誌標線號誌設置規則定義。

請參閱第六圖至第六A圖，其係在本發明第二實施例中，影像判斷程式判斷連續擷取之路面影像之示意圖，並請一併參閱第二圖與三圖。計時器17定義一單位時間供影像擷取單元13以此為擷取間隔，將路段A之路面連續擷取為路面影像18。其中，路面影像18係涵蓋交通標線3。接著，路面影像18被傳送至處理單元11，以利用影像運算模組111中，影像判斷程式1111在影像擷取單元13之取像倍率與焦距固定之前提下，定義符合透視原理之一比例尺19。影像判斷程式1111依據比例尺19將路面影像18分割以利後續辨識與判斷。此時，如第六圖所示，影像判斷程式1111辨識路面影像18中單位線段31’之第一端點311’，以及如第六A圖所示，辨識單位線段31”之第一端點311”，並藉此判斷第一端點311’到第一端點311”在單位時間內之一位移長度M。接著，影像判斷程式1111根據比例尺19將該位移長度M運算出一實際位移長度(未標示)。速度運算程式1112將實際位移長度(未標示)除以單位時間，即求得行進速度。行進速度搭配地圖資訊121綜合運算產生一導航畫面141，並呈現在顯示單元14。

接著，為了進一步推廣本發明所揭露之技術，以下將進一步將本發明較佳之第一實施例與第二實施例所揭露之技術彙整為一簡易流程圖，以便在所屬技術領域中具有通常知識者更容易記憶。

請參閱第七圖和第八圖，其係為本發明第一實施例之簡易流程圖，並請一併參閱第二圖。如圖所示， 在實現本發明之技術時，必須先開啟GPS導航系統終端裝置1，以進入GPS導航系統100(步驟110)。接著，信號接收單元16接收遵守NMEA0183通訊協定之GPS定位信號S1，藉以取得其載送之GPS定位資訊122(步驟120)。此時，GPS導航系統終端裝置1會判斷信號接收單元16是否有效接收GPS定位信號S1(步驟130)？若是，則GPS導航系統終端裝置1會自動開啟影像擷取單元13(步驟140)，然後將具一交通標線3的路面擷取為複數個涵蓋交通標線3之路面影像18(步驟150)。

接下來，影像判斷程式1111會判斷路面影像18中，交通標線3’之單位線段31’之第一端點311’，是否出現在端點辨識範圍ER內(步驟160)？若是，影像判斷程式1111會進一步判斷第一端點311’是否接近路面影像18之上緣(步驟170)？若是，影像判斷程式1111產生一起始時間供計時器17擷取(步驟180)。

計時器17擷取起始時間後，影像判斷程式1111會繼續判斷路面影像18中，交通標線3’之單位線段31’之第二端點312’，是否出現在端點辨識範圍ER內(步驟190)？若是，影像判斷程式1111會進一步判斷第二端點312’是否接近路面影像18之下緣(步驟210)？若是，影像判斷程式1111產生一終止時間供計時器17擷取。計時器17擷取終止時間後，會產生一單位時間(步驟220)。速度運算程式1112以單位線段31之長度L1將單位時間除之，即運算出行進速度(步驟230)。最後，可配合地圖資訊121將運算結果顯示於導航畫面141上(步驟240)。

請參閱第九圖，其係為本發明第二實施例之簡易流程圖，並請一併參閱第二圖。在本發明第二實施例 中，必須先開啟GPS導航系統終端裝置1，以進入GPS導航系統100(步驟310)。接著，信號接收單元16接收遵守NMEA0183通訊協定之GPS定位信號S1，藉以取得其載送之GPS定位資訊122(步驟320)。此時，GPS導航系統終端裝置1會判斷信號接收單元16是否有效接收GPS定位信號S1(步驟330)？若否，則GPS導航系統終端裝置1會自動開啟影像擷取單元13(步驟340)。

此時，計時器定義一單位時間作為影像擷取單元13影像擷取之間隔時間(步驟350)。影像擷取單元13以單位時間為間隔，將路面實景連續擷取為路面影像18，其中路面影像18涵蓋交通標線3(步驟360)。影像判斷程式1111依據影像擷取單元13之取像倍率定義一比例尺19(步驟370)。然後，影像判斷程式1111辨識連續擷取之路面影像18中，單位線段31’之端點(如第一端點311’)，並判斷其位移(如判斷由第一端點311’至第一端點311”之位移)，據以產生一位移長度M(步驟380)。影像判斷程式1111根據比例尺19將位移長度M運算為實際位移長度(未標示)(步驟390)。速度運算程式1112以實際位移長度(未標示)將單位時間除之，即運算出行進速度(步驟400)。最後，可配合地圖資訊121將運算結果顯示於導航畫面141上(步驟410)。

舉凡在所屬技術領域中具有通常知識者皆能輕易理解，相較於習知之GPS導航系統，由於在本發明中，GPS導航系統終端裝置1包含一影像擷取單元13、一計時器17和一處理單元11，其中處理單元11具有一影像運算模組111，故可藉由路面實景的擷取加以判斷出駕駛人之行進速度，藉以有效解決上述 「受遮蔽物300等外物影響而導致GPS導航中斷」之問題。即使駕駛人處於氣候不佳、上空有遮蔽物或GPS導航故障等問題，經由輔助導航模式的切換，將本發明求得之速度運算結果結合GPS導航系統終端裝置1中預先儲存之地圖資訊，駕駛人仍可持續取得自身定位與移動方向；又，相較於習知之DR技術中，車輪轉速傳感器之應用，本發明排除了車輪轉速傳感器在車輪滑動行進、胎壓或輪胎本身磨耗因素造成輪胎半徑變化，以及傳感器污損等情況下誤判之缺失。本發明確實提升導航精確率並確保行車安全。

藉由上述之本發明實施例可知，本發明確具產業上之利用價值。惟以上之實施例說明，僅為本發明之較佳實施例說明，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者當可依據本發明之上述實施例說明而作其它種種之改良及變化。然而這些依據本發明實施例所作的種種改良及變化，當仍屬於本發明之發明精神及界定之專利範圍內。

100‧‧‧GPS導航系統

200‧‧‧載具

300‧‧‧遮蔽物

1‧‧‧GPS導航系統終端裝置

11‧‧‧處理單元

111‧‧‧影像運算模組

1111‧‧‧影像判斷程式

1112‧‧‧速度運算程式

12‧‧‧記憶單元

121‧‧‧地圖資訊

122‧‧‧GPS定位資訊

13‧‧‧影像擷取單元

14‧‧‧顯示單元

141‧‧‧導航畫面

16‧‧‧信號接收單元

17‧‧‧計時器

18‧‧‧路面影像

19‧‧‧比例尺

2‧‧‧GPS衛星

2a‧‧‧GPS衛星

2b‧‧‧GPS衛星

3、3’‧‧‧交通標線

31、31’‧‧‧單位線段

311、311’、311”‧‧‧第一端點

312’‧‧‧第二端點

S1‧‧‧GPS定位信號

A‧‧‧路段

R‧‧‧影像擷取範圍

ER‧‧‧端點辨識範圍

M‧‧‧位移長度

L1‧‧‧單位線段長度

L2‧‧‧間隔長度

第一圖係顯示在本發明較佳實施中，一全球衛星定位系統(Global Positioning System；GPS)導航系統，係結合一載具實現導航技術；第二圖係顯示本發明較佳實施例之功能方塊圖；第三圖係顯示在本發明較佳實施中，當載具進入遮蔽區並行駛於具一交通標線之一直線路段之示意圖；第四圖係影像擷取單元擷取路面影像之示意圖； 第五圖、第五A圖與第五B圖係在本發明第一實施例中，影像判斷程式判斷連續擷取之路面影像之示意圖。；第六圖與第六A圖係在本發明第二實施例中，影像判斷程式判斷連續擷取之路面影像之示意圖；第七圖與第八圖係顯示本發明第一實施例實施方式之簡易流程圖；以及第九圖係顯示本發明第二實施例實施方式之簡易流程圖。

100‧‧‧GPS導航系統

1‧‧‧GPS導航系統終端裝置

11‧‧‧處理單元

111‧‧‧影像運算模組

1111‧‧‧影像判斷程式

1112‧‧‧速度運算程式

12‧‧‧記憶單元

121‧‧‧地圖資訊

122‧‧‧GPS定位資訊

13‧‧‧影像擷取單元

14‧‧‧顯示單元

141‧‧‧導航畫面

16‧‧‧信號接收單元

17‧‧‧計時器

2‧‧‧GPS衛星

2a‧‧‧GPS衛星

2b‧‧‧GPS衛星

S1‧‧‧GPS定位信號

Claims (14)

1. 一種GPS導航系統終端裝置，係於行經具有一交通標線之路面，且無法有效接收一全球衛星定位系統(Global Positioning System；GPS)定位資訊時，持續提供一導航畫面以持續導航，該GPS導航系統終端裝置包含：一記憶單元，係預先儲存至少一地圖資訊；一影像擷取單元，係於該GPS導航系統終端裝置行經具有該交通標線之路面時，擷取涵蓋該交通標線之複數個路面影像；一計時器，係根據該等路面影像計算該GPS導航系統終端裝置在該路面行經該交通標線之一單位時間，以及；一處理單元，係電性連接於該記憶單元、該影像擷取單元與該計時器，藉以依據該等路面影像與該單位時間運算出一行進速度，並依據該地圖資訊與該行進速度提供該導航畫面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之GPS導航系統終端裝置，其中該處理單元係以一影像運算模組根據該等路面影像與該單位時間運算出該行進速度。
3. 如申請專利範圍第2項所述之GPS導航系統終端裝置，其中該影像運算模組包括一影像判斷程式。
4. 如申請專利範圍第2項所述之GPS導航系統終端裝置，其中該影像運算模組包括一速度運算程式。
5. 如申請專利範圍第1項所述之GPS導航系統終端裝置，其中，該交通標線係包含至少一實線線段。
6. 如申請專利範圍第1項所述之GPS導航系統終端裝置，其中，該交通標線係為一車道線。
7. 如申請專利範圍第1項所述之GPS導航系統終端裝置，其中，該影像擷取單元包括一電荷耦合裝置(Charge Coupled Device；CCD)。
8. 如申請專利範圍第1項所述之GPS導航系統終端裝置，其中，該GPS定位資訊係透過一滿足國際航運電子協會第0183號(National Marine Electronic Association 0183；NMEA 0183)通信協定之信號加以傳遞。
9. 如申請專利範圍第1項所述之GPS導航系統終端裝置，更包含一顯示單元，藉以呈現該導航畫面。
10. 一種輔助導航之速度運算方法，係在行經具有一交通標線之路面，且無法有效接收一全球衛星定位系統(Global Positioning System；GPS)定位資訊時，持續提供一導航畫面以持續導航，該方法包含下列步驟：(a)預先儲存至少一地圖資訊；(b)於該GPS導航系統終端裝置行經具有該交通標線之路面時，擷取涵蓋該交通標線之複數個路面影像；(c)計算該使用者行經該交通標線之一單位線段之一單位時間；(d)依據該等路面影像所顯示之該單位線段與該單位時間運算出一行進速度，以及；(e)依據該地圖資訊與該行進速度產生該導航畫面。
11. 如申請專利範圍第10項所述之輔助導航之速度運算方法，其中，該交通標線係為一車道線。
12. 如申請專利範圍第10項所述之輔助導航之速度運算方法，其中，該步驟(c)更包含步驟(c0)，其係辨識該等路面影像中該單位線段之至少一端點，以根據一起始時間與一終止時間計算出該單位時間。
13. 如申請專利範圍第10項所述之輔助導航之速度運算方法，其中，該步驟(d)更包含步驟(d0)，其係根據地域交通標誌之標線號誌設置規則定義該單位線段之該長度。
14. 如申請專利範圍第10項所述之輔助導航之速度運算方法，其中，該步驟(d)更包含步驟(d1)，其係對該等路面影像定義一比例尺，藉以從該等路面影像所顯示之該單位線段之一位移長度運算出該行進速度。