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研究生: 葛定寰
Ding-huan Ge
論文名稱: 非線性估測器於動態室內定位的應用
Application of Nonlinear Observers in Dynamic Indoor Positioning
指導教授: 高維文
Wei-Wen Kao
口試委員: 姜嘉瑞
Chia-Jui Chiang
陳亮光
Liang-Kuang Chen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 106
中文關鍵詞: 無線感測器網路粒子濾波器無跡卡爾曼濾波器擴展型卡爾曼濾波器卡爾曼濾波器方位推估法接收信號強度指標
外文關鍵詞: WSN, Particle Filter, The Unscented KF, The Extended KF, Kalman Filter, DR, RSSI
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  • 卡爾曼濾波器是一種最佳遞迴式狀態估測演算法,能從受雜訊影響的量測值中,有效的估測線性動態系統的狀態;理想的卡爾曼濾波器必須建立在準確的系統動態模型、動態模型為線性且雜訊必須是平均值為零之白雜訊,方可得到最佳的估測結果。然而真實環境中,系統表現往往為非線性,也就是系統狀態方程式以及量測方程式皆為非線性模型,此時卡爾曼濾波器已無法滿足高估測精度的需求,因此若要在真實動態系統中,得到精度較高的狀態估測值,則必須仰賴非線性濾波器理論來進行系統狀態估測。
    本論文以三種目前已廣泛被使用的非線性濾波理論於動態的室內環境中,對無線感測器網路(WSN)整合方位推估法(DR)之室內定位進行模擬分析,包括了擴展型卡爾曼濾波器(EKF)、無跡卡爾曼濾波器(UKF),以及粒子濾波器(Particle filter)。在系統架構方面是選以二座ZigBee無線基地台透過接收訊號強度指標(RSSI)來獲取定位物體的絕對位置訊息並以一陀螺儀及一加速度計來獲取定位物體的相對位移做為觀測量來進行移動物體真實位置、接收信號強度指標參數及其它相關狀態的估測。由模擬結果可得知,在動態的室內環境中,粒子濾波器能獲得比擴展型卡爾曼濾波器以及無跡卡爾曼濾波器更為優良的定位效果及狀態估測值,有效的降低室內動態環境中,因RSSI參數變動下,造成的觀測量不穩定之影響。


    The Kalman filter is a recursive optimal filter that estimates the

    States of a linear dynamics system, efficiently from a series of noisy

    measurement. An ideal Kalman filter can lead to an optimal filter when

    dynamic model of system is completely known, linear and noise must

    be white with zero mean. However in reality, linear systems do no really

    exist, that means system’s state space equation and measurement

    equation are all nonlinear. In this case, Kalman filter can not suffice us

    for precise positioning. If we want to resolve this kind of problem,

    nonlinear filter estimation must to be used for higher localization

    accuracy.

    In this thesis, three methods of nonlinear estimation algorithm

    including Extended/Unscented Kalman Filter and Particle Filter

    are applied for simulating WSN/DR integration positioning in dynamic

    indoor environment . In the framework of the system, two ZigBees and

    two inertial navigation sensors were used to obtain measurement

    informations for estimating the position of moving body, parameters

    of ZigBee’s RSSI and other relating states.

    Simulation results show that Particle Filter can estimate the states

    of the system more accurate than EKF and UKF, efficiently reducing

    the effect of unstable RSSI measurements in the dynamic indoor

    environment.

    摘要...............................................I ABSTRACT………………………………………………………III 誌謝…………………………………………...………………V 目錄……………………………………………………………VI 圖表目錄………………………………………………………IX 第一章 緒論………………………………………………1 1.1 前言…………………………………………………1 1.2 研究動機與方法……………………………………2 1.3 文獻回顧……………………………………………4 1.4 論文架構……………………………………………5 第二章 無線室內定位系統…………………………………7 2.1 前言…………………………………………………………7 2.2 各種定位方法比較…………………………………………8 2.2.1ρ-ρnavigation………………………………………8 2.2.2θ-θnavigation………………………………………9 2.2.3ρ-θnavigation………………………………………9 2.2.4 距離差修正導航……………………………………10 2.3 無線感測器網路(Wireless Sensor Network,WSN)……10 2.4 ZigBee無線信號特性………………………………………11 2.4.1 無線電傳播原理及特性…………………………………12 2.4.2 多重路徑效應……………………………………………14 2.4.3 影響RSSI的內在因素…………………………………..15 2.5 接收信號強度指標(RSSI)…………………………………….16 第三章 慣性導航系統………………………………………………18 3.1 前言…………………………………………………………18 3.2 慣性導航系統分類…………………………………………19 3.2.1 穩定平台式系統………………………………………19 3.2.2 固裝式系統……………………………………………20 3.3 慣性感測器工作原理…………………………………………22 3.3.1 加速度規(accelerometer)……………………………22 3.2.2 陀螺儀(gyroscope)……………………………………24 3.4 方位推估法(Dead-Reckoning,DR)…………………………26 3.4.1 方位推估法誤差分析………………………………….27 3.5 慣性感測器的誤差模式………………………………………28 第四章 擴展式卡爾曼濾波器…………………………………………29 4.1 前言…………………………………………………………….29 4.2 離散型卡爾曼濾波器(The Discrete KF)……………………29 4.3 擴展式卡爾曼濾波器(The Extended KF)…………………..35 第五章 無跡式卡爾曼濾波器…………………………………………41 5.1 前言……………………………………………………………41 5.2 Unscented 轉換(Unscented Transformation,UT)……42 5.3 Sigma點採樣方法……………………………………………44 5.4 無跡式卡爾曼濾波器演算法…………………………………45 第六章 粒子濾波器……………………………………………………50 6.1 前言……………………………………………………………50 6.2 粒子濾波器基本概念…………………………………………50 6.3 貝氏估測法則…………………………………………………51 6.4 粒子濾波器……………………………………………………54 第七章 系統模擬結果………………………………………………..61 7.1 系統動態方程式與參數設定…………………………………61 7.2 系統模擬結果………………………………………………….64 7.3 結果討論………………………………………………………83 第八章 結論與未來展望.………………………………………………85 8.1 結論……………………………………………………………85 8.2 建議……………………………………………………………86 8.3 未來展望…………………………………………………………87 參考文獻………………………………………………………………88

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    無法下載圖示 全文公開日期 2013/01/27 (校內網路)
    全文公開日期 本全文未授權公開 (校外網路)
    全文公開日期 2013/01/27 (國家圖書館:臺灣博碩士論文系統)
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