整合GPS與MEMS感測器於自行車導航系統之應用｜國立臺灣科技大學博碩士論文系統

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研究生：	張弘毅 Hong-Yi Chang
論文名稱：	整合GPS與MEMS感測器於自行車導航系統之應用 Integration of GPS and low cost MEMS sensor for Bicycle navigation system applications
指導教授：	高維文 Wei-Wen Kao
口試委員:	卓大靖 Dah-Jing Jwo 黃安橋 An-Chyau Huang
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：	111
中文關鍵詞：	導航定位系統、慣性感測器、方位推估法、自行車導航、擴展式卡門濾波器、無跡卡門濾波器
外文關鍵詞：	Navigation System, INS, DR, Bicycle navigation system, EKF, UKF
相關次數：	點閱：310 下載：11
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自行車兼具環保與運動的功能，在最近全球提倡低碳生活的概念下成為人們重視的交通工具。因此人們對於自行車導航系統的需求逐漸地增加，雖然現行車輛導航科技雖然已相當成熟，但對於自行車導航系統而言，仍有許多未克服的限制與障礙待解決。例如：自行車為六自由度的運動，其運動模型較一般車輛複雜，當車速緩慢以及常行駛於高樓巷弄間，易造成GPS訊號多路效應、飄移失準，甚至GPS失效等現象。
為了克服GPS用於自行車的限制，將使用慣性感測器來輔助GPS訊號不良或失效等情況，但慣性感測器亦非全然可靠，慣性感測器在長時間使用下會造成感測器的發散飄移等現象，影響其導航的準確性，本論文首先分析各感測器的誤差並以合適的校正法則提高INS的準確度，並利用嵌入式平台接收INS感測器訊號，結合GPS的定位資訊透過非線性濾波器整合GPS及INS的互補性，並應用方位推估法演算導航路徑，便可獲得準確的導航定位資訊。

The bicycle has both the environmental protection and the movement function, recently, whole world advocates low-carbon life of the concept becomes an important role in our life. With the high skilled development of vehicle navigation, there are still many problems for bicycle navigation. For example, a bicycle with six degrees of freedom, the motion model of bicycle is more complex, when you ride it next to high building or while low speed, it would cause muti-path, drift and noise.
In order to overcome the limit of a GPS, we use an INS to assist it. However an INS is not completely accuracy. It would drift when you use it for a long time. In this paper, by combining the outputs of GPS and INS with EKF and UKF, the performance issues of both systems can be remedied. By adding INS data to GPS, the GPS signal tracking loops can be tightened to better reject multi-path and interfering signals. And then, we use DR algorithm to obtain correct path.

摘 要.................................................I
Abstract.............................................II
誌 謝...............................................III
目 錄................................................IV
圖 目 錄.............................................VI
表 目 錄..............................................X
第一章 緒論.....................................................1
1前言.........................................................1
2 文獻回顧....................................................2
3 研究動機....................................................2
4 論文架構....................................................3
第二章 導航定位系統原理與架構...................................5
1  全球衛星定位系統（GPS）....................................5
1.1  GPS系統架構	..............................................5
1.2  GPS基本原理	..............................................6
1.3  GPS誤差來源	..............................................8
2  慣性導航系統（INS）........................................8
3  GPS/INS導航系統整合........................................10
4 感測器工作原理	..............................................11
4.1 加速規（Accelerometer）...................................11
4.2 陀螺儀(Gyroscope).........................................15
4.3 里程計（Odometer）........................................17
第三章 慣性導航數學基礎.........................................19
1三維自行車運動模型...........................................19
2 座標系統....................................................20
2.1地球固定座標系（Earth-Centered Earth-Fixed）...............20
2.2 導航座標系（Navigation Frame）............................21
2.3 當地水平座標系（Local-Level Frame）.......................21
2.4體座標系統（Body Frame）...................................21
3座標轉換關係.................................................22
4 動座標角速度與尤拉角關係....................................24
第四章 感測器誤差分析與校正法則.................................26
1 感測器誤差分析	..............................................26
1.1 感測器靜態測試............................................27
2感測器校正法則	..............................................32
2.1加速規校正法則.............................................32
2.2陀螺儀校正法則.............................................40
2.3 里程計校正法則............................................43
第五章擴展式卡門濾波器(EKF）....................................45
1 離散型卡門濾波器(The Discrete KF)...........................45
2擴展式卡門濾波器演算法.......................................50
第六章 無跡式卡門濾波器(UKF)....................................55
1 Unscented轉換(Unscented Transformation，UT).................55
2無跡式卡門濾波器演算法.......................................58
第七章 實驗與分析...............................................62
1實驗硬體架構平台.............................................62
2姿態角實驗...................................................63
3 加速規偏移量實驗............................................69
4 三維高度實驗................................................78
5 導航定位整合實驗............................................82
5.1 道路實驗一................................................84
5.2 道路實驗二................................................91
5.3 道路實驗三................................................99
6 實驗討論....................................................106
第八章 結論與建議...............................................108
1 結論	.......................................................108
2 建議	.......................................................108
3未來展望.....................................................109
參考文獻........................................................110

                                

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