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研究生: 陳慶坤
Cing-kun Chen
論文名稱: 步伐偵測與GPS整合之個人運動定位系統
Integration of GPS and sensor-based step length detection for Personal Locating System
指導教授: 高維文
Wei-wen Kao
口試委員: 姜嘉瑞
Chia-jui Chiang
張淑淨
Shwu-jing Chang
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: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 126
中文關鍵詞: 室內定位步伐偵測步伐長度估測慣性感測器行人導航系統擴展示卡爾曼濾波器
外文關鍵詞: indoor positioning, step detection, step length estimation, INS, pedestrian navigation system, EKF
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  • 近年來,行人導航系統逐漸發展,而大多的感測器多放置在腰部或腳上,以建立模型來測量運動的物理量,計算出行走的路徑距離。而本論文提出將感測器放在手腕上,進行分析與模型規畫。許多導航公司推出多款運動手錶,其使用GPS訊號告知跑者許多跑步相關資訊,但GPS訊號於城市或隧道應用中受限於衛星訊號品質,且無法保證訊號之連續完整性。為了有效達成精度與不受環境的影響,本論文將加速儀與GPS做整合在手錶上,包含位置鎖住、擴展式卡爾曼濾波器整合與適應性校正之參數更新等處理流程。適當的校正演算法與訊號處理可以有效降低模型與GPS估測誤差,且能在無GPS環境下進行模型估測,亦可保證推估的距離之有效性與可靠性。


    Recently, the pedestrian navigation system(PNS) was developed gradually and most sensors of PNS were put around the waist or foot to establish a model to figure out the path and distance. In this study, the researcher put the sensor around the wrist to do the analysis. Many companies developed sport watches with global positioning system(GPS) to provide consumers with their running information. However, the GPS signals in urban or tunnel are often influenced by the environments. To overcome this limitation, this study installed the sensor in wrist watches and combined accelerator measurements with GPS in position calculations. The process includes position locking, extended Kalman Filter and adaptive parameter adjustment. The researcher found that the appropriate parameter adjustment and signal processing algorithms can effectively reduce the positioning, allowed the method to do the estimation without GPS signal, and prove the validity and reliability of data.

    摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 IV 圖目錄 VIII 表目錄 XI 第一章 緒論 1 1.1前言 1 1.2研究動機 2 1.3文獻回顧 3 1.4論文架構 4 第二章 系統架構 6 2.1實驗硬體架構平台 6 2.2感測器介紹 7 2.2.1全球定位系統 7 2.2.2加速儀 8 2.3感測器誤差分析與校正 10 2.3.1 GPS誤差分析 10 2.3.2加速儀誤差分析 11 2.3.3感測器校正法則 12 2.4感測器放置位置與校正後加速度訊號圖 13 2.5 GPS訊號處理 15 2.5.1經緯度距離計算 15 2.5.2位置鎖住使用GPS與加速儀整合 16 第三章 跑步與訊號分析 18 3.1走路與跑步的差別 18 3.2跑步步伐分析 19 3.3加速度頻率與訊號處理使用軸的選擇 23 3.4加速度訊號與步伐運動之間關係 25 3.5跑步速度不同與加速度訊號之間關係 30 3.6步伐偵測演算法 32 第四章 模型與變數分析及適應性校正法則35 4.1變數相關性分析 36 4.1.1訊號指標計算 37 4.2步伐長度估測演算法 48 4.3參數估測 50 4.4不同模型的誤差比較 51 4.4.1最佳模型與分析 56 4.5其他人加速度訊號分析 61 4.6適應性校準法則 63 4.6.1梯度法(Gradient Method)[1] 67 4.6.2遞迴最小平方法(Recursive least-square estimation) 68 4.7適應性參數鑑別實驗 68 第五章 擴展式卡門濾波器整合GPS與跑步模型 75 5.1 GPS與加速儀之訊號整合處理程序 75 5.2擴展式卡門濾波器演算法[5,6] 76 5.2.1 Q與R對擴展性卡門濾波器設計之影響[7] 82 5.3擴展式卡門濾波器整合已知模型參數與GPS 83 5.4擴展式卡門濾波器整合未知模型參數與GPS 85 5.5固定運動模式跑步實驗 89 5.5.1擴展式卡門濾波器整合已知模型參數與GPS實驗 91 5.5.2擴展式卡門濾波器整合未知模型參數與GPS實驗 101 5.6變動運動模式跑步實驗 104 5.6.1擴展式卡門濾波器整合已知模型參數與GPS實驗 106 5.6.2擴展式卡門濾波器整合未知模型參數與GPS實驗 116 第六章 結論與未來展望 119 6.1結論 119 6.2建議 121 6.3未來展望 122 參考文獻 123 作者簡介 126

    [1] 劉兆偉,三維汽車定位系統之最簡感測器結構設計,碩士論文,台灣科技大學機械工程研究所,台北,2010。
    [2] 劉建良,感測器於個人定位之步行分析與應用,碩士論文,台灣科技大學機械工程研究所,台北,2008。
    [3] 高維文,地面車輛定位及導航系統,行政院國科會專題研究計畫,台灣工業技術學院機械系,台北,1995。
    [4] 林敬弦,個人運動模式辨識與建模,碩士論文,國立台灣科技大學機械工程技術研究所,台北,2011。
    [5] 葛定寰,非線性估測器於動態室內定位的應用,碩士論文,國立台灣科技大學機械工程技術研究所,台北,2010。
    [6] 張弘毅,整合GPS與MEMS感測器於自行車導航系統之應用,碩士論文,台灣科技大學機械工程研究所,台北,2010。
    [7] 何志強,INS/GPS 整合導航系統,中山科學研究院慣性導航組,中華民國85年5月。
    [8] MEMSIC,"MXC6202G,MXM9301MZ Data Sheet”,2006
    [9] STMicroelectronics LIS3DH Data Sheet
    [10] 走路與慢跑圖,http://flash.abang.com/od/cartoon/
    [11] Google Earth,http://www.googleearth.com
    [12] http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9D%87%E6%96%B9%E6%A0%B9
    [13] http://www.youtube.com/watch?v=67MxLxaVuAQ&feature=related
    [14] G. Lachapelle, S. Godha and M. E. Cannon, ”Performance of integrated HSGPS-IMU technology for pedestrian navigation under signal masking”, Proc. European Naviation Conference, Manchester, UK,2006.
    [15] W. Chen, Ruizhi Chen, Heidi Kuusniemi, Jianyu Wang, “An Effective Pedestrian Dead Reckoning Algorithm Using a Unified Heading Error Model”, Proceedings of the IEEE/ION position, location and navigation symposium (PLANS) 2010.
    [16] H. -J. Jang, J. W. Kim and D. -H. Hwang , ”Robust step detection method for pedestrian navigation systems”, Electronics Letters, Volume 43, Issue 14, 2007.
    [17] S. H. Shin, C. G. Park, J. W. kim, H.S. Hong and J. M. Lee, ”Adaptive Step Length Estimation Alogrithm Using Low-Cost MEMS Inertial Sensors”, IEEE Sensors Applications Symposium San Diego, California USA, 6-8 February 2007.
    [18] L. Fang, P. Antsaklis, L. Montestruque, M. McMickell, M, Lemmon, Y. Sun, H. Fang, I Koutroulis, M. Haenggi, M. Xie, and X. Xie, ”Design of a wirelss assisted pedestrian dead reckoning system-the NavMote experience”, IEEE Transactions on ransactions on instrumentation and measurement, Vol. 54, No. 6,December 2005.
    [19] S. Cho and C. Park, ”MEMS Based Pedestrian Navigation System,” The Journal of Navigation, vol. 59,Issue 01, pp. 135-153,2006.
    [20] D. A. Grejner-Brzezinska, C. K. Toth, and S. Moafipoor, ”Pedestrian tracking and navigation using an adptive knowledge system based on neural networks”, Joumal of Applied Geodesy, 2007.
    [21] S. Moafipoor, D. A. Grejner-Brzezinska, and C. K. Toth, ” A fuzzy dead reckoning algorithm for a personal navigation, ”Journal of The Institute of Navigation, 2008.
    [22] R. G. Brown and P. Y. C Hwang, “Introduction to Random Signals and Applied Kalman Filtering, ”John Wiley & Sons, New York, 3rd 1997.
    [23] D. Simon, Optimal State Estimation: Kalman, H∞, and Nonlinear Approaches, John Wiley & Sons, Inc., HOBOKEN, NJ, 2006.
    [24] M. S. Lee, S. H. Shin, C. G. Park, Evaluation of a Pedestrian Walking Status Awareness Algorithm for a Pedestrian Dead Reckoning, Proceedings of the 23rd International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS 2010),Portland , September 2010.
    [25] Jeong Won Kim, Han Jin Jang, Dong-Hwan Hwang, Chansik Park, A Step, Stride and Heading Determination for the Pedestrian Navigation System, Journal of Global Positioning System, Vol. 3, No. 1-2: 273-279, 2004.
    [26] Zexi Liu, Chang-Hee Won, “Knee and Waist Attached Gyroscopes for Personal Navigation: Comparison of Knee, Waist and Foot Attached Inertial Sensors”, Proceedings of IEEE/ION PLANS 2010, May 4-6,2010.

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