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研究生: 黃俊凱
Chun-Kai Huang
論文名稱: 微機電感測器於地面車輛定位系統之應用
MEMS-based Sensor Applications for Land Vehicle Positioning System
指導教授: 高維文
Wei-Wen Kao
口試委員: 卓大靖
Dah-Jing Jwo
黃緒哲
Shiu-Je 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: 2005
畢業學年度: 93
語文別: 中文
論文頁數: 74
中文關鍵詞: 陀螺儀加速儀電子羅盤擴增式卡爾曼濾波器互補濾波器
外文關鍵詞: Extended Kalman Filter, Compass, Accelerometer, Gyroscope, Complementary Filter
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  • 近年來由於微機電(MEMS)系統快速發展與技術的成熟,低價位的慣性導航裝置已經能應用於車輛的定位研究之上。利用車輛在平面道路之約束條件運動模式,一組二維的加速儀就可以進行導航定位。本論文則使用多個微型感測器的定位系統來適時修正單一組加速儀定位的不足。我們主要使用三個微型感測器:電子羅盤、加速儀與陀螺儀,利用單晶片微處理器(PIC16F88)為溝通介面,將三個感測器結合起來,組合成一個定位系統裝置。感測器的信號處理首先根據電子羅盤及加速儀之間雜訊特性的差異,運用較為簡易的互補濾波器進行信號整合;最後利用車輛在慣性座標下的位置路徑、體座標上的速度與加速度,以及二維平面車輛之約束條件運動下的運動方程式與感測器雜訊為系統狀態,運用擴展式卡爾曼濾波器來進行車輛的方位與路徑估測並抑制雜訊彼此的漂移。


    Recent years progress in the field of micro-electro-mechanical system (MEMS) has made low cost inertial devices become a possible option for land vehicle. In the hardware implementation part of this thesis, we discussed characteristics and interface designs for various sensors. In the digital signal process theoretical, first we designed a complementary filter according to the sensors noise characteristic. Then we designed a Kalman filter to integrate the compass, accelerometer, and gyroscope sensors output. By using the relationship between the constrain motion of the vehicle positions, speeds, accelerations, and sensors noises, sensor noise and drifts are effectively removed.

    誌謝 І 中文摘要 II 英文摘要 III 目錄 ІV 圖表索引 VI 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機 2 1.3 研究方法 2 1.4 文獻回顧 3 1.5 論文架構 3 第二章 定位系統原理與架構 4 2.1定位系統平台 5 2.2微機電感測器 7 2.2.1 電子羅盤(Compass) 7 2.2.2 加速儀(Accelerometer) 14 2.2.3 陀螺儀(Gyroscope) 19 2.3 感測器誤差分析 21 2.3.1感測器誤差模型 21 2.3.2靜態誤差分析 23 2.4 平面車輛運動模式 26 第三章 信號處理方法 28 3.1互補濾波器(Complementary filter) 29 3.1.1低通濾波器(Low pass filter) 29 3.1.2互補濾波器之設計 30 3.2卡爾曼濾波器(Kalman filter) 31 3.2.1卡爾曼濾波器運算法則 31 3.2.2非線性卡爾曼濾波器問題 36 3.2.3卡爾曼濾波器之特性 39 3.1.2卡爾曼濾波器之設計 39 第四章 實驗結果與分析 41 4.1 定位系統整合與架構 41 4.2 定位整合實驗 45 4.2.1 電子羅盤與加速儀之定位整合 46 4.2.2 電子羅盤、加速儀與陀螺儀之定位整合 58 4.2.3 感測器雜訊推估 65 4.3 結語 67 第五章 結論與建議 68 5.1 結論 68 5.2 建議 69 5.3 未來展望 70 參考文獻 71 作者簡介 74

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