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研究生: 林師泓
Shih-hong Lin
論文名稱: 雷射測距儀輔助無線感測器網路於動態 室內定位之應用
Laser Range Finder Aided Wireless Sensor Network for dynamic indoor positioning applications
指導教授: 高維文
Wei-Wen Kao
口試委員: 黃安橋
An-Chyau Huang
卓大靖
Dah-Jing Jwo
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: 147
中文關鍵詞: 擴展式卡爾曼濾波器粒子濾波器室內定位無線感測網路接收訊號強度最近點疊代法雷射測距儀
外文關鍵詞: Extended Kalman filter, Partical filter, indoor positioning, wireless sensor network, RSS, Iterative Closest Point Algorithm, Laser Range Finder
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  • 近些年來,由於無線感測網路的發展,使室內無線定位的技術與應用成為當
    今熱門的議題。針對這方面的研究,以往利用接收訊號強度,來實現定位的研究。
    在實際的室內環境下,無線電訊號會被障礙物干擾、反射、散射、多重路徑因素
    影響,導致訊號接收信號強度不是一個很穩定的精確值,致使造成定位的誤差。
    因為這樣的原因,本論文利用相對位移資訊來輔助室內無線定位,並以非線性濾
    波器進行整合的工作。
    在論文中重點可分為兩大部份,第一部分為雷射測距儀原理以及相對位移的
    解法,利用最近點疊代法本身為掃描對齊概念來求出相對位移的資訊,第二部份
    為非線性濾波器整合相對位移資訊與無線定位的結果,並使用兩種非線性濾波器
    做比較,分別利用擴展式卡爾曼濾波器以及粒子濾波器。
    經由實驗的驗證,本論文將相對位移資訊與室內無線定位系統做整合,在定
    位精度的效果上,的確比單純根據接收訊號強度與距離模型做曲線近似的定位方
    法來的好。在粒子濾波器能得到比擴展式濾波器更良好的定位結果,有效降低室
    內環境中接收訊號強度的不穩定性,來提升定位的精度。


    In recent years, indoor wireless positioning technologies and applications of a
    wireless sensor network have become a hot topic due to wireless sensor network had
    been developed. Formerly RSSI is used for positioning. In actual environment, radio
    signals are usually influenced with obstacle which produce reflection, scattering,
    multipath effect. This results in RSSI unstable data which cause position error. In this
    thesis take advantage of the relative displacement information to assist indoor
    wireless positioning, and use nonlinear filter algorithms for WSN and relative
    displacement information integration.
    In the first part of the thesis, the principles of LASER RANGE FINDER as well
    as relative displacement method are discussed, iterative closest point of scan matching
    method find relative displacement information. In the second part of thesis,
    integration of relative displacement information and wireless positioning. This thesis
    use two kinds of nonlinear filters, compare with the extended Kalman filter and
    particle filter respectively.
    Based on the result of this study, integration of relative displacement information
    and wireless positioning system can provide better positioning accuracy compared
    with conventional curve fitting method to obtain receive signal strength/distance
    model. Furthermore, Particle filter can more accurate positioning result than extended
    Kalman filter, alse reduce the effect of unstable RSSI and improve positioning
    accurate in the indoor environment.

    摘要 I Abstract II 致謝 III 目錄 IV 圖表索引 VII 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機與方法 1 1.3 文獻回顧 2 1.4 論文架構 4 第二章 無線室內定位系統 5 2.1 無線感測器網路 (Wireless Sensor Network,WSN) 5 2.2 ZigBee/IEEE 802.15.4 概述 5 2.3 ZigBee 網路架構與特性 7 2.4 無線定位技術方法 8 2.4.1 角度修正導航 8 2.4.2 距離修正導航 9 2.4.3 雙曲線導航 (hyperbolic navigation) 12 2.5 無線信號特性 13 2.5.1 繞射 13 2.5.2 反射與折射 14 2.5.3 散射 14 2.5.4 多重路徑效應 15 2.6 接收信號強度指標( R S S I) 16 2.7 實際測量RSSI 並建立模型 18 第三章 系統架構與開發環境 22 3.1 系統硬體架構介紹 22 3.1.1 ZigBee 系統介紹 22 3.1.2 雷射測距儀 25 3.2 系統軟體架構 27 3.2.1 IAR 開發環境 28 3.2.2 雷射測距儀通訊協定介紹 29 3.3 系統架構整合 32 第四章 ICP 演算法理論 34 4.1 雷射測距定位方法 34 4.2 ICP 演算法原理 35 4.2.1 設定data shape 與model shape 的資料格式 38 4.2.2 對D 裡面每一個資料點,尋找在M 中距離最近的對應點 38 4.2.3 計算幾何轉換資料 39 4.2.4 更新座標位置 40 4.2.5 計算均方根誤差與判斷停止條件 40 第五章 非線性濾波器 42 5.1 前言 42 5.2 擴展式卡爾曼濾波器(The Extended KF) 42 5.3 粒子濾波器基本概念 47 5.4 貝氏估測法則 48 5.5 粒子濾波器(Partical Filter) 50 第六章 模擬分析結果 57 6.1 ZigBee 無線定位 58 6.2 ZigBee 應用於EKF 定位估測 62 6.2.1 系統狀態方程式為P 模型 62 6.2.2 系統狀態方程式為PV 模型 66 6.3 ZigBee 加入相對位移資訊應用於定位估測 72 6.4 動態室內環境模擬 75 6.4.1 當A 改變時,四座參考節點模擬 75 6.4.2 當A,n 改變時,四座參考節點模擬 93 6.5 模擬討論 116 第七章 實驗與結果 117 7.1 實驗環境與設備說明 117 7.2 ZigBee 無線定位實驗 119 7.3 ZigBee 應用於EKF 定位估測 121 7.4 使用ZigBee 與雷射測距儀之實驗結果 126 7.4.1 經驗A,n 值代入EKF 進行估測 127 7.5 考慮A,n 會變化,代入EKF 與PF 進行估測 129 7.6 實驗討論 141 第八章 結論與未來展望 142 8.1 結論 142 8.2 建議 143 8.3 未來展望 143 參考文獻 144 作者簡介 147

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