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研究生: 黃良吉
Liang-Chi Huang
論文名稱: GPS與感測器整合於三維地面車輛定位之應用
Integration of GPS and low cost sensors for portable navigation applications in land vehicles
指導教授: 高維文
Wei-Wen Kao
口試委員: 陳亮光
none
林君明
none
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: 2006
畢業學年度: 94
語文別: 中文
論文頁數: 96
中文關鍵詞: 互補濾波器運動限制條件GPS導航定位系統卡門濾波器INS
外文關鍵詞: kalman filter, navigation system, GPS, complementary filter, constrain motion., INS
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  • 再陌生的城市中開車是一件麻煩的事,如何有效率的到達目的地而不迷失方向除了靠傳統紙張地圖外,不外乎就是使用導航定位系統。現今導航定位系統大多單單使用一個感測器(GPS衛星訊號)來定位,容易受衛星脫鎖影響導致無法定位以及衛星多路徑效應的影響以至於定位精度不高,一般來說都是利用INS輔助定位來解決此問題。GPS與INS的整合定位大多使用卡門濾波器來整合,而卡門濾波器需要高速的運算器才能達成,因此不太適用於導航定位系統上,原因在於導航定位系統處理器大多為運算能力較差的嵌入式系統,所以在本論文中將比較卡門濾波器與互補濾器的優缺點,分析使用互補濾波器取代卡門濾波器的可行性以及到探討是否可以利用車輛在空間中的運動限制條件來減少感測器的使用,以達成在不影響定位精度下最符合成本的定位整合。


    It is a thing of the trouble in the strange city to drives, how to efficient reach the destination without getting lost then just use navigation system except for depend on traditional paper map. Navigate system usually use the only sensor (GPS signal) in positioning application, now. However, in urban environments GPS signal may be lost because of the surrounding blockages, and multi path effect, generally use INS to solve this problem. Integration of GPS and INS usually use kalman filter, but it is unsuitable use in navigation system because it needed high-order CPU to be work and navigation system is the embedded system of the operation with worse ability. So will compare the good and bad of kalman filter and complementary filter in this thesis. Analysis whether using the complementary replace kalman filter feasibility, and probe into the use that of constrain motion to reduce sensor.

    摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 IV 圖索引 VIII 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 1 1.3 研究動機 2 1.4 論文架構 3 第二章 導航系統原理與架構 4 2.1 全球定位系統 4 2.1.1 GPS基本原理 5 2.1.2 GPS誤差來源 7 2.2 慣性導航定位系統平台 8 2.3 感測器工作原理 9 2.3.1 電子羅盤(Compass) 9 2.3.2 加速儀(Accelerometer) 10 2.3.3 陀螺儀(Gyroscope) 12 2.3.4 氣壓計(Barometer) 13 2.4 GPS與INS座標系統之間的關係 15 2.5 地面車輛運動分析 16 2.5.1 二維平面車輛運動模型 17 2.5.2 三維地面車輛運動模型 18 第三章 感測器校準法則 23 3.1 感測器誤差分析 23 3.1.1 電子羅盤(Compass) 23 3.1.2 慣性感測器(Inertia Sensor) 27 3.1.3 感測器靜態誤差分析 29 3.2 適應性校準法則 31 3.2.1 加速儀適應性校準 32 3.2.2 電子羅盤適應性校準 34 第四章 整合式定位法則 36 4.1 方位推估法(Dead-Reckoning Method) 37 4.1.1 方位推估法誤差分析 38 4.2 互補濾波器(Complementary Filter) 38 4.2.1 低通濾波器(Low-Pass Filter) 39 4.3 卡門濾波器(Kalman Filter) 40 4.3.1 非線性卡門濾波器問題 43 4.4 整合式定位架構 45 第五章 實驗結果與分析 48 5.1 實驗設備與架構 48 5.2 適應性校準實驗 51 5.2.1 加速儀適應性校準實驗 51 5.2.2 電子羅盤適應性校準實驗 57 5.2.3 方位推估實驗 61 5.3 定位整合實驗 63 5.3.1 二維地面車輛定位整合使用互補濾波器 65 5.3.2 二維地面車輛定位整合使用卡門濾波器 68 5.3.3 三維地表車輛定位整合使用互補濾波器 74 5.3.4 三維地表車輛定位整合使用卡門濾波器實驗一 79 5.3.5 三維地表車輛定位整合使用卡門濾波器實驗二 87 5.4 結語 88 第六章 結論與建議 90 6.1 結論 90 6.2 建議 90 6.3 未來展望 91 參考文獻 93 英文縮寫對照 95 作者簡介 96

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