臺灣博碩士論文加值系統

本論文旨在發展自走車之定位技術，使用CC2530 ZigBee無線感測節點模組系統，應用到自走車定位技術。CC2530 ZigBee無線感測節點經由校正所建立的發射訊號強度數據 (Received Signal Strength Indication)，由訊號強度數據轉換距離的特性曲線，用以求得由ZigBee無線感測節點與架在自走車上的距離。在已知環境中使用最小平方演算法，可以估測出自走車定位的即時姿態估測。這種定位方法，不但可決定自走車相對於慣性參考座標的絕對位置及車頭方向，而且能應用最小平方演算法 (Least Square Method) 技術，取得自走車之動態位置及車頭方向估測值。透過電腦模擬及實驗數據可以證實，本論文所提之ZigBee定位系統方法，具有效性與可行性。

This thesis develops methodologies and techniques for localization of a vehicle. The designed localization system includes the CC2530 ZigBee wireless sensor module for global pose initialization is presented based on the Received Signal Strength Indication (RSSI) measurements, the proposed calibration method and least square method for vehicle. In this method, not only the static position and orientation of the vehicle can be determined uniquely with respect to an inertial frame of reference, but also the dynamic pose estimates can be obtained by the ZigBee wireless sensor fusion approach. Numerous simulation and experimental results are provided to show the effectiveness and feasibility of the proposed localization system.

目錄

摘 要 I
ABSTRACT II
誌謝 III
目錄 IV
圖 目 錄 VII
表 目 錄 XI
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 5
1.3 研究方法 6
1.4 論文架構 8
第二章 ZIGBEE無線網路感測系統 10
2.1 無線感測網路 10
2.2 ZIGBEE無線感測傳輸模組 13
2.3 小結 18

第三章 定位系統規劃 19
3.1 整體規劃與設計 19
3.2 硬體架構介紹 20
3.3 軟體架構介紹 24
3.4 小結 32
第四章 最小平方演算法為基礎的車體定位設計 33
4.1 量測技術 33
4.2 天線訊號探討 43
4.3 定位技術 45
4.4 最小平方演算法 50
4.5 初值定位 59
4.6 小節 60
第五章 模擬、實驗結果與討論 61
5.1 定位架構與系統 61
5.2 定位模擬結果與討論 64
5.3 定位實驗結果與討論 70
5.4 小結 97
第六章 結論與未來研究方向 98
6.1 結論 98
6.2 未來研究方向 99
參考文獻 100


圖 目 錄

圖1.1 ZigBee無線感測定位系統示意圖 5
圖1.2 研究步驟流程圖 7
圖2.1 CC2530晶片 14
圖2.2 ZigBee-MCU板 15
圖2.3 ZigBee-KIT主板 16
圖2.4 電池座板 17
圖3.1 定位系統的辦公室時實驗環境圖 19
圖3.2 自走車車體圖 20
圖3.3 馬達驅動感測器 21
圖3.4 PPN7KB10B馬達 22
圖3.5 天線(a)3db(b)6db 23
圖3.6 天線輻射場型(a)3db(b) 6db 24
圖3.7 IAR Embedded Workbench 環境畫面 26
圖3.8 系統程式撰寫流程圖 27
圖3.9 開啟工作環境 28 圖3.10 IAR Embedded Workbench軟體編譯 28
圖3.11 IAR Embedded Workbench軟體編譯結果 29
圖3.12 點選Debug進行程式燒錄及除錯 29
圖3.13 SmartRF Flash Programmer選取欲燒錄之檔案 30
圖3.14 SmartRF Flash Programmer軟體介面 31
圖3.15 VB介面顯示的定位實作圖 32
圖4.1 AOA量測方法示意圖 35
圖4.2 TOA量測方法示意圖 36
圖4.3 TOA量測方法示意圖 37
圖4.4 TDOA量測方法示意圖 39
圖4.5 TDOA量測方法示意圖 40
圖4.6 RSS量測方法示意圖 42
圖4.7 理想天線的輻射場型(a) H-平面場型(b) E-平面場型 44
圖4.8 三點定位法(a)理想示意圖(b)實際示意 46
圖4.9 最大相似法實際定位示意圖 46
圖4.10 多次定位圖(a)單點(b)重複 48
圖4.11 合作多點定位圖 49
圖4.12 校正程序圖 52
圖4.13 校正示意圖 52
圖4.14 定位程序圖 55
圖4.15 車體定位示意圖 55
圖4.16 自走車(Vehicle)方位示意圖 57
圖5.1 ZigBee無線感測數據傳輸系統圖 61
圖5.2 無線感測定位系統 62
圖5.3 ZigBee電池座板無線傳輸模組 63
圖5.4 自走車 63
圖5.5 (a) x-y座標定位模擬圖 (b)座標角度模擬圖 65
圖5.6 (a) x-y座標定位模擬圖 (b)座標角度模擬圖 67
圖5.7 (a) 初值化x-y座標定位估測模擬圖 (b)座標角度估測模擬圖 (c) 動態x-y座標定位估測模擬圖。 70
圖5.8 各感測節點RSSI-Distance特性曲線圖 72
圖5.9 操作校正時的照片 72
圖5.10 2.4GHz(a)3db、(b)6db天線和ZigBee無線感測節點照片 73
圖5.11 靜態定位(a)示意圖(b)實驗照片 74
圖5.12 VB介面顯示的定位實作圖 75
圖5.13 使用3db天線室外自走車移動45度實驗情形照片 78
圖5.14 介面顯示3db室外移動45度動態定位實作圖 79
圖5.15 自走車移動45度 (a) x-y軸姿態估測軌跡圖 80
圖5.16 使用3db天線室外自走車移動90度實驗情形照片 81
圖5.17 介面顯示3db室外移動90度動態定位實作圖 81
圖5.18 自走車移動90度 (a) x-y軸姿態估測軌跡圖 82
圖5.19 使用6db天線室外自走車移動45度實驗情形照片 83
圖5.20 介面顯示6db室外移動45度動態定位實作圖 84
圖5.21自走車移動45度 (a) x-y軸姿態估測軌跡圖 85
圖5.22 使用6db天線室外自走車移動90度實驗情形照片 86
圖5.23 介面顯示6db室外移動90度動態定位實作圖 86
圖5.24 自走車移動90度 (a) x-y軸姿態估測軌跡圖 87
圖5.25 使用3db天線室內自走車移動45度實驗情形照片 88
圖5.26 介面顯示3db室內移動45度動態定位實作圖 89
圖5.27 自走車移動45度 (a) x-y軸姿態估測軌跡圖 90
圖5.28 使用3db天線室內自走車移動90度實驗情形照片 91
圖5.29 介面顯示3db室內移動90度動態定位實作圖 91
圖5.30 自走車移動90度 (a) x-y軸姿態估測軌跡圖 92
圖5.31 使用6db天線室內自走車移動45度實驗情形照片 93
圖5.32 介面顯示6db室內移動45度動態定位實作圖 93
圖5.33自走車移動90度 (a) x-y軸姿態估測軌跡圖 94
圖5.34 使用6db天線室內自走車移動90度實驗情形照片 95
圖5.35 介面顯示6db室內移動90度動態定位實作圖 95
圖5.36 自走車移動90度 (a) x-y軸姿態估測軌跡圖 96


表 目 錄

表1.1 ZigBee 和 RFID 各性能優缺點比較 4
表3.1 PPN7KB10B馬達規格 22
表4.1 常用量測方法之優缺點 34
表5.1 8個不同車頭角度3db天線靜態定位實驗結果 76
表5.2 8個不同車頭角度6db天線靜態定位實驗結果 77

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