臺灣博碩士論文加值系統

本論文採用德國公司Nanotron所開發的Nanopan RF模組進行導航定位，由於障礙物非常影響無線射頻(RF )模組的精準度，故本研究選在空曠的地方視線傳播(Light of Sight , LOS)環境下對於Nanopan系統作性能測試以及定位效果實驗。
本研究先用遞迴式最小平方法(Recursive Least Squares, RLS)解非線性測量方程，接著加上狀態方程式 ( P-Model，PV-Model ) 配合擴展式卡爾曼濾波器(EKF, Extended Kalman Filter)估測位置，模擬行人方位推估法PDR (Pedestrian Dead Reckoning)，最後用同步定位與建圖(SLAM，Simultaneous Localization and Mapping) 的概念，測試建立環境的能力，得到比以往RF模組更加精確的效果，進而探討3D定位效果。
關鍵字: Nanopan、無線射頻、遞迴式最小平方法、擴展式卡爾曼濾波器、行人方位推估法、同步定位與建圖

This research studies navigation and positioning by using Nanopan RF module developed by a German company Nanotron. The accuracy of RF modules easily affected by barriers so the research chooses a spacious environment for clear Line of Sight (LOS)to testing the performance of Nanopan system in positioning experiments.
This research makes use of the recursive least squares method (Recursive Least Squares, RLS) to solve nonlinear measurement equations, and then adds state equations (including P-Model and PV-Model as well as PDR (Pedestrian Dead Reckoning))with the extended Kalman filter (EKF, Extended Kalman Filter) to estimate location. Finally, using SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) concept the positioning capability is extended to environments with unknown anchor position. Both 2D and 3D positioning results are presented and the effects that affect RF positioning performance are discussed.

Abstract I
摘 要 II
致 謝 III
目 錄 IV
圖 目 錄 VIII
表 目 錄 XII
第一章 緒 論 1
1.2 研究方法與目的 2
1.3 文獻回顧 2
1.4 論文架構 4
第二章 Nanopan系統介紹 6
2.1 Nanopan RF模組 6
2.2無線網路 7
2.2.1無線網路分類 8
2.2.2常見無線網路應用技術比較 10
2.3 無線訊號特性 11
2.3.1繞射 11
2.3.2反射與折射 11
2.3.3散射 12
2.3.4多重路徑效應 12
2.4 測距法 13
2.4.1 接收訊號強度指標法(RSSI，received signal strength indicator) 13
2.4.2對稱雙邊雙向測距法(SDS-TWR ，Symmetric Double Sided Two Way Ranging) 14
2.5 展頻技術 17
2.5.1直接序列展頻 (Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS) 18
2.5.2跳頻(Frequency-Hopping Spread Spectrum，FHSS) 19
2.5.3線性調頻擴頻(Chirp Spread Spectrum ,CSS) 20
第三章 定位演算法 22
3.1 常見定位法 22
3.1.1 入射角定位法(Angle of Arrival，AOA) 22
3.1.2 抵達時間定位法 (Time of Arrival，ToA) 23
3.1.3 抵達時間差定位法(Time Difference of Arrival，TDOA) 24
3.2研究理論模型 24
3.2.1遞迴式最小平方法(Recursive Least Squares, RLS) 26
3.2.2正規最小平方法(Regularized least-squares) 27
3.2.3擴展式卡爾曼濾波器(EKF, Extended Kalman Filter) 28
3.2.4 常用載具狀態方程式 32
3.3 SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) 33
第四章 Nanopan性能實驗 35
4.1 1~40M 距離誤差實驗 35
4.2 同地點不同板子距離誤差實驗 38
4.3 同板子距離誤差實驗 40
4.4 旁邊有障礙物的距離誤差實驗 42
4.5 與其他RF模組誤差模型比較 45
第五章 2D定位實驗 47
5.1 實驗設置 47
5.2 RLS 定位結果 49
5.3 EKF P-Model 定位結果 53
5.4 EKF PV-Model 定位結果 55
5.5 PDR定位結果與RLS,P,PV比較 57
5.6 SLAM P-Model 定位結果 66
.第六章 3D定位實驗 71
6.1 實驗設置 71
6.2 RLS 定位結果 73
6.3 EKF P-Model 定位結果 81
6.3 EKF PV-Model 定位結果 84
6.5 PDR定位結果與RLS，P，PV結果比較 87
第七章 結論與未來展望 100
7.1 結論 100
7.2 建議 100
7.3 未來展望 101
參 考 文 獻 102

參 考 文 獻
[1]劉晉嘉，結合無線訊號強度與單一相機資訊SLAM的是內定位方法，國立台灣科技大學機械工程系碩士論文，台北，2011
[2]許竣揚，單一相機同時定位與環境地圖建製於二維移動載具之實現，國立台灣科技大學機械工程系碩士論文，台北，2011
[3]林師泓，雷射測距儀輔助無線傳感器網路於動態室內定位之應用，國立台灣科技大學機械工程系碩士論文，台北，2010
[4]林子閔，超音波與感測器整合於導盲手杖定位之應用，國立台灣科技大學機械工程系碩士論文，台北，2009
[5]張貽荏，非線性濾波器於GPS接收機追蹤迴路之設計，國立台灣海洋大學通訊與導航工程學系碩士論文，台北，2009
[6]邱永昌，相對位移感測器輔助室內無線定位系統 ，國立台灣科技大學機械工程系碩士論文，台北，2004
[7]游舒偉，無線區域網路室內定位之研究，國立台灣科技大學機械工程系碩士論文，台北，2003
[8]高維文，"導航定位系統理論"上課講義，國立台灣科技大學機械工程系
[9]NANOPAN5375 射頻模塊 威德版本
[10]Hoon Choi,Sanghyun Son,Jamje Kim,Yunju Baek “RF-based Indoor Locating System for NLOS Environment” 2010 24th IEEE International Conference on Advanced Information Networking and Applications,pp628-633
[11]Yubin Zhao, Marcel Kyas,” Comparing Centralized Kalman Filter Schemes for Indoor Positioning in Wireless Sensor Network” 2011 INTERNATIONAL CONFERENCE ON INDOOR POSITIONING AND INDOOR NAVIGATION (IPIN), 21-23 SEPTEMBER 2011, GUIMARA˜ ES, PORTUGAL
[12]Stephen Boyd ,Regularized least-squares and Gauss-Newton method, Lecture 7
[13]nanoPAN 5375 Development Kit User Guide Version 1.1 2010 pp33-36
[14]nanoNET Chirp Based Wireless Networks White Paper Version 1.04,pp14-15
[15]http://network.chinabyte.com/428/12616428.shtml
[16]http://10812231.blog.hexun.com.tw/65771125_d.html
[17]http://en.wikipedia.org/wiki/Chirp_spread_spectrum
[18]http://www.autooo.net/utf8-classid119-id73820.html
[19]http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%97%A0%E7%BA%BF%E7%BD%91%E7%BB%9C