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研究生:王斌翔
研究生(外文):WANG, BIN-HSIANG
論文名稱:室內聲音定位之研究
論文名稱(外文):A Study in Indoor Sound Positioning
指導教授:王鄭慈王鄭慈引用關係
指導教授(外文):WANG, CHENG-TZU
口試委員:游象甫駱至中
口試委員(外文):YU, HSIANG-FULO, CHIH-CHUNG
口試日期:2017-06-09
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北教育大學
系所名稱:資訊科學系碩士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2017
畢業學年度:105
語文別:中文
論文頁數:107
中文關鍵詞:室內定位聲學技術智慧型平板線性調頻聲音訊號訊號到達時間差法
外文關鍵詞:Indoor positioningAcoustics technologyTabletChirp signalTime difference of arrival
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在1980 年開始,麥克風應用於聲學技術得到迅速的發展,並在雷達、聲納及通訊中得到廣泛的應用。近幾年來,有許多研究提出將此技術運用在室內定位當中,本研究分析此技術與室內定位技術原理,並使用一種非時間同步的訊號到達時間差(TDOA)的室內聲音定位方法,此方法可以達到高精準度,同時兼具實作容易的特點。在本研究中,設計一個8-12Khz 的線性調頻聲音訊號(Chirp),並實作節點與節點之間的溝通管道,使聲音訊號依序發送並儲存,之後利用最小平方法計算,可得到目標節點的估計位置。為了驗證本研究的準確率,論文研究中設計一些不同的實驗方法,實驗結果發現可達到不錯室內定位效果。另外,此研究是一項具有遠景的應用,將來可以用運用在不同的概念當中。
The application of microphone in acoustic technology has been developed rapidly and applied widely to radar, sonar and communication since 1980. This technology can be utilized in indoor positioning. In recent years, several related researches have been proposed. Various kinds of acoustic technologies and indoor position technologies were discussed in this thesis. The method of TDOA-based acoustic source localization without time synchronization was used, which has a high accuracy and it can be use easily. In this research, 8-12KHz chirp signals and the communication channels between nodes were designed to send and storage the audio signals sequentially. Then the estimated positions of target nodes were obtained by the method of least square. Experiments were conducted for different conditions and environments to validate the proposed design. The experimental results showed that this design has a high accuracy of localization. Besides, indoor sound position can be applied in various fields and it will be a perspective application in the future.
目錄
摘要 i
Abstract ii
目錄 iii
表目錄 v
圖目錄 viii
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 論文架構 3
第二章 相關應用原理研究 5
2.1 室內定位技術比較 5
2.2 定位演算法 6
2.2.1 基於接收訊號強度之定位技術 6
2.2.2 基於接收訊號距離之定位技術 8
2.2.3 基於接收訊號角度之定位技術 13
2.3 室內定位相關技術 14
2.3.1 紅外線定位技術 14
2.3.2 RFID定位技術 15
2.3.3 Wi-Fi定位技術 17
2.3.4 Bluetooth定位技術 18
2.3.5 聲音定位 19
2.4 聲音介紹 21
2.4.1 聲音背景 21
2.4.2 聲音三要素 22
2.4.3 聲音時域與頻域 25
第三章 研究方法與系統架構 27
3.1 研究方法 27
3.1.1 線性調頻聲音訊號 27
3.1.2 非時間同步的聲音到達時間差方法 30
3.1.3 交互相關函數法(Cross Correlation) 32
3.1.4 優化演算法 35
3.1.5 分時多工排序法 37
3.1.7 最小平方法(Least Square) 38
3.2 系統架構 40
3.2.1 硬體架構 40
3.2.1 軟體架構 42
第四章 實驗方法與結果 51
4.1 測距實驗 51
4.1.1 無優化距離實驗 51
4.1.2 優化距離實驗 55
4.1.3 螢幕旋轉實驗 62
4.1.4 人體干擾實驗 72
4.1.5 角度實驗 76
4.2 定位系統 85
4.2.1 平面定位實驗 87
4.2.2 高低差定位實驗 92
4.3 實驗結果分析 94
4.3.1 測距實驗分析 94
4.3.2 定位系統分析 98
第五章 結論與未來展望 101
5.1 結論 101
5.2 未來研究方向 103
參考文獻 105

表目錄
表2-1 室內定位技術比較表 5
表3-1 伺服器規格 41
表3-2 Android平板電腦規格 42
表4-1 第一次無優化距離實驗結果(單位:cm) 52
表4-2 第二次無優化距離實驗結果(單位:cm) 52
表4-3 第三次無優化距離實驗結果(單位:cm) 52
表4-4 總數據無優化距離實驗結果(單位:cm) 53
表4-5 第一次b閥值尋找實驗結果(單位:cm) 56
表4-6 第二次b閥值尋找實驗結果(單位:cm) 57
表4-7 第三次b閥值尋找實驗結果(單位:cm) 58
表4-8 第一次優化距離實驗結果(單位:cm) 59
表4-9 第二次優化距離實驗結果(單位:cm) 59
表4-10 第三次優化距離實驗結果(單位:cm) 59
表4-11 總數據優化距離實驗結果(單位:cm) 60
表4-12 第一次螢幕旋轉實驗結果(單位:cm) 64
表4-13 第二次螢幕旋轉實驗結果(單位:cm) 65
表4-14 第三次螢幕旋轉實驗結果(單位:cm) 66
表4-15 總數據螢幕旋轉實驗結果(單位:cm) 67
表4-16 第一次人體干擾結果(單位:cm) 73
表4-17 第二次人體干擾結果(單位:cm) 73
表4-18 第三次人體干擾結果(單位:cm) 73
表4-19 總數據人體干擾結果(單位:cm) 74
表4-20 第一次角度實驗結果(單位:cm) 77
表4-21 第二次角度實驗結果(單位:cm) 78
表4-22 第三次角度實驗結果(單位:cm) 79
表4-23 總數據角度實驗結果(單位:cm) 80
表4-24 目標節點與參考節點角度表(單位:度) 86
表4-25 無過濾節點平面定位實驗誤差表(單位:cm) 88
表4-26 過濾最大節點實驗誤差表(單位:cm) 89
表4-27 過濾第二大節點實驗誤差表(單位:cm) 89
表4-28 過濾第三大節點實驗誤差表(單位:cm) 90
表4-29 過濾第四大節點實驗誤差表(單位:cm) 90
表4-30 高低差定位誤差表(單位:cm) 93

圖目錄
圖1-1 室內導航情境圖 3
圖2-1 情境分析法架構圖 7
圖2-2 單向測距 9
圖2-3 非同速定位法 10
圖2-4 雙曲線定位法 11
圖2-5 兩天線角度測量定位法 13
圖2-6 Active Badge紅外線室內定位系統示意圖 15
圖2-8 Wi-Fi室內定位系統示意圖 18
圖2-1 Bluetooth室內定位系統示意圖 19
圖2-9 電壓強度示意圖 23
圖2-10 等響曲線圖 24
圖2-11 複合波圖形 25
圖2-12 室內聲場 26
圖2-13 頻譜圖像 26
圖3-1 Chirp抗多重路徑圖 28
圖3-2 Chirp在噪音環境中抗干擾能力 29
圖3-3 Chirp頻域圖 30
圖3-4 非時間同步演算法 32
圖3-5 旋積示意圖 33
圖3-6 聲音測距交互相關函數法結果 34
圖3-7 測距演算法 35
圖3-8 多重路徑示意圖 35
圖3-9 優化演算法 36
圖3-10 最接近實際聲音到達的位置 37
圖3-11 分時多工排序法 37
圖3-12 最小二乘法示意圖 38
圖3-13 聲音定位系統硬體架構圖 41
圖3-14 Android系統原型軟體架構 43
圖3-15 伺服器原型軟體架構 43
圖3-16 定位系統流程 44
圖3-17 資料庫開啟畫面 45
圖3-18 Java伺服器畫面 45
圖3-21 伺服器溝通畫面 47
圖3-22 節點接收發射訊息畫面 47
圖3-23 伺服器音訊數據畫面 48
圖3-24 定位結果畫面 48
圖3-25 資料庫畫面 49
圖4-1 距離實驗示意圖 51
圖4-2 第一次無優化距離實驗CDF圖 53
圖4-3 第二次無優化距離實驗CDF圖 54
圖4-4 第三次無優化距離實驗CDF圖 54
圖4-5 總數據無優化距離實驗CDF圖 54
圖4-6 第一次優化距離實驗CDF圖 60
圖4-7 第二次優化距離實驗CDF圖 61
圖4-8 第三次優化距離實驗CDF圖 61
圖4-9 總數據優化距離實驗CDF圖 61
圖4-10 X軸旋轉實驗示意圖 62
圖4-11 Y軸旋轉實驗示意圖 63
圖4-12 第一次螢幕旋轉實驗CDF圖 68
圖4-13 第二次螢幕旋轉實驗CDF圖 69
圖4-14 第三次螢幕旋轉實驗CDF圖 70
圖4-15 總數據螢幕旋轉實驗CDF圖 71
圖4-16 人體干擾示意圖 72
圖4-17 第一次人體干擾測量CDF圖 74
圖4-18 第二次人體干擾測量CDF圖 74
圖4-19 第三次人體干擾測量CDF圖 75
圖4-20 總數據人體干擾測量CDF圖 75
圖4-21 角度實驗示意圖 76
圖4-22 第一次角度實驗CDF圖 81
圖4-23 第二次角度實驗CDF圖 82
圖4-24 第三次角度實驗CDF圖 83
圖4-25 總數據角度實驗CDF圖 84
圖4-26 定位系統場地布置 85
圖4-27 實際實驗場地 86
圖4-28 平面定位示意圖 87
圖4-29 過濾節點CDF圖 91
圖4-30 高低差定位示意圖 92
圖4-31 高低差定位實驗CDF圖 93

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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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