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中 華 大 學
碩 士 論 文
於室內環境中使用加速度計推測定位資訊
Indoor Localization Scheme in Wireless Sensor
Networks Using Accelerometer Information
系 所 別資 訊 工 程 學 系 碩 士 班 1
學號姓名M09502016 郁家豪 1
指導教授許 慶 賢 博士 1
中華民國 九十七 年 八 月
Indoor Localization Scheme in Wireless Sensor
Networks Using Accelerometer Information
By
Chia-Hao Yu
Advisor Prof Chin-Hsien Hsu
Department of Computer Science and Information
Engineering
Chung Hua University
Hsin-Chu 30012 Taiwan
August 2008
1
摘要
隨著無線通信技術的發展21 世紀的世界將很快從網路時代進入無線互聯
時代新興的無線網路技術例如 WiFiWiMaxZigBeeAdhocBlue Tooth
和 Ultra Wide Band(UWB)在辦公室家庭工廠公園等大眾生活的方面得到
了廣泛應用基於無線網路定位技術的應用更加具有廣闊的發展前景根據投資
銀行 Rutberg 公司無線資料研究集團和國際資料公司等的預測網路新技術將
在未來的 3 年內達到幾百億甚至上千億美元的營業收入而無線定位技術的應用
將在其中佔有至少上百億美元的市場規模
我們所提出的解決方法應用於室內定位中在模擬實驗中有很好的定位精
確度但受限於硬體元件的處理速度在實際環境的實驗結果誤差並不理想目
前這只是一個雛型系統未來的研究目標是尋找更合適的硬體元件與修正定位誤
差讓系統執行的結果可以接近模擬實驗的精準度並將系統設計的更完善讓
定位精確度可以更為穩定
關鍵字室內定位感測網路定位預測
2
Abstract
With the advancement of wireless communication technologys development the
world in the 21st century from the network time enters the wireless interconnection
time New wireless network technology such as WiFi WiMax ZigBee Adhoc
BlueTooth and UltraWideBand (UWB) the aspect which in populace and so on office
family factory park lived obtained the widespread application even more had the
broad prospects for development based on the wireless network localization
technologys application
According to investment bank Rutberg Corporation the wireless material
research group and the international material company and so on predict that the new
technology in network will achieve several tens of billions even over a thousand
hundred million US dollar business incomes in the future 3 years then localization
application will hold on at least tens of billions US dollar among them
We proposed the solution applies in the indoor localization has the very good
localization precision in the simulation experiment But is restricted in the hardware
parts processing speed is not ideal in actual environments experimental result error
At present this only will be an embryonic form system the future research aim is
seeks for the appropriate hardware part and the revision position error will enable the
system execution the result to be possible to approach simulation experimentrsquos
accurate and will be more perfect the system design enables the localization
precision to be possible to be stable
Keywords indoor localization sensor networks location discovery
3
致謝
首先我要感謝許慶賢教授梁秋國教授俞征武教授指導我許多無線感測
網路上的知識以及各位口試老師對本篇論文的建議讓本篇論文更為完整
許慶賢教授是我的指導教授這是我最要感謝的人在我寫這篇論文的期
間沒有他的辛勤指導與嚴格要求我無法完成這篇碩士論文由於他的意見及
指正這篇論文才能夠順利的完成
感謝實驗室學長世璋和泰隆這些年來的指導並感謝實驗室的同學東陸智
鈞凱仁山雄鈞正在最後的時刻大家相互鼓勵與打氣的畫面我會永遠記
得因為有他們的陪伴讓我的生活充滿了歡樂
最後要感謝的是我的家人在我求學生涯上所給我的鼓勵與支持總是默
默的支持我給我最大的信心動力謹以此論文獻給我最摯愛的你們
4
Table of Content
摘要 1
Abstract 2 致謝 3
List of Tables 5 List of Figures 6 第一章 簡介 7
11 多軸向動作感應系統的技術與應用 7 12 多樣化的應用模式 8 13 常見的運動狀態 9 14 典型的應用 9 15 研究動機 10 16 論文架構 10
第二章 相關研究 11
21 定位技術概述 11 22 Angle of Arrival (AOA) method 12 23 Time of Arrival (TOA) amp Time Difference of Arrival (TDOA) 13 24 Received Signal Strength (RSS) method 15 25 LANDMARC System (LC) method 16 26 Area Localization Scheme (ALS) method 20 27 Approximation PIT Test (APIT) method 26
第三章 系統架構 29
31 加速度計與室內定位系統架構 29 32 數學模型 30 33 加速度計硬體 32 34 Boe-Bot 自走車 36
第四章 實驗 38
41 實驗環境 38 42 模擬與分析 40 43 Boe-Bot 自走車硬體實驗 47
第五章 結論與未來研究 52
參考文獻 54
附錄 A 58
5
List of Tables
表格 21Range Base 和 Range Free 的比較helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12
表格 22LANDMARC System 的定位資料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16
表格 23LANDMARC System 感測器的特性helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17
表格 24ALS 的定位資料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20
表格 25ALS 感測器的特性helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24
表格 27APIT 的定位資料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26
表格 31數學模型的參數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30
表格 32H48C 的硬體規格 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip34
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52
6
List of Figures
圖 11Wii 內建三軸加速計helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7 圖 12三星推出內建動作感應辨識功能的 SGH-E758helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8 圖 21AOA 定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12 圖 22DOA 定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13 圖 23TDOA 單一雙曲線定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14 圖 24TDOA 多組雙曲線定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14 圖 25RSS 定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15 圖 26LANDMARC 定位的環境helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17 圖 27LANDMARC 定位的流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18 圖 28建置環境helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21 圖 29ALS scheme with naminghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22 圖 210Sensor node 處理資料的流程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip23 圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink nodehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24 圖 212APIT 的定位流程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27 圖 31H48C 的腳位定義helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32 圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36 圖 33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2helliphellip36 圖 34H48C 裝在 Boe-Bot 自走車上helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37 圖 41實驗環境helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39 圖 42圓形區域的範圍Boe-Bot 自走車是無法進入的區域helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39 圖 43自走車的移動路徑helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41 圖 44自走車的速度helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41 圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42 圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42 圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphellip43 圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比helliphelliphellip44 圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45 圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46 圖 411自走車定位的程式介面helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47 圖 412Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48 圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖helliphelliphelliphelliphellip59 圖 414Boe-Bot 自走車 65cm 實驗的實際移動路線helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50 圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip51
7
第一章
簡介
11 多軸向動作感應系統的技術與應用
多軸動作感應技術已經不是很新奇的技術很多年之前雙軸向動作感應器
已經被廣泛應用在汽車電子領域中而三軸向動作感應器則是已經應用在高階筆
記型電腦作為硬碟防震與資料保護的作用
在目前熱門的次世代主機中三軸感應技術就分別做為 Wii 與 PS3 這兩台主
機的控制應用方式提供了玩家更為多樣化的操控方式除此之外作為狀態識
別也是此類動作感應技術的主流發展方向比如說目前就已經有多家廠商研究在
手機之中加入動作感應技術並藉由解讀使用者的動作來進行不同功能的實現
藉由特定動作來下達各種不同的指令這項功能的加入也可望為讓陷入停滯的
手機發展帶來不同的想像空間以及市場客群圖 11 是 Wii 遊戲主機的控制器
可以偵測傾斜加速等動作
圖 11Wii 內建三軸加速計（資料來源任天堂）
8
圖 12三星推出內建動作感應辨識功能的 SGH-E758（資料來源三星）
圖 12 的三星手機把手機變成可以手搖的遊戲機只要開啟動作感應選項使
用者不僅能玩遊戲就連音樂播放選項也可以把手機搖來搖去來操控
12 多樣化的應用模式
動作感應技術除了作為輸入指令的一種控制方式以外國外也有使用動作感
應技術來識別產品使用者的身份其理論為每個人的走路方式與步伐節奏都各有
不同甚至可以如同指紋一般具有獨特姓因此使用內建此技術的產品時（例如
說手機）只要硬體偵測到特定時期的步伐動作有所改變便會自動鎖定避免
被非法使用雖然開發者可能沒想到萬一腳受傷或者是路況改變可能會帶來的麻
煩不過動作感應來作為安全管理的概念若是能夠發揚光大那會是相當有趣的
一件事
除了以上這些已經或將來會出現的應用以外動作感應技術也被普遍使用於
商業醫療設備以及安全管理等不同的領域而在技術提供廠商方面競爭也顯
得相當激烈除了 ADIFreescale 以及 STMicroelectronics 等知名大廠以外Bosch
SensortecKionixHitachiMetalsOkiElectric 等公司也都相繼投入這塊市場
2006 年在市場上已經有超過 10 家公司提供具備動作感應技術的晶片產品動作
感應元件一時之間變成了兵家的必爭之地
9
13 常見的運動狀態
一些較細微動作的測量範圍只是加速度在 -1g 到 +1g 之間的傾斜測量
然而有一些小的手部動作比如滑鼠移動至少需要 2g 的加速度而更大的
動作例如一個人在講話時揮動手臂可能需要 3g 或更高的加速度當人作出
任何一個突發動作時比如晃動拳頭會導致加速度迅速變化可能需要 4g 甚
至更高的加速度所以讓硬體應該能夠適應所有這些動作的需求才能夠識別多
種動作模式的差別
14 典型的應用
1 墜落監測
2 電子羅盤
3 遊戲控制器
4 圖像穩定性
5 硬碟保護
6 3C產品螢幕顯示應用
7 計步器
8 機器人技術
9 防盜設備
10 地震監控
11 軸承磨損監控
12 定位推測 (本篇論文主題)
本篇論文主要的研究方向在於研究目前現有加速度計的硬體技術與室內
定位技術的整合應用找出適合用來定位的硬體與其相關的演算法技術
10
15 研究動機
室內定位技術於未來的市場應用中有著很多不同的想像空間如資產管
理人員安全管理疾病交叉感染分析軍事行動室內消防救災等應用如果
能發展出有效率且高精確度低建置成本的定位系統必定可以於上述的應用中
廣泛的被使用替未來的生活增加更多可用的資訊與便利性
目前大部分的室內定位技術大多為模擬的實驗為主像[1-6]等的論文研究
都是以模擬實驗為主雖然其模擬實驗的結果還可以但是實際上要把該研究佈
建於生活環境中時都有很大的實做限制本論文提出使用加速度計資訊的方法
Indoor Localization Using Accelerometer Information 簡稱(ILAI)於模擬實驗中有
很好的定位精確度雖然實際的硬體實驗與模擬實驗之間的精確度有落差但於
實際環境中的佈建使用並沒有太多的限制
16 論文架構
第二章會簡介幾種常見的 Range Base[14151618]和 Range Free[78910]方
法的定位技術及其優缺點第三章為本論文的系統架構第四章是模擬和硬體
實驗的結果最後是結論與未來的研究目標
11
第二章
相關研究
21 定位技術概述
無線定位技術和方法很多常用的定位技術包括紅外線[3]超音波[23]射
頻訊號時間[19]或訊號強弱[111213]等但都不適合室內定位紅外線只適合短
距離傳播而且容易被螢光燈或者房間內的燈光干擾在精確定位上有局限性
超聲波受多徑效應和非視距傳播影響很大不能用於室內環境而射頻訊號普遍
用在室外定位系統中應用於室內定位存在有很大的局限因素
GPS 是目前應用最為廣泛的室外定位技術[18]它是 1970 年代初美國基於
軍事目的開發的衛星導航定位系統其運作原理以 GPS 接收器藉由接收軌道上
運行之衛星訊號計算接收時間與衛星發出訊號之時間差以此時間差推算出距
離再以三角定位法對行動終端進行定位運算一般用於車輛導航和手持設備
定位精度範圍在 5m-20m
當前比較流行的 Wi-Fi 定位是 IEEE80211 的一種定位解決方案目前應用
於小範圍的室內定位成本較低但 Wi-Fi 收發器覆蓋的半徑區域不大而且很
容易受到其他訊號的干擾進而影響定位的精確度最差的地方就是行動終端的
電源能耗較高
隨著定位技術的發展和定位服務需求的不斷增加無線定位技術必須克服現
有技術的缺點滿足以下幾個條件a)高抗干擾能力b)高精確度定位c)低生
產成本d)低運營成本e)高安全性f)低能耗及低發射功率g)小的收發器體
積目前現有的技術都不可能完全滿足這些要求
於定位技術的領域中大致分成Range Base和Range Free兩類所謂的Range
Base 即是在感測器中加入可以精準定位的硬體設備[24]該設備通常價格昂貴
12
電源能耗大如 GPS 接收器反之 Range Free 即為使用感測器上基本的硬體元
件並搭配使用一些演算法來計算定位座標
表格 21Range Base 和 Range Free 的比較
方法 硬體成本 能源消耗 定位精確度
Range Base 高 高 高
Range Free 低 低 低
底下的內容將介紹說明目前常見的定位技術222324 為 Range Base
的方法252627 為 Range Free 的方法
22 Angle of Arrival (AOA) method 測量訊號的到達角度(Angle Of Arrive簡稱 AOA)是一種常用的定位技術
[14]這種方法需要在基地站採用專門的天線排列陣列來測量特定訊號的來源方
向對於一個基地站來講AOA 測量可以得出特定移動終端的所在方向當兩
個基地站同時測量同一移動終端所發出的訊號時兩個基地站各自測量 AOA 所
得的方向直線的交點就是移動終端所在的位置由圖 21 可以容易的了解 AOA
利用天線角度的定位方法
基地站
行動終端
Angle
Angle
天線
Directional Antenna
Directional Antenna
圖 21AOA 定位示意圖
13
這種定位方法的原理很簡單但在實際的應用中存在一些難以克服的問題
首先行動終端與基地站的訊號傳輸必須是視線傳輸(LOS)(LOS 為 Line-of-Sight
的縮寫)的非視線傳輸(NLOS)( NLOS 為 Non-Line-of-Sight的縮寫)將會給AOA
定位帶來不可預測的誤差即使是在以 LOS 傳輸為主的情況下射頻訊號的多
徑效應依然會干擾 AOA 的測量其次由於天線設備角解析度的限制AOA 的
測量精度是隨著基地站與移動站之問的距離的增加而不斷減小
23 Time of Arrival (TOA) amp Time Difference of Arrival (TDOA)
TOA 和 TDOA 是利用訊號傳輸時間的定位技術須要讓所有的基地站進行
時間同步隨著可同時監測行動終端的基地台數量愈多定位精確度則愈高
[16]TOA 是以基地台收到的行動終端的時間差來量測與基地台間的距離利用
三角定位的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 22 顯示了 DOA
三角定位的示意圖
基地站
行動終端
Transmit Time
Transmit Time
Transmit Time
圖 22 DOA 定位示意圖
而 TDOA 則是針對 TOA 而改進以各基地台收到的行動終端的時間差來量
測距離使用雙曲線的特性來進行定位計算
14
C
基地站
行動終端
AۑA ᴉB
B
圖 23 TDOA 單一雙曲線定位示意圖
圖 23 中紅色的點是已知座標位置的基地站黃色的點透過訊號傳遞的時
間差計算出和每座基地站的距離並對於其中 2 個基地站畫出一組雙曲線雙
曲線的特性是線上的任一點對於兩焦點的距離差為一定值
基地站
行動終端
圖 24 TDOA 多組雙曲線定位示意圖
圖 24 中兩組雙曲線交集的區域就是行動終端裝置的座標位置
15
24 Received Signal Strength (RSS) method
RSS 是基於訊號傳輸訊號強弱的定位技術不需調整行動終端但必須事先
測量好訊號強度與距離的關係圖[15]RSS 運作原理是利用處於不同位置的多個
基地台同時接收由行動終端發出的訊號分析其訊號強度接著根據訊號強度和
距離的對應關係可以知道行動終端與各個基地台間的距離最後利用三角定位
的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 25 表示利用 RSS 與三角定
位的示意圖
基地站
行動終端
RSS Distance
RSS Distance
RSS Distance
圖 25RSS 定位示意圖
16
25 LANDMARC System (LC) method 表格 22 整理出 LANDMARC System (LC) 定位方法的資料其最大的優點
在於定位速度快
表格 22LANDMARC System 的定位資料
定位種類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 中
參考點建置 有(大量)
額外硬體 RFID Reader 能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
An Indoor Localization Mechanism Using Active RFID Tag[6]這篇論文提出的
方法先在定位的環境中佈建大量 RFID 標籤來當作參考點並紀錄每個參考點
與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱資訊當有新的 RFID 標籤進入定位環境中要
進行定位時該標籤與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱值拿來與參考點的訊號
強弱值比較接著判斷要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點
的位置(或靠近哪一群參考點以那一群參考點的重心位置)當作定位資訊
17
建置環境
圖 26LANDMARC 定位的環境(圖片引用[6])
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 23LANDMARC System 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference Tag 已知 無 無 無 無
Target Tag 未知 無 無 可移動 無
RFID Reader 已知 無 無 無 能計算收到
訊號的訊號
強度
18
定位方法
假設有 N台 RFID Reader 與 M 個 Reference Tag 佈建在環境中每一個
Reference Tag 都有一個訊號強度向量 = (θ1 θ2hellip θn)分別紀錄對應
N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
每一個 Target Tag 都有一個訊號強度向量 = (S1 S2hellipSn)分別紀錄
對應 N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
利用 Euclidian distance 找出哪些 Reference Tag 比較靠近 Target Tag
(21)
公式(21)中 Ej值越小表示該 Reference Tag 越靠近 Target Tag最後找出 K
個最靠近的 Reference Tag計算出這 K 個點的重心座標即是 Target Tag 的座標
位置K 值預設為 4
圖 27LANDMARC 定位的流程圖
19
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
優點
1 定位速度快
缺點
1 不容易建置且硬體建置成本不低
2 區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變所以當環境中出現障礙物時會改變原本
參考點的訊號強弱值
20
26 Area Localization Scheme (ALS) method 表格 24 整理出 Area Localization Scheme (ALS) 定位方法的資料其最大
的優點在於定位速度快與使用比較少量的參考點
表格 24ALS 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 少
參考點建置 有(數個)
額外硬體 參考點需可動態調整傳輸功率大小傳送訊號
建置成本 低
簡介
An Area Localization Scheme for Large Wireless Sensor Networks Vehicular
Technology Conference[5]的論文提出一種新的區域型定位方法以往的區域型定
位先是建置好固定不動的感測點且設定好座標位置來當作參考點接著判斷
要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點的位置(或靠近哪一
群參考點以那一群參考點的重心位置[6])當作定位資訊
而此篇論文提出的方法 Area Localization Scheme (ALS)則是一種改良後的
區域型定位和[6]相比使用相同數量的參考點卻可以達到更精確的定位效
果
21
建置環境
圖 28建置環境(圖片引用[5])
圖 28 表示一間室內的天花板四個角落各放置一個 Reference node綠色
圖示表示一般未知座標資訊的 Sensor node紫色則是一個具有計算能力的
Sensor
22
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 25ALS 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference node 已知 中 低 無 可動態調整
傳輸功率大
小傳送訊號
Sensor node 未知 無 中 可移動 無
Sink node 無 高 高 無 無
定位方法
圖 29ALS scheme with naming(圖片引用[5])
圖 29 中每一個圓形區域表示該 Reference node 發射訊號的功率範圍(EX
區域代碼 1000 表示 Reference node A 以較小的功率發設 1000 訊號區域代碼
23
20002200 表示 Reference node A 以較大的功率發設 2000 訊號)
四個 Reference node 根據自己的兩種發射功率(每個 Reference node 可以用超
過 2 種以上不同的發射功率來傳送訊號這邊僅以 2 種功率來說明)可以各自
切出 2 個圓形區域並互相交集產生 13 個不同的區域實際上交集產生的區域
可能更多但是有些區域面積太小所以就忽略該區域Sink node 負責紀錄每
一個交集區域的重心座標以及該區域的代碼重心座標的產生可以由人為定
義或是先交由其它的電腦先行計算出來
圖 210Sensor node 處理資料的流程
Sensor node 要進行定位前在自己的記憶體中產生 4 個變數LALB
LCLD四個 Reference node 依照自己的固定頻率來廣播訊號比如說在 T1 時
Reference node D 以較大的功率廣播字串rdquo0002rdquo在 T2 時 Reference node D 以較
小的功率廣播字串rdquo0001rdquo 在 T3 時 Reference node C 以較小的功率廣播字
串rdquo0010rdquo在 T4 時 Reference node C 以較大的功率廣播字串rdquo0020rdquohellip
24
Sensor node F 於 T1 收到rdquo0002rdquo設定 LD = 2
Sensor node F 於 T2 收到rdquo0001rdquo因為新的 LD 值比舊的值小所以設定 LD = 1
Sensor node F 於 T3 收不到rdquo0010rdquo
Sensor node F 於 T4 收到rdquo0020rdquo設定 LC = 2
經過一段時間之後Sensor node F 之 LALBLCLD 的值為 0021
下面的表格顯示 T1 ~ TnSensor node F 之 LALBLCLD 的值的狀態
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值
LA LB LC LD
T1 0 0 0 2
T2 0 0 0 1
T3 0 0 0 1
T4 0 0 2 1
Tn 0 0 2 1
圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink node(圖片引用[5])
25
最後 Sensor node F 將 0021 這個代碼傳送到 Sink node 查詢座標資訊
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
The number of transmitted power levels
The transmitted power at each level
優點
1 容易建置且硬體建置成本較低
2 定位速度快
3 訊息交換量較少
缺點
1 如果 Sensor node 移動的速度較快時其定位誤差勢必擴大
2 此區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變但地圖卻沒有更著動態改變
26
27 Approximation PIT Test (APIT) method 表格 271APIT 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 大區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 很慢
靜態定位精確度 普通
動態定位精確度 很差
訊息交換量 很多
參考點建置 有(大量)
額外硬體 參考點能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
簡介
Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks [1]論文的
方法是一種很有創意且不需要額外硬體設備的定位技術首先在環境中亂數
佈建已知座標位置的感測點接著這些感測點以三個點為一組形成一個三角形
所以環境中若佈建了 30 個感測點就會形成 4060 個不同的三角形區域
接著當一個要被計算定位的感測點 A 進入了環境當中利用數學上點與三
角形的特性(1)可以來判斷感測點 A 於 4060 個三角形區域中在哪些三角形
的裡面與外面把那些感測點 A 存在於三角形區域中的所有三角型留下來並
找出最大面積交集的區域此區域的重心位置就是感測點 A 的定位座標位置
圖 271 表示了整個定位的流程
缺點就是定位過程中訊息的交換量很大且定位的時間需要很久動態環
境中的定位精確度很差
27
定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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Sensor Networksrdquo in Proceedings of Infocom pp 1655-1633 2001
58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 BGR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE 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 DAN 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 DEU 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HRV (Za stvaranje Adobe PDF dokumenata najpogodnijih za visokokvalitetni ispis prije tiskanja koristite ove postavke Stvoreni PDF dokumenti mogu se otvoriti Acrobat i Adobe Reader 50 i kasnijim verzijama) HUN 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Page 2
Indoor Localization Scheme in Wireless Sensor
Networks Using Accelerometer Information
By
Chia-Hao Yu
Advisor Prof Chin-Hsien Hsu
Department of Computer Science and Information
Engineering
Chung Hua University
Hsin-Chu 30012 Taiwan
August 2008
1
摘要
隨著無線通信技術的發展21 世紀的世界將很快從網路時代進入無線互聯
時代新興的無線網路技術例如 WiFiWiMaxZigBeeAdhocBlue Tooth
和 Ultra Wide Band(UWB)在辦公室家庭工廠公園等大眾生活的方面得到
了廣泛應用基於無線網路定位技術的應用更加具有廣闊的發展前景根據投資
銀行 Rutberg 公司無線資料研究集團和國際資料公司等的預測網路新技術將
在未來的 3 年內達到幾百億甚至上千億美元的營業收入而無線定位技術的應用
將在其中佔有至少上百億美元的市場規模
我們所提出的解決方法應用於室內定位中在模擬實驗中有很好的定位精
確度但受限於硬體元件的處理速度在實際環境的實驗結果誤差並不理想目
前這只是一個雛型系統未來的研究目標是尋找更合適的硬體元件與修正定位誤
差讓系統執行的結果可以接近模擬實驗的精準度並將系統設計的更完善讓
定位精確度可以更為穩定
關鍵字室內定位感測網路定位預測
2
Abstract
With the advancement of wireless communication technologys development the
world in the 21st century from the network time enters the wireless interconnection
time New wireless network technology such as WiFi WiMax ZigBee Adhoc
BlueTooth and UltraWideBand (UWB) the aspect which in populace and so on office
family factory park lived obtained the widespread application even more had the
broad prospects for development based on the wireless network localization
technologys application
According to investment bank Rutberg Corporation the wireless material
research group and the international material company and so on predict that the new
technology in network will achieve several tens of billions even over a thousand
hundred million US dollar business incomes in the future 3 years then localization
application will hold on at least tens of billions US dollar among them
We proposed the solution applies in the indoor localization has the very good
localization precision in the simulation experiment But is restricted in the hardware
parts processing speed is not ideal in actual environments experimental result error
At present this only will be an embryonic form system the future research aim is
seeks for the appropriate hardware part and the revision position error will enable the
system execution the result to be possible to approach simulation experimentrsquos
accurate and will be more perfect the system design enables the localization
precision to be possible to be stable
Keywords indoor localization sensor networks location discovery
3
致謝
首先我要感謝許慶賢教授梁秋國教授俞征武教授指導我許多無線感測
網路上的知識以及各位口試老師對本篇論文的建議讓本篇論文更為完整
許慶賢教授是我的指導教授這是我最要感謝的人在我寫這篇論文的期
間沒有他的辛勤指導與嚴格要求我無法完成這篇碩士論文由於他的意見及
指正這篇論文才能夠順利的完成
感謝實驗室學長世璋和泰隆這些年來的指導並感謝實驗室的同學東陸智
鈞凱仁山雄鈞正在最後的時刻大家相互鼓勵與打氣的畫面我會永遠記
得因為有他們的陪伴讓我的生活充滿了歡樂
最後要感謝的是我的家人在我求學生涯上所給我的鼓勵與支持總是默
默的支持我給我最大的信心動力謹以此論文獻給我最摯愛的你們
4
Table of Content
摘要 1
Abstract 2 致謝 3
List of Tables 5 List of Figures 6 第一章 簡介 7
11 多軸向動作感應系統的技術與應用 7 12 多樣化的應用模式 8 13 常見的運動狀態 9 14 典型的應用 9 15 研究動機 10 16 論文架構 10
第二章 相關研究 11
21 定位技術概述 11 22 Angle of Arrival (AOA) method 12 23 Time of Arrival (TOA) amp Time Difference of Arrival (TDOA) 13 24 Received Signal Strength (RSS) method 15 25 LANDMARC System (LC) method 16 26 Area Localization Scheme (ALS) method 20 27 Approximation PIT Test (APIT) method 26
第三章 系統架構 29
31 加速度計與室內定位系統架構 29 32 數學模型 30 33 加速度計硬體 32 34 Boe-Bot 自走車 36
第四章 實驗 38
41 實驗環境 38 42 模擬與分析 40 43 Boe-Bot 自走車硬體實驗 47
第五章 結論與未來研究 52
參考文獻 54
附錄 A 58
5
List of Tables
表格 21Range Base 和 Range Free 的比較helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12
表格 22LANDMARC System 的定位資料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16
表格 23LANDMARC System 感測器的特性helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17
表格 24ALS 的定位資料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20
表格 25ALS 感測器的特性helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24
表格 27APIT 的定位資料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26
表格 31數學模型的參數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30
表格 32H48C 的硬體規格 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip34
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52
6
List of Figures
圖 11Wii 內建三軸加速計helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7 圖 12三星推出內建動作感應辨識功能的 SGH-E758helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8 圖 21AOA 定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12 圖 22DOA 定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13 圖 23TDOA 單一雙曲線定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14 圖 24TDOA 多組雙曲線定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14 圖 25RSS 定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15 圖 26LANDMARC 定位的環境helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17 圖 27LANDMARC 定位的流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18 圖 28建置環境helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21 圖 29ALS scheme with naminghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22 圖 210Sensor node 處理資料的流程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip23 圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink nodehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24 圖 212APIT 的定位流程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27 圖 31H48C 的腳位定義helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32 圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36 圖 33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2helliphellip36 圖 34H48C 裝在 Boe-Bot 自走車上helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37 圖 41實驗環境helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39 圖 42圓形區域的範圍Boe-Bot 自走車是無法進入的區域helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39 圖 43自走車的移動路徑helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41 圖 44自走車的速度helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41 圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42 圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42 圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphellip43 圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比helliphelliphellip44 圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45 圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46 圖 411自走車定位的程式介面helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47 圖 412Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48 圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖helliphelliphelliphelliphellip59 圖 414Boe-Bot 自走車 65cm 實驗的實際移動路線helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50 圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip51
7
第一章
簡介
11 多軸向動作感應系統的技術與應用
多軸動作感應技術已經不是很新奇的技術很多年之前雙軸向動作感應器
已經被廣泛應用在汽車電子領域中而三軸向動作感應器則是已經應用在高階筆
記型電腦作為硬碟防震與資料保護的作用
在目前熱門的次世代主機中三軸感應技術就分別做為 Wii 與 PS3 這兩台主
機的控制應用方式提供了玩家更為多樣化的操控方式除此之外作為狀態識
別也是此類動作感應技術的主流發展方向比如說目前就已經有多家廠商研究在
手機之中加入動作感應技術並藉由解讀使用者的動作來進行不同功能的實現
藉由特定動作來下達各種不同的指令這項功能的加入也可望為讓陷入停滯的
手機發展帶來不同的想像空間以及市場客群圖 11 是 Wii 遊戲主機的控制器
可以偵測傾斜加速等動作
圖 11Wii 內建三軸加速計（資料來源任天堂）
8
圖 12三星推出內建動作感應辨識功能的 SGH-E758（資料來源三星）
圖 12 的三星手機把手機變成可以手搖的遊戲機只要開啟動作感應選項使
用者不僅能玩遊戲就連音樂播放選項也可以把手機搖來搖去來操控
12 多樣化的應用模式
動作感應技術除了作為輸入指令的一種控制方式以外國外也有使用動作感
應技術來識別產品使用者的身份其理論為每個人的走路方式與步伐節奏都各有
不同甚至可以如同指紋一般具有獨特姓因此使用內建此技術的產品時（例如
說手機）只要硬體偵測到特定時期的步伐動作有所改變便會自動鎖定避免
被非法使用雖然開發者可能沒想到萬一腳受傷或者是路況改變可能會帶來的麻
煩不過動作感應來作為安全管理的概念若是能夠發揚光大那會是相當有趣的
一件事
除了以上這些已經或將來會出現的應用以外動作感應技術也被普遍使用於
商業醫療設備以及安全管理等不同的領域而在技術提供廠商方面競爭也顯
得相當激烈除了 ADIFreescale 以及 STMicroelectronics 等知名大廠以外Bosch
SensortecKionixHitachiMetalsOkiElectric 等公司也都相繼投入這塊市場
2006 年在市場上已經有超過 10 家公司提供具備動作感應技術的晶片產品動作
感應元件一時之間變成了兵家的必爭之地
9
13 常見的運動狀態
一些較細微動作的測量範圍只是加速度在 -1g 到 +1g 之間的傾斜測量
然而有一些小的手部動作比如滑鼠移動至少需要 2g 的加速度而更大的
動作例如一個人在講話時揮動手臂可能需要 3g 或更高的加速度當人作出
任何一個突發動作時比如晃動拳頭會導致加速度迅速變化可能需要 4g 甚
至更高的加速度所以讓硬體應該能夠適應所有這些動作的需求才能夠識別多
種動作模式的差別
14 典型的應用
1 墜落監測
2 電子羅盤
3 遊戲控制器
4 圖像穩定性
5 硬碟保護
6 3C產品螢幕顯示應用
7 計步器
8 機器人技術
9 防盜設備
10 地震監控
11 軸承磨損監控
12 定位推測 (本篇論文主題)
本篇論文主要的研究方向在於研究目前現有加速度計的硬體技術與室內
定位技術的整合應用找出適合用來定位的硬體與其相關的演算法技術
10
15 研究動機
室內定位技術於未來的市場應用中有著很多不同的想像空間如資產管
理人員安全管理疾病交叉感染分析軍事行動室內消防救災等應用如果
能發展出有效率且高精確度低建置成本的定位系統必定可以於上述的應用中
廣泛的被使用替未來的生活增加更多可用的資訊與便利性
目前大部分的室內定位技術大多為模擬的實驗為主像[1-6]等的論文研究
都是以模擬實驗為主雖然其模擬實驗的結果還可以但是實際上要把該研究佈
建於生活環境中時都有很大的實做限制本論文提出使用加速度計資訊的方法
Indoor Localization Using Accelerometer Information 簡稱(ILAI)於模擬實驗中有
很好的定位精確度雖然實際的硬體實驗與模擬實驗之間的精確度有落差但於
實際環境中的佈建使用並沒有太多的限制
16 論文架構
第二章會簡介幾種常見的 Range Base[14151618]和 Range Free[78910]方
法的定位技術及其優缺點第三章為本論文的系統架構第四章是模擬和硬體
實驗的結果最後是結論與未來的研究目標
11
第二章
相關研究
21 定位技術概述
無線定位技術和方法很多常用的定位技術包括紅外線[3]超音波[23]射
頻訊號時間[19]或訊號強弱[111213]等但都不適合室內定位紅外線只適合短
距離傳播而且容易被螢光燈或者房間內的燈光干擾在精確定位上有局限性
超聲波受多徑效應和非視距傳播影響很大不能用於室內環境而射頻訊號普遍
用在室外定位系統中應用於室內定位存在有很大的局限因素
GPS 是目前應用最為廣泛的室外定位技術[18]它是 1970 年代初美國基於
軍事目的開發的衛星導航定位系統其運作原理以 GPS 接收器藉由接收軌道上
運行之衛星訊號計算接收時間與衛星發出訊號之時間差以此時間差推算出距
離再以三角定位法對行動終端進行定位運算一般用於車輛導航和手持設備
定位精度範圍在 5m-20m
當前比較流行的 Wi-Fi 定位是 IEEE80211 的一種定位解決方案目前應用
於小範圍的室內定位成本較低但 Wi-Fi 收發器覆蓋的半徑區域不大而且很
容易受到其他訊號的干擾進而影響定位的精確度最差的地方就是行動終端的
電源能耗較高
隨著定位技術的發展和定位服務需求的不斷增加無線定位技術必須克服現
有技術的缺點滿足以下幾個條件a)高抗干擾能力b)高精確度定位c)低生
產成本d)低運營成本e)高安全性f)低能耗及低發射功率g)小的收發器體
積目前現有的技術都不可能完全滿足這些要求
於定位技術的領域中大致分成Range Base和Range Free兩類所謂的Range
Base 即是在感測器中加入可以精準定位的硬體設備[24]該設備通常價格昂貴
12
電源能耗大如 GPS 接收器反之 Range Free 即為使用感測器上基本的硬體元
件並搭配使用一些演算法來計算定位座標
表格 21Range Base 和 Range Free 的比較
方法 硬體成本 能源消耗 定位精確度
Range Base 高 高 高
Range Free 低 低 低
底下的內容將介紹說明目前常見的定位技術222324 為 Range Base
的方法252627 為 Range Free 的方法
22 Angle of Arrival (AOA) method 測量訊號的到達角度(Angle Of Arrive簡稱 AOA)是一種常用的定位技術
[14]這種方法需要在基地站採用專門的天線排列陣列來測量特定訊號的來源方
向對於一個基地站來講AOA 測量可以得出特定移動終端的所在方向當兩
個基地站同時測量同一移動終端所發出的訊號時兩個基地站各自測量 AOA 所
得的方向直線的交點就是移動終端所在的位置由圖 21 可以容易的了解 AOA
利用天線角度的定位方法
基地站
行動終端
Angle
Angle
天線
Directional Antenna
Directional Antenna
圖 21AOA 定位示意圖
13
這種定位方法的原理很簡單但在實際的應用中存在一些難以克服的問題
首先行動終端與基地站的訊號傳輸必須是視線傳輸(LOS)(LOS 為 Line-of-Sight
的縮寫)的非視線傳輸(NLOS)( NLOS 為 Non-Line-of-Sight的縮寫)將會給AOA
定位帶來不可預測的誤差即使是在以 LOS 傳輸為主的情況下射頻訊號的多
徑效應依然會干擾 AOA 的測量其次由於天線設備角解析度的限制AOA 的
測量精度是隨著基地站與移動站之問的距離的增加而不斷減小
23 Time of Arrival (TOA) amp Time Difference of Arrival (TDOA)
TOA 和 TDOA 是利用訊號傳輸時間的定位技術須要讓所有的基地站進行
時間同步隨著可同時監測行動終端的基地台數量愈多定位精確度則愈高
[16]TOA 是以基地台收到的行動終端的時間差來量測與基地台間的距離利用
三角定位的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 22 顯示了 DOA
三角定位的示意圖
基地站
行動終端
Transmit Time
Transmit Time
Transmit Time
圖 22 DOA 定位示意圖
而 TDOA 則是針對 TOA 而改進以各基地台收到的行動終端的時間差來量
測距離使用雙曲線的特性來進行定位計算
14
C
基地站
行動終端
AۑA ᴉB
B
圖 23 TDOA 單一雙曲線定位示意圖
圖 23 中紅色的點是已知座標位置的基地站黃色的點透過訊號傳遞的時
間差計算出和每座基地站的距離並對於其中 2 個基地站畫出一組雙曲線雙
曲線的特性是線上的任一點對於兩焦點的距離差為一定值
基地站
行動終端
圖 24 TDOA 多組雙曲線定位示意圖
圖 24 中兩組雙曲線交集的區域就是行動終端裝置的座標位置
15
24 Received Signal Strength (RSS) method
RSS 是基於訊號傳輸訊號強弱的定位技術不需調整行動終端但必須事先
測量好訊號強度與距離的關係圖[15]RSS 運作原理是利用處於不同位置的多個
基地台同時接收由行動終端發出的訊號分析其訊號強度接著根據訊號強度和
距離的對應關係可以知道行動終端與各個基地台間的距離最後利用三角定位
的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 25 表示利用 RSS 與三角定
位的示意圖
基地站
行動終端
RSS Distance
RSS Distance
RSS Distance
圖 25RSS 定位示意圖
16
25 LANDMARC System (LC) method 表格 22 整理出 LANDMARC System (LC) 定位方法的資料其最大的優點
在於定位速度快
表格 22LANDMARC System 的定位資料
定位種類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 中
參考點建置 有(大量)
額外硬體 RFID Reader 能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
An Indoor Localization Mechanism Using Active RFID Tag[6]這篇論文提出的
方法先在定位的環境中佈建大量 RFID 標籤來當作參考點並紀錄每個參考點
與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱資訊當有新的 RFID 標籤進入定位環境中要
進行定位時該標籤與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱值拿來與參考點的訊號
強弱值比較接著判斷要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點
的位置(或靠近哪一群參考點以那一群參考點的重心位置)當作定位資訊
17
建置環境
圖 26LANDMARC 定位的環境(圖片引用[6])
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 23LANDMARC System 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference Tag 已知 無 無 無 無
Target Tag 未知 無 無 可移動 無
RFID Reader 已知 無 無 無 能計算收到
訊號的訊號
強度
18
定位方法
假設有 N台 RFID Reader 與 M 個 Reference Tag 佈建在環境中每一個
Reference Tag 都有一個訊號強度向量 = (θ1 θ2hellip θn)分別紀錄對應
N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
每一個 Target Tag 都有一個訊號強度向量 = (S1 S2hellipSn)分別紀錄
對應 N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
利用 Euclidian distance 找出哪些 Reference Tag 比較靠近 Target Tag
(21)
公式(21)中 Ej值越小表示該 Reference Tag 越靠近 Target Tag最後找出 K
個最靠近的 Reference Tag計算出這 K 個點的重心座標即是 Target Tag 的座標
位置K 值預設為 4
圖 27LANDMARC 定位的流程圖
19
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
優點
1 定位速度快
缺點
1 不容易建置且硬體建置成本不低
2 區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變所以當環境中出現障礙物時會改變原本
參考點的訊號強弱值
20
26 Area Localization Scheme (ALS) method 表格 24 整理出 Area Localization Scheme (ALS) 定位方法的資料其最大
的優點在於定位速度快與使用比較少量的參考點
表格 24ALS 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 少
參考點建置 有(數個)
額外硬體 參考點需可動態調整傳輸功率大小傳送訊號
建置成本 低
簡介
An Area Localization Scheme for Large Wireless Sensor Networks Vehicular
Technology Conference[5]的論文提出一種新的區域型定位方法以往的區域型定
位先是建置好固定不動的感測點且設定好座標位置來當作參考點接著判斷
要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點的位置(或靠近哪一
群參考點以那一群參考點的重心位置[6])當作定位資訊
而此篇論文提出的方法 Area Localization Scheme (ALS)則是一種改良後的
區域型定位和[6]相比使用相同數量的參考點卻可以達到更精確的定位效
果
21
建置環境
圖 28建置環境(圖片引用[5])
圖 28 表示一間室內的天花板四個角落各放置一個 Reference node綠色
圖示表示一般未知座標資訊的 Sensor node紫色則是一個具有計算能力的
Sensor
22
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 25ALS 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference node 已知 中 低 無 可動態調整
傳輸功率大
小傳送訊號
Sensor node 未知 無 中 可移動 無
Sink node 無 高 高 無 無
定位方法
圖 29ALS scheme with naming(圖片引用[5])
圖 29 中每一個圓形區域表示該 Reference node 發射訊號的功率範圍(EX
區域代碼 1000 表示 Reference node A 以較小的功率發設 1000 訊號區域代碼
23
20002200 表示 Reference node A 以較大的功率發設 2000 訊號)
四個 Reference node 根據自己的兩種發射功率(每個 Reference node 可以用超
過 2 種以上不同的發射功率來傳送訊號這邊僅以 2 種功率來說明)可以各自
切出 2 個圓形區域並互相交集產生 13 個不同的區域實際上交集產生的區域
可能更多但是有些區域面積太小所以就忽略該區域Sink node 負責紀錄每
一個交集區域的重心座標以及該區域的代碼重心座標的產生可以由人為定
義或是先交由其它的電腦先行計算出來
圖 210Sensor node 處理資料的流程
Sensor node 要進行定位前在自己的記憶體中產生 4 個變數LALB
LCLD四個 Reference node 依照自己的固定頻率來廣播訊號比如說在 T1 時
Reference node D 以較大的功率廣播字串rdquo0002rdquo在 T2 時 Reference node D 以較
小的功率廣播字串rdquo0001rdquo 在 T3 時 Reference node C 以較小的功率廣播字
串rdquo0010rdquo在 T4 時 Reference node C 以較大的功率廣播字串rdquo0020rdquohellip
24
Sensor node F 於 T1 收到rdquo0002rdquo設定 LD = 2
Sensor node F 於 T2 收到rdquo0001rdquo因為新的 LD 值比舊的值小所以設定 LD = 1
Sensor node F 於 T3 收不到rdquo0010rdquo
Sensor node F 於 T4 收到rdquo0020rdquo設定 LC = 2
經過一段時間之後Sensor node F 之 LALBLCLD 的值為 0021
下面的表格顯示 T1 ~ TnSensor node F 之 LALBLCLD 的值的狀態
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值
LA LB LC LD
T1 0 0 0 2
T2 0 0 0 1
T3 0 0 0 1
T4 0 0 2 1
Tn 0 0 2 1
圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink node(圖片引用[5])
25
最後 Sensor node F 將 0021 這個代碼傳送到 Sink node 查詢座標資訊
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
The number of transmitted power levels
The transmitted power at each level
優點
1 容易建置且硬體建置成本較低
2 定位速度快
3 訊息交換量較少
缺點
1 如果 Sensor node 移動的速度較快時其定位誤差勢必擴大
2 此區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變但地圖卻沒有更著動態改變
26
27 Approximation PIT Test (APIT) method 表格 271APIT 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 大區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 很慢
靜態定位精確度 普通
動態定位精確度 很差
訊息交換量 很多
參考點建置 有(大量)
額外硬體 參考點能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
簡介
Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks [1]論文的
方法是一種很有創意且不需要額外硬體設備的定位技術首先在環境中亂數
佈建已知座標位置的感測點接著這些感測點以三個點為一組形成一個三角形
所以環境中若佈建了 30 個感測點就會形成 4060 個不同的三角形區域
接著當一個要被計算定位的感測點 A 進入了環境當中利用數學上點與三
角形的特性(1)可以來判斷感測點 A 於 4060 個三角形區域中在哪些三角形
的裡面與外面把那些感測點 A 存在於三角形區域中的所有三角型留下來並
找出最大面積交集的區域此區域的重心位置就是感測點 A 的定位座標位置
圖 271 表示了整個定位的流程
缺點就是定位過程中訊息的交換量很大且定位的時間需要很久動態環
境中的定位精確度很差
27
定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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57
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Sensor Networksrdquo in Proceedings of Infocom pp 1655-1633 2001
58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 BGR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE 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 DAN ltFEFF004200720075006700200069006e0064007300740069006c006c0069006e006700650072006e0065002000740069006c0020006100740020006f007000720065007400740065002000410064006f006200650020005000440046002d0064006f006b0075006d0065006e007400650072002c0020006400650072002000620065006400730074002000650067006e006500720020007300690067002000740069006c002000700072006500700072006500730073002d007500640073006b007200690076006e0069006e00670020006100660020006800f8006a0020006b00760061006c0069007400650074002e0020004400650020006f007000720065007400740065006400650020005000440046002d0064006f006b0075006d0065006e0074006500720020006b0061006e002000e50062006e00650073002000690020004100630072006f00620061007400200065006c006c006500720020004100630072006f006200610074002000520065006100640065007200200035002e00300020006f00670020006e0079006500720065002egt DEU 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HRV (Za stvaranje Adobe PDF dokumenata najpogodnijih za visokokvalitetni ispis prije tiskanja koristite ove postavke Stvoreni PDF dokumenti mogu se otvoriti Acrobat i Adobe Reader 50 i kasnijim verzijama) HUN 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摘要
隨著無線通信技術的發展21 世紀的世界將很快從網路時代進入無線互聯
時代新興的無線網路技術例如 WiFiWiMaxZigBeeAdhocBlue Tooth
和 Ultra Wide Band(UWB)在辦公室家庭工廠公園等大眾生活的方面得到
了廣泛應用基於無線網路定位技術的應用更加具有廣闊的發展前景根據投資
銀行 Rutberg 公司無線資料研究集團和國際資料公司等的預測網路新技術將
在未來的 3 年內達到幾百億甚至上千億美元的營業收入而無線定位技術的應用
將在其中佔有至少上百億美元的市場規模
我們所提出的解決方法應用於室內定位中在模擬實驗中有很好的定位精
確度但受限於硬體元件的處理速度在實際環境的實驗結果誤差並不理想目
前這只是一個雛型系統未來的研究目標是尋找更合適的硬體元件與修正定位誤
差讓系統執行的結果可以接近模擬實驗的精準度並將系統設計的更完善讓
定位精確度可以更為穩定
關鍵字室內定位感測網路定位預測
2
Abstract
With the advancement of wireless communication technologys development the
world in the 21st century from the network time enters the wireless interconnection
time New wireless network technology such as WiFi WiMax ZigBee Adhoc
BlueTooth and UltraWideBand (UWB) the aspect which in populace and so on office
family factory park lived obtained the widespread application even more had the
broad prospects for development based on the wireless network localization
technologys application
According to investment bank Rutberg Corporation the wireless material
research group and the international material company and so on predict that the new
technology in network will achieve several tens of billions even over a thousand
hundred million US dollar business incomes in the future 3 years then localization
application will hold on at least tens of billions US dollar among them
We proposed the solution applies in the indoor localization has the very good
localization precision in the simulation experiment But is restricted in the hardware
parts processing speed is not ideal in actual environments experimental result error
At present this only will be an embryonic form system the future research aim is
seeks for the appropriate hardware part and the revision position error will enable the
system execution the result to be possible to approach simulation experimentrsquos
accurate and will be more perfect the system design enables the localization
precision to be possible to be stable
Keywords indoor localization sensor networks location discovery
3
致謝
首先我要感謝許慶賢教授梁秋國教授俞征武教授指導我許多無線感測
網路上的知識以及各位口試老師對本篇論文的建議讓本篇論文更為完整
許慶賢教授是我的指導教授這是我最要感謝的人在我寫這篇論文的期
間沒有他的辛勤指導與嚴格要求我無法完成這篇碩士論文由於他的意見及
指正這篇論文才能夠順利的完成
感謝實驗室學長世璋和泰隆這些年來的指導並感謝實驗室的同學東陸智
鈞凱仁山雄鈞正在最後的時刻大家相互鼓勵與打氣的畫面我會永遠記
得因為有他們的陪伴讓我的生活充滿了歡樂
最後要感謝的是我的家人在我求學生涯上所給我的鼓勵與支持總是默
默的支持我給我最大的信心動力謹以此論文獻給我最摯愛的你們
4
Table of Content
摘要 1
Abstract 2 致謝 3
List of Tables 5 List of Figures 6 第一章 簡介 7
11 多軸向動作感應系統的技術與應用 7 12 多樣化的應用模式 8 13 常見的運動狀態 9 14 典型的應用 9 15 研究動機 10 16 論文架構 10
第二章 相關研究 11
21 定位技術概述 11 22 Angle of Arrival (AOA) method 12 23 Time of Arrival (TOA) amp Time Difference of Arrival (TDOA) 13 24 Received Signal Strength (RSS) method 15 25 LANDMARC System (LC) method 16 26 Area Localization Scheme (ALS) method 20 27 Approximation PIT Test (APIT) method 26
第三章 系統架構 29
31 加速度計與室內定位系統架構 29 32 數學模型 30 33 加速度計硬體 32 34 Boe-Bot 自走車 36
第四章 實驗 38
41 實驗環境 38 42 模擬與分析 40 43 Boe-Bot 自走車硬體實驗 47
第五章 結論與未來研究 52
參考文獻 54
附錄 A 58
5
List of Tables
表格 21Range Base 和 Range Free 的比較helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12
表格 22LANDMARC System 的定位資料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16
表格 23LANDMARC System 感測器的特性helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17
表格 24ALS 的定位資料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20
表格 25ALS 感測器的特性helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24
表格 27APIT 的定位資料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26
表格 31數學模型的參數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30
表格 32H48C 的硬體規格 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip34
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52
6
List of Figures
圖 11Wii 內建三軸加速計helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7 圖 12三星推出內建動作感應辨識功能的 SGH-E758helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8 圖 21AOA 定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12 圖 22DOA 定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13 圖 23TDOA 單一雙曲線定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14 圖 24TDOA 多組雙曲線定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14 圖 25RSS 定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15 圖 26LANDMARC 定位的環境helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17 圖 27LANDMARC 定位的流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18 圖 28建置環境helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21 圖 29ALS scheme with naminghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22 圖 210Sensor node 處理資料的流程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip23 圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink nodehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24 圖 212APIT 的定位流程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27 圖 31H48C 的腳位定義helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32 圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36 圖 33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2helliphellip36 圖 34H48C 裝在 Boe-Bot 自走車上helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37 圖 41實驗環境helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39 圖 42圓形區域的範圍Boe-Bot 自走車是無法進入的區域helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39 圖 43自走車的移動路徑helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41 圖 44自走車的速度helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41 圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42 圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42 圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphellip43 圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比helliphelliphellip44 圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45 圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46 圖 411自走車定位的程式介面helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47 圖 412Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48 圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖helliphelliphelliphelliphellip59 圖 414Boe-Bot 自走車 65cm 實驗的實際移動路線helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50 圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip51
7
第一章
簡介
11 多軸向動作感應系統的技術與應用
多軸動作感應技術已經不是很新奇的技術很多年之前雙軸向動作感應器
已經被廣泛應用在汽車電子領域中而三軸向動作感應器則是已經應用在高階筆
記型電腦作為硬碟防震與資料保護的作用
在目前熱門的次世代主機中三軸感應技術就分別做為 Wii 與 PS3 這兩台主
機的控制應用方式提供了玩家更為多樣化的操控方式除此之外作為狀態識
別也是此類動作感應技術的主流發展方向比如說目前就已經有多家廠商研究在
手機之中加入動作感應技術並藉由解讀使用者的動作來進行不同功能的實現
藉由特定動作來下達各種不同的指令這項功能的加入也可望為讓陷入停滯的
手機發展帶來不同的想像空間以及市場客群圖 11 是 Wii 遊戲主機的控制器
可以偵測傾斜加速等動作
圖 11Wii 內建三軸加速計（資料來源任天堂）
8
圖 12三星推出內建動作感應辨識功能的 SGH-E758（資料來源三星）
圖 12 的三星手機把手機變成可以手搖的遊戲機只要開啟動作感應選項使
用者不僅能玩遊戲就連音樂播放選項也可以把手機搖來搖去來操控
12 多樣化的應用模式
動作感應技術除了作為輸入指令的一種控制方式以外國外也有使用動作感
應技術來識別產品使用者的身份其理論為每個人的走路方式與步伐節奏都各有
不同甚至可以如同指紋一般具有獨特姓因此使用內建此技術的產品時（例如
說手機）只要硬體偵測到特定時期的步伐動作有所改變便會自動鎖定避免
被非法使用雖然開發者可能沒想到萬一腳受傷或者是路況改變可能會帶來的麻
煩不過動作感應來作為安全管理的概念若是能夠發揚光大那會是相當有趣的
一件事
除了以上這些已經或將來會出現的應用以外動作感應技術也被普遍使用於
商業醫療設備以及安全管理等不同的領域而在技術提供廠商方面競爭也顯
得相當激烈除了 ADIFreescale 以及 STMicroelectronics 等知名大廠以外Bosch
SensortecKionixHitachiMetalsOkiElectric 等公司也都相繼投入這塊市場
2006 年在市場上已經有超過 10 家公司提供具備動作感應技術的晶片產品動作
感應元件一時之間變成了兵家的必爭之地
9
13 常見的運動狀態
一些較細微動作的測量範圍只是加速度在 -1g 到 +1g 之間的傾斜測量
然而有一些小的手部動作比如滑鼠移動至少需要 2g 的加速度而更大的
動作例如一個人在講話時揮動手臂可能需要 3g 或更高的加速度當人作出
任何一個突發動作時比如晃動拳頭會導致加速度迅速變化可能需要 4g 甚
至更高的加速度所以讓硬體應該能夠適應所有這些動作的需求才能夠識別多
種動作模式的差別
14 典型的應用
1 墜落監測
2 電子羅盤
3 遊戲控制器
4 圖像穩定性
5 硬碟保護
6 3C產品螢幕顯示應用
7 計步器
8 機器人技術
9 防盜設備
10 地震監控
11 軸承磨損監控
12 定位推測 (本篇論文主題)
本篇論文主要的研究方向在於研究目前現有加速度計的硬體技術與室內
定位技術的整合應用找出適合用來定位的硬體與其相關的演算法技術
10
15 研究動機
室內定位技術於未來的市場應用中有著很多不同的想像空間如資產管
理人員安全管理疾病交叉感染分析軍事行動室內消防救災等應用如果
能發展出有效率且高精確度低建置成本的定位系統必定可以於上述的應用中
廣泛的被使用替未來的生活增加更多可用的資訊與便利性
目前大部分的室內定位技術大多為模擬的實驗為主像[1-6]等的論文研究
都是以模擬實驗為主雖然其模擬實驗的結果還可以但是實際上要把該研究佈
建於生活環境中時都有很大的實做限制本論文提出使用加速度計資訊的方法
Indoor Localization Using Accelerometer Information 簡稱(ILAI)於模擬實驗中有
很好的定位精確度雖然實際的硬體實驗與模擬實驗之間的精確度有落差但於
實際環境中的佈建使用並沒有太多的限制
16 論文架構
第二章會簡介幾種常見的 Range Base[14151618]和 Range Free[78910]方
法的定位技術及其優缺點第三章為本論文的系統架構第四章是模擬和硬體
實驗的結果最後是結論與未來的研究目標
11
第二章
相關研究
21 定位技術概述
無線定位技術和方法很多常用的定位技術包括紅外線[3]超音波[23]射
頻訊號時間[19]或訊號強弱[111213]等但都不適合室內定位紅外線只適合短
距離傳播而且容易被螢光燈或者房間內的燈光干擾在精確定位上有局限性
超聲波受多徑效應和非視距傳播影響很大不能用於室內環境而射頻訊號普遍
用在室外定位系統中應用於室內定位存在有很大的局限因素
GPS 是目前應用最為廣泛的室外定位技術[18]它是 1970 年代初美國基於
軍事目的開發的衛星導航定位系統其運作原理以 GPS 接收器藉由接收軌道上
運行之衛星訊號計算接收時間與衛星發出訊號之時間差以此時間差推算出距
離再以三角定位法對行動終端進行定位運算一般用於車輛導航和手持設備
定位精度範圍在 5m-20m
當前比較流行的 Wi-Fi 定位是 IEEE80211 的一種定位解決方案目前應用
於小範圍的室內定位成本較低但 Wi-Fi 收發器覆蓋的半徑區域不大而且很
容易受到其他訊號的干擾進而影響定位的精確度最差的地方就是行動終端的
電源能耗較高
隨著定位技術的發展和定位服務需求的不斷增加無線定位技術必須克服現
有技術的缺點滿足以下幾個條件a)高抗干擾能力b)高精確度定位c)低生
產成本d)低運營成本e)高安全性f)低能耗及低發射功率g)小的收發器體
積目前現有的技術都不可能完全滿足這些要求
於定位技術的領域中大致分成Range Base和Range Free兩類所謂的Range
Base 即是在感測器中加入可以精準定位的硬體設備[24]該設備通常價格昂貴
12
電源能耗大如 GPS 接收器反之 Range Free 即為使用感測器上基本的硬體元
件並搭配使用一些演算法來計算定位座標
表格 21Range Base 和 Range Free 的比較
方法 硬體成本 能源消耗 定位精確度
Range Base 高 高 高
Range Free 低 低 低
底下的內容將介紹說明目前常見的定位技術222324 為 Range Base
的方法252627 為 Range Free 的方法
22 Angle of Arrival (AOA) method 測量訊號的到達角度(Angle Of Arrive簡稱 AOA)是一種常用的定位技術
[14]這種方法需要在基地站採用專門的天線排列陣列來測量特定訊號的來源方
向對於一個基地站來講AOA 測量可以得出特定移動終端的所在方向當兩
個基地站同時測量同一移動終端所發出的訊號時兩個基地站各自測量 AOA 所
得的方向直線的交點就是移動終端所在的位置由圖 21 可以容易的了解 AOA
利用天線角度的定位方法
基地站
行動終端
Angle
Angle
天線
Directional Antenna
Directional Antenna
圖 21AOA 定位示意圖
13
這種定位方法的原理很簡單但在實際的應用中存在一些難以克服的問題
首先行動終端與基地站的訊號傳輸必須是視線傳輸(LOS)(LOS 為 Line-of-Sight
的縮寫)的非視線傳輸(NLOS)( NLOS 為 Non-Line-of-Sight的縮寫)將會給AOA
定位帶來不可預測的誤差即使是在以 LOS 傳輸為主的情況下射頻訊號的多
徑效應依然會干擾 AOA 的測量其次由於天線設備角解析度的限制AOA 的
測量精度是隨著基地站與移動站之問的距離的增加而不斷減小
23 Time of Arrival (TOA) amp Time Difference of Arrival (TDOA)
TOA 和 TDOA 是利用訊號傳輸時間的定位技術須要讓所有的基地站進行
時間同步隨著可同時監測行動終端的基地台數量愈多定位精確度則愈高
[16]TOA 是以基地台收到的行動終端的時間差來量測與基地台間的距離利用
三角定位的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 22 顯示了 DOA
三角定位的示意圖
基地站
行動終端
Transmit Time
Transmit Time
Transmit Time
圖 22 DOA 定位示意圖
而 TDOA 則是針對 TOA 而改進以各基地台收到的行動終端的時間差來量
測距離使用雙曲線的特性來進行定位計算
14
C
基地站
行動終端
AۑA ᴉB
B
圖 23 TDOA 單一雙曲線定位示意圖
圖 23 中紅色的點是已知座標位置的基地站黃色的點透過訊號傳遞的時
間差計算出和每座基地站的距離並對於其中 2 個基地站畫出一組雙曲線雙
曲線的特性是線上的任一點對於兩焦點的距離差為一定值
基地站
行動終端
圖 24 TDOA 多組雙曲線定位示意圖
圖 24 中兩組雙曲線交集的區域就是行動終端裝置的座標位置
15
24 Received Signal Strength (RSS) method
RSS 是基於訊號傳輸訊號強弱的定位技術不需調整行動終端但必須事先
測量好訊號強度與距離的關係圖[15]RSS 運作原理是利用處於不同位置的多個
基地台同時接收由行動終端發出的訊號分析其訊號強度接著根據訊號強度和
距離的對應關係可以知道行動終端與各個基地台間的距離最後利用三角定位
的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 25 表示利用 RSS 與三角定
位的示意圖
基地站
行動終端
RSS Distance
RSS Distance
RSS Distance
圖 25RSS 定位示意圖
16
25 LANDMARC System (LC) method 表格 22 整理出 LANDMARC System (LC) 定位方法的資料其最大的優點
在於定位速度快
表格 22LANDMARC System 的定位資料
定位種類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 中
參考點建置 有(大量)
額外硬體 RFID Reader 能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
An Indoor Localization Mechanism Using Active RFID Tag[6]這篇論文提出的
方法先在定位的環境中佈建大量 RFID 標籤來當作參考點並紀錄每個參考點
與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱資訊當有新的 RFID 標籤進入定位環境中要
進行定位時該標籤與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱值拿來與參考點的訊號
強弱值比較接著判斷要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點
的位置(或靠近哪一群參考點以那一群參考點的重心位置)當作定位資訊
17
建置環境
圖 26LANDMARC 定位的環境(圖片引用[6])
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 23LANDMARC System 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference Tag 已知 無 無 無 無
Target Tag 未知 無 無 可移動 無
RFID Reader 已知 無 無 無 能計算收到
訊號的訊號
強度
18
定位方法
假設有 N台 RFID Reader 與 M 個 Reference Tag 佈建在環境中每一個
Reference Tag 都有一個訊號強度向量 = (θ1 θ2hellip θn)分別紀錄對應
N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
每一個 Target Tag 都有一個訊號強度向量 = (S1 S2hellipSn)分別紀錄
對應 N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
利用 Euclidian distance 找出哪些 Reference Tag 比較靠近 Target Tag
(21)
公式(21)中 Ej值越小表示該 Reference Tag 越靠近 Target Tag最後找出 K
個最靠近的 Reference Tag計算出這 K 個點的重心座標即是 Target Tag 的座標
位置K 值預設為 4
圖 27LANDMARC 定位的流程圖
19
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
優點
1 定位速度快
缺點
1 不容易建置且硬體建置成本不低
2 區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變所以當環境中出現障礙物時會改變原本
參考點的訊號強弱值
20
26 Area Localization Scheme (ALS) method 表格 24 整理出 Area Localization Scheme (ALS) 定位方法的資料其最大
的優點在於定位速度快與使用比較少量的參考點
表格 24ALS 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 少
參考點建置 有(數個)
額外硬體 參考點需可動態調整傳輸功率大小傳送訊號
建置成本 低
簡介
An Area Localization Scheme for Large Wireless Sensor Networks Vehicular
Technology Conference[5]的論文提出一種新的區域型定位方法以往的區域型定
位先是建置好固定不動的感測點且設定好座標位置來當作參考點接著判斷
要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點的位置(或靠近哪一
群參考點以那一群參考點的重心位置[6])當作定位資訊
而此篇論文提出的方法 Area Localization Scheme (ALS)則是一種改良後的
區域型定位和[6]相比使用相同數量的參考點卻可以達到更精確的定位效
果
21
建置環境
圖 28建置環境(圖片引用[5])
圖 28 表示一間室內的天花板四個角落各放置一個 Reference node綠色
圖示表示一般未知座標資訊的 Sensor node紫色則是一個具有計算能力的
Sensor
22
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 25ALS 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference node 已知 中 低 無 可動態調整
傳輸功率大
小傳送訊號
Sensor node 未知 無 中 可移動 無
Sink node 無 高 高 無 無
定位方法
圖 29ALS scheme with naming(圖片引用[5])
圖 29 中每一個圓形區域表示該 Reference node 發射訊號的功率範圍(EX
區域代碼 1000 表示 Reference node A 以較小的功率發設 1000 訊號區域代碼
23
20002200 表示 Reference node A 以較大的功率發設 2000 訊號)
四個 Reference node 根據自己的兩種發射功率(每個 Reference node 可以用超
過 2 種以上不同的發射功率來傳送訊號這邊僅以 2 種功率來說明)可以各自
切出 2 個圓形區域並互相交集產生 13 個不同的區域實際上交集產生的區域
可能更多但是有些區域面積太小所以就忽略該區域Sink node 負責紀錄每
一個交集區域的重心座標以及該區域的代碼重心座標的產生可以由人為定
義或是先交由其它的電腦先行計算出來
圖 210Sensor node 處理資料的流程
Sensor node 要進行定位前在自己的記憶體中產生 4 個變數LALB
LCLD四個 Reference node 依照自己的固定頻率來廣播訊號比如說在 T1 時
Reference node D 以較大的功率廣播字串rdquo0002rdquo在 T2 時 Reference node D 以較
小的功率廣播字串rdquo0001rdquo 在 T3 時 Reference node C 以較小的功率廣播字
串rdquo0010rdquo在 T4 時 Reference node C 以較大的功率廣播字串rdquo0020rdquohellip
24
Sensor node F 於 T1 收到rdquo0002rdquo設定 LD = 2
Sensor node F 於 T2 收到rdquo0001rdquo因為新的 LD 值比舊的值小所以設定 LD = 1
Sensor node F 於 T3 收不到rdquo0010rdquo
Sensor node F 於 T4 收到rdquo0020rdquo設定 LC = 2
經過一段時間之後Sensor node F 之 LALBLCLD 的值為 0021
下面的表格顯示 T1 ~ TnSensor node F 之 LALBLCLD 的值的狀態
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值
LA LB LC LD
T1 0 0 0 2
T2 0 0 0 1
T3 0 0 0 1
T4 0 0 2 1
Tn 0 0 2 1
圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink node(圖片引用[5])
25
最後 Sensor node F 將 0021 這個代碼傳送到 Sink node 查詢座標資訊
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
The number of transmitted power levels
The transmitted power at each level
優點
1 容易建置且硬體建置成本較低
2 定位速度快
3 訊息交換量較少
缺點
1 如果 Sensor node 移動的速度較快時其定位誤差勢必擴大
2 此區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變但地圖卻沒有更著動態改變
26
27 Approximation PIT Test (APIT) method 表格 271APIT 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 大區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 很慢
靜態定位精確度 普通
動態定位精確度 很差
訊息交換量 很多
參考點建置 有(大量)
額外硬體 參考點能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
簡介
Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks [1]論文的
方法是一種很有創意且不需要額外硬體設備的定位技術首先在環境中亂數
佈建已知座標位置的感測點接著這些感測點以三個點為一組形成一個三角形
所以環境中若佈建了 30 個感測點就會形成 4060 個不同的三角形區域
接著當一個要被計算定位的感測點 A 進入了環境當中利用數學上點與三
角形的特性(1)可以來判斷感測點 A 於 4060 個三角形區域中在哪些三角形
的裡面與外面把那些感測點 A 存在於三角形區域中的所有三角型留下來並
找出最大面積交集的區域此區域的重心位置就是感測點 A 的定位座標位置
圖 271 表示了整個定位的流程
缺點就是定位過程中訊息的交換量很大且定位的時間需要很久動態環
境中的定位精確度很差
27
定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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[26] L Doherty L E Ghaoui and K Pister ldquoConvex Position Estimation in Wireless
Sensor Networksrdquo in Proceedings of Infocom pp 1655-1633 2001
58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 BGR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE 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 DAN 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 DEU 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HRV (Za stvaranje Adobe PDF dokumenata najpogodnijih za visokokvalitetni ispis prije tiskanja koristite ove postavke Stvoreni PDF dokumenti mogu se otvoriti Acrobat i Adobe Reader 50 i kasnijim verzijama) HUN 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2
Abstract
With the advancement of wireless communication technologys development the
world in the 21st century from the network time enters the wireless interconnection
time New wireless network technology such as WiFi WiMax ZigBee Adhoc
BlueTooth and UltraWideBand (UWB) the aspect which in populace and so on office
family factory park lived obtained the widespread application even more had the
broad prospects for development based on the wireless network localization
technologys application
According to investment bank Rutberg Corporation the wireless material
research group and the international material company and so on predict that the new
technology in network will achieve several tens of billions even over a thousand
hundred million US dollar business incomes in the future 3 years then localization
application will hold on at least tens of billions US dollar among them
We proposed the solution applies in the indoor localization has the very good
localization precision in the simulation experiment But is restricted in the hardware
parts processing speed is not ideal in actual environments experimental result error
At present this only will be an embryonic form system the future research aim is
seeks for the appropriate hardware part and the revision position error will enable the
system execution the result to be possible to approach simulation experimentrsquos
accurate and will be more perfect the system design enables the localization
precision to be possible to be stable
Keywords indoor localization sensor networks location discovery
3
致謝
首先我要感謝許慶賢教授梁秋國教授俞征武教授指導我許多無線感測
網路上的知識以及各位口試老師對本篇論文的建議讓本篇論文更為完整
許慶賢教授是我的指導教授這是我最要感謝的人在我寫這篇論文的期
間沒有他的辛勤指導與嚴格要求我無法完成這篇碩士論文由於他的意見及
指正這篇論文才能夠順利的完成
感謝實驗室學長世璋和泰隆這些年來的指導並感謝實驗室的同學東陸智
鈞凱仁山雄鈞正在最後的時刻大家相互鼓勵與打氣的畫面我會永遠記
得因為有他們的陪伴讓我的生活充滿了歡樂
最後要感謝的是我的家人在我求學生涯上所給我的鼓勵與支持總是默
默的支持我給我最大的信心動力謹以此論文獻給我最摯愛的你們
4
Table of Content
摘要 1
Abstract 2 致謝 3
List of Tables 5 List of Figures 6 第一章 簡介 7
11 多軸向動作感應系統的技術與應用 7 12 多樣化的應用模式 8 13 常見的運動狀態 9 14 典型的應用 9 15 研究動機 10 16 論文架構 10
第二章 相關研究 11
21 定位技術概述 11 22 Angle of Arrival (AOA) method 12 23 Time of Arrival (TOA) amp Time Difference of Arrival (TDOA) 13 24 Received Signal Strength (RSS) method 15 25 LANDMARC System (LC) method 16 26 Area Localization Scheme (ALS) method 20 27 Approximation PIT Test (APIT) method 26
第三章 系統架構 29
31 加速度計與室內定位系統架構 29 32 數學模型 30 33 加速度計硬體 32 34 Boe-Bot 自走車 36
第四章 實驗 38
41 實驗環境 38 42 模擬與分析 40 43 Boe-Bot 自走車硬體實驗 47
第五章 結論與未來研究 52
參考文獻 54
附錄 A 58
5
List of Tables
表格 21Range Base 和 Range Free 的比較helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12
表格 22LANDMARC System 的定位資料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16
表格 23LANDMARC System 感測器的特性helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17
表格 24ALS 的定位資料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20
表格 25ALS 感測器的特性helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24
表格 27APIT 的定位資料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26
表格 31數學模型的參數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30
表格 32H48C 的硬體規格 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip34
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52
6
List of Figures
圖 11Wii 內建三軸加速計helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7 圖 12三星推出內建動作感應辨識功能的 SGH-E758helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8 圖 21AOA 定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12 圖 22DOA 定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13 圖 23TDOA 單一雙曲線定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14 圖 24TDOA 多組雙曲線定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14 圖 25RSS 定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15 圖 26LANDMARC 定位的環境helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17 圖 27LANDMARC 定位的流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18 圖 28建置環境helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21 圖 29ALS scheme with naminghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22 圖 210Sensor node 處理資料的流程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip23 圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink nodehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24 圖 212APIT 的定位流程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27 圖 31H48C 的腳位定義helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32 圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36 圖 33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2helliphellip36 圖 34H48C 裝在 Boe-Bot 自走車上helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37 圖 41實驗環境helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39 圖 42圓形區域的範圍Boe-Bot 自走車是無法進入的區域helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39 圖 43自走車的移動路徑helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41 圖 44自走車的速度helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41 圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42 圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42 圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphellip43 圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比helliphelliphellip44 圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45 圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46 圖 411自走車定位的程式介面helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47 圖 412Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48 圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖helliphelliphelliphelliphellip59 圖 414Boe-Bot 自走車 65cm 實驗的實際移動路線helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50 圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip51
7
第一章
簡介
11 多軸向動作感應系統的技術與應用
多軸動作感應技術已經不是很新奇的技術很多年之前雙軸向動作感應器
已經被廣泛應用在汽車電子領域中而三軸向動作感應器則是已經應用在高階筆
記型電腦作為硬碟防震與資料保護的作用
在目前熱門的次世代主機中三軸感應技術就分別做為 Wii 與 PS3 這兩台主
機的控制應用方式提供了玩家更為多樣化的操控方式除此之外作為狀態識
別也是此類動作感應技術的主流發展方向比如說目前就已經有多家廠商研究在
手機之中加入動作感應技術並藉由解讀使用者的動作來進行不同功能的實現
藉由特定動作來下達各種不同的指令這項功能的加入也可望為讓陷入停滯的
手機發展帶來不同的想像空間以及市場客群圖 11 是 Wii 遊戲主機的控制器
可以偵測傾斜加速等動作
圖 11Wii 內建三軸加速計（資料來源任天堂）
8
圖 12三星推出內建動作感應辨識功能的 SGH-E758（資料來源三星）
圖 12 的三星手機把手機變成可以手搖的遊戲機只要開啟動作感應選項使
用者不僅能玩遊戲就連音樂播放選項也可以把手機搖來搖去來操控
12 多樣化的應用模式
動作感應技術除了作為輸入指令的一種控制方式以外國外也有使用動作感
應技術來識別產品使用者的身份其理論為每個人的走路方式與步伐節奏都各有
不同甚至可以如同指紋一般具有獨特姓因此使用內建此技術的產品時（例如
說手機）只要硬體偵測到特定時期的步伐動作有所改變便會自動鎖定避免
被非法使用雖然開發者可能沒想到萬一腳受傷或者是路況改變可能會帶來的麻
煩不過動作感應來作為安全管理的概念若是能夠發揚光大那會是相當有趣的
一件事
除了以上這些已經或將來會出現的應用以外動作感應技術也被普遍使用於
商業醫療設備以及安全管理等不同的領域而在技術提供廠商方面競爭也顯
得相當激烈除了 ADIFreescale 以及 STMicroelectronics 等知名大廠以外Bosch
SensortecKionixHitachiMetalsOkiElectric 等公司也都相繼投入這塊市場
2006 年在市場上已經有超過 10 家公司提供具備動作感應技術的晶片產品動作
感應元件一時之間變成了兵家的必爭之地
9
13 常見的運動狀態
一些較細微動作的測量範圍只是加速度在 -1g 到 +1g 之間的傾斜測量
然而有一些小的手部動作比如滑鼠移動至少需要 2g 的加速度而更大的
動作例如一個人在講話時揮動手臂可能需要 3g 或更高的加速度當人作出
任何一個突發動作時比如晃動拳頭會導致加速度迅速變化可能需要 4g 甚
至更高的加速度所以讓硬體應該能夠適應所有這些動作的需求才能夠識別多
種動作模式的差別
14 典型的應用
1 墜落監測
2 電子羅盤
3 遊戲控制器
4 圖像穩定性
5 硬碟保護
6 3C產品螢幕顯示應用
7 計步器
8 機器人技術
9 防盜設備
10 地震監控
11 軸承磨損監控
12 定位推測 (本篇論文主題)
本篇論文主要的研究方向在於研究目前現有加速度計的硬體技術與室內
定位技術的整合應用找出適合用來定位的硬體與其相關的演算法技術
10
15 研究動機
室內定位技術於未來的市場應用中有著很多不同的想像空間如資產管
理人員安全管理疾病交叉感染分析軍事行動室內消防救災等應用如果
能發展出有效率且高精確度低建置成本的定位系統必定可以於上述的應用中
廣泛的被使用替未來的生活增加更多可用的資訊與便利性
目前大部分的室內定位技術大多為模擬的實驗為主像[1-6]等的論文研究
都是以模擬實驗為主雖然其模擬實驗的結果還可以但是實際上要把該研究佈
建於生活環境中時都有很大的實做限制本論文提出使用加速度計資訊的方法
Indoor Localization Using Accelerometer Information 簡稱(ILAI)於模擬實驗中有
很好的定位精確度雖然實際的硬體實驗與模擬實驗之間的精確度有落差但於
實際環境中的佈建使用並沒有太多的限制
16 論文架構
第二章會簡介幾種常見的 Range Base[14151618]和 Range Free[78910]方
法的定位技術及其優缺點第三章為本論文的系統架構第四章是模擬和硬體
實驗的結果最後是結論與未來的研究目標
11
第二章
相關研究
21 定位技術概述
無線定位技術和方法很多常用的定位技術包括紅外線[3]超音波[23]射
頻訊號時間[19]或訊號強弱[111213]等但都不適合室內定位紅外線只適合短
距離傳播而且容易被螢光燈或者房間內的燈光干擾在精確定位上有局限性
超聲波受多徑效應和非視距傳播影響很大不能用於室內環境而射頻訊號普遍
用在室外定位系統中應用於室內定位存在有很大的局限因素
GPS 是目前應用最為廣泛的室外定位技術[18]它是 1970 年代初美國基於
軍事目的開發的衛星導航定位系統其運作原理以 GPS 接收器藉由接收軌道上
運行之衛星訊號計算接收時間與衛星發出訊號之時間差以此時間差推算出距
離再以三角定位法對行動終端進行定位運算一般用於車輛導航和手持設備
定位精度範圍在 5m-20m
當前比較流行的 Wi-Fi 定位是 IEEE80211 的一種定位解決方案目前應用
於小範圍的室內定位成本較低但 Wi-Fi 收發器覆蓋的半徑區域不大而且很
容易受到其他訊號的干擾進而影響定位的精確度最差的地方就是行動終端的
電源能耗較高
隨著定位技術的發展和定位服務需求的不斷增加無線定位技術必須克服現
有技術的缺點滿足以下幾個條件a)高抗干擾能力b)高精確度定位c)低生
產成本d)低運營成本e)高安全性f)低能耗及低發射功率g)小的收發器體
積目前現有的技術都不可能完全滿足這些要求
於定位技術的領域中大致分成Range Base和Range Free兩類所謂的Range
Base 即是在感測器中加入可以精準定位的硬體設備[24]該設備通常價格昂貴
12
電源能耗大如 GPS 接收器反之 Range Free 即為使用感測器上基本的硬體元
件並搭配使用一些演算法來計算定位座標
表格 21Range Base 和 Range Free 的比較
方法 硬體成本 能源消耗 定位精確度
Range Base 高 高 高
Range Free 低 低 低
底下的內容將介紹說明目前常見的定位技術222324 為 Range Base
的方法252627 為 Range Free 的方法
22 Angle of Arrival (AOA) method 測量訊號的到達角度(Angle Of Arrive簡稱 AOA)是一種常用的定位技術
[14]這種方法需要在基地站採用專門的天線排列陣列來測量特定訊號的來源方
向對於一個基地站來講AOA 測量可以得出特定移動終端的所在方向當兩
個基地站同時測量同一移動終端所發出的訊號時兩個基地站各自測量 AOA 所
得的方向直線的交點就是移動終端所在的位置由圖 21 可以容易的了解 AOA
利用天線角度的定位方法
基地站
行動終端
Angle
Angle
天線
Directional Antenna
Directional Antenna
圖 21AOA 定位示意圖
13
這種定位方法的原理很簡單但在實際的應用中存在一些難以克服的問題
首先行動終端與基地站的訊號傳輸必須是視線傳輸(LOS)(LOS 為 Line-of-Sight
的縮寫)的非視線傳輸(NLOS)( NLOS 為 Non-Line-of-Sight的縮寫)將會給AOA
定位帶來不可預測的誤差即使是在以 LOS 傳輸為主的情況下射頻訊號的多
徑效應依然會干擾 AOA 的測量其次由於天線設備角解析度的限制AOA 的
測量精度是隨著基地站與移動站之問的距離的增加而不斷減小
23 Time of Arrival (TOA) amp Time Difference of Arrival (TDOA)
TOA 和 TDOA 是利用訊號傳輸時間的定位技術須要讓所有的基地站進行
時間同步隨著可同時監測行動終端的基地台數量愈多定位精確度則愈高
[16]TOA 是以基地台收到的行動終端的時間差來量測與基地台間的距離利用
三角定位的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 22 顯示了 DOA
三角定位的示意圖
基地站
行動終端
Transmit Time
Transmit Time
Transmit Time
圖 22 DOA 定位示意圖
而 TDOA 則是針對 TOA 而改進以各基地台收到的行動終端的時間差來量
測距離使用雙曲線的特性來進行定位計算
14
C
基地站
行動終端
AۑA ᴉB
B
圖 23 TDOA 單一雙曲線定位示意圖
圖 23 中紅色的點是已知座標位置的基地站黃色的點透過訊號傳遞的時
間差計算出和每座基地站的距離並對於其中 2 個基地站畫出一組雙曲線雙
曲線的特性是線上的任一點對於兩焦點的距離差為一定值
基地站
行動終端
圖 24 TDOA 多組雙曲線定位示意圖
圖 24 中兩組雙曲線交集的區域就是行動終端裝置的座標位置
15
24 Received Signal Strength (RSS) method
RSS 是基於訊號傳輸訊號強弱的定位技術不需調整行動終端但必須事先
測量好訊號強度與距離的關係圖[15]RSS 運作原理是利用處於不同位置的多個
基地台同時接收由行動終端發出的訊號分析其訊號強度接著根據訊號強度和
距離的對應關係可以知道行動終端與各個基地台間的距離最後利用三角定位
的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 25 表示利用 RSS 與三角定
位的示意圖
基地站
行動終端
RSS Distance
RSS Distance
RSS Distance
圖 25RSS 定位示意圖
16
25 LANDMARC System (LC) method 表格 22 整理出 LANDMARC System (LC) 定位方法的資料其最大的優點
在於定位速度快
表格 22LANDMARC System 的定位資料
定位種類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 中
參考點建置 有(大量)
額外硬體 RFID Reader 能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
An Indoor Localization Mechanism Using Active RFID Tag[6]這篇論文提出的
方法先在定位的環境中佈建大量 RFID 標籤來當作參考點並紀錄每個參考點
與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱資訊當有新的 RFID 標籤進入定位環境中要
進行定位時該標籤與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱值拿來與參考點的訊號
強弱值比較接著判斷要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點
的位置(或靠近哪一群參考點以那一群參考點的重心位置)當作定位資訊
17
建置環境
圖 26LANDMARC 定位的環境(圖片引用[6])
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 23LANDMARC System 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference Tag 已知 無 無 無 無
Target Tag 未知 無 無 可移動 無
RFID Reader 已知 無 無 無 能計算收到
訊號的訊號
強度
18
定位方法
假設有 N台 RFID Reader 與 M 個 Reference Tag 佈建在環境中每一個
Reference Tag 都有一個訊號強度向量 = (θ1 θ2hellip θn)分別紀錄對應
N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
每一個 Target Tag 都有一個訊號強度向量 = (S1 S2hellipSn)分別紀錄
對應 N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
利用 Euclidian distance 找出哪些 Reference Tag 比較靠近 Target Tag
(21)
公式(21)中 Ej值越小表示該 Reference Tag 越靠近 Target Tag最後找出 K
個最靠近的 Reference Tag計算出這 K 個點的重心座標即是 Target Tag 的座標
位置K 值預設為 4
圖 27LANDMARC 定位的流程圖
19
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
優點
1 定位速度快
缺點
1 不容易建置且硬體建置成本不低
2 區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變所以當環境中出現障礙物時會改變原本
參考點的訊號強弱值
20
26 Area Localization Scheme (ALS) method 表格 24 整理出 Area Localization Scheme (ALS) 定位方法的資料其最大
的優點在於定位速度快與使用比較少量的參考點
表格 24ALS 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 少
參考點建置 有(數個)
額外硬體 參考點需可動態調整傳輸功率大小傳送訊號
建置成本 低
簡介
An Area Localization Scheme for Large Wireless Sensor Networks Vehicular
Technology Conference[5]的論文提出一種新的區域型定位方法以往的區域型定
位先是建置好固定不動的感測點且設定好座標位置來當作參考點接著判斷
要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點的位置(或靠近哪一
群參考點以那一群參考點的重心位置[6])當作定位資訊
而此篇論文提出的方法 Area Localization Scheme (ALS)則是一種改良後的
區域型定位和[6]相比使用相同數量的參考點卻可以達到更精確的定位效
果
21
建置環境
圖 28建置環境(圖片引用[5])
圖 28 表示一間室內的天花板四個角落各放置一個 Reference node綠色
圖示表示一般未知座標資訊的 Sensor node紫色則是一個具有計算能力的
Sensor
22
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 25ALS 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference node 已知 中 低 無 可動態調整
傳輸功率大
小傳送訊號
Sensor node 未知 無 中 可移動 無
Sink node 無 高 高 無 無
定位方法
圖 29ALS scheme with naming(圖片引用[5])
圖 29 中每一個圓形區域表示該 Reference node 發射訊號的功率範圍(EX
區域代碼 1000 表示 Reference node A 以較小的功率發設 1000 訊號區域代碼
23
20002200 表示 Reference node A 以較大的功率發設 2000 訊號)
四個 Reference node 根據自己的兩種發射功率(每個 Reference node 可以用超
過 2 種以上不同的發射功率來傳送訊號這邊僅以 2 種功率來說明)可以各自
切出 2 個圓形區域並互相交集產生 13 個不同的區域實際上交集產生的區域
可能更多但是有些區域面積太小所以就忽略該區域Sink node 負責紀錄每
一個交集區域的重心座標以及該區域的代碼重心座標的產生可以由人為定
義或是先交由其它的電腦先行計算出來
圖 210Sensor node 處理資料的流程
Sensor node 要進行定位前在自己的記憶體中產生 4 個變數LALB
LCLD四個 Reference node 依照自己的固定頻率來廣播訊號比如說在 T1 時
Reference node D 以較大的功率廣播字串rdquo0002rdquo在 T2 時 Reference node D 以較
小的功率廣播字串rdquo0001rdquo 在 T3 時 Reference node C 以較小的功率廣播字
串rdquo0010rdquo在 T4 時 Reference node C 以較大的功率廣播字串rdquo0020rdquohellip
24
Sensor node F 於 T1 收到rdquo0002rdquo設定 LD = 2
Sensor node F 於 T2 收到rdquo0001rdquo因為新的 LD 值比舊的值小所以設定 LD = 1
Sensor node F 於 T3 收不到rdquo0010rdquo
Sensor node F 於 T4 收到rdquo0020rdquo設定 LC = 2
經過一段時間之後Sensor node F 之 LALBLCLD 的值為 0021
下面的表格顯示 T1 ~ TnSensor node F 之 LALBLCLD 的值的狀態
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值
LA LB LC LD
T1 0 0 0 2
T2 0 0 0 1
T3 0 0 0 1
T4 0 0 2 1
Tn 0 0 2 1
圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink node(圖片引用[5])
25
最後 Sensor node F 將 0021 這個代碼傳送到 Sink node 查詢座標資訊
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
The number of transmitted power levels
The transmitted power at each level
優點
1 容易建置且硬體建置成本較低
2 定位速度快
3 訊息交換量較少
缺點
1 如果 Sensor node 移動的速度較快時其定位誤差勢必擴大
2 此區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變但地圖卻沒有更著動態改變
26
27 Approximation PIT Test (APIT) method 表格 271APIT 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 大區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 很慢
靜態定位精確度 普通
動態定位精確度 很差
訊息交換量 很多
參考點建置 有(大量)
額外硬體 參考點能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
簡介
Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks [1]論文的
方法是一種很有創意且不需要額外硬體設備的定位技術首先在環境中亂數
佈建已知座標位置的感測點接著這些感測點以三個點為一組形成一個三角形
所以環境中若佈建了 30 個感測點就會形成 4060 個不同的三角形區域
接著當一個要被計算定位的感測點 A 進入了環境當中利用數學上點與三
角形的特性(1)可以來判斷感測點 A 於 4060 個三角形區域中在哪些三角形
的裡面與外面把那些感測點 A 存在於三角形區域中的所有三角型留下來並
找出最大面積交集的區域此區域的重心位置就是感測點 A 的定位座標位置
圖 271 表示了整個定位的流程
缺點就是定位過程中訊息的交換量很大且定位的時間需要很久動態環
境中的定位精確度很差
27
定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE 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 DEU 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HRV (Za stvaranje Adobe PDF dokumenata najpogodnijih za visokokvalitetni ispis prije tiskanja koristite ove postavke Stvoreni PDF dokumenti mogu se otvoriti Acrobat i Adobe Reader 50 i kasnijim verzijama) HUN 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致謝
首先我要感謝許慶賢教授梁秋國教授俞征武教授指導我許多無線感測
網路上的知識以及各位口試老師對本篇論文的建議讓本篇論文更為完整
許慶賢教授是我的指導教授這是我最要感謝的人在我寫這篇論文的期
間沒有他的辛勤指導與嚴格要求我無法完成這篇碩士論文由於他的意見及
指正這篇論文才能夠順利的完成
感謝實驗室學長世璋和泰隆這些年來的指導並感謝實驗室的同學東陸智
鈞凱仁山雄鈞正在最後的時刻大家相互鼓勵與打氣的畫面我會永遠記
得因為有他們的陪伴讓我的生活充滿了歡樂
最後要感謝的是我的家人在我求學生涯上所給我的鼓勵與支持總是默
默的支持我給我最大的信心動力謹以此論文獻給我最摯愛的你們
4
Table of Content
摘要 1
Abstract 2 致謝 3
List of Tables 5 List of Figures 6 第一章 簡介 7
11 多軸向動作感應系統的技術與應用 7 12 多樣化的應用模式 8 13 常見的運動狀態 9 14 典型的應用 9 15 研究動機 10 16 論文架構 10
第二章 相關研究 11
21 定位技術概述 11 22 Angle of Arrival (AOA) method 12 23 Time of Arrival (TOA) amp Time Difference of Arrival (TDOA) 13 24 Received Signal Strength (RSS) method 15 25 LANDMARC System (LC) method 16 26 Area Localization Scheme (ALS) method 20 27 Approximation PIT Test (APIT) method 26
第三章 系統架構 29
31 加速度計與室內定位系統架構 29 32 數學模型 30 33 加速度計硬體 32 34 Boe-Bot 自走車 36
第四章 實驗 38
41 實驗環境 38 42 模擬與分析 40 43 Boe-Bot 自走車硬體實驗 47
第五章 結論與未來研究 52
參考文獻 54
附錄 A 58
5
List of Tables
表格 21Range Base 和 Range Free 的比較helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12
表格 22LANDMARC System 的定位資料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16
表格 23LANDMARC System 感測器的特性helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17
表格 24ALS 的定位資料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20
表格 25ALS 感測器的特性helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24
表格 27APIT 的定位資料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26
表格 31數學模型的參數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30
表格 32H48C 的硬體規格 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip34
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52
6
List of Figures
圖 11Wii 內建三軸加速計helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7 圖 12三星推出內建動作感應辨識功能的 SGH-E758helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8 圖 21AOA 定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12 圖 22DOA 定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13 圖 23TDOA 單一雙曲線定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14 圖 24TDOA 多組雙曲線定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14 圖 25RSS 定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15 圖 26LANDMARC 定位的環境helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17 圖 27LANDMARC 定位的流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18 圖 28建置環境helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21 圖 29ALS scheme with naminghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22 圖 210Sensor node 處理資料的流程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip23 圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink nodehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24 圖 212APIT 的定位流程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27 圖 31H48C 的腳位定義helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32 圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36 圖 33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2helliphellip36 圖 34H48C 裝在 Boe-Bot 自走車上helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37 圖 41實驗環境helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39 圖 42圓形區域的範圍Boe-Bot 自走車是無法進入的區域helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39 圖 43自走車的移動路徑helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41 圖 44自走車的速度helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41 圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42 圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42 圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphellip43 圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比helliphelliphellip44 圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45 圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46 圖 411自走車定位的程式介面helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47 圖 412Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48 圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖helliphelliphelliphelliphellip59 圖 414Boe-Bot 自走車 65cm 實驗的實際移動路線helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50 圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip51
7
第一章
簡介
11 多軸向動作感應系統的技術與應用
多軸動作感應技術已經不是很新奇的技術很多年之前雙軸向動作感應器
已經被廣泛應用在汽車電子領域中而三軸向動作感應器則是已經應用在高階筆
記型電腦作為硬碟防震與資料保護的作用
在目前熱門的次世代主機中三軸感應技術就分別做為 Wii 與 PS3 這兩台主
機的控制應用方式提供了玩家更為多樣化的操控方式除此之外作為狀態識
別也是此類動作感應技術的主流發展方向比如說目前就已經有多家廠商研究在
手機之中加入動作感應技術並藉由解讀使用者的動作來進行不同功能的實現
藉由特定動作來下達各種不同的指令這項功能的加入也可望為讓陷入停滯的
手機發展帶來不同的想像空間以及市場客群圖 11 是 Wii 遊戲主機的控制器
可以偵測傾斜加速等動作
圖 11Wii 內建三軸加速計（資料來源任天堂）
8
圖 12三星推出內建動作感應辨識功能的 SGH-E758（資料來源三星）
圖 12 的三星手機把手機變成可以手搖的遊戲機只要開啟動作感應選項使
用者不僅能玩遊戲就連音樂播放選項也可以把手機搖來搖去來操控
12 多樣化的應用模式
動作感應技術除了作為輸入指令的一種控制方式以外國外也有使用動作感
應技術來識別產品使用者的身份其理論為每個人的走路方式與步伐節奏都各有
不同甚至可以如同指紋一般具有獨特姓因此使用內建此技術的產品時（例如
說手機）只要硬體偵測到特定時期的步伐動作有所改變便會自動鎖定避免
被非法使用雖然開發者可能沒想到萬一腳受傷或者是路況改變可能會帶來的麻
煩不過動作感應來作為安全管理的概念若是能夠發揚光大那會是相當有趣的
一件事
除了以上這些已經或將來會出現的應用以外動作感應技術也被普遍使用於
商業醫療設備以及安全管理等不同的領域而在技術提供廠商方面競爭也顯
得相當激烈除了 ADIFreescale 以及 STMicroelectronics 等知名大廠以外Bosch
SensortecKionixHitachiMetalsOkiElectric 等公司也都相繼投入這塊市場
2006 年在市場上已經有超過 10 家公司提供具備動作感應技術的晶片產品動作
感應元件一時之間變成了兵家的必爭之地
9
13 常見的運動狀態
一些較細微動作的測量範圍只是加速度在 -1g 到 +1g 之間的傾斜測量
然而有一些小的手部動作比如滑鼠移動至少需要 2g 的加速度而更大的
動作例如一個人在講話時揮動手臂可能需要 3g 或更高的加速度當人作出
任何一個突發動作時比如晃動拳頭會導致加速度迅速變化可能需要 4g 甚
至更高的加速度所以讓硬體應該能夠適應所有這些動作的需求才能夠識別多
種動作模式的差別
14 典型的應用
1 墜落監測
2 電子羅盤
3 遊戲控制器
4 圖像穩定性
5 硬碟保護
6 3C產品螢幕顯示應用
7 計步器
8 機器人技術
9 防盜設備
10 地震監控
11 軸承磨損監控
12 定位推測 (本篇論文主題)
本篇論文主要的研究方向在於研究目前現有加速度計的硬體技術與室內
定位技術的整合應用找出適合用來定位的硬體與其相關的演算法技術
10
15 研究動機
室內定位技術於未來的市場應用中有著很多不同的想像空間如資產管
理人員安全管理疾病交叉感染分析軍事行動室內消防救災等應用如果
能發展出有效率且高精確度低建置成本的定位系統必定可以於上述的應用中
廣泛的被使用替未來的生活增加更多可用的資訊與便利性
目前大部分的室內定位技術大多為模擬的實驗為主像[1-6]等的論文研究
都是以模擬實驗為主雖然其模擬實驗的結果還可以但是實際上要把該研究佈
建於生活環境中時都有很大的實做限制本論文提出使用加速度計資訊的方法
Indoor Localization Using Accelerometer Information 簡稱(ILAI)於模擬實驗中有
很好的定位精確度雖然實際的硬體實驗與模擬實驗之間的精確度有落差但於
實際環境中的佈建使用並沒有太多的限制
16 論文架構
第二章會簡介幾種常見的 Range Base[14151618]和 Range Free[78910]方
法的定位技術及其優缺點第三章為本論文的系統架構第四章是模擬和硬體
實驗的結果最後是結論與未來的研究目標
11
第二章
相關研究
21 定位技術概述
無線定位技術和方法很多常用的定位技術包括紅外線[3]超音波[23]射
頻訊號時間[19]或訊號強弱[111213]等但都不適合室內定位紅外線只適合短
距離傳播而且容易被螢光燈或者房間內的燈光干擾在精確定位上有局限性
超聲波受多徑效應和非視距傳播影響很大不能用於室內環境而射頻訊號普遍
用在室外定位系統中應用於室內定位存在有很大的局限因素
GPS 是目前應用最為廣泛的室外定位技術[18]它是 1970 年代初美國基於
軍事目的開發的衛星導航定位系統其運作原理以 GPS 接收器藉由接收軌道上
運行之衛星訊號計算接收時間與衛星發出訊號之時間差以此時間差推算出距
離再以三角定位法對行動終端進行定位運算一般用於車輛導航和手持設備
定位精度範圍在 5m-20m
當前比較流行的 Wi-Fi 定位是 IEEE80211 的一種定位解決方案目前應用
於小範圍的室內定位成本較低但 Wi-Fi 收發器覆蓋的半徑區域不大而且很
容易受到其他訊號的干擾進而影響定位的精確度最差的地方就是行動終端的
電源能耗較高
隨著定位技術的發展和定位服務需求的不斷增加無線定位技術必須克服現
有技術的缺點滿足以下幾個條件a)高抗干擾能力b)高精確度定位c)低生
產成本d)低運營成本e)高安全性f)低能耗及低發射功率g)小的收發器體
積目前現有的技術都不可能完全滿足這些要求
於定位技術的領域中大致分成Range Base和Range Free兩類所謂的Range
Base 即是在感測器中加入可以精準定位的硬體設備[24]該設備通常價格昂貴
12
電源能耗大如 GPS 接收器反之 Range Free 即為使用感測器上基本的硬體元
件並搭配使用一些演算法來計算定位座標
表格 21Range Base 和 Range Free 的比較
方法 硬體成本 能源消耗 定位精確度
Range Base 高 高 高
Range Free 低 低 低
底下的內容將介紹說明目前常見的定位技術222324 為 Range Base
的方法252627 為 Range Free 的方法
22 Angle of Arrival (AOA) method 測量訊號的到達角度(Angle Of Arrive簡稱 AOA)是一種常用的定位技術
[14]這種方法需要在基地站採用專門的天線排列陣列來測量特定訊號的來源方
向對於一個基地站來講AOA 測量可以得出特定移動終端的所在方向當兩
個基地站同時測量同一移動終端所發出的訊號時兩個基地站各自測量 AOA 所
得的方向直線的交點就是移動終端所在的位置由圖 21 可以容易的了解 AOA
利用天線角度的定位方法
基地站
行動終端
Angle
Angle
天線
Directional Antenna
Directional Antenna
圖 21AOA 定位示意圖
13
這種定位方法的原理很簡單但在實際的應用中存在一些難以克服的問題
首先行動終端與基地站的訊號傳輸必須是視線傳輸(LOS)(LOS 為 Line-of-Sight
的縮寫)的非視線傳輸(NLOS)( NLOS 為 Non-Line-of-Sight的縮寫)將會給AOA
定位帶來不可預測的誤差即使是在以 LOS 傳輸為主的情況下射頻訊號的多
徑效應依然會干擾 AOA 的測量其次由於天線設備角解析度的限制AOA 的
測量精度是隨著基地站與移動站之問的距離的增加而不斷減小
23 Time of Arrival (TOA) amp Time Difference of Arrival (TDOA)
TOA 和 TDOA 是利用訊號傳輸時間的定位技術須要讓所有的基地站進行
時間同步隨著可同時監測行動終端的基地台數量愈多定位精確度則愈高
[16]TOA 是以基地台收到的行動終端的時間差來量測與基地台間的距離利用
三角定位的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 22 顯示了 DOA
三角定位的示意圖
基地站
行動終端
Transmit Time
Transmit Time
Transmit Time
圖 22 DOA 定位示意圖
而 TDOA 則是針對 TOA 而改進以各基地台收到的行動終端的時間差來量
測距離使用雙曲線的特性來進行定位計算
14
C
基地站
行動終端
AۑA ᴉB
B
圖 23 TDOA 單一雙曲線定位示意圖
圖 23 中紅色的點是已知座標位置的基地站黃色的點透過訊號傳遞的時
間差計算出和每座基地站的距離並對於其中 2 個基地站畫出一組雙曲線雙
曲線的特性是線上的任一點對於兩焦點的距離差為一定值
基地站
行動終端
圖 24 TDOA 多組雙曲線定位示意圖
圖 24 中兩組雙曲線交集的區域就是行動終端裝置的座標位置
15
24 Received Signal Strength (RSS) method
RSS 是基於訊號傳輸訊號強弱的定位技術不需調整行動終端但必須事先
測量好訊號強度與距離的關係圖[15]RSS 運作原理是利用處於不同位置的多個
基地台同時接收由行動終端發出的訊號分析其訊號強度接著根據訊號強度和
距離的對應關係可以知道行動終端與各個基地台間的距離最後利用三角定位
的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 25 表示利用 RSS 與三角定
位的示意圖
基地站
行動終端
RSS Distance
RSS Distance
RSS Distance
圖 25RSS 定位示意圖
16
25 LANDMARC System (LC) method 表格 22 整理出 LANDMARC System (LC) 定位方法的資料其最大的優點
在於定位速度快
表格 22LANDMARC System 的定位資料
定位種類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 中
參考點建置 有(大量)
額外硬體 RFID Reader 能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
An Indoor Localization Mechanism Using Active RFID Tag[6]這篇論文提出的
方法先在定位的環境中佈建大量 RFID 標籤來當作參考點並紀錄每個參考點
與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱資訊當有新的 RFID 標籤進入定位環境中要
進行定位時該標籤與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱值拿來與參考點的訊號
強弱值比較接著判斷要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點
的位置(或靠近哪一群參考點以那一群參考點的重心位置)當作定位資訊
17
建置環境
圖 26LANDMARC 定位的環境(圖片引用[6])
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 23LANDMARC System 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference Tag 已知 無 無 無 無
Target Tag 未知 無 無 可移動 無
RFID Reader 已知 無 無 無 能計算收到
訊號的訊號
強度
18
定位方法
假設有 N台 RFID Reader 與 M 個 Reference Tag 佈建在環境中每一個
Reference Tag 都有一個訊號強度向量 = (θ1 θ2hellip θn)分別紀錄對應
N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
每一個 Target Tag 都有一個訊號強度向量 = (S1 S2hellipSn)分別紀錄
對應 N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
利用 Euclidian distance 找出哪些 Reference Tag 比較靠近 Target Tag
(21)
公式(21)中 Ej值越小表示該 Reference Tag 越靠近 Target Tag最後找出 K
個最靠近的 Reference Tag計算出這 K 個點的重心座標即是 Target Tag 的座標
位置K 值預設為 4
圖 27LANDMARC 定位的流程圖
19
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
優點
1 定位速度快
缺點
1 不容易建置且硬體建置成本不低
2 區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變所以當環境中出現障礙物時會改變原本
參考點的訊號強弱值
20
26 Area Localization Scheme (ALS) method 表格 24 整理出 Area Localization Scheme (ALS) 定位方法的資料其最大
的優點在於定位速度快與使用比較少量的參考點
表格 24ALS 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 少
參考點建置 有(數個)
額外硬體 參考點需可動態調整傳輸功率大小傳送訊號
建置成本 低
簡介
An Area Localization Scheme for Large Wireless Sensor Networks Vehicular
Technology Conference[5]的論文提出一種新的區域型定位方法以往的區域型定
位先是建置好固定不動的感測點且設定好座標位置來當作參考點接著判斷
要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點的位置(或靠近哪一
群參考點以那一群參考點的重心位置[6])當作定位資訊
而此篇論文提出的方法 Area Localization Scheme (ALS)則是一種改良後的
區域型定位和[6]相比使用相同數量的參考點卻可以達到更精確的定位效
果
21
建置環境
圖 28建置環境(圖片引用[5])
圖 28 表示一間室內的天花板四個角落各放置一個 Reference node綠色
圖示表示一般未知座標資訊的 Sensor node紫色則是一個具有計算能力的
Sensor
22
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 25ALS 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference node 已知 中 低 無 可動態調整
傳輸功率大
小傳送訊號
Sensor node 未知 無 中 可移動 無
Sink node 無 高 高 無 無
定位方法
圖 29ALS scheme with naming(圖片引用[5])
圖 29 中每一個圓形區域表示該 Reference node 發射訊號的功率範圍(EX
區域代碼 1000 表示 Reference node A 以較小的功率發設 1000 訊號區域代碼
23
20002200 表示 Reference node A 以較大的功率發設 2000 訊號)
四個 Reference node 根據自己的兩種發射功率(每個 Reference node 可以用超
過 2 種以上不同的發射功率來傳送訊號這邊僅以 2 種功率來說明)可以各自
切出 2 個圓形區域並互相交集產生 13 個不同的區域實際上交集產生的區域
可能更多但是有些區域面積太小所以就忽略該區域Sink node 負責紀錄每
一個交集區域的重心座標以及該區域的代碼重心座標的產生可以由人為定
義或是先交由其它的電腦先行計算出來
圖 210Sensor node 處理資料的流程
Sensor node 要進行定位前在自己的記憶體中產生 4 個變數LALB
LCLD四個 Reference node 依照自己的固定頻率來廣播訊號比如說在 T1 時
Reference node D 以較大的功率廣播字串rdquo0002rdquo在 T2 時 Reference node D 以較
小的功率廣播字串rdquo0001rdquo 在 T3 時 Reference node C 以較小的功率廣播字
串rdquo0010rdquo在 T4 時 Reference node C 以較大的功率廣播字串rdquo0020rdquohellip
24
Sensor node F 於 T1 收到rdquo0002rdquo設定 LD = 2
Sensor node F 於 T2 收到rdquo0001rdquo因為新的 LD 值比舊的值小所以設定 LD = 1
Sensor node F 於 T3 收不到rdquo0010rdquo
Sensor node F 於 T4 收到rdquo0020rdquo設定 LC = 2
經過一段時間之後Sensor node F 之 LALBLCLD 的值為 0021
下面的表格顯示 T1 ~ TnSensor node F 之 LALBLCLD 的值的狀態
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值
LA LB LC LD
T1 0 0 0 2
T2 0 0 0 1
T3 0 0 0 1
T4 0 0 2 1
Tn 0 0 2 1
圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink node(圖片引用[5])
25
最後 Sensor node F 將 0021 這個代碼傳送到 Sink node 查詢座標資訊
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
The number of transmitted power levels
The transmitted power at each level
優點
1 容易建置且硬體建置成本較低
2 定位速度快
3 訊息交換量較少
缺點
1 如果 Sensor node 移動的速度較快時其定位誤差勢必擴大
2 此區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變但地圖卻沒有更著動態改變
26
27 Approximation PIT Test (APIT) method 表格 271APIT 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 大區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 很慢
靜態定位精確度 普通
動態定位精確度 很差
訊息交換量 很多
參考點建置 有(大量)
額外硬體 參考點能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
簡介
Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks [1]論文的
方法是一種很有創意且不需要額外硬體設備的定位技術首先在環境中亂數
佈建已知座標位置的感測點接著這些感測點以三個點為一組形成一個三角形
所以環境中若佈建了 30 個感測點就會形成 4060 個不同的三角形區域
接著當一個要被計算定位的感測點 A 進入了環境當中利用數學上點與三
角形的特性(1)可以來判斷感測點 A 於 4060 個三角形區域中在哪些三角形
的裡面與外面把那些感測點 A 存在於三角形區域中的所有三角型留下來並
找出最大面積交集的區域此區域的重心位置就是感測點 A 的定位座標位置
圖 271 表示了整個定位的流程
缺點就是定位過程中訊息的交換量很大且定位的時間需要很久動態環
境中的定位精確度很差
27
定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 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Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true 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ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE 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Page 6
4
Table of Content
摘要 1
Abstract 2 致謝 3
List of Tables 5 List of Figures 6 第一章 簡介 7
11 多軸向動作感應系統的技術與應用 7 12 多樣化的應用模式 8 13 常見的運動狀態 9 14 典型的應用 9 15 研究動機 10 16 論文架構 10
第二章 相關研究 11
21 定位技術概述 11 22 Angle of Arrival (AOA) method 12 23 Time of Arrival (TOA) amp Time Difference of Arrival (TDOA) 13 24 Received Signal Strength (RSS) method 15 25 LANDMARC System (LC) method 16 26 Area Localization Scheme (ALS) method 20 27 Approximation PIT Test (APIT) method 26
第三章 系統架構 29
31 加速度計與室內定位系統架構 29 32 數學模型 30 33 加速度計硬體 32 34 Boe-Bot 自走車 36
第四章 實驗 38
41 實驗環境 38 42 模擬與分析 40 43 Boe-Bot 自走車硬體實驗 47
第五章 結論與未來研究 52
參考文獻 54
附錄 A 58
5
List of Tables
表格 21Range Base 和 Range Free 的比較helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12
表格 22LANDMARC System 的定位資料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16
表格 23LANDMARC System 感測器的特性helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17
表格 24ALS 的定位資料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20
表格 25ALS 感測器的特性helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24
表格 27APIT 的定位資料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26
表格 31數學模型的參數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30
表格 32H48C 的硬體規格 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip34
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52
6
List of Figures
圖 11Wii 內建三軸加速計helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7 圖 12三星推出內建動作感應辨識功能的 SGH-E758helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8 圖 21AOA 定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12 圖 22DOA 定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13 圖 23TDOA 單一雙曲線定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14 圖 24TDOA 多組雙曲線定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14 圖 25RSS 定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15 圖 26LANDMARC 定位的環境helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17 圖 27LANDMARC 定位的流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18 圖 28建置環境helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21 圖 29ALS scheme with naminghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22 圖 210Sensor node 處理資料的流程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip23 圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink nodehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24 圖 212APIT 的定位流程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27 圖 31H48C 的腳位定義helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32 圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36 圖 33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2helliphellip36 圖 34H48C 裝在 Boe-Bot 自走車上helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37 圖 41實驗環境helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39 圖 42圓形區域的範圍Boe-Bot 自走車是無法進入的區域helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39 圖 43自走車的移動路徑helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41 圖 44自走車的速度helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41 圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42 圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42 圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphellip43 圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比helliphelliphellip44 圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45 圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46 圖 411自走車定位的程式介面helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47 圖 412Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48 圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖helliphelliphelliphelliphellip59 圖 414Boe-Bot 自走車 65cm 實驗的實際移動路線helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50 圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip51
7
第一章
簡介
11 多軸向動作感應系統的技術與應用
多軸動作感應技術已經不是很新奇的技術很多年之前雙軸向動作感應器
已經被廣泛應用在汽車電子領域中而三軸向動作感應器則是已經應用在高階筆
記型電腦作為硬碟防震與資料保護的作用
在目前熱門的次世代主機中三軸感應技術就分別做為 Wii 與 PS3 這兩台主
機的控制應用方式提供了玩家更為多樣化的操控方式除此之外作為狀態識
別也是此類動作感應技術的主流發展方向比如說目前就已經有多家廠商研究在
手機之中加入動作感應技術並藉由解讀使用者的動作來進行不同功能的實現
藉由特定動作來下達各種不同的指令這項功能的加入也可望為讓陷入停滯的
手機發展帶來不同的想像空間以及市場客群圖 11 是 Wii 遊戲主機的控制器
可以偵測傾斜加速等動作
圖 11Wii 內建三軸加速計（資料來源任天堂）
8
圖 12三星推出內建動作感應辨識功能的 SGH-E758（資料來源三星）
圖 12 的三星手機把手機變成可以手搖的遊戲機只要開啟動作感應選項使
用者不僅能玩遊戲就連音樂播放選項也可以把手機搖來搖去來操控
12 多樣化的應用模式
動作感應技術除了作為輸入指令的一種控制方式以外國外也有使用動作感
應技術來識別產品使用者的身份其理論為每個人的走路方式與步伐節奏都各有
不同甚至可以如同指紋一般具有獨特姓因此使用內建此技術的產品時（例如
說手機）只要硬體偵測到特定時期的步伐動作有所改變便會自動鎖定避免
被非法使用雖然開發者可能沒想到萬一腳受傷或者是路況改變可能會帶來的麻
煩不過動作感應來作為安全管理的概念若是能夠發揚光大那會是相當有趣的
一件事
除了以上這些已經或將來會出現的應用以外動作感應技術也被普遍使用於
商業醫療設備以及安全管理等不同的領域而在技術提供廠商方面競爭也顯
得相當激烈除了 ADIFreescale 以及 STMicroelectronics 等知名大廠以外Bosch
SensortecKionixHitachiMetalsOkiElectric 等公司也都相繼投入這塊市場
2006 年在市場上已經有超過 10 家公司提供具備動作感應技術的晶片產品動作
感應元件一時之間變成了兵家的必爭之地
9
13 常見的運動狀態
一些較細微動作的測量範圍只是加速度在 -1g 到 +1g 之間的傾斜測量
然而有一些小的手部動作比如滑鼠移動至少需要 2g 的加速度而更大的
動作例如一個人在講話時揮動手臂可能需要 3g 或更高的加速度當人作出
任何一個突發動作時比如晃動拳頭會導致加速度迅速變化可能需要 4g 甚
至更高的加速度所以讓硬體應該能夠適應所有這些動作的需求才能夠識別多
種動作模式的差別
14 典型的應用
1 墜落監測
2 電子羅盤
3 遊戲控制器
4 圖像穩定性
5 硬碟保護
6 3C產品螢幕顯示應用
7 計步器
8 機器人技術
9 防盜設備
10 地震監控
11 軸承磨損監控
12 定位推測 (本篇論文主題)
本篇論文主要的研究方向在於研究目前現有加速度計的硬體技術與室內
定位技術的整合應用找出適合用來定位的硬體與其相關的演算法技術
10
15 研究動機
室內定位技術於未來的市場應用中有著很多不同的想像空間如資產管
理人員安全管理疾病交叉感染分析軍事行動室內消防救災等應用如果
能發展出有效率且高精確度低建置成本的定位系統必定可以於上述的應用中
廣泛的被使用替未來的生活增加更多可用的資訊與便利性
目前大部分的室內定位技術大多為模擬的實驗為主像[1-6]等的論文研究
都是以模擬實驗為主雖然其模擬實驗的結果還可以但是實際上要把該研究佈
建於生活環境中時都有很大的實做限制本論文提出使用加速度計資訊的方法
Indoor Localization Using Accelerometer Information 簡稱(ILAI)於模擬實驗中有
很好的定位精確度雖然實際的硬體實驗與模擬實驗之間的精確度有落差但於
實際環境中的佈建使用並沒有太多的限制
16 論文架構
第二章會簡介幾種常見的 Range Base[14151618]和 Range Free[78910]方
法的定位技術及其優缺點第三章為本論文的系統架構第四章是模擬和硬體
實驗的結果最後是結論與未來的研究目標
11
第二章
相關研究
21 定位技術概述
無線定位技術和方法很多常用的定位技術包括紅外線[3]超音波[23]射
頻訊號時間[19]或訊號強弱[111213]等但都不適合室內定位紅外線只適合短
距離傳播而且容易被螢光燈或者房間內的燈光干擾在精確定位上有局限性
超聲波受多徑效應和非視距傳播影響很大不能用於室內環境而射頻訊號普遍
用在室外定位系統中應用於室內定位存在有很大的局限因素
GPS 是目前應用最為廣泛的室外定位技術[18]它是 1970 年代初美國基於
軍事目的開發的衛星導航定位系統其運作原理以 GPS 接收器藉由接收軌道上
運行之衛星訊號計算接收時間與衛星發出訊號之時間差以此時間差推算出距
離再以三角定位法對行動終端進行定位運算一般用於車輛導航和手持設備
定位精度範圍在 5m-20m
當前比較流行的 Wi-Fi 定位是 IEEE80211 的一種定位解決方案目前應用
於小範圍的室內定位成本較低但 Wi-Fi 收發器覆蓋的半徑區域不大而且很
容易受到其他訊號的干擾進而影響定位的精確度最差的地方就是行動終端的
電源能耗較高
隨著定位技術的發展和定位服務需求的不斷增加無線定位技術必須克服現
有技術的缺點滿足以下幾個條件a)高抗干擾能力b)高精確度定位c)低生
產成本d)低運營成本e)高安全性f)低能耗及低發射功率g)小的收發器體
積目前現有的技術都不可能完全滿足這些要求
於定位技術的領域中大致分成Range Base和Range Free兩類所謂的Range
Base 即是在感測器中加入可以精準定位的硬體設備[24]該設備通常價格昂貴
12
電源能耗大如 GPS 接收器反之 Range Free 即為使用感測器上基本的硬體元
件並搭配使用一些演算法來計算定位座標
表格 21Range Base 和 Range Free 的比較
方法 硬體成本 能源消耗 定位精確度
Range Base 高 高 高
Range Free 低 低 低
底下的內容將介紹說明目前常見的定位技術222324 為 Range Base
的方法252627 為 Range Free 的方法
22 Angle of Arrival (AOA) method 測量訊號的到達角度(Angle Of Arrive簡稱 AOA)是一種常用的定位技術
[14]這種方法需要在基地站採用專門的天線排列陣列來測量特定訊號的來源方
向對於一個基地站來講AOA 測量可以得出特定移動終端的所在方向當兩
個基地站同時測量同一移動終端所發出的訊號時兩個基地站各自測量 AOA 所
得的方向直線的交點就是移動終端所在的位置由圖 21 可以容易的了解 AOA
利用天線角度的定位方法
基地站
行動終端
Angle
Angle
天線
Directional Antenna
Directional Antenna
圖 21AOA 定位示意圖
13
這種定位方法的原理很簡單但在實際的應用中存在一些難以克服的問題
首先行動終端與基地站的訊號傳輸必須是視線傳輸(LOS)(LOS 為 Line-of-Sight
的縮寫)的非視線傳輸(NLOS)( NLOS 為 Non-Line-of-Sight的縮寫)將會給AOA
定位帶來不可預測的誤差即使是在以 LOS 傳輸為主的情況下射頻訊號的多
徑效應依然會干擾 AOA 的測量其次由於天線設備角解析度的限制AOA 的
測量精度是隨著基地站與移動站之問的距離的增加而不斷減小
23 Time of Arrival (TOA) amp Time Difference of Arrival (TDOA)
TOA 和 TDOA 是利用訊號傳輸時間的定位技術須要讓所有的基地站進行
時間同步隨著可同時監測行動終端的基地台數量愈多定位精確度則愈高
[16]TOA 是以基地台收到的行動終端的時間差來量測與基地台間的距離利用
三角定位的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 22 顯示了 DOA
三角定位的示意圖
基地站
行動終端
Transmit Time
Transmit Time
Transmit Time
圖 22 DOA 定位示意圖
而 TDOA 則是針對 TOA 而改進以各基地台收到的行動終端的時間差來量
測距離使用雙曲線的特性來進行定位計算
14
C
基地站
行動終端
AۑA ᴉB
B
圖 23 TDOA 單一雙曲線定位示意圖
圖 23 中紅色的點是已知座標位置的基地站黃色的點透過訊號傳遞的時
間差計算出和每座基地站的距離並對於其中 2 個基地站畫出一組雙曲線雙
曲線的特性是線上的任一點對於兩焦點的距離差為一定值
基地站
行動終端
圖 24 TDOA 多組雙曲線定位示意圖
圖 24 中兩組雙曲線交集的區域就是行動終端裝置的座標位置
15
24 Received Signal Strength (RSS) method
RSS 是基於訊號傳輸訊號強弱的定位技術不需調整行動終端但必須事先
測量好訊號強度與距離的關係圖[15]RSS 運作原理是利用處於不同位置的多個
基地台同時接收由行動終端發出的訊號分析其訊號強度接著根據訊號強度和
距離的對應關係可以知道行動終端與各個基地台間的距離最後利用三角定位
的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 25 表示利用 RSS 與三角定
位的示意圖
基地站
行動終端
RSS Distance
RSS Distance
RSS Distance
圖 25RSS 定位示意圖
16
25 LANDMARC System (LC) method 表格 22 整理出 LANDMARC System (LC) 定位方法的資料其最大的優點
在於定位速度快
表格 22LANDMARC System 的定位資料
定位種類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 中
參考點建置 有(大量)
額外硬體 RFID Reader 能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
An Indoor Localization Mechanism Using Active RFID Tag[6]這篇論文提出的
方法先在定位的環境中佈建大量 RFID 標籤來當作參考點並紀錄每個參考點
與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱資訊當有新的 RFID 標籤進入定位環境中要
進行定位時該標籤與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱值拿來與參考點的訊號
強弱值比較接著判斷要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點
的位置(或靠近哪一群參考點以那一群參考點的重心位置)當作定位資訊
17
建置環境
圖 26LANDMARC 定位的環境(圖片引用[6])
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 23LANDMARC System 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference Tag 已知 無 無 無 無
Target Tag 未知 無 無 可移動 無
RFID Reader 已知 無 無 無 能計算收到
訊號的訊號
強度
18
定位方法
假設有 N台 RFID Reader 與 M 個 Reference Tag 佈建在環境中每一個
Reference Tag 都有一個訊號強度向量 = (θ1 θ2hellip θn)分別紀錄對應
N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
每一個 Target Tag 都有一個訊號強度向量 = (S1 S2hellipSn)分別紀錄
對應 N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
利用 Euclidian distance 找出哪些 Reference Tag 比較靠近 Target Tag
(21)
公式(21)中 Ej值越小表示該 Reference Tag 越靠近 Target Tag最後找出 K
個最靠近的 Reference Tag計算出這 K 個點的重心座標即是 Target Tag 的座標
位置K 值預設為 4
圖 27LANDMARC 定位的流程圖
19
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
優點
1 定位速度快
缺點
1 不容易建置且硬體建置成本不低
2 區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變所以當環境中出現障礙物時會改變原本
參考點的訊號強弱值
20
26 Area Localization Scheme (ALS) method 表格 24 整理出 Area Localization Scheme (ALS) 定位方法的資料其最大
的優點在於定位速度快與使用比較少量的參考點
表格 24ALS 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 少
參考點建置 有(數個)
額外硬體 參考點需可動態調整傳輸功率大小傳送訊號
建置成本 低
簡介
An Area Localization Scheme for Large Wireless Sensor Networks Vehicular
Technology Conference[5]的論文提出一種新的區域型定位方法以往的區域型定
位先是建置好固定不動的感測點且設定好座標位置來當作參考點接著判斷
要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點的位置(或靠近哪一
群參考點以那一群參考點的重心位置[6])當作定位資訊
而此篇論文提出的方法 Area Localization Scheme (ALS)則是一種改良後的
區域型定位和[6]相比使用相同數量的參考點卻可以達到更精確的定位效
果
21
建置環境
圖 28建置環境(圖片引用[5])
圖 28 表示一間室內的天花板四個角落各放置一個 Reference node綠色
圖示表示一般未知座標資訊的 Sensor node紫色則是一個具有計算能力的
Sensor
22
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 25ALS 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference node 已知 中 低 無 可動態調整
傳輸功率大
小傳送訊號
Sensor node 未知 無 中 可移動 無
Sink node 無 高 高 無 無
定位方法
圖 29ALS scheme with naming(圖片引用[5])
圖 29 中每一個圓形區域表示該 Reference node 發射訊號的功率範圍(EX
區域代碼 1000 表示 Reference node A 以較小的功率發設 1000 訊號區域代碼
23
20002200 表示 Reference node A 以較大的功率發設 2000 訊號)
四個 Reference node 根據自己的兩種發射功率(每個 Reference node 可以用超
過 2 種以上不同的發射功率來傳送訊號這邊僅以 2 種功率來說明)可以各自
切出 2 個圓形區域並互相交集產生 13 個不同的區域實際上交集產生的區域
可能更多但是有些區域面積太小所以就忽略該區域Sink node 負責紀錄每
一個交集區域的重心座標以及該區域的代碼重心座標的產生可以由人為定
義或是先交由其它的電腦先行計算出來
圖 210Sensor node 處理資料的流程
Sensor node 要進行定位前在自己的記憶體中產生 4 個變數LALB
LCLD四個 Reference node 依照自己的固定頻率來廣播訊號比如說在 T1 時
Reference node D 以較大的功率廣播字串rdquo0002rdquo在 T2 時 Reference node D 以較
小的功率廣播字串rdquo0001rdquo 在 T3 時 Reference node C 以較小的功率廣播字
串rdquo0010rdquo在 T4 時 Reference node C 以較大的功率廣播字串rdquo0020rdquohellip
24
Sensor node F 於 T1 收到rdquo0002rdquo設定 LD = 2
Sensor node F 於 T2 收到rdquo0001rdquo因為新的 LD 值比舊的值小所以設定 LD = 1
Sensor node F 於 T3 收不到rdquo0010rdquo
Sensor node F 於 T4 收到rdquo0020rdquo設定 LC = 2
經過一段時間之後Sensor node F 之 LALBLCLD 的值為 0021
下面的表格顯示 T1 ~ TnSensor node F 之 LALBLCLD 的值的狀態
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值
LA LB LC LD
T1 0 0 0 2
T2 0 0 0 1
T3 0 0 0 1
T4 0 0 2 1
Tn 0 0 2 1
圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink node(圖片引用[5])
25
最後 Sensor node F 將 0021 這個代碼傳送到 Sink node 查詢座標資訊
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
The number of transmitted power levels
The transmitted power at each level
優點
1 容易建置且硬體建置成本較低
2 定位速度快
3 訊息交換量較少
缺點
1 如果 Sensor node 移動的速度較快時其定位誤差勢必擴大
2 此區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變但地圖卻沒有更著動態改變
26
27 Approximation PIT Test (APIT) method 表格 271APIT 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 大區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 很慢
靜態定位精確度 普通
動態定位精確度 很差
訊息交換量 很多
參考點建置 有(大量)
額外硬體 參考點能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
簡介
Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks [1]論文的
方法是一種很有創意且不需要額外硬體設備的定位技術首先在環境中亂數
佈建已知座標位置的感測點接著這些感測點以三個點為一組形成一個三角形
所以環境中若佈建了 30 個感測點就會形成 4060 個不同的三角形區域
接著當一個要被計算定位的感測點 A 進入了環境當中利用數學上點與三
角形的特性(1)可以來判斷感測點 A 於 4060 個三角形區域中在哪些三角形
的裡面與外面把那些感測點 A 存在於三角形區域中的所有三角型留下來並
找出最大面積交集的區域此區域的重心位置就是感測點 A 的定位座標位置
圖 271 表示了整個定位的流程
缺點就是定位過程中訊息的交換量很大且定位的時間需要很久動態環
境中的定位精確度很差
27
定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 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表格 21Range Base 和 Range Free 的比較helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12
表格 22LANDMARC System 的定位資料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16
表格 23LANDMARC System 感測器的特性helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17
表格 24ALS 的定位資料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20
表格 25ALS 感測器的特性helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24
表格 27APIT 的定位資料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26
表格 31數學模型的參數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30
表格 32H48C 的硬體規格 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip34
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52
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List of Figures
圖 11Wii 內建三軸加速計helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7 圖 12三星推出內建動作感應辨識功能的 SGH-E758helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8 圖 21AOA 定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12 圖 22DOA 定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13 圖 23TDOA 單一雙曲線定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14 圖 24TDOA 多組雙曲線定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14 圖 25RSS 定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15 圖 26LANDMARC 定位的環境helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17 圖 27LANDMARC 定位的流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18 圖 28建置環境helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21 圖 29ALS scheme with naminghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22 圖 210Sensor node 處理資料的流程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip23 圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink nodehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24 圖 212APIT 的定位流程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27 圖 31H48C 的腳位定義helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32 圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36 圖 33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2helliphellip36 圖 34H48C 裝在 Boe-Bot 自走車上helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37 圖 41實驗環境helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39 圖 42圓形區域的範圍Boe-Bot 自走車是無法進入的區域helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39 圖 43自走車的移動路徑helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41 圖 44自走車的速度helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41 圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42 圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42 圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphellip43 圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比helliphelliphellip44 圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45 圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46 圖 411自走車定位的程式介面helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47 圖 412Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48 圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖helliphelliphelliphelliphellip59 圖 414Boe-Bot 自走車 65cm 實驗的實際移動路線helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50 圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip51
7
第一章
簡介
11 多軸向動作感應系統的技術與應用
多軸動作感應技術已經不是很新奇的技術很多年之前雙軸向動作感應器
已經被廣泛應用在汽車電子領域中而三軸向動作感應器則是已經應用在高階筆
記型電腦作為硬碟防震與資料保護的作用
在目前熱門的次世代主機中三軸感應技術就分別做為 Wii 與 PS3 這兩台主
機的控制應用方式提供了玩家更為多樣化的操控方式除此之外作為狀態識
別也是此類動作感應技術的主流發展方向比如說目前就已經有多家廠商研究在
手機之中加入動作感應技術並藉由解讀使用者的動作來進行不同功能的實現
藉由特定動作來下達各種不同的指令這項功能的加入也可望為讓陷入停滯的
手機發展帶來不同的想像空間以及市場客群圖 11 是 Wii 遊戲主機的控制器
可以偵測傾斜加速等動作
圖 11Wii 內建三軸加速計（資料來源任天堂）
8
圖 12三星推出內建動作感應辨識功能的 SGH-E758（資料來源三星）
圖 12 的三星手機把手機變成可以手搖的遊戲機只要開啟動作感應選項使
用者不僅能玩遊戲就連音樂播放選項也可以把手機搖來搖去來操控
12 多樣化的應用模式
動作感應技術除了作為輸入指令的一種控制方式以外國外也有使用動作感
應技術來識別產品使用者的身份其理論為每個人的走路方式與步伐節奏都各有
不同甚至可以如同指紋一般具有獨特姓因此使用內建此技術的產品時（例如
說手機）只要硬體偵測到特定時期的步伐動作有所改變便會自動鎖定避免
被非法使用雖然開發者可能沒想到萬一腳受傷或者是路況改變可能會帶來的麻
煩不過動作感應來作為安全管理的概念若是能夠發揚光大那會是相當有趣的
一件事
除了以上這些已經或將來會出現的應用以外動作感應技術也被普遍使用於
商業醫療設備以及安全管理等不同的領域而在技術提供廠商方面競爭也顯
得相當激烈除了 ADIFreescale 以及 STMicroelectronics 等知名大廠以外Bosch
SensortecKionixHitachiMetalsOkiElectric 等公司也都相繼投入這塊市場
2006 年在市場上已經有超過 10 家公司提供具備動作感應技術的晶片產品動作
感應元件一時之間變成了兵家的必爭之地
9
13 常見的運動狀態
一些較細微動作的測量範圍只是加速度在 -1g 到 +1g 之間的傾斜測量
然而有一些小的手部動作比如滑鼠移動至少需要 2g 的加速度而更大的
動作例如一個人在講話時揮動手臂可能需要 3g 或更高的加速度當人作出
任何一個突發動作時比如晃動拳頭會導致加速度迅速變化可能需要 4g 甚
至更高的加速度所以讓硬體應該能夠適應所有這些動作的需求才能夠識別多
種動作模式的差別
14 典型的應用
1 墜落監測
2 電子羅盤
3 遊戲控制器
4 圖像穩定性
5 硬碟保護
6 3C產品螢幕顯示應用
7 計步器
8 機器人技術
9 防盜設備
10 地震監控
11 軸承磨損監控
12 定位推測 (本篇論文主題)
本篇論文主要的研究方向在於研究目前現有加速度計的硬體技術與室內
定位技術的整合應用找出適合用來定位的硬體與其相關的演算法技術
10
15 研究動機
室內定位技術於未來的市場應用中有著很多不同的想像空間如資產管
理人員安全管理疾病交叉感染分析軍事行動室內消防救災等應用如果
能發展出有效率且高精確度低建置成本的定位系統必定可以於上述的應用中
廣泛的被使用替未來的生活增加更多可用的資訊與便利性
目前大部分的室內定位技術大多為模擬的實驗為主像[1-6]等的論文研究
都是以模擬實驗為主雖然其模擬實驗的結果還可以但是實際上要把該研究佈
建於生活環境中時都有很大的實做限制本論文提出使用加速度計資訊的方法
Indoor Localization Using Accelerometer Information 簡稱(ILAI)於模擬實驗中有
很好的定位精確度雖然實際的硬體實驗與模擬實驗之間的精確度有落差但於
實際環境中的佈建使用並沒有太多的限制
16 論文架構
第二章會簡介幾種常見的 Range Base[14151618]和 Range Free[78910]方
法的定位技術及其優缺點第三章為本論文的系統架構第四章是模擬和硬體
實驗的結果最後是結論與未來的研究目標
11
第二章
相關研究
21 定位技術概述
無線定位技術和方法很多常用的定位技術包括紅外線[3]超音波[23]射
頻訊號時間[19]或訊號強弱[111213]等但都不適合室內定位紅外線只適合短
距離傳播而且容易被螢光燈或者房間內的燈光干擾在精確定位上有局限性
超聲波受多徑效應和非視距傳播影響很大不能用於室內環境而射頻訊號普遍
用在室外定位系統中應用於室內定位存在有很大的局限因素
GPS 是目前應用最為廣泛的室外定位技術[18]它是 1970 年代初美國基於
軍事目的開發的衛星導航定位系統其運作原理以 GPS 接收器藉由接收軌道上
運行之衛星訊號計算接收時間與衛星發出訊號之時間差以此時間差推算出距
離再以三角定位法對行動終端進行定位運算一般用於車輛導航和手持設備
定位精度範圍在 5m-20m
當前比較流行的 Wi-Fi 定位是 IEEE80211 的一種定位解決方案目前應用
於小範圍的室內定位成本較低但 Wi-Fi 收發器覆蓋的半徑區域不大而且很
容易受到其他訊號的干擾進而影響定位的精確度最差的地方就是行動終端的
電源能耗較高
隨著定位技術的發展和定位服務需求的不斷增加無線定位技術必須克服現
有技術的缺點滿足以下幾個條件a)高抗干擾能力b)高精確度定位c)低生
產成本d)低運營成本e)高安全性f)低能耗及低發射功率g)小的收發器體
積目前現有的技術都不可能完全滿足這些要求
於定位技術的領域中大致分成Range Base和Range Free兩類所謂的Range
Base 即是在感測器中加入可以精準定位的硬體設備[24]該設備通常價格昂貴
12
電源能耗大如 GPS 接收器反之 Range Free 即為使用感測器上基本的硬體元
件並搭配使用一些演算法來計算定位座標
表格 21Range Base 和 Range Free 的比較
方法 硬體成本 能源消耗 定位精確度
Range Base 高 高 高
Range Free 低 低 低
底下的內容將介紹說明目前常見的定位技術222324 為 Range Base
的方法252627 為 Range Free 的方法
22 Angle of Arrival (AOA) method 測量訊號的到達角度(Angle Of Arrive簡稱 AOA)是一種常用的定位技術
[14]這種方法需要在基地站採用專門的天線排列陣列來測量特定訊號的來源方
向對於一個基地站來講AOA 測量可以得出特定移動終端的所在方向當兩
個基地站同時測量同一移動終端所發出的訊號時兩個基地站各自測量 AOA 所
得的方向直線的交點就是移動終端所在的位置由圖 21 可以容易的了解 AOA
利用天線角度的定位方法
基地站
行動終端
Angle
Angle
天線
Directional Antenna
Directional Antenna
圖 21AOA 定位示意圖
13
這種定位方法的原理很簡單但在實際的應用中存在一些難以克服的問題
首先行動終端與基地站的訊號傳輸必須是視線傳輸(LOS)(LOS 為 Line-of-Sight
的縮寫)的非視線傳輸(NLOS)( NLOS 為 Non-Line-of-Sight的縮寫)將會給AOA
定位帶來不可預測的誤差即使是在以 LOS 傳輸為主的情況下射頻訊號的多
徑效應依然會干擾 AOA 的測量其次由於天線設備角解析度的限制AOA 的
測量精度是隨著基地站與移動站之問的距離的增加而不斷減小
23 Time of Arrival (TOA) amp Time Difference of Arrival (TDOA)
TOA 和 TDOA 是利用訊號傳輸時間的定位技術須要讓所有的基地站進行
時間同步隨著可同時監測行動終端的基地台數量愈多定位精確度則愈高
[16]TOA 是以基地台收到的行動終端的時間差來量測與基地台間的距離利用
三角定位的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 22 顯示了 DOA
三角定位的示意圖
基地站
行動終端
Transmit Time
Transmit Time
Transmit Time
圖 22 DOA 定位示意圖
而 TDOA 則是針對 TOA 而改進以各基地台收到的行動終端的時間差來量
測距離使用雙曲線的特性來進行定位計算
14
C
基地站
行動終端
AۑA ᴉB
B
圖 23 TDOA 單一雙曲線定位示意圖
圖 23 中紅色的點是已知座標位置的基地站黃色的點透過訊號傳遞的時
間差計算出和每座基地站的距離並對於其中 2 個基地站畫出一組雙曲線雙
曲線的特性是線上的任一點對於兩焦點的距離差為一定值
基地站
行動終端
圖 24 TDOA 多組雙曲線定位示意圖
圖 24 中兩組雙曲線交集的區域就是行動終端裝置的座標位置
15
24 Received Signal Strength (RSS) method
RSS 是基於訊號傳輸訊號強弱的定位技術不需調整行動終端但必須事先
測量好訊號強度與距離的關係圖[15]RSS 運作原理是利用處於不同位置的多個
基地台同時接收由行動終端發出的訊號分析其訊號強度接著根據訊號強度和
距離的對應關係可以知道行動終端與各個基地台間的距離最後利用三角定位
的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 25 表示利用 RSS 與三角定
位的示意圖
基地站
行動終端
RSS Distance
RSS Distance
RSS Distance
圖 25RSS 定位示意圖
16
25 LANDMARC System (LC) method 表格 22 整理出 LANDMARC System (LC) 定位方法的資料其最大的優點
在於定位速度快
表格 22LANDMARC System 的定位資料
定位種類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 中
參考點建置 有(大量)
額外硬體 RFID Reader 能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
An Indoor Localization Mechanism Using Active RFID Tag[6]這篇論文提出的
方法先在定位的環境中佈建大量 RFID 標籤來當作參考點並紀錄每個參考點
與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱資訊當有新的 RFID 標籤進入定位環境中要
進行定位時該標籤與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱值拿來與參考點的訊號
強弱值比較接著判斷要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點
的位置(或靠近哪一群參考點以那一群參考點的重心位置)當作定位資訊
17
建置環境
圖 26LANDMARC 定位的環境(圖片引用[6])
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 23LANDMARC System 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference Tag 已知 無 無 無 無
Target Tag 未知 無 無 可移動 無
RFID Reader 已知 無 無 無 能計算收到
訊號的訊號
強度
18
定位方法
假設有 N台 RFID Reader 與 M 個 Reference Tag 佈建在環境中每一個
Reference Tag 都有一個訊號強度向量 = (θ1 θ2hellip θn)分別紀錄對應
N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
每一個 Target Tag 都有一個訊號強度向量 = (S1 S2hellipSn)分別紀錄
對應 N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
利用 Euclidian distance 找出哪些 Reference Tag 比較靠近 Target Tag
(21)
公式(21)中 Ej值越小表示該 Reference Tag 越靠近 Target Tag最後找出 K
個最靠近的 Reference Tag計算出這 K 個點的重心座標即是 Target Tag 的座標
位置K 值預設為 4
圖 27LANDMARC 定位的流程圖
19
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
優點
1 定位速度快
缺點
1 不容易建置且硬體建置成本不低
2 區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變所以當環境中出現障礙物時會改變原本
參考點的訊號強弱值
20
26 Area Localization Scheme (ALS) method 表格 24 整理出 Area Localization Scheme (ALS) 定位方法的資料其最大
的優點在於定位速度快與使用比較少量的參考點
表格 24ALS 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 少
參考點建置 有(數個)
額外硬體 參考點需可動態調整傳輸功率大小傳送訊號
建置成本 低
簡介
An Area Localization Scheme for Large Wireless Sensor Networks Vehicular
Technology Conference[5]的論文提出一種新的區域型定位方法以往的區域型定
位先是建置好固定不動的感測點且設定好座標位置來當作參考點接著判斷
要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點的位置(或靠近哪一
群參考點以那一群參考點的重心位置[6])當作定位資訊
而此篇論文提出的方法 Area Localization Scheme (ALS)則是一種改良後的
區域型定位和[6]相比使用相同數量的參考點卻可以達到更精確的定位效
果
21
建置環境
圖 28建置環境(圖片引用[5])
圖 28 表示一間室內的天花板四個角落各放置一個 Reference node綠色
圖示表示一般未知座標資訊的 Sensor node紫色則是一個具有計算能力的
Sensor
22
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 25ALS 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference node 已知 中 低 無 可動態調整
傳輸功率大
小傳送訊號
Sensor node 未知 無 中 可移動 無
Sink node 無 高 高 無 無
定位方法
圖 29ALS scheme with naming(圖片引用[5])
圖 29 中每一個圓形區域表示該 Reference node 發射訊號的功率範圍(EX
區域代碼 1000 表示 Reference node A 以較小的功率發設 1000 訊號區域代碼
23
20002200 表示 Reference node A 以較大的功率發設 2000 訊號)
四個 Reference node 根據自己的兩種發射功率(每個 Reference node 可以用超
過 2 種以上不同的發射功率來傳送訊號這邊僅以 2 種功率來說明)可以各自
切出 2 個圓形區域並互相交集產生 13 個不同的區域實際上交集產生的區域
可能更多但是有些區域面積太小所以就忽略該區域Sink node 負責紀錄每
一個交集區域的重心座標以及該區域的代碼重心座標的產生可以由人為定
義或是先交由其它的電腦先行計算出來
圖 210Sensor node 處理資料的流程
Sensor node 要進行定位前在自己的記憶體中產生 4 個變數LALB
LCLD四個 Reference node 依照自己的固定頻率來廣播訊號比如說在 T1 時
Reference node D 以較大的功率廣播字串rdquo0002rdquo在 T2 時 Reference node D 以較
小的功率廣播字串rdquo0001rdquo 在 T3 時 Reference node C 以較小的功率廣播字
串rdquo0010rdquo在 T4 時 Reference node C 以較大的功率廣播字串rdquo0020rdquohellip
24
Sensor node F 於 T1 收到rdquo0002rdquo設定 LD = 2
Sensor node F 於 T2 收到rdquo0001rdquo因為新的 LD 值比舊的值小所以設定 LD = 1
Sensor node F 於 T3 收不到rdquo0010rdquo
Sensor node F 於 T4 收到rdquo0020rdquo設定 LC = 2
經過一段時間之後Sensor node F 之 LALBLCLD 的值為 0021
下面的表格顯示 T1 ~ TnSensor node F 之 LALBLCLD 的值的狀態
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值
LA LB LC LD
T1 0 0 0 2
T2 0 0 0 1
T3 0 0 0 1
T4 0 0 2 1
Tn 0 0 2 1
圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink node(圖片引用[5])
25
最後 Sensor node F 將 0021 這個代碼傳送到 Sink node 查詢座標資訊
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
The number of transmitted power levels
The transmitted power at each level
優點
1 容易建置且硬體建置成本較低
2 定位速度快
3 訊息交換量較少
缺點
1 如果 Sensor node 移動的速度較快時其定位誤差勢必擴大
2 此區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變但地圖卻沒有更著動態改變
26
27 Approximation PIT Test (APIT) method 表格 271APIT 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 大區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 很慢
靜態定位精確度 普通
動態定位精確度 很差
訊息交換量 很多
參考點建置 有(大量)
額外硬體 參考點能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
簡介
Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks [1]論文的
方法是一種很有創意且不需要額外硬體設備的定位技術首先在環境中亂數
佈建已知座標位置的感測點接著這些感測點以三個點為一組形成一個三角形
所以環境中若佈建了 30 個感測點就會形成 4060 個不同的三角形區域
接著當一個要被計算定位的感測點 A 進入了環境當中利用數學上點與三
角形的特性(1)可以來判斷感測點 A 於 4060 個三角形區域中在哪些三角形
的裡面與外面把那些感測點 A 存在於三角形區域中的所有三角型留下來並
找出最大面積交集的區域此區域的重心位置就是感測點 A 的定位座標位置
圖 271 表示了整個定位的流程
缺點就是定位過程中訊息的交換量很大且定位的時間需要很久動態環
境中的定位精確度很差
27
定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 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Page 8
6
List of Figures
圖 11Wii 內建三軸加速計helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7 圖 12三星推出內建動作感應辨識功能的 SGH-E758helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8 圖 21AOA 定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12 圖 22DOA 定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13 圖 23TDOA 單一雙曲線定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14 圖 24TDOA 多組雙曲線定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14 圖 25RSS 定位示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15 圖 26LANDMARC 定位的環境helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17 圖 27LANDMARC 定位的流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18 圖 28建置環境helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21 圖 29ALS scheme with naminghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22 圖 210Sensor node 處理資料的流程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip23 圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink nodehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24 圖 212APIT 的定位流程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27 圖 31H48C 的腳位定義helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32 圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36 圖 33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2helliphellip36 圖 34H48C 裝在 Boe-Bot 自走車上helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37 圖 41實驗環境helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39 圖 42圓形區域的範圍Boe-Bot 自走車是無法進入的區域helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39 圖 43自走車的移動路徑helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41 圖 44自走車的速度helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41 圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42 圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42 圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphellip43 圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比helliphelliphellip44 圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45 圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46 圖 411自走車定位的程式介面helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47 圖 412Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48 圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖helliphelliphelliphelliphellip59 圖 414Boe-Bot 自走車 65cm 實驗的實際移動路線helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50 圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip51
7
第一章
簡介
11 多軸向動作感應系統的技術與應用
多軸動作感應技術已經不是很新奇的技術很多年之前雙軸向動作感應器
已經被廣泛應用在汽車電子領域中而三軸向動作感應器則是已經應用在高階筆
記型電腦作為硬碟防震與資料保護的作用
在目前熱門的次世代主機中三軸感應技術就分別做為 Wii 與 PS3 這兩台主
機的控制應用方式提供了玩家更為多樣化的操控方式除此之外作為狀態識
別也是此類動作感應技術的主流發展方向比如說目前就已經有多家廠商研究在
手機之中加入動作感應技術並藉由解讀使用者的動作來進行不同功能的實現
藉由特定動作來下達各種不同的指令這項功能的加入也可望為讓陷入停滯的
手機發展帶來不同的想像空間以及市場客群圖 11 是 Wii 遊戲主機的控制器
可以偵測傾斜加速等動作
圖 11Wii 內建三軸加速計（資料來源任天堂）
8
圖 12三星推出內建動作感應辨識功能的 SGH-E758（資料來源三星）
圖 12 的三星手機把手機變成可以手搖的遊戲機只要開啟動作感應選項使
用者不僅能玩遊戲就連音樂播放選項也可以把手機搖來搖去來操控
12 多樣化的應用模式
動作感應技術除了作為輸入指令的一種控制方式以外國外也有使用動作感
應技術來識別產品使用者的身份其理論為每個人的走路方式與步伐節奏都各有
不同甚至可以如同指紋一般具有獨特姓因此使用內建此技術的產品時（例如
說手機）只要硬體偵測到特定時期的步伐動作有所改變便會自動鎖定避免
被非法使用雖然開發者可能沒想到萬一腳受傷或者是路況改變可能會帶來的麻
煩不過動作感應來作為安全管理的概念若是能夠發揚光大那會是相當有趣的
一件事
除了以上這些已經或將來會出現的應用以外動作感應技術也被普遍使用於
商業醫療設備以及安全管理等不同的領域而在技術提供廠商方面競爭也顯
得相當激烈除了 ADIFreescale 以及 STMicroelectronics 等知名大廠以外Bosch
SensortecKionixHitachiMetalsOkiElectric 等公司也都相繼投入這塊市場
2006 年在市場上已經有超過 10 家公司提供具備動作感應技術的晶片產品動作
感應元件一時之間變成了兵家的必爭之地
9
13 常見的運動狀態
一些較細微動作的測量範圍只是加速度在 -1g 到 +1g 之間的傾斜測量
然而有一些小的手部動作比如滑鼠移動至少需要 2g 的加速度而更大的
動作例如一個人在講話時揮動手臂可能需要 3g 或更高的加速度當人作出
任何一個突發動作時比如晃動拳頭會導致加速度迅速變化可能需要 4g 甚
至更高的加速度所以讓硬體應該能夠適應所有這些動作的需求才能夠識別多
種動作模式的差別
14 典型的應用
1 墜落監測
2 電子羅盤
3 遊戲控制器
4 圖像穩定性
5 硬碟保護
6 3C產品螢幕顯示應用
7 計步器
8 機器人技術
9 防盜設備
10 地震監控
11 軸承磨損監控
12 定位推測 (本篇論文主題)
本篇論文主要的研究方向在於研究目前現有加速度計的硬體技術與室內
定位技術的整合應用找出適合用來定位的硬體與其相關的演算法技術
10
15 研究動機
室內定位技術於未來的市場應用中有著很多不同的想像空間如資產管
理人員安全管理疾病交叉感染分析軍事行動室內消防救災等應用如果
能發展出有效率且高精確度低建置成本的定位系統必定可以於上述的應用中
廣泛的被使用替未來的生活增加更多可用的資訊與便利性
目前大部分的室內定位技術大多為模擬的實驗為主像[1-6]等的論文研究
都是以模擬實驗為主雖然其模擬實驗的結果還可以但是實際上要把該研究佈
建於生活環境中時都有很大的實做限制本論文提出使用加速度計資訊的方法
Indoor Localization Using Accelerometer Information 簡稱(ILAI)於模擬實驗中有
很好的定位精確度雖然實際的硬體實驗與模擬實驗之間的精確度有落差但於
實際環境中的佈建使用並沒有太多的限制
16 論文架構
第二章會簡介幾種常見的 Range Base[14151618]和 Range Free[78910]方
法的定位技術及其優缺點第三章為本論文的系統架構第四章是模擬和硬體
實驗的結果最後是結論與未來的研究目標
11
第二章
相關研究
21 定位技術概述
無線定位技術和方法很多常用的定位技術包括紅外線[3]超音波[23]射
頻訊號時間[19]或訊號強弱[111213]等但都不適合室內定位紅外線只適合短
距離傳播而且容易被螢光燈或者房間內的燈光干擾在精確定位上有局限性
超聲波受多徑效應和非視距傳播影響很大不能用於室內環境而射頻訊號普遍
用在室外定位系統中應用於室內定位存在有很大的局限因素
GPS 是目前應用最為廣泛的室外定位技術[18]它是 1970 年代初美國基於
軍事目的開發的衛星導航定位系統其運作原理以 GPS 接收器藉由接收軌道上
運行之衛星訊號計算接收時間與衛星發出訊號之時間差以此時間差推算出距
離再以三角定位法對行動終端進行定位運算一般用於車輛導航和手持設備
定位精度範圍在 5m-20m
當前比較流行的 Wi-Fi 定位是 IEEE80211 的一種定位解決方案目前應用
於小範圍的室內定位成本較低但 Wi-Fi 收發器覆蓋的半徑區域不大而且很
容易受到其他訊號的干擾進而影響定位的精確度最差的地方就是行動終端的
電源能耗較高
隨著定位技術的發展和定位服務需求的不斷增加無線定位技術必須克服現
有技術的缺點滿足以下幾個條件a)高抗干擾能力b)高精確度定位c)低生
產成本d)低運營成本e)高安全性f)低能耗及低發射功率g)小的收發器體
積目前現有的技術都不可能完全滿足這些要求
於定位技術的領域中大致分成Range Base和Range Free兩類所謂的Range
Base 即是在感測器中加入可以精準定位的硬體設備[24]該設備通常價格昂貴
12
電源能耗大如 GPS 接收器反之 Range Free 即為使用感測器上基本的硬體元
件並搭配使用一些演算法來計算定位座標
表格 21Range Base 和 Range Free 的比較
方法 硬體成本 能源消耗 定位精確度
Range Base 高 高 高
Range Free 低 低 低
底下的內容將介紹說明目前常見的定位技術222324 為 Range Base
的方法252627 為 Range Free 的方法
22 Angle of Arrival (AOA) method 測量訊號的到達角度(Angle Of Arrive簡稱 AOA)是一種常用的定位技術
[14]這種方法需要在基地站採用專門的天線排列陣列來測量特定訊號的來源方
向對於一個基地站來講AOA 測量可以得出特定移動終端的所在方向當兩
個基地站同時測量同一移動終端所發出的訊號時兩個基地站各自測量 AOA 所
得的方向直線的交點就是移動終端所在的位置由圖 21 可以容易的了解 AOA
利用天線角度的定位方法
基地站
行動終端
Angle
Angle
天線
Directional Antenna
Directional Antenna
圖 21AOA 定位示意圖
13
這種定位方法的原理很簡單但在實際的應用中存在一些難以克服的問題
首先行動終端與基地站的訊號傳輸必須是視線傳輸(LOS)(LOS 為 Line-of-Sight
的縮寫)的非視線傳輸(NLOS)( NLOS 為 Non-Line-of-Sight的縮寫)將會給AOA
定位帶來不可預測的誤差即使是在以 LOS 傳輸為主的情況下射頻訊號的多
徑效應依然會干擾 AOA 的測量其次由於天線設備角解析度的限制AOA 的
測量精度是隨著基地站與移動站之問的距離的增加而不斷減小
23 Time of Arrival (TOA) amp Time Difference of Arrival (TDOA)
TOA 和 TDOA 是利用訊號傳輸時間的定位技術須要讓所有的基地站進行
時間同步隨著可同時監測行動終端的基地台數量愈多定位精確度則愈高
[16]TOA 是以基地台收到的行動終端的時間差來量測與基地台間的距離利用
三角定位的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 22 顯示了 DOA
三角定位的示意圖
基地站
行動終端
Transmit Time
Transmit Time
Transmit Time
圖 22 DOA 定位示意圖
而 TDOA 則是針對 TOA 而改進以各基地台收到的行動終端的時間差來量
測距離使用雙曲線的特性來進行定位計算
14
C
基地站
行動終端
AۑA ᴉB
B
圖 23 TDOA 單一雙曲線定位示意圖
圖 23 中紅色的點是已知座標位置的基地站黃色的點透過訊號傳遞的時
間差計算出和每座基地站的距離並對於其中 2 個基地站畫出一組雙曲線雙
曲線的特性是線上的任一點對於兩焦點的距離差為一定值
基地站
行動終端
圖 24 TDOA 多組雙曲線定位示意圖
圖 24 中兩組雙曲線交集的區域就是行動終端裝置的座標位置
15
24 Received Signal Strength (RSS) method
RSS 是基於訊號傳輸訊號強弱的定位技術不需調整行動終端但必須事先
測量好訊號強度與距離的關係圖[15]RSS 運作原理是利用處於不同位置的多個
基地台同時接收由行動終端發出的訊號分析其訊號強度接著根據訊號強度和
距離的對應關係可以知道行動終端與各個基地台間的距離最後利用三角定位
的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 25 表示利用 RSS 與三角定
位的示意圖
基地站
行動終端
RSS Distance
RSS Distance
RSS Distance
圖 25RSS 定位示意圖
16
25 LANDMARC System (LC) method 表格 22 整理出 LANDMARC System (LC) 定位方法的資料其最大的優點
在於定位速度快
表格 22LANDMARC System 的定位資料
定位種類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 中
參考點建置 有(大量)
額外硬體 RFID Reader 能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
An Indoor Localization Mechanism Using Active RFID Tag[6]這篇論文提出的
方法先在定位的環境中佈建大量 RFID 標籤來當作參考點並紀錄每個參考點
與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱資訊當有新的 RFID 標籤進入定位環境中要
進行定位時該標籤與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱值拿來與參考點的訊號
強弱值比較接著判斷要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點
的位置(或靠近哪一群參考點以那一群參考點的重心位置)當作定位資訊
17
建置環境
圖 26LANDMARC 定位的環境(圖片引用[6])
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 23LANDMARC System 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference Tag 已知 無 無 無 無
Target Tag 未知 無 無 可移動 無
RFID Reader 已知 無 無 無 能計算收到
訊號的訊號
強度
18
定位方法
假設有 N台 RFID Reader 與 M 個 Reference Tag 佈建在環境中每一個
Reference Tag 都有一個訊號強度向量 = (θ1 θ2hellip θn)分別紀錄對應
N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
每一個 Target Tag 都有一個訊號強度向量 = (S1 S2hellipSn)分別紀錄
對應 N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
利用 Euclidian distance 找出哪些 Reference Tag 比較靠近 Target Tag
(21)
公式(21)中 Ej值越小表示該 Reference Tag 越靠近 Target Tag最後找出 K
個最靠近的 Reference Tag計算出這 K 個點的重心座標即是 Target Tag 的座標
位置K 值預設為 4
圖 27LANDMARC 定位的流程圖
19
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
優點
1 定位速度快
缺點
1 不容易建置且硬體建置成本不低
2 區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變所以當環境中出現障礙物時會改變原本
參考點的訊號強弱值
20
26 Area Localization Scheme (ALS) method 表格 24 整理出 Area Localization Scheme (ALS) 定位方法的資料其最大
的優點在於定位速度快與使用比較少量的參考點
表格 24ALS 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 少
參考點建置 有(數個)
額外硬體 參考點需可動態調整傳輸功率大小傳送訊號
建置成本 低
簡介
An Area Localization Scheme for Large Wireless Sensor Networks Vehicular
Technology Conference[5]的論文提出一種新的區域型定位方法以往的區域型定
位先是建置好固定不動的感測點且設定好座標位置來當作參考點接著判斷
要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點的位置(或靠近哪一
群參考點以那一群參考點的重心位置[6])當作定位資訊
而此篇論文提出的方法 Area Localization Scheme (ALS)則是一種改良後的
區域型定位和[6]相比使用相同數量的參考點卻可以達到更精確的定位效
果
21
建置環境
圖 28建置環境(圖片引用[5])
圖 28 表示一間室內的天花板四個角落各放置一個 Reference node綠色
圖示表示一般未知座標資訊的 Sensor node紫色則是一個具有計算能力的
Sensor
22
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 25ALS 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference node 已知 中 低 無 可動態調整
傳輸功率大
小傳送訊號
Sensor node 未知 無 中 可移動 無
Sink node 無 高 高 無 無
定位方法
圖 29ALS scheme with naming(圖片引用[5])
圖 29 中每一個圓形區域表示該 Reference node 發射訊號的功率範圍(EX
區域代碼 1000 表示 Reference node A 以較小的功率發設 1000 訊號區域代碼
23
20002200 表示 Reference node A 以較大的功率發設 2000 訊號)
四個 Reference node 根據自己的兩種發射功率(每個 Reference node 可以用超
過 2 種以上不同的發射功率來傳送訊號這邊僅以 2 種功率來說明)可以各自
切出 2 個圓形區域並互相交集產生 13 個不同的區域實際上交集產生的區域
可能更多但是有些區域面積太小所以就忽略該區域Sink node 負責紀錄每
一個交集區域的重心座標以及該區域的代碼重心座標的產生可以由人為定
義或是先交由其它的電腦先行計算出來
圖 210Sensor node 處理資料的流程
Sensor node 要進行定位前在自己的記憶體中產生 4 個變數LALB
LCLD四個 Reference node 依照自己的固定頻率來廣播訊號比如說在 T1 時
Reference node D 以較大的功率廣播字串rdquo0002rdquo在 T2 時 Reference node D 以較
小的功率廣播字串rdquo0001rdquo 在 T3 時 Reference node C 以較小的功率廣播字
串rdquo0010rdquo在 T4 時 Reference node C 以較大的功率廣播字串rdquo0020rdquohellip
24
Sensor node F 於 T1 收到rdquo0002rdquo設定 LD = 2
Sensor node F 於 T2 收到rdquo0001rdquo因為新的 LD 值比舊的值小所以設定 LD = 1
Sensor node F 於 T3 收不到rdquo0010rdquo
Sensor node F 於 T4 收到rdquo0020rdquo設定 LC = 2
經過一段時間之後Sensor node F 之 LALBLCLD 的值為 0021
下面的表格顯示 T1 ~ TnSensor node F 之 LALBLCLD 的值的狀態
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值
LA LB LC LD
T1 0 0 0 2
T2 0 0 0 1
T3 0 0 0 1
T4 0 0 2 1
Tn 0 0 2 1
圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink node(圖片引用[5])
25
最後 Sensor node F 將 0021 這個代碼傳送到 Sink node 查詢座標資訊
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
The number of transmitted power levels
The transmitted power at each level
優點
1 容易建置且硬體建置成本較低
2 定位速度快
3 訊息交換量較少
缺點
1 如果 Sensor node 移動的速度較快時其定位誤差勢必擴大
2 此區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變但地圖卻沒有更著動態改變
26
27 Approximation PIT Test (APIT) method 表格 271APIT 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 大區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 很慢
靜態定位精確度 普通
動態定位精確度 很差
訊息交換量 很多
參考點建置 有(大量)
額外硬體 參考點能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
簡介
Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks [1]論文的
方法是一種很有創意且不需要額外硬體設備的定位技術首先在環境中亂數
佈建已知座標位置的感測點接著這些感測點以三個點為一組形成一個三角形
所以環境中若佈建了 30 個感測點就會形成 4060 個不同的三角形區域
接著當一個要被計算定位的感測點 A 進入了環境當中利用數學上點與三
角形的特性(1)可以來判斷感測點 A 於 4060 個三角形區域中在哪些三角形
的裡面與外面把那些感測點 A 存在於三角形區域中的所有三角型留下來並
找出最大面積交集的區域此區域的重心位置就是感測點 A 的定位座標位置
圖 271 表示了整個定位的流程
缺點就是定位過程中訊息的交換量很大且定位的時間需要很久動態環
境中的定位精確度很差
27
定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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Sensor Networksrdquo in Proceedings of Infocom pp 1655-1633 2001
58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType 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7
第一章
簡介
11 多軸向動作感應系統的技術與應用
多軸動作感應技術已經不是很新奇的技術很多年之前雙軸向動作感應器
已經被廣泛應用在汽車電子領域中而三軸向動作感應器則是已經應用在高階筆
記型電腦作為硬碟防震與資料保護的作用
在目前熱門的次世代主機中三軸感應技術就分別做為 Wii 與 PS3 這兩台主
機的控制應用方式提供了玩家更為多樣化的操控方式除此之外作為狀態識
別也是此類動作感應技術的主流發展方向比如說目前就已經有多家廠商研究在
手機之中加入動作感應技術並藉由解讀使用者的動作來進行不同功能的實現
藉由特定動作來下達各種不同的指令這項功能的加入也可望為讓陷入停滯的
手機發展帶來不同的想像空間以及市場客群圖 11 是 Wii 遊戲主機的控制器
可以偵測傾斜加速等動作
圖 11Wii 內建三軸加速計（資料來源任天堂）
8
圖 12三星推出內建動作感應辨識功能的 SGH-E758（資料來源三星）
圖 12 的三星手機把手機變成可以手搖的遊戲機只要開啟動作感應選項使
用者不僅能玩遊戲就連音樂播放選項也可以把手機搖來搖去來操控
12 多樣化的應用模式
動作感應技術除了作為輸入指令的一種控制方式以外國外也有使用動作感
應技術來識別產品使用者的身份其理論為每個人的走路方式與步伐節奏都各有
不同甚至可以如同指紋一般具有獨特姓因此使用內建此技術的產品時（例如
說手機）只要硬體偵測到特定時期的步伐動作有所改變便會自動鎖定避免
被非法使用雖然開發者可能沒想到萬一腳受傷或者是路況改變可能會帶來的麻
煩不過動作感應來作為安全管理的概念若是能夠發揚光大那會是相當有趣的
一件事
除了以上這些已經或將來會出現的應用以外動作感應技術也被普遍使用於
商業醫療設備以及安全管理等不同的領域而在技術提供廠商方面競爭也顯
得相當激烈除了 ADIFreescale 以及 STMicroelectronics 等知名大廠以外Bosch
SensortecKionixHitachiMetalsOkiElectric 等公司也都相繼投入這塊市場
2006 年在市場上已經有超過 10 家公司提供具備動作感應技術的晶片產品動作
感應元件一時之間變成了兵家的必爭之地
9
13 常見的運動狀態
一些較細微動作的測量範圍只是加速度在 -1g 到 +1g 之間的傾斜測量
然而有一些小的手部動作比如滑鼠移動至少需要 2g 的加速度而更大的
動作例如一個人在講話時揮動手臂可能需要 3g 或更高的加速度當人作出
任何一個突發動作時比如晃動拳頭會導致加速度迅速變化可能需要 4g 甚
至更高的加速度所以讓硬體應該能夠適應所有這些動作的需求才能夠識別多
種動作模式的差別
14 典型的應用
1 墜落監測
2 電子羅盤
3 遊戲控制器
4 圖像穩定性
5 硬碟保護
6 3C產品螢幕顯示應用
7 計步器
8 機器人技術
9 防盜設備
10 地震監控
11 軸承磨損監控
12 定位推測 (本篇論文主題)
本篇論文主要的研究方向在於研究目前現有加速度計的硬體技術與室內
定位技術的整合應用找出適合用來定位的硬體與其相關的演算法技術
10
15 研究動機
室內定位技術於未來的市場應用中有著很多不同的想像空間如資產管
理人員安全管理疾病交叉感染分析軍事行動室內消防救災等應用如果
能發展出有效率且高精確度低建置成本的定位系統必定可以於上述的應用中
廣泛的被使用替未來的生活增加更多可用的資訊與便利性
目前大部分的室內定位技術大多為模擬的實驗為主像[1-6]等的論文研究
都是以模擬實驗為主雖然其模擬實驗的結果還可以但是實際上要把該研究佈
建於生活環境中時都有很大的實做限制本論文提出使用加速度計資訊的方法
Indoor Localization Using Accelerometer Information 簡稱(ILAI)於模擬實驗中有
很好的定位精確度雖然實際的硬體實驗與模擬實驗之間的精確度有落差但於
實際環境中的佈建使用並沒有太多的限制
16 論文架構
第二章會簡介幾種常見的 Range Base[14151618]和 Range Free[78910]方
法的定位技術及其優缺點第三章為本論文的系統架構第四章是模擬和硬體
實驗的結果最後是結論與未來的研究目標
11
第二章
相關研究
21 定位技術概述
無線定位技術和方法很多常用的定位技術包括紅外線[3]超音波[23]射
頻訊號時間[19]或訊號強弱[111213]等但都不適合室內定位紅外線只適合短
距離傳播而且容易被螢光燈或者房間內的燈光干擾在精確定位上有局限性
超聲波受多徑效應和非視距傳播影響很大不能用於室內環境而射頻訊號普遍
用在室外定位系統中應用於室內定位存在有很大的局限因素
GPS 是目前應用最為廣泛的室外定位技術[18]它是 1970 年代初美國基於
軍事目的開發的衛星導航定位系統其運作原理以 GPS 接收器藉由接收軌道上
運行之衛星訊號計算接收時間與衛星發出訊號之時間差以此時間差推算出距
離再以三角定位法對行動終端進行定位運算一般用於車輛導航和手持設備
定位精度範圍在 5m-20m
當前比較流行的 Wi-Fi 定位是 IEEE80211 的一種定位解決方案目前應用
於小範圍的室內定位成本較低但 Wi-Fi 收發器覆蓋的半徑區域不大而且很
容易受到其他訊號的干擾進而影響定位的精確度最差的地方就是行動終端的
電源能耗較高
隨著定位技術的發展和定位服務需求的不斷增加無線定位技術必須克服現
有技術的缺點滿足以下幾個條件a)高抗干擾能力b)高精確度定位c)低生
產成本d)低運營成本e)高安全性f)低能耗及低發射功率g)小的收發器體
積目前現有的技術都不可能完全滿足這些要求
於定位技術的領域中大致分成Range Base和Range Free兩類所謂的Range
Base 即是在感測器中加入可以精準定位的硬體設備[24]該設備通常價格昂貴
12
電源能耗大如 GPS 接收器反之 Range Free 即為使用感測器上基本的硬體元
件並搭配使用一些演算法來計算定位座標
表格 21Range Base 和 Range Free 的比較
方法 硬體成本 能源消耗 定位精確度
Range Base 高 高 高
Range Free 低 低 低
底下的內容將介紹說明目前常見的定位技術222324 為 Range Base
的方法252627 為 Range Free 的方法
22 Angle of Arrival (AOA) method 測量訊號的到達角度(Angle Of Arrive簡稱 AOA)是一種常用的定位技術
[14]這種方法需要在基地站採用專門的天線排列陣列來測量特定訊號的來源方
向對於一個基地站來講AOA 測量可以得出特定移動終端的所在方向當兩
個基地站同時測量同一移動終端所發出的訊號時兩個基地站各自測量 AOA 所
得的方向直線的交點就是移動終端所在的位置由圖 21 可以容易的了解 AOA
利用天線角度的定位方法
基地站
行動終端
Angle
Angle
天線
Directional Antenna
Directional Antenna
圖 21AOA 定位示意圖
13
這種定位方法的原理很簡單但在實際的應用中存在一些難以克服的問題
首先行動終端與基地站的訊號傳輸必須是視線傳輸(LOS)(LOS 為 Line-of-Sight
的縮寫)的非視線傳輸(NLOS)( NLOS 為 Non-Line-of-Sight的縮寫)將會給AOA
定位帶來不可預測的誤差即使是在以 LOS 傳輸為主的情況下射頻訊號的多
徑效應依然會干擾 AOA 的測量其次由於天線設備角解析度的限制AOA 的
測量精度是隨著基地站與移動站之問的距離的增加而不斷減小
23 Time of Arrival (TOA) amp Time Difference of Arrival (TDOA)
TOA 和 TDOA 是利用訊號傳輸時間的定位技術須要讓所有的基地站進行
時間同步隨著可同時監測行動終端的基地台數量愈多定位精確度則愈高
[16]TOA 是以基地台收到的行動終端的時間差來量測與基地台間的距離利用
三角定位的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 22 顯示了 DOA
三角定位的示意圖
基地站
行動終端
Transmit Time
Transmit Time
Transmit Time
圖 22 DOA 定位示意圖
而 TDOA 則是針對 TOA 而改進以各基地台收到的行動終端的時間差來量
測距離使用雙曲線的特性來進行定位計算
14
C
基地站
行動終端
AۑA ᴉB
B
圖 23 TDOA 單一雙曲線定位示意圖
圖 23 中紅色的點是已知座標位置的基地站黃色的點透過訊號傳遞的時
間差計算出和每座基地站的距離並對於其中 2 個基地站畫出一組雙曲線雙
曲線的特性是線上的任一點對於兩焦點的距離差為一定值
基地站
行動終端
圖 24 TDOA 多組雙曲線定位示意圖
圖 24 中兩組雙曲線交集的區域就是行動終端裝置的座標位置
15
24 Received Signal Strength (RSS) method
RSS 是基於訊號傳輸訊號強弱的定位技術不需調整行動終端但必須事先
測量好訊號強度與距離的關係圖[15]RSS 運作原理是利用處於不同位置的多個
基地台同時接收由行動終端發出的訊號分析其訊號強度接著根據訊號強度和
距離的對應關係可以知道行動終端與各個基地台間的距離最後利用三角定位
的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 25 表示利用 RSS 與三角定
位的示意圖
基地站
行動終端
RSS Distance
RSS Distance
RSS Distance
圖 25RSS 定位示意圖
16
25 LANDMARC System (LC) method 表格 22 整理出 LANDMARC System (LC) 定位方法的資料其最大的優點
在於定位速度快
表格 22LANDMARC System 的定位資料
定位種類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 中
參考點建置 有(大量)
額外硬體 RFID Reader 能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
An Indoor Localization Mechanism Using Active RFID Tag[6]這篇論文提出的
方法先在定位的環境中佈建大量 RFID 標籤來當作參考點並紀錄每個參考點
與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱資訊當有新的 RFID 標籤進入定位環境中要
進行定位時該標籤與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱值拿來與參考點的訊號
強弱值比較接著判斷要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點
的位置(或靠近哪一群參考點以那一群參考點的重心位置)當作定位資訊
17
建置環境
圖 26LANDMARC 定位的環境(圖片引用[6])
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 23LANDMARC System 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference Tag 已知 無 無 無 無
Target Tag 未知 無 無 可移動 無
RFID Reader 已知 無 無 無 能計算收到
訊號的訊號
強度
18
定位方法
假設有 N台 RFID Reader 與 M 個 Reference Tag 佈建在環境中每一個
Reference Tag 都有一個訊號強度向量 = (θ1 θ2hellip θn)分別紀錄對應
N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
每一個 Target Tag 都有一個訊號強度向量 = (S1 S2hellipSn)分別紀錄
對應 N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
利用 Euclidian distance 找出哪些 Reference Tag 比較靠近 Target Tag
(21)
公式(21)中 Ej值越小表示該 Reference Tag 越靠近 Target Tag最後找出 K
個最靠近的 Reference Tag計算出這 K 個點的重心座標即是 Target Tag 的座標
位置K 值預設為 4
圖 27LANDMARC 定位的流程圖
19
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
優點
1 定位速度快
缺點
1 不容易建置且硬體建置成本不低
2 區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變所以當環境中出現障礙物時會改變原本
參考點的訊號強弱值
20
26 Area Localization Scheme (ALS) method 表格 24 整理出 Area Localization Scheme (ALS) 定位方法的資料其最大
的優點在於定位速度快與使用比較少量的參考點
表格 24ALS 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 少
參考點建置 有(數個)
額外硬體 參考點需可動態調整傳輸功率大小傳送訊號
建置成本 低
簡介
An Area Localization Scheme for Large Wireless Sensor Networks Vehicular
Technology Conference[5]的論文提出一種新的區域型定位方法以往的區域型定
位先是建置好固定不動的感測點且設定好座標位置來當作參考點接著判斷
要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點的位置(或靠近哪一
群參考點以那一群參考點的重心位置[6])當作定位資訊
而此篇論文提出的方法 Area Localization Scheme (ALS)則是一種改良後的
區域型定位和[6]相比使用相同數量的參考點卻可以達到更精確的定位效
果
21
建置環境
圖 28建置環境(圖片引用[5])
圖 28 表示一間室內的天花板四個角落各放置一個 Reference node綠色
圖示表示一般未知座標資訊的 Sensor node紫色則是一個具有計算能力的
Sensor
22
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 25ALS 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference node 已知 中 低 無 可動態調整
傳輸功率大
小傳送訊號
Sensor node 未知 無 中 可移動 無
Sink node 無 高 高 無 無
定位方法
圖 29ALS scheme with naming(圖片引用[5])
圖 29 中每一個圓形區域表示該 Reference node 發射訊號的功率範圍(EX
區域代碼 1000 表示 Reference node A 以較小的功率發設 1000 訊號區域代碼
23
20002200 表示 Reference node A 以較大的功率發設 2000 訊號)
四個 Reference node 根據自己的兩種發射功率(每個 Reference node 可以用超
過 2 種以上不同的發射功率來傳送訊號這邊僅以 2 種功率來說明)可以各自
切出 2 個圓形區域並互相交集產生 13 個不同的區域實際上交集產生的區域
可能更多但是有些區域面積太小所以就忽略該區域Sink node 負責紀錄每
一個交集區域的重心座標以及該區域的代碼重心座標的產生可以由人為定
義或是先交由其它的電腦先行計算出來
圖 210Sensor node 處理資料的流程
Sensor node 要進行定位前在自己的記憶體中產生 4 個變數LALB
LCLD四個 Reference node 依照自己的固定頻率來廣播訊號比如說在 T1 時
Reference node D 以較大的功率廣播字串rdquo0002rdquo在 T2 時 Reference node D 以較
小的功率廣播字串rdquo0001rdquo 在 T3 時 Reference node C 以較小的功率廣播字
串rdquo0010rdquo在 T4 時 Reference node C 以較大的功率廣播字串rdquo0020rdquohellip
24
Sensor node F 於 T1 收到rdquo0002rdquo設定 LD = 2
Sensor node F 於 T2 收到rdquo0001rdquo因為新的 LD 值比舊的值小所以設定 LD = 1
Sensor node F 於 T3 收不到rdquo0010rdquo
Sensor node F 於 T4 收到rdquo0020rdquo設定 LC = 2
經過一段時間之後Sensor node F 之 LALBLCLD 的值為 0021
下面的表格顯示 T1 ~ TnSensor node F 之 LALBLCLD 的值的狀態
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值
LA LB LC LD
T1 0 0 0 2
T2 0 0 0 1
T3 0 0 0 1
T4 0 0 2 1
Tn 0 0 2 1
圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink node(圖片引用[5])
25
最後 Sensor node F 將 0021 這個代碼傳送到 Sink node 查詢座標資訊
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
The number of transmitted power levels
The transmitted power at each level
優點
1 容易建置且硬體建置成本較低
2 定位速度快
3 訊息交換量較少
缺點
1 如果 Sensor node 移動的速度較快時其定位誤差勢必擴大
2 此區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變但地圖卻沒有更著動態改變
26
27 Approximation PIT Test (APIT) method 表格 271APIT 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 大區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 很慢
靜態定位精確度 普通
動態定位精確度 很差
訊息交換量 很多
參考點建置 有(大量)
額外硬體 參考點能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
簡介
Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks [1]論文的
方法是一種很有創意且不需要額外硬體設備的定位技術首先在環境中亂數
佈建已知座標位置的感測點接著這些感測點以三個點為一組形成一個三角形
所以環境中若佈建了 30 個感測點就會形成 4060 個不同的三角形區域
接著當一個要被計算定位的感測點 A 進入了環境當中利用數學上點與三
角形的特性(1)可以來判斷感測點 A 於 4060 個三角形區域中在哪些三角形
的裡面與外面把那些感測點 A 存在於三角形區域中的所有三角型留下來並
找出最大面積交集的區域此區域的重心位置就是感測點 A 的定位座標位置
圖 271 表示了整個定位的流程
缺點就是定位過程中訊息的交換量很大且定位的時間需要很久動態環
境中的定位精確度很差
27
定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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Sensor Networksrdquo in Proceedings of Infocom pp 1655-1633 2001
58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 BGR 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 CHS 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 UKR 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Page 10
8
圖 12三星推出內建動作感應辨識功能的 SGH-E758（資料來源三星）
圖 12 的三星手機把手機變成可以手搖的遊戲機只要開啟動作感應選項使
用者不僅能玩遊戲就連音樂播放選項也可以把手機搖來搖去來操控
12 多樣化的應用模式
動作感應技術除了作為輸入指令的一種控制方式以外國外也有使用動作感
應技術來識別產品使用者的身份其理論為每個人的走路方式與步伐節奏都各有
不同甚至可以如同指紋一般具有獨特姓因此使用內建此技術的產品時（例如
說手機）只要硬體偵測到特定時期的步伐動作有所改變便會自動鎖定避免
被非法使用雖然開發者可能沒想到萬一腳受傷或者是路況改變可能會帶來的麻
煩不過動作感應來作為安全管理的概念若是能夠發揚光大那會是相當有趣的
一件事
除了以上這些已經或將來會出現的應用以外動作感應技術也被普遍使用於
商業醫療設備以及安全管理等不同的領域而在技術提供廠商方面競爭也顯
得相當激烈除了 ADIFreescale 以及 STMicroelectronics 等知名大廠以外Bosch
SensortecKionixHitachiMetalsOkiElectric 等公司也都相繼投入這塊市場
2006 年在市場上已經有超過 10 家公司提供具備動作感應技術的晶片產品動作
感應元件一時之間變成了兵家的必爭之地
9
13 常見的運動狀態
一些較細微動作的測量範圍只是加速度在 -1g 到 +1g 之間的傾斜測量
然而有一些小的手部動作比如滑鼠移動至少需要 2g 的加速度而更大的
動作例如一個人在講話時揮動手臂可能需要 3g 或更高的加速度當人作出
任何一個突發動作時比如晃動拳頭會導致加速度迅速變化可能需要 4g 甚
至更高的加速度所以讓硬體應該能夠適應所有這些動作的需求才能夠識別多
種動作模式的差別
14 典型的應用
1 墜落監測
2 電子羅盤
3 遊戲控制器
4 圖像穩定性
5 硬碟保護
6 3C產品螢幕顯示應用
7 計步器
8 機器人技術
9 防盜設備
10 地震監控
11 軸承磨損監控
12 定位推測 (本篇論文主題)
本篇論文主要的研究方向在於研究目前現有加速度計的硬體技術與室內
定位技術的整合應用找出適合用來定位的硬體與其相關的演算法技術
10
15 研究動機
室內定位技術於未來的市場應用中有著很多不同的想像空間如資產管
理人員安全管理疾病交叉感染分析軍事行動室內消防救災等應用如果
能發展出有效率且高精確度低建置成本的定位系統必定可以於上述的應用中
廣泛的被使用替未來的生活增加更多可用的資訊與便利性
目前大部分的室內定位技術大多為模擬的實驗為主像[1-6]等的論文研究
都是以模擬實驗為主雖然其模擬實驗的結果還可以但是實際上要把該研究佈
建於生活環境中時都有很大的實做限制本論文提出使用加速度計資訊的方法
Indoor Localization Using Accelerometer Information 簡稱(ILAI)於模擬實驗中有
很好的定位精確度雖然實際的硬體實驗與模擬實驗之間的精確度有落差但於
實際環境中的佈建使用並沒有太多的限制
16 論文架構
第二章會簡介幾種常見的 Range Base[14151618]和 Range Free[78910]方
法的定位技術及其優缺點第三章為本論文的系統架構第四章是模擬和硬體
實驗的結果最後是結論與未來的研究目標
11
第二章
相關研究
21 定位技術概述
無線定位技術和方法很多常用的定位技術包括紅外線[3]超音波[23]射
頻訊號時間[19]或訊號強弱[111213]等但都不適合室內定位紅外線只適合短
距離傳播而且容易被螢光燈或者房間內的燈光干擾在精確定位上有局限性
超聲波受多徑效應和非視距傳播影響很大不能用於室內環境而射頻訊號普遍
用在室外定位系統中應用於室內定位存在有很大的局限因素
GPS 是目前應用最為廣泛的室外定位技術[18]它是 1970 年代初美國基於
軍事目的開發的衛星導航定位系統其運作原理以 GPS 接收器藉由接收軌道上
運行之衛星訊號計算接收時間與衛星發出訊號之時間差以此時間差推算出距
離再以三角定位法對行動終端進行定位運算一般用於車輛導航和手持設備
定位精度範圍在 5m-20m
當前比較流行的 Wi-Fi 定位是 IEEE80211 的一種定位解決方案目前應用
於小範圍的室內定位成本較低但 Wi-Fi 收發器覆蓋的半徑區域不大而且很
容易受到其他訊號的干擾進而影響定位的精確度最差的地方就是行動終端的
電源能耗較高
隨著定位技術的發展和定位服務需求的不斷增加無線定位技術必須克服現
有技術的缺點滿足以下幾個條件a)高抗干擾能力b)高精確度定位c)低生
產成本d)低運營成本e)高安全性f)低能耗及低發射功率g)小的收發器體
積目前現有的技術都不可能完全滿足這些要求
於定位技術的領域中大致分成Range Base和Range Free兩類所謂的Range
Base 即是在感測器中加入可以精準定位的硬體設備[24]該設備通常價格昂貴
12
電源能耗大如 GPS 接收器反之 Range Free 即為使用感測器上基本的硬體元
件並搭配使用一些演算法來計算定位座標
表格 21Range Base 和 Range Free 的比較
方法 硬體成本 能源消耗 定位精確度
Range Base 高 高 高
Range Free 低 低 低
底下的內容將介紹說明目前常見的定位技術222324 為 Range Base
的方法252627 為 Range Free 的方法
22 Angle of Arrival (AOA) method 測量訊號的到達角度(Angle Of Arrive簡稱 AOA)是一種常用的定位技術
[14]這種方法需要在基地站採用專門的天線排列陣列來測量特定訊號的來源方
向對於一個基地站來講AOA 測量可以得出特定移動終端的所在方向當兩
個基地站同時測量同一移動終端所發出的訊號時兩個基地站各自測量 AOA 所
得的方向直線的交點就是移動終端所在的位置由圖 21 可以容易的了解 AOA
利用天線角度的定位方法
基地站
行動終端
Angle
Angle
天線
Directional Antenna
Directional Antenna
圖 21AOA 定位示意圖
13
這種定位方法的原理很簡單但在實際的應用中存在一些難以克服的問題
首先行動終端與基地站的訊號傳輸必須是視線傳輸(LOS)(LOS 為 Line-of-Sight
的縮寫)的非視線傳輸(NLOS)( NLOS 為 Non-Line-of-Sight的縮寫)將會給AOA
定位帶來不可預測的誤差即使是在以 LOS 傳輸為主的情況下射頻訊號的多
徑效應依然會干擾 AOA 的測量其次由於天線設備角解析度的限制AOA 的
測量精度是隨著基地站與移動站之問的距離的增加而不斷減小
23 Time of Arrival (TOA) amp Time Difference of Arrival (TDOA)
TOA 和 TDOA 是利用訊號傳輸時間的定位技術須要讓所有的基地站進行
時間同步隨著可同時監測行動終端的基地台數量愈多定位精確度則愈高
[16]TOA 是以基地台收到的行動終端的時間差來量測與基地台間的距離利用
三角定位的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 22 顯示了 DOA
三角定位的示意圖
基地站
行動終端
Transmit Time
Transmit Time
Transmit Time
圖 22 DOA 定位示意圖
而 TDOA 則是針對 TOA 而改進以各基地台收到的行動終端的時間差來量
測距離使用雙曲線的特性來進行定位計算
14
C
基地站
行動終端
AۑA ᴉB
B
圖 23 TDOA 單一雙曲線定位示意圖
圖 23 中紅色的點是已知座標位置的基地站黃色的點透過訊號傳遞的時
間差計算出和每座基地站的距離並對於其中 2 個基地站畫出一組雙曲線雙
曲線的特性是線上的任一點對於兩焦點的距離差為一定值
基地站
行動終端
圖 24 TDOA 多組雙曲線定位示意圖
圖 24 中兩組雙曲線交集的區域就是行動終端裝置的座標位置
15
24 Received Signal Strength (RSS) method
RSS 是基於訊號傳輸訊號強弱的定位技術不需調整行動終端但必須事先
測量好訊號強度與距離的關係圖[15]RSS 運作原理是利用處於不同位置的多個
基地台同時接收由行動終端發出的訊號分析其訊號強度接著根據訊號強度和
距離的對應關係可以知道行動終端與各個基地台間的距離最後利用三角定位
的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 25 表示利用 RSS 與三角定
位的示意圖
基地站
行動終端
RSS Distance
RSS Distance
RSS Distance
圖 25RSS 定位示意圖
16
25 LANDMARC System (LC) method 表格 22 整理出 LANDMARC System (LC) 定位方法的資料其最大的優點
在於定位速度快
表格 22LANDMARC System 的定位資料
定位種類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 中
參考點建置 有(大量)
額外硬體 RFID Reader 能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
An Indoor Localization Mechanism Using Active RFID Tag[6]這篇論文提出的
方法先在定位的環境中佈建大量 RFID 標籤來當作參考點並紀錄每個參考點
與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱資訊當有新的 RFID 標籤進入定位環境中要
進行定位時該標籤與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱值拿來與參考點的訊號
強弱值比較接著判斷要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點
的位置(或靠近哪一群參考點以那一群參考點的重心位置)當作定位資訊
17
建置環境
圖 26LANDMARC 定位的環境(圖片引用[6])
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 23LANDMARC System 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference Tag 已知 無 無 無 無
Target Tag 未知 無 無 可移動 無
RFID Reader 已知 無 無 無 能計算收到
訊號的訊號
強度
18
定位方法
假設有 N台 RFID Reader 與 M 個 Reference Tag 佈建在環境中每一個
Reference Tag 都有一個訊號強度向量 = (θ1 θ2hellip θn)分別紀錄對應
N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
每一個 Target Tag 都有一個訊號強度向量 = (S1 S2hellipSn)分別紀錄
對應 N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
利用 Euclidian distance 找出哪些 Reference Tag 比較靠近 Target Tag
(21)
公式(21)中 Ej值越小表示該 Reference Tag 越靠近 Target Tag最後找出 K
個最靠近的 Reference Tag計算出這 K 個點的重心座標即是 Target Tag 的座標
位置K 值預設為 4
圖 27LANDMARC 定位的流程圖
19
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
優點
1 定位速度快
缺點
1 不容易建置且硬體建置成本不低
2 區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變所以當環境中出現障礙物時會改變原本
參考點的訊號強弱值
20
26 Area Localization Scheme (ALS) method 表格 24 整理出 Area Localization Scheme (ALS) 定位方法的資料其最大
的優點在於定位速度快與使用比較少量的參考點
表格 24ALS 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 少
參考點建置 有(數個)
額外硬體 參考點需可動態調整傳輸功率大小傳送訊號
建置成本 低
簡介
An Area Localization Scheme for Large Wireless Sensor Networks Vehicular
Technology Conference[5]的論文提出一種新的區域型定位方法以往的區域型定
位先是建置好固定不動的感測點且設定好座標位置來當作參考點接著判斷
要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點的位置(或靠近哪一
群參考點以那一群參考點的重心位置[6])當作定位資訊
而此篇論文提出的方法 Area Localization Scheme (ALS)則是一種改良後的
區域型定位和[6]相比使用相同數量的參考點卻可以達到更精確的定位效
果
21
建置環境
圖 28建置環境(圖片引用[5])
圖 28 表示一間室內的天花板四個角落各放置一個 Reference node綠色
圖示表示一般未知座標資訊的 Sensor node紫色則是一個具有計算能力的
Sensor
22
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 25ALS 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference node 已知 中 低 無 可動態調整
傳輸功率大
小傳送訊號
Sensor node 未知 無 中 可移動 無
Sink node 無 高 高 無 無
定位方法
圖 29ALS scheme with naming(圖片引用[5])
圖 29 中每一個圓形區域表示該 Reference node 發射訊號的功率範圍(EX
區域代碼 1000 表示 Reference node A 以較小的功率發設 1000 訊號區域代碼
23
20002200 表示 Reference node A 以較大的功率發設 2000 訊號)
四個 Reference node 根據自己的兩種發射功率(每個 Reference node 可以用超
過 2 種以上不同的發射功率來傳送訊號這邊僅以 2 種功率來說明)可以各自
切出 2 個圓形區域並互相交集產生 13 個不同的區域實際上交集產生的區域
可能更多但是有些區域面積太小所以就忽略該區域Sink node 負責紀錄每
一個交集區域的重心座標以及該區域的代碼重心座標的產生可以由人為定
義或是先交由其它的電腦先行計算出來
圖 210Sensor node 處理資料的流程
Sensor node 要進行定位前在自己的記憶體中產生 4 個變數LALB
LCLD四個 Reference node 依照自己的固定頻率來廣播訊號比如說在 T1 時
Reference node D 以較大的功率廣播字串rdquo0002rdquo在 T2 時 Reference node D 以較
小的功率廣播字串rdquo0001rdquo 在 T3 時 Reference node C 以較小的功率廣播字
串rdquo0010rdquo在 T4 時 Reference node C 以較大的功率廣播字串rdquo0020rdquohellip
24
Sensor node F 於 T1 收到rdquo0002rdquo設定 LD = 2
Sensor node F 於 T2 收到rdquo0001rdquo因為新的 LD 值比舊的值小所以設定 LD = 1
Sensor node F 於 T3 收不到rdquo0010rdquo
Sensor node F 於 T4 收到rdquo0020rdquo設定 LC = 2
經過一段時間之後Sensor node F 之 LALBLCLD 的值為 0021
下面的表格顯示 T1 ~ TnSensor node F 之 LALBLCLD 的值的狀態
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值
LA LB LC LD
T1 0 0 0 2
T2 0 0 0 1
T3 0 0 0 1
T4 0 0 2 1
Tn 0 0 2 1
圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink node(圖片引用[5])
25
最後 Sensor node F 將 0021 這個代碼傳送到 Sink node 查詢座標資訊
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
The number of transmitted power levels
The transmitted power at each level
優點
1 容易建置且硬體建置成本較低
2 定位速度快
3 訊息交換量較少
缺點
1 如果 Sensor node 移動的速度較快時其定位誤差勢必擴大
2 此區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變但地圖卻沒有更著動態改變
26
27 Approximation PIT Test (APIT) method 表格 271APIT 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 大區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 很慢
靜態定位精確度 普通
動態定位精確度 很差
訊息交換量 很多
參考點建置 有(大量)
額外硬體 參考點能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
簡介
Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks [1]論文的
方法是一種很有創意且不需要額外硬體設備的定位技術首先在環境中亂數
佈建已知座標位置的感測點接著這些感測點以三個點為一組形成一個三角形
所以環境中若佈建了 30 個感測點就會形成 4060 個不同的三角形區域
接著當一個要被計算定位的感測點 A 進入了環境當中利用數學上點與三
角形的特性(1)可以來判斷感測點 A 於 4060 個三角形區域中在哪些三角形
的裡面與外面把那些感測點 A 存在於三角形區域中的所有三角型留下來並
找出最大面積交集的區域此區域的重心位置就是感測點 A 的定位座標位置
圖 271 表示了整個定位的流程
缺點就是定位過程中訊息的交換量很大且定位的時間需要很久動態環
境中的定位精確度很差
27
定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 BGR 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ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE 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 UKR 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can be opened with Acrobat and Adobe Reader 50 and later) gtgt Namespace [ (Adobe) (Common) (10) ] OtherNamespaces [ ltlt AsReaderSpreads false CropImagesToFrames true ErrorControl WarnAndContinue FlattenerIgnoreSpreadOverrides false IncludeGuidesGrids false IncludeNonPrinting false IncludeSlug false Namespace [ (Adobe) (InDesign) (40) ] OmitPlacedBitmaps false OmitPlacedEPS false OmitPlacedPDF false SimulateOverprint Legacy gtgt ltlt AddBleedMarks false AddColorBars false AddCropMarks false AddPageInfo false AddRegMarks false ConvertColors ConvertToCMYK DestinationProfileName () DestinationProfileSelector DocumentCMYK Downsample16BitImages true FlattenerPreset ltlt PresetSelector MediumResolution gtgt FormElements false GenerateStructure false IncludeBookmarks false IncludeHyperlinks false IncludeInteractive false IncludeLayers false IncludeProfiles false MultimediaHandling UseObjectSettings Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (20) ] PDFXOutputIntentProfileSelector DocumentCMYK 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Page 11
9
13 常見的運動狀態
一些較細微動作的測量範圍只是加速度在 -1g 到 +1g 之間的傾斜測量
然而有一些小的手部動作比如滑鼠移動至少需要 2g 的加速度而更大的
動作例如一個人在講話時揮動手臂可能需要 3g 或更高的加速度當人作出
任何一個突發動作時比如晃動拳頭會導致加速度迅速變化可能需要 4g 甚
至更高的加速度所以讓硬體應該能夠適應所有這些動作的需求才能夠識別多
種動作模式的差別
14 典型的應用
1 墜落監測
2 電子羅盤
3 遊戲控制器
4 圖像穩定性
5 硬碟保護
6 3C產品螢幕顯示應用
7 計步器
8 機器人技術
9 防盜設備
10 地震監控
11 軸承磨損監控
12 定位推測 (本篇論文主題)
本篇論文主要的研究方向在於研究目前現有加速度計的硬體技術與室內
定位技術的整合應用找出適合用來定位的硬體與其相關的演算法技術
10
15 研究動機
室內定位技術於未來的市場應用中有著很多不同的想像空間如資產管
理人員安全管理疾病交叉感染分析軍事行動室內消防救災等應用如果
能發展出有效率且高精確度低建置成本的定位系統必定可以於上述的應用中
廣泛的被使用替未來的生活增加更多可用的資訊與便利性
目前大部分的室內定位技術大多為模擬的實驗為主像[1-6]等的論文研究
都是以模擬實驗為主雖然其模擬實驗的結果還可以但是實際上要把該研究佈
建於生活環境中時都有很大的實做限制本論文提出使用加速度計資訊的方法
Indoor Localization Using Accelerometer Information 簡稱(ILAI)於模擬實驗中有
很好的定位精確度雖然實際的硬體實驗與模擬實驗之間的精確度有落差但於
實際環境中的佈建使用並沒有太多的限制
16 論文架構
第二章會簡介幾種常見的 Range Base[14151618]和 Range Free[78910]方
法的定位技術及其優缺點第三章為本論文的系統架構第四章是模擬和硬體
實驗的結果最後是結論與未來的研究目標
11
第二章
相關研究
21 定位技術概述
無線定位技術和方法很多常用的定位技術包括紅外線[3]超音波[23]射
頻訊號時間[19]或訊號強弱[111213]等但都不適合室內定位紅外線只適合短
距離傳播而且容易被螢光燈或者房間內的燈光干擾在精確定位上有局限性
超聲波受多徑效應和非視距傳播影響很大不能用於室內環境而射頻訊號普遍
用在室外定位系統中應用於室內定位存在有很大的局限因素
GPS 是目前應用最為廣泛的室外定位技術[18]它是 1970 年代初美國基於
軍事目的開發的衛星導航定位系統其運作原理以 GPS 接收器藉由接收軌道上
運行之衛星訊號計算接收時間與衛星發出訊號之時間差以此時間差推算出距
離再以三角定位法對行動終端進行定位運算一般用於車輛導航和手持設備
定位精度範圍在 5m-20m
當前比較流行的 Wi-Fi 定位是 IEEE80211 的一種定位解決方案目前應用
於小範圍的室內定位成本較低但 Wi-Fi 收發器覆蓋的半徑區域不大而且很
容易受到其他訊號的干擾進而影響定位的精確度最差的地方就是行動終端的
電源能耗較高
隨著定位技術的發展和定位服務需求的不斷增加無線定位技術必須克服現
有技術的缺點滿足以下幾個條件a)高抗干擾能力b)高精確度定位c)低生
產成本d)低運營成本e)高安全性f)低能耗及低發射功率g)小的收發器體
積目前現有的技術都不可能完全滿足這些要求
於定位技術的領域中大致分成Range Base和Range Free兩類所謂的Range
Base 即是在感測器中加入可以精準定位的硬體設備[24]該設備通常價格昂貴
12
電源能耗大如 GPS 接收器反之 Range Free 即為使用感測器上基本的硬體元
件並搭配使用一些演算法來計算定位座標
表格 21Range Base 和 Range Free 的比較
方法 硬體成本 能源消耗 定位精確度
Range Base 高 高 高
Range Free 低 低 低
底下的內容將介紹說明目前常見的定位技術222324 為 Range Base
的方法252627 為 Range Free 的方法
22 Angle of Arrival (AOA) method 測量訊號的到達角度(Angle Of Arrive簡稱 AOA)是一種常用的定位技術
[14]這種方法需要在基地站採用專門的天線排列陣列來測量特定訊號的來源方
向對於一個基地站來講AOA 測量可以得出特定移動終端的所在方向當兩
個基地站同時測量同一移動終端所發出的訊號時兩個基地站各自測量 AOA 所
得的方向直線的交點就是移動終端所在的位置由圖 21 可以容易的了解 AOA
利用天線角度的定位方法
基地站
行動終端
Angle
Angle
天線
Directional Antenna
Directional Antenna
圖 21AOA 定位示意圖
13
這種定位方法的原理很簡單但在實際的應用中存在一些難以克服的問題
首先行動終端與基地站的訊號傳輸必須是視線傳輸(LOS)(LOS 為 Line-of-Sight
的縮寫)的非視線傳輸(NLOS)( NLOS 為 Non-Line-of-Sight的縮寫)將會給AOA
定位帶來不可預測的誤差即使是在以 LOS 傳輸為主的情況下射頻訊號的多
徑效應依然會干擾 AOA 的測量其次由於天線設備角解析度的限制AOA 的
測量精度是隨著基地站與移動站之問的距離的增加而不斷減小
23 Time of Arrival (TOA) amp Time Difference of Arrival (TDOA)
TOA 和 TDOA 是利用訊號傳輸時間的定位技術須要讓所有的基地站進行
時間同步隨著可同時監測行動終端的基地台數量愈多定位精確度則愈高
[16]TOA 是以基地台收到的行動終端的時間差來量測與基地台間的距離利用
三角定位的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 22 顯示了 DOA
三角定位的示意圖
基地站
行動終端
Transmit Time
Transmit Time
Transmit Time
圖 22 DOA 定位示意圖
而 TDOA 則是針對 TOA 而改進以各基地台收到的行動終端的時間差來量
測距離使用雙曲線的特性來進行定位計算
14
C
基地站
行動終端
AۑA ᴉB
B
圖 23 TDOA 單一雙曲線定位示意圖
圖 23 中紅色的點是已知座標位置的基地站黃色的點透過訊號傳遞的時
間差計算出和每座基地站的距離並對於其中 2 個基地站畫出一組雙曲線雙
曲線的特性是線上的任一點對於兩焦點的距離差為一定值
基地站
行動終端
圖 24 TDOA 多組雙曲線定位示意圖
圖 24 中兩組雙曲線交集的區域就是行動終端裝置的座標位置
15
24 Received Signal Strength (RSS) method
RSS 是基於訊號傳輸訊號強弱的定位技術不需調整行動終端但必須事先
測量好訊號強度與距離的關係圖[15]RSS 運作原理是利用處於不同位置的多個
基地台同時接收由行動終端發出的訊號分析其訊號強度接著根據訊號強度和
距離的對應關係可以知道行動終端與各個基地台間的距離最後利用三角定位
的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 25 表示利用 RSS 與三角定
位的示意圖
基地站
行動終端
RSS Distance
RSS Distance
RSS Distance
圖 25RSS 定位示意圖
16
25 LANDMARC System (LC) method 表格 22 整理出 LANDMARC System (LC) 定位方法的資料其最大的優點
在於定位速度快
表格 22LANDMARC System 的定位資料
定位種類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 中
參考點建置 有(大量)
額外硬體 RFID Reader 能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
An Indoor Localization Mechanism Using Active RFID Tag[6]這篇論文提出的
方法先在定位的環境中佈建大量 RFID 標籤來當作參考點並紀錄每個參考點
與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱資訊當有新的 RFID 標籤進入定位環境中要
進行定位時該標籤與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱值拿來與參考點的訊號
強弱值比較接著判斷要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點
的位置(或靠近哪一群參考點以那一群參考點的重心位置)當作定位資訊
17
建置環境
圖 26LANDMARC 定位的環境(圖片引用[6])
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 23LANDMARC System 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference Tag 已知 無 無 無 無
Target Tag 未知 無 無 可移動 無
RFID Reader 已知 無 無 無 能計算收到
訊號的訊號
強度
18
定位方法
假設有 N台 RFID Reader 與 M 個 Reference Tag 佈建在環境中每一個
Reference Tag 都有一個訊號強度向量 = (θ1 θ2hellip θn)分別紀錄對應
N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
每一個 Target Tag 都有一個訊號強度向量 = (S1 S2hellipSn)分別紀錄
對應 N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
利用 Euclidian distance 找出哪些 Reference Tag 比較靠近 Target Tag
(21)
公式(21)中 Ej值越小表示該 Reference Tag 越靠近 Target Tag最後找出 K
個最靠近的 Reference Tag計算出這 K 個點的重心座標即是 Target Tag 的座標
位置K 值預設為 4
圖 27LANDMARC 定位的流程圖
19
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
優點
1 定位速度快
缺點
1 不容易建置且硬體建置成本不低
2 區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變所以當環境中出現障礙物時會改變原本
參考點的訊號強弱值
20
26 Area Localization Scheme (ALS) method 表格 24 整理出 Area Localization Scheme (ALS) 定位方法的資料其最大
的優點在於定位速度快與使用比較少量的參考點
表格 24ALS 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 少
參考點建置 有(數個)
額外硬體 參考點需可動態調整傳輸功率大小傳送訊號
建置成本 低
簡介
An Area Localization Scheme for Large Wireless Sensor Networks Vehicular
Technology Conference[5]的論文提出一種新的區域型定位方法以往的區域型定
位先是建置好固定不動的感測點且設定好座標位置來當作參考點接著判斷
要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點的位置(或靠近哪一
群參考點以那一群參考點的重心位置[6])當作定位資訊
而此篇論文提出的方法 Area Localization Scheme (ALS)則是一種改良後的
區域型定位和[6]相比使用相同數量的參考點卻可以達到更精確的定位效
果
21
建置環境
圖 28建置環境(圖片引用[5])
圖 28 表示一間室內的天花板四個角落各放置一個 Reference node綠色
圖示表示一般未知座標資訊的 Sensor node紫色則是一個具有計算能力的
Sensor
22
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 25ALS 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference node 已知 中 低 無 可動態調整
傳輸功率大
小傳送訊號
Sensor node 未知 無 中 可移動 無
Sink node 無 高 高 無 無
定位方法
圖 29ALS scheme with naming(圖片引用[5])
圖 29 中每一個圓形區域表示該 Reference node 發射訊號的功率範圍(EX
區域代碼 1000 表示 Reference node A 以較小的功率發設 1000 訊號區域代碼
23
20002200 表示 Reference node A 以較大的功率發設 2000 訊號)
四個 Reference node 根據自己的兩種發射功率(每個 Reference node 可以用超
過 2 種以上不同的發射功率來傳送訊號這邊僅以 2 種功率來說明)可以各自
切出 2 個圓形區域並互相交集產生 13 個不同的區域實際上交集產生的區域
可能更多但是有些區域面積太小所以就忽略該區域Sink node 負責紀錄每
一個交集區域的重心座標以及該區域的代碼重心座標的產生可以由人為定
義或是先交由其它的電腦先行計算出來
圖 210Sensor node 處理資料的流程
Sensor node 要進行定位前在自己的記憶體中產生 4 個變數LALB
LCLD四個 Reference node 依照自己的固定頻率來廣播訊號比如說在 T1 時
Reference node D 以較大的功率廣播字串rdquo0002rdquo在 T2 時 Reference node D 以較
小的功率廣播字串rdquo0001rdquo 在 T3 時 Reference node C 以較小的功率廣播字
串rdquo0010rdquo在 T4 時 Reference node C 以較大的功率廣播字串rdquo0020rdquohellip
24
Sensor node F 於 T1 收到rdquo0002rdquo設定 LD = 2
Sensor node F 於 T2 收到rdquo0001rdquo因為新的 LD 值比舊的值小所以設定 LD = 1
Sensor node F 於 T3 收不到rdquo0010rdquo
Sensor node F 於 T4 收到rdquo0020rdquo設定 LC = 2
經過一段時間之後Sensor node F 之 LALBLCLD 的值為 0021
下面的表格顯示 T1 ~ TnSensor node F 之 LALBLCLD 的值的狀態
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值
LA LB LC LD
T1 0 0 0 2
T2 0 0 0 1
T3 0 0 0 1
T4 0 0 2 1
Tn 0 0 2 1
圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink node(圖片引用[5])
25
最後 Sensor node F 將 0021 這個代碼傳送到 Sink node 查詢座標資訊
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
The number of transmitted power levels
The transmitted power at each level
優點
1 容易建置且硬體建置成本較低
2 定位速度快
3 訊息交換量較少
缺點
1 如果 Sensor node 移動的速度較快時其定位誤差勢必擴大
2 此區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變但地圖卻沒有更著動態改變
26
27 Approximation PIT Test (APIT) method 表格 271APIT 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 大區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 很慢
靜態定位精確度 普通
動態定位精確度 很差
訊息交換量 很多
參考點建置 有(大量)
額外硬體 參考點能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
簡介
Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks [1]論文的
方法是一種很有創意且不需要額外硬體設備的定位技術首先在環境中亂數
佈建已知座標位置的感測點接著這些感測點以三個點為一組形成一個三角形
所以環境中若佈建了 30 個感測點就會形成 4060 個不同的三角形區域
接著當一個要被計算定位的感測點 A 進入了環境當中利用數學上點與三
角形的特性(1)可以來判斷感測點 A 於 4060 個三角形區域中在哪些三角形
的裡面與外面把那些感測點 A 存在於三角形區域中的所有三角型留下來並
找出最大面積交集的區域此區域的重心位置就是感測點 A 的定位座標位置
圖 271 表示了整個定位的流程
缺點就是定位過程中訊息的交換量很大且定位的時間需要很久動態環
境中的定位精確度很差
27
定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
參考文獻
[1] Tian He Chengdu Huang Brian M Blum John A Stankovic and Tarek
Abdelzaher ldquoRange-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor
Networksrdquo Proceedings of the 9th annual international conference on Mobile
computing and networking pp 81-85 2004
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 BGR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE 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 ENU (Use these settings to create Adobe PDF documents best suited for high-quality prepress printing Created PDF documents can be opened with Acrobat and Adobe Reader 50 and later) gtgt Namespace [ (Adobe) (Common) (10) ] OtherNamespaces [ ltlt AsReaderSpreads false CropImagesToFrames true ErrorControl WarnAndContinue FlattenerIgnoreSpreadOverrides false IncludeGuidesGrids false IncludeNonPrinting false IncludeSlug false Namespace [ (Adobe) (InDesign) (40) ] OmitPlacedBitmaps false OmitPlacedEPS false OmitPlacedPDF false SimulateOverprint Legacy gtgt ltlt AddBleedMarks false AddColorBars false AddCropMarks false AddPageInfo false AddRegMarks false ConvertColors ConvertToCMYK DestinationProfileName () DestinationProfileSelector DocumentCMYK Downsample16BitImages true FlattenerPreset ltlt PresetSelector MediumResolution gtgt FormElements false GenerateStructure false IncludeBookmarks false IncludeHyperlinks false IncludeInteractive false IncludeLayers false IncludeProfiles false MultimediaHandling UseObjectSettings Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (20) ] PDFXOutputIntentProfileSelector DocumentCMYK 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Page 12
10
15 研究動機
室內定位技術於未來的市場應用中有著很多不同的想像空間如資產管
理人員安全管理疾病交叉感染分析軍事行動室內消防救災等應用如果
能發展出有效率且高精確度低建置成本的定位系統必定可以於上述的應用中
廣泛的被使用替未來的生活增加更多可用的資訊與便利性
目前大部分的室內定位技術大多為模擬的實驗為主像[1-6]等的論文研究
都是以模擬實驗為主雖然其模擬實驗的結果還可以但是實際上要把該研究佈
建於生活環境中時都有很大的實做限制本論文提出使用加速度計資訊的方法
Indoor Localization Using Accelerometer Information 簡稱(ILAI)於模擬實驗中有
很好的定位精確度雖然實際的硬體實驗與模擬實驗之間的精確度有落差但於
實際環境中的佈建使用並沒有太多的限制
16 論文架構
第二章會簡介幾種常見的 Range Base[14151618]和 Range Free[78910]方
法的定位技術及其優缺點第三章為本論文的系統架構第四章是模擬和硬體
實驗的結果最後是結論與未來的研究目標
11
第二章
相關研究
21 定位技術概述
無線定位技術和方法很多常用的定位技術包括紅外線[3]超音波[23]射
頻訊號時間[19]或訊號強弱[111213]等但都不適合室內定位紅外線只適合短
距離傳播而且容易被螢光燈或者房間內的燈光干擾在精確定位上有局限性
超聲波受多徑效應和非視距傳播影響很大不能用於室內環境而射頻訊號普遍
用在室外定位系統中應用於室內定位存在有很大的局限因素
GPS 是目前應用最為廣泛的室外定位技術[18]它是 1970 年代初美國基於
軍事目的開發的衛星導航定位系統其運作原理以 GPS 接收器藉由接收軌道上
運行之衛星訊號計算接收時間與衛星發出訊號之時間差以此時間差推算出距
離再以三角定位法對行動終端進行定位運算一般用於車輛導航和手持設備
定位精度範圍在 5m-20m
當前比較流行的 Wi-Fi 定位是 IEEE80211 的一種定位解決方案目前應用
於小範圍的室內定位成本較低但 Wi-Fi 收發器覆蓋的半徑區域不大而且很
容易受到其他訊號的干擾進而影響定位的精確度最差的地方就是行動終端的
電源能耗較高
隨著定位技術的發展和定位服務需求的不斷增加無線定位技術必須克服現
有技術的缺點滿足以下幾個條件a)高抗干擾能力b)高精確度定位c)低生
產成本d)低運營成本e)高安全性f)低能耗及低發射功率g)小的收發器體
積目前現有的技術都不可能完全滿足這些要求
於定位技術的領域中大致分成Range Base和Range Free兩類所謂的Range
Base 即是在感測器中加入可以精準定位的硬體設備[24]該設備通常價格昂貴
12
電源能耗大如 GPS 接收器反之 Range Free 即為使用感測器上基本的硬體元
件並搭配使用一些演算法來計算定位座標
表格 21Range Base 和 Range Free 的比較
方法 硬體成本 能源消耗 定位精確度
Range Base 高 高 高
Range Free 低 低 低
底下的內容將介紹說明目前常見的定位技術222324 為 Range Base
的方法252627 為 Range Free 的方法
22 Angle of Arrival (AOA) method 測量訊號的到達角度(Angle Of Arrive簡稱 AOA)是一種常用的定位技術
[14]這種方法需要在基地站採用專門的天線排列陣列來測量特定訊號的來源方
向對於一個基地站來講AOA 測量可以得出特定移動終端的所在方向當兩
個基地站同時測量同一移動終端所發出的訊號時兩個基地站各自測量 AOA 所
得的方向直線的交點就是移動終端所在的位置由圖 21 可以容易的了解 AOA
利用天線角度的定位方法
基地站
行動終端
Angle
Angle
天線
Directional Antenna
Directional Antenna
圖 21AOA 定位示意圖
13
這種定位方法的原理很簡單但在實際的應用中存在一些難以克服的問題
首先行動終端與基地站的訊號傳輸必須是視線傳輸(LOS)(LOS 為 Line-of-Sight
的縮寫)的非視線傳輸(NLOS)( NLOS 為 Non-Line-of-Sight的縮寫)將會給AOA
定位帶來不可預測的誤差即使是在以 LOS 傳輸為主的情況下射頻訊號的多
徑效應依然會干擾 AOA 的測量其次由於天線設備角解析度的限制AOA 的
測量精度是隨著基地站與移動站之問的距離的增加而不斷減小
23 Time of Arrival (TOA) amp Time Difference of Arrival (TDOA)
TOA 和 TDOA 是利用訊號傳輸時間的定位技術須要讓所有的基地站進行
時間同步隨著可同時監測行動終端的基地台數量愈多定位精確度則愈高
[16]TOA 是以基地台收到的行動終端的時間差來量測與基地台間的距離利用
三角定位的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 22 顯示了 DOA
三角定位的示意圖
基地站
行動終端
Transmit Time
Transmit Time
Transmit Time
圖 22 DOA 定位示意圖
而 TDOA 則是針對 TOA 而改進以各基地台收到的行動終端的時間差來量
測距離使用雙曲線的特性來進行定位計算
14
C
基地站
行動終端
AۑA ᴉB
B
圖 23 TDOA 單一雙曲線定位示意圖
圖 23 中紅色的點是已知座標位置的基地站黃色的點透過訊號傳遞的時
間差計算出和每座基地站的距離並對於其中 2 個基地站畫出一組雙曲線雙
曲線的特性是線上的任一點對於兩焦點的距離差為一定值
基地站
行動終端
圖 24 TDOA 多組雙曲線定位示意圖
圖 24 中兩組雙曲線交集的區域就是行動終端裝置的座標位置
15
24 Received Signal Strength (RSS) method
RSS 是基於訊號傳輸訊號強弱的定位技術不需調整行動終端但必須事先
測量好訊號強度與距離的關係圖[15]RSS 運作原理是利用處於不同位置的多個
基地台同時接收由行動終端發出的訊號分析其訊號強度接著根據訊號強度和
距離的對應關係可以知道行動終端與各個基地台間的距離最後利用三角定位
的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 25 表示利用 RSS 與三角定
位的示意圖
基地站
行動終端
RSS Distance
RSS Distance
RSS Distance
圖 25RSS 定位示意圖
16
25 LANDMARC System (LC) method 表格 22 整理出 LANDMARC System (LC) 定位方法的資料其最大的優點
在於定位速度快
表格 22LANDMARC System 的定位資料
定位種類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 中
參考點建置 有(大量)
額外硬體 RFID Reader 能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
An Indoor Localization Mechanism Using Active RFID Tag[6]這篇論文提出的
方法先在定位的環境中佈建大量 RFID 標籤來當作參考點並紀錄每個參考點
與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱資訊當有新的 RFID 標籤進入定位環境中要
進行定位時該標籤與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱值拿來與參考點的訊號
強弱值比較接著判斷要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點
的位置(或靠近哪一群參考點以那一群參考點的重心位置)當作定位資訊
17
建置環境
圖 26LANDMARC 定位的環境(圖片引用[6])
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 23LANDMARC System 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference Tag 已知 無 無 無 無
Target Tag 未知 無 無 可移動 無
RFID Reader 已知 無 無 無 能計算收到
訊號的訊號
強度
18
定位方法
假設有 N台 RFID Reader 與 M 個 Reference Tag 佈建在環境中每一個
Reference Tag 都有一個訊號強度向量 = (θ1 θ2hellip θn)分別紀錄對應
N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
每一個 Target Tag 都有一個訊號強度向量 = (S1 S2hellipSn)分別紀錄
對應 N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
利用 Euclidian distance 找出哪些 Reference Tag 比較靠近 Target Tag
(21)
公式(21)中 Ej值越小表示該 Reference Tag 越靠近 Target Tag最後找出 K
個最靠近的 Reference Tag計算出這 K 個點的重心座標即是 Target Tag 的座標
位置K 值預設為 4
圖 27LANDMARC 定位的流程圖
19
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
優點
1 定位速度快
缺點
1 不容易建置且硬體建置成本不低
2 區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變所以當環境中出現障礙物時會改變原本
參考點的訊號強弱值
20
26 Area Localization Scheme (ALS) method 表格 24 整理出 Area Localization Scheme (ALS) 定位方法的資料其最大
的優點在於定位速度快與使用比較少量的參考點
表格 24ALS 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 少
參考點建置 有(數個)
額外硬體 參考點需可動態調整傳輸功率大小傳送訊號
建置成本 低
簡介
An Area Localization Scheme for Large Wireless Sensor Networks Vehicular
Technology Conference[5]的論文提出一種新的區域型定位方法以往的區域型定
位先是建置好固定不動的感測點且設定好座標位置來當作參考點接著判斷
要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點的位置(或靠近哪一
群參考點以那一群參考點的重心位置[6])當作定位資訊
而此篇論文提出的方法 Area Localization Scheme (ALS)則是一種改良後的
區域型定位和[6]相比使用相同數量的參考點卻可以達到更精確的定位效
果
21
建置環境
圖 28建置環境(圖片引用[5])
圖 28 表示一間室內的天花板四個角落各放置一個 Reference node綠色
圖示表示一般未知座標資訊的 Sensor node紫色則是一個具有計算能力的
Sensor
22
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 25ALS 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference node 已知 中 低 無 可動態調整
傳輸功率大
小傳送訊號
Sensor node 未知 無 中 可移動 無
Sink node 無 高 高 無 無
定位方法
圖 29ALS scheme with naming(圖片引用[5])
圖 29 中每一個圓形區域表示該 Reference node 發射訊號的功率範圍(EX
區域代碼 1000 表示 Reference node A 以較小的功率發設 1000 訊號區域代碼
23
20002200 表示 Reference node A 以較大的功率發設 2000 訊號)
四個 Reference node 根據自己的兩種發射功率(每個 Reference node 可以用超
過 2 種以上不同的發射功率來傳送訊號這邊僅以 2 種功率來說明)可以各自
切出 2 個圓形區域並互相交集產生 13 個不同的區域實際上交集產生的區域
可能更多但是有些區域面積太小所以就忽略該區域Sink node 負責紀錄每
一個交集區域的重心座標以及該區域的代碼重心座標的產生可以由人為定
義或是先交由其它的電腦先行計算出來
圖 210Sensor node 處理資料的流程
Sensor node 要進行定位前在自己的記憶體中產生 4 個變數LALB
LCLD四個 Reference node 依照自己的固定頻率來廣播訊號比如說在 T1 時
Reference node D 以較大的功率廣播字串rdquo0002rdquo在 T2 時 Reference node D 以較
小的功率廣播字串rdquo0001rdquo 在 T3 時 Reference node C 以較小的功率廣播字
串rdquo0010rdquo在 T4 時 Reference node C 以較大的功率廣播字串rdquo0020rdquohellip
24
Sensor node F 於 T1 收到rdquo0002rdquo設定 LD = 2
Sensor node F 於 T2 收到rdquo0001rdquo因為新的 LD 值比舊的值小所以設定 LD = 1
Sensor node F 於 T3 收不到rdquo0010rdquo
Sensor node F 於 T4 收到rdquo0020rdquo設定 LC = 2
經過一段時間之後Sensor node F 之 LALBLCLD 的值為 0021
下面的表格顯示 T1 ~ TnSensor node F 之 LALBLCLD 的值的狀態
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值
LA LB LC LD
T1 0 0 0 2
T2 0 0 0 1
T3 0 0 0 1
T4 0 0 2 1
Tn 0 0 2 1
圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink node(圖片引用[5])
25
最後 Sensor node F 將 0021 這個代碼傳送到 Sink node 查詢座標資訊
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
The number of transmitted power levels
The transmitted power at each level
優點
1 容易建置且硬體建置成本較低
2 定位速度快
3 訊息交換量較少
缺點
1 如果 Sensor node 移動的速度較快時其定位誤差勢必擴大
2 此區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變但地圖卻沒有更著動態改變
26
27 Approximation PIT Test (APIT) method 表格 271APIT 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 大區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 很慢
靜態定位精確度 普通
動態定位精確度 很差
訊息交換量 很多
參考點建置 有(大量)
額外硬體 參考點能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
簡介
Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks [1]論文的
方法是一種很有創意且不需要額外硬體設備的定位技術首先在環境中亂數
佈建已知座標位置的感測點接著這些感測點以三個點為一組形成一個三角形
所以環境中若佈建了 30 個感測點就會形成 4060 個不同的三角形區域
接著當一個要被計算定位的感測點 A 進入了環境當中利用數學上點與三
角形的特性(1)可以來判斷感測點 A 於 4060 個三角形區域中在哪些三角形
的裡面與外面把那些感測點 A 存在於三角形區域中的所有三角型留下來並
找出最大面積交集的區域此區域的重心位置就是感測點 A 的定位座標位置
圖 271 表示了整個定位的流程
缺點就是定位過程中訊息的交換量很大且定位的時間需要很久動態環
境中的定位精確度很差
27
定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 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Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE 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 DEU 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第二章
相關研究
21 定位技術概述
無線定位技術和方法很多常用的定位技術包括紅外線[3]超音波[23]射
頻訊號時間[19]或訊號強弱[111213]等但都不適合室內定位紅外線只適合短
距離傳播而且容易被螢光燈或者房間內的燈光干擾在精確定位上有局限性
超聲波受多徑效應和非視距傳播影響很大不能用於室內環境而射頻訊號普遍
用在室外定位系統中應用於室內定位存在有很大的局限因素
GPS 是目前應用最為廣泛的室外定位技術[18]它是 1970 年代初美國基於
軍事目的開發的衛星導航定位系統其運作原理以 GPS 接收器藉由接收軌道上
運行之衛星訊號計算接收時間與衛星發出訊號之時間差以此時間差推算出距
離再以三角定位法對行動終端進行定位運算一般用於車輛導航和手持設備
定位精度範圍在 5m-20m
當前比較流行的 Wi-Fi 定位是 IEEE80211 的一種定位解決方案目前應用
於小範圍的室內定位成本較低但 Wi-Fi 收發器覆蓋的半徑區域不大而且很
容易受到其他訊號的干擾進而影響定位的精確度最差的地方就是行動終端的
電源能耗較高
隨著定位技術的發展和定位服務需求的不斷增加無線定位技術必須克服現
有技術的缺點滿足以下幾個條件a)高抗干擾能力b)高精確度定位c)低生
產成本d)低運營成本e)高安全性f)低能耗及低發射功率g)小的收發器體
積目前現有的技術都不可能完全滿足這些要求
於定位技術的領域中大致分成Range Base和Range Free兩類所謂的Range
Base 即是在感測器中加入可以精準定位的硬體設備[24]該設備通常價格昂貴
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電源能耗大如 GPS 接收器反之 Range Free 即為使用感測器上基本的硬體元
件並搭配使用一些演算法來計算定位座標
表格 21Range Base 和 Range Free 的比較
方法 硬體成本 能源消耗 定位精確度
Range Base 高 高 高
Range Free 低 低 低
底下的內容將介紹說明目前常見的定位技術222324 為 Range Base
的方法252627 為 Range Free 的方法
22 Angle of Arrival (AOA) method 測量訊號的到達角度(Angle Of Arrive簡稱 AOA)是一種常用的定位技術
[14]這種方法需要在基地站採用專門的天線排列陣列來測量特定訊號的來源方
向對於一個基地站來講AOA 測量可以得出特定移動終端的所在方向當兩
個基地站同時測量同一移動終端所發出的訊號時兩個基地站各自測量 AOA 所
得的方向直線的交點就是移動終端所在的位置由圖 21 可以容易的了解 AOA
利用天線角度的定位方法
基地站
行動終端
Angle
Angle
天線
Directional Antenna
Directional Antenna
圖 21AOA 定位示意圖
13
這種定位方法的原理很簡單但在實際的應用中存在一些難以克服的問題
首先行動終端與基地站的訊號傳輸必須是視線傳輸(LOS)(LOS 為 Line-of-Sight
的縮寫)的非視線傳輸(NLOS)( NLOS 為 Non-Line-of-Sight的縮寫)將會給AOA
定位帶來不可預測的誤差即使是在以 LOS 傳輸為主的情況下射頻訊號的多
徑效應依然會干擾 AOA 的測量其次由於天線設備角解析度的限制AOA 的
測量精度是隨著基地站與移動站之問的距離的增加而不斷減小
23 Time of Arrival (TOA) amp Time Difference of Arrival (TDOA)
TOA 和 TDOA 是利用訊號傳輸時間的定位技術須要讓所有的基地站進行
時間同步隨著可同時監測行動終端的基地台數量愈多定位精確度則愈高
[16]TOA 是以基地台收到的行動終端的時間差來量測與基地台間的距離利用
三角定位的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 22 顯示了 DOA
三角定位的示意圖
基地站
行動終端
Transmit Time
Transmit Time
Transmit Time
圖 22 DOA 定位示意圖
而 TDOA 則是針對 TOA 而改進以各基地台收到的行動終端的時間差來量
測距離使用雙曲線的特性來進行定位計算
14
C
基地站
行動終端
AۑA ᴉB
B
圖 23 TDOA 單一雙曲線定位示意圖
圖 23 中紅色的點是已知座標位置的基地站黃色的點透過訊號傳遞的時
間差計算出和每座基地站的距離並對於其中 2 個基地站畫出一組雙曲線雙
曲線的特性是線上的任一點對於兩焦點的距離差為一定值
基地站
行動終端
圖 24 TDOA 多組雙曲線定位示意圖
圖 24 中兩組雙曲線交集的區域就是行動終端裝置的座標位置
15
24 Received Signal Strength (RSS) method
RSS 是基於訊號傳輸訊號強弱的定位技術不需調整行動終端但必須事先
測量好訊號強度與距離的關係圖[15]RSS 運作原理是利用處於不同位置的多個
基地台同時接收由行動終端發出的訊號分析其訊號強度接著根據訊號強度和
距離的對應關係可以知道行動終端與各個基地台間的距離最後利用三角定位
的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 25 表示利用 RSS 與三角定
位的示意圖
基地站
行動終端
RSS Distance
RSS Distance
RSS Distance
圖 25RSS 定位示意圖
16
25 LANDMARC System (LC) method 表格 22 整理出 LANDMARC System (LC) 定位方法的資料其最大的優點
在於定位速度快
表格 22LANDMARC System 的定位資料
定位種類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 中
參考點建置 有(大量)
額外硬體 RFID Reader 能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
An Indoor Localization Mechanism Using Active RFID Tag[6]這篇論文提出的
方法先在定位的環境中佈建大量 RFID 標籤來當作參考點並紀錄每個參考點
與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱資訊當有新的 RFID 標籤進入定位環境中要
進行定位時該標籤與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱值拿來與參考點的訊號
強弱值比較接著判斷要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點
的位置(或靠近哪一群參考點以那一群參考點的重心位置)當作定位資訊
17
建置環境
圖 26LANDMARC 定位的環境(圖片引用[6])
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 23LANDMARC System 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference Tag 已知 無 無 無 無
Target Tag 未知 無 無 可移動 無
RFID Reader 已知 無 無 無 能計算收到
訊號的訊號
強度
18
定位方法
假設有 N台 RFID Reader 與 M 個 Reference Tag 佈建在環境中每一個
Reference Tag 都有一個訊號強度向量 = (θ1 θ2hellip θn)分別紀錄對應
N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
每一個 Target Tag 都有一個訊號強度向量 = (S1 S2hellipSn)分別紀錄
對應 N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
利用 Euclidian distance 找出哪些 Reference Tag 比較靠近 Target Tag
(21)
公式(21)中 Ej值越小表示該 Reference Tag 越靠近 Target Tag最後找出 K
個最靠近的 Reference Tag計算出這 K 個點的重心座標即是 Target Tag 的座標
位置K 值預設為 4
圖 27LANDMARC 定位的流程圖
19
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
優點
1 定位速度快
缺點
1 不容易建置且硬體建置成本不低
2 區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變所以當環境中出現障礙物時會改變原本
參考點的訊號強弱值
20
26 Area Localization Scheme (ALS) method 表格 24 整理出 Area Localization Scheme (ALS) 定位方法的資料其最大
的優點在於定位速度快與使用比較少量的參考點
表格 24ALS 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 少
參考點建置 有(數個)
額外硬體 參考點需可動態調整傳輸功率大小傳送訊號
建置成本 低
簡介
An Area Localization Scheme for Large Wireless Sensor Networks Vehicular
Technology Conference[5]的論文提出一種新的區域型定位方法以往的區域型定
位先是建置好固定不動的感測點且設定好座標位置來當作參考點接著判斷
要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點的位置(或靠近哪一
群參考點以那一群參考點的重心位置[6])當作定位資訊
而此篇論文提出的方法 Area Localization Scheme (ALS)則是一種改良後的
區域型定位和[6]相比使用相同數量的參考點卻可以達到更精確的定位效
果
21
建置環境
圖 28建置環境(圖片引用[5])
圖 28 表示一間室內的天花板四個角落各放置一個 Reference node綠色
圖示表示一般未知座標資訊的 Sensor node紫色則是一個具有計算能力的
Sensor
22
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 25ALS 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference node 已知 中 低 無 可動態調整
傳輸功率大
小傳送訊號
Sensor node 未知 無 中 可移動 無
Sink node 無 高 高 無 無
定位方法
圖 29ALS scheme with naming(圖片引用[5])
圖 29 中每一個圓形區域表示該 Reference node 發射訊號的功率範圍(EX
區域代碼 1000 表示 Reference node A 以較小的功率發設 1000 訊號區域代碼
23
20002200 表示 Reference node A 以較大的功率發設 2000 訊號)
四個 Reference node 根據自己的兩種發射功率(每個 Reference node 可以用超
過 2 種以上不同的發射功率來傳送訊號這邊僅以 2 種功率來說明)可以各自
切出 2 個圓形區域並互相交集產生 13 個不同的區域實際上交集產生的區域
可能更多但是有些區域面積太小所以就忽略該區域Sink node 負責紀錄每
一個交集區域的重心座標以及該區域的代碼重心座標的產生可以由人為定
義或是先交由其它的電腦先行計算出來
圖 210Sensor node 處理資料的流程
Sensor node 要進行定位前在自己的記憶體中產生 4 個變數LALB
LCLD四個 Reference node 依照自己的固定頻率來廣播訊號比如說在 T1 時
Reference node D 以較大的功率廣播字串rdquo0002rdquo在 T2 時 Reference node D 以較
小的功率廣播字串rdquo0001rdquo 在 T3 時 Reference node C 以較小的功率廣播字
串rdquo0010rdquo在 T4 時 Reference node C 以較大的功率廣播字串rdquo0020rdquohellip
24
Sensor node F 於 T1 收到rdquo0002rdquo設定 LD = 2
Sensor node F 於 T2 收到rdquo0001rdquo因為新的 LD 值比舊的值小所以設定 LD = 1
Sensor node F 於 T3 收不到rdquo0010rdquo
Sensor node F 於 T4 收到rdquo0020rdquo設定 LC = 2
經過一段時間之後Sensor node F 之 LALBLCLD 的值為 0021
下面的表格顯示 T1 ~ TnSensor node F 之 LALBLCLD 的值的狀態
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值
LA LB LC LD
T1 0 0 0 2
T2 0 0 0 1
T3 0 0 0 1
T4 0 0 2 1
Tn 0 0 2 1
圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink node(圖片引用[5])
25
最後 Sensor node F 將 0021 這個代碼傳送到 Sink node 查詢座標資訊
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
The number of transmitted power levels
The transmitted power at each level
優點
1 容易建置且硬體建置成本較低
2 定位速度快
3 訊息交換量較少
缺點
1 如果 Sensor node 移動的速度較快時其定位誤差勢必擴大
2 此區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變但地圖卻沒有更著動態改變
26
27 Approximation PIT Test (APIT) method 表格 271APIT 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 大區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 很慢
靜態定位精確度 普通
動態定位精確度 很差
訊息交換量 很多
參考點建置 有(大量)
額外硬體 參考點能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
簡介
Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks [1]論文的
方法是一種很有創意且不需要額外硬體設備的定位技術首先在環境中亂數
佈建已知座標位置的感測點接著這些感測點以三個點為一組形成一個三角形
所以環境中若佈建了 30 個感測點就會形成 4060 個不同的三角形區域
接著當一個要被計算定位的感測點 A 進入了環境當中利用數學上點與三
角形的特性(1)可以來判斷感測點 A 於 4060 個三角形區域中在哪些三角形
的裡面與外面把那些感測點 A 存在於三角形區域中的所有三角型留下來並
找出最大面積交集的區域此區域的重心位置就是感測點 A 的定位座標位置
圖 271 表示了整個定位的流程
缺點就是定位過程中訊息的交換量很大且定位的時間需要很久動態環
境中的定位精確度很差
27
定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 BGR 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ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE 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ltFEFF0041006e007600e4006e00640020006400650020006800e4007200200069006e0073007400e4006c006c006e0069006e006700610072006e00610020006f006d002000640075002000760069006c006c00200073006b006100700061002000410064006f006200650020005000440046002d0064006f006b0075006d0065006e007400200073006f006d002000e400720020006c00e4006d0070006c0069006700610020006600f60072002000700072006500700072006500730073002d007500740073006b00720069006600740020006d006500640020006800f600670020006b00760061006c0069007400650074002e002000200053006b006100700061006400650020005000440046002d0064006f006b0075006d0065006e00740020006b0061006e002000f600700070006e00610073002000690020004100630072006f0062006100740020006f00630068002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e00300020006f00630068002000730065006e006100720065002egt TUR 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 UKR ltFEFF04120438043a043e0440043804410442043e043204430439044204350020044604560020043f043004400430043c043504420440043800200434043b044f0020044104420432043e04400435043d043d044f00200434043e043a0443043c0435043d044204560432002000410064006f006200650020005000440046002c0020044f043a04560020043d04300439043a04400430044904350020043f045604340445043e0434044f0442044c00200434043b044f0020043204380441043e043a043e044f043a04560441043d043e0433043e0020043f0435044004350434043404400443043a043e0432043e0433043e0020043404400443043a0443002e00200020042104420432043e04400435043d045600200434043e043a0443043c0435043d0442043800200050004400460020043c043e0436043d04300020043204560434043a0440043804420438002004430020004100630072006f006200610074002004420430002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e0030002004300431043e0020043f04560437043d04560448043e04570020043204350440044104560457002egt ENU (Use these settings to create Adobe PDF documents best suited for high-quality prepress printing Created PDF documents can be opened with Acrobat and Adobe Reader 50 and later) gtgt Namespace [ (Adobe) (Common) (10) ] OtherNamespaces [ ltlt AsReaderSpreads false CropImagesToFrames true ErrorControl WarnAndContinue FlattenerIgnoreSpreadOverrides false IncludeGuidesGrids false IncludeNonPrinting false IncludeSlug false Namespace [ (Adobe) (InDesign) (40) ] OmitPlacedBitmaps false OmitPlacedEPS false OmitPlacedPDF false SimulateOverprint Legacy gtgt ltlt AddBleedMarks false AddColorBars false AddCropMarks false AddPageInfo false AddRegMarks false ConvertColors ConvertToCMYK DestinationProfileName () DestinationProfileSelector DocumentCMYK Downsample16BitImages true FlattenerPreset ltlt PresetSelector MediumResolution gtgt FormElements false GenerateStructure false IncludeBookmarks false IncludeHyperlinks false IncludeInteractive false IncludeLayers false IncludeProfiles false MultimediaHandling UseObjectSettings Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (20) ] PDFXOutputIntentProfileSelector DocumentCMYK 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12
電源能耗大如 GPS 接收器反之 Range Free 即為使用感測器上基本的硬體元
件並搭配使用一些演算法來計算定位座標
表格 21Range Base 和 Range Free 的比較
方法 硬體成本 能源消耗 定位精確度
Range Base 高 高 高
Range Free 低 低 低
底下的內容將介紹說明目前常見的定位技術222324 為 Range Base
的方法252627 為 Range Free 的方法
22 Angle of Arrival (AOA) method 測量訊號的到達角度(Angle Of Arrive簡稱 AOA)是一種常用的定位技術
[14]這種方法需要在基地站採用專門的天線排列陣列來測量特定訊號的來源方
向對於一個基地站來講AOA 測量可以得出特定移動終端的所在方向當兩
個基地站同時測量同一移動終端所發出的訊號時兩個基地站各自測量 AOA 所
得的方向直線的交點就是移動終端所在的位置由圖 21 可以容易的了解 AOA
利用天線角度的定位方法
基地站
行動終端
Angle
Angle
天線
Directional Antenna
Directional Antenna
圖 21AOA 定位示意圖
13
這種定位方法的原理很簡單但在實際的應用中存在一些難以克服的問題
首先行動終端與基地站的訊號傳輸必須是視線傳輸(LOS)(LOS 為 Line-of-Sight
的縮寫)的非視線傳輸(NLOS)( NLOS 為 Non-Line-of-Sight的縮寫)將會給AOA
定位帶來不可預測的誤差即使是在以 LOS 傳輸為主的情況下射頻訊號的多
徑效應依然會干擾 AOA 的測量其次由於天線設備角解析度的限制AOA 的
測量精度是隨著基地站與移動站之問的距離的增加而不斷減小
23 Time of Arrival (TOA) amp Time Difference of Arrival (TDOA)
TOA 和 TDOA 是利用訊號傳輸時間的定位技術須要讓所有的基地站進行
時間同步隨著可同時監測行動終端的基地台數量愈多定位精確度則愈高
[16]TOA 是以基地台收到的行動終端的時間差來量測與基地台間的距離利用
三角定位的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 22 顯示了 DOA
三角定位的示意圖
基地站
行動終端
Transmit Time
Transmit Time
Transmit Time
圖 22 DOA 定位示意圖
而 TDOA 則是針對 TOA 而改進以各基地台收到的行動終端的時間差來量
測距離使用雙曲線的特性來進行定位計算
14
C
基地站
行動終端
AۑA ᴉB
B
圖 23 TDOA 單一雙曲線定位示意圖
圖 23 中紅色的點是已知座標位置的基地站黃色的點透過訊號傳遞的時
間差計算出和每座基地站的距離並對於其中 2 個基地站畫出一組雙曲線雙
曲線的特性是線上的任一點對於兩焦點的距離差為一定值
基地站
行動終端
圖 24 TDOA 多組雙曲線定位示意圖
圖 24 中兩組雙曲線交集的區域就是行動終端裝置的座標位置
15
24 Received Signal Strength (RSS) method
RSS 是基於訊號傳輸訊號強弱的定位技術不需調整行動終端但必須事先
測量好訊號強度與距離的關係圖[15]RSS 運作原理是利用處於不同位置的多個
基地台同時接收由行動終端發出的訊號分析其訊號強度接著根據訊號強度和
距離的對應關係可以知道行動終端與各個基地台間的距離最後利用三角定位
的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 25 表示利用 RSS 與三角定
位的示意圖
基地站
行動終端
RSS Distance
RSS Distance
RSS Distance
圖 25RSS 定位示意圖
16
25 LANDMARC System (LC) method 表格 22 整理出 LANDMARC System (LC) 定位方法的資料其最大的優點
在於定位速度快
表格 22LANDMARC System 的定位資料
定位種類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 中
參考點建置 有(大量)
額外硬體 RFID Reader 能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
An Indoor Localization Mechanism Using Active RFID Tag[6]這篇論文提出的
方法先在定位的環境中佈建大量 RFID 標籤來當作參考點並紀錄每個參考點
與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱資訊當有新的 RFID 標籤進入定位環境中要
進行定位時該標籤與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱值拿來與參考點的訊號
強弱值比較接著判斷要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點
的位置(或靠近哪一群參考點以那一群參考點的重心位置)當作定位資訊
17
建置環境
圖 26LANDMARC 定位的環境(圖片引用[6])
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 23LANDMARC System 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference Tag 已知 無 無 無 無
Target Tag 未知 無 無 可移動 無
RFID Reader 已知 無 無 無 能計算收到
訊號的訊號
強度
18
定位方法
假設有 N台 RFID Reader 與 M 個 Reference Tag 佈建在環境中每一個
Reference Tag 都有一個訊號強度向量 = (θ1 θ2hellip θn)分別紀錄對應
N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
每一個 Target Tag 都有一個訊號強度向量 = (S1 S2hellipSn)分別紀錄
對應 N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
利用 Euclidian distance 找出哪些 Reference Tag 比較靠近 Target Tag
(21)
公式(21)中 Ej值越小表示該 Reference Tag 越靠近 Target Tag最後找出 K
個最靠近的 Reference Tag計算出這 K 個點的重心座標即是 Target Tag 的座標
位置K 值預設為 4
圖 27LANDMARC 定位的流程圖
19
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
優點
1 定位速度快
缺點
1 不容易建置且硬體建置成本不低
2 區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變所以當環境中出現障礙物時會改變原本
參考點的訊號強弱值
20
26 Area Localization Scheme (ALS) method 表格 24 整理出 Area Localization Scheme (ALS) 定位方法的資料其最大
的優點在於定位速度快與使用比較少量的參考點
表格 24ALS 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 少
參考點建置 有(數個)
額外硬體 參考點需可動態調整傳輸功率大小傳送訊號
建置成本 低
簡介
An Area Localization Scheme for Large Wireless Sensor Networks Vehicular
Technology Conference[5]的論文提出一種新的區域型定位方法以往的區域型定
位先是建置好固定不動的感測點且設定好座標位置來當作參考點接著判斷
要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點的位置(或靠近哪一
群參考點以那一群參考點的重心位置[6])當作定位資訊
而此篇論文提出的方法 Area Localization Scheme (ALS)則是一種改良後的
區域型定位和[6]相比使用相同數量的參考點卻可以達到更精確的定位效
果
21
建置環境
圖 28建置環境(圖片引用[5])
圖 28 表示一間室內的天花板四個角落各放置一個 Reference node綠色
圖示表示一般未知座標資訊的 Sensor node紫色則是一個具有計算能力的
Sensor
22
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 25ALS 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference node 已知 中 低 無 可動態調整
傳輸功率大
小傳送訊號
Sensor node 未知 無 中 可移動 無
Sink node 無 高 高 無 無
定位方法
圖 29ALS scheme with naming(圖片引用[5])
圖 29 中每一個圓形區域表示該 Reference node 發射訊號的功率範圍(EX
區域代碼 1000 表示 Reference node A 以較小的功率發設 1000 訊號區域代碼
23
20002200 表示 Reference node A 以較大的功率發設 2000 訊號)
四個 Reference node 根據自己的兩種發射功率(每個 Reference node 可以用超
過 2 種以上不同的發射功率來傳送訊號這邊僅以 2 種功率來說明)可以各自
切出 2 個圓形區域並互相交集產生 13 個不同的區域實際上交集產生的區域
可能更多但是有些區域面積太小所以就忽略該區域Sink node 負責紀錄每
一個交集區域的重心座標以及該區域的代碼重心座標的產生可以由人為定
義或是先交由其它的電腦先行計算出來
圖 210Sensor node 處理資料的流程
Sensor node 要進行定位前在自己的記憶體中產生 4 個變數LALB
LCLD四個 Reference node 依照自己的固定頻率來廣播訊號比如說在 T1 時
Reference node D 以較大的功率廣播字串rdquo0002rdquo在 T2 時 Reference node D 以較
小的功率廣播字串rdquo0001rdquo 在 T3 時 Reference node C 以較小的功率廣播字
串rdquo0010rdquo在 T4 時 Reference node C 以較大的功率廣播字串rdquo0020rdquohellip
24
Sensor node F 於 T1 收到rdquo0002rdquo設定 LD = 2
Sensor node F 於 T2 收到rdquo0001rdquo因為新的 LD 值比舊的值小所以設定 LD = 1
Sensor node F 於 T3 收不到rdquo0010rdquo
Sensor node F 於 T4 收到rdquo0020rdquo設定 LC = 2
經過一段時間之後Sensor node F 之 LALBLCLD 的值為 0021
下面的表格顯示 T1 ~ TnSensor node F 之 LALBLCLD 的值的狀態
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值
LA LB LC LD
T1 0 0 0 2
T2 0 0 0 1
T3 0 0 0 1
T4 0 0 2 1
Tn 0 0 2 1
圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink node(圖片引用[5])
25
最後 Sensor node F 將 0021 這個代碼傳送到 Sink node 查詢座標資訊
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
The number of transmitted power levels
The transmitted power at each level
優點
1 容易建置且硬體建置成本較低
2 定位速度快
3 訊息交換量較少
缺點
1 如果 Sensor node 移動的速度較快時其定位誤差勢必擴大
2 此區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變但地圖卻沒有更著動態改變
26
27 Approximation PIT Test (APIT) method 表格 271APIT 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 大區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 很慢
靜態定位精確度 普通
動態定位精確度 很差
訊息交換量 很多
參考點建置 有(大量)
額外硬體 參考點能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
簡介
Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks [1]論文的
方法是一種很有創意且不需要額外硬體設備的定位技術首先在環境中亂數
佈建已知座標位置的感測點接著這些感測點以三個點為一組形成一個三角形
所以環境中若佈建了 30 個感測點就會形成 4060 個不同的三角形區域
接著當一個要被計算定位的感測點 A 進入了環境當中利用數學上點與三
角形的特性(1)可以來判斷感測點 A 於 4060 個三角形區域中在哪些三角形
的裡面與外面把那些感測點 A 存在於三角形區域中的所有三角型留下來並
找出最大面積交集的區域此區域的重心位置就是感測點 A 的定位座標位置
圖 271 表示了整個定位的流程
缺點就是定位過程中訊息的交換量很大且定位的時間需要很久動態環
境中的定位精確度很差
27
定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 BGR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE ltFEFF005400610074006f0020006e006100730074006100760065006e00ed00200070006f0075017e0069006a007400650020006b0020007600790074007600e101590065006e00ed00200064006f006b0075006d0065006e0074016f002000410064006f006200650020005000440046002c0020006b00740065007200e90020007300650020006e0065006a006c00e90070006500200068006f006400ed002000700072006f0020006b00760061006c00690074006e00ed0020007400690073006b00200061002000700072006500700072006500730073002e002000200056007900740076006f01590065006e00e900200064006f006b0075006d0065006e007400790020005000440046002000620075006400650020006d006f017e006e00e90020006f007400650076015900ed007400200076002000700072006f006700720061006d0065006300680020004100630072006f00620061007400200061002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e0030002000610020006e006f0076011b006a016100ed00630068002egt DAN 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 DEU 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HRV (Za stvaranje Adobe PDF dokumenata najpogodnijih za visokokvalitetni ispis prije tiskanja koristite ove postavke Stvoreni PDF dokumenti mogu se otvoriti Acrobat i Adobe Reader 50 i kasnijim verzijama) HUN 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這種定位方法的原理很簡單但在實際的應用中存在一些難以克服的問題
首先行動終端與基地站的訊號傳輸必須是視線傳輸(LOS)(LOS 為 Line-of-Sight
的縮寫)的非視線傳輸(NLOS)( NLOS 為 Non-Line-of-Sight的縮寫)將會給AOA
定位帶來不可預測的誤差即使是在以 LOS 傳輸為主的情況下射頻訊號的多
徑效應依然會干擾 AOA 的測量其次由於天線設備角解析度的限制AOA 的
測量精度是隨著基地站與移動站之問的距離的增加而不斷減小
23 Time of Arrival (TOA) amp Time Difference of Arrival (TDOA)
TOA 和 TDOA 是利用訊號傳輸時間的定位技術須要讓所有的基地站進行
時間同步隨著可同時監測行動終端的基地台數量愈多定位精確度則愈高
[16]TOA 是以基地台收到的行動終端的時間差來量測與基地台間的距離利用
三角定位的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 22 顯示了 DOA
三角定位的示意圖
基地站
行動終端
Transmit Time
Transmit Time
Transmit Time
圖 22 DOA 定位示意圖
而 TDOA 則是針對 TOA 而改進以各基地台收到的行動終端的時間差來量
測距離使用雙曲線的特性來進行定位計算
14
C
基地站
行動終端
AۑA ᴉB
B
圖 23 TDOA 單一雙曲線定位示意圖
圖 23 中紅色的點是已知座標位置的基地站黃色的點透過訊號傳遞的時
間差計算出和每座基地站的距離並對於其中 2 個基地站畫出一組雙曲線雙
曲線的特性是線上的任一點對於兩焦點的距離差為一定值
基地站
行動終端
圖 24 TDOA 多組雙曲線定位示意圖
圖 24 中兩組雙曲線交集的區域就是行動終端裝置的座標位置
15
24 Received Signal Strength (RSS) method
RSS 是基於訊號傳輸訊號強弱的定位技術不需調整行動終端但必須事先
測量好訊號強度與距離的關係圖[15]RSS 運作原理是利用處於不同位置的多個
基地台同時接收由行動終端發出的訊號分析其訊號強度接著根據訊號強度和
距離的對應關係可以知道行動終端與各個基地台間的距離最後利用三角定位
的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 25 表示利用 RSS 與三角定
位的示意圖
基地站
行動終端
RSS Distance
RSS Distance
RSS Distance
圖 25RSS 定位示意圖
16
25 LANDMARC System (LC) method 表格 22 整理出 LANDMARC System (LC) 定位方法的資料其最大的優點
在於定位速度快
表格 22LANDMARC System 的定位資料
定位種類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 中
參考點建置 有(大量)
額外硬體 RFID Reader 能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
An Indoor Localization Mechanism Using Active RFID Tag[6]這篇論文提出的
方法先在定位的環境中佈建大量 RFID 標籤來當作參考點並紀錄每個參考點
與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱資訊當有新的 RFID 標籤進入定位環境中要
進行定位時該標籤與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱值拿來與參考點的訊號
強弱值比較接著判斷要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點
的位置(或靠近哪一群參考點以那一群參考點的重心位置)當作定位資訊
17
建置環境
圖 26LANDMARC 定位的環境(圖片引用[6])
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 23LANDMARC System 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference Tag 已知 無 無 無 無
Target Tag 未知 無 無 可移動 無
RFID Reader 已知 無 無 無 能計算收到
訊號的訊號
強度
18
定位方法
假設有 N台 RFID Reader 與 M 個 Reference Tag 佈建在環境中每一個
Reference Tag 都有一個訊號強度向量 = (θ1 θ2hellip θn)分別紀錄對應
N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
每一個 Target Tag 都有一個訊號強度向量 = (S1 S2hellipSn)分別紀錄
對應 N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
利用 Euclidian distance 找出哪些 Reference Tag 比較靠近 Target Tag
(21)
公式(21)中 Ej值越小表示該 Reference Tag 越靠近 Target Tag最後找出 K
個最靠近的 Reference Tag計算出這 K 個點的重心座標即是 Target Tag 的座標
位置K 值預設為 4
圖 27LANDMARC 定位的流程圖
19
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
優點
1 定位速度快
缺點
1 不容易建置且硬體建置成本不低
2 區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變所以當環境中出現障礙物時會改變原本
參考點的訊號強弱值
20
26 Area Localization Scheme (ALS) method 表格 24 整理出 Area Localization Scheme (ALS) 定位方法的資料其最大
的優點在於定位速度快與使用比較少量的參考點
表格 24ALS 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 少
參考點建置 有(數個)
額外硬體 參考點需可動態調整傳輸功率大小傳送訊號
建置成本 低
簡介
An Area Localization Scheme for Large Wireless Sensor Networks Vehicular
Technology Conference[5]的論文提出一種新的區域型定位方法以往的區域型定
位先是建置好固定不動的感測點且設定好座標位置來當作參考點接著判斷
要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點的位置(或靠近哪一
群參考點以那一群參考點的重心位置[6])當作定位資訊
而此篇論文提出的方法 Area Localization Scheme (ALS)則是一種改良後的
區域型定位和[6]相比使用相同數量的參考點卻可以達到更精確的定位效
果
21
建置環境
圖 28建置環境(圖片引用[5])
圖 28 表示一間室內的天花板四個角落各放置一個 Reference node綠色
圖示表示一般未知座標資訊的 Sensor node紫色則是一個具有計算能力的
Sensor
22
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 25ALS 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference node 已知 中 低 無 可動態調整
傳輸功率大
小傳送訊號
Sensor node 未知 無 中 可移動 無
Sink node 無 高 高 無 無
定位方法
圖 29ALS scheme with naming(圖片引用[5])
圖 29 中每一個圓形區域表示該 Reference node 發射訊號的功率範圍(EX
區域代碼 1000 表示 Reference node A 以較小的功率發設 1000 訊號區域代碼
23
20002200 表示 Reference node A 以較大的功率發設 2000 訊號)
四個 Reference node 根據自己的兩種發射功率(每個 Reference node 可以用超
過 2 種以上不同的發射功率來傳送訊號這邊僅以 2 種功率來說明)可以各自
切出 2 個圓形區域並互相交集產生 13 個不同的區域實際上交集產生的區域
可能更多但是有些區域面積太小所以就忽略該區域Sink node 負責紀錄每
一個交集區域的重心座標以及該區域的代碼重心座標的產生可以由人為定
義或是先交由其它的電腦先行計算出來
圖 210Sensor node 處理資料的流程
Sensor node 要進行定位前在自己的記憶體中產生 4 個變數LALB
LCLD四個 Reference node 依照自己的固定頻率來廣播訊號比如說在 T1 時
Reference node D 以較大的功率廣播字串rdquo0002rdquo在 T2 時 Reference node D 以較
小的功率廣播字串rdquo0001rdquo 在 T3 時 Reference node C 以較小的功率廣播字
串rdquo0010rdquo在 T4 時 Reference node C 以較大的功率廣播字串rdquo0020rdquohellip
24
Sensor node F 於 T1 收到rdquo0002rdquo設定 LD = 2
Sensor node F 於 T2 收到rdquo0001rdquo因為新的 LD 值比舊的值小所以設定 LD = 1
Sensor node F 於 T3 收不到rdquo0010rdquo
Sensor node F 於 T4 收到rdquo0020rdquo設定 LC = 2
經過一段時間之後Sensor node F 之 LALBLCLD 的值為 0021
下面的表格顯示 T1 ~ TnSensor node F 之 LALBLCLD 的值的狀態
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值
LA LB LC LD
T1 0 0 0 2
T2 0 0 0 1
T3 0 0 0 1
T4 0 0 2 1
Tn 0 0 2 1
圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink node(圖片引用[5])
25
最後 Sensor node F 將 0021 這個代碼傳送到 Sink node 查詢座標資訊
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
The number of transmitted power levels
The transmitted power at each level
優點
1 容易建置且硬體建置成本較低
2 定位速度快
3 訊息交換量較少
缺點
1 如果 Sensor node 移動的速度較快時其定位誤差勢必擴大
2 此區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變但地圖卻沒有更著動態改變
26
27 Approximation PIT Test (APIT) method 表格 271APIT 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 大區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 很慢
靜態定位精確度 普通
動態定位精確度 很差
訊息交換量 很多
參考點建置 有(大量)
額外硬體 參考點能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
簡介
Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks [1]論文的
方法是一種很有創意且不需要額外硬體設備的定位技術首先在環境中亂數
佈建已知座標位置的感測點接著這些感測點以三個點為一組形成一個三角形
所以環境中若佈建了 30 個感測點就會形成 4060 個不同的三角形區域
接著當一個要被計算定位的感測點 A 進入了環境當中利用數學上點與三
角形的特性(1)可以來判斷感測點 A 於 4060 個三角形區域中在哪些三角形
的裡面與外面把那些感測點 A 存在於三角形區域中的所有三角型留下來並
找出最大面積交集的區域此區域的重心位置就是感測點 A 的定位座標位置
圖 271 表示了整個定位的流程
缺點就是定位過程中訊息的交換量很大且定位的時間需要很久動態環
境中的定位精確度很差
27
定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 BGR 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ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE 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 TUR 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 UKR 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 ENU (Use these settings to create Adobe PDF documents best suited for high-quality prepress printing Created PDF documents can be opened with Acrobat and Adobe Reader 50 and later) gtgt Namespace [ (Adobe) (Common) (10) ] OtherNamespaces [ ltlt AsReaderSpreads false CropImagesToFrames true ErrorControl WarnAndContinue FlattenerIgnoreSpreadOverrides false IncludeGuidesGrids false IncludeNonPrinting false IncludeSlug false Namespace [ (Adobe) (InDesign) (40) ] OmitPlacedBitmaps false OmitPlacedEPS false OmitPlacedPDF false SimulateOverprint Legacy gtgt ltlt AddBleedMarks false AddColorBars false AddCropMarks false AddPageInfo false AddRegMarks false ConvertColors ConvertToCMYK DestinationProfileName () DestinationProfileSelector DocumentCMYK Downsample16BitImages true FlattenerPreset ltlt PresetSelector MediumResolution gtgt FormElements false GenerateStructure false IncludeBookmarks false IncludeHyperlinks false IncludeInteractive false IncludeLayers false IncludeProfiles false MultimediaHandling UseObjectSettings Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (20) ] PDFXOutputIntentProfileSelector DocumentCMYK 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Page 16
14
C
基地站
行動終端
AۑA ᴉB
B
圖 23 TDOA 單一雙曲線定位示意圖
圖 23 中紅色的點是已知座標位置的基地站黃色的點透過訊號傳遞的時
間差計算出和每座基地站的距離並對於其中 2 個基地站畫出一組雙曲線雙
曲線的特性是線上的任一點對於兩焦點的距離差為一定值
基地站
行動終端
圖 24 TDOA 多組雙曲線定位示意圖
圖 24 中兩組雙曲線交集的區域就是行動終端裝置的座標位置
15
24 Received Signal Strength (RSS) method
RSS 是基於訊號傳輸訊號強弱的定位技術不需調整行動終端但必須事先
測量好訊號強度與距離的關係圖[15]RSS 運作原理是利用處於不同位置的多個
基地台同時接收由行動終端發出的訊號分析其訊號強度接著根據訊號強度和
距離的對應關係可以知道行動終端與各個基地台間的距離最後利用三角定位
的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 25 表示利用 RSS 與三角定
位的示意圖
基地站
行動終端
RSS Distance
RSS Distance
RSS Distance
圖 25RSS 定位示意圖
16
25 LANDMARC System (LC) method 表格 22 整理出 LANDMARC System (LC) 定位方法的資料其最大的優點
在於定位速度快
表格 22LANDMARC System 的定位資料
定位種類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 中
參考點建置 有(大量)
額外硬體 RFID Reader 能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
An Indoor Localization Mechanism Using Active RFID Tag[6]這篇論文提出的
方法先在定位的環境中佈建大量 RFID 標籤來當作參考點並紀錄每個參考點
與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱資訊當有新的 RFID 標籤進入定位環境中要
進行定位時該標籤與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱值拿來與參考點的訊號
強弱值比較接著判斷要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點
的位置(或靠近哪一群參考點以那一群參考點的重心位置)當作定位資訊
17
建置環境
圖 26LANDMARC 定位的環境(圖片引用[6])
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 23LANDMARC System 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference Tag 已知 無 無 無 無
Target Tag 未知 無 無 可移動 無
RFID Reader 已知 無 無 無 能計算收到
訊號的訊號
強度
18
定位方法
假設有 N台 RFID Reader 與 M 個 Reference Tag 佈建在環境中每一個
Reference Tag 都有一個訊號強度向量 = (θ1 θ2hellip θn)分別紀錄對應
N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
每一個 Target Tag 都有一個訊號強度向量 = (S1 S2hellipSn)分別紀錄
對應 N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
利用 Euclidian distance 找出哪些 Reference Tag 比較靠近 Target Tag
(21)
公式(21)中 Ej值越小表示該 Reference Tag 越靠近 Target Tag最後找出 K
個最靠近的 Reference Tag計算出這 K 個點的重心座標即是 Target Tag 的座標
位置K 值預設為 4
圖 27LANDMARC 定位的流程圖
19
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
優點
1 定位速度快
缺點
1 不容易建置且硬體建置成本不低
2 區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變所以當環境中出現障礙物時會改變原本
參考點的訊號強弱值
20
26 Area Localization Scheme (ALS) method 表格 24 整理出 Area Localization Scheme (ALS) 定位方法的資料其最大
的優點在於定位速度快與使用比較少量的參考點
表格 24ALS 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 少
參考點建置 有(數個)
額外硬體 參考點需可動態調整傳輸功率大小傳送訊號
建置成本 低
簡介
An Area Localization Scheme for Large Wireless Sensor Networks Vehicular
Technology Conference[5]的論文提出一種新的區域型定位方法以往的區域型定
位先是建置好固定不動的感測點且設定好座標位置來當作參考點接著判斷
要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點的位置(或靠近哪一
群參考點以那一群參考點的重心位置[6])當作定位資訊
而此篇論文提出的方法 Area Localization Scheme (ALS)則是一種改良後的
區域型定位和[6]相比使用相同數量的參考點卻可以達到更精確的定位效
果
21
建置環境
圖 28建置環境(圖片引用[5])
圖 28 表示一間室內的天花板四個角落各放置一個 Reference node綠色
圖示表示一般未知座標資訊的 Sensor node紫色則是一個具有計算能力的
Sensor
22
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 25ALS 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference node 已知 中 低 無 可動態調整
傳輸功率大
小傳送訊號
Sensor node 未知 無 中 可移動 無
Sink node 無 高 高 無 無
定位方法
圖 29ALS scheme with naming(圖片引用[5])
圖 29 中每一個圓形區域表示該 Reference node 發射訊號的功率範圍(EX
區域代碼 1000 表示 Reference node A 以較小的功率發設 1000 訊號區域代碼
23
20002200 表示 Reference node A 以較大的功率發設 2000 訊號)
四個 Reference node 根據自己的兩種發射功率(每個 Reference node 可以用超
過 2 種以上不同的發射功率來傳送訊號這邊僅以 2 種功率來說明)可以各自
切出 2 個圓形區域並互相交集產生 13 個不同的區域實際上交集產生的區域
可能更多但是有些區域面積太小所以就忽略該區域Sink node 負責紀錄每
一個交集區域的重心座標以及該區域的代碼重心座標的產生可以由人為定
義或是先交由其它的電腦先行計算出來
圖 210Sensor node 處理資料的流程
Sensor node 要進行定位前在自己的記憶體中產生 4 個變數LALB
LCLD四個 Reference node 依照自己的固定頻率來廣播訊號比如說在 T1 時
Reference node D 以較大的功率廣播字串rdquo0002rdquo在 T2 時 Reference node D 以較
小的功率廣播字串rdquo0001rdquo 在 T3 時 Reference node C 以較小的功率廣播字
串rdquo0010rdquo在 T4 時 Reference node C 以較大的功率廣播字串rdquo0020rdquohellip
24
Sensor node F 於 T1 收到rdquo0002rdquo設定 LD = 2
Sensor node F 於 T2 收到rdquo0001rdquo因為新的 LD 值比舊的值小所以設定 LD = 1
Sensor node F 於 T3 收不到rdquo0010rdquo
Sensor node F 於 T4 收到rdquo0020rdquo設定 LC = 2
經過一段時間之後Sensor node F 之 LALBLCLD 的值為 0021
下面的表格顯示 T1 ~ TnSensor node F 之 LALBLCLD 的值的狀態
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值
LA LB LC LD
T1 0 0 0 2
T2 0 0 0 1
T3 0 0 0 1
T4 0 0 2 1
Tn 0 0 2 1
圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink node(圖片引用[5])
25
最後 Sensor node F 將 0021 這個代碼傳送到 Sink node 查詢座標資訊
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
The number of transmitted power levels
The transmitted power at each level
優點
1 容易建置且硬體建置成本較低
2 定位速度快
3 訊息交換量較少
缺點
1 如果 Sensor node 移動的速度較快時其定位誤差勢必擴大
2 此區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變但地圖卻沒有更著動態改變
26
27 Approximation PIT Test (APIT) method 表格 271APIT 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 大區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 很慢
靜態定位精確度 普通
動態定位精確度 很差
訊息交換量 很多
參考點建置 有(大量)
額外硬體 參考點能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
簡介
Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks [1]論文的
方法是一種很有創意且不需要額外硬體設備的定位技術首先在環境中亂數
佈建已知座標位置的感測點接著這些感測點以三個點為一組形成一個三角形
所以環境中若佈建了 30 個感測點就會形成 4060 個不同的三角形區域
接著當一個要被計算定位的感測點 A 進入了環境當中利用數學上點與三
角形的特性(1)可以來判斷感測點 A 於 4060 個三角形區域中在哪些三角形
的裡面與外面把那些感測點 A 存在於三角形區域中的所有三角型留下來並
找出最大面積交集的區域此區域的重心位置就是感測點 A 的定位座標位置
圖 271 表示了整個定位的流程
缺點就是定位過程中訊息的交換量很大且定位的時間需要很久動態環
境中的定位精確度很差
27
定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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ltFEFF04180437043f043e043b043704320430043904420435002004420435043704380020043d0430044104420440043e0439043a0438002c00200437043000200434043000200441044a0437043404300432043004420435002000410064006f00620065002000500044004600200434043e043a0443043c0435043d04420438002c0020043c0430043a04410438043c0430043b043d043e0020043f044004380433043e04340435043d04380020043704300020043204380441043e043a043e043a0430044704350441044204320435043d0020043f04350447043004420020043704300020043f044004350434043f0435044704300442043d04300020043f043e04340433043e0442043e0432043a0430002e002000200421044a04370434043004340435043d043804420435002000500044004600200434043e043a0443043c0435043d044204380020043c043e0433043004420020043404300020044104350020043e0442043204300440044f0442002004410020004100630072006f00620061007400200438002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e00300020043800200441043b0435043404320430044904380020043204350440044104380438002egt CHS 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 DEU 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HRV (Za stvaranje Adobe PDF dokumenata najpogodnijih za visokokvalitetni ispis prije tiskanja koristite ove postavke Stvoreni PDF dokumenti mogu se otvoriti Acrobat i Adobe Reader 50 i kasnijim verzijama) HUN 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15
24 Received Signal Strength (RSS) method
RSS 是基於訊號傳輸訊號強弱的定位技術不需調整行動終端但必須事先
測量好訊號強度與距離的關係圖[15]RSS 運作原理是利用處於不同位置的多個
基地台同時接收由行動終端發出的訊號分析其訊號強度接著根據訊號強度和
距離的對應關係可以知道行動終端與各個基地台間的距離最後利用三角定位
的方式來計算出行動終端精確的座標位置下面的圖 25 表示利用 RSS 與三角定
位的示意圖
基地站
行動終端
RSS Distance
RSS Distance
RSS Distance
圖 25RSS 定位示意圖
16
25 LANDMARC System (LC) method 表格 22 整理出 LANDMARC System (LC) 定位方法的資料其最大的優點
在於定位速度快
表格 22LANDMARC System 的定位資料
定位種類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 中
參考點建置 有(大量)
額外硬體 RFID Reader 能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
An Indoor Localization Mechanism Using Active RFID Tag[6]這篇論文提出的
方法先在定位的環境中佈建大量 RFID 標籤來當作參考點並紀錄每個參考點
與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱資訊當有新的 RFID 標籤進入定位環境中要
進行定位時該標籤與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱值拿來與參考點的訊號
強弱值比較接著判斷要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點
的位置(或靠近哪一群參考點以那一群參考點的重心位置)當作定位資訊
17
建置環境
圖 26LANDMARC 定位的環境(圖片引用[6])
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 23LANDMARC System 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference Tag 已知 無 無 無 無
Target Tag 未知 無 無 可移動 無
RFID Reader 已知 無 無 無 能計算收到
訊號的訊號
強度
18
定位方法
假設有 N台 RFID Reader 與 M 個 Reference Tag 佈建在環境中每一個
Reference Tag 都有一個訊號強度向量 = (θ1 θ2hellip θn)分別紀錄對應
N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
每一個 Target Tag 都有一個訊號強度向量 = (S1 S2hellipSn)分別紀錄
對應 N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
利用 Euclidian distance 找出哪些 Reference Tag 比較靠近 Target Tag
(21)
公式(21)中 Ej值越小表示該 Reference Tag 越靠近 Target Tag最後找出 K
個最靠近的 Reference Tag計算出這 K 個點的重心座標即是 Target Tag 的座標
位置K 值預設為 4
圖 27LANDMARC 定位的流程圖
19
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
優點
1 定位速度快
缺點
1 不容易建置且硬體建置成本不低
2 區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變所以當環境中出現障礙物時會改變原本
參考點的訊號強弱值
20
26 Area Localization Scheme (ALS) method 表格 24 整理出 Area Localization Scheme (ALS) 定位方法的資料其最大
的優點在於定位速度快與使用比較少量的參考點
表格 24ALS 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 少
參考點建置 有(數個)
額外硬體 參考點需可動態調整傳輸功率大小傳送訊號
建置成本 低
簡介
An Area Localization Scheme for Large Wireless Sensor Networks Vehicular
Technology Conference[5]的論文提出一種新的區域型定位方法以往的區域型定
位先是建置好固定不動的感測點且設定好座標位置來當作參考點接著判斷
要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點的位置(或靠近哪一
群參考點以那一群參考點的重心位置[6])當作定位資訊
而此篇論文提出的方法 Area Localization Scheme (ALS)則是一種改良後的
區域型定位和[6]相比使用相同數量的參考點卻可以達到更精確的定位效
果
21
建置環境
圖 28建置環境(圖片引用[5])
圖 28 表示一間室內的天花板四個角落各放置一個 Reference node綠色
圖示表示一般未知座標資訊的 Sensor node紫色則是一個具有計算能力的
Sensor
22
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 25ALS 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference node 已知 中 低 無 可動態調整
傳輸功率大
小傳送訊號
Sensor node 未知 無 中 可移動 無
Sink node 無 高 高 無 無
定位方法
圖 29ALS scheme with naming(圖片引用[5])
圖 29 中每一個圓形區域表示該 Reference node 發射訊號的功率範圍(EX
區域代碼 1000 表示 Reference node A 以較小的功率發設 1000 訊號區域代碼
23
20002200 表示 Reference node A 以較大的功率發設 2000 訊號)
四個 Reference node 根據自己的兩種發射功率(每個 Reference node 可以用超
過 2 種以上不同的發射功率來傳送訊號這邊僅以 2 種功率來說明)可以各自
切出 2 個圓形區域並互相交集產生 13 個不同的區域實際上交集產生的區域
可能更多但是有些區域面積太小所以就忽略該區域Sink node 負責紀錄每
一個交集區域的重心座標以及該區域的代碼重心座標的產生可以由人為定
義或是先交由其它的電腦先行計算出來
圖 210Sensor node 處理資料的流程
Sensor node 要進行定位前在自己的記憶體中產生 4 個變數LALB
LCLD四個 Reference node 依照自己的固定頻率來廣播訊號比如說在 T1 時
Reference node D 以較大的功率廣播字串rdquo0002rdquo在 T2 時 Reference node D 以較
小的功率廣播字串rdquo0001rdquo 在 T3 時 Reference node C 以較小的功率廣播字
串rdquo0010rdquo在 T4 時 Reference node C 以較大的功率廣播字串rdquo0020rdquohellip
24
Sensor node F 於 T1 收到rdquo0002rdquo設定 LD = 2
Sensor node F 於 T2 收到rdquo0001rdquo因為新的 LD 值比舊的值小所以設定 LD = 1
Sensor node F 於 T3 收不到rdquo0010rdquo
Sensor node F 於 T4 收到rdquo0020rdquo設定 LC = 2
經過一段時間之後Sensor node F 之 LALBLCLD 的值為 0021
下面的表格顯示 T1 ~ TnSensor node F 之 LALBLCLD 的值的狀態
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值
LA LB LC LD
T1 0 0 0 2
T2 0 0 0 1
T3 0 0 0 1
T4 0 0 2 1
Tn 0 0 2 1
圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink node(圖片引用[5])
25
最後 Sensor node F 將 0021 這個代碼傳送到 Sink node 查詢座標資訊
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
The number of transmitted power levels
The transmitted power at each level
優點
1 容易建置且硬體建置成本較低
2 定位速度快
3 訊息交換量較少
缺點
1 如果 Sensor node 移動的速度較快時其定位誤差勢必擴大
2 此區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變但地圖卻沒有更著動態改變
26
27 Approximation PIT Test (APIT) method 表格 271APIT 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 大區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 很慢
靜態定位精確度 普通
動態定位精確度 很差
訊息交換量 很多
參考點建置 有(大量)
額外硬體 參考點能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
簡介
Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks [1]論文的
方法是一種很有創意且不需要額外硬體設備的定位技術首先在環境中亂數
佈建已知座標位置的感測點接著這些感測點以三個點為一組形成一個三角形
所以環境中若佈建了 30 個感測點就會形成 4060 個不同的三角形區域
接著當一個要被計算定位的感測點 A 進入了環境當中利用數學上點與三
角形的特性(1)可以來判斷感測點 A 於 4060 個三角形區域中在哪些三角形
的裡面與外面把那些感測點 A 存在於三角形區域中的所有三角型留下來並
找出最大面積交集的區域此區域的重心位置就是感測點 A 的定位座標位置
圖 271 表示了整個定位的流程
缺點就是定位過程中訊息的交換量很大且定位的時間需要很久動態環
境中的定位精確度很差
27
定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA ltFEFF06270633062A062E062F0645002006470630064700200627064406250639062F0627062F0627062A002006440625064606340627062100200648062B062706260642002000410064006F00620065002000500044004600200645062A064806270641064206290020064406440637062806270639062900200641064A00200627064406450637062706280639002006300627062A0020062F0631062C0627062A002006270644062C0648062F0629002006270644063906270644064A0629061B0020064A06450643064600200641062A062D00200648062B0627062606420020005000440046002006270644064506460634062306290020062806270633062A062E062F062706450020004100630072006F0062006100740020064800410064006F006200650020005200650061006400650072002006250635062F0627063100200035002E0030002006480627064406250635062F062706310627062A0020062706440623062D062F062B002E0635062F0627063100200035002E0030002006480627064406250635062F062706310627062A0020062706440623062D062F062B002Egt BGR 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 CHS 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 ENU (Use these settings to create Adobe PDF documents best suited for high-quality prepress printing Created PDF documents can be opened with Acrobat and Adobe Reader 50 and later) gtgt Namespace [ (Adobe) (Common) (10) ] OtherNamespaces [ ltlt AsReaderSpreads false CropImagesToFrames true ErrorControl WarnAndContinue FlattenerIgnoreSpreadOverrides false IncludeGuidesGrids false IncludeNonPrinting false IncludeSlug false Namespace [ (Adobe) (InDesign) (40) ] OmitPlacedBitmaps false OmitPlacedEPS false OmitPlacedPDF false SimulateOverprint Legacy gtgt ltlt AddBleedMarks false AddColorBars false AddCropMarks false AddPageInfo false AddRegMarks false ConvertColors ConvertToCMYK DestinationProfileName () DestinationProfileSelector DocumentCMYK Downsample16BitImages true FlattenerPreset ltlt PresetSelector MediumResolution gtgt FormElements false GenerateStructure false IncludeBookmarks false IncludeHyperlinks false IncludeInteractive false IncludeLayers false IncludeProfiles false MultimediaHandling UseObjectSettings Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (20) ] PDFXOutputIntentProfileSelector DocumentCMYK PreserveEditing true UntaggedCMYKHandling LeaveUntagged UntaggedRGBHandling UseDocumentProfile UseDocumentBleed false gtgt ]gtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice
Page 18
16
25 LANDMARC System (LC) method 表格 22 整理出 LANDMARC System (LC) 定位方法的資料其最大的優點
在於定位速度快
表格 22LANDMARC System 的定位資料
定位種類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 中
參考點建置 有(大量)
額外硬體 RFID Reader 能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
An Indoor Localization Mechanism Using Active RFID Tag[6]這篇論文提出的
方法先在定位的環境中佈建大量 RFID 標籤來當作參考點並紀錄每個參考點
與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱資訊當有新的 RFID 標籤進入定位環境中要
進行定位時該標籤與 RFID 讀取器間訊號傳遞的強弱值拿來與參考點的訊號
強弱值比較接著判斷要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點
的位置(或靠近哪一群參考點以那一群參考點的重心位置)當作定位資訊
17
建置環境
圖 26LANDMARC 定位的環境(圖片引用[6])
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 23LANDMARC System 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference Tag 已知 無 無 無 無
Target Tag 未知 無 無 可移動 無
RFID Reader 已知 無 無 無 能計算收到
訊號的訊號
強度
18
定位方法
假設有 N台 RFID Reader 與 M 個 Reference Tag 佈建在環境中每一個
Reference Tag 都有一個訊號強度向量 = (θ1 θ2hellip θn)分別紀錄對應
N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
每一個 Target Tag 都有一個訊號強度向量 = (S1 S2hellipSn)分別紀錄
對應 N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
利用 Euclidian distance 找出哪些 Reference Tag 比較靠近 Target Tag
(21)
公式(21)中 Ej值越小表示該 Reference Tag 越靠近 Target Tag最後找出 K
個最靠近的 Reference Tag計算出這 K 個點的重心座標即是 Target Tag 的座標
位置K 值預設為 4
圖 27LANDMARC 定位的流程圖
19
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
優點
1 定位速度快
缺點
1 不容易建置且硬體建置成本不低
2 區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變所以當環境中出現障礙物時會改變原本
參考點的訊號強弱值
20
26 Area Localization Scheme (ALS) method 表格 24 整理出 Area Localization Scheme (ALS) 定位方法的資料其最大
的優點在於定位速度快與使用比較少量的參考點
表格 24ALS 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 少
參考點建置 有(數個)
額外硬體 參考點需可動態調整傳輸功率大小傳送訊號
建置成本 低
簡介
An Area Localization Scheme for Large Wireless Sensor Networks Vehicular
Technology Conference[5]的論文提出一種新的區域型定位方法以往的區域型定
位先是建置好固定不動的感測點且設定好座標位置來當作參考點接著判斷
要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點的位置(或靠近哪一
群參考點以那一群參考點的重心位置[6])當作定位資訊
而此篇論文提出的方法 Area Localization Scheme (ALS)則是一種改良後的
區域型定位和[6]相比使用相同數量的參考點卻可以達到更精確的定位效
果
21
建置環境
圖 28建置環境(圖片引用[5])
圖 28 表示一間室內的天花板四個角落各放置一個 Reference node綠色
圖示表示一般未知座標資訊的 Sensor node紫色則是一個具有計算能力的
Sensor
22
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 25ALS 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference node 已知 中 低 無 可動態調整
傳輸功率大
小傳送訊號
Sensor node 未知 無 中 可移動 無
Sink node 無 高 高 無 無
定位方法
圖 29ALS scheme with naming(圖片引用[5])
圖 29 中每一個圓形區域表示該 Reference node 發射訊號的功率範圍(EX
區域代碼 1000 表示 Reference node A 以較小的功率發設 1000 訊號區域代碼
23
20002200 表示 Reference node A 以較大的功率發設 2000 訊號)
四個 Reference node 根據自己的兩種發射功率(每個 Reference node 可以用超
過 2 種以上不同的發射功率來傳送訊號這邊僅以 2 種功率來說明)可以各自
切出 2 個圓形區域並互相交集產生 13 個不同的區域實際上交集產生的區域
可能更多但是有些區域面積太小所以就忽略該區域Sink node 負責紀錄每
一個交集區域的重心座標以及該區域的代碼重心座標的產生可以由人為定
義或是先交由其它的電腦先行計算出來
圖 210Sensor node 處理資料的流程
Sensor node 要進行定位前在自己的記憶體中產生 4 個變數LALB
LCLD四個 Reference node 依照自己的固定頻率來廣播訊號比如說在 T1 時
Reference node D 以較大的功率廣播字串rdquo0002rdquo在 T2 時 Reference node D 以較
小的功率廣播字串rdquo0001rdquo 在 T3 時 Reference node C 以較小的功率廣播字
串rdquo0010rdquo在 T4 時 Reference node C 以較大的功率廣播字串rdquo0020rdquohellip
24
Sensor node F 於 T1 收到rdquo0002rdquo設定 LD = 2
Sensor node F 於 T2 收到rdquo0001rdquo因為新的 LD 值比舊的值小所以設定 LD = 1
Sensor node F 於 T3 收不到rdquo0010rdquo
Sensor node F 於 T4 收到rdquo0020rdquo設定 LC = 2
經過一段時間之後Sensor node F 之 LALBLCLD 的值為 0021
下面的表格顯示 T1 ~ TnSensor node F 之 LALBLCLD 的值的狀態
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值
LA LB LC LD
T1 0 0 0 2
T2 0 0 0 1
T3 0 0 0 1
T4 0 0 2 1
Tn 0 0 2 1
圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink node(圖片引用[5])
25
最後 Sensor node F 將 0021 這個代碼傳送到 Sink node 查詢座標資訊
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
The number of transmitted power levels
The transmitted power at each level
優點
1 容易建置且硬體建置成本較低
2 定位速度快
3 訊息交換量較少
缺點
1 如果 Sensor node 移動的速度較快時其定位誤差勢必擴大
2 此區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變但地圖卻沒有更著動態改變
26
27 Approximation PIT Test (APIT) method 表格 271APIT 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 大區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 很慢
靜態定位精確度 普通
動態定位精確度 很差
訊息交換量 很多
參考點建置 有(大量)
額外硬體 參考點能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
簡介
Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks [1]論文的
方法是一種很有創意且不需要額外硬體設備的定位技術首先在環境中亂數
佈建已知座標位置的感測點接著這些感測點以三個點為一組形成一個三角形
所以環境中若佈建了 30 個感測點就會形成 4060 個不同的三角形區域
接著當一個要被計算定位的感測點 A 進入了環境當中利用數學上點與三
角形的特性(1)可以來判斷感測點 A 於 4060 個三角形區域中在哪些三角形
的裡面與外面把那些感測點 A 存在於三角形區域中的所有三角型留下來並
找出最大面積交集的區域此區域的重心位置就是感測點 A 的定位座標位置
圖 271 表示了整個定位的流程
缺點就是定位過程中訊息的交換量很大且定位的時間需要很久動態環
境中的定位精確度很差
27
定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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Sensor Networksrdquo in Proceedings of Infocom pp 1655-1633 2001
58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType 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 TUR 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 UKR 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 ENU (Use these settings to create Adobe PDF documents best suited for high-quality prepress printing Created PDF documents can be opened with Acrobat and Adobe Reader 50 and later) gtgt Namespace [ (Adobe) (Common) (10) ] OtherNamespaces [ ltlt AsReaderSpreads false CropImagesToFrames true ErrorControl WarnAndContinue FlattenerIgnoreSpreadOverrides false IncludeGuidesGrids false IncludeNonPrinting false IncludeSlug false Namespace [ (Adobe) (InDesign) (40) ] OmitPlacedBitmaps false OmitPlacedEPS false OmitPlacedPDF false SimulateOverprint Legacy gtgt ltlt AddBleedMarks false AddColorBars false AddCropMarks false AddPageInfo false AddRegMarks false ConvertColors ConvertToCMYK DestinationProfileName () DestinationProfileSelector DocumentCMYK Downsample16BitImages true FlattenerPreset ltlt PresetSelector MediumResolution gtgt FormElements false GenerateStructure false IncludeBookmarks false IncludeHyperlinks false IncludeInteractive false IncludeLayers false IncludeProfiles false MultimediaHandling UseObjectSettings Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (20) ] PDFXOutputIntentProfileSelector DocumentCMYK 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17
建置環境
圖 26LANDMARC 定位的環境(圖片引用[6])
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 23LANDMARC System 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference Tag 已知 無 無 無 無
Target Tag 未知 無 無 可移動 無
RFID Reader 已知 無 無 無 能計算收到
訊號的訊號
強度
18
定位方法
假設有 N台 RFID Reader 與 M 個 Reference Tag 佈建在環境中每一個
Reference Tag 都有一個訊號強度向量 = (θ1 θ2hellip θn)分別紀錄對應
N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
每一個 Target Tag 都有一個訊號強度向量 = (S1 S2hellipSn)分別紀錄
對應 N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
利用 Euclidian distance 找出哪些 Reference Tag 比較靠近 Target Tag
(21)
公式(21)中 Ej值越小表示該 Reference Tag 越靠近 Target Tag最後找出 K
個最靠近的 Reference Tag計算出這 K 個點的重心座標即是 Target Tag 的座標
位置K 值預設為 4
圖 27LANDMARC 定位的流程圖
19
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
優點
1 定位速度快
缺點
1 不容易建置且硬體建置成本不低
2 區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變所以當環境中出現障礙物時會改變原本
參考點的訊號強弱值
20
26 Area Localization Scheme (ALS) method 表格 24 整理出 Area Localization Scheme (ALS) 定位方法的資料其最大
的優點在於定位速度快與使用比較少量的參考點
表格 24ALS 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 少
參考點建置 有(數個)
額外硬體 參考點需可動態調整傳輸功率大小傳送訊號
建置成本 低
簡介
An Area Localization Scheme for Large Wireless Sensor Networks Vehicular
Technology Conference[5]的論文提出一種新的區域型定位方法以往的區域型定
位先是建置好固定不動的感測點且設定好座標位置來當作參考點接著判斷
要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點的位置(或靠近哪一
群參考點以那一群參考點的重心位置[6])當作定位資訊
而此篇論文提出的方法 Area Localization Scheme (ALS)則是一種改良後的
區域型定位和[6]相比使用相同數量的參考點卻可以達到更精確的定位效
果
21
建置環境
圖 28建置環境(圖片引用[5])
圖 28 表示一間室內的天花板四個角落各放置一個 Reference node綠色
圖示表示一般未知座標資訊的 Sensor node紫色則是一個具有計算能力的
Sensor
22
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 25ALS 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference node 已知 中 低 無 可動態調整
傳輸功率大
小傳送訊號
Sensor node 未知 無 中 可移動 無
Sink node 無 高 高 無 無
定位方法
圖 29ALS scheme with naming(圖片引用[5])
圖 29 中每一個圓形區域表示該 Reference node 發射訊號的功率範圍(EX
區域代碼 1000 表示 Reference node A 以較小的功率發設 1000 訊號區域代碼
23
20002200 表示 Reference node A 以較大的功率發設 2000 訊號)
四個 Reference node 根據自己的兩種發射功率(每個 Reference node 可以用超
過 2 種以上不同的發射功率來傳送訊號這邊僅以 2 種功率來說明)可以各自
切出 2 個圓形區域並互相交集產生 13 個不同的區域實際上交集產生的區域
可能更多但是有些區域面積太小所以就忽略該區域Sink node 負責紀錄每
一個交集區域的重心座標以及該區域的代碼重心座標的產生可以由人為定
義或是先交由其它的電腦先行計算出來
圖 210Sensor node 處理資料的流程
Sensor node 要進行定位前在自己的記憶體中產生 4 個變數LALB
LCLD四個 Reference node 依照自己的固定頻率來廣播訊號比如說在 T1 時
Reference node D 以較大的功率廣播字串rdquo0002rdquo在 T2 時 Reference node D 以較
小的功率廣播字串rdquo0001rdquo 在 T3 時 Reference node C 以較小的功率廣播字
串rdquo0010rdquo在 T4 時 Reference node C 以較大的功率廣播字串rdquo0020rdquohellip
24
Sensor node F 於 T1 收到rdquo0002rdquo設定 LD = 2
Sensor node F 於 T2 收到rdquo0001rdquo因為新的 LD 值比舊的值小所以設定 LD = 1
Sensor node F 於 T3 收不到rdquo0010rdquo
Sensor node F 於 T4 收到rdquo0020rdquo設定 LC = 2
經過一段時間之後Sensor node F 之 LALBLCLD 的值為 0021
下面的表格顯示 T1 ~ TnSensor node F 之 LALBLCLD 的值的狀態
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值
LA LB LC LD
T1 0 0 0 2
T2 0 0 0 1
T3 0 0 0 1
T4 0 0 2 1
Tn 0 0 2 1
圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink node(圖片引用[5])
25
最後 Sensor node F 將 0021 這個代碼傳送到 Sink node 查詢座標資訊
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
The number of transmitted power levels
The transmitted power at each level
優點
1 容易建置且硬體建置成本較低
2 定位速度快
3 訊息交換量較少
缺點
1 如果 Sensor node 移動的速度較快時其定位誤差勢必擴大
2 此區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變但地圖卻沒有更著動態改變
26
27 Approximation PIT Test (APIT) method 表格 271APIT 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 大區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 很慢
靜態定位精確度 普通
動態定位精確度 很差
訊息交換量 很多
參考點建置 有(大量)
額外硬體 參考點能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
簡介
Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks [1]論文的
方法是一種很有創意且不需要額外硬體設備的定位技術首先在環境中亂數
佈建已知座標位置的感測點接著這些感測點以三個點為一組形成一個三角形
所以環境中若佈建了 30 個感測點就會形成 4060 個不同的三角形區域
接著當一個要被計算定位的感測點 A 進入了環境當中利用數學上點與三
角形的特性(1)可以來判斷感測點 A 於 4060 個三角形區域中在哪些三角形
的裡面與外面把那些感測點 A 存在於三角形區域中的所有三角型留下來並
找出最大面積交集的區域此區域的重心位置就是感測點 A 的定位座標位置
圖 271 表示了整個定位的流程
缺點就是定位過程中訊息的交換量很大且定位的時間需要很久動態環
境中的定位精確度很差
27
定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 BGR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE 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 DAN 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HRV (Za stvaranje Adobe PDF dokumenata najpogodnijih za visokokvalitetni ispis prije tiskanja koristite ove postavke Stvoreni PDF dokumenti mogu se otvoriti Acrobat i Adobe Reader 50 i kasnijim verzijama) HUN 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18
定位方法
假設有 N台 RFID Reader 與 M 個 Reference Tag 佈建在環境中每一個
Reference Tag 都有一個訊號強度向量 = (θ1 θ2hellip θn)分別紀錄對應
N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
每一個 Target Tag 都有一個訊號強度向量 = (S1 S2hellipSn)分別紀錄
對應 N台 RFID Reader 傳送資料的訊號強度
利用 Euclidian distance 找出哪些 Reference Tag 比較靠近 Target Tag
(21)
公式(21)中 Ej值越小表示該 Reference Tag 越靠近 Target Tag最後找出 K
個最靠近的 Reference Tag計算出這 K 個點的重心座標即是 Target Tag 的座標
位置K 值預設為 4
圖 27LANDMARC 定位的流程圖
19
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
優點
1 定位速度快
缺點
1 不容易建置且硬體建置成本不低
2 區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變所以當環境中出現障礙物時會改變原本
參考點的訊號強弱值
20
26 Area Localization Scheme (ALS) method 表格 24 整理出 Area Localization Scheme (ALS) 定位方法的資料其最大
的優點在於定位速度快與使用比較少量的參考點
表格 24ALS 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 少
參考點建置 有(數個)
額外硬體 參考點需可動態調整傳輸功率大小傳送訊號
建置成本 低
簡介
An Area Localization Scheme for Large Wireless Sensor Networks Vehicular
Technology Conference[5]的論文提出一種新的區域型定位方法以往的區域型定
位先是建置好固定不動的感測點且設定好座標位置來當作參考點接著判斷
要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點的位置(或靠近哪一
群參考點以那一群參考點的重心位置[6])當作定位資訊
而此篇論文提出的方法 Area Localization Scheme (ALS)則是一種改良後的
區域型定位和[6]相比使用相同數量的參考點卻可以達到更精確的定位效
果
21
建置環境
圖 28建置環境(圖片引用[5])
圖 28 表示一間室內的天花板四個角落各放置一個 Reference node綠色
圖示表示一般未知座標資訊的 Sensor node紫色則是一個具有計算能力的
Sensor
22
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 25ALS 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference node 已知 中 低 無 可動態調整
傳輸功率大
小傳送訊號
Sensor node 未知 無 中 可移動 無
Sink node 無 高 高 無 無
定位方法
圖 29ALS scheme with naming(圖片引用[5])
圖 29 中每一個圓形區域表示該 Reference node 發射訊號的功率範圍(EX
區域代碼 1000 表示 Reference node A 以較小的功率發設 1000 訊號區域代碼
23
20002200 表示 Reference node A 以較大的功率發設 2000 訊號)
四個 Reference node 根據自己的兩種發射功率(每個 Reference node 可以用超
過 2 種以上不同的發射功率來傳送訊號這邊僅以 2 種功率來說明)可以各自
切出 2 個圓形區域並互相交集產生 13 個不同的區域實際上交集產生的區域
可能更多但是有些區域面積太小所以就忽略該區域Sink node 負責紀錄每
一個交集區域的重心座標以及該區域的代碼重心座標的產生可以由人為定
義或是先交由其它的電腦先行計算出來
圖 210Sensor node 處理資料的流程
Sensor node 要進行定位前在自己的記憶體中產生 4 個變數LALB
LCLD四個 Reference node 依照自己的固定頻率來廣播訊號比如說在 T1 時
Reference node D 以較大的功率廣播字串rdquo0002rdquo在 T2 時 Reference node D 以較
小的功率廣播字串rdquo0001rdquo 在 T3 時 Reference node C 以較小的功率廣播字
串rdquo0010rdquo在 T4 時 Reference node C 以較大的功率廣播字串rdquo0020rdquohellip
24
Sensor node F 於 T1 收到rdquo0002rdquo設定 LD = 2
Sensor node F 於 T2 收到rdquo0001rdquo因為新的 LD 值比舊的值小所以設定 LD = 1
Sensor node F 於 T3 收不到rdquo0010rdquo
Sensor node F 於 T4 收到rdquo0020rdquo設定 LC = 2
經過一段時間之後Sensor node F 之 LALBLCLD 的值為 0021
下面的表格顯示 T1 ~ TnSensor node F 之 LALBLCLD 的值的狀態
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值
LA LB LC LD
T1 0 0 0 2
T2 0 0 0 1
T3 0 0 0 1
T4 0 0 2 1
Tn 0 0 2 1
圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink node(圖片引用[5])
25
最後 Sensor node F 將 0021 這個代碼傳送到 Sink node 查詢座標資訊
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
The number of transmitted power levels
The transmitted power at each level
優點
1 容易建置且硬體建置成本較低
2 定位速度快
3 訊息交換量較少
缺點
1 如果 Sensor node 移動的速度較快時其定位誤差勢必擴大
2 此區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變但地圖卻沒有更著動態改變
26
27 Approximation PIT Test (APIT) method 表格 271APIT 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 大區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 很慢
靜態定位精確度 普通
動態定位精確度 很差
訊息交換量 很多
參考點建置 有(大量)
額外硬體 參考點能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
簡介
Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks [1]論文的
方法是一種很有創意且不需要額外硬體設備的定位技術首先在環境中亂數
佈建已知座標位置的感測點接著這些感測點以三個點為一組形成一個三角形
所以環境中若佈建了 30 個感測點就會形成 4060 個不同的三角形區域
接著當一個要被計算定位的感測點 A 進入了環境當中利用數學上點與三
角形的特性(1)可以來判斷感測點 A 於 4060 個三角形區域中在哪些三角形
的裡面與外面把那些感測點 A 存在於三角形區域中的所有三角型留下來並
找出最大面積交集的區域此區域的重心位置就是感測點 A 的定位座標位置
圖 271 表示了整個定位的流程
缺點就是定位過程中訊息的交換量很大且定位的時間需要很久動態環
境中的定位精確度很差
27
定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA ltFEFF06270633062A062E062F0645002006470630064700200627064406250639062F0627062F0627062A002006440625064606340627062100200648062B062706260642002000410064006F00620065002000500044004600200645062A064806270641064206290020064406440637062806270639062900200641064A00200627064406450637062706280639002006300627062A0020062F0631062C0627062A002006270644062C0648062F0629002006270644063906270644064A0629061B0020064A06450643064600200641062A062D00200648062B0627062606420020005000440046002006270644064506460634062306290020062806270633062A062E062F062706450020004100630072006F0062006100740020064800410064006F006200650020005200650061006400650072002006250635062F0627063100200035002E0030002006480627064406250635062F062706310627062A0020062706440623062D062F062B002E0635062F0627063100200035002E0030002006480627064406250635062F062706310627062A0020062706440623062D062F062B002Egt BGR 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 CHS 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 ENU (Use these settings to create Adobe PDF documents best suited for high-quality prepress printing Created PDF documents can be opened with Acrobat and Adobe Reader 50 and later) gtgt Namespace [ (Adobe) (Common) (10) ] OtherNamespaces [ ltlt AsReaderSpreads false CropImagesToFrames true ErrorControl WarnAndContinue FlattenerIgnoreSpreadOverrides false IncludeGuidesGrids false IncludeNonPrinting false IncludeSlug false Namespace [ (Adobe) (InDesign) (40) ] OmitPlacedBitmaps false OmitPlacedEPS false OmitPlacedPDF false SimulateOverprint Legacy gtgt ltlt AddBleedMarks false AddColorBars false AddCropMarks false AddPageInfo false AddRegMarks false ConvertColors ConvertToCMYK DestinationProfileName () DestinationProfileSelector DocumentCMYK Downsample16BitImages true FlattenerPreset ltlt PresetSelector MediumResolution gtgt FormElements false GenerateStructure false IncludeBookmarks false IncludeHyperlinks false IncludeInteractive false IncludeLayers false IncludeProfiles false MultimediaHandling UseObjectSettings Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (20) ] PDFXOutputIntentProfileSelector DocumentCMYK PreserveEditing true UntaggedCMYKHandling LeaveUntagged UntaggedRGBHandling UseDocumentProfile UseDocumentBleed false gtgt ]gtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice
Page 21
19
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
優點
1 定位速度快
缺點
1 不容易建置且硬體建置成本不低
2 區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變所以當環境中出現障礙物時會改變原本
參考點的訊號強弱值
20
26 Area Localization Scheme (ALS) method 表格 24 整理出 Area Localization Scheme (ALS) 定位方法的資料其最大
的優點在於定位速度快與使用比較少量的參考點
表格 24ALS 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 少
參考點建置 有(數個)
額外硬體 參考點需可動態調整傳輸功率大小傳送訊號
建置成本 低
簡介
An Area Localization Scheme for Large Wireless Sensor Networks Vehicular
Technology Conference[5]的論文提出一種新的區域型定位方法以往的區域型定
位先是建置好固定不動的感測點且設定好座標位置來當作參考點接著判斷
要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點的位置(或靠近哪一
群參考點以那一群參考點的重心位置[6])當作定位資訊
而此篇論文提出的方法 Area Localization Scheme (ALS)則是一種改良後的
區域型定位和[6]相比使用相同數量的參考點卻可以達到更精確的定位效
果
21
建置環境
圖 28建置環境(圖片引用[5])
圖 28 表示一間室內的天花板四個角落各放置一個 Reference node綠色
圖示表示一般未知座標資訊的 Sensor node紫色則是一個具有計算能力的
Sensor
22
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 25ALS 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference node 已知 中 低 無 可動態調整
傳輸功率大
小傳送訊號
Sensor node 未知 無 中 可移動 無
Sink node 無 高 高 無 無
定位方法
圖 29ALS scheme with naming(圖片引用[5])
圖 29 中每一個圓形區域表示該 Reference node 發射訊號的功率範圍(EX
區域代碼 1000 表示 Reference node A 以較小的功率發設 1000 訊號區域代碼
23
20002200 表示 Reference node A 以較大的功率發設 2000 訊號)
四個 Reference node 根據自己的兩種發射功率(每個 Reference node 可以用超
過 2 種以上不同的發射功率來傳送訊號這邊僅以 2 種功率來說明)可以各自
切出 2 個圓形區域並互相交集產生 13 個不同的區域實際上交集產生的區域
可能更多但是有些區域面積太小所以就忽略該區域Sink node 負責紀錄每
一個交集區域的重心座標以及該區域的代碼重心座標的產生可以由人為定
義或是先交由其它的電腦先行計算出來
圖 210Sensor node 處理資料的流程
Sensor node 要進行定位前在自己的記憶體中產生 4 個變數LALB
LCLD四個 Reference node 依照自己的固定頻率來廣播訊號比如說在 T1 時
Reference node D 以較大的功率廣播字串rdquo0002rdquo在 T2 時 Reference node D 以較
小的功率廣播字串rdquo0001rdquo 在 T3 時 Reference node C 以較小的功率廣播字
串rdquo0010rdquo在 T4 時 Reference node C 以較大的功率廣播字串rdquo0020rdquohellip
24
Sensor node F 於 T1 收到rdquo0002rdquo設定 LD = 2
Sensor node F 於 T2 收到rdquo0001rdquo因為新的 LD 值比舊的值小所以設定 LD = 1
Sensor node F 於 T3 收不到rdquo0010rdquo
Sensor node F 於 T4 收到rdquo0020rdquo設定 LC = 2
經過一段時間之後Sensor node F 之 LALBLCLD 的值為 0021
下面的表格顯示 T1 ~ TnSensor node F 之 LALBLCLD 的值的狀態
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值
LA LB LC LD
T1 0 0 0 2
T2 0 0 0 1
T3 0 0 0 1
T4 0 0 2 1
Tn 0 0 2 1
圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink node(圖片引用[5])
25
最後 Sensor node F 將 0021 這個代碼傳送到 Sink node 查詢座標資訊
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
The number of transmitted power levels
The transmitted power at each level
優點
1 容易建置且硬體建置成本較低
2 定位速度快
3 訊息交換量較少
缺點
1 如果 Sensor node 移動的速度較快時其定位誤差勢必擴大
2 此區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變但地圖卻沒有更著動態改變
26
27 Approximation PIT Test (APIT) method 表格 271APIT 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 大區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 很慢
靜態定位精確度 普通
動態定位精確度 很差
訊息交換量 很多
參考點建置 有(大量)
額外硬體 參考點能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
簡介
Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks [1]論文的
方法是一種很有創意且不需要額外硬體設備的定位技術首先在環境中亂數
佈建已知座標位置的感測點接著這些感測點以三個點為一組形成一個三角形
所以環境中若佈建了 30 個感測點就會形成 4060 個不同的三角形區域
接著當一個要被計算定位的感測點 A 進入了環境當中利用數學上點與三
角形的特性(1)可以來判斷感測點 A 於 4060 個三角形區域中在哪些三角形
的裡面與外面把那些感測點 A 存在於三角形區域中的所有三角型留下來並
找出最大面積交集的區域此區域的重心位置就是感測點 A 的定位座標位置
圖 271 表示了整個定位的流程
缺點就是定位過程中訊息的交換量很大且定位的時間需要很久動態環
境中的定位精確度很差
27
定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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Sensor Networksrdquo in Proceedings of Infocom pp 1655-1633 2001
58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true 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 TUR 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 UKR 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 ENU (Use these settings to create Adobe PDF documents best suited for high-quality prepress printing Created PDF documents 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20
26 Area Localization Scheme (ALS) method 表格 24 整理出 Area Localization Scheme (ALS) 定位方法的資料其最大
的優點在於定位速度快與使用比較少量的參考點
表格 24ALS 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 小區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 快
靜態定位精確度 差
動態定位精確度 差
訊息交換量 少
參考點建置 有(數個)
額外硬體 參考點需可動態調整傳輸功率大小傳送訊號
建置成本 低
簡介
An Area Localization Scheme for Large Wireless Sensor Networks Vehicular
Technology Conference[5]的論文提出一種新的區域型定位方法以往的區域型定
位先是建置好固定不動的感測點且設定好座標位置來當作參考點接著判斷
要進行定位的感測器靠近那一個參考點以那一個參考點的位置(或靠近哪一
群參考點以那一群參考點的重心位置[6])當作定位資訊
而此篇論文提出的方法 Area Localization Scheme (ALS)則是一種改良後的
區域型定位和[6]相比使用相同數量的參考點卻可以達到更精確的定位效
果
21
建置環境
圖 28建置環境(圖片引用[5])
圖 28 表示一間室內的天花板四個角落各放置一個 Reference node綠色
圖示表示一般未知座標資訊的 Sensor node紫色則是一個具有計算能力的
Sensor
22
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 25ALS 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference node 已知 中 低 無 可動態調整
傳輸功率大
小傳送訊號
Sensor node 未知 無 中 可移動 無
Sink node 無 高 高 無 無
定位方法
圖 29ALS scheme with naming(圖片引用[5])
圖 29 中每一個圓形區域表示該 Reference node 發射訊號的功率範圍(EX
區域代碼 1000 表示 Reference node A 以較小的功率發設 1000 訊號區域代碼
23
20002200 表示 Reference node A 以較大的功率發設 2000 訊號)
四個 Reference node 根據自己的兩種發射功率(每個 Reference node 可以用超
過 2 種以上不同的發射功率來傳送訊號這邊僅以 2 種功率來說明)可以各自
切出 2 個圓形區域並互相交集產生 13 個不同的區域實際上交集產生的區域
可能更多但是有些區域面積太小所以就忽略該區域Sink node 負責紀錄每
一個交集區域的重心座標以及該區域的代碼重心座標的產生可以由人為定
義或是先交由其它的電腦先行計算出來
圖 210Sensor node 處理資料的流程
Sensor node 要進行定位前在自己的記憶體中產生 4 個變數LALB
LCLD四個 Reference node 依照自己的固定頻率來廣播訊號比如說在 T1 時
Reference node D 以較大的功率廣播字串rdquo0002rdquo在 T2 時 Reference node D 以較
小的功率廣播字串rdquo0001rdquo 在 T3 時 Reference node C 以較小的功率廣播字
串rdquo0010rdquo在 T4 時 Reference node C 以較大的功率廣播字串rdquo0020rdquohellip
24
Sensor node F 於 T1 收到rdquo0002rdquo設定 LD = 2
Sensor node F 於 T2 收到rdquo0001rdquo因為新的 LD 值比舊的值小所以設定 LD = 1
Sensor node F 於 T3 收不到rdquo0010rdquo
Sensor node F 於 T4 收到rdquo0020rdquo設定 LC = 2
經過一段時間之後Sensor node F 之 LALBLCLD 的值為 0021
下面的表格顯示 T1 ~ TnSensor node F 之 LALBLCLD 的值的狀態
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值
LA LB LC LD
T1 0 0 0 2
T2 0 0 0 1
T3 0 0 0 1
T4 0 0 2 1
Tn 0 0 2 1
圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink node(圖片引用[5])
25
最後 Sensor node F 將 0021 這個代碼傳送到 Sink node 查詢座標資訊
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
The number of transmitted power levels
The transmitted power at each level
優點
1 容易建置且硬體建置成本較低
2 定位速度快
3 訊息交換量較少
缺點
1 如果 Sensor node 移動的速度較快時其定位誤差勢必擴大
2 此區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變但地圖卻沒有更著動態改變
26
27 Approximation PIT Test (APIT) method 表格 271APIT 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 大區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 很慢
靜態定位精確度 普通
動態定位精確度 很差
訊息交換量 很多
參考點建置 有(大量)
額外硬體 參考點能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
簡介
Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks [1]論文的
方法是一種很有創意且不需要額外硬體設備的定位技術首先在環境中亂數
佈建已知座標位置的感測點接著這些感測點以三個點為一組形成一個三角形
所以環境中若佈建了 30 個感測點就會形成 4060 個不同的三角形區域
接著當一個要被計算定位的感測點 A 進入了環境當中利用數學上點與三
角形的特性(1)可以來判斷感測點 A 於 4060 個三角形區域中在哪些三角形
的裡面與外面把那些感測點 A 存在於三角形區域中的所有三角型留下來並
找出最大面積交集的區域此區域的重心位置就是感測點 A 的定位座標位置
圖 271 表示了整個定位的流程
缺點就是定位過程中訊息的交換量很大且定位的時間需要很久動態環
境中的定位精確度很差
27
定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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Sensor Networksrdquo in Proceedings of Infocom pp 1655-1633 2001
58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 BGR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE ltFEFF005400610074006f0020006e006100730074006100760065006e00ed00200070006f0075017e0069006a007400650020006b0020007600790074007600e101590065006e00ed00200064006f006b0075006d0065006e0074016f002000410064006f006200650020005000440046002c0020006b00740065007200e90020007300650020006e0065006a006c00e90070006500200068006f006400ed002000700072006f0020006b00760061006c00690074006e00ed0020007400690073006b00200061002000700072006500700072006500730073002e002000200056007900740076006f01590065006e00e900200064006f006b0075006d0065006e007400790020005000440046002000620075006400650020006d006f017e006e00e90020006f007400650076015900ed007400200076002000700072006f006700720061006d0065006300680020004100630072006f00620061007400200061002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e0030002000610020006e006f0076011b006a016100ed00630068002egt DAN 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 DEU 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HRV (Za stvaranje Adobe PDF dokumenata najpogodnijih za visokokvalitetni ispis prije tiskanja koristite ove postavke Stvoreni PDF dokumenti mogu se otvoriti Acrobat i Adobe Reader 50 i kasnijim verzijama) HUN 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21
建置環境
圖 28建置環境(圖片引用[5])
圖 28 表示一間室內的天花板四個角落各放置一個 Reference node綠色
圖示表示一般未知座標資訊的 Sensor node紫色則是一個具有計算能力的
Sensor
22
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 25ALS 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference node 已知 中 低 無 可動態調整
傳輸功率大
小傳送訊號
Sensor node 未知 無 中 可移動 無
Sink node 無 高 高 無 無
定位方法
圖 29ALS scheme with naming(圖片引用[5])
圖 29 中每一個圓形區域表示該 Reference node 發射訊號的功率範圍(EX
區域代碼 1000 表示 Reference node A 以較小的功率發設 1000 訊號區域代碼
23
20002200 表示 Reference node A 以較大的功率發設 2000 訊號)
四個 Reference node 根據自己的兩種發射功率(每個 Reference node 可以用超
過 2 種以上不同的發射功率來傳送訊號這邊僅以 2 種功率來說明)可以各自
切出 2 個圓形區域並互相交集產生 13 個不同的區域實際上交集產生的區域
可能更多但是有些區域面積太小所以就忽略該區域Sink node 負責紀錄每
一個交集區域的重心座標以及該區域的代碼重心座標的產生可以由人為定
義或是先交由其它的電腦先行計算出來
圖 210Sensor node 處理資料的流程
Sensor node 要進行定位前在自己的記憶體中產生 4 個變數LALB
LCLD四個 Reference node 依照自己的固定頻率來廣播訊號比如說在 T1 時
Reference node D 以較大的功率廣播字串rdquo0002rdquo在 T2 時 Reference node D 以較
小的功率廣播字串rdquo0001rdquo 在 T3 時 Reference node C 以較小的功率廣播字
串rdquo0010rdquo在 T4 時 Reference node C 以較大的功率廣播字串rdquo0020rdquohellip
24
Sensor node F 於 T1 收到rdquo0002rdquo設定 LD = 2
Sensor node F 於 T2 收到rdquo0001rdquo因為新的 LD 值比舊的值小所以設定 LD = 1
Sensor node F 於 T3 收不到rdquo0010rdquo
Sensor node F 於 T4 收到rdquo0020rdquo設定 LC = 2
經過一段時間之後Sensor node F 之 LALBLCLD 的值為 0021
下面的表格顯示 T1 ~ TnSensor node F 之 LALBLCLD 的值的狀態
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值
LA LB LC LD
T1 0 0 0 2
T2 0 0 0 1
T3 0 0 0 1
T4 0 0 2 1
Tn 0 0 2 1
圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink node(圖片引用[5])
25
最後 Sensor node F 將 0021 這個代碼傳送到 Sink node 查詢座標資訊
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
The number of transmitted power levels
The transmitted power at each level
優點
1 容易建置且硬體建置成本較低
2 定位速度快
3 訊息交換量較少
缺點
1 如果 Sensor node 移動的速度較快時其定位誤差勢必擴大
2 此區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變但地圖卻沒有更著動態改變
26
27 Approximation PIT Test (APIT) method 表格 271APIT 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 大區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 很慢
靜態定位精確度 普通
動態定位精確度 很差
訊息交換量 很多
參考點建置 有(大量)
額外硬體 參考點能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
簡介
Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks [1]論文的
方法是一種很有創意且不需要額外硬體設備的定位技術首先在環境中亂數
佈建已知座標位置的感測點接著這些感測點以三個點為一組形成一個三角形
所以環境中若佈建了 30 個感測點就會形成 4060 個不同的三角形區域
接著當一個要被計算定位的感測點 A 進入了環境當中利用數學上點與三
角形的特性(1)可以來判斷感測點 A 於 4060 個三角形區域中在哪些三角形
的裡面與外面把那些感測點 A 存在於三角形區域中的所有三角型留下來並
找出最大面積交集的區域此區域的重心位置就是感測點 A 的定位座標位置
圖 271 表示了整個定位的流程
缺點就是定位過程中訊息的交換量很大且定位的時間需要很久動態環
境中的定位精確度很差
27
定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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Sensor Networksrdquo in Proceedings of Infocom pp 1655-1633 2001
58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 BGR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE 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 ENU (Use these settings to create Adobe PDF documents best suited for high-quality prepress printing Created PDF documents can be opened with Acrobat and Adobe Reader 50 and later) gtgt Namespace [ (Adobe) (Common) (10) ] OtherNamespaces [ ltlt AsReaderSpreads false CropImagesToFrames true ErrorControl WarnAndContinue FlattenerIgnoreSpreadOverrides false IncludeGuidesGrids false IncludeNonPrinting false IncludeSlug false Namespace [ (Adobe) (InDesign) (40) ] OmitPlacedBitmaps false OmitPlacedEPS false OmitPlacedPDF false SimulateOverprint Legacy gtgt ltlt AddBleedMarks false AddColorBars false AddCropMarks false AddPageInfo false AddRegMarks false ConvertColors ConvertToCMYK DestinationProfileName () DestinationProfileSelector DocumentCMYK Downsample16BitImages true FlattenerPreset ltlt PresetSelector MediumResolution gtgt FormElements false GenerateStructure false IncludeBookmarks false IncludeHyperlinks false IncludeInteractive false IncludeLayers false IncludeProfiles false MultimediaHandling UseObjectSettings Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (20) ] PDFXOutputIntentProfileSelector DocumentCMYK 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Page 24
22
下面的表格顯示出這三種不同感測器的特性
表格 25ALS 感測器的特性
項目 定位資訊 計算能力 儲存能力 移動能力 額外硬體
Reference node 已知 中 低 無 可動態調整
傳輸功率大
小傳送訊號
Sensor node 未知 無 中 可移動 無
Sink node 無 高 高 無 無
定位方法
圖 29ALS scheme with naming(圖片引用[5])
圖 29 中每一個圓形區域表示該 Reference node 發射訊號的功率範圍(EX
區域代碼 1000 表示 Reference node A 以較小的功率發設 1000 訊號區域代碼
23
20002200 表示 Reference node A 以較大的功率發設 2000 訊號)
四個 Reference node 根據自己的兩種發射功率(每個 Reference node 可以用超
過 2 種以上不同的發射功率來傳送訊號這邊僅以 2 種功率來說明)可以各自
切出 2 個圓形區域並互相交集產生 13 個不同的區域實際上交集產生的區域
可能更多但是有些區域面積太小所以就忽略該區域Sink node 負責紀錄每
一個交集區域的重心座標以及該區域的代碼重心座標的產生可以由人為定
義或是先交由其它的電腦先行計算出來
圖 210Sensor node 處理資料的流程
Sensor node 要進行定位前在自己的記憶體中產生 4 個變數LALB
LCLD四個 Reference node 依照自己的固定頻率來廣播訊號比如說在 T1 時
Reference node D 以較大的功率廣播字串rdquo0002rdquo在 T2 時 Reference node D 以較
小的功率廣播字串rdquo0001rdquo 在 T3 時 Reference node C 以較小的功率廣播字
串rdquo0010rdquo在 T4 時 Reference node C 以較大的功率廣播字串rdquo0020rdquohellip
24
Sensor node F 於 T1 收到rdquo0002rdquo設定 LD = 2
Sensor node F 於 T2 收到rdquo0001rdquo因為新的 LD 值比舊的值小所以設定 LD = 1
Sensor node F 於 T3 收不到rdquo0010rdquo
Sensor node F 於 T4 收到rdquo0020rdquo設定 LC = 2
經過一段時間之後Sensor node F 之 LALBLCLD 的值為 0021
下面的表格顯示 T1 ~ TnSensor node F 之 LALBLCLD 的值的狀態
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值
LA LB LC LD
T1 0 0 0 2
T2 0 0 0 1
T3 0 0 0 1
T4 0 0 2 1
Tn 0 0 2 1
圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink node(圖片引用[5])
25
最後 Sensor node F 將 0021 這個代碼傳送到 Sink node 查詢座標資訊
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
The number of transmitted power levels
The transmitted power at each level
優點
1 容易建置且硬體建置成本較低
2 定位速度快
3 訊息交換量較少
缺點
1 如果 Sensor node 移動的速度較快時其定位誤差勢必擴大
2 此區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變但地圖卻沒有更著動態改變
26
27 Approximation PIT Test (APIT) method 表格 271APIT 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 大區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 很慢
靜態定位精確度 普通
動態定位精確度 很差
訊息交換量 很多
參考點建置 有(大量)
額外硬體 參考點能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
簡介
Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks [1]論文的
方法是一種很有創意且不需要額外硬體設備的定位技術首先在環境中亂數
佈建已知座標位置的感測點接著這些感測點以三個點為一組形成一個三角形
所以環境中若佈建了 30 個感測點就會形成 4060 個不同的三角形區域
接著當一個要被計算定位的感測點 A 進入了環境當中利用數學上點與三
角形的特性(1)可以來判斷感測點 A 於 4060 個三角形區域中在哪些三角形
的裡面與外面把那些感測點 A 存在於三角形區域中的所有三角型留下來並
找出最大面積交集的區域此區域的重心位置就是感測點 A 的定位座標位置
圖 271 表示了整個定位的流程
缺點就是定位過程中訊息的交換量很大且定位的時間需要很久動態環
境中的定位精確度很差
27
定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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57
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Sensor Networksrdquo in Proceedings of Infocom pp 1655-1633 2001
58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true 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 TUR 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 UKR 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 ENU (Use these settings to create Adobe PDF documents best suited for high-quality prepress printing Created PDF documents 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23
20002200 表示 Reference node A 以較大的功率發設 2000 訊號)
四個 Reference node 根據自己的兩種發射功率(每個 Reference node 可以用超
過 2 種以上不同的發射功率來傳送訊號這邊僅以 2 種功率來說明)可以各自
切出 2 個圓形區域並互相交集產生 13 個不同的區域實際上交集產生的區域
可能更多但是有些區域面積太小所以就忽略該區域Sink node 負責紀錄每
一個交集區域的重心座標以及該區域的代碼重心座標的產生可以由人為定
義或是先交由其它的電腦先行計算出來
圖 210Sensor node 處理資料的流程
Sensor node 要進行定位前在自己的記憶體中產生 4 個變數LALB
LCLD四個 Reference node 依照自己的固定頻率來廣播訊號比如說在 T1 時
Reference node D 以較大的功率廣播字串rdquo0002rdquo在 T2 時 Reference node D 以較
小的功率廣播字串rdquo0001rdquo 在 T3 時 Reference node C 以較小的功率廣播字
串rdquo0010rdquo在 T4 時 Reference node C 以較大的功率廣播字串rdquo0020rdquohellip
24
Sensor node F 於 T1 收到rdquo0002rdquo設定 LD = 2
Sensor node F 於 T2 收到rdquo0001rdquo因為新的 LD 值比舊的值小所以設定 LD = 1
Sensor node F 於 T3 收不到rdquo0010rdquo
Sensor node F 於 T4 收到rdquo0020rdquo設定 LC = 2
經過一段時間之後Sensor node F 之 LALBLCLD 的值為 0021
下面的表格顯示 T1 ~ TnSensor node F 之 LALBLCLD 的值的狀態
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值
LA LB LC LD
T1 0 0 0 2
T2 0 0 0 1
T3 0 0 0 1
T4 0 0 2 1
Tn 0 0 2 1
圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink node(圖片引用[5])
25
最後 Sensor node F 將 0021 這個代碼傳送到 Sink node 查詢座標資訊
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
The number of transmitted power levels
The transmitted power at each level
優點
1 容易建置且硬體建置成本較低
2 定位速度快
3 訊息交換量較少
缺點
1 如果 Sensor node 移動的速度較快時其定位誤差勢必擴大
2 此區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變但地圖卻沒有更著動態改變
26
27 Approximation PIT Test (APIT) method 表格 271APIT 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 大區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 很慢
靜態定位精確度 普通
動態定位精確度 很差
訊息交換量 很多
參考點建置 有(大量)
額外硬體 參考點能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
簡介
Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks [1]論文的
方法是一種很有創意且不需要額外硬體設備的定位技術首先在環境中亂數
佈建已知座標位置的感測點接著這些感測點以三個點為一組形成一個三角形
所以環境中若佈建了 30 個感測點就會形成 4060 個不同的三角形區域
接著當一個要被計算定位的感測點 A 進入了環境當中利用數學上點與三
角形的特性(1)可以來判斷感測點 A 於 4060 個三角形區域中在哪些三角形
的裡面與外面把那些感測點 A 存在於三角形區域中的所有三角型留下來並
找出最大面積交集的區域此區域的重心位置就是感測點 A 的定位座標位置
圖 271 表示了整個定位的流程
缺點就是定位過程中訊息的交換量很大且定位的時間需要很久動態環
境中的定位精確度很差
27
定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
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第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 CHS 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 DEU 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HRV (Za stvaranje Adobe PDF dokumenata najpogodnijih za visokokvalitetni ispis prije tiskanja koristite ove postavke Stvoreni PDF dokumenti mogu se otvoriti Acrobat i Adobe Reader 50 i kasnijim verzijama) HUN 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ltFEFF005900fc006b00730065006b0020006b0061006c006900740065006c0069002000f6006e002000790061007a006401310072006d00610020006200610073006b013100730131006e006100200065006e0020006900790069002000750079006100620069006c006500630065006b002000410064006f006200650020005000440046002000620065006c00670065006c0065007200690020006f006c0075015f007400750072006d0061006b0020006900e70069006e00200062007500200061007900610072006c0061007201310020006b0075006c006c0061006e0131006e002e00200020004f006c0075015f0074007500720075006c0061006e0020005000440046002000620065006c00670065006c0065007200690020004100630072006f006200610074002000760065002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000200076006500200073006f006e0072006100730131006e00640061006b00690020007300fc007200fc006d006c00650072006c00650020006100e70131006c006100620069006c00690072002egt UKR 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Page 26
24
Sensor node F 於 T1 收到rdquo0002rdquo設定 LD = 2
Sensor node F 於 T2 收到rdquo0001rdquo因為新的 LD 值比舊的值小所以設定 LD = 1
Sensor node F 於 T3 收不到rdquo0010rdquo
Sensor node F 於 T4 收到rdquo0020rdquo設定 LC = 2
經過一段時間之後Sensor node F 之 LALBLCLD 的值為 0021
下面的表格顯示 T1 ~ TnSensor node F 之 LALBLCLD 的值的狀態
表格 26Sensor node F 之 LALBLCLD 的值
LA LB LC LD
T1 0 0 0 2
T2 0 0 0 1
T3 0 0 0 1
T4 0 0 2 1
Tn 0 0 2 1
圖 211Sensor node F 傳送資料到 Sink node(圖片引用[5])
25
最後 Sensor node F 將 0021 這個代碼傳送到 Sink node 查詢座標資訊
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
The number of transmitted power levels
The transmitted power at each level
優點
1 容易建置且硬體建置成本較低
2 定位速度快
3 訊息交換量較少
缺點
1 如果 Sensor node 移動的速度較快時其定位誤差勢必擴大
2 此區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變但地圖卻沒有更著動態改變
26
27 Approximation PIT Test (APIT) method 表格 271APIT 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 大區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 很慢
靜態定位精確度 普通
動態定位精確度 很差
訊息交換量 很多
參考點建置 有(大量)
額外硬體 參考點能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
簡介
Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks [1]論文的
方法是一種很有創意且不需要額外硬體設備的定位技術首先在環境中亂數
佈建已知座標位置的感測點接著這些感測點以三個點為一組形成一個三角形
所以環境中若佈建了 30 個感測點就會形成 4060 個不同的三角形區域
接著當一個要被計算定位的感測點 A 進入了環境當中利用數學上點與三
角形的特性(1)可以來判斷感測點 A 於 4060 個三角形區域中在哪些三角形
的裡面與外面把那些感測點 A 存在於三角形區域中的所有三角型留下來並
找出最大面積交集的區域此區域的重心位置就是感測點 A 的定位座標位置
圖 271 表示了整個定位的流程
缺點就是定位過程中訊息的交換量很大且定位的時間需要很久動態環
境中的定位精確度很差
27
定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
參考文獻
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 BGR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE ltFEFF005400610074006f0020006e006100730074006100760065006e00ed00200070006f0075017e0069006a007400650020006b0020007600790074007600e101590065006e00ed00200064006f006b0075006d0065006e0074016f002000410064006f006200650020005000440046002c0020006b00740065007200e90020007300650020006e0065006a006c00e90070006500200068006f006400ed002000700072006f0020006b00760061006c00690074006e00ed0020007400690073006b00200061002000700072006500700072006500730073002e002000200056007900740076006f01590065006e00e900200064006f006b0075006d0065006e007400790020005000440046002000620075006400650020006d006f017e006e00e90020006f007400650076015900ed007400200076002000700072006f006700720061006d0065006300680020004100630072006f00620061007400200061002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e0030002000610020006e006f0076011b006a016100ed00630068002egt DAN 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HRV (Za stvaranje Adobe PDF dokumenata najpogodnijih za visokokvalitetni ispis prije tiskanja koristite ove postavke Stvoreni PDF dokumenti mogu se otvoriti Acrobat i Adobe Reader 50 i kasnijim verzijama) HUN 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Page 27
25
最後 Sensor node F 將 0021 這個代碼傳送到 Sink node 查詢座標資訊
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
The number of reference node
The positions of the reference nodes
The number of transmitted power levels
The transmitted power at each level
優點
1 容易建置且硬體建置成本較低
2 定位速度快
3 訊息交換量較少
缺點
1 如果 Sensor node 移動的速度較快時其定位誤差勢必擴大
2 此區域型的定位方式精確度還是比較差
3 電磁波的場形會隨著環境而改變但地圖卻沒有更著動態改變
26
27 Approximation PIT Test (APIT) method 表格 271APIT 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 大區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 很慢
靜態定位精確度 普通
動態定位精確度 很差
訊息交換量 很多
參考點建置 有(大量)
額外硬體 參考點能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
簡介
Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks [1]論文的
方法是一種很有創意且不需要額外硬體設備的定位技術首先在環境中亂數
佈建已知座標位置的感測點接著這些感測點以三個點為一組形成一個三角形
所以環境中若佈建了 30 個感測點就會形成 4060 個不同的三角形區域
接著當一個要被計算定位的感測點 A 進入了環境當中利用數學上點與三
角形的特性(1)可以來判斷感測點 A 於 4060 個三角形區域中在哪些三角形
的裡面與外面把那些感測點 A 存在於三角形區域中的所有三角型留下來並
找出最大面積交集的區域此區域的重心位置就是感測點 A 的定位座標位置
圖 271 表示了整個定位的流程
缺點就是定位過程中訊息的交換量很大且定位的時間需要很久動態環
境中的定位精確度很差
27
定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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Sensor Networksrdquo in Proceedings of Infocom pp 1655-1633 2001
58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 BGR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE 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 DAN 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HRV (Za stvaranje Adobe PDF dokumenata najpogodnijih za visokokvalitetni ispis prije tiskanja koristite ove postavke Stvoreni PDF dokumenti mogu se otvoriti Acrobat i Adobe Reader 50 i kasnijim verzijama) HUN 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26
27 Approximation PIT Test (APIT) method 表格 271APIT 的定位資料
定位分類 Range Free
定位模式 大區域型重心定位
定位環境 室內
定位速度 很慢
靜態定位精確度 普通
動態定位精確度 很差
訊息交換量 很多
參考點建置 有(大量)
額外硬體 參考點能計算收到訊號的訊號強度
建置成本 中
簡介
Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks [1]論文的
方法是一種很有創意且不需要額外硬體設備的定位技術首先在環境中亂數
佈建已知座標位置的感測點接著這些感測點以三個點為一組形成一個三角形
所以環境中若佈建了 30 個感測點就會形成 4060 個不同的三角形區域
接著當一個要被計算定位的感測點 A 進入了環境當中利用數學上點與三
角形的特性(1)可以來判斷感測點 A 於 4060 個三角形區域中在哪些三角形
的裡面與外面把那些感測點 A 存在於三角形區域中的所有三角型留下來並
找出最大面積交集的區域此區域的重心位置就是感測點 A 的定位座標位置
圖 271 表示了整個定位的流程
缺點就是定位過程中訊息的交換量很大且定位的時間需要很久動態環
境中的定位精確度很差
27
定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 BGR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE 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 DAN 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HRV (Za stvaranje Adobe PDF dokumenata najpogodnijih za visokokvalitetni ispis prije tiskanja koristite ove postavke Stvoreni PDF dokumenti mogu se otvoriti Acrobat i Adobe Reader 50 i kasnijim verzijama) HUN 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定位方法
圖 212 APIT 的定位流程(引用[1]的圖形)
1假設 M 點在 ABC 的裡面則 M 點往任何一個方向移動時M 點必會同
時距離 ABC 當中的最少一個頂點最多 2 個頂點的距離越來越遠或是越來
越近
假設 M 點在 ABC 的外面則 M 點往任何一個方向移動時一定會同時距離
ABC 的三個頂點越來越遠或是越來越近
定位精確度
影響定位精確度的參數有底下這幾點
參考點的數量
參考點的佈建位置
The number of transmitted power levels
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 BGR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE 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 DAN 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 DEU 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HRV (Za stvaranje Adobe PDF dokumenata najpogodnijih za visokokvalitetni ispis prije tiskanja koristite ove postavke Stvoreni PDF dokumenti mogu se otvoriti Acrobat i Adobe Reader 50 i kasnijim verzijama) HUN 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Page 30
28
The transmitted power at each level
優點
1 蠻有創意的定位方法
2 在靜態的定位環境下有不錯的定位精確度
缺點
1 訊息交換量較為龐大
2 定位花費的時間較久
3 於動態的定位環境中精確度很差
29
第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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Sensor Networksrdquo in Proceedings of Infocom pp 1655-1633 2001
58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 BGR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE 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 DAN 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 DEU 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HRV (Za stvaranje Adobe PDF dokumenata najpogodnijih za visokokvalitetni ispis prije tiskanja koristite ove postavke Stvoreni PDF dokumenti mogu se otvoriti Acrobat i Adobe Reader 50 i kasnijim verzijama) HUN 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第三章
系統架構
31 加速度計與室內定位系統架構
ILAI 定位的流程分為三個步驟首先將裝置有加速度計的自走車放置在
初始化座標為(00)的實驗環境中PC 端利用加速度計透過 RS232 回傳到 PC 的
資料計算出其相對移動距離的資訊
本論文在實驗架構中分成了模擬實驗和硬體實驗二部分於模擬實驗中呈現
加速度計的資料回傳反應時間誤差比率與自走車移動速度等變動的狀態下
定位計算出來的精確度結果於硬體實驗中由於沒有使用方向計的硬體元件
故只實驗在 Y 軸上前後移動的精確度
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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321-332 2005
57
[26] L Doherty L E Ghaoui and K Pister ldquoConvex Position Estimation in Wireless
Sensor Networksrdquo in Proceedings of Infocom pp 1655-1633 2001
58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 BGR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE 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 DAN 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 DEU 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HRV (Za stvaranje Adobe PDF dokumenata najpogodnijih za visokokvalitetni ispis prije tiskanja koristite ove postavke Stvoreni PDF dokumenti mogu se otvoriti Acrobat i Adobe Reader 50 i kasnijim verzijama) HUN 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Page 32
30
32 數學模型
參數說明
下面的表格列出數學模型的參數其中 gResponsex 與 gResponsey 於 H48C
加速度計的規格中其最快的回傳頻率為 002 秒
表格 31數學模型的參數
項目 說明 單位
Vx 於 X 軸向的速度 ms
Vy 於 Y 軸向的速度 ms
ax 於 X 軸向的加速度 ms2
ay 於 Y 軸向的加速度 ms2
gx 於 X 軸向的重力加速度 g
gy 於 Y 軸向的重力加速度 g
Sx 於 X 軸向的位移 m
Sy 於 Y 軸向的位移 m
coordinateX 於 X 軸向的座標 cm
coordinateY 於 Y 軸向的座標 cm
g 重力加速度值 980665 ms2
CarVMax Boe-Bot 自走車最大移動速度 ms
CarA Boe-Bot 自走車的加速度 ms2
CarTime Boe-Bot 自走車的移動時間 s
gResponsex X 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
gResponsey Y 軸向重力加速度的資料回傳頻率 s
ResponseDiff 加速度計反應時間的誤差範圍
31
於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE 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 DEU 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HRV (Za stvaranje Adobe PDF dokumenata najpogodnijih za visokokvalitetni ispis prije tiskanja koristite ove postavke Stvoreni PDF dokumenti mogu se otvoriti Acrobat i Adobe Reader 50 i kasnijim verzijama) HUN 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於 X 軸向位移距離的數學公式
於 Y 軸向位移距離的數學公式
一開始 Vx 和 Vy的速度設定為 0 msBoe-Bot 自走車的初始座標為(00)當
自走車開始於平面上移動時重力加速度值 gx 或 gy 會產生變化當 PC 收到
gx 或 gy時程式會換算成加速度 ax 及 ay接著套用 S = V0 t + 05 a t2 的
移動距離公式就可以知道自走車於 X 軸向或 Y 軸向上移動的距離最後再把
位移的距離換算成座標即是自走車目前的座標位置這樣子的計算方式且假
32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE 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 DEU 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HRV (Za stvaranje Adobe PDF dokumenata najpogodnijih za visokokvalitetni ispis prije tiskanja koristite ove postavke Stvoreni PDF dokumenti mogu se otvoriti Acrobat i Adobe Reader 50 i kasnijim verzijama) HUN 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32
設加速度計並不會有誤差的情況之下當自走車以固定速度移動時並不會產生
任何的誤差當 Boe-Bot 自走車在減速或是加速中的狀態時因為加速度的值一
直在變化所以計算出來的移動距離與實際的位移會有出入直覺上來說加速
度計的回傳頻率越快產生的誤差就會越小後面的實驗會根據不同的參數設定
來說明不同的加速度計特性對於 ILAI 定位方法精確度的差異
33 加速度計硬體
在本論文的硬體實驗中我們所使用的加速度計硬體為 Hitachireg H48C
3-Axis Accelerometer Module
Hitachireg H48C 3-Axis Accelerometer Module 是一個可以量測三軸(XYZ)重
力加速度(plusmn3g)的整合模組這個模組透過穩壓裝置提供 33V 電壓給 H48C
透過類比電壓的處理再經過 MCP3204 (4 channel 12 bit)的 ADC 轉換將類比
訊號轉成數位訊號輸出進而讀出 H48C 的加速度值所有模組都整合在這個
178 mm x 203 mm 的模組板上並透過 RS232 訊號來傳輸與接收
Pin Definitions and Ratings
圖 31H48C 的腳位定義(資料來源H48C Datasheet)
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 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ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE 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 SVE 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 TUR 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Page 35
33
圖 31 中的各個腳位定義如下
(1) CLK Synchronous clock input
(2) DIO Bi-directional data tofrom host
(3) Vss Power supply ground (0v)
(4) Zero-G Free-fall output active-high
(5) CS Chip select input active-low
(6) Vdd +5vdc
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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Sensor Networksrdquo in Proceedings of Infocom pp 1655-1633 2001
58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 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 SUO 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 SVE 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 TUR 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Page 36
34
H48C 硬體規格
表格 32H48C 的硬體規格(資料來源H48C Datasheet)
Parameters Conditions Min Typ Max Units
1 Operating Voltage Vcc Temperature range -25 to
+75
22 3 36 V
2 Current Vcc=30V 058 085 mA
3 Stand by current Vcc=30VTemp 65≦ 1 uA
4 Turn on time Output level of 99 after
standby changed to be high
150timesCx Cy Cz(μF) ms
5 Storage temp range -40 85
6 Operating temp range -25 75
7 Measurement range -3 +3 g
8 Sensitivity Operating voltage 3V and 25 318 333 348 mVg
Operating voltage 3V and 65
315 333 351 mVg
Operating voltage 3V and 306 380 mVg
9 Zero g voltage Operating voltage 3V and 25
-15 0 15 mV
Operating voltage 3V and 65
-18 0 18 mV
Operating voltage 3V and
within operating temp range
-23 23 mV
10 Cross-axis sensitivity 2 6
11 Non-linearity -2 2
12 Frequency response CxCyCz=001uF -3dB DC 500 Hz
13 Shock durability Pendulum type tester 5000 g
14 Accuracy of temp
sensor
within 0 to 75 -3 2
15 Zero g threshold for
free fall detection
04 g
35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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Sensor Networksrdquo in Proceedings of Infocom pp 1655-1633 2001
58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType 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 UKR 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35
加速度 g 值的計算
透過 MEMS (Micro Electro-Mechanical System)的技術與內建的補償計算H48C
會送出一個類比的反應電路訊號給 MCP3204 ADC然後各個軸向透過底下的公式
就可以計算出該軸向的重力加速度值
g = ((axis ndash vRef) 4095) x (33 03663) (31)
在公式(31)中axis 和 vRef 表示 ADC 的計數值且在 12-bit ADC channel
裡4095是計數值的最大值使用穩定 33V輸入電壓的H48C重力加速度計03663V
的輸出電壓代表 H48C 偵測到 1g 的重力加速度值(當輸入電壓為 33V 時)最後可以
把公式(31)簡化成底下的公式
g = (axis ndash vRef) x 00022 (32)
在公式(32)中1 x 00022 代表 00001g但加速度計硬體實際上只能精確到
001g 的單位所以把 00022 放大 100 倍GfCnv = 022底下就是加速度計 g 值的
計算程式碼
IF (axis gt= vRef) THEN
gForce = (axis - vRef) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((vRef - axis) GfCnv) negative g-force
ENDIF
於圖 32 中的訊息顯示框中可以看到 XYZ 三個軸向的重力加速度值
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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Sensor Networksrdquo in Proceedings of Infocom pp 1655-1633 2001
58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true 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 UKR 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 ENU (Use these settings to create Adobe PDF documents best suited for high-quality prepress printing Created PDF documents 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Page 38
36
圖 32H48C 加速度計於 BASIC Stamp Eidtor 的資料傳輸
34 Boe-Bot 自走車
在本論文的硬體實驗中我們所使用的自走車硬體為圖 33 中 Parallax Inc的
Boe-Bottrade它是一台可編輯程式化的微處理控制硬體透過 BASIC Stampreg 2
模組可以控制車輛的運作及接收一些其他的感測原件
圖33Boe-Bottrade robot上的 BASIC Stampreg2(資料來源Boe-Bot自走車手冊)
我們在使用BASIC Stamp Eidtor 寫一些BASIC Stamp 執行的程式讓
Boe-Bot自走車可以隨意的移動甚至可以避開障礙物透過BASIC Stamp
Eidtor可以在PC上寫程式並且下載到Boe-Bot 的BASIC Stamp 的微控制器它
會將Boe-Bot上感測到的資訊透過RS232傳輸到PC中所以我們透過BASIC
Stamp 的微控制器處理可以控制Boe-Bot的移動速度移動方向移動模式
vRef 的值 各軸向 axis值與計算
出來的 G值
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
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第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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57
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Sensor Networksrdquo in Proceedings of Infocom pp 1655-1633 2001
58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 CHS 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 TUR 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 UKR ltFEFF04120438043a043e0440043804410442043e043204430439044204350020044604560020043f043004400430043c043504420440043800200434043b044f0020044104420432043e04400435043d043d044f00200434043e043a0443043c0435043d044204560432002000410064006f006200650020005000440046002c0020044f043a04560020043d04300439043a04400430044904350020043f045604340445043e0434044f0442044c00200434043b044f0020043204380441043e043a043e044f043a04560441043d043e0433043e0020043f0435044004350434043404400443043a043e0432043e0433043e0020043404400443043a0443002e00200020042104420432043e04400435043d045600200434043e043a0443043c0435043d0442043800200050004400460020043c043e0436043d04300020043204560434043a0440043804420438002004430020004100630072006f006200610074002004420430002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e0030002004300431043e0020043f04560437043d04560448043e04570020043204350440044104560457002egt ENU (Use these settings to create Adobe PDF documents best suited for high-quality prepress printing Created PDF documents can be opened with Acrobat and Adobe Reader 50 and later) gtgt Namespace [ (Adobe) (Common) (10) ] OtherNamespaces [ ltlt AsReaderSpreads false CropImagesToFrames true ErrorControl WarnAndContinue FlattenerIgnoreSpreadOverrides false IncludeGuidesGrids false IncludeNonPrinting false IncludeSlug false Namespace [ (Adobe) (InDesign) (40) ] OmitPlacedBitmaps false OmitPlacedEPS false OmitPlacedPDF false SimulateOverprint Legacy gtgt ltlt AddBleedMarks false AddColorBars false AddCropMarks false AddPageInfo false AddRegMarks false ConvertColors ConvertToCMYK DestinationProfileName () DestinationProfileSelector DocumentCMYK Downsample16BitImages true FlattenerPreset ltlt PresetSelector MediumResolution gtgt FormElements false GenerateStructure false IncludeBookmarks false IncludeHyperlinks false IncludeInteractive false IncludeLayers false IncludeProfiles false MultimediaHandling UseObjectSettings Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (20) ] PDFXOutputIntentProfileSelector DocumentCMYK 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Page 39
37
於圖34裡將Boe-Bot自走車上的 H48C三軸加速計的偵測資訊傳輸到PC中
圖34H48C 裝在Boe-Bot 自走車上
利用紅外線的偵測原理讓Boe-Bot自走車可以隨意的在實驗環境中移動
並不會越過實驗場地以外的地方我們設計當遇到障礙物時Boe-Bot自走車會
先停下來然後向右轉45度繼續前進如果持續遇到障礙物時就每次都以向右轉45度
的方式來繞過障礙物
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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Sensor Networksrdquo in Proceedings of Infocom pp 1655-1633 2001
58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 CHS 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 SVE 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 TUR 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 UKR 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 ENU (Use these settings to create Adobe PDF documents best suited for high-quality prepress printing Created PDF documents 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Page 40
38
第四章
實驗
41 實驗環境
實驗設備在硬體實驗的部分我們使用了一台 Boe-Bot 自走車並於自走車上
放置了 H48C 加速度計元件透過 RS232 的傳輸將加速度資訊傳輸到 PC 裡進
行定位推測的計算在模擬實驗的部分是以硬體實驗的環境為基礎只是將自
走車的移動與加速度計的資料改以模擬的方式進行
環境1M 1M 的白色空地使用黑色絕緣膠帶來製作一個封閉的場地Boe-Bot
自走車會於此場地中自由的水平移動
座標設定於環境中的中心點當作(00)的座標位置每隔距離 1 公分當作軸向的
一個單位距離實驗環境如圖 411 所示從左上角依順時鐘方向繞四個角落
平面座標依序是(50-50)(5050)(-50-50)(50-50)由於我們設計讓 Boe-Bot
自走車採用紅外線偵測邊線所以 Boe-Bot 自走車比較無法靈活的在 90 度轉角
移動故設計四個角落的轉角度數為 2 個 135 度的轉角讓自走車可以比較靈活
的偵側邊線並移動所以實際上以(50-50)為圓心半徑約 20cm 的圓形區域內的
範圍Boe-Bot 自走車是無法到達的區域
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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Sensor Networksrdquo in Proceedings of Infocom pp 1655-1633 2001
58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 CHS 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 TUR 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 UKR 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 ENU (Use these settings to create Adobe PDF documents best suited for high-quality prepress printing Created PDF documents can be opened with Acrobat and Adobe Reader 50 and later) gtgt Namespace [ (Adobe) (Common) (10) ] OtherNamespaces [ ltlt AsReaderSpreads false CropImagesToFrames true ErrorControl WarnAndContinue FlattenerIgnoreSpreadOverrides false IncludeGuidesGrids false IncludeNonPrinting false IncludeSlug false Namespace [ (Adobe) (InDesign) (40) ] OmitPlacedBitmaps false OmitPlacedEPS false OmitPlacedPDF false SimulateOverprint Legacy gtgt ltlt AddBleedMarks false AddColorBars false AddCropMarks false AddPageInfo false AddRegMarks false ConvertColors ConvertToCMYK DestinationProfileName () DestinationProfileSelector DocumentCMYK Downsample16BitImages true FlattenerPreset ltlt PresetSelector MediumResolution gtgt FormElements false GenerateStructure false IncludeBookmarks false IncludeHyperlinks false IncludeInteractive false IncludeLayers false IncludeProfiles false MultimediaHandling UseObjectSettings Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (20) ] PDFXOutputIntentProfileSelector DocumentCMYK 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Page 41
39
圖41實驗環境
圖42圓形區域的範圍Boe-Bot自走車是無法進入的區域
實驗溫度由於加速度計的偵測數值與誤差值會因為環境溫度的不同而有不
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA ltFEFF06270633062A062E062F0645002006470630064700200627064406250639062F0627062F0627062A002006440625064606340627062100200648062B062706260642002000410064006F00620065002000500044004600200645062A064806270641064206290020064406440637062806270639062900200641064A00200627064406450637062706280639002006300627062A0020062F0631062C0627062A002006270644062C0648062F0629002006270644063906270644064A0629061B0020064A06450643064600200641062A062D00200648062B0627062606420020005000440046002006270644064506460634062306290020062806270633062A062E062F062706450020004100630072006F0062006100740020064800410064006F006200650020005200650061006400650072002006250635062F0627063100200035002E0030002006480627064406250635062F062706310627062A0020062706440623062D062F062B002E0635062F0627063100200035002E0030002006480627064406250635062F062706310627062A0020062706440623062D062F062B002Egt BGR 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ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE 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ltFEFF0041006e007600e4006e00640020006400650020006800e4007200200069006e0073007400e4006c006c006e0069006e006700610072006e00610020006f006d002000640075002000760069006c006c00200073006b006100700061002000410064006f006200650020005000440046002d0064006f006b0075006d0065006e007400200073006f006d002000e400720020006c00e4006d0070006c0069006700610020006600f60072002000700072006500700072006500730073002d007500740073006b00720069006600740020006d006500640020006800f600670020006b00760061006c0069007400650074002e002000200053006b006100700061006400650020005000440046002d0064006f006b0075006d0065006e00740020006b0061006e002000f600700070006e00610073002000690020004100630072006f0062006100740020006f00630068002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e00300020006f00630068002000730065006e006100720065002egt TUR 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 UKR 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 ENU (Use these settings to create Adobe PDF documents best suited for high-quality prepress printing Created PDF documents can be opened with Acrobat and Adobe Reader 50 and later) gtgt Namespace [ (Adobe) (Common) (10) ] OtherNamespaces [ ltlt AsReaderSpreads false CropImagesToFrames true ErrorControl WarnAndContinue FlattenerIgnoreSpreadOverrides false IncludeGuidesGrids false IncludeNonPrinting false IncludeSlug false Namespace [ (Adobe) (InDesign) (40) ] OmitPlacedBitmaps false OmitPlacedEPS false OmitPlacedPDF false SimulateOverprint Legacy gtgt ltlt AddBleedMarks false AddColorBars false AddCropMarks false AddPageInfo false AddRegMarks false ConvertColors ConvertToCMYK DestinationProfileName () DestinationProfileSelector DocumentCMYK Downsample16BitImages true FlattenerPreset ltlt PresetSelector MediumResolution gtgt FormElements false GenerateStructure false IncludeBookmarks false IncludeHyperlinks false IncludeInteractive false IncludeLayers false IncludeProfiles false MultimediaHandling UseObjectSettings Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (20) ] PDFXOutputIntentProfileSelector DocumentCMYK 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Page 42
40
同程度的定義(H48C 加速度計於不同的工作溫度下具有補償校正功能硬體出廠
時設定的工作溫度為 25 )所以我們定義實驗的環境溫度是 25
移動模式由於 Boe-Bot 自走車上沒有陀螺儀與方向計的硬體元件故硬體實驗
中只能進行單一軸向的前後移動所以我們的論文暫不考慮非水平與非單軸向移
動的情況所以 Boe-Bot 自走車皆以水平的方向於 Y 軸進行移動
程式語言
Boe-Bot 自走車上使用 BASIC Stamp Eidtor 的 Basic 語言撰寫移動和加速
度計資訊回傳程式
PC 上使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言撰寫定位資料計算程式
模擬實驗中使用 Borland C++ Builder 2006 的 C++語言來進行模擬實驗
42 模擬與分析
模擬實驗一測試加速度計的回應時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = [02s002s0002s00002s]
gResponsey = [02s002s0002s00002s]
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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Sensor Networksrdquo in Proceedings of Infocom pp 1655-1633 2001
58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 BGR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE 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 ENU (Use these settings to create Adobe PDF documents best suited for high-quality prepress printing Created PDF documents can be opened with Acrobat and Adobe Reader 50 and later) gtgt Namespace [ (Adobe) (Common) (10) ] OtherNamespaces [ ltlt AsReaderSpreads false CropImagesToFrames true ErrorControl WarnAndContinue FlattenerIgnoreSpreadOverrides false IncludeGuidesGrids false IncludeNonPrinting false IncludeSlug false Namespace [ (Adobe) (InDesign) (40) ] OmitPlacedBitmaps false OmitPlacedEPS false OmitPlacedPDF false SimulateOverprint Legacy gtgt ltlt AddBleedMarks false AddColorBars false AddCropMarks false AddPageInfo false AddRegMarks false ConvertColors ConvertToCMYK DestinationProfileName () DestinationProfileSelector DocumentCMYK Downsample16BitImages true FlattenerPreset ltlt PresetSelector MediumResolution gtgt FormElements false GenerateStructure false IncludeBookmarks false IncludeHyperlinks false IncludeInteractive false IncludeLayers false IncludeProfiles false MultimediaHandling UseObjectSettings Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (20) ] PDFXOutputIntentProfileSelector DocumentCMYK 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Page 43
41
100cm
(00)
(5050)
(-50-50)
(50-50)
(50-50)
圖 43自走車的移動路徑(某一次實驗的路徑圖)
S 表示自走車的起點E 表示自走車的終點當自走車遇到牆壁時會停下來
然後向右轉 45 度後嘗試再前進
00102030405060708091
0 15 30 45 60
速度
(ms)
時間 (s)
自走車的速度
圖 44自走車的速度
S
E
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE 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 DEU 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HRV (Za stvaranje Adobe PDF dokumenata najpogodnijih za visokokvalitetni ispis prije tiskanja koristite ove postavke Stvoreni PDF dokumenti mogu se otvoriti Acrobat i Adobe Reader 50 i kasnijim verzijama) HUN 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Page 44
42
圖 44 中表示對應圖 421 移動路徑中速度與時間關係圖縱軸為速度
(ms)橫軸為時間(s)
圖 45 中的實驗結果為不同的加速度計反應時間下的距離誤差值其縱軸為
誤差距離(m)橫軸為加速度計的反應時間(s)透過不同的加速度計的反應時間
的實驗可以得知越快的反應時間可以讓定位的精確度越高當加速度計的反應
時間達到 0002 秒時其定位的誤差已經開始接近於零了
0
05
1
15
2
25
3
02 002 0002 00002
誤差距
離(m
)
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 45不同的加速度計反應時間下的距離誤差值
000
050
100
150
200
250
300
350
02 002 0002 00002
距離
誤差
()
gResponse (s)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 46不同的加速度計反應時間下的距離誤差值的百分比
圖 46 表示圖 45 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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57
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Sensor Networksrdquo in Proceedings of Infocom pp 1655-1633 2001
58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true 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 SVE 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 TUR ltFEFF005900fc006b00730065006b0020006b0061006c006900740065006c0069002000f6006e002000790061007a006401310072006d00610020006200610073006b013100730131006e006100200065006e0020006900790069002000750079006100620069006c006500630065006b002000410064006f006200650020005000440046002000620065006c00670065006c0065007200690020006f006c0075015f007400750072006d0061006b0020006900e70069006e00200062007500200061007900610072006c0061007201310020006b0075006c006c0061006e0131006e002e00200020004f006c0075015f0074007500720075006c0061006e0020005000440046002000620065006c00670065006c0065007200690020004100630072006f006200610074002000760065002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000200076006500200073006f006e0072006100730131006e00640061006b00690020007300fc007200fc006d006c00650072006c00650020006100e70131006c006100620069006c00690072002egt UKR 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 ENU (Use these settings to create Adobe PDF documents best suited for high-quality prepress printing Created PDF documents 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Page 45
43
橫軸為加速度計的反應時間(s)
模擬實驗二測試加速度計數值的誤差與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = 0464 ms2
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = [1020304050]
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退直線隨意移動的實驗結果皆以 200 次實
驗的平均值
圖 47 中顯示在不同的加速度計數值的誤差的實驗結果其縱軸為誤差距離
(m)橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()定位誤差會隨著越高的穩定度
會有越好的定位精準度
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50
距離
誤差
(m)
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 47不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 BGR 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 CHS 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 ENU (Use these settings to create Adobe PDF documents best suited for high-quality prepress printing Created PDF documents can be opened with Acrobat and Adobe Reader 50 and later) gtgt Namespace [ (Adobe) (Common) (10) ] OtherNamespaces [ ltlt AsReaderSpreads false CropImagesToFrames true ErrorControl WarnAndContinue FlattenerIgnoreSpreadOverrides false IncludeGuidesGrids false IncludeNonPrinting false IncludeSlug false Namespace [ (Adobe) (InDesign) (40) ] OmitPlacedBitmaps false OmitPlacedEPS false OmitPlacedPDF false SimulateOverprint Legacy gtgt ltlt AddBleedMarks false AddColorBars false AddCropMarks false AddPageInfo false AddRegMarks false ConvertColors ConvertToCMYK DestinationProfileName () DestinationProfileSelector DocumentCMYK Downsample16BitImages true FlattenerPreset ltlt PresetSelector MediumResolution gtgt FormElements false GenerateStructure false IncludeBookmarks false IncludeHyperlinks false IncludeInteractive false IncludeLayers false IncludeProfiles false MultimediaHandling UseObjectSettings Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (20) ] PDFXOutputIntentProfileSelector DocumentCMYK PreserveEditing true UntaggedCMYKHandling LeaveUntagged UntaggedRGBHandling UseDocumentProfile UseDocumentBleed false gtgt ]gtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice
Page 46
44
000
5000
10000
15000
20000
10 20 30 40 50
距離
誤差
()
ResponseDiff ()
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 48不同的加速度計反應時間的誤差範圍下的距離誤差值的百分比
圖 48 表示圖 47 距離誤差的百分比縱軸為與實際位置的誤差百分比()
橫軸為加速度計反應時間的誤差範圍()當加速度計的誤差超過 20以上時就
已經會讓定位的精準度開始大幅度的降低了
模擬實驗三測試不同的加速度值與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2 0928 ms2 1856 ms2 3712 ms2 7424 ms2 ]
CarTime = 60s
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線前進後退直線隨意移動
實驗次數直線前進直線前進後退皆為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結
果是以 200 次實驗的平均值
45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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Sensor Networksrdquo in Proceedings of Infocom pp 1655-1633 2001
58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
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45
由圖 49 的結果顯示自走車以不同的加速度來移動並不太會影響到定位
計算的精確度直線前進中只有稍微一點點的擴大誤差距離故不同的加速度移
動幾乎不會讓定位產生很大的誤差
0
0005
001
0015
002
0025
003
0464 0928 1856 3712 7424
誤差
距離
(m)
CarA (ms2)
直線前進
直線前進50後退50
隨意移動
圖 49不同的加速度值計下的距離誤差值
模擬實驗四時間與定位精確度的變化
實驗參數
CarVMax = 2784 ms
CarA = [0464 ms2]
CarTime = [60s1m2m4m8m15m30m60m]
gResponsex = 0002s
gResponsey = 0002s
ResponseDiff = 0
移動方式於實驗環境中從(00)出發直線前進直線隨意移動
實驗次數直線前進為單次實驗結果直線隨意移動的實驗結果是以 200 次實
驗的平均值
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 BGR 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 CHS 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 ENU (Use these settings to create Adobe PDF documents best suited for high-quality prepress printing Created PDF documents can be opened with Acrobat and Adobe Reader 50 and later) gtgt Namespace [ (Adobe) (Common) (10) ] OtherNamespaces [ ltlt AsReaderSpreads false CropImagesToFrames true ErrorControl WarnAndContinue FlattenerIgnoreSpreadOverrides false IncludeGuidesGrids false IncludeNonPrinting false IncludeSlug false Namespace [ (Adobe) (InDesign) (40) ] OmitPlacedBitmaps false OmitPlacedEPS false OmitPlacedPDF false SimulateOverprint Legacy gtgt ltlt AddBleedMarks false AddColorBars false AddCropMarks false AddPageInfo false AddRegMarks false ConvertColors ConvertToCMYK DestinationProfileName () DestinationProfileSelector DocumentCMYK Downsample16BitImages true FlattenerPreset ltlt PresetSelector MediumResolution gtgt FormElements false GenerateStructure false IncludeBookmarks false IncludeHyperlinks false IncludeInteractive false IncludeLayers false IncludeProfiles false MultimediaHandling UseObjectSettings Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (20) ] PDFXOutputIntentProfileSelector DocumentCMYK 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Page 48
46
024681012141618
1m 2m 4m 8m 15m 30m 60m
距離誤差
(m)
時間 (分鐘)
直線前進
隨意移動
圖 410不同的實驗時間下的距離誤差值
由圖 410 的實驗結果縱軸為誤差距離(m) 橫軸為實驗時間(分鐘)經過
越長的實驗時間其誤差就越來越大直線前進的部份因為有限制最大的移動
速度為 2784 ms所以只有在第一分鐘時會產生誤差在一分鐘後皆以 2784 ms
的速度在前進故不會繼續累積距離的誤差實驗解果中gResponsey = 0002s
隨意移動的狀態下平均每 60 秒會產生 01615的距離誤差
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType 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 TUR 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 UKR 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 ENU (Use these settings to create Adobe PDF documents best suited for high-quality prepress printing Created PDF documents 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Page 49
47
43 Boe-Bot 自走車硬體實驗
這是在 Borland C++ Builder 2007 下開發出來計算自走車定位的程式介面
圖 411自走車定位的程式介面
在實際的硬體實驗中由於我們設定自走車的最大加速度值為 00464 ms2
所以 Y 軸的重力加速度值的合理計算範圍為 005 ~ -005 ms2但由於自走車並
不能以非常平順的移動方式前進Y 軸的重力加速度值必定有誤差所以程式設
定最高可容許一倍的誤差範圍故設定 Y 軸的加速度值計算範圍為 01~-01
ms2超過設定範圍的加速度值就忽略其資訊
四個功能
依序為清
空資料測
量 Zero g
開始接收
重力加速
度資料計
算定位座
標
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 BGR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE 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 ENU (Use these settings to create Adobe PDF documents best suited for high-quality prepress printing Created PDF documents can be opened with Acrobat and Adobe Reader 50 and later) gtgt Namespace [ (Adobe) (Common) (10) ] OtherNamespaces [ ltlt AsReaderSpreads false CropImagesToFrames true ErrorControl WarnAndContinue FlattenerIgnoreSpreadOverrides false IncludeGuidesGrids false IncludeNonPrinting false IncludeSlug false Namespace [ (Adobe) (InDesign) (40) ] OmitPlacedBitmaps false OmitPlacedEPS false OmitPlacedPDF false SimulateOverprint Legacy gtgt ltlt AddBleedMarks false AddColorBars false AddCropMarks false AddPageInfo false AddRegMarks false ConvertColors ConvertToCMYK DestinationProfileName () DestinationProfileSelector DocumentCMYK Downsample16BitImages true FlattenerPreset ltlt PresetSelector MediumResolution gtgt FormElements false GenerateStructure false IncludeBookmarks false IncludeHyperlinks false IncludeInteractive false IncludeLayers false IncludeProfiles false MultimediaHandling UseObjectSettings Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (20) ] PDFXOutputIntentProfileSelector DocumentCMYK PreserveEditing true UntaggedCMYKHandling LeaveUntagged UntaggedRGBHandling UseDocumentProfile UseDocumentBleed false gtgt ]gtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice
Page 50
48
硬體實驗一移動距離 035m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 6s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 035m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 412實線為 Boe-Bot 自走車於 35cm 實驗的實際移動路線虛線為計算出的
路徑
實驗結果採 20 次實驗的平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 035mILAI
49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType 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 UKR 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49
計算出來的移動距離平均值為 0465m平均誤差為 0115m誤差百比為 3285
圖 413時間與 H48C Y 軸加速度值於 35cm 實驗的關係圖
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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Sensor Networksrdquo in Proceedings of Infocom pp 1655-1633 2001
58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA ltFEFF06270633062A062E062F0645002006470630064700200627064406250639062F0627062F0627062A002006440625064606340627062100200648062B062706260642002000410064006F00620065002000500044004600200645062A064806270641064206290020064406440637062806270639062900200641064A00200627064406450637062706280639002006300627062A0020062F0631062C0627062A002006270644062C0648062F0629002006270644063906270644064A0629061B0020064A06450643064600200641062A062D00200648062B0627062606420020005000440046002006270644064506460634062306290020062806270633062A062E062F062706450020004100630072006F0062006100740020064800410064006F006200650020005200650061006400650072002006250635062F0627063100200035002E0030002006480627064406250635062F062706310627062A0020062706440623062D062F062B002E0635062F0627063100200035002E0030002006480627064406250635062F062706310627062A0020062706440623062D062F062B002Egt BGR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE 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 DAN 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HRV (Za stvaranje Adobe PDF dokumenata najpogodnijih za visokokvalitetni ispis prije tiskanja koristite ove postavke Stvoreni PDF dokumenti mogu se otvoriti Acrobat i Adobe Reader 50 i kasnijim verzijama) HUN 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Page 52
50
硬體實驗二移動距離 065m 的實驗
實驗參數
CarVMax = 00928 ms
CarA = 00928 ms2
CarTime = 9s
gResponsex = 008s
gResponsey = 008s
g = 980665 ms2
移動方式於(500)出發Y 軸向平行前進移動 065m 停止
Boe-Bot 自走車移動實際移動路徑
100cm
100cm
(00)
圖 414實線為 Boe-Bot 自走車於 65cm 實驗的實際移動路線虛線為 ILAI 計
算出的路徑
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 BGR 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 CHS 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ltFEFF04120438043a043e0440043804410442043e043204430439044204350020044604560020043f043004400430043c043504420440043800200434043b044f0020044104420432043e04400435043d043d044f00200434043e043a0443043c0435043d044204560432002000410064006f006200650020005000440046002c0020044f043a04560020043d04300439043a04400430044904350020043f045604340445043e0434044f0442044c00200434043b044f0020043204380441043e043a043e044f043a04560441043d043e0433043e0020043f0435044004350434043404400443043a043e0432043e0433043e0020043404400443043a0443002e00200020042104420432043e04400435043d045600200434043e043a0443043c0435043d0442043800200050004400460020043c043e0436043d04300020043204560434043a0440043804420438002004430020004100630072006f006200610074002004420430002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e0030002004300431043e0020043f04560437043d04560448043e04570020043204350440044104560457002egt ENU (Use these settings to create Adobe PDF documents best suited for high-quality prepress printing Created PDF documents can be opened with Acrobat and Adobe Reader 50 and later) gtgt Namespace [ (Adobe) (Common) (10) ] OtherNamespaces [ ltlt AsReaderSpreads false CropImagesToFrames true ErrorControl WarnAndContinue FlattenerIgnoreSpreadOverrides false IncludeGuidesGrids false IncludeNonPrinting false IncludeSlug false Namespace [ (Adobe) (InDesign) (40) ] OmitPlacedBitmaps false OmitPlacedEPS false OmitPlacedPDF false SimulateOverprint Legacy gtgt ltlt AddBleedMarks false AddColorBars false AddCropMarks false AddPageInfo false AddRegMarks false ConvertColors ConvertToCMYK DestinationProfileName () DestinationProfileSelector DocumentCMYK Downsample16BitImages true FlattenerPreset ltlt PresetSelector MediumResolution gtgt FormElements false GenerateStructure false IncludeBookmarks false IncludeHyperlinks false IncludeInteractive false IncludeLayers false IncludeProfiles false MultimediaHandling UseObjectSettings Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (20) ] PDFXOutputIntentProfileSelector DocumentCMYK PreserveEditing true UntaggedCMYKHandling LeaveUntagged UntaggedRGBHandling UseDocumentProfile UseDocumentBleed false gtgt ]gtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice
Page 53
51
實驗結果採 20 次平均值Boe-Bot 自走車實際移動了 065mILAI 計算出
來的移動距離平均值為 0945m平均誤差為 0295m誤差百比為 4538
圖 415時間與 H48C Y 軸加速度值於 65cm 實驗的關係圖
於 035m 和 065m 的兩種實驗中其實驗的結果與模擬實驗的精確度相比
較有蠻大的差距其產生誤差的原因可歸納如下
(A) 靜止中的重力加速度的狀態仍然會上下震盪可以看得出 H48C 加速度
計的靈敏度很高且自走車在移動時並不能保證路面是很平穩
或是自走車本身伺服機馬達轉動是很平穩的所以不論是加速減
速或是固定速度前進時其加速度計的值會產生上下的震盪我們
的實驗僅只有在 Y 軸向的移動但在圖 431 的實驗程式中X 和 Z
軸向的重力加速度的值仍然產生劇烈的變化其原就是自走車的移
動不夠平順
(B) 微處理器的處理速度不夠快最快只能在 008 秒取得一次加速度的資
料故會影響其定位計算的精確度
靜止中 靜止中
固定速度前進
加速中減速中
52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true 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 SVE 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 TUR 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 UKR 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52
第五章
結論與未來研究目標
ILAI 與 LCALSAPIT 於模擬環境下定位方法的比較
表格 51ILAI 與 LCALSAPIT 定位方法的比較
方法 ILAI LC[6] ALS[5] APIT[1]
定位分類 Range Free Range Free Range Free Range Free
定位模式 座標計算推測
定位
小區域型重
心定位
大區域型重
心定位
小區域型重
心定位
定位環境 室內 室內 室內 室內
定位速度 快 快 快 很慢
靜態定位精確度 很好(lt 1cm) 普通(lt 1m) 差 普通(lt 1R)
動態定位精確度 很好(lt 1cm) 差 差 很差
硬體實驗 差(誤差 45) 無資料 無資料 無資料
訊息交換量 大 中 少 很多
參考點建置 無 有(大量) 有(數個) 有(大量)
額外硬體 移動的物體上
需要有加速度
計方向計的
硬體
RFID Reader
能計算收到
訊號的訊號
強度
參考點需可
動態調整傳
輸功率大
小傳送訊號
參考點能計
算收到訊號
的訊號強度
建置成本 極低 中 低 中
實際應用可行性 有可能 僅於理論 有可能 僅於理論
ILAI 在模擬的實驗中我們以模擬實驗中設定 gResponsey = 0002 秒為比較
的基準其結果有很好的定位精確度較快的定位速度與極低的建置成本但是
在 Boe-Bot 自走車的硬體實驗中暫時無法達成預期的效果
53
目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
54
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Sensor Networksrdquo in Proceedings of Infocom pp 1655-1633 2001
58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 BGR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE 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 DAN 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 DEU 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HRV (Za stvaranje Adobe PDF dokumenata najpogodnijih za visokokvalitetni ispis prije tiskanja koristite ove postavke Stvoreni PDF dokumenti mogu se otvoriti Acrobat i Adobe Reader 50 i kasnijim verzijama) HUN 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目前在 Boe-Bot 自走車的實驗只是一個雛形系統未來我們預計在 Boe-Bot
自走車硬體裝置方向計和陀螺儀利用車輛行進方向的資訊來增加預測定位
資料的精確度未來對於自走車的硬體實驗如有很大幅度的改善相信就可以應
用於更多的室內定位領域用途中
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 BGR 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 CHS ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE 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 ENU (Use these settings to create Adobe PDF documents best suited for high-quality prepress printing Created PDF documents can be opened with Acrobat and Adobe Reader 50 and later) gtgt Namespace [ (Adobe) (Common) (10) ] OtherNamespaces [ ltlt AsReaderSpreads false CropImagesToFrames true ErrorControl WarnAndContinue FlattenerIgnoreSpreadOverrides false IncludeGuidesGrids false IncludeNonPrinting false IncludeSlug false Namespace [ (Adobe) (InDesign) (40) ] OmitPlacedBitmaps false OmitPlacedEPS false OmitPlacedPDF false SimulateOverprint Legacy gtgt ltlt AddBleedMarks false AddColorBars false AddCropMarks false AddPageInfo false AddRegMarks false ConvertColors ConvertToCMYK DestinationProfileName () DestinationProfileSelector DocumentCMYK Downsample16BitImages true FlattenerPreset ltlt PresetSelector MediumResolution gtgt FormElements false GenerateStructure false IncludeBookmarks false IncludeHyperlinks false IncludeInteractive false IncludeLayers false IncludeProfiles false MultimediaHandling UseObjectSettings Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (20) ] PDFXOutputIntentProfileSelector DocumentCMYK 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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 1 SubsetFonts true TransferFunctionInfo Apply UCRandBGInfo Preserve UsePrologue false ColorSettingsFile () AlwaysEmbed [ true ] NeverEmbed [ true ] AntiAliasColorImages false CropColorImages true ColorImageMinResolution 300 ColorImageMinResolutionPolicy OK DownsampleColorImages true ColorImageDownsampleType Bicubic ColorImageResolution 300 ColorImageDepth -1 ColorImageMinDownsampleDepth 1 ColorImageDownsampleThreshold 150000 EncodeColorImages true ColorImageFilter DCTEncode AutoFilterColorImages true ColorImageAutoFilterStrategy JPEG ColorACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt ColorImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000ColorACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000ColorImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasGrayImages false CropGrayImages true GrayImageMinResolution 300 GrayImageMinResolutionPolicy OK DownsampleGrayImages true GrayImageDownsampleType Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXSetBleedBoxToMediaBox true PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 000000 000000 000000 000000 ] PDFXOutputIntentProfile () PDFXOutputConditionIdentifier () PDFXOutputCondition () PDFXRegistryName () PDFXTrapped False CreateJDFFile false Description ltlt ARA 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 SUO 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 SVE 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 TUR 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 UKR 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 ENU (Use these settings to create Adobe PDF documents best suited for high-quality prepress printing Created PDF documents can be opened with Acrobat and Adobe Reader 50 and later) gtgt Namespace [ (Adobe) (Common) (10) ] OtherNamespaces [ ltlt AsReaderSpreads false CropImagesToFrames true ErrorControl WarnAndContinue FlattenerIgnoreSpreadOverrides false IncludeGuidesGrids false IncludeNonPrinting false IncludeSlug false Namespace [ (Adobe) (InDesign) (40) ] OmitPlacedBitmaps false OmitPlacedEPS false OmitPlacedPDF false SimulateOverprint Legacy gtgt ltlt AddBleedMarks false AddColorBars false AddCropMarks false AddPageInfo false AddRegMarks false ConvertColors ConvertToCMYK DestinationProfileName () DestinationProfileSelector DocumentCMYK Downsample16BitImages true FlattenerPreset ltlt PresetSelector MediumResolution gtgt FormElements false GenerateStructure false IncludeBookmarks false IncludeHyperlinks false IncludeInteractive false IncludeLayers false IncludeProfiles false MultimediaHandling UseObjectSettings Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (20) ] PDFXOutputIntentProfileSelector DocumentCMYK PreserveEditing true UntaggedCMYKHandling LeaveUntagged UntaggedRGBHandling UseDocumentProfile UseDocumentBleed false gtgt ]gtgt setdistillerparamsltlt HWResolution [2400 2400] PageSize [612000 792000]gtgt setpagedevice
Page 57
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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
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 SLV 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 SUO 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 SVE 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 TUR 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 UKR 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 ENU (Use these settings to create Adobe PDF documents best suited for high-quality prepress printing Created PDF documents can be opened with Acrobat and Adobe Reader 50 and later) gtgt Namespace [ (Adobe) (Common) (10) ] OtherNamespaces [ ltlt AsReaderSpreads false CropImagesToFrames true ErrorControl WarnAndContinue FlattenerIgnoreSpreadOverrides false IncludeGuidesGrids false IncludeNonPrinting false IncludeSlug false Namespace [ (Adobe) (InDesign) (40) ] OmitPlacedBitmaps false OmitPlacedEPS false OmitPlacedPDF false SimulateOverprint Legacy gtgt ltlt AddBleedMarks false AddColorBars false AddCropMarks false AddPageInfo false AddRegMarks false ConvertColors ConvertToCMYK DestinationProfileName () DestinationProfileSelector DocumentCMYK Downsample16BitImages true FlattenerPreset ltlt PresetSelector MediumResolution gtgt FormElements false GenerateStructure false IncludeBookmarks false IncludeHyperlinks false IncludeInteractive false IncludeLayers false IncludeProfiles false MultimediaHandling UseObjectSettings Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (20) ] PDFXOutputIntentProfileSelector DocumentCMYK 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58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
ltlt ASCII85EncodePages false AllowTransparency false AutoPositionEPSFiles true AutoRotatePages None Binding Left CalGrayProfile (Dot Gain 20) CalRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CalCMYKProfile (US Web Coated 050SWOP051 v2) sRGBProfile (sRGB IEC61966-21) CannotEmbedFontPolicy Error CompatibilityLevel 14 CompressObjects Tags CompressPages true ConvertImagesToIndexed true PassThroughJPEGImages true CreateJobTicket false DefaultRenderingIntent Default DetectBlends true DetectCurves 00000 ColorConversionStrategy CMYK DoThumbnails false EmbedAllFonts true EmbedOpenType false ParseICCProfilesInComments true EmbedJobOptions true DSCReportingLevel 0 EmitDSCWarnings false EndPage -1 ImageMemory 1048576 LockDistillerParams false MaxSubsetPct 100 Optimize true OPM 1 ParseDSCComments true ParseDSCCommentsForDocInfo true PreserveCopyPage true PreserveDICMYKValues true PreserveEPSInfo true PreserveFlatness true PreserveHalftoneInfo false PreserveOPIComments true PreserveOverprintSettings true StartPage 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Bicubic GrayImageResolution 300 GrayImageDepth -1 GrayImageMinDownsampleDepth 2 GrayImageDownsampleThreshold 150000 EncodeGrayImages true GrayImageFilter DCTEncode AutoFilterGrayImages true GrayImageAutoFilterStrategy JPEG GrayACSImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt GrayImageDict ltlt QFactor 015 HSamples [1 1 1 1] VSamples [1 1 1 1] gtgt JPEG2000GrayACSImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt JPEG2000GrayImageDict ltlt TileWidth 256 TileHeight 256 Quality 30 gtgt AntiAliasMonoImages false CropMonoImages true MonoImageMinResolution 1200 MonoImageMinResolutionPolicy OK DownsampleMonoImages true MonoImageDownsampleType Bicubic MonoImageResolution 1200 MonoImageDepth -1 MonoImageDownsampleThreshold 150000 EncodeMonoImages true MonoImageFilter CCITTFaxEncode MonoImageDict ltlt K -1 gtgt AllowPSXObjects false CheckCompliance [ None ] PDFX1aCheck false PDFX3Check false PDFXCompliantPDFOnly false PDFXNoTrimBoxError true 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ltFEFF4f7f75288fd94e9b8bbe5b9a521b5efa7684002000410064006f006200650020005000440046002065876863900275284e8e9ad88d2891cf76845370524d53705237300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c676562535f00521b5efa768400200050004400460020658768633002gt CHT ltFEFF4f7f752890194e9b8a2d7f6e5efa7acb7684002000410064006f006200650020005000440046002065874ef69069752865bc9ad854c18cea76845370524d5370523786557406300260a853ef4ee54f7f75280020004100630072006f0062006100740020548c002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e003000204ee553ca66f49ad87248672c4f86958b555f5df25efa7acb76840020005000440046002065874ef63002gt CZE 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 DEU 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 SLV 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 SUO 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 SVE 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 TUR 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 UKR ltFEFF04120438043a043e0440043804410442043e043204430439044204350020044604560020043f043004400430043c043504420440043800200434043b044f0020044104420432043e04400435043d043d044f00200434043e043a0443043c0435043d044204560432002000410064006f006200650020005000440046002c0020044f043a04560020043d04300439043a04400430044904350020043f045604340445043e0434044f0442044c00200434043b044f0020043204380441043e043a043e044f043a04560441043d043e0433043e0020043f0435044004350434043404400443043a043e0432043e0433043e0020043404400443043a0443002e00200020042104420432043e04400435043d045600200434043e043a0443043c0435043d0442043800200050004400460020043c043e0436043d04300020043204560434043a0440043804420438002004430020004100630072006f006200610074002004420430002000410064006f00620065002000520065006100640065007200200035002e0030002004300431043e0020043f04560437043d04560448043e04570020043204350440044104560457002egt ENU (Use these settings to create Adobe PDF documents best suited for high-quality prepress printing Created PDF documents can be opened with Acrobat and Adobe Reader 50 and later) gtgt Namespace [ (Adobe) (Common) (10) ] OtherNamespaces [ ltlt AsReaderSpreads false CropImagesToFrames true ErrorControl WarnAndContinue FlattenerIgnoreSpreadOverrides false IncludeGuidesGrids false IncludeNonPrinting false IncludeSlug false Namespace [ (Adobe) (InDesign) (40) ] OmitPlacedBitmaps false OmitPlacedEPS false OmitPlacedPDF false SimulateOverprint Legacy gtgt ltlt AddBleedMarks false AddColorBars false AddCropMarks false AddPageInfo false AddRegMarks false ConvertColors ConvertToCMYK DestinationProfileName () DestinationProfileSelector DocumentCMYK Downsample16BitImages true FlattenerPreset ltlt PresetSelector MediumResolution gtgt FormElements false GenerateStructure false IncludeBookmarks false IncludeHyperlinks false IncludeInteractive false IncludeLayers false IncludeProfiles false MultimediaHandling UseObjectSettings Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (20) ] PDFXOutputIntentProfileSelector DocumentCMYK 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Page 59
57
[26] L Doherty L E Ghaoui and K Pister ldquoConvex Position Estimation in Wireless
Sensor Networksrdquo in Proceedings of Infocom pp 1655-1633 2001
58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
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 SLV 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 SUO 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 SVE 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 TUR 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 UKR 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 ENU (Use these settings to create Adobe PDF documents best suited for high-quality prepress printing Created PDF documents can be opened with Acrobat and Adobe Reader 50 and later) gtgt Namespace [ (Adobe) (Common) (10) ] OtherNamespaces [ ltlt AsReaderSpreads false CropImagesToFrames true ErrorControl WarnAndContinue FlattenerIgnoreSpreadOverrides false IncludeGuidesGrids false IncludeNonPrinting false IncludeSlug false Namespace [ (Adobe) (InDesign) (40) ] OmitPlacedBitmaps false OmitPlacedEPS false OmitPlacedPDF false SimulateOverprint Legacy gtgt ltlt AddBleedMarks false AddColorBars false AddCropMarks false AddPageInfo false AddRegMarks false ConvertColors ConvertToCMYK DestinationProfileName () DestinationProfileSelector DocumentCMYK Downsample16BitImages true FlattenerPreset ltlt PresetSelector MediumResolution gtgt FormElements false GenerateStructure false IncludeBookmarks false IncludeHyperlinks false IncludeInteractive false IncludeLayers false IncludeProfiles false MultimediaHandling UseObjectSettings Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (20) ] PDFXOutputIntentProfileSelector DocumentCMYK 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Page 60
58
附錄 A 微處理器取得 H48C 重力加速度值程式碼
====================================================================
$STAMP BS2
$PBASIC 25
[ IO Definitions ]-------------------------------------------------
Dio PIN 15 data tofrom module
Clk PIN 14 clock output
CS PIN 13 active-low chip select
[ Constants ]-------------------------------------------------------
XAxis CON 0 adc channels
YAxis CON 1
ZAxis CON 2
VRef CON 3
Cnt2Mv CON $CE4C counts to millivolts
080586 with
GfCnv CON $3852 g-force conversion
022 with
[ Variables ]-------------------------------------------------------
axis VAR Nib axis selection
rvCount VAR Word ref voltage adc counts
axCount VAR Word axis voltage adc counts
mVolts VAR Word millivolts
gForce VAR Word axis g-force
dValue VAR Word display value
dPad VAR Nib display pad
[ Initialization ]--------------------------------------------------
Reset
HIGH CS deselect module
DEBUG CLS paint display
========================= CR
H48C 3-Axis Accelerometer CR
========================= CR
CR
Count Volts G CR
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
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 SUO 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 SVE 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 TUR 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 UKR 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Page 61
59
----- ----- ----- CR
VRef CR
X CR
Y CR
Z
[ Program Code ]----------------------------------------------------
Main
FOR axis = XAxis TO ZAxis loop through each axis
GOSUB Get_H48C read vRef amp axis counts
dValue = rvCount display vRef count
DEBUG CRSRXY 6 6
GOSUB RJ_Print
dValue = axCount display axis count
DEBUG CRSRXY 6 (7 + axis)
GOSUB RJ_Print
mVolts = rvCount Cnt2Mv convert vref to mv
DEBUG CRSRXY 13 6 display
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
mVolts = axCount Cnt2Mv convert axis to mv
DEBUG CRSRXY 13 (7 + axis)
DEC (mVolts 1000)
DEC3 mVolts
calculate g-force
-- gForce is signed word
IF (axCount gt= rvCount) THEN
gForce = (axCount - rvCount) GfCnv positive g-force
ELSE
gForce = -((rvCount - axCount) GfCnv) negative g-force
ENDIF
DEBUG CRSRXY 20 (7 + axis) display g-force
+ (gForceBIT15 13)
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
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can be opened with Acrobat and Adobe Reader 50 and later) gtgt Namespace [ (Adobe) (Common) (10) ] OtherNamespaces [ ltlt AsReaderSpreads false CropImagesToFrames true ErrorControl WarnAndContinue FlattenerIgnoreSpreadOverrides false IncludeGuidesGrids false IncludeNonPrinting false IncludeSlug false Namespace [ (Adobe) (InDesign) (40) ] OmitPlacedBitmaps false OmitPlacedEPS false OmitPlacedPDF false SimulateOverprint Legacy gtgt ltlt AddBleedMarks false AddColorBars false AddCropMarks false AddPageInfo false AddRegMarks false ConvertColors ConvertToCMYK DestinationProfileName () DestinationProfileSelector DocumentCMYK Downsample16BitImages true FlattenerPreset ltlt PresetSelector MediumResolution gtgt FormElements false GenerateStructure false IncludeBookmarks false IncludeHyperlinks false IncludeInteractive false IncludeLayers false IncludeProfiles false MultimediaHandling UseObjectSettings Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (20) ] PDFXOutputIntentProfileSelector DocumentCMYK 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Page 62
60
DEC1 (ABS(gForce) 100)
DEC2 ABS(gForce)
NEXT
PAUSE 200
GOTO Main
[ Subroutines ]-----------------------------------------------------
Reads VRef and selected H48C axis through an MCP3204 ADC
-- pass axis (0 - 2) in axis
-- returns reference voltage counts in rvCount
-- returns axis voltage counts in axCounts
Get_H48C
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 VRef3] select vref register
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [rvCount13] read ref voltage counts
HIGH CS
PAUSE 1
LOW CS
SHIFTOUT Dio Clk MSBFIRST [112 axis3] select axis
SHIFTIN Dio Clk MSBPOST [axCount13] read axis voltage counts
HIGH CS
RETURN
---------------------------------------------------------------------
Right-justify value in 5-digit field
-- move cursor first then call with value in dValue
RJ_Print
LOOKDOWN dValue gt=[10000 1000 100 10 0] dPad
DEBUG REP dPad DEC dValue
RETURN
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