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系統識別號 U0026-2901201314202800
論文名稱(中文) 以力規發展智慧地板及其室內定位之應用
論文名稱(英文) Development of Load-Cell Based Smart Floor for Indoor Localization
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 機械工程學系專班
系所名稱(英) Department of Mechanical Engineering (on the job class)
學年度 101
學期 1
出版年 102
研究生(中文) 吳名烽
研究生(英文) Meng-Feng Wu
學號 N17971125
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 148頁
口試委員 指導教授-陳國聲
口試委員-楊天祥
口試委員-屈子正
口試委員-劉雲輝
中文關鍵字 智慧地板  室內定位  力規  有限元素分析  智慧生活 
英文關鍵字 Smart Floor  Indoor localization  Load cells  Finite element simulation  Intelligent life 
學科別分類
中文摘要 近年來由於智慧生活科技被人們所重視,所以發展出一系列的居家機器人,因此對於室內定位的技術的發展更加需要,因此本研究在評估了各項的室內定位技術的優缺點之後,本研究主要是利用力規來發展新的智慧地板定位方式,用於提昇智慧生活應用的多元性,藉由力規訊號的量測,搭配平面幾何與剛體靜力學,求取物體在平面定位方面的資訊。另一方面,我們也提出一系列新的定位技術,如多點靜態定位、連續性移動定位、單動動態定位、多點的單點移動路徑判斷定位技術,用以提供運動物體的即時定位訊息,再利用有限元素分析來驗證可行性,並透過地板的設計與製作及驗證來發展新的智慧定板定位系統,其定位精度可以達到2-5cm,並利用我們發展的定位技術來應用於智慧生活上,藉此了解力規於智慧地板定位系統發展的可行性,用以發展適用於智慧生活中符合低成本、結構簡易、高精度的智慧地板之室內定位技術。
英文摘要 In this work, a force sensing-based smart floor unit is design and implemented for indoor localization of human beings and moved objects such as mobile robots. The motion signal is detected by four load cell located at floor corners. By rigid body statics, the force-applied location can be obtained. Both static and dynamic loading cases, and both single and multiple objects situations are all considered and the associated algorithms are developed. The analysis results agree with those performed by finite element simulation very well. Finally, an experimental system is realized for evaluating the localization accuracy and it indicate that the current accuracy is approximately within 2-5 cm and can be further improved by carefully system re-design.
論文目次 摘要 I
Abstract II
致謝 III
圖目錄 IX
第一章 緒論
1.1 前言 1
1.2 相關研究之簡介 5
1.3 研究動機與目標 7
1.4 研究方法 8
1.5 本文架構 9
第二章 研究背景介紹
2.1 本章介紹 11
2.2 室內定位技術之相關研究 12
2.2.1超音波(Ultrasound) 12
2.2.2 紅外線(IR)-Stargazer定位系統 13
2.2.3 Wiimote室內定位技術 13
2.2.4 超寬頻(UWB) 15
2.3 智慧地板定位技術之相關研究 16
2.3.1 力規(Load cell) 16
2.3.2 RFID標籤定位 16
2.3.3 位置傳感器定位 17
2.3.4 電容式定位 18
2.4 動態定位追踨之相關研究 20
2.4.1 步態定位 20
2.4.2 雷射測距儀輔助無線感測器網路 21
2.4.3 動態參考節點 22
2.5 使用者介面之相關研究 23
2.5.1 電腦:圖形使用者介面 23
2.5.2 工業:人機介面 24
2.5.3 其他 24
2.6 本章結論 26
第三章 單點與多點定位技術的發展
3.1 本章介紹 28
3.2 單點定位技術 29
3.2.1 公式推導 29
3.2.2 有限元素模擬 30
3.3 多點定位技術 32
3.3.1 公式推導 32
3.3.2 有限元素模擬 33
3.4 結果與討論 36
第四章 連續性移動定位與路徑追踪技術
4.1 本章介紹 37
4.2 單點連續性移動定位技術 38
4.2.1 公式推導 38
4.2.2 有限元素模擬 39
4.3 多點移動路徑追踪定位技術 42
4.3.1 公式推導 42
4.3.2 有限元素模擬 44
4.4 結果與討論 48
第五章 實驗平台之設計與實現
5.1 本章介紹 49
5.2 智慧地板定位平台設計概念 51
5.2.1智慧地板設計分析 51
5.3 平板設計 53
5.4 設備規格設定 55
5.4.1 力規的規格設定 55
5.4.2 放大器的規格 56
5.4.3力規的校準 56
5.4.4 六階低通濾波器的設計 58
5.4.5 DAQ規格 59
5.5定位軟體的實現 61
5.6 可行性展示 63
5.7 本章結論 65
第六章 單點與多點定位實驗
6.1 本章介紹 66
6.2 單點定位實驗 67
6.2.1 實驗計劃 67
6.2.2 實驗結果 69
6.2.3 模擬結果比較 72
6.2.4 結果與討論 73
6.3 多點定位實驗 74
6.3.1 實驗計劃 74
6.3.2 實驗結果 75
6.3.3 模擬結果比較 76
6.3.4 結果與討論 77
6.4 定位性能改善 78
6.4.1 誤差原因 78
6.4.2 性能改善方案 78
6.5 本章結論 80
第七章 連續性移動與多點路徑追踪及單點動態定位實驗
7.1 本章介紹 81
7.2 連續性移動定位實驗 82
7.2.1 實驗計劃 82
7.2.2 實驗結果 83
7.2.3 模擬結果比較 84
7.2.4 討論與結論 85
7.3 多點路徑追踪實驗 86
7.3.1 實驗計劃 86
7.3.2 實驗結果 88
7.3.3 模擬結果比較 90
7.3.4 討論與結論 91
7.4 單點動態定位實驗 92
7.4.1 實驗計劃 92
7.4.2 實驗結果 94
7.5 實驗結果之性能討論 107
7.6 本章結論 108
第八章 發展人機介面與智慧生活之應用
8.1 本章介紹 109
8.2 LABVIEW人機介面介紹 110
8.3 定位面板發展與操作 112
8.3.1 定位資訊顯示及操作面板 112
8.3.2 人機介面整合 112
8.4 智慧生活之情境展示 114
8.4.1 定位與追踪技術之整合 114
8.4.2 全向輪定位與物體重心之量測 114
8.4.3 實驗結果與討論 115
8.5 本章結論 118
第九章 研究結果與討論
9.1 本章介紹 119
9.2 整體性能評估 120
9.2.1 單點與多點定位: 120
9.2.2 動態定位與點移動判斷: 120
9.3 可能的應用 122
9.4 整體研究結果與延伸討論 123
9.5 本章結論 126
第十章 結論與未來展望
10.1 全文歸納 127
10.2 本文結論 129
10.3 本文貢獻 131
10.4 未來展望 132
參考文獻 134
附錄A 實驗硬體設備
附錄A1 力規之詳細規格 139
附錄A2 放大器之詳細規格表 140
附錄A3 DAQ之詳細規格表 141
附錄B 控制程式
附錄B1 力規定位程式 142
附錄B2 單點動態定位展示程式 144
附錄B3 移動平均程式 145
附錄C 影響度公式
附錄C1 力規影響度 146
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