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研究生： 楊宗憲
論文名稱： 智慧型手機上之步行定位系統
Pedestrian Positioning System On Smart Phones
指導教授： 區國良
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 電機資訊學院 - 資訊工程學系
Computer Science
論文出版年： 2012
畢業學年度： 100
語文別： 中文
論文頁數： 68
中文關鍵詞： 定位系統 、感應器 、修正框架
外文關鍵詞： Position System, G-SENSOR, windows function
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    • 定位系統已經常應用在日常生活中，例如GPS系統應用於大眾運輸服務時可以估計列車到站時刻，個人汽車旅遊時可提供路徑及周邊景點資訊，。定位技術的成熟應用使得室外活動的規劃變得更加有效及便利，近年來運用在室內的定位系統也漸漸受到重視，常見的一些定位系統如ZigBee、藍芽定位系統、RFID定位系統及Wi-Fi定位系統等，但這些技術適合常被應用於商業場所及工作上，因所需的系統在建置成本及裝備複雜度上，與室外定位系統比較起來皆較的考量較室外定位系統更為複雜，故不容易推廣作為個人及室內定位之的應用。，尤其以目前已經有部分針對人類步行的定位及位移量的計算與研究及應用，目前仍在發展，其原理是利用感測器量測行走物理量加以計算來測得不同時間的所在位置，但卻無法克服因不同的姿態變化所造成的加速度誤差。為了得到精確的資料，除了需要精準的感測器之外，也需要配合適當的參數做修正。
    本論文所使用的感測器為智慧型手機上所搭載的G-SENSOR感測器，透過感測器取得三軸加速度計以及電子羅盤取得方向，分析所得到的數據並將含有重力的分量回歸到可以用牛頓定律計算位移量，並且以window function將雜訊除去減少計算距離位移量的誤差，建立了座標系統以及載具的使用角度計算，免除了僅限於完全平面上的限制。本論文設計了三個實驗，分別為搭坐電梯直線移動實驗，圖書館尋書之最短路徑實驗，以及操場行走封閉迴圈實驗等，以證實論文所建構步行定位系統的可行性及精確度。

    Positioning technology is wildly used in everyday life, for example, Global Position System (GPS)assists passengers to estimate the arriving time of next trains and vehicles, it also assists tourists to plan the best paths when traveling. The poisoning systems also work well indoor without satellites signal by several novel technologies, such as ZigBee Positioning System, Bluetooth Positioning System, RFID Positioning System and Wi-Fi Positioning System. However, these poisoning techniques are only adapted for people’s using in business or commercial places with the consideration of construction cost and equipment complexity.
    This thesis proposed a G-SENSOR based pedestrian positioning system on smart phone. The G-SENSOR of smart phone provides users to obtain the data of personal motions and directions by three-axis accelerometer and the electric compass. The motion data captured by G-SNESORS contain the weight of gravity, which could be transformed into the distances between each motion. To reduce the noise of the motion data, the window function is employed in this thesis. Further more, the compass integration module is proposed for estimate the position after users performing serial of motion.
    Three experiments are designed for calculating the accuracy of this novel positioning system, these experiments are: taking the elevator, the path routing in the library and a loop walking in playground. The results illustrate that the G-SENSOR of smart phone provides users a cheap, portable and accuracy positioning both in-door and out-door.

    目　錄 摘　要 1 Abstract 2 目　錄 3 圖目錄 5 表目錄 9 第一章緒論 10 第一節 研究背景與動機 10 第二節 研究目的 11 一、 計算行動載具之移動 12 二、 分析及探討修正後的回饋數據 12 三、 分析應用於各種移動狀態下室內定位之成效 12 四、 研究問題與解決方法 12 第三節 研究範圍與限制 14 一、研究範圍 14 二、研究限制 14 第二章文獻探討 17 第一節 定位技術 17 第二節 重力感測器(G-sensor)之相關研究 25 第三節Android Sensor感應器系統架構探討 26 第三章研究方法 31 第一節 牛頓定律 31 第二節 資料處理與分析 34 第三節角度補償 39 第四節誤差的累積 40 第四章研究結果 43 第一節 加速度數據擷取 43 第二節 步行加速度曲線特徵研究 44 第三節 連續加速度曲線資料特徵辨識 47 第四節 分析應用於各種移動狀態下室內定位之成效 49 第六章結論 63 參考文獻 65 附錄 66 附錄一 【使用陣列記錄1000筆資料做分析】 66   圖目錄 圖1.手機的自身軸座標 13 圖2.自身軸座標與大地座標結合 13 圖3.HTC ONEX 16 圖4.HTC XL 16 圖5.HTC EVO 3D 16 圖6.MOTO milestone 16 圖7.ZigBee流程示意圖 18 圖8.ZigBee定位示意圖 18 圖9.藍芽定位系統示意圖 19 圖10.藍芽基地台發送訊號示意圖 20 圖11.預測模型流程圖 20 圖12.Wi-Fi定位系統執行流程圖 21 圖13.RFID定位系統示意圖 22 圖14.系統執行流程 23 圖15.人類步行示意圖 24 圖16.步行系統執行架構圖 25 圖17.感應器系統架構圖 27 圖18.SENSOR_DELAY_FASTEST 29 圖19.SENSOR_DELAY_GAME 29 圖 20.SENSOR_DELAY_NORMAL 30 圖 21.SENSOR_DELAY_UI 30 圖 22.本論文系統架構圖 31 圖 23.加速度方向為正 32 圖 24.加速度方向為負 32 圖 25.做用力與反作用力示意圖 34 圖 26.平放X軸 36 圖 27.平放Y軸 36 圖 28.平放Z軸 37 圖 29.載具未修正前取得的走路的x軸 38 圖 30.載具未修正前取得的走路的y軸 38 圖 31.載具未修正前取得的走路的z軸 39 圖 32.windows function示意圖 41 圖 33.原地跳動時間單位之位移量 42 圖 34.二維平面上x軸與z軸示意圖 44 圖 35.步行往北方前進 45 圖 36.步行往北方前進(統計數據) 45 圖 37.步行往南方前進 45 圖 38.步行往南方前進(統計數據) 45 圖 39.步行往東方前進 46 圖 40.步行往東方前進(統計數據) 46 圖 41.步行往西方前進 46 圖 42.步行往西方前進(統計數據) 46 圖 43.未平滑化跑步 47 圖 44.未平滑化走路 48 圖 45.平滑化後的軸向數據 48 圖 46坐電梯上樓手機正y軸向右從一樓到二樓 49 圖 47.電梯上樓手機正y軸端向左 50 圖 48.上樓手機正y軸端向左示意圖 50 圖 49.電梯下樓手機正y軸端向左 50 圖 50.電梯上樓手機正y軸端向左(window function) 51 圖 51.電梯下樓手機正y軸端向左(window function) 51 圖 52.電梯上樓手機正y軸端向右 52 圖 53.下樓手機正y軸端向右示意圖 52 圖 54.電梯下樓手機正y軸端向右 52 圖 55.電梯上樓手機正y軸端向右(window function) 53 圖 56.電梯下樓手機正y軸端向右(window function) 54 圖 57.電梯上樓手機正y軸端向上 54 圖 58.上樓手機正y軸端向上示意圖 54 圖 59.電梯下樓手機正y軸端向上 55 圖 60.電梯上樓手機手機正y軸端向上(window function) 55 圖 61.電梯下樓手機正y軸端向上(window function) 56 圖 62.電梯上樓手機正y軸端向下 56 圖 63.上樓手機正y軸端向下示意圖 56 圖 64.電梯下樓手機正y軸端向下 57 圖 65.電梯上樓手機正y軸端向下(window function) 57 圖 66.電梯下樓手機正y軸端向下(window function) 58 圖 67.預備開始走最佳路徑直線型 59 圖 68.路徑直線型找到書時之回饋數據 59 圖 69. 路徑直線型找書之位移狀態 59 圖 70.預備開始走最佳路徑L型 60 圖 71.路徑L型找到書時之示意圖 60 圖 72. 路徑L型找書之位移狀態 60 圖 73.預備開始走操場 61 圖 74.走操場結束時之回饋數據 61 圖 75.歐拉角示意圖 62   表目錄 表 1.紀錄點的狀態 35 表 2.計算重量分力之角度修正 39

    [1] 陸一鳴, 黃嘉柔, and 黃秓煌, "以 EPCglobal 網路為基礎之 RFID 貨櫃場管理應用," presented at the 第十屆產業全球化運籌管理學術與實務研討會, 2010。
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    [7] 施建仲, "使用線性加速感測晶片的計步器," 碩士論文, 資訊工程研究所, 國立中央大學, 桃園, 2010。
    [8] 連紹帆, 李廷恩, 彭俊霖, 戴育志, 蘇仲鵬, and 夏郭賢, "以Nios II 為核心的α-β 濾波器設計與實現," presented at the 第七屆離島資訊技術與應用研討會論文集, 2008。
    [9] Google Inc. (2011). Google Maps 6.0 導入室內定位功能. Available: http://googlemobile.blogspot.tw/2011/11/go-indoors-with-google-maps-60-for.html
    [10] S. Y. Cho and C. G. Park, "MEMS Based Pedestrian Navigation System," Journal of Navigation, vol. 59, p. 135, 2005.

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