Skip navigation

DSpace JSPUI

DSpace preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets

Learn More
DSpace logo
English
中文
  • Browse
    • Communities
      & Collections
    • Publication Year
    • Author
    • Title
    • Subject
    • Advisor
  • Search TDR
  • Rights Q&A
    • My Page
    • Receive email
      updates
    • Edit Profile
  1. NTU Theses and Dissertations Repository
  2. 工學院
  3. 應用力學研究所
Please use this identifier to cite or link to this item: http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/98596
Full metadata record
???org.dspace.app.webui.jsptag.ItemTag.dcfield???ValueLanguage
dc.contributor.advisor王立昇zh_TW
dc.contributor.advisorLi-Sheng Wangen
dc.contributor.author林秉諭zh_TW
dc.contributor.authorPing-Yu Linen
dc.date.accessioned2025-08-18T01:01:10Z-
dc.date.available2025-08-18-
dc.date.copyright2025-08-15-
dc.date.issued2025-
dc.date.submitted2025-08-05-
dc.identifier.citationJ. Ackermann, A. Bartlett, D. Kaesbauer, W. Sienel, and R. Steinhauser. Robust control: Systems with uncertain physical parameters. Springer, 1993.
F. Arnold and R. King. State–space modeling for control based on physics-informed neural networks. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 101:104195, 2021.
A. G. Baydin, B. A. Pearlmutter, A. A. Radul, and J. M. Siskind. Automatic differentiation in machine learning: a survey. Journal of machine learning research, 18(153):1–43, 2018.
S. L. Brunton and J. N. Kutz. Data-driven science and engineering: Machine learning, dynamical systems, and control. Cambridge University Press, 2022.
M. Er, F. Liu, and M. Li. Self-constructing fuzzy neural networks with extended kalman filter. International Journal of Fuzzy Systems, 12(1), 2010.
L. Hermansdorfer, R. Trauth, J. Betz, and M. Lienkamp. End-to-end neural network for vehicle dynamics modeling. In 2020 6th IEEE Congress on Information Science and Technology (CiSt), pages 407–412. IEEE, 2021.
M. Hoshiya and E. Saito. Structural identification by extended kalman filter. Journal of engineering mechanics, 110(12):1757–1770, 1984.
A. Khaki-Sedigh. An Introduction to Data-Driven Control Systems. John Wiley & Sons, 2023.
D. P. Kingma and J. Ba. Adam: A method for stochastic optimization. arXiv preprint arXiv:1412.6980, 2014.
M. Raissi, P. Perdikaris, and G. E. Karniadakis. Physics-informed neural networks: A deep learning framework for solving forward and inverse problems involving nonlinear partial differential equations. Journal of Computational physics, 378:686–707, 2019.
M. I. Ribeiro. Kalman and extended kalman filters: Concept, derivation and properties. Institute for Systems and Robotics, 43(46):3736–3741, 2004.
K. Ryu, J. Kang, and D. Lee. Performance comparison between ekf and ukf in gps/ins low observability conditions. In 2021 21st International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS), pages 1911–1916. IEEE, 2021.
D. Solomatine, L. See, and R. Abrahart. Data-Driven Modelling: Concepts, Approaches and Experiences, pages 17–30. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg, 2008.
A. J. Weinstein and K. L. Moore. Pose estimation of ackerman steering vehicles for outdoors autonomous navigation. In 2010 IEEE International Conference on Industrial Technology, pages 579–584. IEEE, 2010.
G. Welch, G. Bishop, et al. An introduction to the kalman filter. 1995.
-
dc.identifier.urihttp://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/98596-
dc.description.abstract本研究旨在設計並實現一套數據導向(Data-Driven)之系統狀態估測系統,應用於阿克曼(Ackermann)無人載具於戶外環境中的定位及定向。為解決阿克曼轉向機構的載具非線性模型不易掌握的問題,本研究進一步引入物理訊息神經網路(Physics-Informed Neural Networks0, PINN)輔助擴展卡爾曼濾波器(Extended Kalman Filter, EKF),透過學習車輛運動方程,融合GPS/GNSS 與IMU 資訊,有效估測車輛在戶外環境中的座標與朝向角,提升估測精度與穩定性。最終,引入動態節點擴張概念及線上即時學習修正類神經網路模型,整體系統融合數據導向方法與物理模型推導之優勢,實現具備自適應性、運動可行性與動態穩健性的戶外阿克曼載具定位與控制架構。zh_TW
dc.description.abstractThis study aims to design and implement a data-driven state estimation system for localization of Ackermann-type unmanned ground vehicles (UGVs) operating in outdoor environments. To address the challenges posed by the uncertain nonlinear dynamical model inherent to the Ackermann steering mechanism, a Physics-Informed Neural Network (PINN) is incorporated to enhance the performance of the Extended Kalman Filter (EKF). By learning the vehicle’s motion equations and fusing data from GPS/GNSS and inertial measurement units (IMUs), the proposed system effectively estimates the vehicle’s position and heading, thereby improving both the accuracy and stability of localization.
To further adapt to real-world environmental dynamics and model uncertainties, this work introduces a dynamic node expansion strategy and an online learning mechanism for real-time model correction. The resulting framework leverages the complementary strengths of data-driven learning and physics-based modeling, enabling adaptive, physically feasible, and robust localization and control of outdoor Ackermann UGVs.
en
dc.description.provenanceSubmitted by admin ntu (admin@lib.ntu.edu.tw) on 2025-08-18T01:01:10Z
No. of bitstreams: 0
en
dc.description.provenanceMade available in DSpace on 2025-08-18T01:01:10Z (GMT). No. of bitstreams: 0en
dc.description.tableofcontents口試委員審定書 i
致謝 ii
摘要 iii
Abstract iv
目次 vi
圖次 x
表次 xii
第一章 緒論 1
1.1 前言與研究動機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 文獻回顧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1 卡爾曼濾波器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2 擴展卡爾曼濾波器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.3 物理引導神經網路(Physics-Informed Neural Networks, PINN) 3
1.3 研究內容與成果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 論文架構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
第二章 系統狀態估測方法 6
2.1 卡爾曼濾波器(Kalman Filter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 擴展卡爾曼濾波器(Extended Kalman Filter, EKF) . . . . . . . . . 9
第三章 數據導向概念 11
3.1 數據導向建模(Data-Driven Modelling)理論與應用技術 . . . . . . 11
3.1.1 數據導向建模基本流程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1.2 機器學習在數據導向建模中的角色 . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1.2.1 監督式學習(Supervised Learning) . . . . . . . . . 12
3.1.2.2 非監督式學習(Unsupervised Learning) . . . . . . . 12
3.1.2.3 強化學習(Reinforcement Learning) . . . . . . . . . 13
3.1.3 機器學習應用於數據導向建模的優點與挑戰 . . . . . . . . . . . 13
3.1.4 本研究之數據導向應用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2 物理訊息神經網路(Physics-informed neural networks, PINN) . . . 16
3.2.1 損失函數設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2.2 網路架構與訓練 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
第四章 數據導向狀態估測方法設計 19
4.1 阿克曼單車模型(Ackermann model) . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.1.1 運動學模型方程式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.1.2 離散時間模型(時間間隔 ∆t) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.1.3 約束條件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.2 物理訊息神經網路融合擴展卡爾曼濾波器 . . . . . . . . . . . . . . 21
4.2.1 ADAM 優化器(Adaptive Moment Estimation) . . . . . . . . . 21
4.2.1.1 傳統梯度下降法限制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.2.1.2 動量法與 RMSProp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.2.1.3 ADAM 演算法原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2.1.4 ADAM 最佳化演算法於 PINN 訓練之應用 . . . . . . 24
4.2.2 自動微分(Automatic Differentiation, AD) . . . . . . . . . . . . 25
4.2.2.1 自動微分的運作方式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.2.2.2 優勢與應用場景 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2.3 類神經網路架構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.2.4 訓練流程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.2.5 預測與更新過程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.2.6 流程圖 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.3 自適應性物理訊息神經網路輔助擴展卡爾曼濾波器 . . . . . . . . . 35
4.3.1 自適應性類神經網路架構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.3.2 訓練流程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.3.3 訓練流程圖 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3.4 預測及更新過程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4 線上即時學習修正類神經網路模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4.1 線上學習修正流程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.4.2 流程圖 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
第五章 硬體架構與系統整合 44
5.1 硬體架構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.1.1 無人阿克曼轉向實驗載具 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.1.2 GNSS 接收器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.1.3 無線電通訊模組 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.1.4 9 軸振動傾斜計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.1.5 使用軟體與工作站主機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.1.6 系統整合 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2 GPS 定位方法及自定義座標系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.2.1 RTK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.2.2 座標轉換 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.2.2.1 經緯度轉 ECEF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.2.2.2 ECEF 轉 ENU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.2.2.3 ENU 轉格點座標 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
第六章 模擬與實驗結果 53
6.1 模型建構與預訓練 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.1.1 物理訊息神經網路預訓練 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.1.2 自適應性物理訊息神經網路預訓練 . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.2 實驗環境 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.3 模擬結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.3.1 物理訊息神經網路輔助擴展卡爾曼濾波器(PINNEKF) . . . . 56
6.3.1.1 已學習過路徑結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.3.1.2 未學習過路徑結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.3.2 自適應性物理訊息神經網路輔助擴展卡爾曼濾波器(Adaptive
PINNEKF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.3.2.1 已學習過路徑結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.3.2.2 未學習過路徑結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.4 實驗結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.4.1 線上即時更新學習模型結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.5 結論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
第七章 結果與未來展望 64
參考文獻 65
-
dc.language.isozh_TW-
dc.subject數據導向zh_TW
dc.subject擴展卡爾曼濾波器zh_TW
dc.subject阿克曼轉向載具zh_TW
dc.subject物理訊息神經網路zh_TW
dc.subjectExtended Kalman Filteren
dc.subjectAckermann vehicleen
dc.subjectData-Drivenen
dc.subjectPhysics-Informed Neural Networken
dc.title物理訊息神經網路輔助擴展卡爾曼濾波器之設計與實現zh_TW
dc.titlePhysics-Informed Neural Networks Assisted Extended Kalman Filter System Design and Implementationen
dc.typeThesis-
dc.date.schoolyear113-2-
dc.description.degree碩士-
dc.contributor.oralexamcommittee王和盛;卓大靖;張帆人zh_TW
dc.contributor.oralexamcommitteeHe-Sheng Wang;Dah-Jing Jwo;Fan-ren Changen
dc.subject.keyword數據導向,擴展卡爾曼濾波器,阿克曼轉向載具,物理訊息神經網路,zh_TW
dc.subject.keywordData-Driven,Extended Kalman Filter,Ackermann vehicle,Physics-Informed Neural Network,en
dc.relation.page66-
dc.identifier.doi10.6342/NTU202501008-
dc.rights.note同意授權(限校園內公開)-
dc.date.accepted2025-08-11-
dc.contributor.author-college工學院-
dc.contributor.author-dept應用力學研究所-
dc.date.embargo-lift2025-08-18-
Appears in Collections:應用力學研究所

Files in This Item:
File SizeFormat 
ntu-113-2.pdf
Access limited in NTU ip range
14.06 MBAdobe PDF
Show simple item record


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.

社群連結
聯絡資訊
10617臺北市大安區羅斯福路四段1號
No.1 Sec.4, Roosevelt Rd., Taipei, Taiwan, R.O.C. 106
Tel: (02)33662353
Email: ntuetds@ntu.edu.tw
意見箱
相關連結
館藏目錄
國內圖書館整合查詢 MetaCat
臺大學術典藏 NTU Scholars
臺大圖書館數位典藏館
本站聲明
© NTU Library All Rights Reserved