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系統識別號 U0002-0201200802512300
中文論文名稱 微機電慣性量測組件驗證環境之設計
英文論文名稱 Test Bed Development for MEMS Inertial Measurement Unit
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 航空太空工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Aerospace Engineering
學年度 96
學期 1
出版年 97
研究生中文姓名 黃立輝
研究生英文姓名 Li-Huei Huang
學號 694370171
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2007-12-20
論文頁數 130頁
口試委員 指導教授-蕭照焜
委員-謝傑任
委員-馬德明
中文關鍵字 四軸實驗平台  微機電慣性量測組件  無線傳輸 
英文關鍵字 four-axis platform  MENS IMU  wireless transmission 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 本論文研究並設計ㄧ個自製微機電慣性量測組件驗證的環境。主要包含加速儀、陀螺儀的測試方法、無線資料傳輸系統的開發以及測試流程的建立:基於實驗平台的運動機構,分別設計出適合於加速儀及陀螺儀測試的動作,藉由理論的分析分別找出加速儀及陀螺儀於該動作下所應量得的理論值,並透過無線數據傳輸系統進行實驗數據的擷取,由實驗數據的分析來了解各感測元件的狀態並計算出角速度(加速度)與電壓之間的關係,最後再與使用手冊所提供的數據相互比較,以確定實驗結果的可靠。
我們針對所設計的測試動作建立最佳的實驗流程:加速儀測試、單軸陀螺儀測試及三軸陀螺測試;由單軸陀螺儀測試的結果我們可得角速度與電壓的關係式,接著進行三軸陀螺儀測試,將實驗結果代入我們所求出的關係式並與理論值進行比較,以了解實驗所得的關係式之適用性。
英文摘要 In this thesis, we developed a test bed for the in-house designed low cost MENS inertial measurement unit (IMU). The test system consists of a four-axis platform, a motion control computer, and a wireless data transmission system. We designed an adaptable test motion for the accelerometers and gyroscopes based on the mechanical structure of the platform. A promising test procedure for the accelerometer and gyroscope tests using the test bed is proposed. The relation between the measured value (AD count) and the angular velocity is established for each individual MEMS gyroscope.

A mathematic framework is also derived to verify the performance of the three-axis gyros (three single-axis MEMS gyros installed perpendicularly to provide three axes measurement). Experiment and analysis results are provided to show the effectiveness of the test bed.
論文目次 目錄
目錄 III
圖目錄 VI
表目錄 XI
符號定義 XII
第一章 緒論 1
第二章 四軸測試平台 4
2.1 平台各軸定義 7
2.2 平台機構簡介 7
2.3 平台角度計算 19
2.4 平台初始化 21
2.5 平台歸零 23
2.5.1 X、Y軸歸零 24
2.5.2 Z軸歸零 27
第三章 無線傳輸 29
3.1 無線傳輸模組 31
3.1.1 電源管理 31
3.1.2 資料收發端(nRF905) 32
3.1.3 控制端 37
3.2 nRF905資料收發程序 43
3.2.1 ShockBurstTM TX 發送流程 43
3.2.2 ShockBurstTM RX 接收流程 46
3.3 資料傳輸收發流程 49
3.3.1 發送流程 51
3.3.2 接收流程 54
第四章 慣性量測組件驗證 56
4.1 加速儀測試 57
4.1.1 繞空間中任意軸旋轉 57
4.1.2 X軸及Y軸的旋轉 62
4.1.3 平台傾斜角及傾斜方向計算 66
4.1.4 IMU傾斜角及傾斜方向計算 69
4.1.5 加速儀測試程式 72
4.2 陀螺儀測試 76
4.2.1 單軸陀螺儀測試 76
4.2.2 單軸陀螺儀測試程式 78
4.2.3 三軸陀螺儀測試 82
4.2.4 三軸陀螺儀測試程式 84
第五章 測試實驗 87
5.1 單軸陀螺儀測試 89
5.2 三軸陀螺儀測試 102
第六章 結論 111
參考文獻 114
附錄A 單軸陀螺儀實驗數據 117
附錄B 123

圖目錄
圖 2.1 1:四軸平台 4
圖 2.1 2:伺服系統硬體配接示意圖 5
圖 2.1 3:平台控制流程圖 6
圖 2.1 1:平台各軸定義 7
圖 2.2 1:四軸運動控制卡 8
圖 2.2 2:脈波命令式伺服系統(半閉迴路) 10
圖 2.2 3:脈波控制訊號 11
圖 2.2 4:DTO端子台 12
圖 2.2 5:伺服馬達驅動器 13
圖 2.2 6:減速器、聯軸器、伺服馬達、編碼器 15
圖 2.2 7:聯軸器 16
圖 2.2 8:偏心及偏角 16
圖 2.2 9:限動開關 18
圖 2.2 10:限動開關接點型式 18
圖 2.2 11:近接開關 19
圖 2.3 1:四軸運動控制卡控制機構 19
圖 2.4 1:參數設定及初始化 22
圖 2.5 1:平台歸零流程圖 24
圖 2.5 2:X、Y軸歸零 25
圖 2.5 3:X、Y軸歸零流程圖 26
圖 2.5 4:Z軸歸零 27
圖 2.5 5:Z軸歸零流程圖 28
圖 2.5 1:常見串列資料編碼方式 30
圖 2.5 2:調變信號 30
圖 3.1 1:無線傳輸模組架構 31
圖 3.1 2:PIC18LFXX2 電壓-頻率 關係圖 38
圖 3.1 3:無線傳輸模組電路圖 40
圖 3.1 4:無線傳輸模組 I 41
圖 3.1 5:無線傳輸模組 II 42
圖 3.2 1:資料傳輸封包 44
圖 3.2 2:NRF905 SHOCKBURSTTM TX 發送流程圖 45
圖 3.2 3:NRF905 SHOCKBURSTTM RX 接收流程圖 48
圖 3.3 1:資料傳輸流程 50
圖 3.3 2:發送程式流程圖 52
圖 3.3 3:PIC及NRF905初始化流程圖 53
圖 3.3 4:IMU資料封包格式 54
圖 3.3 5:接收程式流程圖 55
圖 3.3 1:IMU承載平台 56
圖 4.1 1:置物平台旋轉機構 58
圖 4.1 2:繞單位向量A旋轉Θ角 59
圖 4.1 3:單位向量A繞Z軸旋轉-Α角,轉至XZ平面 60
圖 4.1 4:單位向量A1繞Y軸旋轉Β角,並與X軸重合 61
圖 4.1 5:平台軸Y軸旋轉Θ角 65
圖 4.1 6:傾斜面座標系與水平面座標系 66
圖 4.1 7:置物平台傾斜角及傾斜方向 69
圖 4.1 8:傾斜方向表示 69
圖 4.1 9:IMU置於平面及斜面所測得的加速度 70
圖 4.1 10:加速儀配置方式 70
圖 4.1 11:加速儀測試程式 72
圖 4.1 12:平台及IMU初始座標系 74
圖 4.1 13:加速儀測試程式流程圖 75
圖 4.2 1:單軸陀螺儀驗證 76
圖 4.2 2:單軸陀螺儀測試程式 79
圖 4.2 3:單軸陀螺儀測試程式流程圖 80
圖 4.2 4:定速及加速模式程式流程圖 81
圖 4.2 5:三軸陀螺儀驗證 82
圖 4.2 6:三軸陀螺儀測試程式 85
圖 4.2 7:三軸陀螺儀測試程式流程圖 86
圖 5 1:陀螺儀測試實驗架設簡圖 87
圖 5 2:IMU測試架設實體圖 88
圖 5.1 1:平台靜止時三軸角速度 92
圖 5.1 2:X軸逆時針方向旋轉測試(10 DEG/S) 93
圖 5.1 3:X軸逆時針方向旋轉測試(250 DEG/S) 93
圖 5.1 4:Y軸逆時針方向旋轉測試(10 DEG/S) 94
圖 5.1 5:Y軸順時針方向旋轉測試(250 DEG/S) 94
圖 5.1 6:Z軸逆時針方向旋轉測試(10 DEG/S) 95
圖 5.1 7:Z軸順時針方向旋轉測試(250 DEG/S) 95
圖 5.1 8:X軸轉速及量測值(單軸陀螺儀測試結果) 96
圖 5.1 9:Y軸轉速及量測值(單軸陀螺儀測試結果) 97
圖 5.1 10:Z軸轉速及量測值(單軸陀螺儀測試結果) 98
圖 5.1 11:X軸轉速估計值及量測值(CURVE FITTING) 99
圖 5.1 12:Y軸轉速估計值及量測值(CURVE FITTING) 100
圖 5.1 13:Z軸轉速估計值及量測值(CURVE FITTING) 101
圖 5.2 1:X = 10° Y = 10° Z軸轉速 = 40 DEG / S 104
圖 5.2 2:X = 20° Y = 20° Z軸轉速 = 40 DEG/S 105
圖 5.2 3:X = 30° Y = 30° Z軸轉速 = 40 DEG/S 105
圖 5.2 4:實驗(一)X軸理論值及實驗計算結果 106
圖 5.2 5:實驗(一)Y軸理論值及實驗計算結果 106
圖 5.2 6:實驗(一)Z軸理論值及實驗計算結果 107
圖 5.2 7:實驗(二)X軸理論值及實驗計算結果 107
圖 5.2 8:實驗(二)Y軸理論值及實驗計算結果 108
圖 5.2 9:實驗(二)Z軸理論值及實驗計算結果 108
圖 5.2 10:實驗(三)X軸理論值及實驗計算結果 109
圖 5.2 11:實驗(三)Y軸理論值及實驗計算結果 109
圖 5.2 12:實驗(三)Z軸理論值及實驗計算結果 110
圖 5.2 1:Z軸漸加速旋轉測試 - 各軸陀螺儀狀態 112
圖 5.2 2:Z軸漸加速旋轉測試 - X、Y軸加速儀狀態 113

表目錄
表 1:四軸實驗平台規格 5
表 2:平台X、Y、Z軸驅動器規格 12
表 3:平台U軸驅動器規格 13
表 4:平台X、Y、Z軸伺服馬達規格 14
表 5:平台U軸伺服馬達規格 14
表 6:各軸減速齒輪比 17
表 7:NRF905工作模式設定 34
表 8:NRF905工作狀態 35
表 9:NRF905工作模式切換所需最大時間 37
表 10:IMU承載平台規格 56
表 11:X軸轉速及量測值(單軸陀螺儀測試結果) 96
表 12:Y軸轉速及量測值(單軸陀螺儀測試結果) 97
表 13:Z軸轉速及量測值(單軸陀螺儀測試結果) 98
表 14:X軸估計值及殘差 99
表 15:Y軸估計值及殘差 100
表 16:Z軸估計值及殘差 101
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