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系統識別號 U0002-0809201023513500
中文論文名稱 無人飛行載具的多單晶片飛行電腦
英文論文名稱 Multi-chip Flight Computer of Unmanned Aerial Vehicle
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 98
學期 2
出版年 99
研究生中文姓名 廖淑華
研究生英文姓名 Shu-Hua Liao
學號 697430287
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-07-13
論文頁數 92頁
口試委員 指導教授-馬德明
委員-蕭照焜
委員-何 翊
中文關鍵字 飛行電腦  航電系統  單晶片  I2C 
英文關鍵字 Flight Computer  Avionics System  Single Chip  I2C 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 本文以四顆單晶片為核心處理器,並搭配飛行時所需之感測器與航電儀器,架構成無人飛行載具的飛行電腦暨航電系統,並使之能連結地面監控軟體站。飛行電腦包含了飛行資訊的收集、處理,以及資料的傳輸、通訊,其中更重要的部分在執行決策並即時作出判斷與下達指令使飛行載具動作。本文針對單晶片的工作方式與硬體架構做一探討,並提出以I2C(Inter-Integrated Circuit)通訊介面作為單晶片間溝通的橋樑。
以Microchip公司所出產之MCU PICR系列單晶片PIC18F2550為飛行電腦的核心,負責資料的整合與決策,PIC16F88和PIC18F2550分別擔任GPS與Data Link的資料緩衝區,還有一顆PIC16F88為飛行模式手動或自動的切換。依本文所完成之航電系統裝置所需,設計與製作一無人飛行載具為實驗平台並實際應用之。此套航電系統裝置的完成,更在成本的花費上大幅的降低,在所需體積空間上,也較具優勢。
實驗平台主要的設計出發點為修改現有之無人飛行載具的氣動力外型,以求更佳的飛行性能。
英文摘要 An avionics system which contains four microchips and relevant sensors is studied. The system performs not only the functions of flight information collection, processing, data transmission and communication but also the judgment and decision of unmanned aerial vehicle (UAV) movement. The topic of this paper is the interface of I2C (Inter-Integrated Circuit) for microchips communication and discussion of function and framework for microchip.
One of four microchips PIC18F2550 that is produced from Microchip Corporation PICR series MCU as flight computer’s core, handling the integrated and decision of flight information. The data buffer of GPS and Data Link are PIC16F88 and PIC18F2550. Other PIC16F88 is the changing of flight pattern manual or automatic. For the need to verify the avionics system, designing and manufacturing a vehicle. The completion of avionics system advantages not only reduction spent of cost but also volume of size.
The design of experiment platform is the modifying of aerodynamic shape that on have for better flight performance.
論文目次 目錄
目錄 i
圖目錄 iv
表目錄 vii
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與目的 2
1.2 文獻回顧 3
1.3 研究方法 4
第二章 多單晶片飛行電腦整合 6
2.1 前言 6
2.2 飛行電腦需求定義 6
2.2.1 航電系統開發現況與市場趨勢 9
2.2.2 飛行電腦需求 10
2.3 晶片測試分析 11
2.3.1 晶片簡介 11
2.3.2 單晶片整合測試分析 16
2.4 飛行電腦系統設計 22
2.4.1 概念設計 22
2.5 飛行電腦暨航電系統實做與整合 25
2.5.1 機載系統概念 25
2.5.2 飛行控制系統(FCS board)暨航電系統開發 25
2.5.3 機載系統軟體 28
2.5.4 機載系統感測器元件及其他功能元件[12] 31
2.5.5 地面站軟體[13][14] 35
第三章 飛行實驗平台設計與製造 40
3.1 飛行載具設計 41
3.1.1 重量初估 41
3.1.2 主翼設計 43
3.1.3 機身設計 44
3.1.4 尾翼設計 46
3.1.5 飛行性能分析及修正 47
3.2 載具動力學模型分析 49
3.2.1 關於Datcom 50
3.2.2 Datcom輸入格式 50
3.2.3 Datcom輸出結果 51
3.2.4 飛行載具運動方程式[17] 54
3.2.5 載具安定性計算[17] 58
3.3 載具製作 60
3.3.1 載具細部設計 60
3.3.2 載具實體製作 61
第四章 結論 68
第五章 未來展望 69
參考文獻 70
附錄A--程式碼 72
附錄B--Datcom Input File 80
附錄C--投稿用論文 84

圖目錄
圖 2.2 1 飛行電腦與航電系統硬體關係圖 7
圖 2.2 2 航電系統架構 8
圖 2.2 3 飛行電腦功能關係圖 9
圖 2.3 1 PIC16F88[7] 13
圖 2.3 2 PIC18F2550[8] 13
圖 2.3 3 I2C串接方式[12] 17
圖 2.3 4 I2C匯流排的開始與終止信號 19
圖 2.3 5 I2C匯流排的應答信號 19
圖 2.3 6 I2C匯流排資料傳輸 20
圖 2.3 7 地址框架格式 20
圖 2.3 8 完整的資料傳輸通信時序 20
圖 2.3 9 主元件對僕元件進行資料傳送寫入 21
圖 2.3 10主元件對僕元件進行資料傳送讀取 21
圖 2.3 11主元件對僕元件進行資料傳送寫入與讀取 21
圖 2.4 1 航電系統概念 23
圖 2.5 1 OrCADR Capture電路設計 26
圖 2.5 2 OrCADR Layout電路設計 26
圖 2.5 3 電路板曝光 27
圖 2.5 4 電路板刻蝕 27
圖 2.5 5 元件點焊安裝於電路板 27
圖 2.5 6 飛行電腦實作電路板 28
圖 2.5 7 航電系統硬體概觀 28
圖 2.5 8機載系統軟體功能架構方塊圖 30
圖 2.5 9 MR-406A GPS Receiver 31
圖 2.5 10 TCM 2.6 32
圖 2.5 11 ADXRS150 Rate Gyro 33
圖 2.5 12 穩壓IC 7805 34
圖 2.5 13 多工器74LS157 34
圖 2.5 14 GCS主畫面 37
圖 2.5 15飛航計劃(左)及飛行控制主控台(右)分頁 39
圖 三 1 飛行載具設計流程概念圖 40
圖 3.1 1 載具之標準任務計劃 42
圖 3.1 2 機身配置概念 45
圖 3.1 3 載具概念設計外型 47
圖 3.1 4 升阻比性能、配平空速對攻角變化 48
圖 3.1 5 UAV『i-鷫鸘』初步設計外型 49
圖 3.2 1 Datcom輸入檔格式 51
圖 3.2 2 Datcom輸出檔概觀 52
圖 3.3 1 翼肋骨架組裝 62
圖 3.3 2 飛機木蒙皮及前後緣 63
圖 3.3 3 垂直尾翼組裝 64
圖 3.3 4 水平尾翼組裝 64
圖 3.3 5 機身組裝 65
圖 3.3 6 馬達組裝 66
圖 3.3 7 碳纖管接合組裝 66
圖 3.3 8 完成之載具 67

表目錄
表 2.2 1 航空電子裝置所提供之飛行資訊 11
表 2.3 1 PIC16F88與PIC18F2550特性 14
表 2.3 2 飛行電腦控制系統各單晶片工作範疇 17
表 3.1 1 載具重量初估結果 43
表 3.1 2 載具設計性能點 48
表 3.2 1 全機空氣動力特性無因次導係數 53
表 3.2 2 控制面氣動力特性無因次導係數 53
表 3.2 3 縱向有因次導係數 56
表 3.2 4 橫向有因次導係數 56
表 3.2 5 計算求得之有因次導係數 57
表 3.3 1 主翼材料列表 62
表 3.3 2 尾部材料列表 63
表 3.3 3 機身材料列表 65
參考文獻 [1] 鄭茜文, “MCU市場規模及價格走勢”, DIGITIMES, 中華民國九十八年十一月四號。
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[16] John D. Anderson, Jr, Aircraft performance and design, McGraw Hill,1999, p.436.
[17] Robert C. Nelson, Flight stability and automatic control 2nd edition, McGraw Hill, 1998, ch.4 & ch.5.
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