本論文探討分布式多微控制器系統之設計、實現與驗證。首先建構一個以DSPIC微控制器為核心的系統架構，此架構由三個子系統組成，分別為感測及姿態角計算模組、控制模組、及地面控制站。感測器包含三軸陀螺儀、加速儀、及電子羅盤與一個GPS接收器。感測器與主控制板及主控制板與次控制板之間透過I2C通訊介面建構成一個獨立的網路控制系統，主控制板上的微控制器扮演MASTER 的角色，其餘為SLAVE。整個硬體設計採模組化之設計，因此組合主控制板及次控制板即可成為系統之控制模組使用。本設計之核心為具DSP運算功能的多顆微控制器，因此我們在此系統上實現複雜的非線性卡曼濾波，執行姿態角計算。感測及姿態角計算模組與控制模組透過USART傳遞資料。因為本系統為模組化設計，我們可以很容易地擴充系統的航電需求。

This Thesis investigates the design and implementation of a distributed multi-microcontroller based control system development environment. A DSPIC microcontroller (MCU) based system architecture is established first. The system contains three major parts, namely, sensing and attitude determination section, control section, and ground section. The sensing and attitude determination section consists of four circuit boards (master control board, slave control board, sensor board, and power supply board) with identical size ( ). The sensor boards contains three axes inertial measurement unit (include gyro, accelerometer, and electronic compass) and a GPS receiver. The sensors and the DSPIC MCUs are connected over an I2C (inter-integrated circuit) data bus with the DSPIC on the master control board as the master MCU. Unscented Kalman filter based attitude estimation is incorporated in this embedded system. With incorporation of modular design, combination of the master control board and the slave control board will form the control section of the system. Communications between sections are achieved through USART interface. Because of modular design, the system can be easily expanded to integrate other avionics functions.

目錄
第一章	緒論	1
1.1研究背景與目的	1
1.2文獻回顧	2
1.3研究方法	3
第二章	系統設計	5
2.1系統架構	5
2.2通訊模組	7
第三章	串列埠軟體設定	10
3.1 UART	10
3.2 I2C	14
第四章	硬體設計	23
4.1 硬體元件與資料格式校準	23
4.2 硬體架構與各部細件	32
第五章	飛行姿態角計算	41
5.1航向角計算	42
5.2 重力場三軸分量計算姿態角	43
5.3 四元素計算姿態角	47
5.4 卡曼濾波器計算姿態角	50
5.5 雜訊特性與修正	51
5.6無跡卡曼濾波器	57
第六章	應用與驗證	61
6.1 四元數結合卡曼濾波器	61
6.2結果驗證	68
第七章 未來工作與展望	76
參考文獻                  79

圖目錄
圖 2.1-1系統架構圖     6
圖 2.2-1 UART連接範例  7
圖 2.2-2 寫入模式      8
圖 2.2-3 讀取模式      8
圖 2.2-4 I2C硬體串接         9
圖 3.1-1 UART基本流程圖      14
圖 3.2-1傳輸時BUS電壓變化     15
圖 3.2-2 I2C程式流程架構      22
圖 4.1-1 定義坐標軸           25
圖 4.1-2 修正線段             27
圖 4.1-3 X軸的數據對時間       31
圖 4.1-4 Y軸的數據對時間       31
圖 4.1-5X軸對Y軸              32
圖 4.2-1硬體架構              33
圖 4.2-2感測器板              34
圖 4.2-3主控制版              34
圖 4.2-4次控制板              35
圖 4.2-5電源提供板             35
圖 4.2-6主控制板電路圖          36
圖 4.2-7次控制板電路圖          37
圖 4.2-8電源提供版電路圖         38
圖 4.2-9感測器板電路圖           39
圖 4.2-10系統組合後的成果            39
圖 5-1歐拉角[16]                    41
圖 5.1-1 地磁分量[16]                42
圖 5.2-1重力場分量[16]                 44
圖 5.2-2由旋轉角速度造成的速度變化之分量[16] 45
圖 5.4-1透過卡曼濾波器計算姿態角流程[16]    51
圖 5.6-1 UKF流程圖                        60
圖 6.1-1四元數結合UKF的主要流程             61
圖 6.1-2 SIGMA POINT的選法                62
圖 6.2-1 靜態時俯仰角變化(與重力場分量的比較)  69
圖 6.2-2 靜態時滾轉角變化(與重力場分量的比較) 69
圖 6.2-3 靜態時航向角變化(與重力場分量的比較)  70
圖 6.2-4 靜態時伏仰角變化(與四元數的比較)  70
圖 6.2-5靜態時滾轉角變化(與四元數的比較)  71
圖 6.2-6靜態時航向角變化(與四元數的比較)  71
圖 6.2-7動態時航向角變化(與重力場的比較)  72
圖 6.2-8動態時滾轉角變化(與重力場的比較)  73
圖 6.2-9動態時伏仰角變化(與重力場的比較)  73
圖 6.2-10動態時航向角變化(與四元數的比較) 74
圖 6.2-11動態時滾轉角變化(與四元數的比較) 74
圖 6.2-12動態時伏仰角變化(與四元數的比較) 74
圖 7.1-1 本系統與手機進行資料通訊76
圖 7.1-2 系統擴充性77

參考文獻
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