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系統識別號 U0002-1003201409402500
中文論文名稱 分布式多微控器系統發展環境設計
英文論文名稱 Design of a Distributed Multi-Microcontroller Based Control System Development Environment.
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 102
學期 1
出版年 103
研究生中文姓名 洪為勝
研究生英文姓名 Wei-Sheng Hung
學號 698430609
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2014-01-14
論文頁數 90頁
口試委員 指導教授-蕭照焜
委員-馬德明
委員-何翊
中文關鍵字 微控制器  感測器  I2C  無跡卡曼濾波器 
英文關鍵字 microcontroller  sensor  I2C  Unscented Kalman 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 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。
英文摘要 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.
論文目次 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 參考文獻
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