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系統識別號 U0002-1003201412515400
中文論文名稱 四旋翼機之位移控制器設計
英文論文名稱 Displacement Controller Design of Quadrotor
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 李承霖
研究生英文姓名 Cheng-Ling Lee
學號 600430176
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2014-01-16
論文頁數 73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 四旋翼機  狀態回授控制律  PD控制器 
英文關鍵字 Quadrotor  State Feedback Control Law  PD Controller 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 本研究先對於四旋翼機運作方式及建立數學模型,利用牛頓第二定理寫出運動方程式,將所得到的量測參數輸入數學模型,分別對於姿態以及位移動態方程式進行線性化,設計狀態回授控制律以及PD控制器,並且利用了Matlab®內建的Simulink畫出整體系統控制圖來模擬分析,將模擬驗證所得到的結果來判斷所設計的控制器是否可行並且可以應用於實際硬體上面,最後改寫開源APM的飛控程式並編譯完成。
英文摘要 There are three parts presented in this thesis: derivation of quadrotor’s equation of motion and linearization, displacement controller design. In displacement controller design, used PD controller to control whole system. Finally, the open source flight control program in APM flight control board is rewritten to implement the displacement controller.
論文目次 目錄
目錄 iii
圖目錄 vi
表目錄 viii
符號定義 ix
第一章 緒論 1
1.1研究動機與目的 2
1.2文獻回顧 4
1.3 研究方法 4
1.4 論文架構 6
第二章 四旋翼機系統介紹與方程式推導 7
2.1 四旋翼機介紹 7
2.2 四旋翼機之飛行原理 8
2.3 四旋翼機動態方程式 12
2.4 導引律設計 18
2.5 系統架構 20
2.6 硬體介紹 22
2.6.1 四旋翼機 23
2.6.2 3DR傳輸模組 24
2.6.3 超音波感測器(LV-MaxSonar-EZ4) [5] 24
2.6.4 APM 2.5整合型飛行控制模組 [6] 26
2.6.5 馬達 28
第三章 四旋翼機之位移控制器設計 29
3.1 狀態回授控制法(State Feedback Control Law) [7] 29
3.1.1 俯仰角與X方向狀態回授推導 30
3.1.2 滾轉角與Y方向狀態回授推導 32
3.1.3 Z方向狀態回授推導 35
3.2 四旋翼機位移之控制模型 37
3.3 位移控制器設計 43
3.3.1 X與Y方向控制器設計 44
3.3.2 Z方向控制器設計 48
第四章 模擬與分析 50
4.1 狀態回授控制法模擬 50
4.2 PD控制器模擬 54
第五章 結論與未來展望 58
5.1 結論 58
5.2 未來展望 59
參考文獻 60
附錄A LV-MaxSonar-EZ4 Datasheet 62
附錄B 64
圖目錄
圖 1-1 飛行者─1號 1
圖 1.3-1 研究流程圖 5
圖 2.2-1 四旋翼機旋翼之示意圖 8
圖 2.2-2 俯仰力矩 10
圖 2.2-3 滾轉力矩 10
圖 2.2-4 偏航力矩 11
圖 2.2-5 推力力矩 11
圖 2.5-1 控制程序流程圖 20
圖 2.6-1 硬體架構圖 23
圖 2.6.1-1 四旋翼機 23
圖 2.6.2 3DR傳輸模組 24
圖 2.6.3-1 LV-MaxSonar-EZ4 25
圖 2.6.3-2 超音波RC濾波示意圖 26
圖 2.6.4-1 Mission Planner 地面站 27
圖 2.6.4-2 APM2.5 航電板上之特點 27
圖 2.6.4-3 APM2.5 航電板之電路配置圖 28
圖 2.6.5-1 V2216馬達 28
圖 3.3-1 姿態控制器方塊 43
圖 3.3-2 X.Y方向位移控制器器方塊圖 43
圖 3.3-3 Z方向位移控制器器方塊圖 44
圖 3.3.1-1 增益值 根軌跡圖 45
圖 3.3.1-2 增益值 根軌跡圖 46
圖 3.3.1-3 增益值 根軌跡局部放大圖 47
圖 4.1-1 位移X.Y與姿態角 狀態回授方塊圖 51
圖 4.1-2 X.Y方向狀態回授系統模擬圖 51
圖 4.1-3 位移Z狀態回授方塊圖 52
圖 4.1-4 Z方向狀態回授系統模擬圖 53
圖 4.2-1 四旋翼機之位移模擬方塊圖 54
圖 4.2-2 四旋翼機之X方向位移模擬圖 55
圖 4.2-3 四旋翼機之Y方向位移模擬圖 56
圖 4.2-4 四旋翼機之Z方向位移模擬圖 57
表目錄
表 2.1-1 四旋翼機之姿態與位移控制項 9
表 2.3-1 體座標上的力矩 15
表 2.3-2 體座標上各軸之淨力 17
參考文獻 [1] T. Bresciani, Modelling, Identification and Control of a Quadrotor Helicopter, 2008.
[2] S. BOUABDALLAH, DESIGN AND CONTROL OF QUADROTOR WITH APPLICATION TO AUTONOMOUS FLYING, 2007.
[3] W. F. PHILLIPS, MECHANICS OF FLIGHT, WILEY, 2004.
[4] 李壙宇, 四旋翼機之自動駕駛儀設計, 淡江大學航太系碩士班碩士論文, 民國103年1月.
[5] MaxBotix, “MB1040_Datasheet,” [線上]. Available: http://www.maxbotix.com/documents/MB1040_Datasheet.pdf.
[6] 3DRobotics, “APM 2.5 and 2.6 Overview,” [線上]. Available: http://copter.ardupilot.com/wiki/common-apm25-and-26-overview/.
[7] W. I. Robert L. 且 A. Douglas, Linear State-Space Control Systems, Wiley, 2007.
[8] C. P. G. N. a. A. T. Kostas Alexis, Model Predictive Quadrotor Indoor Position Control, 2011.
[9] B. C. Kuo, Automatic Control System Ninth Edition, WILEY, 2010.
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