本研究主體分為四旋翼機的運動方程式推導、姿態控制器的設計、姿態估測法的設計與四旋翼機飛行試驗四大部分。本研究首先針對四旋翼機的運動方程式進行推導，並設計姿態控制器，進一步透過互補濾波結合四元數法計算四旋翼機的姿態。接著藉由本論文的物理參數量測方法，量測四旋翼機的特定參數，並透過Matlab進行四旋翼機姿態的模擬驗證。最後改寫開源APM的飛控程式，成功的完成了飛行驗證。

There are four parts presented in this thesis: derivation of quadrotor’s equation motion, attitude controller design, attitude estimation method and real flight testing. In attitude estimation method, the complementary filter and quaternion method are combined to estimate quadrotor’s attitude. Finally, the open source flight control program in APM flight control board is rewritten to implement the estimation method. The successful flight test demonstrations are complete .

目錄	I
表目錄	III
圖目錄	IV
符號定義	VII
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 四旋翼機系統及運動方程式	6
2-1 四旋翼機概念介紹	6
2-2 四旋翼機之運動方程式	12
2-3 馬達系統之方程式	18
2-4 四旋翼機之系統架構	24
第三章 飛行姿態角計算	28
3-1 透過互補濾波計算姿態角	29
3-2 四元數法之姿態角計算 [9]	38
3-3 結合互補濾波與四元數法計算姿態角	46
第四章 四旋翼機之姿態控制演算法設計	48
4-1 四旋翼機之控制模型	48
4-2 姿態控制器設計	53
4-3 四旋翼機之姿態模擬	55
第五章 四旋翼機之硬體介紹及參數量測	61
5-1 四旋翼機之硬體介紹	61
5-2 四旋翼機與螺旋槳葉相關參數之量測與計算	64
第六章 四旋翼機之姿態模擬與測試飛行	68
6-1 四旋翼機之姿態模擬結果	68
6-2 四旋翼機之測試飛行結果	73
第七章 結論	78
參考文獻	80
附錄A 四旋翼機之運動方程式線性化	82
附錄B 參數表	85
附錄C	86

表目錄
表 2-2.1 體座標上各軸之力矩	15
表 2-2.2 體座標上各軸之淨力	17
表 2-3.1 有刷直流馬達與無刷直流馬達之比較	19
表 5-2.1 四旋翼機之物理參數表	65
表 5-2.2 四旋翼機之轉動慣量	66
表 5-2.3 螺旋槳葉之物理參數	67

圖目錄
圖 1-3.1 研究流程圖	5
圖 2-1.1 四旋翼機懸停示意圖	8
圖 2-1.2 推力命令示意圖	9
圖 2-1.3 滾轉命令示意圖	10
圖 2-1.4 俯仰命令示意圖	11
圖 2-1.5 偏航命令示意圖	12
圖 2-3.1 有刷馬達示意圖	20
圖 2-3.2 有刷馬達電路圖	21
圖 2-3.3 簡易馬達之示意圖。	22
圖 2-4.1 四旋翼機之系統架構圖	24
圖 2-4.2 四旋翼機之硬體架構圖	25
圖 3.1 歐拉角示意圖	29
圖 3-1.1 互補濾波器之基本架構	30
圖 3-1.2 ArduCopter原始姿態估測流程圖	31
圖3-1.3 偏航修正示意圖	35
圖3-3.1 結合互補濾波與四元數法計算姿態角之流程圖	47
圖 4-1.1 四旋翼機之控制程序流程圖	51
圖 4-1.2 姿態控制之程序流程圖	52
圖 4-2.1 姿態控制器方塊圖	54
圖 4-3.1 四旋翼機之姿態模擬	56
圖 4-3.2 控制器方塊	57
圖 4-3.3 螺旋槳葉轉速計算器	58
圖 4-3.4 U值計算器	59
圖 4-3.4 四旋翼機之姿態計算器	60
圖 5-1.1 四旋翼機照片	61
圖 5-1.2 APM 2.5航電板	62
圖 5-1.3 MissionPlanner 地面站	62
圖 5-1.4 3DR無線傳輸模組	63
圖 5-1.5 V2216無刷馬達	64
圖 5-2.1 四旋翼機之CATIA圖	65
圖 6-1.1 四旋翼機之滾轉模擬圖	69
圖 6-1.2 四旋翼機滾轉時之螺旋槳葉轉速	69
圖 6-1.3四旋翼機之俯仰模擬圖	70
圖 6-1.4四旋翼機俯仰時之螺旋槳葉轉速	71
圖 6-1.5 四旋翼機之偏航模擬圖	72
圖 6-1.6 四旋翼機偏航時之螺旋槳葉轉速	72
圖6-2.1 四旋翼機滾轉角變化圖	74
圖6-2.2 四旋翼機俯仰角變化圖	74
圖6-2.3 四旋翼機偏航角變化圖	75
圖6-2.4 四旋翼機滾轉角變化圖	76
圖6-2.5 四旋翼機俯仰角變化圖	77
圖6-2.6 四旋翼機偏航角變化圖	77

[1] 	S. BOUABDALLAH, DESIGN AND CONTROL OF QUADROTORS WITH APPLICATION TO AUTONOMOUS FLYING, 2007. 
[2] 	T. Bresciani, Modeling, Identification and Control of aQuadrotor Helicopter, 2008. 
[3] 	W. T. H. JR., “A Comparison of Complementary and Kalman Filtering,” IEEE Trans. Aerospace and Electronic Systems, Vol. AES-11, no. 3, May 1975. 
[4] 	W. F. Phillips, MECHANICS OF FLIGHT Second Edition, WILEY, 2010. 
[5] 	S. Sekalala, PERFORMANCE OF A THREE-PHASE PERMANENT MAGNET MOTOR OPERATING AS A SYNCHRONOUS MOTOR AND A BRUSHLESS DC MOTOR, 2006. 
[6] 	L. Zaccarian, DC motors: dynamic model and control techniques. 
[7] 	R. P. G. Collinson, Introduction to Avionics, Chapman and Hall, 1996. 
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[9] 	姚春安, 嵌入式微機電姿態計算系統之設計, 淡江大學航太系碩士班碩士論文, 民國101年6月. 
[10] 	W. Premerlani and P. Bizard, Direction Cosine Matrix IMU: Theory, 2008/5/17. 
[11] 	W. Premerlani, Roll-Pitch Gyro Drift Compensation, 2011/11/01. 
[12] 	B. C. Kuo, Automatic Control Systems Ninth Edition, WILEY, 2010.