本篇論文，主要利用牛頓力學法推導可傾式四旋翼機的運動方程式，並且將其非線性的運動方程式線性化，進而以線性化的運動方程式獨立比較利用螺旋槳轉速控制和使用螺旋槳傾角控制對於姿態的影響大小。經由獨立比較之後我們可以知道在俯仰和滾轉的部分，螺旋槳轉速的影響較大；而在偏航的部分則是螺旋槳傾角的影響比較大。而整體可傾式四旋翼機的控制邏輯設計成利用螺旋槳轉速控制俯仰和滾轉，利用螺旋槳傾角控制偏航。帶入本研究室近期所使用的四旋翼機物理參數以及限制之後，而設計出PD控制器的各項增益值。

Based on the classical mechanics, the derivation of the equation motion of the quadrotor with tilting propeller is presented. The nonlinear quadrotor’s model is linearized by the method of small disturbance. The study of the effectiveness of propeller’s rotating velocity and propeller’s tilting angles in the quadrotor’s attitude shows that the propeller’s rotating velocity is more efficient in pitching and rolling, and propeller’s tilting angle is more efficient in yawing.

目錄
目錄	I
表目錄	III
圖次	IV
符號定義	1
第一章 序論	2
1.1 研究動機	5
1.2 文獻回顧及研究方法	6
第二章 可傾式四旋翼機模型建立	11
2.1 姿態的數學模型	13
2.2位移的數學模型	19
第三章 控制器設計及模擬	22
3.1 線性化	22
3.2 分析及控制器設計	28
第四章 結論	50
第五章 未來展望	51
參考文獻	52
附錄A 測試結構設計及製作	53
測試結構設計	53
測試結構實際製作	54
附錄B 最大傾角估算	56
附錄C 投稿論文	60
 
表目錄
表3.1 各參數數值	32
表3.2 油門和轉速的關係	34
表3.3安定時間設定	41
表3.4可傾式四旋翼機對於姿態控制的各項參數	42
表3.5可傾式四旋翼機對於位移控制的各項參數	43
表A.1伺服馬達諸元	54
表B.1四旋翼機諸元	57
表B.2轉速和傾角的關係	58
 
圖次
圖1.1 de Bothezat直升機	2
圖1.2 美國MQ-9掠奪者 UAS	3
圖1.3 美國MQ-8 Fire Scout UAS	4
圖1.4 本研究室使用的的多旋翼	4
圖1.5 四旋翼機的螺旋槳轉向圖	5
圖1.6研究室所使用的四旋翼機硬體架構	6
圖1.7可傾式四旋翼機	7
圖1.8系統架構圖	8
圖1.9伺服馬達	10
圖2.1 可傾式四旋翼機	11
圖2.2 第i個螺旋槳的座標軸	12
圖3.1 模擬的方塊圖	31
圖3.2螺旋槳轉速對於四旋翼機滾轉和俯仰的影響	36
圖3.3螺旋槳傾角對於四旋翼機滾轉和俯仰的影響	36
圖3.4螺旋槳轉速對於四旋翼機偏航的影響	37
圖3.5螺旋槳傾角對於四旋翼機偏航的影響	38
圖3.6螺旋槳姿態對於四旋翼機水平位移的影響	39
圖3.7螺旋槳傾角對於四旋翼機水平位移的影響	39
圖3.8簡化的控制架構圖	40
圖3.9本論文所使用的PD控制器	40
圖3.10俯仰和滾轉的步階響應	43
圖3.11偏航的步階響應	44
圖3.12水平位移的步階響應	44
圖3.13高度的步階響應	45
圖3.14俯仰和滾轉的脈衝響應	45
圖3.15偏航的脈衝響應	46
圖3.16水平位移的脈衝響應	46
圖3.17高度的脈衝響應	47
圖3.18俯仰和滾轉的方波響應	47
圖3.19偏航的方波響應	48
圖3.20水平位移的方波響應	48
圖3.21高度的方波響應	49
圖A.1測試結構設計圖	53
圖A.2 Futaba-s3001	54
圖A.3測試結構完成圖	55

[1]李承霖，四旋翼機之位移控制器設計，淡江大學航空太空工程學系碩士論文，2014。
[2]李壙宇，四旋翼機之姿態控制演算法設計-互補濾波器應用，淡江大學航空太空工程學系碩士論文，2014。
[3]Markus Ryll, Heinrich H. Bulthoff, and Paolo Robuffo Giordano,“ Modeling and Control of a Quadrotor UAV with Tilting Propellers”, 2012IEEE International Conference on Robotics and Automation River Centre, Saint Paul, Minnesota, USA, May 14-18, 2012
[4]Richard C. Dorf & Robert H. Bishop, ”Modern Control Systems”,2001,Pearson Education, Inc.