本論文主要探討拍翼式微飛行器 (Flapping-wing MAVs) 之偏航控制及太陽能驅動探討。拍翼式微飛行器近年來已經成為研究的熱門主題，淡江大學微機電實驗室亦長期致力於拍翼式微飛行器的開發。在微飛行器研究的主題中，除了機體本身的開發外，自主飛行亦是眾所矚目的焦點。2010 年初，淡江大學林森煌以金探子微型拍翼機為標的，利用立體視覺作為位置感測器，完成飛行高度控制。2011年，淡江大學余政倫為金探子裝上尾舵螺旋槳，並完成了state-feedback控制。本研究在上述工作的基礎上，探討金探子的偏航控制，以及對另一拍翼機I-bird做太陽能探討及解析。首先，先將對I-bird進行改為太陽能驅動作為評估，再來由於I-bird為一般市售的玩具拍翼機，因此我們先透過逆工程的方法，解碼出該的編碼模式，以作為日後實驗之用。然後，我們在已知的金探子的兩個系統上，分別進行控制器的設計。

This thesis discusses the yawing control of a solar-powered flapping-wing micro-aerial vehicles (MAVs). The researches on flapping-wing MAVs attracted much attention among scientists recently, and the MEMS laboratory in Tamkang University has been devoting herself to the development of flapping-wing MAVs for a long term. Among interesting topics, autonomous flight of flapping-wing MAVs is one of the foci. In 2010, Lin investigated the altitude control of the Golden Snitch, an 8-g flapping-wing robot, collaborating with the stereo-vision navigation algorithm. Based on Lin’s and  Yu's work, this thesis investigates the yawing control of the Golden Snitch. In this study,we first assess the potential to drive a flapping-wing MAV using the commercial I-bird. Then, with reverse engineering we decode the control module of I-bird and Golden Snitch so that realization of autonomous flight is possible. We then investigate the yawing control of the Golden Snitch using a conventional PID controller. Experiments and numerical simulations about these topics are provided in this thesis. This research potentially  contributes to the autonomous flight of the flapping-wing MAVs.

目錄
中文摘要i
英文摘要ii
致謝iv
1 緒論1
1.1 研究動機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 文獻回顧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 研究方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 拍翼機介紹3
2.1 I-bird . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1 概述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.2 I-bird 之遙控器. . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.3 傳動系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.4 尾翼及方向舵. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 金探子微型拍翼機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1 概述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
v
2.2.2 金探子之遙控器與接收器. . . . . . . . . . . . 9
2.2.3 金探子傳動系統. . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.4 尾翼及尾舵螺旋槳. . . . . . . . . . . . . . . . 11
3 太陽能驅動探討13
3.1 太陽能板. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2 薄膜式太陽能板. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.1 概述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.2 測試結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3 太陽能驅動馬達. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3.1 太陽能驅動馬達之電路. . . . . . . . . . . . . 17
3.3.2 電容的充放電. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.3 電晶體之開關作用. . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.4 測試結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.5 結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.4 高效率太陽能電池. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4 紅外線發射接收模組24
4.1 紅外線接收模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.1.1 單晶片AT89S51 . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.1.2 串列傳輸. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.1.3 準位轉換. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.1.4 紅外線接收器(IRM-2638) . . . . . . . . . . . . 29
4.1.5 紅外線訊號解析. . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.2 紅外線發射器模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2.1 紅外線發光LED 電壓電流特性. . . . . . . . . 36
vi
4.2.2 紅外線發光LED 發光束特性. . . . . . . . . . 38
4.2.3 紅外線發LED 方向特性. . . . . . . . . . . . . 38
4.2.4 紅外線發光LED 距離特性. . . . . . . . . . . 39
4.3 模擬發射訊號. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5 偏航控制器設計41
5.1 尾舵控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.1.1 PID 穩定範圍計算. . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.1.2 尾舵系統模擬. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.2 主翼控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.2.1 Internal model control(IMC) . . . . . . . . . . . 52
5.2.2 主翼系統模擬. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6 結論與未來展望58
6.1 結論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.2 未來展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.2.1 控制器的改良. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
參考文獻60

圖目錄
2.1 I-bird 微型拍翼機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 I-bird 之遙控器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 I-bird 之傳動系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4 尾翼及方向舵. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.5 金探子微型拍翼機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.6 金探子遙控及接收模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.7 金探子傳動系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.8 水平尾翼及垂直尾翼. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.9 尾舵螺旋槳. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1 太陽能電池的示意圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 太陽能軟式薄膜元件規格圖. . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3 太陽能遙控飛機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.4 太陽能驅控馬達實習套件之電路圖. . . . . . . . . . . 18
3.5 直流電源對電容充電. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.6 電容對電阻放電. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.7 (a)NPN 型電晶體(b)PNP 型電晶體. . . . . . . . . . 21
4.1 AT89S51 接腳圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2 RS-232 (母接頭) 接腳圖. . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.3 Max-232 腳位圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.4 IRM-2638 腳位圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.5 IRM-2638 的距離與角度關係. . . . . . . . . . . . . . 31
4.6 IRM-2638 的距離與電壓關係. . . . . . . . . . . . . . 32
4.7 IRM-2638 的距離與載波頻率關係. . . . . . . . . . . . 32
4.8 紅外線接收模組電路圖[1] . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.9 拍翼機紅外線訊號圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.10 紅外線接收模組實圖[1] . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.11 紅外線發射模組電路圖[1] . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.12 紅外線發射模組電路圖[1] . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.13 紅外線發光束特性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.14 紅外線方向特性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.15 訊號組成示意圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.16 訊號發射範例. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.1 Gfy(s) 之根軌跡圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.2 一般回授系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.3 [ki; kd] 穩定範圍. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.4 加上PID 控制器的尾舵步階響應. . . . . . . . . . . . 50
5.5 輸入訊號1 時以離散系統表示. . . . . . . . . . . . . . 50
5.6 連續系統的數值模擬表示圖於r0 = 0:07 . . . . . . . . 51
5.7 離散系統的數值模擬表示圖於r0 = 0:07 . . . . . . . . 51
5.8 G (s) 之根軌跡圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.9 一般回授系統架構圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.10 Internal model control structure . . . . . . . . . . . . . 53
5.11 加上控制的主翼步階響應. . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.12 輸入訊號1 時以離散系統表示. . . . . . . . . . . . . . 57
表目錄
2.1 I-bird 拍翼機規格表. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 金探子拍翼機規格表. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.1 太陽能電池種類. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2 太陽能驅控馬達實習套件之零件. . . . . . . . . . . . 18
4.1 AT89S51 腳位定義. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.2 RS-232 腳位定義. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.3 I-bird 遙控器紅外線編碼. . . . . . . . . . . . . . . . . 40

[1] 余政倫, “拍翼式微飛行器之姿態控制,” Master’s thesis, 淡江大學
航空太空工程研究所, 2011.
[2] F. Hsiao, T. Yang, and W. Lu, “Dynamics of flapping-wing mavs:
Appli- cation to the tamkang golden snitch,” Journal of Applied
Science and Engineering, Vol. 15, No. 3, pp. 227–238, 2012.
[3] F. Hsiao, H. Hsu, C. Chen, L. Yang, and J. Shen, “Using stereo vision
to acquire the flight information of flapping-wing mavs,” Journal
of Applied Science and Engineering, Vol. 15, No. 3, pp. 213–
226, 2012.
[4] F. Hsiao, L. Yang, S. Lin, C. Chen, and J. Shen, “Autopilots for
ultra light weight robotic birds – automatic altitude control and
system integration of a sub-10 g weight flapping-wing micro air
vehicle,” Control Systems Magazine Vol. 32, pp. 35–48, 2012.
[5] D. Campolo, L. Schenato, E. Guglielmelli, and S. Sastry, “A
lyapunov-based approach for the control of biomimetic robotic systems
with periodic forcing inputs,” IFAC, 2005.
[6] X. Deng, L. Schenato, W. Wu, and S. Sastry, “Flapping flight
for biomimetic robotic insects: Part i-system modeling,” Robotics,
IEEE Transactions on, vol. 22, no. 4, pp. 776–768, 2006.
[7] Z. Khan and S. Agrawal, “Control of longitudinal flight dynamics
of a flapping-wing micro air vehicle using time-averaged model
and differential flatness based controller,” American Control Conference,
pp. 5284–5289, 2007.
[8] D. Kim and J. Han, “Smart flapping wing using macro-fiber composite
actuators,” Proceeding of Smart Structures and Materials,
2006.
[9] L. Schenato, D. Campolo, and S. Sastry, “Controllability issues in
flapping flight for biomimetic micro aerial vehicles (mavs),” Decision
and Control, 2003. Proceedings. 42nd IEEE Conference on
Decision and Control, vol. 6, pp. 6441–6447, 2003.
[10] 李阮曜, “結合太陽能薄膜元件之mav 動力分析與探討,” 2008.
[11] L. J. Yang, C. Hsu, C. Y. Kao, F. Hsiao, and C. Feng, “Weight
reduction of flapping micro aerial vehicles by electrical discharge
wire machining,” Journal of Aeroautics, Astronautics and Aviation,
vol. 41, no. 3, pp. 165–172, 2009.
[12] C. K. Hsu, The Preliminary Design, Fabrication, and Testing of 　
Flapping Micro Aerial Vehicles. PhD thesis, Tamkang University,
2008.
[13] 高崇瑜, “應用精密模造技術於微飛行器套件組之設計與製造,”
Master’s thesis, 淡江大學機電與機械工程研究所, 2009.
[14] 房柏廷, “應用合拍機制於微飛行器之研製,” Master’s thesis, 淡江
大學機電與機械工程研究所, 2009.
[15] 黃奕澄, “微飛行器拍翼軌跡即時測定之研究,” Master’s thesis, 淡
江大學機電與機械工程研究所, 2009.
[16] G. C. H. E. de Croon, K. M. E. de Clercq, R. Ruijsink, B. Remes,
and C. de Wagter, “Design, aerodynamics, and vision-based control
of the delfly,” International Journal of Micro Air Vehicles, vol. 1,
no. 2, pp. 71–79, 2009.
[17] 陳明熒, 單晶片8051 KEIL C 實作入門. 文魁資訊股份有限公司,
2005.
[18] 李顯宏, MATLAB 7.x 程式開發與應用技巧. 文魁資訊公司, 2004.
[19] 李顯宏, MATLAB 介面開發與編譯技巧: 在圖形上的應用. 文魁
資訊公司, 2008.
[20] A. D. Ming-Tzu Ho, Guillermo J. Silva and S. P. Bhattacharyya,
“Real and complex stabilization: Stability and performance,”
American Control Conference, pp. 4126–4138, 2004.
[21] S. P. Yongho Lee, Jeongseok Lee, “Pid controller tuning for integrating
and unstable processes with time delay,” Chemical Engineering
Science, pp. 3481–3493, 2000.
[22] 江炫奮, “Pid 控制器參數調整方式之研究,” Master’s thesis, 國立
高雄應用科技大學電機工程所, 2005.