本篇研究主旨在於計算設計完成之太陽能飛機的氣動力導係數，並且使用氣動力導係數計算該飛機之安定性，判斷該飛機之安定性是否為穩定。再藉由飛機安定性為穩定狀態下之氣動力導係數計算出特徵矩陣，並且在Matlab/Simulink&SISOTool環境下使用特徵矩陣去設計該飛機之控制器。再使用Pixhawk與X-PLANE 10結合，模擬在類真實狀態下的飛行，驗證該控制器是否符合真實情況之飛行，最後藉此控制器使太陽能飛機能夠穩定在空中巡航。

The main idea of this research is about calculate the aerodynamic derivate of solar powered aircraft .Moreover , we use aerodynamic derivate to manage the safety and stability of aircraft . While aircraft is stable , we use aerodynamic derivative to circulated eigenmatrix , further created the controller of aircraft in Matlab/Simulink&SISOTool environment . We use the combination of Pixhawk and X Plane 10 to imitate the real flying situation . By this experiment , we verify the controller fits the real flying situation or not .Eventually ,we are able to stabilize the solar powered aircraft to cruising with controller.

目錄
目錄..................................................................................................................................III 
圖目錄............................................................................................................................. VII 
表目錄............................................................................................................................. XII 
第一章 導論................................................................................................................. 1 
1.1 研究動機與目的...........................................................................1 
1.2 文獻回顧.....................................................................................1 
第二章 研究進行....................................................................................................... 3 
2.1 研究概要.....................................................................................3 
2.2 氣動力導係數分析.....................................................................5 
2.3 建立載具飛行動態模型.............................................................6 
2.3.1 建立特徵方程式....................................................................6 
2.3.2 載具安定性分析與計算......................................................12 
2.4 無人飛行載具控制器設計.......................................................15 
2.4.1 Pixhawk方塊圖...................................................................17 
2.4.2 SISOTool ..............................................................................18 
2.4.3 縱向增益值設計..................................................................19 
2.4.4 橫向增益值設計..................................................................22
2.4.5 控制器驗證..........................................................................26 
2.5 第一次更動.................................................................................31 
2.5.1 建立載具飛行動態模型......................................................33 
2.5.2 載具安定性分析與計算......................................................34 
2.5.3 縱向控制器設計..................................................................37 
2.5.4 橫向控制器設計..................................................................39 
2.5.5 使用Simulink做控制器驗證.............................................44 
2.6 第二次更動.................................................................................47 
2.6.1 建立載具飛行動態模型......................................................49 
2.6.2 載具安定性分析與計算......................................................51 
2.6.3 縱向控制器設計..................................................................53 
2.6.4 橫向控制器設計..................................................................55 
2.6.5 使用Simulink做控制器驗證.............................................60 
第三章 硬體迴路模擬............................................................................................ 64 
3.1 硬體迴路模擬大綱...................................................................64 
3.2 Plane-Maker 使用....................................................................65 
3.2.1 機身參數輸入......................................................................65
3.2.2 機翼參數輸入......................................................................66 
3.2.3 馬達參數輸入......................................................................71 
3.2.4 重心參數輸入....................................................................72 
3.3 試飛模擬...................................................................................72 
3.3.1 Mission Planner ..................................................................74 
3.3.2 QGroundControl ................................................................77 
第四章 實驗設備..................................................................................................... 81 
4.1 飛控板 Pixhawk.......................................................................81 
4.2 地面站 Qgroundcontrol ...........................................................83 
4.3 X-plane 10 .................................................................................85 
4.4 數傳 3DR 915 MHz Telemetry Radio.....................................87 
第五章 結論............................................................................................................. 89 
5.1 結論...........................................................................................89 
5.2 未來展望...................................................................................89 
參考文獻........................................................................................................................... 90 
附錄A Digial DATCOM使用.................................................................................. 91 
A.1 DATCOM輸入格式...................................................................91 
A.2 DATCOM輸出格式...................................................................98
A.3 DATCOM input file .......................................................................98 
附錄B 投稿論文....................................................................................................... 101

圖目錄
圖 1 控制器設計流程 ....................................................... 16 
圖2 pitch方塊圖 .............................................................. 17 
圖3 roll and yaw方塊圖 ................................................... 17 
圖4 內迴圈SISOTool設置介面 ....................................... 18 
圖5 外迴圈SISOTool設置介面 ....................................... 19 
圖6 模擬縱向內迴圈根軌跡 ........................................... 20 
圖7 模擬縱向外迴圈根軌跡 ........................................... 21 
圖8 模擬縱向最終響應 ................................................... 21 
圖9 模擬滾轉內迴圈根軌跡 ........................................... 23 
圖10 模擬滾轉外迴圈根軌跡 ........................................... 23 
圖11 模擬滾轉最終響應 ................................................... 24 
圖12 模擬偏航內迴圈根軌跡 ........................................... 25 
圖13 模擬偏航外迴圈根軌跡 ........................................... 25 
圖14 模擬偏航最終響應 ................................................... 26 
圖15 縱向Simulink模擬角速度響應 ................................. 27 
圖16 縱向Simulink模擬角度響應..................................... 28 
圖17 滾轉Simulink模擬角速度響應 ................................. 29 
圖18 滾轉Simulink模擬角度響應..................................... 29
圖19 偏航Simulink模擬角速度響應 ................................. 30 
圖20 偏航Simulink模擬角度響應..................................... 30 
圖21 第一次更動後模擬縱向內迴圈根軌跡 .................... 37 
圖22 第一次更動後模擬縱向外迴圈根軌跡 .................... 38 
圖23 第一次更動後模擬縱向響應 ................................... 38 
圖24 第一次更動後模擬橫向模擬滾轉內迴圈根軌跡 .... 40 
圖25 第一次更動後模擬橫向模擬滾轉外迴圈根軌跡 .... 40 
圖26 第一次更動後模擬橫向滾轉響應 ........................... 41 
圖27 第一次更動後模擬橫向偏航內迴圈根軌跡 ............ 42 
圖28 第一次更動後模擬橫向偏航外迴圈根軌跡 ............ 42 
圖29 第一次更動後模擬橫向偏航響應 ........................... 43 
圖30 第一次更動後縱向Simulink模擬角速度響應 ......... 44 
圖31 第一次更動後縱向Simulink模擬角度響應 ............. 44 
圖32 第一次更動後橫向滾轉Simulink模擬角速度響應.. 45 
圖33 第一次更動後橫向滾轉Simulink模擬角度響應 ..... 45 
圖34 第一次更動後橫向偏航Simulink模擬角速度響應.. 46 
圖35 第一次更動後橫向偏航Simulink模擬角度響應 ..... 46 
圖36 第二次更動後模擬縱向內迴圈根軌跡 .................... 53 
圖37 第二次更動後模擬縱向外迴圈根軌跡 .................... 54
圖38 第二次更動後模擬縱向響應 ................................... 54 
圖39 第二次更動後模擬橫向滾轉內迴圈根軌跡 ............ 56 
圖40 第二次更動後模擬橫向滾轉外迴圈根軌跡 ............ 56 
圖41 第二次更動後模擬橫向滾轉響應 ........................... 57 
圖42 第二次更動後模擬偏航內迴圈根軌跡 .................... 58 
圖43 第二次更動後模擬偏航外迴圈根軌跡 .................... 58 
圖44 第二次更動後模擬偏航響應 ................................... 59 
圖45 第二次更動後縱向Simulink模擬角速度響應 ......... 60 
圖46 第二次更動後縱向Simulink模擬角度響應 ............. 60 
圖47 第二次更動後橫向滾轉Simulink模擬角速度響應.. 61 
圖48 第二次更動後橫向滾轉Simulink模擬角度響應 ..... 62 
圖49 第二次更動後橫向偏航Simulink模擬角速度響應.. 62 
圖50 第二次更動後橫向偏航Simulink模擬角度響應 ..... 63 
圖51 Body Data ................................................................... 66 
圖52 Cross-section介面 ....................................................... 66 
圖53 Foil Specs介面 ............................................................ 67 
圖54 Element Specs介面 ..................................................... 68 
圖55 Control sizes介面 ........................................................ 68 
圖56 Airfoil套入介面 .......................................................... 69
圖57 Foiltrans介面 .............................................................. 70 
圖58 Cm圖內隻綠點對齊紅線示意圖 ................................ 70 
圖59 Description介面 .......................................................... 71 
圖60 Center of Gravity 與Weights介面 ............................ 72 
圖61 Pixhawk連接真實狀況 ............................................. 73 
圖62 連結介面 .................................................................... 74 
圖63 韌體介面 .................................................................... 74 
圖64 QGroundControl校正介面 .......................................... 75 
圖65 Mission Planner 校正介面 ......................................... 75 
圖66 Mission Planner PID Tuning介面 ............................... 76 
圖67 Mission Planner Simulation Link Start介面 ................ 76 
圖68 Mission Planner飛行路徑設定介面 ........................... 77 
圖69 QGroundControl主介面 .............................................. 77 
圖70 QGroundControl韌體安裝介面 .................................. 78 
圖71 QGroundControl AirFirm選擇介面 ............................ 78 
圖72 QGroundControl遙控器校正介面 .............................. 78 
圖73 QGroundControl感測器校正介面 .............................. 79 
圖74 QGroundControl PID tuning介面 ............................... 79 
圖75 QGroundControl HIL介面 .......................................... 80
圖76 QGroundControl飛行路徑設定介面 .......................... 80 
圖77 Pixhawk .................................................................... 81 
圖78 QGroundControl主畫面 ............................................ 83 
圖79 X-plane飛行介面 ...................................................... 85 
圖80 Plane-Maker主介面 .................................................. 86 
圖81 3DR 915MHz ............................................................ 87 
圖 82 Input file樣式 ............................................................. 91 
圖 83 Output file樣式 ........................................................... 98
表目錄
表 1 太陽能飛機外型參數 ................................................... 4 
表2 全機氣動力無因次導係數 ........................................... 5 
表3 全機物理參數............................................................... 7 
表4 縱向有因次係數公式 ................................................... 8 
表5 橫向有因次係數公式 ................................................... 9 
表6 全機有因次氣動力係數 ............................................. 10 
表7 縱向特徵值 ................................................................ 12 
表8 縱向長週期特性 ......................................................... 12 
表9 縱向短週期特性 ......................................................... 12 
表10 橫向特徵值 ................................................................ 13 
表11 橫向roll特性 ............................................................... 14 
表12 橫向spiral特性 ............................................................ 14 
表13 橫向dutch roll特性 ..................................................... 14 
表14 SISOTool設置介紹..................................................... 19 
表15 縱向Maximum overshoot與Settling time .................... 21 
表16 縱向增益值 ................................................................ 22 
表17 橫向滾轉Maximum overshoot與Settling time ............ 24 
表18 橫向滾轉增益值 ......................................................... 24
表19 橫向偏航Maximum overshoot與Settling time ............ 26 
表20 橫向偏航增益值 ......................................................... 26 
表21 第一次更動後太陽能飛機外型參數.......................... 31 
表22 第一次更動後全機物理參數 ..................................... 32 
表23 第一次更動後太陽能飛機有因次導係數 .................. 33 
表24 第一次更動縱向特徵值 ............................................. 35 
表25 第一次更動縱向長週期特性 ..................................... 35 
表26 第一次更動縱向短週期特性 ..................................... 35 
表27 第一次更動橫向特徵值 ............................................. 36 
表28 第一次更動橫向roll特性 ........................................... 36 
表29 第一次更動橫向spiral特性 ........................................ 36 
表30 第一次更動橫向dutch roll特性 .................................. 36 
表31第一次更動縱向Maximum overshoot與Settling time .. 38 
表32 第一次更動縱向增益值 ............................................. 38 
表33 第一次更動橫向滾轉Maximum overshoot與Settling time ................................................................................ 41 
表34 第一次更動橫向滾轉增益值 ..................................... 41 
表35 第一次更動橫向偏航Maximum overshoot與Settling time ................................................................................ 43 
表36 第一次更動橫向偏航增益值 ..................................... 43
表37 第二次更動之太陽能飛機外型參數.......................... 47 
表38 第二次更動後全機物理參數 ..................................... 48 
表39 第二次更動太陽能飛機有因次導係數 ...................... 49 
表40 第二次縱向特徵值 ..................................................... 51 
表41 第二次更動縱向長週期特性 ..................................... 51 
表42 第二次更動縱向短週期特性 ..................................... 51 
表43 第二次橫向特徵值 ..................................................... 52 
表44 第二次更動橫向roll特性 ........................................... 52 
表45 第二次更動橫向spiral特性 ........................................ 52 
表46 第二次更動橫向dutch roll特性 .................................. 52 
表47 第二次更動縱向Maximum overshoot與Settling time 54 
表48 第二次更動縱向增益值 ............................................. 55 
表49 第二次更動橫向滾轉Maximum overshoot與Settling time ................................................................................ 57 
表50 第二次更動橫向滾轉增益值 ..................................... 57 
表51 第二次更動橫向偏航Maximum overshoot與Settling time ................................................................................ 59 
表52 第二次更動橫向偏航增益值 ..................................... 59

[1] 	C. Rober, Flight stability and automatic control, Mc Graw-Hill international editions, 1942. 
[2] 	F. Warren, Mechanics of Flight, John Wiley and sons.Inc, 2004. 
[3] 	C. W. Thong, Modeling Aircraft Performance and Stability on X-Plane., Australian Defence Force Academy, Univ. of New South Wales, Canberra, Australia, 2010. 
[4] 	陳沛仲, 手擲無人飛行載具之研究、設計與實現, 淡江大學航空太空工程學系碩士論文, 中華民國98年. 
[5] 	杜偉德, 太陽能無人飛行載具之最佳水平轉彎, 淡江大學航空太空工程學系碩士論文, 中華民國104年. 
[6] 	廖淑華, 無人飛行載具的多單晶片飛行電腦, 淡江大學航空太空工程學系碩士論文, 中華民國99年. 
[7] 	MathWorks, [線上]. Available: https://www.mathworks.com/help/control/ug/design-multiloop-control-system.html.
[8] 	3DR Pixhawk, [線上]. Available: https://store.3dr.com/products/3dr-pixhawk.
[9] 	QGroundControl, [線上]. Available: http://qgroundcontrol.org/about.
[10] 	3DR 915MHz Telemetry Radio, [線上]. Available: https://store.3dr.com/products/915-mhz-telemetry-radio.