本論文以分布式之多微控制器系統為基礎，建立以雙軸伺服馬達為致動器之即時控制系統，應用於位置控制上。首先，由微控制器負責計算飛行載具的姿態變化，取得姿態角數據後發出控制命令給致動器做反饋之位置控制。	論文架構分為硬體之實作與軟體撰寫，硬體實作部分為設計伺服馬達控制系統之印刷電路板；而軟體撰寫部分則是使用羅德里格參數結合無跡卡曼濾波做為飛行姿態角計算之演算法，並使用Ｃ語言做為程式撰寫。論文中針對伺服馬達轉動的角度及反應速率以實驗來驗證系統的可行性。最後並比較使用四元數與羅德里格參數執行姿態角計算的比較分析。

This thesis focuses on the design of a dual-axis servo motor position control using a multi-microcontroller architecture. The position command (attitude of the air vehicle) is computed by the multi-microcontroller system. The thesis mainly consists of hard design (servo motor control board), software design, and attitude computation. Rodrigues Parameters based unscented Kalman filter using C language is implemented in this embedded design for attitude determination. Position control and speed of response of the servo motor is verified through experiments using the finished system. Comparison of attitude computation using quaternion based and Rodrigues Parameters based unscented Kalman filters is also addressed in the thesis.

圖目錄	iii
表目錄	v
第一章 序論	1
        1.1 研究背景與目的	2
        1.2 研究方法	6
        1.3文獻回顧	7
第二章 系統描述	8
        2.1環架座標系定義	8
        2.2 系統基本架構	9
        2.3系統規畫	11
第三章 硬體設計	13
        3.1 微控制器dsPIC	13
        3.2 伺服馬達	15
          3.2.1 伺服馬達AX-12A	15
          3.2.2  AX-12A設計電路	18
        3.3 供應電源	20
        3.4電路設計	22
        3.5 接地	24
        3.6 Layout 方式	27
第四章軟體設計	31
        4.1微控制器設定	31
        4.2主控端 MASTER	35
        4.3 受控端SLAVE	36
        4.4伺服馬達設定	37
        4.5馬達格式	42
        4.6 伺服馬達程式	44
     第五章 飛行姿態角計算		47
        5.1航向角計算	48
        5.2重力場三軸分量計算姿態角	50
        5.3羅德里格參數法	55
        5.4羅德里格參數法計算姿態角	57
        5.5卡曼濾波器概論	59
        5.6 卡曼濾波計算姿態角	61
        5.7 卡曼濾波雜訊設定	64
        5.8無跡卡曼濾波器	70
第六章 實驗與模擬結果	75 
        6.1 羅德里格參數結合UKF之演算	75
        6.2角度驗證	86
        6.3反應速率測試	89
第七章結論與未來展望	91
參考文獻	92
附錄一	97







 
圖目錄
圖1.1遙測系統組成圖	4
圖1.2航空攝影像片分類圖	5
圖1.3姿態角反饋示意圖	6
圖2.1環架座標系示意圖	8
圖2.2系統基本架構圖	10
圖2.3系統架構連接圖	11
圖2.4系統架構實體圖	12
圖3.1 dsPIC33FJ64GP802電路圖	14
圖3-2 Dynamixel AX-12A示意圖	16
圖3.3 CM-5內部電路圖	17
圖3.4 AX-12A設計電路圖	19
圖3.5穩壓晶片電路圖	22
圖3.6實體電路板Control	23
圖3.7實體電路板POWER	23
圖3.8(a) 串接單點接地	25
圖3.8(b) 並接單點接地	25
圖3.9多點接地	25
圖3.10串接單點接地容易產生雜訊	26
圖3.11並接單點接地適用於低頻電路	26
圖4.1 PLL架構圖	33
圖4.2 USB2Dynamixel的實體圖	38
圖4.3 USB2Dynamixel連接圖	39
圖4.4 Dynamixel Wizard設定畫面	40
圖4.5 Dynamixel Wizard搜尋方式選擇畫面	40
圖4.6 Dynamixel Wizard胞率搜尋畫面	41
圖4.7 Dynamixel Wizard馬達設定畫面	41
圖4.8命令封包格式	42
圖4.9狀態封包格式	43
圖5.1歐拉角[6]	47
圖5.2-1[6]	50
圖5.5由旋轉角速度造成變化之分量	52
圖5.6估測時間推進圖	60
圖5.8無跡卡曼濾波器流程圖[6]	74
圖6.1羅德里格參數結合UKF	76
圖6.2 Sigma point流程	77
圖6.4平放時的航向角	85
圖6.5平放時的俯仰角	85
圖6.6 AX-12A伺服馬達角度限制	86
圖6.7程式馬達命令畫面一	87
圖6.8 AX-12A伺服馬達轉動角度一	87
圖6.9程式馬達命令畫面二	88







 

表目錄
表3.1 Dynamixel AX-12A規格	16
表3.2接地電路整理	27
表4.1命令封包說明	42
表4.2狀態封包說明	43
表6.1執行時間比較	86
表6.2伺服馬達反應速率	89

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