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系統識別號 U0002-2201201414075900
中文論文名稱 分布式多微控器雙軸伺服馬達位置控制之應用
英文論文名稱 Application of a Distributed Multi-Microcontroller Based Two-Axis Servo Motor Position Control
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 航空太空工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Aerospace Engineering
學年度 102
學期 1
出版年 103
研究生中文姓名 李貫峰
研究生英文姓名 Kwun-Fung Li
學號 600430739
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2014-01-14
論文頁數 105頁
口試委員 指導教授-蕭照焜
委員-蕭照焜
委員-馬德明
委員-何翊
中文關鍵字 雙軸伺服馬達  羅德里格參數  無跡卡曼濾波 
英文關鍵字 Two-axis servo motor  Rodrigues Parameters  Unscented Kalman Filter 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 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。
英文摘要 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.
論文目次 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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