淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
進階搜尋


下載電子全文限經由淡江IP使用) 
系統識別號 U0002-2401200822305400
中文論文名稱 無尾翼無人飛行載具之設計與實現
英文論文名稱 Design and Realization of the Tailless Uninhabited Aerial Vehicle
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 96
學期 1
出版年 97
研究生中文姓名 林源鍾
研究生英文姓名 Uan-Chung Lin
學號 694370197
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2007-12-25
論文頁數 146頁
口試委員 指導教授-馬德明
委員-蕭照焜
委員-何翊
中文關鍵字 無尾翼  最佳控制  無人飛機 
英文關鍵字 tailless aircraft  optimal control  UAV 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 本論文目標為設計無尾翼構型的UAV以及其控制系統。UAV設計採用標準飛機設計的流程,分為概念設計、初步設計、細部設計等各階段。將載具由初步的概念逐漸由各項的需求來規劃設計整體的外型與結構。姿態控制器使用狀態回授控制並以LQ最佳化方法來設計控制器的增益值,並使用MATLAB®來模擬UAV使用控制器在控制上的結果。
以ARM®搭配PIC®單晶片組成整個控制系統硬體以及發展UAV使用的地面監控軟體。最後並完成設計導航與導引系統以使無尾翼構型的UAV達到自主飛行的目的。
英文摘要 The thesis is to design a tailless UAV and its guidance, navgation and autopilot systems. Procedure of UAV design uses standard aircraft design procedure which includes concept design, preliminary design and detail design. The configuration and structure of UAV depend on the performance reqirements. Attitude control uses state feedback control and LQ criterion to design control gain. The MATLAB® is implemented to simulate the control responses. The ARM® and PIC® microcontrollers are used to build up the avionics and ground control station.
論文目次 中文提要iii
英文提要iv
致 謝 iv
目錄 v
圖目錄 viii
表目錄 xv
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 3
1.2 研究方法 3
第二章 載具設計 5
2.1 概念設計[2] 5
2.1.1 重量估計 6
2.1.2 翼剖面決定與性能參數估算 8
2.2 初步設計[2] 17
2.2.1 性能計算[2]與靜態穩定分析[3] 26
2.2.2 動態穩定分析[3] 28
2.3 細部設計 44
2.3.1 設計概念 44
2.3.2 機身結構設計 45
2.3.3 機翼結構設計 46
第三章 控制器設計 49
3.1 飛行姿態控制[4] 49
3.2 導航導引 67
3.2.1 高度控制 67
3.2.2 航向控制 70
3.3 X-plane® 模擬 73
第四章 載具製作 77
4.1 機身原型模製作 77
4.1.1 原型模骨架設計 77
4.1.2 出圖和材料選擇 77
4.1.3 骨架製作 78
4.1.4 填充物選擇和製作 80
4.1.5 外型塑造 81
4.1.6 鋪表面外形 83
4.1.7 補土成型 84
4.2 機翼原型模製作 86
4.3 模具翻製 94
4.3.1 對位架擺置 94
4.3.2 打蠟 95
4.3.3 噴隔離漆 95
4.3.4 噴膠殼漆 96
4.3.5 鋪玻璃纖維毯 97
4.3.6 拆模 99
4.4 機身實體製作 99
4.4.1 噴漆 99
4.4.2 鋪玻璃纖維布 100
4.4.3 機身骨架 101
4.4.4 合模 101
4.4.5 拆模 102
4.4.6 切維修艙和各裝置孔 103
4.5 機翼實體製作 105
4.5.1 模具強化 105
4.5.2 機翼結構製作 106
第五章 控制系統製作 113
5.1 系統架構 113
5.2 姿態控制系統[5] 114
5.3 慣性量測元件 118
5.4 遠端控制系統 119
5.5 風速計與攻角、側滑角指示 120
5.6 機載電腦[6] 120
5.7 地面站 122
5.7.1 飛行計畫分頁 124
5.7.2 飛行狀態分頁 126
5.7.3 飛行命令分頁 128
第六章 結論 130
第七章 未來展望 131
參考文獻 132
附錄A DATCOM input file 133
附錄B 系統通訊封包 137
附錄C航太學會投稿論文 139
圖目錄
圖 2.1-1 ......................................................................................7
圖 2.1-2 UAV 任務階段............................................................7
圖 2.1-3 E337 升力係數與力矩係數對攻角關係...................9
圖 2.1-4 降落示意圖...............................................................11
圖 2.1-5 起飛示意圖...............................................................13
圖 2.1-6 濕面積與翼負荷比關係...........................................14
圖 2.1-7 雷諾數與表面摩擦係數關係...................................15
圖 2.2-1 機身內部配置...........................................................18
圖 2.2-2 UAV 外型..................................................................19
圖 2.2-3 UAV 外型..................................................................19
圖 2.2-4 初步設計設計流程..................................................20
圖 2.2-5 UAV 攻角與升力係數、力矩係數關係..................25
圖 2.2-6 UAV Drag polar.........................................................25
圖 2.2-7 UAV 控制面配置圖..................................................30
圖 2.2-8 短週期脈衝響應.......................................................38
圖 2.2-9 長週期脈衝響應.......................................................39
圖 2.2-10 滾轉脈衝響應.........................................................40
圖 2.2-11 荷蘭滾脈衝響應.....................................................40
圖 2.2-12 短週期脈衝響應.....................................................41
圖 2.2-13 長週期脈衝響應.....................................................42
圖 2.2-14 滾轉脈衝響應.........................................................43
圖 2.2-15 荷蘭滾脈衝響應.....................................................43
圖 2.3-1 全機主要單位之劃分...............................................45
圖 2.3-2 機身骨架設計結果...................................................46
圖 2.3-3 機翼模組與酬載空間衝突情形...............................47
圖 2.3-4 機翼骨架設計結果...................................................48
圖 2.3-5 全機骨架設計結果...................................................48
圖 3.1-1 控制器設計、模擬示意圖.......................................50
圖 3.1-2 俯仰角系統頻率響應...............................................53
圖 3.1-3 滾轉角系統頻率響應...............................................54
圖 3.1-4 俯仰角系統含伺服馬達延遲頻率響應...................54
圖 3.1-5 滾轉角系統含伺服馬達延遲頻率響應...................55
圖 3.1-6 俯仰角系統含狀態延遲頻率響應...........................56
圖 3.1-7 滾轉角系統含狀態延遲頻率響應...........................56
圖 3.1-8 俯仰角系統含狀態延遲與伺服馬達延遲頻率響應
...........................................................................................57
圖 3.1-9 滾轉角系統含狀態延遲與伺服馬達延遲頻率響應
...........................................................................................57
圖 3.1-10 UAV 線性模型模擬流程........................................58
圖 3.1-11 速度變化.................................................................59
圖 3.1-12 攻角、側滑角、姿態角、角速度變化.................59
圖 3.1-13 舵面輸出.................................................................60
圖 3.1-14 回授狀態與真實狀態.............................................60
圖 3.1-15 速度變化.................................................................61
圖 3.1-16 攻角、側滑角、姿態角、角速度變化.................61
圖 3.1-17 舵面輸出.................................................................62
圖 3.1-18 非線性UAV 模型模擬流程...................................63
圖 3.1-19 速度變化.................................................................64
圖 3.1-20 攻角、側滑角、姿態角、角速度變化.................64
圖 3.1-21 各舵面角度變化.....................................................65
圖 3.1-22 速度變化.................................................................65
圖 3.1-23 攻角、側滑角、姿態角、角速度變化.................66
圖 3.1-24 各舵面角度變化.....................................................66
圖 3.2-1 高度控制方塊圖.......................................................67
圖 3.2-2 高度控制模擬流程...................................................68
圖 3.2-3 速度、高度變化.......................................................69
圖 3.2-4 攻角、側滑角、姿態角、角速度變化...................69
圖 3.2-5 各舵面角度變化.......................................................70
圖 3.2-6 ....................................................................................72
圖 3.2-7 ....................................................................................72
圖 3.2-8 ....................................................................................73
圖 3.3-1 X-plane®模擬功能方塊圖........................................74
圖 3.3-2 X-plane®畫面............................................................74
圖 3.3-3 X-plane®模擬控制程式............................................75
圖 4.1-1 將圖貼於夾板後切出成型.......................................78
圖 4.1-2 機身縱骨架和對位板...............................................79
圖 4.1-3 組裝完成...................................................................79
圖 4.1-4 翼身結合...................................................................80
圖 4.1-5 將編號好的高密度保麗龍放入骨架.......................81
圖 4.1-6 切割高密度保麗龍使其符合表面...........................82
圖 4.1-7 大略的外型...............................................................83
圖 4.1-8 上表面鋪完...............................................................84
圖 4.1-9 原型模上補土...........................................................85
圖 4.1-10 機身原型模.............................................................85
圖 4.2-1 部份架好的對位板...................................................86
圖 4.2-2 使用對位架校正骨架...............................................87
圖 4.2-3 黏好環氧樹脂後的照片...........................................88
圖 4.2-4 六分管和骨架黏合...................................................89
圖 4.2-5 將高密度保麗龍置入骨架間隙...............................90
圖 4.2-6 切削打磨...................................................................90
圖 4.2-7 將樹脂上到玻纖布上...............................................91
圖 4.2-8 ....................................................................................92
圖 4.2-9 打磨後的成品...........................................................93
圖 4.2-10 上蠟之後的成品.....................................................94
圖 4.3-1 分模板架設結果.......................................................95
圖 4.3-2 ....................................................................................96
圖 4.3-3 ....................................................................................96
圖 4.3-4 在不連續銳角處鋪玻璃纖維...................................97
圖 4.3-5 ....................................................................................98
圖 4.3-6 ....................................................................................98
圖 4.3-7 全機模具完成品.......................................................99
圖 4.4-1 完成.........................................................................100
圖 4.4-2 ..................................................................................101
圖 4.4-3 上膠.........................................................................102
圖 4.4-4 ..................................................................................102
圖 4.4-5 ..................................................................................103
圖 4.4-6 機翼裝置處切除.....................................................103
圖 4.4-7 艙蓋固定處.............................................................104
圖 4.4-8 鼻輪孔.....................................................................104
圖 4.5-1 修補過後的模具.....................................................105
圖 4.5-2 用自攻螺絲將模具和腳架鎖在一起.....................106
圖 4.5-3 主樑的模具.............................................................107
圖 4.5-4 將布舖在模具上.....................................................109
圖 4.5-5 將布整個舖在模具上.............................................111
圖 5.1-1 航電系統方塊圖....................................................113
圖 5.1-2 控制模式示意圖.....................................................114
圖 5.2-1 姿態控制系統方塊圖.............................................115
圖 5.2-2 周邊通訊晶片時序................................................116
圖 5.2-3 各次系統通訊與功能執行示意圖........................116
圖 5.2-4 PWM 產生示意圖..................................................117
圖 5.2-5 控制器時間序列....................................................117
圖 5.2-6 周邊控制與控制器晶片板....................................118
圖 5.3-1 IMU 時序圖............................................................118
圖 5.3-2 IMU 功能方塊圖....................................................119
圖 5.4-1 遠端控制功能方塊圖.............................................119
圖 5.4-2 遠端控制系統時序圖.............................................119
圖 5.5-1 功能方塊圖.............................................................120
圖 5.5-2 功能時序圖.............................................................120
圖 5.6-1 機載電腦功能方塊圖.............................................121
圖 5.6-2 程式組成示意圖....................................................122
圖 5.7-1 地面站程式畫面....................................................123
圖 5.7-2 ..................................................................................123
圖 5.7-3 ..................................................................................124
圖 5.7-4 飛行計畫分頁........................................................125
圖 5.7-5 飛行計畫分頁功能說明.........................................125
圖 5.7-6 飛行狀態分頁1.....................................................126
圖 5.7-7 飛行狀態分頁功能說明.........................................127
圖 5.7-8 飛行狀態分頁2.....................................................127
圖 5.7-9 飛行狀態分頁功能說明.........................................128
圖 5.7-10 飛行模式命令分頁..............................................129
圖 5.7-11 飛行模式命令分頁功能說明...............................129
表目錄
表 2.2-1 DACOM 輸出資料...................................................21
表 2.2-2 DATCOM 輸出資料.................................................22
表 2.2-3 DATCOM 輸出資料.................................................23
表 2.2-4 DATCOM 輸出資料.................................................24
參考文獻 [1] THE USAF STABILITY AND CONTROL DATCOM,United States Air Force,1979,Volume 1.
[2] John D. Anderson, Jr., Aircraft Performance and Design, McGraw-Hill,1999.
[3] Robert C. Nelson, Flight stability and automatic control, McGraw-Hill, 1998.
[4] Donald E. Kirk, Optimal Control Theory an Introduction, University book publishing company, 1985, Chap. 5, pp. 209-227.
[5] 施慶龍, IC16F87X微控制器原理實習與應用, 全華科技圖書股份有限公司, 2006年1月.
[6] 陳俊宏, Embedded Linux嵌入式系統原理與實務, 學貫行銷股份有限公司, 2004年4月.
論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2009-01-31公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2009-01-31起公開。


  • 若您有任何疑問,請與我們聯絡!
    圖書館: 請來電 (02)2621-5656 轉 2281 或 來信