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系統識別號 U0002-2402201109291100
中文論文名稱 利用模糊控制完成直升機自主懸停
英文論文名稱 AUTONOMOUS HOVER OF AN UNMANNED HELICOPTER USING FUZZY LOGIC 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 99
學期 1
出版年 100
研究生中文姓名 溫奕勛
研究生英文姓名 Yi-Shiun Wen
學號 697430972
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2011-01-11
論文頁數 63頁
口試委員 指導教授-蕭富元
委員-洪健君
委員-王怡仁
中文關鍵字 模糊控制  無人直昇機  自主飛行  規則演變參數調整法 
英文關鍵字 Fuzzy logic control  Unmanned aerial helicopter  Autonomous flight  Rule Evolution Tuning Method 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 本論文主要探討如何透過系統的化的方式, 去應用模糊控制理論, 來建構直升機自主懸停的能力。 本文一開始先回顧直昇機的機構及產生升力和推力的方式, 然後回顧模糊控制的基本理論。 接著, 本研究透過X-Plane 軟體進行模擬試飛, 以收集直昇機的飛行數據, 並藉以建構所需之模糊控制器。 傳統上模糊控制器的設計多仰賴經驗及試誤法, 本文則透過X-Plane 軟體模擬顯示, 可以成功地以系統化的方式, 來改善直昇機的懸停性能。 本文之研究成果, 可做為將來系統化設計模糊控制器之範例。
英文摘要 This thesis studies the autonomous hover of unmanned helicopters using fuzzy logic control (FLC), and the systematic design of fuzzy rule bases. At beginning, the mechanism to generate aerodynamic forces of a helicopter is reviewed. Then it is followed by the brief introduction of fuzzy logic control. With the database obtained from flight test in the X-Plane, we construct an “initial” fuzzy logic controller. Conventionally, the design of FLC relies very much on experiences and trials and errors. In this thesis, however, we demonstrate the validity of a systematic way to refine the FLC, so that the goal of autonomous hover of unmanned helicopters is achieved. Our work contributes to the potential applications of systematic design of FLC.
論文目次 目錄
中文摘要I
英文摘要II
致謝III
1 第一章緒論1
1.1 前言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 動機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 文獻回顧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 研究方法及目的. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 第二章無人直升機系統介紹7
2.1 直升機硬體架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 直升機懸停原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3 第三章自主懸停的控制器設計13
3.1 模糊控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1.1 模糊化介面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.1.2 決策邏輯. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.1.3 知識庫. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.4 解模糊化介面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2 控制器參數設定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2.1 循環側向控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2.2 循環縱向控制設定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.3 尾旋翼槳矩控制設定. . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.4 集體槳矩控制設定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4 第四章控制器調整及模擬實驗36
4.1 使用軟體. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2 X-Plane 跟電腦間的通訊. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3 系統化的規則庫改善. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4 姿態規則庫的改良. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.4.1 俯仰控制器設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.4.2 滾轉控制器設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.4.3 偏航控制器設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.5 結果與討論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5 第五章結論與未來展望58
5.1 結論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.2 未來展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58


表目錄
3.1 傳統集合與Fuzzy 集合的比較. . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 模糊集合定義. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3 側向穩定初設規則庫. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4 縱向穩定初設規則庫. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.5 航向穩定初設規則庫. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.6 航高穩定初設規則庫. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

圖目錄
1.1 中翔二號. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 天隼二號. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1 直升機結構圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 單旋翼直升機的反作用力矩[20] . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 直升機旋翼因攻角之變化[21] . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4 直升機停懸示意圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1 設計流程圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2 模糊控制系統之基本架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3 角度誤差的模糊集合範例. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.4 循環側向控制模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.5 滾轉角度誤差設定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.6 滾轉角速度設定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.7 Aileron 參數設定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.8 循環縱向控制模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.9 俯仰角度誤差設定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.10 俯仰角速度設定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.11 Elevator 參數設定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.12 尾旋翼槳矩控制模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.13 偏航角度誤差設定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.14 偏航角速度設定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.15 Pedal Pitch 參數設定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.16 集體槳矩控制模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.17 航高參數設定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.18 主旋翼集體槳距(Collective Pitch) 參數設定. . . . . . . . . 35
4.1 X-PLANE 模擬飛行軟體[28] . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2 通訊架構示意圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3 三軸姿態角度變化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4 三軸姿態角速度變化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.5 Pitch 的Phase 圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.6 Roll 的Phase 圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.7 Yaw 的Phase 圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.8 Example of rules evolution [22] . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.9 Elevator rules evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.10 Elevator 規則庫修改前. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.11 Elevator 規則庫修改後. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.12 規則庫修改後的Pitch 變化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.13 規則庫修改後Pitch 的Phase 圖. . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.14 Aileron rules evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.15 Aileron 規則庫修改前. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.16 Aileron 規則庫修改後. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.17 規則庫修改後的Roll 變化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.18 規則庫修改後Roll 的Phase 圖. . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.19 Pedal rules evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.20 Pedal pitch 規則庫修改前. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.21 Pedal pitch 規則庫修改後. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.22 規則庫修改後的Yaw 變化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.23 規則庫修改後Yaw 的Phase 圖. . . . . . . . . . . . . . . . 56
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