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系統識別號 U0002-2507200822353900
中文論文名稱 以微機電系統為基礎之飛行資訊量測組件設計與製作
英文論文名稱 Design and Implementation of a MEMS-Based Flight Information Unit
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 2
出版年 97
研究生中文姓名 吳宗興
研究生英文姓名 Tsung-Hsing Wu
學號 694370189
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2008-06-17
論文頁數 165頁
口試委員 指導教授-蕭照焜
委員-周明
委員-馬德明
中文關鍵字 飛行資訊量測組件  電子羅盤  加速儀  陀螺儀 
英文關鍵字 Flight Information Unit  Electronic Compass  Accelerometer  Gyro 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 本論文研究並設計一組以微機電系統為基礎之飛行資訊量測組件,包含慣性及大氣數據量測組件與電子羅盤(磁羅盤量測組件)兩套次系統。慣性及大氣數據量測組件所提供之量測功能包含三軸加速度、三軸角速度、壓力、壓差與溫度等資訊;磁羅盤系統則負責提供三軸磁場大小之量測。兩系統均以Microchip PIC單晶片微控制器來負責感測器訊號之擷取與轉換,並將訊號傳送至電腦接收端以進行後續之訊號分析與處理。慣性與及大氣數據量測組件之訊號傳送介面為RS-232,磁羅盤則為USB介面。兩系統都內建自我測試功能以確保系統的完整性。此外電子羅盤並週期性的針對磁感測元件執行啟動脈衝之動作,以降低外界電磁干擾影響並可增進量測時之訊號穩定性。加速儀與陀螺儀之性能在四軸運動平台上驗證;磁羅盤測試則分別在室內與室外進行,以取得金屬環境與周遭磁場對系統之影響,進而執行後續之分析與校正工作。本研究完成飛行資訊量測組件之軟、硬體整合與訊號傳遞之編解碼過程,並完成功能驗證。
英文摘要 This research concentrates on the development of a MEMS-based flight information system. It includes an inertial and air data measurement unit and an electronic compass unit. The inertial and air data measurement unit provides the capability for three-axis accelerations, three-axis angular rates, airspeed, altitude, temperature, and angle of attack measurements. The compass system is used to measure the magnitude of the external magnetic fields. A Microchip PIC micro-controller is used in each measuring unit to perform data acquisition and deduction and to transfer the results to the host system for further analysis and processing. The inertial and air data measurement unit uses the RS-232 serial port to interface with the host system while the compass unit uses the USB bus. Self test is employed in each unit to ensure system integrity. Furthermore, a set pulse is applied to the magnetic sensor periodically to reduce the magnetic interference and to improve the stability of the measuring data. The performance of the accelerometers and the rate gyros are evaluated using an in-house designed four-axis motion platform. The performance of the electronic compass unit, however, is verified through both indoor and outdoor tests to gain the necessary calibration information. A hardware-software integrated, function tested real system is accomplished in this research.
論文目次 目錄 I
圖目錄 V
表目錄 X
第一章 序論 1
1.1 研究動機與目的 3
1.2 研究方法 4
1.3 國內外相關研究 4
第二章 系統功能描述 7
2.1 功能描述 8
2.2 系統規畫 9
第三章 系統硬體描述 14
3.1 加速儀 14
3.1.1 基本原理 15
3.1.2 加速儀種類 16
3.1.3 性能參考依據 19
3.1.4 加速儀型號 20
3.1.5 加速儀應用 25
3.2 陀螺儀 34
3.2.1 基本原理 35
3.2.2 陀螺儀種類 35
3.2.3 性能參考依據 40
3.2.4 陀螺儀型號 41
3.2.5 陀螺儀應用 44
3.3 磁感測器 49
3.3.1 基本功能 49
3.3.2 操作原理 50
3.3.3 雜訊特性 52
3.3.4 跨軸影響(Cross-axis effect) 52
3.3.5 補償卷帶(Offset strap) 52
3.3.6 啟動/重置卷帶(Set/reset strap) 53
3.3.7 應用範例簡介 54
3.4 壓力感測器 59
3.4.1 空速計(壓差感測器) 59
3.4.2 高度計(壓力感測器) 60
3.5 微控制器 61
3.6 系統設計電路圖 63
3.6.1 飛行資訊量測組件系統電路 63
3.6.2 磁羅盤系統電路 68
第四章 系統軟體設計 72
4.1 軟體功能規劃與設計 74
4.1.1 類比訊號擷取 74
4.1.2 磁羅盤校準 75
4.1.3 加速儀校準 76
4.1.4 陀螺儀校準 77
4.1.5 磁感測器校準 77
4.1.6 自我測試功能 78
4.1.7 接收端軟體簡介 79
4.2 磁羅盤系統程式設計 80
4.3 飛行資訊量測組件程式設計 87
4.4 自我測試功能 92
4.4.1 陀螺儀自我測試 92
4.4.2 加速儀自我測試 96
4.5 資料編碼 98
4.6 資料傳輸與解碼 99
第五章 測試流程與數據分析 103
5.1 驗證環境 103
5.2 測試流程 105
5.3 加速儀測試數據 106
5.4 陀螺儀測試數據 107
5.4.1 單軸陀螺儀測試 108
5.4.2 三軸陀螺儀測試 114
5.5 磁羅盤測試數據 115
第六章 結論與未來展望 127
參考文獻 130
附錄A 磁羅盤細部程式流程圖 134
附錄B 飛行資訊量測組件細部程式流程圖 142
附錄C 系統硬體照片 149
附錄D 150

圖目錄
圖 2 - 1 慣性量測組件基本架構圖...................................................7
圖 2 - 2 飛行資訊測組件系統架構圖.............................................11
圖 2 - 3 磁羅盤系統架構圖.............................................................12
圖 2 - 4 磁感測器系統測試架構圖.................................................13
圖 2 - 5 慣性與大氣資訊量測組件測試系統架構圖.....................13
圖 3 - 1 未受力前之系統.................................................................15
圖 3 - 2 受力時之系統.....................................................................15
圖 3 - 3 力平衡式加速儀基本架構.................................................17
圖 3 - 4 共振式加速儀基本架構.....................................................17
圖 3 - 5 加速儀感測方向(俯視圖).............................................21
圖 3 - 6 靜止狀態下之差動電容.....................................................23
圖 3 - 7 移動狀態下之差動電容.....................................................24
圖 3 - 8 加速儀系統架構圖.............................................................26
圖 3 - 9 不同方位之加速儀輸出值.................................................33
圖 3 - 10 科氏力效應簡圖...............................................................36
圖 3 - 11 轉動圓盤上之質點運動情形...........................................37
圖 3 - 12 微機電陀螺儀內部振動質量基本架構...........................38

圖 3 - 13 陀螺儀應用電路...............................................................42
圖 3 - 14 陀螺儀周邊元件區塊圖...................................................43
圖 3 - 15 啟動脈衝電路...................................................................54
圖 3 - 16 雙軸磁羅盤電路設計參考圖...........................................55
圖 3 - 17 三軸磁羅盤電路設計參考圖...........................................57
圖 3 - 18 H-Bridge啟動/重置功能驅動電路圖............................58
圖 3 - 19 Single-Ended啟動/重置功能驅動電路圖.....................59
圖 3 - 20 壓差感測器內部系統方塊圖...........................................60
圖 3 - 21 壓差感測器應用電路.......................................................60
圖 3 - 22 壓力感測器應用電路.......................................................61
圖 3 - 23 慣性量測組件主板電路_1...............................................64
圖 3 - 24 慣性量測組件主板電路_2...............................................65
圖 3 - 25 慣性量測組件主板電路_3...............................................66
圖 3 - 26 慣性量測組件副板電路_1...............................................67
圖 3 - 27 慣性量測組件副板電路_2...............................................68
圖 3 - 28 磁羅盤主板電路_1...........................................................69
圖 3 - 29 磁羅盤主板電路_2...........................................................70
圖 3 - 30 磁羅盤副板電路...............................................................71

圖 4 - 1 Borland C++ Builder 程式介面..........................................80
圖 4 - 2 磁羅盤程式設計主流程圖.................................................83
圖 4 - 3 磁羅盤程式設計初始化流程圖.........................................84
圖 4 - 4 磁羅盤程式設計高優先權中斷服務程式流程圖.............85
圖 4 - 5 磁羅盤程式設計資料傳輸流程圖.....................................86
圖 4 - 6 慣性量測組件程式設計主流程圖.....................................89
圖 4 - 7 慣性量測組件程式設計初始化流程圖.............................90
圖 4 - 8 慣性量測組件程式設計資料傳輸流程圖.........................91
圖 4 - 9 陀螺儀自我測試流程圖_1.................................................94
圖 4 - 10 陀螺儀自我測試流程圖_2...............................................95
圖 4 - 11 加速儀自我測試流程圖...................................................97
圖 4 - 12 磁羅盤訊號傳輸接收端解碼流程圖.............................101
圖 4 - 13 慣性量測組件訊號傳輸接收端解碼流程圖.................102
圖 5 - 1 四軸運動平台外觀...........................................................104
圖 5 - 2 平台運動軸向定義...........................................................105
圖 5 - 3 三軸加速儀測試圖...........................................................107
圖 5 - 4 靜止狀態下之三軸角速度讀值.......................................110
圖 5 - 5 X軸陀螺儀轉速與實際量測值.....................................111 VII
圖 5 - 6 Y軸陀螺儀轉速與實際量測值.....................................112
圖 5 - 7 Z軸陀螺儀轉速與實際量測值......................................113
圖 5 - 8 X:10°、Y:10°、Z:40°/s.........................................115
圖 5 - 9 磁羅盤測試環境...............................................................116
圖 5 - 10 磁羅盤測試 地點:研究室 時間:PM 1:26...............118
圖 5 - 11 磁羅盤測試 地點:建築物頂樓 時間:PM 2:55.......118
圖 5 - 12 磁羅盤測試 地點:戶外草皮 時間:PM 3:01...........119
圖 5 - 13 室內磁羅盤測試校正比較.............................................119
圖 5 - 14 室內磁羅盤測試校正後.................................................120
圖 5 - 15 建築物頂樓磁羅盤測試校正比較.................................120
圖 5 - 16 建築物頂樓磁羅盤測試校正後.....................................121
圖 5 - 17 戶外草皮磁羅盤測試校正比較.....................................121
圖 5 - 18 戶外草皮磁羅盤測試校正後.........................................122
圖 5 - 19 磁羅盤四方位測試 地點:戶外草皮 時間:PM 3:06123
圖 5 - 20 戶外草皮磁羅盤四方位測試校正比較.........................124
圖 5 - 21 戶外草皮磁羅盤測試校正後.........................................124
圖 5 - 22 未加入 Set Function 之磁羅盤量測值.........................125
圖 5 - 23 受外界磁干擾下之磁羅盤量測值.................................126

附圖 4 - 1 全域變數參數定義.......................................................134
附圖 4 - 2 區域變數參數定義.......................................................135
附圖 4 - 3 中斷功能初始化流程圖...............................................136
附圖 4 - 4 串列傳輸初始化流程圖...............................................137
附圖 4 - 5 計時器一初始化與延遲副程式流程圖.......................138
附圖 4 - 6 微處理器初始化流程圖...............................................139
附圖 4 - 7 磁羅盤初始化流程圖...................................................140
附圖 4 - 8 類比/數位轉換模組初始化流程圖...........................141

表目錄
表 3 - 1 頻寬與電容值關係..........................................................29
表 3 - 2 電容值與輸出雜訊關係.................................................30
表 3 - 3 電源值與加速儀輸出特性關係.....................................32
表 4 - 1 感測器靈敏度理論值......................................................75
表 4 - 2 磁羅盤訊號傳輸編碼格式.............................................98
表 4 - 3 慣性量測組件訊號傳輸編碼格式.................................99
表 5 - 1 X軸陀螺儀轉速與實際量測值...................................111
表 5 - 2 Y軸陀螺儀轉速與實際量測值...................................112
表 5 - 3 Z軸陀螺儀轉速與實際量測值...................................113
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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2011-08-05公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2011-08-05起公開。


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