本論文主要探討拍翼式微飛行器 (Flapping-wing MAVs) 之姿態控制。拍翼式微飛行器近年來已經成為研究的熱門主題，淡江大學微機電實驗室亦長期致力於拍翼式微飛行器的開發。在微飛行器研究的主題中，除了機體本身的開發外，自主飛行亦是眾所矚目的焦點。2010 年初，淡江大學林森煌以金探子微型拍翼機為標的，利用立體視覺作為位置感測器，完成飛行高度控制。本研究在上述工作的基礎上，探討金探子的姿態控制，尤其著重在金探子的偏航控制。首先，由於金探子所使用的通訊系統是市售的通訊模組，因此我們先透過逆工程的方法，解碼出該通訊模組的編碼模式，以作為日後實驗之用。然後，我們在已知的動力學模型上，導出金探子的線性化模型，並經過實驗的方法，量測控制所需的參數。本文亦透過數值模來驗證所設計之控制律是否有效與改進之道。

This thesis discusses the attitude control of flapping-wing micro-aerial vehicles (MAVs). The researches on flapping-wing MAVs attracted much attention among scientists recently, and the MEMS laboratory in Tamkang University has been devoting herself to the development of flapping-wing MAVs for a long term. Among interesting topics, autonomous flight of flapping-wing MAVs is one of the foci. In 2010, Lin investigated the altitude control of the Golden Snitch, an 8-g flapping-wing robot, collaborating with the stereo-vision navigation algorithm. Based on Lin’s work, this thesis investigates the attitude control of the Golden Snitch, especially focuses on the yawing control. First of all, the communication module is a commercial one without any datasheet. Accordingly, the reverse engineering is applied to decipher the protocol of the communication module for future usage. Provided the dynamics model, we derive the linearized equations of motion (EOM). The parameters in the EOM are obtained via experimental data. Controls are designed to stabilize the attitude, and numerical simulations are provided in this thesis. From numerical simulations we verify the validity of certain controls, and find some problems for further investigation.

中文摘要i
英文摘要ii
1 緒論1
1.1 研究動機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 文獻回顧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 研究方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 金探子微型拍翼機4
2.1 概述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 拍翼機之遙控器與接收器. . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 傳動系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4 尾翼及尾舵螺旋槳. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3 自製紅外線發射接收模組10
3.1 紅外線接收模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1.1 單晶片AT89S51 . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1.2 串列傳輸. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1.3 準位轉換. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.1.4 紅外線接收器(IRM-2638) . . . . . . . . . . . . 15
3.1.5 紅外線訊號解析方法. . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2 紅外線發射器模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2.1 紅外線發光LED 電壓電流特性. . . . . . . . . 22
3.2.2 紅外線發光LED 發光束特性. . . . . . . . . . 24
3.2.3 紅外線發LED 方向特性. . . . . . . . . . . . . 24
3.2.4 紅外線發光LED 距離特性. . . . . . . . . . . 25
3.3 模擬發射訊號. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4 控制器設計28
4.1 運動方程式推導. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.2 機身參數鑑別. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.2.1 主馬達之扭力實驗. . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2.2 尾舵螺旋槳之推力實驗. . . . . . . . . . . . . 39
4.3 穩定性分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.4 控制律. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.5 數值模擬. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.5.1  fy 之控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.5.2  f  之控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.5.3 PID 控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5 結論與未來展望64
5.1 結論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2 未來展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.2.1 紅外線發射模組. . . . . . . . . . . . . . . . . 65
v
5.2.2 硬體規格. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.2.3 立體視覺模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.2.4 控制器的改良. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
參考文獻67
附錄A 70

圖目錄
1.1 翼展只有3 公分的機器蒼蠅. . . . . . . . . . . . . . . 2
2.1 金探子微型拍翼機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 拍翼機遙控及接收模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 傳動系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4 水平尾翼及垂直尾翼. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.5 垂直站立的金探子. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.6 尾舵螺旋槳. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.1 AT89S51 接腳圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2 RS-232 (母接頭) 接腳圖. . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.3 Max-232 腳位圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.4 IRM-2638 腳位圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.5 IRM-2638 的距離與角度關係. . . . . . . . . . . . . . 17
3.6 IRM-2638 的距離與電壓關係. . . . . . . . . . . . . . 18
3.7 IRM-2638 的距離與載波頻率關係. . . . . . . . . . . . 18
3.8 紅外線接收模組電路圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.9 拍翼機紅外線訊號圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.10 紅外線接收模組實圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.11 紅外線發射模組電路圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.12 紅外線發射模組電路圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.13 紅外線發光束特性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.14 紅外線方向特性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.15 訊號組成示意圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.1 控制拍翼機自主飛行流程圖[10] . . . . . . . . . . . . . 28
4.2 拍翼機自由體圖[16] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.3 扭力實驗設備. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.4 線段與水平線之夾角. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.5 木板與線段之夾角. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.6 扭力對應於拍翼頻率之數據. . . . . . . . . . . . . . . 37
4.7 四連桿. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.8 扭力對應於拍翼頻率之曲線. . . . . . . . . . . . . . . 39
4.9 Flexiforce 壓力感測器. . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.10 尾舵螺旋槳推力實驗平台. . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.11 Flexiforce 之壓力-電壓圖. . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.12 Flexiforce 之壓力-電壓圖. . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.13 尾舵螺旋槳之壓力對頻率圖. . . . . . . . . . . . . . . 43
4.14 系統之步階響應圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.15 zero input, nonzero initial condition 之響應圖. . . . . 45
4.16 角速度p 的數值模擬表示圖r0 = 1 . . . . . . . . . . . 47
4.17 角速度q 的數值模擬表示圖r0 = 1 . . . . . . . . . . . 47
4.18 角速度r 的數值模擬表示圖於r0 = 1 . . . . . . . . . . 48
4.19 控制訊號Δfy 於r0 = 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.20 角速度p 的數值模擬表示圖r0 = 0:07 . . . . . . . . . 49
4.21 角速度q 的數值模擬表示圖r0 = 0:07 . . . . . . . . . 49
4.22 角速度r 的數值模擬表示圖於r0 = 0:07 . . . . . . . . 50
4.23 控制訊號Δfy 於r0 = 0:07 . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.24 角速度p 的數值模擬表示圖R = 1 . . . . . . . . . . . 51
4.25 角速度q 的數值模擬表示圖R = 1 . . . . . . . . . . . 51
4.26 角速度r 的數值模擬表示圖於R = 1 . . . . . . . . . . 52
4.27 控制訊號Δfy 於R = 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.28 連續系統的數值模擬表示圖於r0 = 0:07 . . . . . . . . 53
4.29 離散系統的數值模擬表示圖於r0 = 0:07 . . . . . . . . 54
4.30 控制訊號Δf 於r0 = 0:07 . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.31 連續系統的數值模擬表示圖於p0 = 0:07 . . . . . . . . 55
4.32 離散系統的數值模擬表示圖於p0 = 0:07 . . . . . . . . 55
4.33 控制訊號Δf 於p0 = 0:07 . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.34 連續系統的數值模擬表示圖於q0 = 0:07 . . . . . . . . 56
4.35 離散系統的數值模擬表示圖於q0 = 0:07 . . . . . . . . 57
4.36 控制訊號Δf 於q0 = 0:07 . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.37 Gfy(s) 之根軌跡圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.38 G (s) 之根軌跡圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.39 Kp = 91884 時之步階響應. . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.40 系統模擬表示圖於r0 = 0:07 . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.41 連續系統之控制訊號於r0 = 0:07 . . . . . . . . . . . . 61
4.42 離散系統之控制訊號於r0 = 0:07 . . . . . . . . . . . . 61
4.43 系統模擬表示圖於R = 1 . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.44 連續系統之控制訊號於R = 1 . . . . . . . . . . . . . . 63
4.45 離散系統之控制訊號於R = 1 . . . . . . . . . . . . . . 63
A.1 角速度p 的數值模擬表示圖p = 1 . . . . . . . . . . . 70
A.2 角速度q 的數值模擬表示圖p = 1 . . . . . . . . . . . 71
A.3 角速度r 的數值模擬表示圖於p = 1 . . . . . . . . . . 71
A.4 控制訊號Δfy 於p = 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
A.5 角速度p 的數值模擬表示圖p = 0:1 . . . . . . . . . . 72
A.6 角速度q 的數值模擬表示圖p = 0:1 . . . . . . . . . . 73
A.7 角速度r 的數值模擬表示圖於p = 0:1 . . . . . . . . . 73
A.8 控制訊號Δfy 於p = 0:1 . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
A.9 角速度p 的數值模擬表示圖q = 1 . . . . . . . . . . . 74
A.10 角速度q 的數值模擬表示圖q = 1 . . . . . . . . . . . . 75
A.11 角速度r 的數值模擬表示圖於q = 1 . . . . . . . . . . 75
A.12 控制訊號Δfy 於q = 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
A.13 角速度p 的數值模擬表示圖q = 0:1 . . . . . . . . . . 76
A.14 角速度q 的數值模擬表示圖q = 0:1 . . . . . . . . . . . 77
A.15 角速度r 的數值模擬表示圖於q = 0:1 . . . . . . . . . 77
A.16 控制訊號Δfy 於q = 0:1 . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

表目錄
2.1 金探子拍翼機規格表. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3.1 AT89S51 腳位定義. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2 RS-232 腳位定義. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.3 發射訊號簡表. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

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