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系統識別號 U0002-2507201214162500
中文論文名稱 嵌入式微機電姿態計算系統之設計
英文論文名稱 Design of MEMS-Based Embedded Attitude Determination System
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 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 姚春安
研究生英文姓名 Chun-An Yao
學號 699430129
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-06-28
論文頁數 104頁
口試委員 指導教授-馬德明
委員-何翊
委員-蕭照焜
委員-馬德明
中文關鍵字 MEMS  姿態演算法  非線性卡曼濾波器  嵌入式系統  Linux 
英文關鍵字 MEMS  attitude determination  nonlinear Kalman filter  embedded system  Linux 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 本研究主體分為C++姿態演算程式驗證與嵌入式系統程式離線運算試驗兩大部分,針對無人飛行載具使用MEMS為基底之微機電感測組件計算飛行姿態。淡江大學航太系航電與飛行模擬實驗室歷年來研發製作之低成本姿態量測組件已提出一系列的非線性卡曼濾波之姿態演算方法;本研究將已完成的MatlabR姿態演算程式作為本研究之程式之基準,利用C++語言作程式改寫,將姿態量測組件在地面實驗平台測試的實驗數據與輕航機實際飛行實驗中所收集的飛行資訊數據,匯入姿態演算程式進行程式數據的誤差比較與各項姿態運算的數據分析,成功驗證了C++編譯姿態演算程式的可靠度。本研究中採用嵌入式硬體利用Linux環境建置程式試驗平台來模擬無人飛行載具的機載電腦,將已驗證後的C++姿態演算程式作離線運算處理,並對姿態演算程式進行程式執行運算的計時試驗,驗證其姿態演算法能提供即時飛行姿態計算的運算效率。
英文摘要 Both attitude determination system build in C++ and offline embedded attitude determination system using the data measured from MEMS-based measurement components installed in UAV are studied. In this study, the MatlabR based attitude determination system is translated into C++ language to develop the embedded attitude determination system. The Linux environment is applied to simulate embedded system installed in UAV and the offline testing the data with translated C++ based attitude determination system. The result shows the efficiency of the real time flight attitude determination system.
論文目次 目錄 iii
圖目錄 vi
表目錄 ix
符號定義 x
第一章 緒論 1
1.1研究動機與目的 1
1.2文獻回顧 3
1.2 研究方法與架構 4
第二章 飛行姿態角計算 6
2.1 航向角之計算 7
2.2 重力場三軸分量之姿態角計算 9
2.3 四元數法之姿態角計算 13
第三章 C++地面實驗程式驗證 21
3.1 地面測試實驗 21
3.2 驗證流程架構 24
3.3 程式驗證結果 24
3.4 Matlab與C++姿態演算程式碼差異整理 29
3.4.1 資料載入與輸出 29
3.4.2 矩陣運算 30
3.4.3 方向餘弦計算 32
3.4.4 四元數與尤拉角轉換運算 33
第四章 卡曼濾波器於姿態演算之探討 34
4.1基礎型卡曼濾波器 34
4.2離散卡曼濾波器 37
4.3卡曼濾波器用於姿態演算之設計 41
4.4雜訊特性與設計 43
4.5擴展型卡曼濾波器姿態演算設計 50
第五章 姿態演算程式驗證與數據 57
5.1姿態演算程式流程總整 57
5.2姿態演算法程式測試驗證 60
5.2.1 航向角(Heading Angle) 60
5.2.2 俯仰角(Pitch Angle) 64
5.2.3 滾轉角(Roll Angle) 65
5.2.4 三軸速度分析 67
5.2.5 爬升階段(Climb) 69
5.2.6 下降階段(Descent) 71
5.2.7 水平飛行階段(Level Fly) 73
5.2.8 左轉彎階段(Left Turn) 75
5.2.9 右轉彎階段(Right Turn) 77
5.2.10 S型轉彎階段(S - Turn) 79
第六章 程式環境測試與分析 82
6.1 驗證平台硬體架構 82
6.2嵌入式平台環境建構 85
6.3程式執行計時測試 88
第七章 結論 91
參考文獻 92
附錄一 雅可比矩陣元素列表 94
附錄二 AURORA硬體規格表 96
附錄三 97

圖目錄
圖1.1 研究架構流程圖 5
圖2.1 歐拉角示意圖 6
圖2.2 地球磁場分量示意圖 8
圖2.3 重力場分量示意圖 9
圖2.4 旋轉角速度造成的速度變化之分量示意圖 11
圖3.1 四軸實驗平台與IMU量測元件擺設圖 23
圖3.2 電腦端接收軟體畫面截圖 23
圖3.3 C++程式編寫與驗證流程圖 24
圖3.4 透過重力場分量計算之滾轉角 比較圖 25
圖3.5 兩程式姿態計算輸出數據之疊合圖 25
圖3.6 透過重力場分量計算之俯仰角 比較圖 26
圖3.7 兩程式姿態計算輸出俯仰角 數據之疊合圖 26
圖3.8 導航四元數法計算之滾轉角 比較圖 27
圖3.9 兩程式姿態計算輸出滾轉角 數據之疊合圖 27
圖3.10 導航四元數法計算之俯仰角 比較圖 28
圖3.11 導航四元數法計算之俯仰角 比較圖 28
圖4.1 狀態估測與系統協方差之時間關係圖 38
圖4.2 離散型卡曼濾波器動態更新流程圖 40
圖4.3 姿態演算之卡曼濾波器流程圖 43
圖4.4 擴展型卡曼濾波器動態更新流程圖 56
圖5.1 姿態演算程式運算詳細流程圖 59
圖5.2 航向角量測值 數據圖 61
圖5.3 GPS資料計算之航向角 數據圖 62
圖5.4 互補濾波之航向角 數據圖 63
圖5.5 航向角數據圖 63
圖5.6 俯仰角量測值 之數據圖 64
圖5.7 EKF之俯仰角 數據圖 65
圖5.8 俯仰角量測值 之數據圖 66
圖5.9 EKF之滾轉角 數據圖 66
圖5.10 EKF之X軸速度數據圖 67
圖5.11 EKF之Y軸速度數據圖 68
圖5.12 EKF之Z軸速度數據圖 68
圖5.13 三軸速度 數據圖 69
圖5.14 爬升階段-姿態數據變化圖 70
圖5.15 爬升階段-兩程式姿態數據誤差關係圖 71
圖5.16 下降階段-姿態數據變化圖 72
圖5.17 下降階段-兩程式姿態數據誤差關係圖 73
圖5.18 水平飛行階段-姿態數據變化圖 74
圖5.19 水平飛行階段-兩程式姿態數據誤差關係圖 75
圖5.20 左轉彎階段-姿態數據變化圖 76
圖5.21 左轉彎階段-兩程式姿態數據誤差關係圖 77
圖5.22 右轉彎階段-姿態數據變化圖 78
圖5.23 右轉彎階段-兩程式姿態數據誤差關係圖 79
圖5.24 S型轉彎階段-姿態數據變化圖 80
圖5.25 S型轉彎階段-兩程式姿態數據誤差關係圖 81
圖6.1 AUROA 單板電腦主板實體圖 84
圖6.2 AUROA 單板電腦上層VGA輸出板實體圖 84
圖6.3 嵌入式系統環境建置與程式執行驗證流程圖 87

表目錄
表3.1實驗參數設定 22
表3.2 姿態程式碼資料載入/輸出段落表 30
表3.3 姿態程式矩陣相乘範例比較表 31
表3.4 姿態程式方向餘弦程式碼比較表 32
表3.5 姿態程式四元數與歐拉角轉換比較表 33
表6.1 嵌入式系統比較表 83
表6.2 程式試驗平台規格表 88
表7.1 AURORA 單板電腦硬體規格表 96
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