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系統識別號 U0002-2507201309154600
中文論文名稱 具兩自由度的追蹤平台模組及其於安全監控之應用
英文論文名稱 A Two Degrees-of-Freedom Tracker with Application to Safety Monitoring
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士在職專班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 101
學期 2
出版年 102
研究生中文姓名 楊立安
研究生英文姓名 Li-An Yang
學號 700440059
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2013-07-15
論文頁數 76頁
口試委員 指導教授-周永山
委員-容志輝
委員-吳政郎
中文關鍵字 CCTV  PID控制器  FPGA  IP Camera 
英文關鍵字 CCTV  PID Controller  FPGA  IP Camera 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 現今的安全監控市場CCTV (Closed-circuit Television)占大多數,雖然趨勢走向IP CAM (IP Camera),但其價格昂貴,現在替換率並不高。與IP CAM作比較,目前普遍使用的CCTV除了畫質較差的缺點,也缺乏PT (Pan Tilt)的方位控制以及遠端監控功能。在PT的部分,雖然市面上已有雲台可資利用,但其軌跡規劃只有定速並且僅能水平方向移動,無法作任意方位之控制,且需額外加裝DVR (Digital Video Recorder)才能做遠端遙控。所以,本論文設計了一個兩自由度的追蹤平台,並且在馬達驅動板部分進行改良,例如模組化的設計、硬體電路設計、PCB Layout設計。將CCTV架設在此平台,也可讓CCTV如同IP CAM具有PT的功能,不但能精準定位而且能符合規劃的速度要求。另外,此平台也可整合網路設備進行遠端遙控。
英文摘要 Today CCTV (Closed-circuit Television) is the majority in the market of security surveillance. Though the trend is moving toward IP CAM (IP Camera), the price is still too expensive, and thus so far the replacement rate is not high. Compared with the IP CAM, there are some disadvantages associated with the widespread used CCTV, for example the poor quality of image, lack of PT (Pan Tilt) position control, and remote monitoring capabilities. Concerning the PT function, although one may take the advantage of utilizing the existing Pan-Tilt platform, but it can rotate only at certain prescribed constant speed rates and the movement is restricted to be in a plane, unable to realize a three dimensional positioning control. In addition, it needs to install a DVR (Digital Video Recorder) in order to perform remote control.
In conclusion this thesis aims at the design and realization of a two-degrees-of-freedom tracking platform with particular emphasis on the motor driver board as part of improved modular design, the hardware circuit design, and PCB Layout Design. As an application, when a CCTV is mounted upon this platform, it works like an IP CAM, with accurate positioning and speed control. Lastly this platform can also be integrated with network devices for remote control.
論文目次 目 錄

中文摘要............................................................................................................I
英文摘要..........................................................................................................II
目錄.................................................................................................................III
圖目錄..............................................................................................................V
表目錄.............................................................................................................IX
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究概況 4
1.3 論文架構 6
第二章 兩自由度追蹤器平台之設計概要 7
2.1 系統架構 7
2.2 機構設計 9
2.3 週邊零組件 12
2.3.1 馬達與編碼器 13
2.3.2 電位計 15
2.3.3 類比攝影機 17
2.3.4 網路模組 19
2.3.5 電源供應器 20
第三章 馬達驅動模組設計 21
3.1 驅動電路 21
3.2 電流感測電路 26
3.3 保護機制 31
3.4 電路圖以及Layout設計 34
3.5 驅動模組差異性比較 42
第四章 追蹤控制演算法實現 45
4.1 軌跡產生器 45
4.2 PID控制器 49
4.3 兩自由度平台運動學 51
4.4 FPGA實現兩自由度平台 53
第五章 實驗模擬 64
第六章 結論與未來研究方向 73
6.1 結論 73
6.2 未來研究方向 74
參考文獻 75
圖目錄

圖2.1 系統架構圖 8
圖2.2 系統流程圖 8
圖2.3 CCTV雲台系統 9
圖2.4 兩自由度追蹤平台 10
圖2.5 直流馬達分解圖 14
圖2.6 Channel A、ChannelB 15
圖2.7 電位計外觀 16
圖2.8 電位計實際範圍 17
圖2.9 CCTV規格 19
圖2.10 網路模組 19
圖2.11 RS-50規格 20
圖3.1 L298架構 22
圖3.2 L298封裝類型 23
圖3.3 馬達驅動板 23
圖3.4 驅動電路圖 24
圖3.5 原L298電流回授 24
圖3.6 光耦合器 25
圖3.7 電流感測器基本架構 27
圖3.8 水泥電阻(上) 薄膜電流感應電阻(下) 29
圖3.9 電流感測電路 30
圖3.10 類比轉數位訊號 30
圖3.11 類比轉數位之轉換(以LSB表示) 31
圖3.12 保護電路 32
圖3.13 各軸安全範圍 32
圖3.14 保護電路模擬 33
圖3.15 設計流程 34
圖3.16 OrCAD軟體介面 35
圖3.17 Layout操作介面 36
圖3.18 馬達驅動板(a)(b) 37
圖3.19 PCB疊構圖 38
圖3.20 電源層 39
圖3.21 (上)TOP層零件擺放 (下)BOT層零件擺放 40
圖3.22 充放電時的突波 41
圖3.23 電源切換訊號路徑 41
圖3.24 馬達驅動板 43
圖4.1 控制演算法架構 45
圖4.2 梯形速度曲線 46
圖4.3 速度曲線選取 48
圖4.4 軌跡規劃的呈現 49
圖4.5 PID控制器方塊圖 50
圖4.6 兩自由度追蹤平台的尺寸與示意圖 51
圖4.7 兩自由度追蹤平台各軸的座標表示 52
圖4.8 FPGA模組之角色 53
圖4.9 MaxII Micro Kit架構圖及實體圖 54
圖4.10 FPGA系統流程圖 55
圖4.11 Encoder時序圖 56
圖4.12 Encoder結構圖 57
圖4.13 Encoder方塊圖以及時序圖 58
圖4.14 PWM訊號的產生 59
圖4.15 PWM結構圖 60
圖4.16 PWM方塊圖 60
圖4.17 手機遠端操控示意圖 61
圖4.18 Pelco-D封包 61
圖4.19 網路模組接收 63
圖5.1 控制演算架構圖 64
圖5.2 人性化介面 65
圖5.3 調整參數介面 66
圖5.4 軌跡規劃結果 69
圖5.5 定位追蹤結果 70
圖5.6 速度追蹤結果 71
圖5.7 各軸軌跡追蹤誤差 72








表目錄

表2.1 機構規格 11
表2.2 馬達規格表 12
表2.3 使用馬達清單 14
表2.4 RS-50規格 20
表3.1 各馬達驅動電流 28
表3.2 驅動模組差異性 43
表4.1 Encoder接腳圖 59
表4.2 PWM接腳圖 60
表4.3 實際下達指令 62
表5.1 第一關節直流馬達物理參數2657W24CXR 67
表5.2 第二關節直流馬達物理參數2232U24SR 67
表5.3 指標評估結果 72

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