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。

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.

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

[1]	林英泓，網際網路之遠端監控系統，國立臺灣大學電機工程學研究所碩士論文，民90年。
[2]	晶睿通訊股份有限公司，http://www.vivotek.com/ 
[3]	J. Roy, D. Pal, S.K. Sanyal, U.C. Sarkar, and R. Nandl, “Design of a micro-processor based radar tracking system using stepper motor,” ACE '90. Proceedings of [XVI Annual Convention and Exhibition of the IEEE In India] , 1990, pp.250-253. 
[4]	P.J. Lawrence and R.D. Dawson, “Identification of periodic nonstationary antenna stabilisation control system by crosscorrelation techniques,” Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, vol.124, no.9, 1977, pp.797-801. 
[5]	C.S. Wu, Y.B. Wang, S.Y. Liu, Y.C. Peng, and H.H. Xu, “Study on automatic sun-tracking technology in PV generation,” Third International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies, April 6-9, 2008, pp. 2586-2591. 
[6]	S. Abdallah and S. Nijmeh, “Two-axis sun tracking with PLC control,” Energy Conversion and Management, vol.45, Jul. 2004, pp. 1931-1939. 
[7]	W. Wang and S.Y. Li, “Model predictive control of 2-axis solar tracker for solar energy system,” 2012 31st Chinese Control Conference, July 25-27. 2012, pp.4177-4182. 
[8]	張道弘，PID控制理論與實務，初版，全華科技圖書，1995。 
[9]	C. Micheloni, B. Rinner, and G.L. Foresti, “Video analysis in pan-tilt-zoom camera networks,” Signal Processing Magazine, vol. 27, no.5, 2010, pp.78,90. 
[10]	張簡嘉壬，數位式電動輪椅/代步車控制器系統之設計與發展，成功大學醫學工程研究所碩士論文，民91年。 
[11]	林致遠，具曲率估測能力之四輪競速自走車，龍華科技大學電子工程系碩士班碩士論文，民101年。 
[12]	賴長嵩，智慧型多感測器之適路性汽車前方照明系統之研製，逢甲大學自動控制工程學系碩士班碩士論文，民101年。 
[13]	黃于哲，以線迷宮鼠實現最短路徑演算法之研究，龍華科技大學電子工程系碩士班碩士論文，民101年。
[14]	李常愷，双獨立輪倒擺自走車系統之設計及建構，臺灣海洋大學電機工程學系碩士班碩士論文，民100年。
[15]	林暐倫，直流變頻洗衣機馬達驅動器之設計，逢甲大學電機工程學系碩士班碩士論文，民101年。
[16]	湯傑翔，體感式數位同步編輯控制平台之設計研究-以二足機器人為例，台北教育大學理學院數位科技設計學系玩具與遊戲設計碩士班碩士論 文，民99年。
[17]	張義和、王敏男，例說OrCAD R9.X 電路板設計，新文京開發出版股份有限公司，民93年。
[18]	王俞允，PADS PCB 高速電路設計.電路板篇，碁峰資料，民96年。
[19]	鍾明峰，以傳輸線模型分析高速數位電路構裝之電源完整性，中山大學電機工程學系碩士班碩士論文，民95年。
[20]	陳家聖，以SOPC為基礎關節型機械臂之伺服控制系統之研製，南台科技大學電機工程學系碩士班碩士論文，民96年。
[21]	李峰吉，高速高精度之小線段命令運動軌跡插值介紹，工業技術研究院機械所。
[22]	林鴻熙，點接觸二足機器人系統建立與步態規劃，臺灣科技大學電機工程系碩士班碩士論文，民99年。
[23]	謝其佑，強健性直流馬達控制器設計，雲林科技大學電機工程系碩士班碩士論文，民98年。
[24]	衛祥偉，具有四象限截波器驅動之直流馬達研究，東華大學電機工程學系碩士班碩士論文，民100年。
[25]	黃可瑋，運用陀螺儀直觀控制機器手臂之研究，臺灣師範大學機電科技學系碩士班碩士論文，民101年。
[26]	J.J. Craig, Introduction to robotics: mechanics and control, Third Edition, Pearson Education International, 2005.
[27]	巫憲欣，以系統晶片發展具機器視覺之機械手臂運動控制，台灣科技大學機械工程系碩士班碩士論文，民95年。
[28]	陳立傑，直流馬達雙層模糊控制器的設計與應用，華梵大學電子工程學系碩士班碩士論文，民98年。
[29]	唐佩忠，VHDL與數位邏輯設計，高立圖書, 民93年。