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系統識別號 U0002-2601201017403700
中文論文名稱 微型拍翼機高度控制
英文論文名稱 Altitude Control of Flapping-wing MAV
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 98
學期 1
出版年 99
研究生中文姓名 林森煌
研究生英文姓名 Sen-Huang Lin
電子信箱 sama4p7@gmail.com
學號 697430295
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-01-14
論文頁數 55頁
口試委員 指導教授-蕭富元
委員-蕭飛賓
委員-楊龍杰
中文關鍵字 微型飛行器  立體視覺  軌跡控制  控制律 
英文關鍵字 Stereo vision  MAV  Trajectory Control  Control law 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 本論文主要是在探討微型拍翼機(MAV)的軌跡控制。淡江大學在拍翼機的研發,已經進行很長的時間,所觸及的範圍包括設計、製造和控制。在淡江大學機械所微機電實驗室所研發之微型拍翼機”金探子”的基礎之下,我們發展出一種非侵入式的視訊導航技術,來克服機體過輕無法裝載感測器的限制。此外,我們亦設計控制律以穩定MAV的飛行軌跡。本文用數值模擬來展示控制法的可行性,以及利用飛行測試來驗證研究成果,最後完成MAV的高度控制。
英文摘要 The trajectory control of flapping-wing microaerial vehicles (MAVs) is discussed in this
paper. The Tamkang University (TKU) has been devoted to the development of flapping-wing
robots for a long period, including design, fabrication and control. On the basis of the
earlier knowledge on the Golden Snitch, a flapping-wing MAV in TKU, we develop a non-
intrusive navigation methodology by using stereo vision, and stabilize the flight trajectory
with a modified Pcontrol. Different from other mechanical or aerial systems, the selections in
control signal are limited in this problem due to the restrictions in carry-on weight.
Numerical simulations also provided to demonstrate the robustness of our control law, and flight
test is used to examine this design. From the experiment results we have demonstrated the feasibility
of our algorithm.
論文目次 中文摘要I
英文摘要II
致謝III
1 第一章緒論1
1.1 研究動機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 文獻回顧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 國外目前最新研究. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.4 研究方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 第二章”金探子”微型拍翼機5
2.1 仿生之拍翼機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 拍翼機之遙控器與接收器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 四連桿機構與機身結構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3 第三章紅外線發射接收模組9
3.1 紅外線接收模組電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.1.1 單晶片(8051) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.1.2 串列傳輸(RS-232) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1.3 準位轉換(MAX-232) . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1.4 紅外線接收器(IRM-2638) . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1.5 單晶片(8051) 接收方法. . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2 使用者圖形化操作介面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3 紅外線發射器模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3.1 紅外線發光led 電壓電流特性. . . . . . . . . . . . . 23
3.3.2 紅外線發光led 發光束特性. . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3.3 紅外線發光led 方向特性. . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3.4 紅外線發光led 距離特性. . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3.5 單晶片發射訊號. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4 第四章控制器設計30
4.1 立體視覺獲取物體姿態. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2 拍翼機運動方程式推導. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.3 控制律設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.4 數值模擬. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.5 實驗驗證. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.6 實驗結果討論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.6.1 控制變因實驗. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.6.2 控制變因實驗: 立體視訊觀測高度值. . . . . . . . . . 47
4.6.3 自由飛行實驗. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5 第五章結論50
5.1 結論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6 第六章未來展望51
6.1 紅外線發射LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.2 立體視覺模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.3 拍翼機方向操控的機構設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

表目錄
3.1 單晶片8051腳位定義. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2 RS-232腳位定義. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.3 拍翼機發射器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.4 發射訊號資料庫. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.5 推力訊號程式碼. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.1 不同裝置角下的三個參數. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2 根據不同攻角產生不同的尾翼升力係數. . . . . . . . . . . . 36
4.3 金探子的各種參數. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.4 拍撲推力訊號14段的拍撲頻率. . . . . . . . . . . . . . . . . 42
圖目錄
2.1 ”金探子”微型拍翼機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 拍翼機遙控器傳輸模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 四連桿機構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4 拍翼機機身與尾翼剖面圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.1 8051接腳圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.2 RS-232腳位圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.3 MAX-232腳位圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.4 IRM-2638腳位圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.5 IRM-2638的距離與角度關係. . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.6 IRM-2638的距離與電壓關係. . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.7 IRM-2638的距離與頻率關係. . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.8 紅外線接收模組電路圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.9 拍翼機紅外線訊號圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.10 原發射器紅外線訊號圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.11 紅外線接收模組實圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.12 配合紅外線接收模組的Matlab GUI 介面. . . . . . . . . . . 23
3.13 紅外線發射模組電路圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.14 紅外線發光二極體特性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.15 紅外線發光束特性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.16 紅外線方向特性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.17 兩者紅外線編碼比較. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.1 拍翼機自主飛行架構圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.2 立體視訊. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.3 交錯判別法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.4 平行判別法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.5 目標物與視訊的幾何關係. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.6 Z方向最大視角及最大像素的關係. . . . . . . . . . . . . . . 33
4.7 拍翼機自由體圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.8 (a): 來風時微飛行器向前飛行時, U0 與機身的俯仰角示意圖;
(b): 微飛行器受到來風的影響導致俯仰角改變時, U0 與機身的
俯仰角示意圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.9 軌跡的數值模擬表示圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.10 上一張圖數值模擬的控制訊號表示圖. . . . . . . . . . . . . . 43
4.11 實驗室內驗證. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.12 地面站. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.13 自由飛行實驗. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.14 1.2m 觀測高度值. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.15 1.5m 觀測高度值. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
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