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系統識別號 U0002-2808201412223300
中文論文名稱 四旋翼機編隊飛行的探討
英文論文名稱 Study of Quadrotor Formation Flight
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 102
學期 2
出版年 103
研究生中文姓名 李奕儒
研究生英文姓名 Yi-Ju Li
電子信箱 a055588@gmail.com
學號 600430150
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2014-06-17
論文頁數 69頁
口試委員 指導教授-馬德明
委員-蕭照焜
委員-何翊
中文關鍵字 四旋翼  編隊飛行  PD控制器 
英文關鍵字 Quadrotor  Formation  PD Controller 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 本研究先對於四旋翼機運作方式及建立數學模型,利用牛頓第二定理寫出運動方程式,將所得到的量測參數輸入數學模型,分別對於姿態以及位移動態方程式進行線性化,設計狀態回授控制律以及PD控制器,並探討如何利用虛擬勢能的方式,建構編隊飛行的架構。最後利用了MatlabR內建的Simulink畫出整體系統控制圖來模擬分析單機飛行及雙機的編隊飛行,將模擬驗證所得到的結果來判斷所設計的控制器是否可行並且可以應用於實際硬體上面,最後改寫開源APM的飛控程式及地面站程式MissionPlanner進行驗證測試。
英文摘要 There are five parts presented in this thesis: derivation of quadrotor’s equation of motion and linearization, displacement controller design,study of formation flight and simulation in Matlab. In displacement controller design, used PD controller to control whole system. In study of formation flight, we will use potential function for Quadrotor formation Flight.and simulation the function in Matlab. Finally, the open source flight control program in APM flight control board is rewritten to implement the displacement controller.
論文目次 目錄 I
表目錄 III
圖目錄 IV
符號定義 VI
第一章 緒論 1
1-1 研究動機 1
1-2 文獻回顧 2
1-3 研究方法 3
第二章 四旋翼機系統及運動方程式 3
2-1 四旋翼機介紹與飛行原理 3
2-2 運動方程式 9
2-3 四旋翼機系統架構 15
2-4 四旋翼機硬體介紹 18
2-5 姿態控制器 21
2-6 位移控制器 26
2-7 四旋翼機SimuLink系統模擬 31
第三章 四旋翼機編隊飛行探討 40
3-1 編隊飛行架構 40
3-2 編隊飛行模擬 43
第四章 結論 44
參考文獻 46
附錄 A. 四旋翼機參數表 47
附錄 B. 四旋翼機動態方程式線性化 48
附錄 C. 四旋翼機組裝 51
C-1 架構 51
C-2 連接接收機、數據傳輸模組、全球定位系統及磁羅盤 53
C-3 連接ESC 與 馬達 57
C-4 最終組裝 60
附錄 D. 投稿論文 62

表目錄
表 2-2.1 體座標上各軸之力矩 12
表 2-2.2 體座標上各軸之淨力 14

圖目錄
圖 2-1.1 四旋翼機懸停示意圖 5
圖 2-1.2 推力命令示意圖 6
圖 2-1.3 滾轉命令示意圖 7
圖 2-1.4 俯仰命令示意圖 8
圖 2-1.5 偏航命令示意圖 9
圖 2-3.1 四旋翼機之系統架構圖 15
圖 2-3.2 四旋翼機之硬體架構圖 16
圖 2-4.1 四旋翼機照片 18
圖 2-4.2 APM 2.5航電板 19
圖 2-4.3 MissionPlanner 地面站 19
圖 2-4.4 Xbee Pro 900 20
圖 2-4.5 V2216無刷馬達 20
圖 2-5.1 四旋翼機之控制程序流程圖 23
圖 2-5.2 姿態控制之程序流程圖 23
圖 2-5.3 姿態控制器方塊圖 25
圖 2-7.1 四旋翼機全系統模擬 32
圖 2-7.2 四旋翼機動態次系統 33
圖 2-7.3 四旋翼機姿態次系統 33
圖 2-7.4 四旋翼機姿態控制器 34
圖 2-7.5 轉速平方計算器 35
圖 2-7.6 控制項U計算器 35
圖 2-7.7 姿態計算器 36
圖 2-7.8 X-Y位移控制器 37
圖 2-7.9 高度控制器 37
圖 2-7.10 位移次系統 38
圖 2-7.11 模擬任務軌跡 39
圖 2-7.12 模擬任務馬達各自轉速 39
圖 3-1.1 2-D Potential Filed 等高線圖 41
圖 3-1.2 2-D Potential Filed 等高線與向量圖 42
圖 3-1.3 3-D Potential Filed 42
圖 3-2.1 編隊飛行Simulink 架構 44
圖 3-2.2 兩機編隊飛行模擬軌跡 44
圖 C-1.1 航電系統訊號架構圖 51
圖 C-1.2 馬達編號與旋轉方向配置圖 52
圖 C-2.1 APM2.6與RD731接收機連接 53
圖 C-2.2 3DRadio 900MHz與APM2.6連接 54
圖 C-2.3 GPS/compass模組與APM2.6連接 55
圖 C-2.4 GPS/compass基座與方向標示 56
圖 C-2.5 GPS/compass遠離可能的干擾源 57
圖 C-3.1 電子變速器(ESC)與APM透過PWM做溝通。 58
圖 C-3.2 ESC以三相交流電驅動無刷馬達 59
圖 C-3.3 ESC與馬達實際組裝圖。 60
圖 C-4.1 二號機實際組裝 60
圖 C-4.2 原型機實際飛行照 61


參考文獻 [1] B. C. Kuo, Automatic Control Systems Ninth Edition, WILEY, 2010.
[2] W. F. Phillips, MECHANICS OF FLIGHT Second Edition, WILEY, 2010.
[3] 李壙宇, 四旋翼機之自動駕駛儀設計, 淡江大學航太系碩士班碩士論文, 民國103年1月.
[4] 李承霖, 四旋翼機之導引率設計, 淡江大學航太系碩士班碩士論文, 民國103年1月.
[5] L. A. G. Delgado 且 A. E. D. Lopez, Formation Control for Quad-Rotor Aircrafts Based on Potential Function.
[6] T. Paul 且 T. R. Krogstad, UAV Formation Flight using 3D Potential Field.
[7] 張智星, MATLAB 程式設計進階篇 第二版, 峯出版社.
[8] 趙海濱, MATLAB 程式設計與實務, 上奇出版社.
[9] 安守中, 進階GPS定位原理及應用, 全華圖書土份有限公司.
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