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系統識別號 U0002-2906200618255800
中文論文名稱 研製以IEEE 802.11 WLAN為通訊基礎之內嵌式遙控直昇機
英文論文名稱 Design and Implementation of IEEE 802.11 WLAN Based Embedded Helicopter
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 94
學期 2
出版年 95
研究生中文姓名 詹東恩
研究生英文姓名 Tong-En Chan 詹東恩
學號 693390071
學位類別 碩士
語文別 英文
口試日期 2006-06-16
論文頁數 49頁
口試委員 指導教授-許獻聰
委員-陳仁暉
委員-詹益光
委員-吳銘修
中文關鍵字 無線區域網路  遙控直昇機  嵌入式系統 
英文關鍵字 WLAN  MPEG4  PWM 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 近年來WLAN的技術成熟,傳輸頻寬可達到54Mbps(IEEE 802.11g),超高速的優異效能足夠讓我們處理即時影像、多媒體和其他所有需寬頻傳輸的應用,無線網路相關的周邊產品不斷的推出,例如AP Router、無線投影機等,許多產品本身的功能大部分還是僅止於資料(Data)的傳輸,而且只適用在室內(Building Using),本論文所提出的以IEEE 802.11 WLAN為通訊基礎之內嵌式遙控直昇機,有別於前述的幾樣產品,此直昇機帶來的是豐富的娛樂性以及實用性,上面搭載有網路攝影機及重力感測器,可把直昇機所處環境的即時影音與遙控直昇機本身的資訊傳回遙控端筆記型電腦。
在網路攝影機方面,由於現在影像編碼技術百家爭鳴,其中MPEG4編碼方式在近年來竄紅,MPEG4編碼方式是以物件為基礎,把擷取到的畫面透由軟體或硬體的編碼器(Encoder),編碼成三種不同的頁框(分別為I Frame、B Frame以及P Frame),而播放影像端只需要擁有相同的編碼資訊,就可以透由軟體或硬體的解碼器把這些不同的頁框還原為原來的畫面,透由播放器(Player)觀看到即時的畫面。MPEG4編碼方式提昇了影像的資料壓縮率,資料量無疑是縮減了許多,雖然無線網路頻寬足夠傳輸MPEG4影像的資料,但傳輸的距離只達到數百公尺,若是遙控直昇機超越了此距離時,我們要使用什麼樣的機制,以便繼續正確無誤的送收影像資料,甚至對已經脫離無線網路距離的直昇機作控制,讓直昇機可以安全的降落。
一般市面上遙控直升機上所使用的是RF傳送器與接收器,當接收器接收到傳送器的訊號,會把訊號轉傳至所對應的馬達上面,我們的直昇機上除了是使用大頻寬的無線網路之外,在控制訊號方面是透由一塊可以產生PWM訊號的單晶片小板,模擬原本RF接收器的訊號,而在遠端搭配以USB介面的手把及遠端筆記電腦上的使用者介面來達到控制目的。
而在直升機上面最主要的處理核心:嵌入式平台及系統,近年來是電子產品的新寵兒,所謂的嵌入式系統,是為了某些特定目的而設計出來的系統,如前述的一些無線網路周邊商品,皆是以嵌入式系統設計出來的。本論文所研製的以IEEE 802.11 WLAN為通訊基礎之內嵌式遙控直升機,就是希望WLAN帶給大眾一個全新的觀念:「無線網路原來也可以這樣“玩”」。台灣科技電子業的蓬勃發展如雨後春筍,細心觀察多數廠商皆淪為代工廠,雖然接下的產品訂單數量驚人,但原創性的產品仍寥寥可數,如何創造出與生活息息相關的關鍵產品,相信會是另一波電子業發展之契機。
英文摘要 With the growing of WLAN in recent year, the bandwidth is up to 54Mbps (IEEE 802.11g). The high performance of WLAN can afford the application of processing video streaming that needs high bandwidth. The usage of WLAN peripheral is limited to transmit data. In our paper, we implement an IEEE 802.11 WLAN based embedded helicopter to emphasis the practicality and the entertainment instead of transmitting. The helicopter is equipped with web camera and g-sensor to get the real-time image and the information of itself.
Mpeg4 is a popular video coding in recent year because it is object-oriented. The captured frame can be encoded to there different frame, included I frame, B frame and P frame. When we get the same coding information, we can decode them by any render to watch the real-time video. Mpeg4 increases the compress rate so that decreases the data rate. Different from general RF transmitter and receiver, we use a small board that generate PWM signal to control the servo in the helicopter. Remote users can control the helicopter with a joystick through USB in any laptop.
Embedded system is designed for special purposes and is the kernel technique in our paper. The IEEE 802.11 WLAN based embedded helicopter brings us a whole new idea: We can also “play” like that in a WLAN. The electronics in Taiwan boomed in decade but most of them are so called OEM or ODE. Although the order amount is large, the original product is few. In this paper, we implement a helicopter as to show a new view in electronics.
論文目次 目錄索引
中文摘要..............................................I
英文摘要..............................................II
目錄索引..............................................III
圖表目錄..............................................VI



第一章 緒論
1.1 前言..............................................1
1.2 研究動機..........................................1
1.3 論文架構..........................................2

第二章 嵌入式系統簡介
2.1 引言..............................................3
2.2 嵌入式系統設計流程................................5
2.3 嵌入式作業系統簡介................................8

第三章 系統硬體架構
3.1系統規劃..........................................10
3.2主系統平台........................................12
3.3 IEEE 802.11g WLAN模組............................15
3.4影像擷取與壓縮模組................................17
3.5電池模組與馬達伺服模組............................19

第四章 系統軟體架構
4.1系統軟體規劃......................................20
4.2嵌入式作業系統架構................................21
4.2.1行程管理......................................22
4.2.2記憶體管理....................................23
4.2.3檔案系統......................................23
4.2.4裝置控制......................................23
4.2.5網路互連......................................24
4.3嵌入式系統驅動程式模組............................24
4.4軟體需求........................................28

第五章 系統整合與實作
5.1第一代嵌入式遙控直昇機............................29
5.2第二代嵌入式遙控直昇機............................34
5.2.1更新作業系統核心.............................34
5.2.2 Pololu PWM 訊號產生器.......................35
5.2.3更新WIS CCD與架設RTSP伺服器..............36
5.2.4遠端播放與使用者操控介面.....................37
5.2.5更新電力系統.................................38
5.3系統整合.........................................39

第六章 功能驗證與分析
6.1影像擷取與傳輸分析................................42
6.2電源消耗分析......................................43

第七章 結論與未來方向
7.1結論..............................................46
7.2未來方向..........................................46

參考資料.................................................49



圖目錄

圖2.1、嵌入式系統之技術與用戶需求........................5
圖2.2 嵌入式系統設計環境.................................6
圖2.3 嵌入式軟體發展程序.................................7
圖2.4 嵌入式作業系統之核心架構圖.........................8
圖3.1 系統概念圖........................................10
圖3.2 系統方塊圖........................................12
圖3.3 主系統平台詳細方塊圖..............................15
圖3.4 主系統平台詳細方塊圖..............................16
圖3.5 WIS GO7007SB壓縮晶片架構圖.......................18
圖3.6 WIS CCD實物圖....................................18
圖4.1軟體架構圖.........................................20
圖4.2 Linux軟體架構圖...................................22
圖4.3核心的各項角色劃分................................25
圖4.4模組的註冊與註銷..................................26
圖5.1第一代直昇機系統方塊圖............................30
圖5.2第一代編碼傳送流程圖..............................31
圖5.3解碼程式流程圖....................................32
圖5.4第一代嵌入式遙控直昇機............................33
圖5.5遠端遙控介面與搖桿................................33
圖5.6 PWM訊號產生示意圖...............................36
圖5.7使用者圖控介面....................................37
圖5.8電源規劃與分配圖..................................39
圖5.9嵌入式遙控直昇機實體圖............................40
圖5.10硬體系統連接圖...................................41
圖6.1影像接收速率比較圖................................43
圖6.1電源消耗紀錄圖....................................44
圖7.1概念示意圖........................................47
參考文獻 參考資料
[1] D. H. Shim, H. J. Kim, S. Sastry, "A Flight Control System for Aerial Robots: Algorithms and Experiments," IFAC Control Engineering Practice, 2003

[2] D. H. Shim, H. J. Kim, S. Sastry, "Hierarchical Control System Synthesis for Rotorcraft-based Unmanned Aerial Vehicles", AIAA Guidance, Navigation and Control Conference, Denver, August 2000

[3]Robert Love, Linux Kernel Development, Sams Publishing 2004

[4]Klaus Wehrle, Frank Pahlk, Hartmut Ritter, Daniel Muller, Marc Bechler, The Linux Networking Architecture, Prentice Hall

[5] A. Rubini and J. Corbet, Linux device drivers, Sebastopol: O'Reilly & Associates, 2001

[6] N. Matthew and R. Stones, Beginning Linux programming, Indianapolis, Ind.: Wiley, 2004

[7] Atheros Communications Inc. http://www.atheros.com
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