本論文探討使用ARM 架構處理器來實現導引律。作為太陽能無人飛機的子
計畫之一，本研究必須考量兩項天然的限制：導引律必須能在機載端實現；可用的飛機功率有限。本研究計畫在機載端使用ARM 架構處理器來產生導引命令，以進一步提供給飛機作為姿態控制使用。所謂的“追逐胡蘿蔔演算法” 則是本研究所使用的導引律。為了滿足功率限制，我們採用“最佳水平轉彎” 演算法來實現“追逐胡蘿蔔演算法”。我們也對市售導航感測器與通訊元件進行相關測試，作為日後系統整合的準備。X-plane 也在本研究中用來進行硬體迴路測試(hardware-in-loop)。由模擬結果得知，本研究中，硬體與演算法的整合可以運作得很好；將來太陽能無人機建造好之後，也可以直接將之應用至飛行測試上。

This thesis investigates the implementation of guidance law using the ARM architecture processor. As a sub-project of developing a solar powered unmanned aerial vehicle (UAV), two constraints are imposed on this project: the guidance law must be implemented onboard, and the power is limited. In this research an ARM architecture processor is introduced to generate the guidance command for attitude control onboard. The so-called “Carrot chasing” is selected as the guidance law, and the optimal level turn is employed to realize carrot chasing in order to satisfy the power constraint. Commercial navigation sensors, and telemetry and communication kits are also tested for future system integration. The X-plane is employed for the hardware-in-loop simulations. The simulated results demonstrate that the integration of hardware and guidance algorithm is functional, and applicable to flight tests once the Solar-powered UAV is constructed.

目錄
中文摘要i
英文摘要ii
致谢iv
1 緒論1
1.1 研究動機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 文獻回顧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 研究方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 章節安排. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 導引與控制4
2.1 導引律. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 控制律. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3 實驗設備9
3.1 ARM 架構處理器(ARM architecture processor) . . . . . . . . . 9
3.2 飛控板的韌體. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.3 航電系統與地面站. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.4 通訊設備(Communications equipment) . . . . . . . . . . . . . . 14
3.5 導航(Navigation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.6 地面站. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.7 飛行模擬軟體X-Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4 基本數值模擬29
4.1 導引演算法Carrot Chasing Algorithm . . . . . . . . . . . . . . 29
4.2 最佳水平轉彎. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.3 導引演算法與最佳水平轉彎結合. . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.4 風對飛行軌跡之影響. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5 實際應用46
5.1 硬體迴路模擬(Hardware In the Loop) . . . . . . . . . . . . . . 51
6 結論55
6.1 結論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.2 未來展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
參考文獻56
圖目錄
2.1 Carrot Chasing 示意圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3.1 3DR 公司的飛控板Pixhawk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.2 藉由Qgroundcontrol 載入韌體. . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.3 藉由Linux Terminal 載入韌體. . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.4 Arduino XBee 模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.5 XBee USB 轉接板. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.6 整個XBee 傳輸設備. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.7 3DR 傳輸設備. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.8 Ublox NEO-6M GPS Moduel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.9 藉由Google map 來看收到的位置是否正確. . . . . . . . . . . 21
3.10 UBLOX NEO-M8N GPS 模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.11 Qgroundcontrol 介面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.12 Mission Planner 介面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.13 X-Plane 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.14 X-Plane Data Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.15 以Matlab 開發與X-Plane 溝通之軟體. . . . . . . . . . . . . . 28
4.1 當  為20 度時. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.2 當  為1 度時. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.3 當  為50 度時. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.4 速度對時間的變化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.5 滾轉角對時間的變化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.6 偏航角對時間的變化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.7 功率消耗對時間的變化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.8 水平轉彎的軌跡. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.9 功率設置對時間的變化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.10 滾轉角對時間的變化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.11 速度對時間的變化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.12 偏航角對時間的變化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.13 飛行軌跡. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.14 飛行軌跡. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.15 功率消耗對時間的變化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.16 滾轉角控制命令對時間的變化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.17 速度對時間的變化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.18 偏航角對時間的變化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.19 飛行軌跡. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.20 固定風速、風向角 w = 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.21 固定風速、風向角 w = 90 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.22 固定風速、風向角 w = 180 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.23 固定風速、風向角 w = 270 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.24 隨機風速、隨機風向角. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.1 高度在3000 公尺高時的速度與偏航角之關係圖. . . . . . . . . 46
5.2 高度在2700 公尺高時的速度與偏航角之關係圖. . . . . . . . . 47
5.3 常數a 與高度之關係圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.4 常數b 與高度之關係圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.5 常數c 與高度之關係圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.6 高度在3000 公尺時之軌跡模擬結果. . . . . . . . . . . . . . . 50
5.7 高度在2700 公尺時之軌跡模擬結果. . . . . . . . . . . . . . . 50
5.8 導引控制硬體迴路測試(一) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.9 導引控制硬體迴路測試(二) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.10 導引控制硬體迴路測試(三) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.11 導引控制硬體迴路測試(四) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.12 導引控制硬體迴路測試(五) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.13 導引控制硬體迴路測試(六) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
表目錄
3.1 XBee-PRO 900HP 無線模組規格. . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 3DR 無線模組規格. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

參考文獻
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