System No. U0002-2603201518180300 四旋翼機之姿態穩定控制 Attitude stabilization of a quad-rotor vehicle 淡江大學 機械與機電工程學系碩士班 Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering 103 1 104 劉承霖 Chen-Lin Liu 601371205 碩士 Traditional Chinese 2015-01-12 58page advisor - 孫崇訓 co-chair - 楊棧雲 co-chair - 楊智旭 四旋翼機 擴張型卡爾曼濾波器 模糊控制 quad-rotor Extended Kalman Filter Fuzzy control `本論文主要研究目的是設計四旋翼機的三軸姿態平衡控制器，三軸姿態分別是翻滾(roll)軸、俯仰(pitch)軸的姿態平衡，與偏航(yaw)軸的方向控制。系統先藉由陀螺儀(gyroscope)量測在四旋翼機三軸上的角速度，並以加速計(accelerometer)量測翻滾角、俯仰角；磁力計(magnetometer)量測偏航角。接著使用擴張型卡爾曼濾波器(Extended Kalian Filter, EKF)，對各軸角度、角速度估測與濾除馬達轉動造成的震動雜訊。最後針對三軸設計三個單軸的模糊控制器。控制器的輸入為EKF所估測的各軸角度與角速度，輸出為脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation, PWM)訊號。本論文藉由調整EKF的共變異數，提升估測值的準確性，並濾除馬達的震動雜訊。最後，在室內環境下，以三種實驗分別驗證三軸姿態控制的穩定效果。` `The purpose of this paper is to design a tri-axial attitude balancing control system for the quad-rotor, including roll, pitch and yaw axes. The tri-axial angular velocities were measured by the tri-axial gyroscopes. The roll and pitch angles were measured by the accelerometers. The yaw angle was measured by the magnetometer. The extended Kalman filter (EKF) was used to estimate tri-axial angles and angular velocities, and to filter the vibration noise caused by the actuating motor. Then, three fuzzy controllers were designed to stabilize the tri-axial attitudes respectively. The inputs of the controllers are the filtered tri-axial angles and angular velocities. The outputs of controllers are the pulse width modulation (PWM) signals. This study improves the accuracy of estimation and filtered the vibration noise by adjusting the covariance of extended Kalman filter. Finally, three experiments of the tri-axial attitude control was performed on the quad-rotor vehicle in the indoor environment. The experiment verifies the stabilization effectiveness of the proposed control design respectively.` ```中文摘要 I Abstract I 目錄 III 圖目錄 VI 表目錄 IX 第一章緒論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 文獻探討 2 1.3 研究範圍 4 第二章系統及硬體架構 5 2.1系統流程 5 2.2四旋翼機介紹 5 2.3控制板介紹 6 2.4感測器介紹 7 2.5無刷馬達介紹 8 2.6電子變速器介紹 9 2.7螺旋槳介紹 9 2.8無線傳輸模組介紹 10 2.9一維控制實驗平台 11 2.10二維控制實驗平台 11 第三章理論基礎 13 3.1四旋翼機飛行原理 13 3.2感測器單位轉換 15 3.3卡爾曼濾波器架構 16 中文摘要 I Abstract I 目錄 III 圖目錄 VI 表目錄 IX 第一章緒論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 文獻探討 2 1.3 研究範圍 4 第二章系統及硬體架構 5 2.1系統流程 5 2.2四旋翼機介紹 5 2.3控制板介紹 6 2.4感測器介紹 7 2.5無刷馬達介紹 8 2.6電子變速器介紹 9 2.7螺旋槳介紹 9 2.8無線傳輸模組介紹 10 2.9一維控制實驗平台 11 2.10二維控制實驗平台 11 第三章理論基礎 13 3.1四旋翼機飛行原理 13 3.2感測器單位轉換 15 3.3卡爾曼濾波器架構 16 3.3.1運動模型 17 3.3.2量測狀態 19 3.3.3偏航軸邊界設定 20 3.4模糊理論介紹 21 3.5翻滾、俯仰軸一維控制器設計 22 3.5.1模糊化 23 3.5.2模糊規則庫 24 3.5.3解模糊化 25 3.6翻滾、俯仰軸二維控制器設計 26 3.6.1模糊化 26 3.6.2模糊規則庫 27 3.6.3解模糊化 28 3.7偏航軸控制器設計 28 3.7.1 模糊化 29 3.7.2模糊規則庫 30 3.7.3解模糊化 30 第四章實測範例 31 4.1擴張型卡爾曼濾波器效果 31 4.1.1翻滾軸濾波效果模擬 31 4.1.2俯仰軸濾波效果模擬 36 4.1.3偏航軸濾波效果模擬 39 4.1.4 三軸實驗效果 42 4.2控制效果 44 4.2.1一維平衡控制 44 4.2.2二維平衡控制 47 4.2.3三維平衡控制 52 中文摘要 I Abstract I 目錄 III 圖目錄 VI 表目錄 IX 第一章緒論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 文獻探討 2 1.3 研究範圍 4 第二章系統及硬體架構 5 2.1系統流程 5 2.2四旋翼機介紹 5 2.3控制板介紹 6 2.4感測器介紹 7 2.5無刷馬達介紹 8 2.6電子變速器介紹 9 2.7螺旋槳介紹 9 2.8無線傳輸模組介紹 10 2.9一維控制實驗平台 11 2.10二維控制實驗平台 11 第三章理論基礎 13 3.1四旋翼機飛行原理 13 3.2感測器單位轉換 15 3.3卡爾曼濾波器架構 16 3.3.1運動模型 17 3.3.2量測狀態 19 3.3.3偏航軸邊界設定 20 3.4模糊理論介紹 21 3.5翻滾、俯仰軸一維控制器設計 22 3.5.1模糊化 23 3.5.2模糊規則庫 24 3.5.3解模糊化 25 3.6翻滾、俯仰軸二維控制器設計 26 3.6.1模糊化 26 3.6.2模糊規則庫 27 3.6.3解模糊化 28 3.7偏航軸控制器設計 28 3.7.1 模糊化 29 3.7.2模糊規則庫 30 3.7.3解模糊化 30 第四章實測範例 31 4.1擴張型卡爾曼濾波器效果 31 4.1.1翻滾軸濾波效果模擬 31 4.1.2俯仰軸濾波效果模擬 36 4.1.3偏航軸濾波效果模擬 39 4.1.4 三軸實驗效果 42 4.2控制效果 44 4.2.1一維平衡控制 44 4.2.2二維平衡控制 47 4.2.3三維平衡控制 52 第五章結論與未來展望 55 5.1 結論 55 5.2 未來展望 55 參考文獻 57 圖目錄 圖2. 1系統流程 5 圖2. 2四旋翼機外觀 6 圖2. 3控制板 6 圖2. 4感測器 7 圖2. 5無刷馬達 8 圖2. 6電子變速器 9 圖2. 7正反槳示意圖 10 圖2. 8無線傳輸模組示意圖 10 圖2. 9一維控制實驗平台 11 圖2. 10二維控制實驗平台 11 圖2. 11萬向軸承 12 圖2. 12翻滾、俯仰動作示意圖 12 圖3. 1飛行結構圖 13 圖3. 2翻滾、俯仰軸運動示意圖 14 圖3. 3偏航、升降運動示意圖 14 圖3. 4三軸方向向量圖 16 圖3. 5 EKF流程圖 17 圖3. 6模糊控制器 22 圖3. 7感測器方向向量圖 22 圖3. 8翻滾、俯仰軸角度歸屬函數圖 23 圖3. 9翻滾、俯仰軸角速度歸屬函數圖 23 圖3. 10翻滾軸PWM輸出歸屬函數圖 24 圖3. 11俯仰軸PWM輸出歸屬函數圖 24 圖3. 12翻滾、俯仰軸角度歸屬函數圖 26 圖3. 13翻滾、俯仰軸角速度歸屬函數圖 26 圖3. 14翻滾、俯仰軸輸出歸屬函數圖 27 圖3. 15偏航軸方向向量 29 圖3. 16偏航軸輸入歸屬函數圖 29 圖3. 17偏航軸輸出歸屬函數圖 30 圖4. 1動態測試實驗圖 32 圖4. 2翻滾軸角度標準差模擬 34 圖4. 3翻滾軸角速度標準差模擬 35 圖4. 4俯仰軸角度標準差模擬 37 圖4. 5俯仰軸角速度標準差模擬 38 圖4. 6偏航軸角度標準差模擬 40 圖4. 7偏航軸角速度標準差模擬 41 圖4. 8翻滾軸角度實驗訊號圖 42 圖4. 9翻滾軸角速度實驗訊號圖 42 圖4. 10俯仰軸角度實驗訊號圖 43 圖4. 11俯仰軸角速度實驗訊號圖 43 圖4. 12偏航軸角度實驗訊號圖 44 圖4. 13偏航軸角速度實驗訊號圖 44 圖4. 14翻滾軸一維控制動作分解圖 45 圖4. 15翻滾軸一維控制訊號圖 46 圖4. 16俯仰軸一維控制動作分解圖 47 圖4. 17俯仰軸一維控制訊號圖 47 圖4. 18調整前二維控制動作分解圖 49 圖4. 19調整前二維控制翻滾軸訊號圖 49 圖4. 20調整前二維控制俯仰軸訊號圖 49 圖4. 21調整後二維控制動作分解圖 51 圖4. 22調整後二維翻滾軸控制訊號圖 51 圖4. 23調整後二維俯仰軸控制訊號圖 51 圖4. 24偏航軸未做控制動作分解圖 52 圖4. 25偏航軸未加入控制訊號圖 53 圖4. 26加入偏航軸平衡控制動作分解圖 54 圖4. 27偏航軸控制訊號圖 54 表目錄 表2. 1控制板規格 6 表2. 2感測器規格 8 表2. 3無刷馬達規格 9 表2. 4電子變速器規格 9 表3. 1偏航軸邊界設定 20 表3. 2翻滾軸模糊規則庫表 25 表3. 3俯仰軸模糊規則庫表 25 表3. 4翻滾軸控制規則庫 27 表3. 5俯仰軸控制規則庫 28 表3. 6偏航軸控制規則庫 30``` ```參考文獻 [1] 聶博文，馬宏緒，王劍，王建文，微小型四旋翼飛行器的研究現狀與關鍵技術，電光與控制，第14卷第6期，pp.113-117，2007年12月。 [2] Arducopter Wiki, “Install the PX4FMU and PX4IO boards on Your Copter,” in the website: https://code.google.com/p/arducopter/wiki/PX4FMU_IORC. 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