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System No. U0002-2603201518180300
Title (in Chinese) 四旋翼機之姿態穩定控制
Title (in English) Attitude stabilization of a quad-rotor vehicle
Other Title
Institution 淡江大學
Department (in Chinese) 機械與機電工程學系碩士班
Department (in English) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
Other Division
Other Division Name
Other Department/Institution
Academic Year 103
Semester 1
PublicationYear 104
Author's name (in Chinese) 劉承霖
Author's name(in English) Chen-Lin Liu
Student ID 601371205
Degree 碩士
Language Traditional Chinese
Other Language
Date of Oral Defense 2015-01-12
Pagination 58page
Committee Member advisor - 孫崇訓
co-chair - 楊棧雲
co-chair - 楊智旭
Keyword (inChinese) 四旋翼機
擴張型卡爾曼濾波器
模糊控制
Keyword (in English) quad-rotor
Extended Kalman Filter
Fuzzy control
Other Keywords
Subject
Abstract (in Chinese)
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。
Abstract (in English)
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.
Other Abstract
Table of Content (with Page Number)
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
References
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.
[3]	3D Robotics Inc, in the website: http://store.3drobotics.com.
[4] 阿肚筆記,四軸飛行器飛行運動說明,in the website:  http://ardutwfans.blogspot.tw/2012/06/blog-post.html.
[5]	Robert E. Mahony, Vijay Kumar, and Peter Corke, “Multi-rotor Aerial Vehicles: Modeling, Estimation, and Control of Quad-rotor,” IEEE Robotics & Automation Magazine, pp.20-32, 2012.
[6]	楊榮峯,四旋翼機之姿態控制,國立成功大學航空太空工程學系碩士論文,2010。
[7]	Matilde Santos, Victoria, “Lopez Intelligent Fuzzy Controller of a Quad-rotor,” 2010 International Conference on IEEE Intelligent Systems and Knowledge Engineering, pp.141-146, 2010.
[8]	宋朝宗,林介堯,李仰喬,四旋翼飛行姿態模糊控制系統之設計與實現,發表於第二十一屆模糊理論及其應用研討會,2013。	
[9]	戴翊展,自調式模糊理論應用於四旋翼機之姿態控制,國立宜蘭大學機械與機電工程學系碩士論文,2013。	
[10]	G. Welch, and G. Bishop, “An Introduction to the Kalman Filter,” in the website:  http://www.cs.unc.edu/~welch/kalman/kalmanIntro.html.
[11] 李泰叡,四旋翼無人飛行載具的視覺軌跡追蹤控制,台灣科技大學電機工程系,2014。
[12]	馮盈捷,使用尺度與方向不變特徵建立機器人視覺式SLAM之稀疏與性地圖,淡江大學機械與機電工程學系碩士論文,2011。
[13]	Hyon Lim, Jaemann Park, Daewon Lee, and H.J. Kim, “Build Your Own Quad-rotor: Open-Source Projects on Unmanned Aerial Vehicles,” IEEE Robotics & Automation Magazine, pp.33-45, 2012.
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