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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:王婷
研究生(外文):Ting Wang
論文名稱:無人飛行載具多智能體軟體迴路模擬之開發
論文名稱(外文):Development of a Unmanned Aerial Vehicle Multi-agent Software-in-the-loop Simulation
指導教授:賴盈誌
口試委員:丁繹仁林建宏陳啟川賴盈誌
口試日期:2016-07-22
學位類別:碩士
校院名稱:逢甲大學
系所名稱:航太與系統工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2016
畢業學年度:104
語文別:中文
論文頁數:76
中文關鍵詞:編隊飛行多智能體防撞控制C++ BuilderX-Plane四旋翼
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  無人飛行載具(UAV)市場已漸漸擴大,應用範圍也越加廣泛,多智能體編隊的概念可視為UAV的下個里程碑,其包含了編隊飛行和防撞控制的基本概念。本研究選定的UAV為具有高機動性與垂直起降能力的X型四旋翼,主要研究為包含四旋翼飛行控制器設計、自主導航設計、編隊設計和防撞設計之軟體迴路模擬的開發,其控制器皆使用容易修改之PID控制器設計。

  利用使用者介面(UI)的BCB製作地面站,連接擁有模擬四旋翼飛行動態軟體X-Plane,為設計多智能體編隊飛行系統,以虛擬長機的編隊架構,連接另台電腦使有兩台四旋翼進行模擬,以完成無人飛行載具多智能體軟體迴路模擬之開發,實驗結果表明兩台僚機除追隨虛擬長機做編隊飛行外,也因增加防撞控制而能保持一定距離。未來UAV將可做較複雜的任務,像是廣域的搜救或偵察。
  Since the market of unmanned aerial vehicle (UAV) has been gradually expanding, more and more applications have been developed. The concept of multi-agent system, a swarm of UAVs is the next stage of UAV technologies, and the supporting technologies are also need to be considered such as anti-collision design of multiple UAVs. In this study, the X-type quad-rotors were selected due to its high mobility and the capability of vertical take-off and landing (VTOL). Regarding the implementation using software-in-the-loop simulation, we explored the major issues in UAV multi-agent flight formation such as flight control system design, autonomous navigation design, formation control design and anti-collision design. All of them were designed by using PID controller because it can be easily implemented and modified.
  We used a user interface (UI) program BCB to design the ground control stations, and then it was connected with X-Plane to simulate the dynamics motion of real quad-rotors. To achieve the software-in-the-loop simulation of UAV multi-agent flight formation, we decide to use the virtual leader architecture of formation flight and connect other computers so that two simulated quad-rotors can perform the simulation at the same time. The simulation results show that these two flying vehicles can function formation flying and keep a desired distance with each other.
第一章 緒論 1
1-1. 前言 1
1-2. 文獻回顧 2
1-3. 研究動機 4
1-4. 論文架構 6
第二章 編隊控制 9
2-1. 編隊架構 9
2-2. 編隊模擬 13
2-3. 模擬結果與討論 17
第三章 軟體迴路控制 20
3-1. 姿態控制 20
3-2. 位置控制與速度控制 25
3-3. 導航控制與導引控制 36
第四章 防撞控制 40
4-1. 防撞要點 40
第五章 模擬環境建置 46
5-1. BCB與XPLANE 46
5-2. 連接另台電腦 49
第六章 模擬與驗證 53
6-1. 單台僚機 53
6-2. 多台僚機 58
第七章 結論與未來展望 71
7-1. 實驗結果與討論 71
7-2. 未來展望 73
參考文獻 75
[1]梁辰暐(2015)。四旋翼編隊飛行。未出版之碩士論文,淡江大學航空太空工程學系碩士班,新北市。
[2]沈聲硯(2014)。多旋翼無人飛機編隊飛行開發。未出版之碩士論文,虎尾科技大學自動化工程研究所,雲林縣。

[3]丁繹仁(2012)。小型無人飛機自主編隊飛行功能之開發與飛行測試。已出版之博士論文,國立成功大學-航空太空工程學系碩博士班,台南市。
[4] Alon Davidi ,Nadav Berman, Shai Arogeti(2011). “Formation flight using multiple Integral Backstepping controllers,” 2011 IEEE 5th International Conference on Cybernetics and Intelligent Systems, 317-322.
[5] D. Galzi, Y. Shtessel (2006). “UAV Formations Control Using High Order Sliding Modes”, American Control Conference, 4249-4254.
[6] T. Balch, R. C. Arkin (1999). “Behavior-based formation control for multi-robot teams”, IEEE Transactions on Robotics and Automation, 14(6), 926-939.
[7] Hyon Lim, Jaemann Park, Daewon Lee, H. J. Kim (2012) . “Build Your Own Quadrotor: Open-Source Projects on Unmanned Aerial Vehicles,” IEEE Robotics & Automation Magazine , 19(3), 33-45.
[8] A. Kushleyev, D. Mellinger, C. Powers, V. Kumar, “Towards a swarm of agile micro quadrotors,”Autonomous Robots , Volume 35, Issue 4 , pp 287-300, 2013
[9] Nathan Michael, GRASP Laboratory, University of Pennsylvania, Philadelphia, Daniel Mellinger, Quentin Lindsey, Vijay Kumar (2010), “The GRASP Multiple Micro UAV Testbed,” IEEE Robotics & Automation Magazine 17(3),56-65.

[10] Drone 100 – The World Record For Intel 2015. Retrieved May 25, 2016, from http://www.aec.at/spaxels/portfolio-item/drone-100/ .
[11] VICON, Motion Capture. Retrieved May 25, 2016, from http://www.vicon.com/what-is-motion-capture.
[12] Farid Kendoul, Zhenyu Yu, Kenzo Nonami (2010). “Guidance and nonlinear control system for autonomous flight of minirotorcraft unmanned aerial vehicles,” Journal of Field Robotics, 27(3), 311-334.
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