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研究生:朱俊彥
研究生(外文):Chu, Chun-Yen
論文名稱:以圖形語言LabVIEW發展適用於無人飛行載具自動駕駛系統之具有伺服機與感測器模組之硬體迴路模擬實驗平台
論文名稱(外文):The Development of a Hardware-in-the-Loop Simulation Platform with Servo and Sensor Modules using Graphical Language LabVIEW
指導教授:孫允平
口試委員:李政男胡禮和黃立政
學位類別:碩士
校院名稱:正修科技大學
系所名稱:機電工程研究所
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:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:241
中文關鍵詞:PID控制無人飛行載具硬體迴路模擬即時控制自動駕駛系統
外文關鍵詞:PID controlautopilot systemreal-time controlhardware-in-the-loop simulationunmanned aerial vehicle
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具備自動駕駛(autopilot)系統的無人飛行載具(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)足以勝任視距外(out-of-sight)的飛行任務,在科學、民生與軍事上都帶來釵h創新的應用,因此,無人飛行載具研究的關鍵在於如何實際而且安全地進行自動駕駛系統的設計與測試。硬體迴路模擬(Hardware-in-the-Loop simulation, HILS)已經在釵h的實例中被證明是一種有效評估原型系統(prototype system)性能的方法。本論文成市堨艉@個適用於無人飛行載具自動駕駛的即時(real-time)硬體迴路模擬平台,以圖形化語言LabVIEW作為自動駕駛系統的設計、控制與測試的軟體開發平台,而硬體迴路模擬平台的硬體部分,包括:一個Pentium 4等級的個人電腦及數張資料I/O卡片、一套嵌入式(embedded)即時控制系統、伺服機單元及感測器單元。論文中詳細說明伺服機與感測器單元的設計與組裝,由伺服機與感測器單元的正弦輸入實驗所建立的波德圖(Bode plot)中,可以得到伺服機與感測器單元的轉移函數。根據硬體迴路模擬實驗的結果指出,感測器單元確實對於無人飛行載具的自動駕駛系統的閉迴路(closed-loop)響應具有重要的影響。另外,當缺乏伺服機或感測器單元的明確數學模型時,應用(Ziegler-Nichols)規則,配合硬體迴路的實驗,可以有效決定適當的PID控制(proportional-integral-derivative control)增益。此一包含伺服機及感測器單元之即時硬體迴路模擬平台,對於無人飛行載具的設計與測試具有重大的價值。
An unmanned aerial vehicle (UAV) with a reliable on-board autopilot system is competent to execute out-of-sight flight missions that brings forth many innovative applications in scientific, civilian, and military fields. To design and test the autopilot system practically and safely is the key of UAVs research. Hardware-in-the-Loop Simulation (HILS) has been proved in many cases tobe an effective solution to assess prototype system’s performance. In this thesis a real-time HILS platform for prototype autopilot system of UAV is set up. The graphical language LabVIEW is used to be the software development platform for design, control, and test of the autopilot system. The details of design and assembly of servo and sensor modules are described. The transfer functions of servo and sensor modules are also derived from the Bode plots through steady state responses to sinsoidal inputs test. The HILS experimental results indicate that the presence of sensor module has a crucial influence on closed-loop response of UAV autopilot system. On condition that the mathematical models of servo or sensor are unknown, applying Ziegler-Nichols tuning in HILS experiments is an effective method to determine an appropriate PID (proportional-integral-derivative) control gain. The real-time HILS platform including servo and sensor modules is of great value in design and test of UAV autopilot.
摘要 i
Abstract iii
致謝 v
目錄 vi
表目錄 ix
圖目錄 x
第一章 緒論 1
1-1前言 1
1-2研究動機 2
1-3研究背景 3
1-3-1 HILS技術應用於動態系統控制設計 3
1-3-2 HILS技術應用於UAV飛控系統設計 3
1-3-3 HILS技術應用於本實驗室之UAV飛控系統設計 4
1-4研究方法 5
1-5各章概述 6
第二章 硬體迴路模擬實驗平台 7
2-1 PXI-8184RT 即時控制單元 8
2-2受控體 9
2-3 伺服機平台 10
2-4 單軸及三軸感測器平台 11
第三章 伺服機單元 14
3-1 伺服機單元的改良 15
3-2 電位計輸出電壓與伺服機之旋轉角度轉換 16
3-3 伺服機旋轉角度與PWM控制訊號轉換 17
3-4 伺服機單元步階訊號及正弦訊號測試 19
3-5 伺服機單元波德圖分析 22
第四章 單軸及三軸感測器平台 25
4-1 感測器單元之數位伺服機與姿態頭向參考儀之介紹 26
4-2 單軸式感測器單元之設計裝造 28
4-3 單軸感測器單元之步階實驗及正弦實驗 29
4-3-1 Pitch迴路測試結果 30
4-3-2Roll迴路測試結果 31
4-3-3 Yaw迴路測試結果 32
4-4 單軸感測器單元波德圖分析 33
4-5 三軸旋轉感測器單元之設計製造 34
4-6 三軸感測器單元步階訊號及正弦訊號測試 37
4-6-1 Pitch迴路測試結果 38
4-6-2 Roll迴路測試結果 39
4-6-3 Yaw迴路測試結果 40
第五章 單軸感測器單元即時控制實驗 41
5-1 Ziegler-Nichols規則 41
5-2 單軸感測器單元HILS實驗程式 42
5-3 PXI-8184RT即時控制器程式介紹 43
5-4 受控體PC程式介紹 45
5-5 控制律設計程式介紹 46
5-6 單軸感測器單元應用於單迴路MP2000 UAV HILS實驗 47
第六章 三軸感測器單元之HILS即時控制實驗 51
6-1 三軸感測器單元HILS之多迴路實驗程式 52
6-2 三軸感測器單元應用於YF22 UAV的HILS實驗 53
第七章 結論 56
參考文獻 59
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