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研究生:汪小暄
研究生(外文):Siao-Syuan Wang
論文名稱:基於混合控制策略的自主無人直升機飛控系統設計
論文名稱(外文):Design of Flight Control System for an Autonomous Unmanned Helicopter Based on a Hybrid Control Scheme
指導教授:蘇仲鵬蘇仲鵬引用關係
指導教授(外文):Juhng-Perng Su
學位類別:碩士
校院名稱:國立雲林科技大學
系所名稱:電機工程系碩士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:112
中文關鍵詞:軟體切換自動飛行PSoC自主無人直升機混合飛行控制PID控制器
外文關鍵詞:PSoC (Programmable System-on-Chip)unmanned helicopterautonomous flightsoftware-switching.PID Controller、hybrid flight control
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本研究中,已經將PID控制器加入到自主無人直升機的混合飛行控制策略的設計中。混合控制不僅簡化了飛行控制器的結構,也有效地提高了系統的性能。具體來說,控制的響應更加迅速了。

從先前的研究中,我們利用了TI的TMS320F28335的控制板,讓自主無人直升機達到了停懸及點對點的飛行控制,並且進一步使用PSoC所設計的控制器。PSoC-Based控制器相較於TI的TMS320F28335的控制板,不僅尺寸較小,耗電量低而且整個硬體的體積較小。然而,它缺乏大量的陣風干擾的飛行測試。本論文的研究一直專注在利用混合控制策略來實現自主飛行的目標。在先前的研究中已經對控制演算法進行一些修改,以滿足飛行的需求。而本論文的主要貢獻如下所述。 (1)改寫模糊控制規則,以滿足標準格式且利於維護。 (2)修正了由慣性座標轉換到體座標時,目標位置和現在位置的位移變化。 (3)當載具的高度在2到5公尺時,利用GPS和超音波所得之加權平均值,來改善高度估測的精確度。 (4)切換模態的方式,除了原本的硬體方式外再新增軟體切換方式,這樣就可以由地面觀測站來實現遠端切換的功能。 (5)製作電源板獨立供電給無線傳輸模組,可以確保旋翼機與地面端之間的通訊穩定。 (6)解決GPS資料傳輸中斷的問題。有了上述的改善後,在各種飛行條件下,我們得以實現穩定的自動飛行功能。
In this thesis, PID control has been incorporated into the design of a hybrid flight control scheme for the unmanned helicopter. The hybrid control not only simplifies the architecture of the flight controller, but also improves effectively the performance of the system. Specifically, the response of the control seems to be more swiftly.
We have achieved stable hovering and point-to-point flight control using TI TMS320F28335 in the previous research and stepped forward to the controller design using PSoC. The PSoC-Based controller is comparately small in size, less in power consumption as well as small in volumn. However, it lacks of extensive flight test in face of wind gust disturbance. The research of this thesis has been devoted to fulfill the goal of autonomous flight by using the hybrid control scheme. Some modifications of the control algorithm from the previous research have been made to meet the requirements. The main contributions of this thesis are stated in the following. Firstly, the fuzzy control rules have been rewritten to meet a standard format for ease of maintenance. Secondary, the transformation of the displacement between the destination and the present location from the inertial coordinates to the body coordinates has been corrected. Thirdly, the accuracy of height estimation of the vehicle has been improved by weighted-averaging of the measurements from GPS and ultrasonic whenever the height of the vehicle is between 2 and 5 meters. Fourthly, a software-switching function has been added to the flight control board in addition to the standalone hard-switching circuit so that a remote switching from the ground station can be realized. Fifthly, a separate power supply module has been used exclusively for the RF wireless transmission module for ensuring the reliable communication between the rotorcraft and the ground station. Finally, ensure a non-interruption of the GPS data transmission. With these improvements, we have shown that the stable autonomous flight can be made possible in a variety of flight conditions.
摘要 i
ABSTRACT ii
誌謝 iv
目錄 v
表目錄 vii
圖目錄 viii
第一章 緒論 1
1.1研究動機與目的 1
1.2國內外文獻回顧 2
1.3先前研究回顧 3
1.4論文架構 4
第二章 自主無人直升機之飛控系統的發展 5
2.1前言 5
2.2 TMS320VC33控制器 5
2.3 TMS320F28335控制器 6
2.4 PSoC控制器 7
2.5 PSoC與DSP之比較 8
2.6飛行載具動態變化量之計算 11
2.6.1載具座標定義 11
2.6.2 αβ濾波器 12
2.6.3載具與目標點距離之計算 12
2.6.4載具與目標點航向角度之計算 13
2.6.5導航座標與載具座標之位移轉換 14
2.6.6導航座標與載具座標之速度轉換 15
2.6.7載具對地高度之計算 17
第三章 PSoC控制器介紹 19
3.1前言 19
3.1.1 PID控制器 19
3.2 PSoC簡介 26
3.2.1 PSoC Designer開發環境 28
3.2.2 PSoC 開發板與燒錄器 30
3.3 PSoC控制器介面設計 32
3.3.1 SCI元件 32
3.3.2 PWM元件與Capture元件 42
3.3.3 I/O Port元件 45
3.3.4 類比/數位轉換 49
3.4系統硬體架構介紹 51
3.4.1 DSP與PSoC之控制器電路 53
3.4.2 DSP與PSoC之手自動切換板電路 56
第四章 硬體與軟體之改善 58
4.1前言 58
4.2 軟體改善 67
4.2.1 模糊控制 67
4.2.2 位移估測 68
4.2.3 高度估測 71
4.2.4 軟體控制之模態切換 72
4.3硬體改善 73
4.3.1 RF傳輸之改善 73
4.3.2 GPS傳輸資料中斷之改善 74
第五章 靜態測試結果 78
5.1前言 78
5.2飛行實驗程序與靜態測試 78
第六章 結論與未來展望 96
6.1結論 96
6.2未來展望 97
參考文獻 98
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