臺灣博碩士論文加值系統

本研究旨開發一套價格便宜，精準自主平衡的四旋翼飛行器，此四旋翼飛行器內含微控制器、陀螺儀、加速度感測器、大氣壓力計、電子調速器與無刷馬達。而本研究以陀螺儀與加速度感測器量測出四旋翼飛行器數據，再由卡爾曼濾波器去除四旋翼飛行器姿態數據的雜訊，然後將平滑的各軸姿態數據融合後，再經由微控制器傳輸脈波寬度調變訊號 (Pulse Width Modulation, PWM) 至電子調速器控制四旋翼飛行器四個軸的無刷馬達轉速快慢。目前市面上販售之四旋翼飛行器去除雜訊濾波器為互補式濾波器，其缺點為在大角度的姿態變化上會產生失真的情況。因此，本研究之四旋翼飛行器濾波器為了改善互補式濾波器缺點，以獲得更精確、更平穩的飛行姿態，使四旋翼飛行器達到自主平衡，所以採用卡爾曼濾波器取代互補式濾波器來達到此目標。並且經由藍芽遠端連線，能即時獲知飛行情況，同時達到遠端無人自主穩定飛行四旋翼空拍機，使災區或探勘人員難以企及之地能夠迅速獲得穩定且清晰的影像，以方便安排救援行動。
關鍵詞：四旋翼機、陀螺儀、加速度感測器、卡爾曼濾波器。

The purpose of this thesis is to design a cheap, precisely balance autonomous quad-copter including microcontroller, gyroscope, acceleration sensor, air pressure gauge, electronic speed controller and brushless motor, where gyroscope and acceleration sensors to measure quad-copter's attitude data, the Kalman filter is to remove quad-copter attitude's noise, then integrate each axis smooth attitude data, and via microcontroller transmission pulse width modulation signal (PWM) to the electronic speed controller to control quad-copter motor's speed. Currently, the quad-copter's noise removal filter is a complementary filter; its drawback is the case in the large angle attitude changes will produce distortion. Therefore, the design of the quad-copter filter in this thesis is to improve the shortcomings of complementary filter to get a more accurate, and stable flight attitude, so that the quad-copter can attain autonomous balance. This study uses the Kalman filter to replace complementary filters to achieve mentioned goal. We also can instantly obtain flight conditions by remote monitoring and accomplish stable distal unmanned autonomous flight quad-copter for aerial photography, such that the disaster or rescue staff is very difficult to reach areas, based on the quad-copter for aerial photography, we are able to get a stable and clear image quickly in order to facilitate arrange rescue operations.
Keywords: Quad-copter, Gyroscope, Accelerometer Sensor, Kalman Filter.

摘要 I
ABSTRACT II
謝誌 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 IX
第一章 前言 1
1.1 研究背景與動機 2
1.2 文獻回顧 3
1.3 論文架構 5
第二章 四旋翼飛行器簡介 6
2.1 四旋翼飛行器飛行原理 6
2.2 四旋翼飛行器動態方程式推導 7
2.3微控制器模組 11
2.3.1 微控制器 12
2.3.2慣性感測器 14
2.5外部動力模組 15
2.5.1 電子調速器 15
2.5.2 無刷馬達 16
2.6鋰聚合物電池 17
2.7 無線電遙控器與無線電接收器 18
2.8 藍芽連線模組 19
2.9 飛行狀態監控程式 20
第三章 四旋翼飛行器系統架構 23
3.1微控制器電路架構 24
3.2濾波器 25
3.2.1卡爾曼濾波器 25
3.2.2 互補式濾波器 28
3.3 外部動力模組 30
第四章 系統整合與測試 32
4.1姿態檢測平台介紹 32
4.2 姿態檢測之各軸數據測試結果 35
4.3四旋翼飛行器實際飛行結果 39
第五章 結論與未來展望 44
5.1 結論 44
5.2 未來展望 44
參考文獻 46

[1] 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。
[2] Redro Castillo, Lozano, and Alejandro Dzul, “STABILIZATION OF A Mini Rotorcraft with Four Rotors”, IEEE Control System Magazine, Vol.25, No.6, pp45-55, December 2005.
[3] H. C. T. E. Fernando, A. T. A. De Silva, M. D. C. De Zoysa, K. A. D. C. Dilshan and S. R. Munasinghe, “Modeling Simulation and Implementation of a Quad-copter UAV”, Industrial and Information Systems (ICIIS), 2013 8th IEEE International Conference on, pp.207-212, Dec.2013.
[4] Wayne Johnson, “Helicopter Theory”, Publication, Inc., New York, USA,1976.
[5] ArK lab多旋翼工坊， 四軸飛行器自造手冊，碁峯資訊股份有限公司，2012。
[6] 新電子雜誌，多軸化感測需求興MEMS元件整合勢不可當，2011/09。
[7] Mahony, R. and T. Hamel, “Non-Linear complementary filters on special orthogonal group”, IEEE Transactions on Automatic Control, 53(5), 2008.
[8] 李彥鵬，“一種快速kalman濾波算法實現及效果評估”，電子與信息學報第27卷第1期 ，pp.153-154 ，2005。
[9] Tommaso Bresciani, “Modeling, Identification and Control of a Quadrotor Helicopter”, 2008.
[10] 高應杰，陳鼎新，李榮明，“小型四旋翼無人飛行器控制算法研究”，計算計與現代化期刊2011年第10期，pp.4-7，2011。
[11] 陳昀希，“四旋翼機之穩定與控制”，逢甲大學航太與系統工程學系碩士論文，2012。
[12] Friis, J., E. Nielsen, and R.F. Andersen, “Autonomous Landing on a Moving Platform”, Electronic System, Aalborg, 2009.
[13] 楊慶華，宋召青，時磊，“四旋翼飛行器建模、控制與仿真”，海軍航工程學院學報第24卷第5期，pp.1-4，2009。
[14] MultiWii, MultiWii Datasheet, 2015.
[15] Microchip, ATMEL8-BIT MICROCONTROLLER WITH 8KBYTES IN-SYSTEM PROGRAMMABLE FLASH Datasheet , 2015.
[16] InvenSence, MPU6050 Datasheet, 2015.
[17] DONG YANG Model Technology, ESC>30030 Datasheet, 2015.
[18] Altitude Hobbies, Suppo 2212/15 930kv Brushless Motor, 2015.
[19] 廣州市華科爾有限公司， DEVO-7使用手冊，2015。
[20] 莊維德，“自主飛行四旋翼的之控制與設計”，國立成功大學航空太空工程學系碩士論文，2013。
[21] 錢華明，夏全喜，闕興濤，張強，“基於Kalman濾波的MEMS陀螺儀濾波算法”，哈爾濱工程大學碩士論文，2009。
[22] 王世元，“非線性卡爾曼濾波器原理及應用”，電子工業出版社，2015。
[23] 李壙宇，“應用互補濾波器於慣性感測之運動與姿態角估算”，國立台北科技大學機電整合研究所碩士論文，2010。
[24] 黃良吉，“GPS與感測器整合於三維地面車輛定位之應用”，國立台灣科技大學機械工程系碩士論文，2006。