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研究生:吳昆鸿
研究生(外文):WU,KUN-HONG
論文名稱:四軸飛行載具手機遙控之研製
論文名稱(外文):Design and Implementation of the Remote Control for the Quadcopters Aerial Vehicle by Mobile Phone
指導教授:謝宗煌謝宗煌引用關係
口試委員:楊瑞錶蔡政宏蕭鈞毓
口試日期:2017-06-23
學位類別:碩士
校院名稱:中華科技大學
系所名稱:機電光工程研究所碩士班
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:2017
畢業學年度:105
語文別:中文
論文頁數:83
中文關鍵詞:四軸飛行PIDArduino載具Multiwiiconf
外文關鍵詞:QuadcoptersPIDArduino vehicleMultiwiiconf
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四軸飛行載具的應用與發展主要以體積小、攜帶方便、機動性高、重量輕、輕易進入的各種惡劣環境等特點應用廣泛。
本文以Arduino控制板來作為四軸飛行載具的控制核心,以鋰電池(鋰聚合物電池),透過感測器(MPU6050)、藍芽模組(HC-05)、四顆無刷馬達、四顆電子調速器、四個螺旋槳、F450機身等硬體實現四軸飛行載具之硬體與軟體開發。
一開始先用Arduino (Integrated Development Environment, IDE)寫入電源監控部分,因為怕電池電量耗盡會造成鋰電池永久損毀。
在四軸飛行載具姿態控制部分,以Arduino控制板讀取感測器上三軸電壓變化量,經由感測器中低通濾器濾波後獲得第一次降穩定的電壓直轉換成角度,透過MultiWiiconf 來設定PID控制器之參數,修正四軸飛行載具姿態,使得狀態輸出在有限時間內達到姿態穩定。
系統在實際運作時,會產生內部擾動以及外在干擾,所以我們使用Multiwiiconf設置PID控制器之參數,以消除感測器讀取到數值所產生的干擾。
在馬達控制方面,我們將先測試各組電子變速器(Electronic Speed Control ,ESC) 對馬達的電流特性,測量加入到ESC的電流變化量,找出特性相近的四組ESC作為四軸飛行載具的動力輸出組,再依照空轉電流變化量,依照比例輸出PWM(125-250)之間控制數值轉換至每顆ESC對馬達的控制量大小作修正。
經由模擬及四軸飛行載具軟硬體實現,驗證我們提出的控制方法是有效及可行的。

The Quadcopters Aerial Vehicle of application and development Mainly in small size、Convenience carry、High flexibility、small weight、easy to enter the harsh environment and other characteristics of a wide range of applications. In this paper, Arduino control board as Quadcopters core control, through the sensor, Bluetooth module, motor, Electronic Speed Control ESC, four propellers and other hardware to achieve Quadcopters hardware and software Development. First, We using the Arduino (Integrated Development Environment, IDE) to write power monitoring part because of if the battery low voltage will cause permanent damage to lithium batteries. In the attitude control, The Arduino control panel reads the amount of tri-axial voltage change on the sensor then converts it into the angle through the low-pass filter in the sensor. We are corrects the Quadcopters load based on the PID controller's parameter with a Manual that the state output in a limited time to achieve stability. The system in the actual operation will produce internal disturbances and external interference, so we use the MultiWiiconf to set PID controller parameters to eliminate the sensor to read the value of the interference noise. On the motor control, we are first measure the ESC current and find similar characteristics of the four groups as a four-axis flight vehicle output group that can be in accordance with the idle current. According to the proportional output PWM (125-250) between the control value conversion to each ESC on the motor control the step of the correction.
From the test results find the simulation and four-axis flight vehicle hardware and software, verify that our proposed control method is effective and feasible.
中文摘要 i
Abstract ii
目錄 iii
圖目錄 v
表目錄 vii
論文章節結構 viii
第一章 緒論 1
1.1研究背景與動機 1
1.2 文獻回顧 2
1.3研究架構與方法 2
2.1四軸飛行載具基本概念 4
2.2四軸飛行載具平衡與飛行原理 4
2.3 PID控制原理 9
2.3.1 PID 控制器各係數對性能指標的影響 10
2.4四軸飛行載具基本硬體設備 11
2.4.1 Arduino控制器 11
2.4.2 三軸加速度與三軸陀螺儀 15
2.4.3 藍芽模組 16
2.4.4鋰聚合物電池 17
2.4.5 無刷馬達 18
2.4.6電子變速器 19
2.4.7 F450機身 21
第三章軟體開發環境 22
3.1 Arduino介紹 22
3.2 MultiWii Conf 27
3.3 麻省理工學院MIT App Inventor2 31
第四章 軟硬體整合 35
4.1 電路接線 35
4.2 程式規劃 36
4.2.1 接腳定義程式流程圖 36
4.2.2 電源監控系統程式流程圖 37
4.2.3 感測器電壓轉換角度程式流程圖 38
4.2.4 手機下命令給藍芽模組油門控制程式流程圖 39
4.2.5 馬達程式流程圖 41
第五章 研究成果 42
第六章 結論與未來研究方向 52
6.1 結論 52
6.2未來研究方向 52
參考文獻 53
附錄一 56
附錄二 61
附錄三 63
附錄四 77

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[21]http://www.isu.edu.tw/upload/52/34/files/dept_34_lv_3_15289.pdf
[22]https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardNano (Arduino nano datasheet)
[23]https://www.invensense.com/wp-content/uploads/2015/02/MPU-6000-Datasheet1.pdf (MPU6050 datasheet)
[24]http://www.multiwii.com/wiki/index.php?title=Powermeter
[25]http://www.electronicaestudio.com/docs/istd016A.pdf (HC-05 datasheet)
[26]http://digital.ni.com/public.nsf/allkb/6C861751839981A286256D14001C1AAB (運動控制PID入門)

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