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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:蔣騏全
研究生(外文):Chi-Chuan Chiang
論文名稱:固定翼無人機之自平衡模糊控制
論文名稱(外文):Self-balancing fuzzy control for fixed-wing unmanned aerial vehicles
指導教授:許駿飛
指導教授(外文):CHUN-FEI HSU
口試委員:張嘉文吳建鋒
口試日期:2023-07-13
學位類別:碩士
校院名稱:淡江大學
系所名稱:電機工程學系碩士在職專班
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:2023
畢業學年度:111
語文別:中文
論文頁數:63
中文關鍵詞:固定翼無人機平衡控制模糊控制micro:bit實驗板
外文關鍵詞:fixed-wing UAVself-balancing controlfuzzy controlmicro:bit
DOI:10.6846/tku202300512
相關次數:
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隨著無人機發展的日新月異,市場上能夠看見各種款式的無人機,本論文的目標是提供一個簡單且便宜的固定翼無人機實驗平台,使得使用者能夠進行飛行控制的研究和開發。由於傳統的PID控制器在飛行控制上有準確性與穩定性不足的缺點,本論文依據人類的直覺操作與專家的經驗推論提出自平衡模糊控制器,其提供類似人類思考模式的控制方式,能夠克服固定翼無人機飛行時無法自動保持平衡的困難。最後,本論文利用針對市售泡棉材質的手拋滑翔機進行改造,製作完成一雙螺旋槳驅動之固定翼無人機實驗平台,搭配micro:bit實驗板實現所提出之控制系統,利用免費的APP軟體透過藍芽介面進行操控無人機。實驗結果顯示透過所提出之自平衡模糊控制系統,固定翼無人機能夠平穩且快速地改變飛行高度與方向,甚至當有側風發生時依舊能夠保持良好的飛行穩定度。
With the rapid development of unmanned aerial vehicles (UAVs) in recent years, various styles of UAVs can be seen on the market. Because the traditional PID controller has the shortcomings of insufficient accuracy and stability in the design of flight control, this thesis proposes a self-balancing fuzzy control system based on human intuition and expert experience for a fixed-wing UAV. The proposed self-balancing fuzzy controller provides a control method similar to the human thinking mode, which can overcome the difficulty that fixed-wing UAVs cannot automatically maintain their balance when flying. Finally, this thesis modifies the commercially available hand-throwing glider, and implements the proposed control system via micro:bit microcontroller approach. Using free APP software to control the UAV through the Bluetooth interface of micro:bit, the entire fixed-wing UAV experimental platform is constructed. The experimental results show that the fixed-wing UAV can change the flight height and direction smoothly and quickly through the proposed self-balancing fuzzy control system. Even when there is a crosswind, it can still maintain good flight stability.
目錄
目錄 I
圖目錄 III
表目錄 VIII
第一章 導論 1
1-1 前言 1
1-2 文獻探討 2
1-3 論文架構 5
第二章 飛行基本介紹 6
2-1 無人飛機種類 6
2-2 飛行基礎原理 9
2-3 航模控制系統介紹 12
第三章 組裝與飛行前測試 17
3-1 飛機組裝套件介紹 17
3-2 飛機組裝與注意事項 19
3-3 飛行前測試與機身微調 25
第四章 控制程式與實際飛行 37
4-1 MICRO:BIT實驗板介紹 37
4-2 控制程式說明 38
4-2.1 封包接收程式說明 39
4-2.2 資料轉換程式說明 40
4-2.3 控制器程式說明 41
4-2.4 動力輸出程式說明 45
4-3 V7RC遙控軟體介紹 46
4-4 實際飛行實驗結果 51
4-4.1 ㄧ號機之實驗結果 52
4-4.2 二號機之實驗結果 54
4-4.3 三號機之實驗結果 56
第五章 結論與未來研究 59
5-1 結論 59
5-2 未來研究 60
参考文獻 62

圖目錄
圖1. 1多旋翼無人機 2
圖1. 2固定翼無人機 2
圖1. 3 TB-2無人機 4
圖1. 4 SHAHED 136無人機 4
圖1. 5騰雲二型無人機 4
圖1. 6空中堡壘3型無人機 4
圖2. 1飛機翅膀的高度設計 7
圖2. 2基本翼布局 8
圖2. 3三角翼布局 8
圖2. 4前掠翼布局 8
圖2. 5無尾布局 8
圖2. 6 V尾布局 8
圖2. 7飛機飛行時的四種作用力 9
圖2. 8飛機舵面名稱與位置 10
圖2. 9升降舵之舵面情形 11
圖2. 10副翼之舵面情形 11
圖2. 11方向舵之舵面情形 12
圖2. 12簡易航模遙控飛機控制系統之方塊圖 13
圖2. 13自穩航模遙控飛機控制系統之方塊圖 14
圖2. 14 RADIOLINK A560航模遙控飛機 14
圖2. 15自製雙螺旋槳之固定翼無人機實驗平台。 15
圖2. 16無人機實驗平台之控制系統方塊圖。 16
圖3. 1飛機組裝套件照片 18
圖3. 2馬達座 18
圖3. 3手拋滑翔機機頭部分照片 19
圖3. 4機身前端加工照片 19
圖3. 5 MICRO:BIT實驗板與KSB MICROFLY電路板進行組配 20
圖3. 6安裝安裝電路板模組 21
圖3. 7後機翼進行切割加工 21
圖3. 8前飛翼安裝 22
圖3. 9後飛翼安裝 22
圖3. 10安裝馬達與螺旋槳至支架上 22
圖3. 11預設馬達安裝位置 23
圖3. 12確認左右螺旋槳轉動方向 24
圖3. 13馬達固定至前機翼的安裝位置 24
圖3. 14電池安裝初始位置 25
圖3. 15完成組裝 25
圖3. 16前、後機翼不折導流板飛行測試 26
圖3. 17右前翼上折導流板飛行測試 27
圖3. 18左前翼上折導流板飛行測試 28
圖3. 19右後翼上折導流板飛行測試 28
圖3. 20左後翼上折導流板飛行測試 29
圖3. 21前右翼下折導流板飛行測試 30
圖3. 22前左翼下折導流板飛行測試 31
圖3. 23右後翼下折導流板飛行測試 31
圖3. 24左後翼下折導流板飛行測試 32
圖3. 25前機翼上折兩端導流板飛行測試 33
圖3. 26後機翼上折兩端導流板飛行測試 34
圖3. 27前機翼下折兩端導流板飛行測試 35
圖3. 28前機翼下折兩端導流板飛行測試 36
圖4. 1 MICRO:BIT實驗板 37
圖4. 2 MAKECODE 38
圖4. 3無人機控制系統方塊圖 39
圖4. 4接收通訊封包資料之程式碼 40
圖4. 5操控命令轉換之程式碼 41
圖4. 6利用速差觀念控制之程式碼 42
圖4. 7模糊集合之歸屬函數 44
圖4. 8利用自平衡模糊控制之程式碼 45
圖4. 9動力輸出之程式碼 45
圖4. 10 V7RC遙控軟體APP 46
圖4. 11 V7RC控制設定頁面。 47
圖4. 12 V7RC伺服馬達控制設定 47
圖4. 13 V7RC 伺服馬達-變更通道設定 48
圖4. 14 V7RC 完成通道設定-開始進行連線設定 49
圖4. 15 V7RC APP連線測試流程 50
圖4. 16油門加速與左右螺旋槳轉速操控介紹 50
圖4. 17預實驗飛行樣品機 51
圖4. 18機頭保護措施 52
圖4. 19ㄧ號機第一次試飛結果 53
圖4. 20 ㄧ號機第二次試飛結果 53
圖4. 21ㄧ號機第三次試飛結果 54
圖4. 22二號機第一次試飛結果 55
圖4. 23二號機第二次試飛結果 55
圖4. 24二號機第三次試飛結果 56
圖4. 25三號機第一次試飛結果 57
圖4. 26三號機第二次試飛結果 58

表目錄
表4. 1自平衡模糊控制之規則表 44
参考文獻
[1]https://www.nlsc.gov.tw/cp.aspx?n=13658
[2]胡里奧·阿爾貝托·門多薩-門多薩,無人機編程實戰:基於ArduPilot和Pixhawk,機械工業出版社,2021年。
[3]https://def.ltn.com.tw/article/breakingnews/4245032
[4]https://www.reuters.com/world/europe/ukraine-battles-russia-black-sea-over-strategic-snake-island-2022-05-11/
[5]https://technews.tw/2022/10/18/russia-bombed-ukrainian-cities-with-iranian-shahed-136-loitering-munition/
[6]https://dweb.cjcu.edu.tw/uavadrc/spotlight/5405
[7]https://www.cadf.org.tw/project/184
[8]李志升,最佳化增穩自動駕駛於無人飛機之實現,國立成功大學航空太空工程學系碩博士班,博士論文(指導教授:蕭飛賓),2008年。
[9]鄭宇翔,以影像辨識方法進行無人飛機之路徑追蹤,國立成功大學航空太空工程學系碩博士班,博士論文(指導教授:蕭飛賓),2008年。
[10]黃佩瑩,以影像識別方法進行跑道偵測於固定翼無人飛機之實現,國立成功大學航空太空工程學系碩博士班,博士論文(指導教授:蕭飛賓),2009年。
[11]孫嘉鴻,最佳化高度追蹤控制器設計應用於固定翼無人飛機,國立成功大學航空太空工程學系碩博士班,博士論文(指導教授:蕭飛賓),2012年。
[12]陳理邦,固定翼無人飛機橫向自主降落系統開發,逢甲大學航太與系統工程學系,碩士論文(指導教授:黃振鴻、賴盈誌),2019年。
[13]連偉翔,太陽能固定翼無人機之研製與檢測,國立宜蘭大學電機資訊學院碩士在職專班,碩士論文(指導教授:吳德豐、彭世興),2021年。
[14]謝佳興,長滯空太陽能無人飛機之模擬與試飛測試,國立虎尾科技大學飛機工程系航空與電子科技碩士班,碩士論文(指導教授:林中彥),2021年。
[15]洪庭凱,長滯空太陽能無人飛機之設計分析、組裝檢驗與飛行測試,國立虎尾科技大學飛機工程系航空與電子科技碩士班,碩士論文(指導教授:林中彥),2022年。
[16]林中彥與林智毅,固定翼無人飛機設計與實作(第二版),全華圖書,2021年。
[17]張成茂,航空模型設計與製作,電子工業出版社,2019年。
[18]呂濤,遙控特技模型飛機入門,中航出版傳媒有限責任公司,2020年。
[19]https://www.radiolink.com/a560
[20]https://makecode.microbit.org/
[21]https://robotkingdom.com.tw/product/bbc-microbit-1/
[22]陳致中,遇見micro:bit 用MakeCode積木玩轉新世界,台科大,2018年。
[23]楊岱霖,用micro:bit 學MakeCode Block Editor 程式設計 製作簡單遊戲,台科大,2019年。
[24]王文俊,認識 Fuzzy(第三版),全華圖書,民國94年。
[25]孫宗瀛、楊英魁,Fuzzy控制:理論、實作與應用(修訂版),全華圖書,民國94年。
[26]Chun-Fei Hsu and Tsu-Tian Lee, “Emotional fuzzy sliding-mode control for unknown nonlinear systems,” International Journal of Fuzzy Systems, vol. 19, no. 3, pp. 942-953, 2017.
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