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研究生：	周明賢 Jhou, Ming-Shian
論文名稱：	船舶架設風帆之FPGA自動控制系統及實測研究 FPGA Control System of Sails on Ships
指導教授：	黃正清 Huang, Jheng-Ching
共同指導教授:	楊世安 Yang, Shih-An
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 系統及船舶機電工程學系 Department of Systems and Naval Mechatronic Engineering
論文出版年：	2010
畢業學年度：	98
語文別：	中文
論文頁數：	78
中文關鍵詞：	船舶、風帆、節省能源、自動控制FPGA 、機電整合
外文關鍵詞：	LabVIEW, GPS, softwares, FPGA
相關次數：	點閱：120 下載：4
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本文探討將風帆裝設至柴油引擎船舶，利用風力效應，讓船舶能夠在順風、側風的情形下，達到輔助柴油引擎動力之輸出，以達到節能減碳的目的。
自動控制系統以國家儀器公司（NI）之CompactRIO可程式化自動控制器為主體，包括FPGA嵌入式運算控制模組與訊號輸出入擷取模組。類比訊號輸入模組擷取風速風向計、GPS之訊號，以得到風速、風向、船速、船向等相關資訊，再由FGPA模組運算最佳化風帆受風角度，並輸出類比訊號至馬達驅動器驅動伺服馬達，藉由伺服馬達控制風帆主桅杆之轉動方位。上述各項儀器及船舶動向之資訊由LabVIEW圖控人機介面監控之，相關之軟硬體整合成一組風帆自動控制系統。
本研究最後進行海上實測，測試自動控制系統之可行性及穩定性，結果顯示本系統可成功控制風帆方位，以得到最佳受風力面。

The article explores the effects of installing the sails on the ships. The automatic control system includes the CompactRIO automatic controller of National instrument company (NI), the embedded operation control modules, and the signal input and output retrieve modules. The analog signals of the wind manometer and the GPS are retrieved; then the best angle of the sails is operated by the FPGA module. The module inputs the calculated analog signals to the motor controls the azimuth of the main mast of the sail. The above-mentioned instruments which are supervised and controlled by the LabVIEW interface. The related softwares and hardwares are integrated to a set of sailing automatic control system.
Finally, the research executes a series of tests on the sea. The results demonstrate the availability and stability of the automatic control system.

摘要...........................I
ABSTRACT.......................II
誌謝..........................III
目錄..........................IV
表目錄............................VII
圖目錄............................VIII
符號說明.........................XI

第一章	緒論.......................1
1.1	前言.......................1
1.2	研究背景.....................2
1.3	研究目的.....................2
第二章	文獻回顧.....................3
    2.1 船舶設計.....................3
    2.2 自動航行.....................3
    2.3程式設計.....................4
第三章 船體穩度之計算理論................5
    3.1 船體穩度之計算方法................6
      3.1.1 Tibon電腦軟體計算船體穩度..........6
    3.2 利用半經驗公式計算船體穩度及估算風帆面積.....9
    3.3 最佳風帆角度..................15
    3.4 洋流航行....................17
第四章 風帆面積與馬力節省之關係.............20
第五章 風帆自動控制系統.................24
    5.1 風帆角度控制..................24
    5.2 馬達位置控制..................25
    5.3 CompactRIO 控制器及其FPGA、Real Time 模組....26
    5.4 實驗儀器....................28
      5.4.1 風速及風向擷取...............28
      5.4.2自動系統控制.................29
      5.4.3 全球衛星定位系統(GPS)............31
      5.4.4 基本電源供應................34
      5.4.5 機構整合..................34
第六章 風帆本體製作與操作................35
    6.1台灣地區風帆現行使用情形.............35
      6.1.1基隆碧砂漁港調查情形.............36
      6.1.2 台南安平漁港調查情形............39
    6.2現行風帆之問題及改良方法.............40
      6.2.1 第一代風帆本體設計.............40
      6.2.2 第二代風帆本體改良.............42
第七章 風帆系統海上實測.................44
    7.1 第一次出海實測.................44
      7.1.1 實驗目的與步驟...............44
      7.1.2 實驗結果..................45
      7.1.3 實驗相關照片................46
    7.2 第二次出海實測.................47
      7.2.1 實驗目的與步驟...............48
      7.2.2 實驗結果..................49
      7.2.3 實驗相關照片................51
    7.3 第三次出海實測.................51
      7.3.1 實驗目的與步驟...............51
      7.3.2 實驗結果..................53
    7.4 第四次出海實測..................53
      7.4.1 實驗目的與步驟...............53
      7.4.2 實驗結果..................55
第八章 海上實驗結果與討論................56
    8.1 加裝風帆機構之效益...............56
      8.1.1 加裝風帆前後船速之比較...........56
      8.1.2加裝風帆前後主機耗油率比較..........58
    8.2加裝風帆後溫室氣體排之計算............61
第九章  結論與未來展望.................65
參考文獻........................67
附錄一 級風與國際單位（SI）之轉換............69
附錄二 船型與橫向定傾高（GM）值之範圍..........70
附錄三 台南安平地區月平均風速表（級）..........71
附錄四 電腦軟體（Tribon）報告書.............72
自述...........................78
                                    

(1) 台灣帆船網 http://www.sailing.org.tw/
(2) 林金東譯，「遙控模型帆船與動力艇>>2-2帆的型」，P20
(3) 台灣帆船網>>新手資訊>>帆船的航行原理http://www.sailing.org.tw/
(4) 海洋新契機-高雄市政府海洋局P96-P108
(5) 聯合新聞網，『風箏拉貨輪燃料省一半』http://mag.udn.com/mag/world/storypage.jsp?f_MAIN_ID=326&f_S UB_ID=3004&f_ART_ID=102344
(6) 鄭士豪，「帆船之自動航行」，國立清華大學動力機械研究所碩士班論文，1986年
(7) 王保仁，「結合LabVIEW於切換式磁阻馬達之驅動與監控」，國立中山大學電機工程系研究所碩士班論文，2003年
(8) 黃正清著，「造船原理-第六章穩度」，P192~ P238
(9) 黃正清、陳家祥、陳長鈕著，造船原理(上冊)，P96 ~ 99
(10) 林榖欽編著，LabVIEW基礎程式設計及應用 3rd edition，全華圖書股份有限公司，Page v
(11) 呂沛銘，借風使力──如何選取帆船最佳的航行角度，1991年http://210.60.224.4/ct/content/1991/00090261/0003.htm
(12) 台灣帆船網>>新手資訊>>帆船的航行原理http://www.sailing.org.tw/
(13) 中華技術季刊7月號第63期，隧道施工遭遇可燃性氣體之調查處理對策http://www.ceci.org.tw/book/63/63bk1-1.htm#bka2
(14) ppm之換算http://www.tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1008012010557
(15) 船舶與港口-船舶種類>>複合式多能源船http://ship.nmmst.gov.tw/shipkind/shipkind08_01.asp
(16) 台灣帆船網>>新手資訊>>帆船演化史http://www.sailing.org.tw/
(17) 賓振呈，「模糊控制在帆船自動駕駛上的應用」，國立清華大學動力機械研究所碩士班論文，1989年
(18) 陳信成、彭啟峰著，「Oh！Fuzzy 模糊理論剖析」
(19) 中央氣象局全球資訊網http://www.cwb.gov.tw/
(20) 維基百科-蒲福風級http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%92%B2%E7%A6%8F%E9%A2%A8%E7%B4%9A
(21) 「造船設計便覽-第三版」，關西造船協會編，P143
(22) Hong Kong Oxygen http://www.hkoxygen.com/products.asp?lang=zh&id=435
(23) 經濟部能源局http://www.moeaec.gov.tw/
(24) 行政院國家科學委員會補助大專學生參與專題研究計畫研究成果報告計畫名稱: 船舶運用風帆輔助動力之自動控制研究
(25) 行政院農業委員會97年度科技計劃研究報告計畫名稱：中小型漁船架設風帆以節省能源及其操船之研究
(26)行政院農業委員會漁業署主管委託(輔助)計畫計畫名稱:漁船(含漁機)漁業及海洋產業之研發與促進推P99-P139

校內：2012-08-13公開
校外：2012-08-13公開

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