簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 卜悅茹
Pu, Yueh-Ju
論文名稱: 無人飛行載具導引飛控之軟體與硬體模擬
Software and Hardware Simulation for UAV With Integrated Guidance and Control Autopilot
指導教授: 林穎裕
Lin, Yiing-Yuh
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 航空太空工程學系
Department of Aeronautics & Astronautics
論文出版年: 2006
畢業學年度: 94
語文別: 中文
論文頁數: 95
中文關鍵詞: 硬體迴路互動式視窗程式飛行模擬儀
外文關鍵詞: desktop motion simulator, interactive input window table, hardware-in-the-loop simulation
相關次數: 點閱:93下載:5
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報
  • 本研究之重點在設計製作桌上型飛行模擬儀並整合飛行軌跡動畫,同時呈現飛行模擬器所模擬的無人飛行載具(UAV)之飛行姿態,讓使用者能更清楚的了解飛行載具在飛行中之動態。模擬儀是由三個小型的步進馬達所帶動,所以架構材質以重量較輕為考量,故以光硬化樹脂堆疊而成模擬儀之三軸架構,來模擬飛機三軸姿態運動。帶動模擬儀之訊號是由飛控導引主電腦計算出飛行數據後,由串列埠傳出訊息給單晶片介面,再由單晶片來產生PWM訊號並控制步進馬達。除了飛行模擬儀的設計外,本研究亦設計一互動式的視窗飛控程式,由使用者輸入飛行任務之條件,如目標位置與盤旋或路徑點之模式,該輸入傳入飛控導引主程式,經模擬計算使無人飛行載具達成自主的飛行能力。作為未來真實UAV之監控所用,本研究建立一硬體動態模擬迴路,利用航電硬體數據截取平台,擷取GPS定位與精密電子羅盤的姿態量測來修正飛行控制器及飛行路徑。導引律之設計是利用UAV與目標間之相對位置與飛行速度,轉換成UAV所需要的飛行控制命令。飛行控制方面則是應用回授線性化及滑動模式(Sliding mode) ,設計一具有強健性的非線性控制器,最後將導引及飛行控制迴路加以整合而成自主性飛行導控系統。

    The main objective of this study is to design and integrate a desktop motion simulator with a computer animation program simultaneously displaying the flight of an unmanned aerial vehicle (UAV) on a flight simulation platform, allowing the user to have a better understanding of the aircraft flight behavior. The motion simulator animating the three-dimensional attitude motion of a simulated aircraft is made from photopolymer resins and is controlled by three miniature step-motors for lightweight consideration. Driving flight signals for the simulator are sent through serial port from the platform to a single chip processor, which processes the data and controls the step-motor drivers with pulse-width-modulation (PWM) frequencies. Besides the simulator, an interactive input window table is designed in this study for the user to specify flight conditions in a flight mission, such as waypoints and circling, which are then transformed by the platform into guidance command that directs the flight controller to maneuver the UAV. To prepare for monitoring a real flight of an UAV, a GPS and a high precision attitude compass for flight path correction and flight control are connected to the platform to perform hardware-in-the-loop simulation. The guidance law transforms the relative position between the UAV and the specified location into the flight control command. The robust nonlinear flight controller formulated from feedback linearization and sliding mode control method receives the flight control command and directs the UAV to reach the specified location or perform required maneuver.

    目錄 摘要 i Abstract ii 誌謝 iii 目錄 I 圖目錄 V 表目錄 VIII 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 文獻回顧 2 1-3 研究方法 2 1-4 論文大綱 3 第二章 系統動態模式與飛行控制器設計 4 2-1 飛機系統動態模式 4 2-2 主要外力與氣動力矩分析 7 2-3 非線性飛行控制器設計 9 2-3-1 慢速狀態控制器 10 2-3-2 快速狀態控制器 15 第三章 飛行導引器設計 21 3-1 前言 21 3-2 導引律設計 21 3-2-1 導控系統模擬測試 21 3-2-2 空間中固定點導引 26 3-2-3 水平盤旋導引 28 第四章 飛行模擬結合航電硬體之應用 30 4-1 前言 30 4-2 航電硬體介面設計 30 4-2-1 航電硬體簡介 31 4-2-2 NMEA通訊協定簡介 36 4-2-3 導航資料擷取與處理 38 4-3 飛控電腦之程式架構 40 4-4 視窗程式及軌跡動畫程式之設計 41 4-4-1 視窗程式之設計 41 4-4-2 軌跡動畫程式之設計 43 4-5 飛行模擬之結果 44 第五章 飛行模擬儀之設計與實現 47 5-1 前言 47 5-2 飛行模擬儀之架構設計 48 5-2-1 飛模儀之CAD設計 49 5-2-2 OBJET Quadra Tempo 快速成型系統及製作原理 53 5-3 PC與微電腦單晶片之數據傳輸轉換介面 54 5-3-1 電壓轉換電路 55 5-3-2 串列埠UART電路 56 5-3-3 微處理單晶片及其訊號穩壓電路 56 5-3-4 程式燒入電路 59 5-3-5 脈波產生電路 60 5-4 步進馬達之控制驅動介面 60 5-4-1 步進馬達 62 5-4-2 步進馬達控制IC ( L297) 63 5-4-3 雙全橋驅動電路 ( L298N) 64 5-5 軟體與硬體同步之模擬與結果 67 5-5-1 飛控電腦與硬體的同步設計 67 5-5-2 同步模擬之結果 69 5-5-3 同步模擬之流程 71 第六章 結論與建議 72 參考文獻 74 附 錄 77 自 述 80

    參考文獻
    [1] Schroer, R., ‘‘ UAVs: the future. [A century of powered flight: 1903-2003],” Aerospace and Electronic Systems Magazine, IEEE, Volume: 18, Issue: 7, pp.61 – 63, July 2003.
    [2] Beard, R. W., McLain, T.W. and Goodrich, M. A., ‘‘ Coordinated target assignment and intercept for unmanned air vehicles,” Robotics and Automation, IEEE Transactions on, Volume:18, Issue:6, pp.911 – 922, Dec. 2002.
    [3] Hallberg, E., Kaminer, I. and Pascoal, A., ‘‘ Development of a flight test system for unmanned air vehicles,” Control Systems Magazine, IEEE, Volume: 19, Issue: 1, pp.55 – 65, Feb. 1999.
    [4] 張欽富, 非線性轉換應用於飛控火控整合控制, 國立成功大學航空太空研究所碩士論文, 1994.
    [5] 劉聖仕, 無人飛行載具導控方法及時硬體迴路模擬, 國立成功大學航空太空研究所碩士論文, 1998.
    [6] 洪瑞昱, 無人飛行載具航電硬體整合與導引分析, 國立成功大學航空太空研究所碩士論文, 1999.
    [7] 程志文, 無尾翼戰機飛控導引設計與硬體迴路模擬, 國立成功大學航空太空研究所碩士論文, 2000.
    [8] Stewart, D., “A Platform with Six Degree of Freedom, ” Proc. Institute of Mechanical Engineers, Vol.108, No.3884, pp371-386,1965.
    [9] 林煥巍,無人飛行載具導引飛控整合自動駕駛儀參數選取之研究, 國立成功大學航空太空研究所碩士論文, 2004.
    [10] R. Gossweiler, C. Long, S. Koga, and R. Pausch, “DIVER: A Distributed Virtual Environment Research Platform,” IEEE Symposium on Research Frontiers in Virtual Reality, Vol.2, No.3, pp10-15,1993.
    [11] Nelson, Robert C., Flight Stability and Automatic Control, McGraw-Hill, 1998.
    [12] Etkin, B. and Reid, L. D., Dynamics of Flight stability and control, John Wiley & Sons, Inc., 1996.
    [13] Reiner, J., Balas, G. and Garrard, W. L., ” Flight Control Design Using Robust Dynamic Inversion and Time-scale Separation,” Automatica, V32, No 11, pp. 1493-1504, 1996.
    [14] Snell, S. A., Enns, D. F. and Garrard Jr, W. L., ” Nonlinear Inversion Flight Control for a Supermaneuverable Aircraft,” Journal of Guidance, Control and Dynamics, Vol. 15, No. 4, pp. 976-984, 1992.
    [15] Jafarov, E.M. and Tasaltin, R. ‘‘ Robust sliding-mode control for the uncertain MIMO aircraft model F-18,” Aerospace and Electronic Systems, IEEE Transactions on, Volume: 36 , Issue: 4 , pp. 1127 – 1141, Oct. 2000.
    [16] Osamu, K., ‘‘ Attitude Projection Method for Analyzing Large-Amplitude Airplane Maneuvers,” Journal of Guidance, Control and Dynamics, pp. 22-29, 1990.
    [17] Robert L. Shaw, Fighter combat-Tactics and Maneuvering, Naval Institute Press Annapolis, Maryland, 1988.
    [18] User manual,GPS25LPSeries,TechnicalSpecification,2000
    [19] User manual, FreeWave Technologies,Inc., 2000.
    [20] 龔建偉,熊光明,Visual C++/Turbo C串口通信編成實踐, 電子工業出版社,2005.
    [21] 位元文化, Visual C++入門進階—從C++、物件導向到視窗程式設計, 文魁資訊股份有限公司出版, 2000.
    [22] 謝勝治, 圖控式程式語言LabVIEW(含自動量測暨資料擷取), 全華科技圖書股份有限公司出版,2002.
    [23] 柯南, Protel 99 SE, 電腦輔助電路設計與分析, 台科大圖書股份有限公司,2002
    [24] C. K. Chua, k. F. Leong, and C.S. LIM “Rapid Prototyping,” World Scientific, 2003 2nd Edition.
    [25] 杜黎蓉,林博正, CATIA PARTI / CATIA PARTΠ, 全華科技圖書股份有限公司出版,2000.
    [26] AT89s52 Datasheet, Atmel Corporation, 2000.
    [27] 楊明豐, 8051單晶片C語言設計實務—使用Keil C, 碁峰資訊股份有限公司出版, 2003.

    下載圖示 校內:2007-07-27公開
    校外:2007-07-27公開
    QR CODE