国立成功大学航空太空工程研究所硕士论文无人旋翼机自动驾驶系统之

國立成功大學航空太空工程研究所碩士論文無人旋翼機自動駕駛系統之研發DevelopmentofTheAutopilotSystemforAnUnmannedHelicopter研究生:趙弘文指導教授:謝成中華民國九十八年六月頁I/86誌謝本論文能順利完成，最要感謝的是指導教授謝成老師，老師不僅僅是在研究上面給予指點，在生活上也適時的給予鼓勵，使我瞭解到面對問題時所應有的態度與方法，以及作實驗所需要注意的每個小細節。感謝家人對我全心全力的支持，使得我可以無後顧之憂的專心學習，而在我失落時給予我鼓勵。感謝研究室的夥伴們，楊岡錦、蔡啟南、湯唯孙、趙吉興、劉又聞、陸毅誠、鄭琇文、鍾瑞傑與許浦宗，以及許多幫助及支持我的朋友在研究生活中的提攜與鼓勵，使得研究生活除了研究還多了趣味，也從他們身上學習到之前我所不會的事情。感謝”泰世科技有限公司”所提供的載具硬體，感謝潘健佑先生、黃培育先生、莊宗明先生提供寶貴的經驗傳承以及最重要的試飛員袁景偉先生不辭辛勞的協助測試，使得本實驗得以順利完成。最後，感謝薇婷一路的陪伴我，幫我加油打氣，給我鼓勵，讓我度過那段不如意的時光，謝謝妳。II摘要論文題目﹕無人旋翼機自動駕駛系統之研發研究生：趙弘文指導教授：謝成由於無人飛行載具具有重量輕、體積小、機動性高、自主性高等優點，一直以來都是備受矚目的研究對象。而目前最常被拿來作研究對象，就屬定翼機與懸翼機兩種。而以一般大眾最常使用的功能，不外乎就是定點的盤旋與前後左右運動，在這方面旋翼機比起定翼機有著顯著的優異性。但是由於旋翼機複雜的空氣動力與陀螺運動，使得很多研究者因此而卻步。本研究的目的在於建立一個旋翼機的數學模型，進而分析、控制旋翼機的運動，使得一般使用者能夠很輕易的操作旋翼機，而不需像傳統般長時間的訓練才可以操作。過程中，除了建立非線性及線性模型外，更用模擬作初步驗證系統模型的正確性，並且製作、設計控制系統於真實的模型懸翼機上作為最終的驗證。IIIAbstractSubject：DevelopmentofTheAutopilotSystemforAnUnmannedHelicopterStudent：HongWenChaoAdvisor：ChenHsiehTheunmannedaerialvehicle(UAV)hastheadvantageoflightweight,smallsize,andbetterdynamicperformanceanditcanbedesignedforanytype.Italwaysistakenanoticeofresearchobjectiveallthisyear.Themostpopularresearchobjectivesarefixed-wingaircraftandrotor-wingaircraft.Thefunctionforthepeopleusuallyuseishoveringandatafixedpointtodoforward、backward、left、rightmotion.Inthishand,rotor-wingaircraftisbetterthanfixed-wingaircraft.But,becauserotorcrafthascomplexaerodynamic,mechanismandgyrostatdynamicmakeresearcherstopforward.Thetargetforthisresearchistobuildarotor-wingaircraft’smathematicalmodelandusethismodeltoanalysis,controlthemotionofrotor-wingaircraft.Tomakeeveryonecancontrolarotor-wingaircraftwithouttrainingforalongtime.Inthisprogress,notonlybuildlinearandnon-linearmodelsbutalsoproofthecorrectofmodelbysimulationfirst,thenmakethiscontrolleronrealrotor-wingaircraftforfinaltest.IV目錄簽名頁（考試合格證明書）授權書誌謝.................................................................................................................................I中文摘要............................................................................................................................II英文摘要..........................................................................................................................III目錄................................................................................................................................IV圖目錄..............................................................................................................................VI表目錄..............................................................................................................................IX章節頁碼第一章緒論.................................................................................................................11-1前言..................................................................................................................11-2研究動機..........................................................................................................11-3文獻回顧..........................................................................................................21-4研究目標與方法..............................................................................................31-5論文架構..........................................................................................................4第二章系統的建立.....................................................................................................52-1系統規格與載具選定......................................................................................52-2感測器及載具其他周邊選用..........................................................................9第三章直昇機制御方程式分析...............................................................................223-1建立直昇機座標間的關係............................................................................22V3-2幾個假設........................................................................................................233-3動力學分析....................................................................................................243-4氣動力學分析：............................................................................................293-5簡化、線性化數學模型................................................................................43第四章控制律設計與系統模擬...............................................................................464-1操控規格及控制模式....................................................................................464-2控制律設計....................................................................................................494-3系統模擬........................................................................................................53第五章實驗規劃及飛行測試結果...........................................................................575-1實驗步驟........................................................................................................575-2感測器測試....................................................................................................585-3地面測試..................................................................