4. 小型動態定位平台之建置
4.4 DGPS
4.4.6 測試結果
為了解 DGPS 讀取之正確性，因此本計畫將控制器與 DGPS 移至小型平台 之實驗現場附近進行路徑讀取測試，地點為台南安平林默娘公園，如圖 53，為 配合該地點之距離換算，因此透過圖53 之經緯度 120.155636°E，22.991859°N，
其單位經度與緯度於地球表面對於格林威至線以及赤道距離的換算單位可整理 如表 18，因此透過定位點座標與目前座標之距離相減，即可得到經緯度對於定 位點之距離。
表18 經緯度距離換算表
度 分以下
單位經度距離 101657 m 1694.28 m 單位緯度距離 101263 m 1687.72 m
圖53 DGPS 測試地點
實測結果如圖54~55 所示，圖 54 表原點定位下的 DGPS 誤差量，大約為 0.2 m 以內，表示 DGPS 原點誤差於半徑 0.3 m 以內，此表定位點之重複性，該實驗 場合不會造成 DGPS 定位點過大誤差，而長方形路徑測試則顯示 DGPS 可正確 繪製系統行經之路徑。由於系統對於天氣狀況十分敏感，即時少量雲也會影響其 坐標判讀正確性，故實驗必須於晴空下進行方可確保定位正確性。
圖54 原點定位的 DGPS 誤差測試結果
-73.3
-73.5 -73.4
Longitute to Position Distance (m)
23.0
22.6 22.7 22.8 22.9
圖55 於 2X5 公尺內進行 DDGPS 路徑測試結果
Longitute to Position Distance (m)
5.5
-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
x y
z．
動態定位動作主要經由位址與航向定位後進行推進器之修正，位置偵測上使
cRIO-9012
Real-Time PowerPC Controller for cRIO, 128 MB Storage
即時紀錄與網路模組
cRIO-9101 4-slot
1 M Gate Reconfigurable Chassis for CompactRIO
FPGA 運算模組
4-Port, RS232 Serial Interface RS-232 通訊模組 NI 9426 Sinking Digital Output
PWM 訊號輸出
PS-5
Power Supply, 24 VDC, 5 A, Universal Power Input
模組用電源
表20 cRIO 模組訊號輸出項目
DOsidet 5
左舷伺服機 DOss1 6
DOss2 7
右舷伺服機 DOps1 8
DOps1 9
表21 cRIO 模組訊號輸入項目
圖57 航向角對時間圖
Angular Graph
32.5
Longitude distance (m) 12.5 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 DP path
圖59 轉速命令對時間圖
Port thruster Starboard thruster Side thruster XY Graph
1.8
Velocity Graph
表22 前進命令對應轉速與響應
圖61 推進器轉子圖
圖62 推進器定子轉子機構組裝圖
圖63 推進器所使用之伺服馬達與支柱
本計畫之推進器尚須經過後充磁之程序，方可使轉子上的磁鐵具備磁通藉以 產生足夠轉矩，經計算後可得到充磁需要的電器規格如表26。依照此充磁電流 進行推進器之後充磁，並針對不同轉速對反電動勢之結果進行比較，如圖64 ~ 65，
可換算得反電動勢為0.3 V*s/rad，比較圖 15 之模擬反電動勢波形結果，大約可 知反電動勢約為0.28 V*s/rad，因此實作完成之推進器可符合設計規格。最後，
再將推進器接上固定用機構以及驅動電路等即完成推進器系統。
表26 後充磁電壓電流 三相並聯(一次充磁）
充磁電壓(V) 充磁電流(A)
20 190
50 490
100 951
500 5583
預估充飽電流 20700A
圖64 後充磁推進器 600 RPM 測試結果
圖65 後充磁推進器 900 RPM 測試結果
1.2 推進器驅動
本計畫將馬達加載於額定轉矩及其操作範圍納入研究考量，視為無感測器驅 動中重點改善項目[16]。為驗證本計畫所提出之估測法其可行性與操作效能，首 先選用無刷直流馬達作為實驗對象；分別探討在馬達參數不同時是否依然適用於 此估測法，並使用電機特性量測平台，進行無感測器驅動系統之加載特性分析，
以使本系統得以順利操作於額定負載情形下。另外，為證實此估測方式之應用場 合，特別進行無轂環驅式推進器之水下無感測驅動測試，如表27 所示。
表27 無轂環驅式推進器參數規格
由於無轂環驅式推進器工作於水下，需進行水密與灌膠等處理，故不適合安 裝霍爾感測器。在此種條件下，為符合無感測器驅動之應用範疇。首先針對此推 進器進行陸上無載與加載測試，此部份主要是調整估測電路與控制核心，以確保 推進器性能無慮。且一般無感測器驅動之文獻較少探討馬達操作於額定負載，因 此負載增加較容易使其換相錯誤，嚴重時可能造成馬達失步。本計畫所提出之估 測法利用反電動勢為基準，根據回授之轉速即可得當下反電動勢之交越點，又不 因低通濾波器影響換相訊號之相位，故馬達加載時亦可正確估測換相位置。此設 計方法可有效改善無感測器驅動加載之問題，並提升馬達整體性能。
由於推進器原設計於水下操作，電流密度設計較高，因此在陸上測試時須考 慮散熱問題。圖66 為無載測試波形、圖 67 為加載測試波形，其中 A 相相電壓 為CH1、A 相相電流為 CH2、估測換相訊號為 CH3、實際霍爾訊號為 CH4，由 兩實驗波形可看出無論是否加載，皆可使估測訊號與霍爾訊號相當接近。並以變 轉矩模式量測此推進器之效率曲線，如圖68 所示，以了解其特性與性能。
馬達極數 16
額定功率 1.73 (KW) 額定轉矩 12(N-m) 額定轉速 1380(RPM) 額定電流 64.3(A) 操作電壓 DC 48(V) 無載轉速 1700(RPM)
相電阻 60.48(mΩ) 相電感 85.5(μH)
圖66 操作於無載，轉速為 1700RPM 之波形
圖67 操作於 7.43N-m，轉速為 1459RPM 之波形
圖68 推進器整體性能之效率圖
1.3 推進器測試結果
y = 3E‐05x2+ 0.0881x ‐ 22.068
y = 0.0001x2‐ 0.0096x ‐ 10.052 0
圖71 自製推進器匹配圖
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
T (Nm)
0 500 1000 1500 2000
推力(N)
轉速(rpm)
推進器匹配推力圖
v=0.2 m/s v=0.4 m/s
2. CAN 架構與 DP 之應用 2.1 CAN Bus 簡介
CAN bus (Control Area Network)為利用雙線差動(two-wire differential) 傳輸 的技術規格，當某個差動匯流排訊號線斷路、接地或搭上電源線時，仍提供持續 傳送訊號，其特點可簡述如下[30]：
1. Application：應用程式。
2. Host-Controller：負責運算資料的控制器。
3. CAN-Controller：負責處理 Host-Controller 的資料，並且傳給 CAN-Transceiver。
4. CAN-Transceiver：將 CAN-Controller 所傳送的訊號轉成電子訊號並依 照資料框架設定決定狀態為傳送或接收。
本計畫使用 CAN(Control Area Network)作為系統傳輸藉以達成分散式之網 路架構，以利系統未來應用於不同平台上之客製化與模組化，如圖73。圖 74 為 每個驅動器上具備的 CAN 節點單元電路實體圖，此架構包含進行 CAN 解讀與 送出控制訊號之控制IC，以及驅動電路，小型馬達則做為功能測試用。圖 75 為 本計畫應用於動態定位所使用之傳輸架構，其中使用一Converter 做為不同系統 間（NI, Microchip）CAN 的溝通橋樑，電羅經使用 KVH Azimuth 1000 其誤差為
±5° [9]. DGPS [10] 則採用具備多衛星接收頻道以及可接收 Beacon、L-BAND、
WAAS 的 AgGPS，其提供 RTCM SC-104 之輸入格式以及 NMEA0183 的輸出格 式。定位時，電羅經與DGPS 將 RS232 字串送回控制器後，再透過 Converter 將 RS232 字串轉為 CAN 以傳送至具有 CAN 介面的驅動器以進行轉速控制。而圖 76 則為簡化系統架構，直接採用 cRIO 做為控制器與紀錄器。
圖73 本計畫之 CAN 節點架構
圖74 具 CAN 介面的驅動與推進單元節點
MCU CAN controller
Transceiver
120 Ω 120 Ω
MCU CAN controller
Transceiver
MCU CAN controller
Transceiver
MCU CAN controller
Transceiver converter
node
port thruster
node starboard thruster node
side thruster node
圖75 使用 PIC 32 bit 為控制器之 CAN 傳輸架構
圖76 使用 cRIO 做控制器之 CAN 傳輸架構
3. 控制器 位點位置之定位動作，定位用控制器可推導為(29)~(31)[31]：
78，其中 S 將位置轉換為速度項，Ship (Surge & Yaw)表示船舶在縱移與平擺之 運動特性，Ship (Sway)表示船舶在橫移之運動特性。根據[31]所建議之增益係數，1 150, 2 800, 3 500, 4 150, 5 2000
K K K K K ，而此處K5所代表之轉速單位為 rad / s。
圖77 定位點與實際位置誤差量
Latitude error y Longitude error x
Origin
(positioning location)
current location
X
Y Yaw angle θ
3.2 轉速控制
為確保推進器之轉速命令可保持於設定轉速，因此分別於推進器內部之馬達 加上使用PI 控制器進行轉速控制，加上轉速控制後的控制方塊圖如圖 79 所示，
1
,
2,
3n n n
為推進器之轉速命令，PI 為控制器，M 為馬達特性，n
1M, n
2M, n
3M 為 完成轉速控制之轉速命令。單顆馬達之正反轉命令測試可在不同轉速下確實達成 轉速控制，未加上轉速控制則會存在轉速誤差，如圖80 所示。三組推進器之正 反轉命令下的轉速控制可將原先的轉速誤差由150 rpm 降至 50 rpm 以內，如圖 81 所示。圖78 動態定位方塊圖
圖79 加上轉速控制之動態定位方塊圖
圖80 單組推進器之轉速控制測試結果
600.0
-1200.0 -1000.0 -800.0 -600.0 -400.0 -200.0 0.0 200.0 400.0
Time (0.1s)
425 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400
Plot 1 Plot 0 Record
Plot 0
Port
Plot 1
RPM port
With rpm control
Without rpm control
圖81 三組推進器之轉速控制測試結果
Time (0.1s)
300 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280
Plot 0, 1, 2
rpm
command of port,
starboard, side
Plot 3, 4, 5
rpm feedback of port, starboard, side
With speed control
Without speed control
Thruster rotation speed (rpm)
Time (0.1s)
com. St. (RPM)
圖83 小型平台於安平港口實測 表28 船模平台規格比較表
case I. case II.
Exp. Ship LOA = 4.5 m B = 1.5 m
LOA = 1.8 m B = 0.3 m Displacement 900 kg 40 kg
Thruster 2kW 50W
Max. RPM 300 rpm 800 rpm Experimental
Environment Harbor University campus 4.2 實驗方法
動態定位利用式(29) ~ (31)並代入增益係數以達成定位需求，由於推進器之 轉速規格限制以及平台可提供之電力有限，為避免發生電流過大造成驅動元件燒 毀或推進器過熱，因此增益係數皆透過比例調整轉速大小。
本計畫亦加入遙控操控模式，並利用控制器進行操控或定位之切換，遙控操 控利用無線網路可將命令送抵平台上，避免有線訊號線對於船隻運動之干擾。此 操控模式除了驗證推進器正確操作與資料正確傳輸外，亦可提供定位上船舶座標 更動等功能。
圖84 為定位系統操作界面，可檢視目前平台推進器操作狀況。圖 85 為紀錄 頁面圖，系統共建立紀錄項目如表 29，透過圖 85 可將表 29 所記錄數據分類後 再行顯示。實驗期間，利用系統具備的遙控模式先行將船行駛至待測地點後，切 回動態定位模式開始進行定位實驗，圖86 說明實驗操作步驟。
圖84 定位系統操作頁面圖
圖85 定位系統紀錄頁面圖
表29 動態定位紀錄項目表
項目 資料格式
時間 浮點數
緯度X 5 組 整數
緯度距離 浮點數
緯度速度 浮點數
經度X 5 組 整數
經度距離 浮點數
經度速度 浮點數
方位角 浮點數
方位角差 浮點數
命令轉速X 3 組 浮點數
轉速X 3 組 浮點數
圖86 定位實驗操作流程 4.3 實驗結果
實測結果可分為操作模式與定位模式做說明，船隻進行操作模式之路徑記錄 結果如圖87 所示，此路徑記錄乃當時目標經緯度相對於定位點經緯度之距離，
可發現船駛離岸邊後加速並往右舷方向駛入，路徑記錄結果亦可發現遙控操作模 式之路徑變化較為平順。
圖87 遙控模式操作之 DGPS 路徑
Longitute to Position Distance (m)
4.8
3.9 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7
DP Graph
圖88 小型平台之定位路徑結果（一）
Longitute to Position Distance (m)
16.0 -8.0 -6.0 -4.0 -2.0 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0
Latitude to positioning point distance (m)
Longitude to positioning point distance (m)
700.0
Time (0.1s)
1500
0 250 500 750 1000 1250
T hru st er ro ta ti on s pe ed (rp m )
Time (0.1s)
com. St. (RPM) com. Si. (RPM) com. P. (RPM)
圖90 小型平台之定位路徑結果（二）
Longitute to Position Distance (m)
6.5 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0
Latitude to positioning point distance (m)
Longitude to positioning point distance (m)
400.0
Time (0.1s)
650 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
T h ru st er r o ta ti o n s p eed ( rp m )
Time (0.1s)
com. St. (RPM) com. Si. (RPM) com. P. (RPM)
船模之動態定位實驗則如圖92 ~ 93 所示，為了解實際運作上之轉速命令，
船模之動態定位實驗則如圖92 ~ 93 所示，為了解實際運作上之轉速命令，