行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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※ 旋翼/固定翼兩用型飛行器自動駕駛之設計與製作 ※
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計畫類別：þ個別型計畫 □整合型計畫
計畫編號：NSC 89-2212-E006-184
執行期間： 89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日
計畫主持人：楊憲東 教授
共同主持人：
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位：國立成功大學航空太空工程研究所
中
華
民
國
90 年
10 月
20 日
旋翼 / 固定翼兩用型飛行器自動駕駛之設計與製作
Design and Manufactur ing Of Mixed Fixed / Rotator y Wing
Flight Vehicle Autopilot
計畫編號：NSC 89-2212-E006-184
執行期限：89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日
主持人：楊憲東 國立成功大學航太所 教授
計畫參與人員：劉文雄 國立成功大學航太所 博士班研究生
計畫參與人員：何吉堂 國立成功大學航太所 碩士班研究生
一、中文摘要 本文中，目的在設計並研發一款兼具旋翼機垂 直起降與固定翼機高速巡航，雙重功能的全新概念 兩用型飛行器。實際製作一架無線電遙控模型機， 進行試飛驗證此設計概念之可行性。並於遙控模型 機上裝置感測元件及致動器，將此控制器、感測器 連同模型機本體建構成一套閉迴路控制系統，藉由 此控制系統的控制，使飛行器具備姿態感測與控制 的能力及具備飛行軌跡追蹤的能力，因此自動駕駛 儀系統是整個工作的關鍵核心，本計畫即是對於自 動飛行駕駛系統中的姿態控制部分加以設計與分 析，並提出利用數位晶片設計的方式，在FPGA (Field Programmable Gate Array，場效可程式邏輯閘 陣列)晶片上製作控制器。關鍵詞：兩用型飛行器、無線電遙控模型機、姿態 感測與控制、自動駕駛儀
Abstract
This thesis is to design and develop a novel flight vehicle, which can take off like a helicopter and can cruise as fast as a fixed wing airplane. Radio remote control model was manufactured and tested in the real flight in order to verify and validate the proposed conceptual design. We plan to install sensors within the remote-control model, and to establish the mathematical expressions for this model. Based on this mathematical model, we then design the automatic controller which, when combined with the sensors and actuators, form a closed-loop control system by which the hybrid flight vehicle is able to control its attitude automatically. Autopilot technique is to be established such that the flight vehicle can follow the preprogrammed trajectory. This thesis demonstrates vehicle’s attitude control design and analysis with digital chips. The controller is loaded on a FPGA (Field Programmable Gate Array) chip.
Keywords: Hybrid aircraft、Radio remote control model、attitude automatically、Autopilot 二、緣由與目的 台灣四週環海，地處於東北亞與東南亞之交通 要衝，西邊隔著台灣海峽與中國大陸遙遙相望。從 地理條件來看，與鄰近國家或地區間的往來，最便 捷有效的方法自然非航空器莫屬。然而交通運輸便 成了不可或缺的一環，特別是發展航空運輸，愈發 突顯出它的重要性與急迫性。 因此就民航市場的需求而言，固定翼飛機與 旋翼機[1]的功能是互補的，即固定翼飛機有高巡航 性能，卻受到起降機場的限制，而旋翼機雖可垂直 起降，不受場地限制，但巡航性能卻不佳，目前民 航市場所需要的，結合此這兩者的優點。 三、結果與討論
控制系統測試
在完成硬體設計後，吾人隨即進行遙控模型機 的地面測試及懸吊測試。首先介紹控制系統裝入遙 控模型機時的配置，接著介紹遙控模型機的地面測 試，最後是懸吊系統的架設、測試過程及結果。圖 1 為控制系統各部分訊號流程示意圖。 遙控模型機增穩控制系統的架設 本節所要介紹的是遙控模型機負載的配置，由 於 FPGA 實驗板[2][3][4]的體積較工業電腦比較起 來小了很多，所以很容易將控制器安裝到機腹內氣 動力中心位置。 本實驗首先將遙控模型機水平置於地面上，利 用水平儀確定為水平後將傾斜儀依正確的位置(傾 斜儀本身定義的俯仰與滾轉方向)水平貼在機腹， 接下來利用個人電腦執行 X-view 程式直接抓取傾 斜儀所量測到的傾角，微調傾斜儀黏貼位置，直到 傾斜儀縱向與橫向都保持在±2°以內為止。 將機鼻抬起 30°並固定，之後讀取傾斜儀量測到 的傾角誤差是否在±5%之內。如果相差太多則調整 傾斜儀位置。在俯仰方向定位的同時，也要兼顧滾 轉方向的定位，其方法也是將機身沿滾轉方向轉 30°，再觀察傾斜儀量測出的數據是否在±5%誤差以 內。 因為傾斜儀讀取到的數據正確與否將嚴重影響 到本控制器的效能，故雖然定位過程繁複，但須定位到水平、俯仰 30°、滾轉 30°三個條件下，傾斜儀 誤差均在±5%以下為止。 控制翼面的定位、吾人可以利用從伺服馬達到 控制翼面之間的連桿長度來調整控制翼面的角 度。利用遙控器命令各馬達轉到中點的位置，此時 即是各伺服馬達的平衡位置，接下來便是將連桿與 伺服馬達接上並保持控制翼面的水平。 安裝 FPGA 等硬體線路配置時必須避免導線或 接點接觸到油漬或導電物質，因此除了 FPGA 實驗 板必須安裝一保護外殼，變壓晶片及 ICL232 晶片 的電路板也是利用熱收縮膜保護之。 在地線方面，也必須保持地線儘量簡單而不要 受到干擾，因為地線串接所有的硬體，如果地線品 質不好，則整個系統都將受到影響。 圖 2.是控制系統置入遙控模型機的擺設圖，在 依照上數幾項技巧架設控制系統完成後，接著就是 將整個系統線路連接起來，並啟動 FPGA 進行地面 測試。 遙控模型機增穩控制系統地面測試 為了量測遙控模型機經控制後的姿態，吾人利 用另外一顆傾斜儀來量測飛機受控後的姿態角 度，此傾斜儀與本控制器所使用的傾斜儀的精準度 是幾乎相同的，差別只在於量測用傾斜儀可工作溫 度範圍較窄，精準度兩顆傾斜儀幾乎相同的。此顆 量測用的傾斜儀裝設在機載傾斜儀的正上方，其電 源供應是利用機載的電池，並將量測訊號透過加長 的 Rs232 訊號線直接傳送到地面的電腦內。 在地面測試方面，主要進行三項觀察，茲敘述 如下： (一) 遙控器的自動、手動模式切換開關 先前有介紹吾人在遙控器上，利用 gear 頻道， 設計成遙控模型機自動或手動飛行模式的切換開 關，在此即是要驗證該設計是否正確。 (二) 伺服馬達轉動方向 在自動飛行模式下，遙控模型機在遇到擾動 時，必須要能自動打出相對應的角度，使得遙控模 型機能自動回復水平飛行。因此本測試主要是觀察 在自動飛行模式下，伺服馬達是否有打出正確的方 向。 (三) 測試用傾斜儀的訊號傳輸能力 由於吾人另外使用一顆傾斜儀來量測遙控模 型機經控制後的傾角，所以必須在地面測試階段， 就先確定這顆測試用傾斜儀是合用的。 完成上述三項地面測試後，表示控制系統運作 正常，接著準備架設懸吊測試架後，就可進行懸吊 測試。 懸吊測試架的架設 本測試架主要是用來將遙控模型機吊起來，以 停懸模式來測試，再利用自然風吹向遙控模型機， 以便觀察遙控模型機的動態。但需注意的是，懸吊 系統在吊上遙控模型機後，必須再進行一次歸零校 准的動作，但是此時並不是調整傾斜儀位置，而是 在遙控模型機機艙內進行配重，直到傾斜儀所量測 到的傾角為±2°以內為止。 懸吊測試與結果 懸吊測試的目的在於觀察遙控模型機是否有 自動姿態增穩控制的能力，其原理是利用自然風吹 向遙控模型機再以外力分別施予 Pitch 方向及 Roll 方向的微擾，此時機上之傾斜儀應感測到機身姿態 角的變化，經過 FPGA 運算而將增穩控制命令發送 給伺服馬達，完成整個姿態回授控制。以下是實驗 的過程與記錄： 測試日期： 民國九十年六月二十一日星期四 測試時間： 上午十點至下午四點 測試地點： 成功大學歸仁校區航太實驗場 天氣情況： 晴天，自然風速約為 5m/s (一)器材架設 首先，依照先前架設步驟，將儀器裝置到遙控 模型機內並進行校準。接著是架設懸吊測試架並將 遙控模型機懸吊並校正使其水平。並將測試用傾斜 儀連接到地面的電腦上。 (二)測試步驟 (1) 首先將 FPGA 開機，並做簡單測試，確定 連線正常。 (2) 執行地面電腦的 X-view 程式，使電腦能 抓取並記錄遙控模型機的電腦姿態。 (3) 將遙控器打開並調整在手動飛行模式，將 遙控模型機機鼻抬起一個角度，並利用 X-view 開 始抓取資料，隨即放開機鼻，則機鼻開始自由震盪。 (4) 同(3)，但此次將遙控器切換到自動飛行 模式。 (5) 重複(3)~(4)的動作數次。 (6) 同(3)，但此次測量橫向運動，故將機翼 沿飛機縱軸旋轉一個角度。 (7) 同(6)，但此次將遙控器切換到自動飛行 模式。 (8) 重複(6)~(7)的動作數次。 經過上述的測試後，吾人即將所得的結果分 析如下： (一) 縱向增穩控制 圖 3. 是遙控模型機經懸吊測試後所量測出 來的結果，初始值為 10.5°，在加入控制器前最大 超越量約為 86.7%、安定時間約為 15.4 秒而在加入 控制器後最大超越量約為 56.7%、安定時間約為 9.5 秒，雖然說控制器有發揮效能，但控制器所發揮的 效能卻不甚理想，這應該與相對風速過低及懸吊繩 產生的摩擦有關。 另外，在控制初期最大超越量過高可能是因 為遙控模型機在剛放開時具有很大的俯仰力矩，而 翼面所施予的力矩又太小，而使得其值過高。而在 穩態響應方面圖中顯示並沒有完全收斂到零，這是 因為在自然環境下本容易受到外擾且量測上也有 些許誤差所導致。 (二) 橫向增穩控制 觀察圖 4.橫向系統的響應圖，發覺其初始值 為 12.5°，在加入控制器前最大超越量約為 59.2%、 安定時間約為 7.5 秒而在加入控制器後最大超越量 約為 60%、安定時間約為 6.6 秒，顯然控制器有發 生作用，但效能卻也不太理想，推究其原因也應該 與縱向測試相同，主要是風速不夠所及懸吊繩的摩
擦所引起的。 綜合上兩圖的結果，吾人可得到一個結論， 就是控制器確實有發揮其功能，但在效能方面則需 要更精確的測試。
結果討論
研究初期在控制系統之設計及製作上便遇到 各種問題，而這些問題包括系統體積過大、重量過 重、耗電量高且易受飛控電腦本身發出的電磁波干 擾，為了解決以上所遭遇到的困難，遂提出使用數 位晶片設計的方式進行控制。在此針對若干實驗結 果作分析討論 一、重量規劃方面 本節先針對 FPGA 晶片控制器與工業電腦控 制器作出比較，在負載方面，由於 FPGA 是一顆可 規劃的 IC，因此許多所需要的功能，吾人均可在晶 片上規劃，而不須增購其他硬體，因此與工業電腦 比較，節省了大量的負載空間與載重。 這對遙控模型機而言，不但可將節省下來的載 重量規劃給其他硬體使用，若不增加其他負載，也 可以減少飛機燃油的消耗，增加飛機的巡航距離。 另外，FPGA 的體積也較工業電腦小很多，使得在 裝設上更為方便。 二、在耗電量方面 FPGA 晶片也提供了較好的效能，首先，整個 系統元件變得很精簡，只剩三顆 IC，因此耗變量較 工業電腦少很多，又因為遙控模型機有負載考量， 不能裝置太大的電池在機體上，所以利用 FPGA 恰 可節省電力的使用，也有助於巡航時間的增加。 三、電磁波干擾的方面 工業電腦因為本身功率高，所以產生了蠻大的 電磁場，又由於機載空間有限，使各元件間的距離 很小，因此電磁場很容易影響到遙控接收機，而產 生電磁波干擾(EMI)現象，只要遙控器的訊號稍微 減弱，接收機馬上轉接收電池波雜訊[5]，使得系統 極不穩定。而在改以 FPGA 作為控制器後，電池波 干擾的現象已經減小很多，以往在遙控機器天線完 全收起來時，只要遙控器遠離遙控模型機約 5 公 尺，接收機便會開始接收到電磁波干擾訊號，造成 馬達不自主的擾動。在改用 FPGA 後，電磁波干擾 的問題則減少許多，相同的測試條件下 FPGA 則可 在距離 30 公尺遠處仍不受到干擾。 四、參考文獻[1] Walter J. Boyne, Donald S. Lopez, “Vertical Flight: The Age of the Helicopter”, Smithsonian Institution, 1984. [2] 王豐欽, “在 FPGA 平台上使用分散式算數於數 位控制器之晶片設計”, 國立成功大學工科所碩 士論文, 1999. [3] 林傳生, “使用 VHDL 電路設計語言之數位電路 設計”, 2nd ed., 儒林, 2000, pp. 11-1~32, 2-2~14. [4] 蕭如宣, “VHDL 數位系統電路設計”, 2nd ed., 儒林, 2000, pp. 4-24~54. [5] 廖財昌, “電子裝置之雜訊對策法”, 1st ed., 全 華, 1988, pp. 6-93.York,1981. 圖 1. 系統各個部分訊號流程圖 圖 2. 控制系統置入遙控模型機的擺設圖 圖 3. 縱向系統控制前後的俯仰角關係圖 圖 4. 橫向系統控制前後的滾轉角關係圖 Elev. 5V Elev. Ail Gear
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5V 5V 12V 12V 5V R1in R1out T1out T1in Ail. FPGA 接收機 Moto r Motor ICL232 傾斜儀 實驗板 MIC29512 12V 電池 傾斜儀 FPGA 接收機 其他晶片 蓄電池 無控制器 加入控制 器 無控制器 加入控制器
