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無人飛行船自動導航系統

實踐大學學士畢業論文：Microchip 嵌入式自動駕駛系統

2011-06-01

無人飛行船自動導航系統

論文簡介

這是我在實踐大學資訊科技與通訊學系的學士畢業論文專案（民國100年，2011年），與侯圳嶺、侯劭東、劉文茜、葉曉霈、鄧靜容同學共同完成，指導教授為吳啟偉老師。

研究主題： 開發一套完整的無人飛行船自動導航控制系統

核心突破：

技術棧： Microchip PIC24FJ128GB106 + GPS + GPRS + Compass (I2C) + Java Server + MySQL + Google Maps + Flash

🎯 研究背景與動機

問題現況

傳統飛行船的限制：

  1. 地面遙控範圍過小
    • 遙控器訊號有效範圍有限（約數百公尺）
    • 超出範圍後失去控制
    • 無法進行長距離飛行任務
  2. 完全依賴人工操控
    • 操作員技術要求高
    • 人為失誤容易導致失控
    • 無法自主應對突發狀況
  3. 失控後無法自救
    • 訊號中斷後飛船失聯
    • 無法自動返航或降落
    • 可能造成飛安問題或財產損失

研究動機

開發一套自主飛行控制系統，解決上述問題，並擴展飛行船的應用範圍：

軍事應用：

商業/民間應用：

🎓 研究目的

1. 飛行船自主飛行

目標： 輸入目標 GPS 座標後，飛行船能自動航向目的地

實現方式：

2. 手動/自動模式切換

目標： 飛行船具備自動與手動兩種飛行模式，可即時切換

應用場景：

切換機制：

3. 突破飛行範圍限制

目標： 不再受限於遙控器訊號範圍，可在任意地點航行

技術實現：

實際效益：

4. 即時飛行資料傳達地面站

目標： 將飛行資料即時回傳，如同「飛航黑盒子」

回傳資料：

技術實現：

5. 地面即時模擬飛行動態

目標： 當飛行船超出可視範圍時，地面站仍能清楚看到飛行狀態

技術實現：

實際效益：

🚁 飛行船系統架構

飛船主體

供應商： 天興化工 類型： 氦氣填充式飛船

動力系統：

  1. 前進推力
    • 載台左右兩側的直流馬達
    • 轉動葉片產生推力
  2. 上升/下降
    • 固定葉片的軸承上下轉動
    • 控制俯仰角
    • 由升降伺服馬達控制
  3. 左右轉向
    • 船體歷經三個版本演進（A型、B型、C型）
    • 轉向機構不同
    • 主推力馬達也持續優化

飛船船體版本演進

專案期間共開發三種船體版本，持續優化轉向與推力系統：

A型船體：伺服馬達轉向

轉向機構：

優點：

缺點與改進需求：

測試結果： 多次試飛後決定更換轉向機構

B型船體：碳刷馬達正反轉

轉向機構：

優點：

缺點：

C型船體：主推力升級 + 四組襟翼（最終版本）

主要改良重點：

  1. 主推力系統升級
    • 更換更強力的主推進馬達
    • 加強電力輸出
    • 螺旋槳從三翼式改為四翼式
    • 翼長增大，風力吹送更強
  2. 襟翼系統（4組伺服馬達）
    • 左右水平襟翼：輔助船體上升與下降
    • 上下垂直襟翼：輔助船體左右轉向
    • 與後方轉向伺服切換器共用一組 PWM 訊號

優點：

缺點：

意外發現：

💻 自動控制系統架構

核心控制板

主板： Microchip PIC24FJ128GB106 (APP-026-3X)

選擇理由：

週邊模組整合

系統採用「主板 + 自製子板」架構：

整合的週邊模組：

1. GPS 模組

專案使用兩種 GPS 模組（演進過程）：

GPS 模組 1：Leadtek LR9548S

規格項目 規格值
型號 LR9548S
連接介面 RS-232
外觀大小 24 × 20 × 2.9 mm
重量 2.5 g
輸入電壓範圍 3.2 ~ 5 V
資料更新頻率 1 秒
GPS 精確度 < 15 m（95% typical）
DGPS 精確度 < 3~5 m（95% typical）
Reacquisition < 2 seconds
同時追蹤衛星數 12

狀態： 腳位損壞，改用 GPS15XL-W

GPS 模組 2：GARMIN GPS15XL-W（最終使用）

規格項目 規格值
型號 GPS15XL-W
連接介面 RS-232
外觀大小 35.56 × 45.85 × 8.31 mm
重量 14.1 g
輸入電壓範圍 3.3 ~ 5 V
資料更新頻率 1 秒
GPS 精確度 < 15 m（95% typical）
DGPS 精確度 < 3~5 m（95% typical）
Reacquisition < 2 seconds
同時追蹤衛星數 12

通訊協定： NMEA 0183 資料格式： GPGGA、GPRMC、GPGSA、GPGSV 功能： 即時定位（經緯度、高度、速度、方向）

GPS 程式開發過程（6 個版本迭代）：

版本 開發研析 資料項目 備註
Ver 1 抓取 GPGGA 格式資料，分析陣列內容，依資料項目放入各別陣列 - 時間
- 緯度（GGA 格式）
- 經度（GGA 格式）
- 高度		 原本是抓取 RMC 格式資料，但因定位時間過久，所以改成 GGA 格式嘗試
Ver 2 陣列資料轉為數字型態。時間為 UTC 型式，於是把「時」的部分加 8，變成台灣時間 同上 1. 資料轉為數字型態目的在便於計算
2. 發現定位時間過久是因為實驗室走廊位置遮蔽較多，且天候因素也有影響
Ver 3 把各資料項目放入 GPSgetData 函數 - 時間
- 緯度（GGA 格式）
- 經度（GGA 格式）
- 高度
- 北半球或南半球
- 東半球或西半球		 資料統一放到陣列內，便於飛控程式抓取
Ver 4 增加 GPRMC、GPGSA、GPGSV 格式 - 時間
- 緯度（GGA 及 RMC 格式）
- 經度（GGA 及 RMC 格式）
- 高度
- 北半球或南半球
- 東半球或西半球
- 定位狀態 getStatus()
- 對地速度 Speed()
- 對地方向 Direction()
- 磁極變量 Mag()		 比較 GGA 及 RMC 格式的經緯度資料，發現兩者數值相差約 2~3 度
Ver 5 增加 GPVTG 格式。GPRMV 格式的速度、方向、日期由 Array() 函數擷取。由 Resolve(char str[]) 函數分析 - 時間
- 緯度（GGA 及 RMC 格式）
- 經度（GGA 及 RMC 格式）
- 高度
- 北半球或南半球
- 東半球或西半球
- 定位狀態 getStatus()
- 速度、方向、日期 Array()		 除了 VTG 格式抓取的資料仍為字元外，其餘資料皆為數字型態
Ver 6 刪掉 GPVTG 格式，全部資料轉為數字型態 同上 因為 Leadtek 的 LR9548S 模組損壞，所以改為 GARMIN 的 GPS15XL-W。後者的出廠預設 NMEA 格式沒有 GPVTG，於是不擷取該格式資料

除錯機制：

2. GPRS 模組

型號：Create GPRS4SIM100

規格項目 規格值
重量 11 公克
外觀大小 53 × 33 × 3.0 mm
連接介面 RS-232
輸入電壓範圍 3.2 ~ 4.5 V
工作電流 < 500 mA
待機電流 < 3 mA
工作溫度 -30°C ~ +80°C
儲存溫度 -40°C ~ +85°C

通訊協定： AT 指令 功能： 無線數據傳輸（突破遙控器距離限制） 資料傳送頻率： 約 3 秒/筆

3. Compass 模組（電子羅盤）

型號：HONEYWELL HMC6343

功能：

通訊： I²C 精度： ±1 度（航向角度）

4. PWM 控制

功能：

控制對象：

5. 其他感測器

溫度感測器：

氣壓計：

🧠 自動飛行演算法

核心程式架構

開發流程（四大階段）：

  1. 第一階段：公用程式開發
    • 定義主板各 I/O、週邊連接 PIN 腳
    • 開發 LCD、LED、KEY 按鍵等基本功能
    • 建立開發與除錯基礎
  2. 第二階段：模組程式開發
    • 利用公用程式對各週邊模組進行功能測試
    • 將功能模組化，便於副程式運用
    • 模組：PWM、GPS、GPRS、Compass
  3. 第三階段：副程式開發
    • 將系統需解決的問題進行切割
    • 依先後順序歸類統整
    • 分別撰寫副程式提供主程式所需功能
  4. 第四階段：整合測試
    • 整合各階段程式
    • 進行地面測試及飛行測試
    • 依測試結果檢討並修改程式

主程式版本演進表

從 2010 年 7 月到 9 月，主程式經歷 11 個版本迭代：

版本 更新項目 新增需求
MainPT_Ver0712 InitAll、llStop、Show、Show7kAt、ShowAt、ShowERROR、ShowDelay、ShowSP、CleanLCD、LinsFunnyLCDL2R、LinsFunnyLCDR2L LED 燈控制、按鍵控制（增加程式開發的便利性）
MainPT_Ver0713 ShowNum、LEDCtrl、LEDON、LEDOFF、LEDChkFlag、IsKey、IsClick 開啟、關閉 LCD、KEY、LED 的功能（有時不需要使用）
MainPT_Ver0714 ShowEN、ShowDIS、LEDEN、LEDDIS、KeyEN、KeyDIS LCD 印出不需宣告的字串、判別何按鍵被按下、等待任意或指定按鍵
MainPT_Ver0716 ShowLn、ShowDouble、WhichKey、WaitFor 無正負號 CHAR 轉換
MainPT_Ver0731 ShowUnCh -
MainPT_Ver0801 加入 PWM 模組程式 開始整合伺服馬達控制
MainPT_Ver0816 加入 GPS 模組程式 整合 GPS 定位功能
MainPT_Ver0820 加入 CMPS 模組程式 整合電子羅盤（航向感測）
MainPT_Ver0822 加入 GPRS 模組程式 整合無線通訊功能
MainPT_Ver0921 整合所有副程式 完整系統整合

開發時程： 約 2.5 個月（2010/07/12 - 2010/09/21）

FLYDATA 副程式版本演進表

FLYDATA 是核心飛行控制副程式，負責計算飛行路徑與馬達控制：

版本 功能 新增需求/問題
MainPT_Ver0720 基礎距離與角度計算
- GetVD：算目前所在緯度之一度的長度
- GetXD：算目標與飛船間的距離（經緯）
- GetDegree：算目標與飛船間的角度
- GetHD：算目標與飛船間的距離（高度差）
- GetRD：算目標與飛船間的距離（實際距離）		 ⚠️ 算出距離後，尚不知道要做何動作
⚠️ 不知道要輸出何種訊號控制馬達
⚠️ 其他副程式也無法得知此計算結果
MainPT_Ver0731 飛行資料陣列與動作判斷
- 新增飛行資料陣列儲存飛行中計算、接受、判斷的資料
- DataRec：更新資料-接收
- DataMath：資料計算
- FlyDataLoad：提供其他程式載入本程式之資料
- FlyDataSave：提供其他程式輸入更新資料
- GetNDegree：算目標與飛船間的角度
- GotoLorRD：飛船要左或右多少度
- GotoUorDD：飛船要升或降多少度
- GetPitchDegree：目標與船的仰角
- 原函式 GetVD 更名為 GetLonUnit
- 原函式 GetXD 更名為 Get2DM
- 原函式 GetHD 更名為 GetHeightDoX
- 原函式 GetRD 更名為 Get3DM		 ⚠️ 將 LOAD 與 SAVE 函式完成後，需要讓其他程式試著存取，以確定函式正確運作
⚠️ 由於此時也完成了 CMPS 的模組程式，故可以進行目標判斷程式的測試
⚠️ 判斷向左或向右的動作，但仍未連接 PWM 飛船馬達，故尚未完成 PWM 數值指令表的設定
MainPT_Ver0822 飛行資料陣列擴充
- 因測試整合其他程式，飛行資料陣列大小進行調整
- 由 10×10 更改為 16×16		 ⚠️ 整合中發現程式會相互干擾
⚠️ communication 與 pwm 模組的 init 內有相衝突的設定
⚠️ 以致於無法同時初始化成功
MainPT_Ver0921 完整整合（最終版本）
- 加入 PWM 數值輸出參數設定
- 完全整合所有模組與副程式		 ⚠️ 發生 14 秒問題
⚠️ 此問題記錄：主要是 gprs 的 Rx 沒反應所以 delay 到時間

核心架構（最終版本）：

FLYDATA 副程式
├── DataRec（資料接收）
│   ├── GPS 資料：經緯度、高度
│   ├── Compass 資料：heading、pitching、rolling
│   └── 其他感測器：溫度等
│
├── DataMath（資料計算與路徑規劃）
│   ├── 計算目標點所在方位
│   ├── 結合 Compass 資料計算航向差異
│   ├── 決定飛船應該升降幾度
│   └── 決定左右轉動多少度
│
└── FlyDataSysUpt（系統更新與馬達控制）
    ├── 判斷系統是否過熱
    ├── 判斷飛行船模式（自動/手動）
    ├── 依照 DataMath 的判斷決定實際推力輸出
    └── 決定馬達動作角度

程式階層架構（五層式架構）：

第一層：自動飛行控制系統（頂層）
    │
    ↓
第二層：系統主程式
    ├── PIC24FJ128GB106 主板提供的函式
    └── 本系統定義的副程式
    │
    ↓
第三層：副程式
    ├── INIT（初始化）
    ├── FLYDATA（飛行資料處理）
    ├── TUNER（參數調整）
    ├── WHEREIS（位置判斷）
    ├── FYBTCTRLOR（馬達輸出控制）
    └── COMMUNICATION（地面通訊）
    │
    ↓
第四層：模組程式（週邊模組）
    ├── PWM 控制
    ├── GPS 資料解析
    ├── GPRS 通訊
    └── Compass 讀取
    │
    ↓
第五層：公用程式
    ├── LCD 顯示
    ├── LED 燈控制
    └── KEY 按鍵偵測

自動飛行流程

1. 資料讀取

2. 位置判斷 (WHEREIS)

3. 動作決策 (FLYDATA)

4. 馬達控制 (FYBTCTRLOR)

5. 補償機制

手動/自動模式切換

模式切換機制：

安全機制：

  1. 自動模式優先權
    • 當遙控器訊號中斷，自動切換至自動模式
    • 執行預設的安全降落程序
  2. 手動介入權限
    • 特殊情況下，手動模式可強制接管
    • 例如：緊急閃避障礙物

🌐 地面監控系統

地面 Server 架構

技術棧： Java + MySQL + TCP Socket

監控站 Server 版本演進

經歷三個主要版本的開發：

Ver 1：VB 版本（初期測試）

開發工具： Visual Basic

功能：

顯示項目：

測試方式：

限制：

Ver 2：Java 初版（GPRS 整合）

開發工具： Java

功能：

新增顯示項目：

改進：

Ver 3：Java 完成版（資料庫 + 控制功能）

開發工具： Java + MySQL

完整功能：

  1. 接收飛行資料
    • 飛行船透過 GPRS 傳送資料
    • Server 透過 TCP Socket 接收
    • 解析資料後存入 MySQL 資料庫
  2. 下達控制指令
    • 地面站可透過 Server 發送指令
    • Server 透過 GPRS 傳送給飛行船
    • 可改變目標點
    • 可改變行列的資料
    • 可操作飛船馬達升降角度
    • 可控制馬達出力百分比
  3. 資料庫管理
    • 記錄完整的飛行歷史
    • 提供查詢與分析功能
    • 記錄測試場次、位置、風力、天氣、飛船尺寸
  4. 介面設計
    • 文字框、按鈕、標籤組成
    • 資料分類顯示（過多時可用按鈕切換）
    • 顯示連結時間和接收資料時間
    • 右上角顯示目前狀態

測試資訊記錄（開啟時必須輸入）：

Google Maps 整合

使用技術：

顯示內容：

  1. 飛行船即時位置
    • 根據 GPS 資料標示在地圖上
    • 動態更新位置（例如每秒更新）
  2. 飛行軌跡
    • 顯示歷史飛行路徑
    • 用不同顏色標示不同階段
  3. 目標點標示
    • 顯示預設的導航點
    • 顯示當前目標點

Flash 動態展示系統

開發工具： Flash CS4 + ActionScript 3.0 + PHP

Flash 動畫展示系統版本演進

設計目的：

經歷 6 個版本的迭代改進：

版本 1：簡易資料顯示版

設計重點： 測試連結 PHP 載入資料庫資料的功能

顯示項目：

特色： 以資料為主，供控制模組測試用

版本 2：三視角動畫版

改進重點： 達到更佳的展示效果

新增功能：

設計特色：

發現問題：

版本 3：增加彩虹按鈕說明

改進重點： 增加說明文字，幫助使用者了解圖示

新增功能：

發現問題：

版本 4：場景分離版

改進重點： 解決畫面擁擠問題

新增功能：

發現問題：

問題根源：

版本 5：移除地板物件

改進重點： 解決速度與穩定性問題

修改：

發現問題：

版本 6：最終版本（簡約協調版）

改進重點： 提高整體畫面協調

修改：

最終顯示功能：

  1. 3D 飛行船模型
    • 即時顯示飛行船姿態
    • 航向 (Heading)
    • 俯仰角 (Pitching)
    • 翻滾角 (Rolling)
  2. 三種視角切換
    • 中景（Rear View）：飛船後方視角
    • 近景（Side View）：飛船側方視角
    • 遠景（Bird View）：飛船上方視角
  3. 動畫場景
    • 模擬真實環境（天空、雲朵）
    • 飛行船在場景中移動
    • 視覺化飛行狀態
  4. 儀表板介面
    • 顯示所有飛行參數
    • 速度、高度、航向
    • 溫度、電池電量
    • 當前模式（手動/自動）

技術亮點：

🔬 系統整合測試

地面測試（2010年12月）

測試時程： 2010年12月10日至12月26日

測試場次： 共進行 17 場次地面測試

室內測試（第1場次）：

室外測試（精選場次）：

第1場次（2010/12/12）：

第2場次（2010/12/15）：

第3場次（2010/12/15）：

第5-7場次（2010/12/17）：

第13場次（2010/12/24）：

第17場次（2010/12/26）：

室外地面測試總結

測試項目 測試結果 達成
GPS 定位精準度 誤差 < 15 公尺 ✅
資料傳送速度 約 3 秒/筆 ✅
目標距離判斷 實際距離差距 < 10 公尺 ✅
抵達目標判斷 約 15-20 公尺範圍內 ✅
飛行方向判斷 左右轉及角度判斷正確 ✅
目標點範圍精準度 平面 30M、直線 40M ✅
馬達動作控制 轉動角度與推力正常 ✅
GPRS 控制反應速度 約 4-5 秒 ✅
遙控器切換反應速度 < 4 秒 ✅

飛行測試（2011年1月）

測試準備工作：

  1. 氦氣填充（第一天測試）
  2. 飛行船組裝：綁上襟翼與船艙
  3. 行前確認：使用檢查清單
    • 電源電力檢查
    • 監控站開啟確認
    • GPS 定位確認
    • GPRS 連線確認

第一次飛行測試（2011/01/08）

重點場次： 第 29 場次

飛行數據：

飛行軌跡記錄：

詳細記錄了飛行資料點 243-482 的完整飛行軌跡：

Google Maps 路徑驗證：

測試發現：

改進措施：

第二次飛行測試（2011/01/09）

重點場次： 第 42、43 場次

改進成果：

測試驗證總結

地面測試成果（17場次）：

飛行測試成果：

🏆 研究成果

技術突破

  1. 自主飛行控制
    • 成功開發完整的自動導航系統
    • 飛行船可根據 GPS 座標自動飛行
    • 不再依賴人工遙控
  2. 手動/自動模式
    • 實現即時切換
    • 提供安全機制
    • 解決人工操控失控問題
  3. 無限制飛行範圍
    • 透過 GPRS 突破遙控距離限制
    • 可執行長距離飛行任務
  4. 完整監控系統
    • Java Server + MySQL 資料管理
    • Google Maps 地圖顯示
    • Flash 3D 動態模擬
    • 提供完整的飛行記錄

系統整合能力

硬體整合：

軟體整合：

系統整合：

專案規模

開發時程： 約 8-10 個月

開發階段：

  1. 需求分析與系統設計
  2. 硬體電路設計與製作
  3. 嵌入式程式開發
  4. 週邊模組整合
  5. 地面站系統開發
  6. 地面整合測試
  7. 飛行測試與驗證
  8. 系統優化與調整

團隊協作：

💡 關鍵技術挑戰

1. GPS 訊號處理

挑戰：

解決方案：

2. GPRS 通訊穩定性

挑戰：

解決方案：

3. 姿態控制精度

挑戰：

解決方案：

4. 系統整合複雜度

挑戰：

解決方案：

📚 學習收穫

技術層面

嵌入式系統開發：

週邊模組整合：

地面站開發：

系統整合：

專案管理

團隊協作：

時程管理：

測試驗證：

經驗體悟

這個專案讓我深刻體會到：

系統整合的挑戰：

實際應用的考量：

除錯的困難：

這些經驗對我後續在工業自動化領域的開發非常有幫助，讓我更注重系統的穩定性、可靠性與容錯機制。

🔗 相關專案

這個畢業論文專案後來延伸出另一個專案：

無人飛行船地面站即時監控系統

在畢業後，我又開發了一個更精簡的飛行船監控 DEMO，用來監控：

使用 Flash/ActionScript 開發地面站監控介面，透過 GPRS 即時接收飛行資料。

論文資訊

Happy Coding! 🚁

論文Microchip嵌入式系統GPSGPRS自動導航飛行控制