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：

✅ 飛行船能夠自主飛行，根據預設 GPS 座標自動導航
✅ 手動/自動模式即時切換，解決人工操控失控問題
✅ 突破地面遙控範圍限制，飛行船可在任意地點航行
✅ GPRS 即時回傳飛行資料至地面監控站
✅ 地面站動態模擬，Google Maps + Flash 即時顯示飛行狀態

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：

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
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
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：

利用飛行船雷達截面積小（RCS）的特性
軍事偵察、情報蒐集

商業/民間應用：

廣告宣傳（空中廣告看板）
溫度濕度監測
空中拍攝、環境監控

🎓 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：

GPS 即時定位
Compass 獲取航向
自動計算飛行路徑
馬達動力自動調整

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：

正常狀況：使用自動模式，按照預設路線飛行
特殊需求：切換手動模式，由操作員介入控制
操作失誤：自動模式接手，啟動安全降落程序

切換機制：

遙控器可即時切換模式
自動模式優先權設定
安全機制防止誤切換

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：

使用 GPRS 無線通訊（不受距離限制）
自動導航系統不依賴地面遙控
地面站可透過 GPRS 下達指令

實際效益：

飛行範圍從數百公尺擴展到無限制
可執行長距離飛行任務
地面站隨時可監控與介入

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：

位置資訊：GPS 經緯度、高度
姿態資訊：航向 (Heading)、俯仰角 (Pitching)、翻滾角 (Rolling)
環境資訊：溫度、氣壓
控制資訊：當前模式、目標座標、馬達輸出

技術實現：

GPRS 定期回傳資料（例如每秒）
Java Server 接收並存入 MySQL 資料庫
建立完整的飛行記錄

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：

Google Maps 地圖顯示：標示飛行船即時位置
Flash 動態模擬：3D 動畫顯示飛行船姿態與動作
儀表板介面：顯示所有飛行參數

實際效益：

飛行船飛到高空或遠處，地面仍能掌握狀態
提供直觀的視覺化監控
方便記錄與分析飛行數據

🚁 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：

前進推力
- 載台左右兩側的直流馬達
- 轉動葉片產生推力
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
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：

推進馬達架設於轉向伺服馬達之上
左右各 75 度風向吹送角度
零度時（直往後吹）可作為前進加速

優點：

✅ 轉向角度可精確控制
✅ 零度位置可提供額外推力

缺點與改進需求：

⚠️ 轉向能力不足
⚠️ 風大時反應速度過慢
⚠️ 路徑偏移量過大
⚠️ 手動操作控制不理想

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：

碳刷馬達固定於下尾翼中間
利用極性切換達成正反吹送
增加垂直襟翼加強轉向效果

優點：

✅ 轉向迅速（直接切換馬達極性）
✅ 反應速度比 A 型快

缺點：

⚠️ 碳刷馬達正反轉出力有明顯落差
⚠️ 兩個方向的轉向速度不一致

C型船體：主推力升級 + 四組襟翼（最終版本）

主要改良重點：

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
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：

✅ 逆風環境下推力充足
✅ 升降反應迅速（襟翼輔助）
✅ 轉向性能大幅提升
✅ 整體船身控制性能改善

缺點：

⚠️ 船體重量增加（需增加氦氣填充量）
⚠️ 重心位置需重新調配
⚠️ PWM 訊號規劃更複雜（4組襟翼伺服馬達）
⚠️ 電力耗損增加，飛行時間縮短

意外發現：

🎯 測試中發現：即使主轉向馬達失效，單靠轉向襟翼也能達到轉向功能
🎯 襟翼轉向較慢但更穩定，角度變化緩和

💻 自動控制系統架構

核心控制板

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

選擇理由：

16位元微控制器，運算能力足夠
內建 UART、I2C、SPI 等通訊介面
豐富的 GPIO 可連接多個週邊模組
支援 PWM 輸出，控制伺服馬達

週邊模組整合

系統採用「主板 + 自製子板」架構：

主板：負責核心運算與決策
子板：銜接各種週邊模組，轉接訊號格式

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：

透過 LCD 顯示資料數值，便於開發過程查看
設計按鍵切換，顯示各種資訊
利用 LED 亮燈檢查旗標，可知程式出錯於哪個流程

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：

獲取航向角度（Heading）：0-360 度
俯仰角（Pitching）
翻滾角（Rolling）

通訊： I²C 精度： ±1 度（航向角度）

4. PWM 控制

功能：

控制伺服馬達（升降、轉向、襟翼）
控制直流馬達（前進推力）

控制對象：

升降伺服馬達：1 組
轉向伺服馬達/碳刷馬達：1 組
襟翼伺服馬達（C型船體）：4 組
主推力直流馬達：2 組（左右）

5. 其他感測器

溫度感測器：

監控系統溫度
過熱保護機制

氣壓計：

輔助高度測量
提升高度精確度

🧠 自動飛行演算法

核心程式架構

開發流程（四大階段）：

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
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
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
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

GPS：取得當前位置（經度、緯度、高度）
Compass：取得當前航向（0-360度）
氣壓計：輔助高度測量

2. 位置判斷 (WHEREIS)

計算當前位置與目標位置的距離
計算當前位置與目標位置的方位角
判斷是否已到達目的地

3. 動作決策 (FLYDATA)

根據方位角差異，決定左轉或右轉
根據高度差異，決定上升或下降
根據距離，決定推力大小

4. 馬達控制 (FYBTCTRLOR)

升降伺服馬達：控制俯仰角
轉向伺服馬達：控制航向
推力馬達：控制前進速度

5. 補償機制

風向補償：根據環境風向調整航向
高度補償：根據氣壓變化微調高度
推力補償：根據電池電量調整輸出

手動/自動模式切換

模式切換機制：

手動模式：遙控器直接控制馬達
自動模式：程式控制馬達，遙控器無效（除了切換鈕）
切換方式：遙控器特定按鈕，即時切換

安全機制：

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
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：

✅ 接收 Client 端資料
✅ 存入文字檔
✅ 顯示基本飛行資訊

顯示項目：

IP、PORT、傳輸資料
目前位置座標、目的地座標
經度、緯度、現在時間
左右轉、傾角、方向角

測試方式：

模擬 1 個傳送端傳資料
未使用 GPRS 測試（僅 TCP 測試）

限制：

⚠️ 只能接收資料，無法存入資料庫
⚠️ 無法下達控制指令

Ver 2：Java 初版（GPRS 整合）

開發工具： Java

功能：

✅ 改用 Java 撰寫
✅ 先把資料存成文字檔
✅ GPRS 測試成功，確認資料可透過 GPRS 傳送並存入文字檔

新增顯示項目：

目前位置（經緯度、南北緯、東西經）
目的地（經緯度、南北緯、東西經）
高度（GPS 抓取）
手動/自動模式（新增）

改進：

✅ 介面更清楚，資訊分類更完整
✅ 清空文字框功能
✅ 全部收到的資料都會印出

Ver 3：Java 完成版（資料庫 + 控制功能）

開發工具： Java + MySQL

完整功能：

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
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
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
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）：

測試場次
測試位置
風力
天氣
飛船尺寸

Google Maps 整合

使用技術：

Google Maps API (JavaScript)
Google Maps API for Flash

顯示內容：

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）
飛行軌跡
- 顯示歷史飛行路徑
- 用不同顏色標示不同階段
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：

當飛航高度過高，飛行船不在可視距離內時，檢視飛行資訊不易
資料庫數據繁多也不易查詢
需要更清楚了解飛船飛行資訊
同時擁有美觀與傳遞資訊功能

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：

出發時間：飛船出發時間（西元年月日）
出發位置：飛船出發座標（度度，分分，分分分分）東西經或南北緯
中繼站：下一個飛行目標的座標
終點站：最後的飛行目標
目前位置：飛船飛行的當下座標
已花費時間：從出發到當下的時間（時分秒）
時速：飛行速度（公里/小時）
已行走距離：從出發到當下的距離（公尺）
高度：目前飛船飛行高度（公尺）
傾角：飛船與水平線夾角
方向角：飛船水平轉向角度

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：

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

設計特色：

✅ 用三種不同視角呈現飛船即時動態
✅ 資訊用小圖示配合數據表示
✅ 畫面不會過於繁雜

發現問題：

⚠️ 圖示無法使觀看者清楚了解含意

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：

✅ 增加彩虹按鈕
✅ 滑鼠指向按鈕上的文字時，對應物件會發亮表示位置
✅ 藉此幫助使用者了解圖示含意

發現問題：

⚠️ 加入彩虹按鈕使畫面更加擁擠

版本 4：場景分離版

改進重點： 解決畫面擁擠問題

新增功能：

✅ 把三種場景分為三個部分
✅ 增加近中遠按鈕，可利用按鈕選擇要看的場景
✅ 各景有專用的彩虹按鈕
✅ 移入按鈕時更容易注意相對物件的動畫效果

發現問題：

⚠️ 動畫播放速度異常緩慢
⚠️ Flash CS4 軟體不穩定，常常因不明原因發生錯誤必須強制關閉
⚠️ 慢速播放讓展示平台的即時性大幅下降

問題根源：

地板物件中大量的補間動畫拖慢整體速度
每次播放時一次處理太多補間動畫導致軟體不穩

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：

✅ 將中景飛船畫面改為無地板空中飛行
✅ 移除大量補間動畫的地板物件
✅ 解決速度緩慢問題
✅ 解決軟體不穩定問題

發現問題：

⚠️ 經協調性檢測，彩虹按鈕的畫面與中景以外的場景有過度的差異化
⚠️ 畫面轉到近景及遠景時產生不協調感

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：

✅ 省略整個彩虹按鈕物件
✅ 將近中遠按鈕改為簡約風英文按鈕
✅ 說明部分改為移入物件彈出文字框說明
✅ 提高整體畫面協調

最終顯示功能：

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)
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
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
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：

Flash 與 PHP 整合：透過 PHP 讀取資料庫，提供給 Flash 顯示
即時更新：Flash 定期向 PHP 請求最新資料
視覺化設計：直觀易懂的介面，方便監控
簡約協調：經過 6 個版本優化，達到最佳使用者體驗

🔬 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）：

日期：2010/12/10
測試項目：
- ✅ 升降伺服馬達自動控制
- ✅ 手動/自動模式切換（遙控器硬體切換）
- ✅ GPRS 連線測試
- ✅ 地面站控制與自動模式切換
- ✅ Flash 動態展示即時更新
- ✅ 馬達推力自動控制

室外測試（精選場次）：

第1場次（2010/12/12）：

時間：晚上 10:55 - 11:33
記錄資料：767 筆
測試重點：GPS 定位精度、資料傳送速度
發現問題：靠近建築物時出現定位錯誤點

第2場次（2010/12/15）：

時間：晚上 8:48 - 9:17
記錄資料：597 筆
測試成果：
- ✅ 四個目標點皆可計算距離
- ✅ 目標距離判斷誤差 < 3 公尺（Google Earth 驗證）
- ✅ 資料傳送穩定：每筆間隔約 3 秒

第3場次（2010/12/15）：

時間：晚上 9:33 - 10:06
記錄資料：655 筆
測試成果：
- ✅ 飛行方向判斷正確
- ✅ 目標點範圍判斷：約 25 公尺內判斷抵達
- ✅ GPS 誤差範圍內（10 公尺）

第5-7場次（2010/12/17）：

搭載飛行船船艙（A型）
使用推車模擬船身移動
測試馬達實際動作與反應
調整 PWM 參數

第13場次（2010/12/24）：

記錄資料：907 筆
測試成果：
- ✅ Compass 方向補償正常
- ✅ GPRS 控制反應速度：約 4-5 秒
- ✅ 遙控器切換反應：4-20 秒

第17場次（2010/12/26）：

時間：晚上 9:57 - 10:41
記錄資料：917 筆
最終地面測試，確認各項功能正常

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：

氦氣填充（第一天測試）
飛行船組裝：綁上襟翼與船艙
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：

海平面高度：約 105 公尺
最高飛行高度：127 公尺
記錄資料筆數：超過 400 筆飛行資料
目標點設定：6 個目標點（操場跑道逆時針方向）

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：

起飛點：第 243 筆資料
飛行資料點 258-278：初期飛行階段
飛行資料點 298-312：中期飛行階段
飛行資料點 462-482：後期飛行階段

Google Maps 路徑驗證：

使用自製路徑軌跡圖程式
將資料庫記錄的 GPS 資料點在 Google Maps 上標示
繪製完整飛行路徑
驗證飛行方向與目標點關係

測試發現：

⚠️ 馬達推力不足
⚠️ 浮力不足（氦氣未充飽）
⚠️ 船艙過重（多加兩組推進馬達但未使用）
⚠️ 緊急時切換手動模式仍偶爾失控

改進措施：

✅ 拆除多餘的推進馬達（減輕重量）
✅ 補充氦氣填充
✅ 規劃行前準備表
✅ 準備足夠的備用電池

第二次飛行測試（2011/01/09）

重點場次： 第 42、43 場次

改進成果：

✅ 重新設定 6 個目標點（操場中間偏北，較安全）
✅ 船艙減重後飛行穩定性提升
✅ 氦氣補充後浮力充足

測試驗證總結

地面測試成果（17場次）：

✅ 系統各模組功能正常
✅ GPS 定位精度達標（< 15m）
✅ GPRS 通訊穩定（3秒/筆）
✅ 自動導航邏輯正確
✅ 手動/自動切換功能正常

飛行測試成果：

✅ 成功完成自動飛行導航
✅ 飛行高度達 127 公尺
✅ 記錄超過 400 筆飛行資料
✅ 地面監控資料接收正常
✅ Google Maps 即時顯示飛行路徑
✅ Flash 動態展示系統正常運作
✅ 系統各項功能完整驗證

🏆 研究成果

技術突破

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
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
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
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：

Microchip 微控制器
GPS、GPRS、Compass 等多種週邊模組
伺服馬達、直流馬達控制
自製子板電路設計

軟體整合：

嵌入式 C 語言程式開發
自動飛行演算法設計
Java Server 開發
MySQL 資料庫設計
Google Maps API 整合
Flash/ActionScript 介面開發

系統整合：

嵌入式系統 + 無線通訊 + 地面站
硬體 + 軟體 + 網路的完整整合
從概念設計到實際飛行測試

專案規模

開發時程： 約 8-10 個月

開發階段：

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

團隊協作：

6 人團隊分工合作
嵌入式開發、地面站開發、系統整合、週邊模組、測試驗證
指導教授技術指導

💡 關鍵技術挑戰

1. GPS 訊號處理

挑戰：

GPS 模組輸出格式複雜（NMEA 0183 協定）
需要解析多種訊息類型（GPGGA、GPRMC 等）
資料需要轉換（度分秒格式）

解決方案：

開發 GPS 解析模組
提取所需資料（經緯度、高度、速度）
轉換為系統可用格式

2. GPRS 通訊穩定性

挑戰：

GPRS 訊號可能不穩定
資料傳輸可能中斷
AT 指令控制複雜

解決方案：

實作重連機制
資料緩衝與重送
完整的 AT 指令處理流程

3. 姿態控制精度

挑戰：

飛行船容易受風影響
Compass 容易受電磁干擾
馬達控制需要精確調整

解決方案：

實作補償演算法
多次測試調整參數
平滑控制避免劇烈變化

4. 系統整合複雜度

挑戰：

多個模組同時運作
時序控制困難
除錯不易（飛行中無法 debug）

解決方案：

模組化設計
完整的地面測試
記錄 log 協助分析

📚 學習收穫

技術層面

嵌入式系統開發：

Microchip PIC24F 系列微控制器
UART、I2C、SPI 通訊協定
PWM 控制原理
中斷處理與時序控制

週邊模組整合：

GPS 訊號解析
GPRS AT 指令控制
Compass I2C 通訊
馬達驅動電路

地面站開發：

Java Socket 程式設計
MySQL 資料庫設計
Google Maps API 應用
Flash/ActionScript 開發

系統整合：

嵌入式 + 無線通訊 + 地面站
硬體設計 + 軟體開發
從需求到實現的完整流程

專案管理

團隊協作：

6 人團隊分工合作
定期討論與進度追蹤
問題解決與互相支援

時程管理：

規劃開發階段
控制進度與里程碑
處理突發狀況

測試驗證：

系統化的測試流程
記錄與分析測試結果
持續優化改進

經驗體悟

這個專案讓我深刻體會到：

系統整合的挑戰：

每個模組單獨測試都正常，但整合後會出現問題
時序衝突、資源競爭、訊號干擾等
需要系統化思考，而不是只看個別模組

實際應用的考量：

理論上可行，實際環境有很多變數
風向、溫度、電磁干擾都會影響
需要大量測試與調整

除錯的困難：

飛行中無法即時 debug
只能透過回傳資料分析
需要設計完善的 log 機制

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：

溫度、濕度、氣壓
飛行姿態（航向、俯仰角、翻滾角）
GPS 位置
39 個飛行參數

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

論文標題：無人飛行船自動導航系統
學校：實踐大學資訊科技與通訊學系
作者：林亞澤、侯圳嶺、侯劭東、劉文茜、葉曉霈、鄧靜容
指導教授：吳啟偉老師
完成時間：民國100年（2011年）
專案類型：學士畢業論文專案
技術棧：Microchip PIC24F + GPS + GPRS + Compass + Java + MySQL + Google Maps + Flash

Happy Coding! 🚁