實踐大學 資訊科技與通訊學系

劉文茜 葉曉霈 鄧靜容 指導教授： 吳啟偉老師 民國 100 年

專題摘要

本專題以 Microchip 公司所生產的 PIC24FJ128GB106 板子為主體，搭配自行 製作的子板銜接 GPS 、 GPRS 以及 Compass 等週邊模組，達成無人飛行船自動飛 行的目標。 本研究已經能夠讓飛行船自動依據設定好的路線巡航，並利用 GPRS 回傳飛 行即時動態資料至地面監測站，其中包含經緯度、高度、溫度、目前動作、下一 目的地、以及航向、船身俯仰、偏傾等相關資訊，同時地面監測站也可以利用 GPRS 下達控制指令至飛船上，即時改變目前動作或者是更改目的地座標。 本專題從自行開發軟硬體控制系統後，歷經多次地面測詴 (Ground Test) 及空 中飛行測詴 (Fly Test) ，已成功完成系統各項功能驗証，其中包括自動飛行導航、 手動自動飛行模式切換、地面監控資料接收、地面資料人機介面及動畫即時顯 示 … 等驗證。

I

目錄

專題摘要 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. I

目錄 ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. II

表目錄 …………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. V

圖目錄 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. VIII

第一章 緒論 …………………………………………………………………………………………………………………………………………. 1

1.1. 論文架構 …………………………………………………………………………………………………………………………………………. 1

1.2. 研究動機 …………………………………………………………………………………………………………………………………………. 1

1.3. 目的 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 1

第二章 飛船及自動控制系統設計 …………………………………………………………………………………………………………… 2

2.1. 飛船架構 …………………………………………………………………………………………………………………………………………. 2

2.1.1. 前言 ………………………………………………………………………………………………………………………………………… 2

2.1.2. 船體操控及動力概述 ……………………………………………………………………………………………………………….. 2

2.1.3. 控制模組 …………………………………………………………………………………………………………………………………. 4

2.1.4. 與他校類似研究比較 ……………………………………………………………………………………………………………….. 6

2.2. 自動控制系統架構 …………………………………………………………………………………………………………………………… 7

2.2.1. 系統主架構 ……………………………………………………………………………………………………………………………… 7

2.3. 馬達動力控制設計 …………………………………………………………………………………………………………………………… 8

2.3.1. 馬達控制演進表 ………………………………………………………………………………………………………………………. 8

2.3.2. 馬達動力控制設計 …………………………………………………………………………………………………………………… 9

2.4. 系統手、自動切換模式 ………………………………………………………………………………………………………………….. 11

2.5. 子板電路設計 ………………………………………………………………………………………………………………………………… 12

2.5.1. 設計概述 ……………………………………………………………………………………………………………………………….. 12

2.5.2. 電路圖 …………………………………………………………………………………………………………………………………… 14

2.6. 系統電力設計 ………………………………………………………………………………………………………………………………… 17

2.7. 地面 SERVER 系統 …………………………………………………………………………………………………………………………… 18

2.8. 動態展示系統 ………………………………………………………………………………………………………………………………… 18

2.9. 系統開發期程表 …………………………………………………………………………………………………………………………….. 19

第三章 主核心模組 ……………………………………………………………………………………………………………………………… 20

3.1. PIC24F PIN 腳定義圖表 …………………………………………………………………………………………………………………… 20

3.2. 飛行船自動飛行系統主程式 …………………………………………………………………………………………………………… 21

3.2.1. ＭＰＬＡＢ軟體簡介 ……………………………………………………………………………………………………………… 21

II

3.2.2. 自動飛行主程式流程 ……………………………………………………………………………………………………………… 22

3.2.3. 自動飛行主程式版本演進表 …………………………………………………………………………………………………… 23

3.2.4. 飛行船自動飛行系統程式階層架構 ………………………………………………………………………………………… 24

3.3. 公用程式 ……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 25

3.3.1. 系統公用程式規劃 …………………………………………………………………………………………………………………. 25

3.3.2. 公用程式執行測詴 …………………………………………………………………………………………………………………. 25

3.4. 副程式 …………………………………………………………………………………………………………………………………………… 27

3.4.1. FLAYDATA ………………………………………………………………………………………………………………………………. 27

3.4.2. TUNER ……………………………………………………………………………………………………………………………………. 41

3.4.3. WHEREIS ………………………………………………………………………………………………………………………………… 41

3.4.4. 馬達輸出 FYBTCTRLOR ……………………………………………………………………………………………………………. 42

3.4.5. 地面通訊 COMMUNICATION …………………………………………………………………………………………………… 44

第四章 週邊模組控制設計 ……………………………………………………………………………………………………………………. 44

4.1. 模組程式－ PWM ……………………………………………………………………………………………………………………………. 44

4.1.1. 控制原理：脈波寬度調變 (Pulse Width Modulation ， PWM) …………………………………………………… 44

4.1.2. 模組所需提供功能 …………………………………………………………………………………………………………………. 45

4.1.3. PWM 程式開發研析 ……………………………………………………………………………………………………………….. 45

4.2. 模組程式－ GPS ……………………………………………………………………………………………………………………………… 46

4.2.1. 全球衛星定位系統（ Global Positioning System ） ……………………………………………………………………… 46

4.2.2. GPS 訊號處理 …………………………………………………………………………………………………………………………. 46

4.2.3. GPS 接收器 …………………………………………………………………………………………………………………………….. 46

4.2.4. GPS 程式開發研析 ………………………………………………………………………………………………………………….. 48

4.2.5. GPS 程式流程 …………………………………………………………………………………………………………………………. 50

4.2.6. GPS 程式開發過程 ………………………………………………………………………………………………………………….. 50

4.3. 模組程式－ GPRS ……………………………………………………………………………………………………………………………. 53

4.3.1. 通用封包無線服務通訊原理 …………………………………………………………………………………………………… 53

4.3.2. GPRS 接收資料格式 ………………………………………………………………………………………………………………… 54

4.3.3. AT 指令與終端機測詴 …………………………………………………………………………………………………………….. 55

4.3.4. GPRS 程式流程 ……………………………………………………………………………………………………………………….. 58

4.3.5. GPRS 程式開發研析 ………………………………………………………………………………………………………………… 59

4.4. 模組程式－ CMPS …………………………………………………………………………………………………………………………… 60

4.4.1. I [2] C 通訊原理： ……………………………………………………………………………………………………………………….. 60

4.4.2. 概述 ………………………………………………………………………………………………………………………………………. 60

4.4.3. 指令參考表 ……………………………………………………………………………………………………………………………. 61

4.4.4. 程式摘要 ……………………………………………………………………………………………………………………………….. 62

4.4.5. Compass 程式開發研析 …………………………………………………………………………………………………………… 62

4.4.6. Compass 程式開發過程 …………………………………………………………………………………………………………… 64

III

第五章 地面監控 …………………………………………………………………………………………………………………………………. 64

5.1. 地面 SERVER 建置 …………………………………………………………………………………………………………………………….. 64

5.1.1. TCP 原理 ………………………………………………………………………………………………………………………………… 64

5.1.2. Java － Mysql 資料庫存取原理 …………………………………………………………………………………………………. 65

5.2. GOOGLE MAPS …………………………………………………………………………………………………………………………………… 66

5.2.1. Google Maps API Java Script …………………………………………………………………………………………………….. 66

5.2.2. Google Maps Flash ………………………………………………………………………………………………………………….. 67

5.3. 監控站 SERVER 版本演進 ………………………………………………………………………………………………………………….. 67

5.4. 資料庫建置 ……………………………………………………………………………………………………………………………………. 74

5.5. 飛行人機介面與開發研析 ………………………………………………………………………………………………………………. 81

5.6. FLASH 動態展示使用工具 …………………………………………………………………………………………………………………. 81

5.6.1. PHP 簡介 ……………………………………………………………………………………………………………………………….. 81

5.6.2. Wamp 簡介 ……………………………………………………………………………………………………………………………. 82

5.6.3. Flash CS4 簡介 ………………………………………………………………………………………………………………………… 82

5.6.4. PHP 程式設計 ………………………………………………………………………………………………………………………… 83

5.7. FLASH 動態展示平台設計 …………………………………………………………………………………………………………………. 83

5.7.1. Flash 動態展示系統建置開發研析 …………………………………………………………………………………………… 83

5.7.2. 動畫場景設計 ………………………………………………………………………………………………………………………… 84

第六章 系統整合測詴與驗證 ………………………………………………………………………………………………………………… 95

6.1. 地面整合測詴（ PIC+SERVER ＋動態展示） ………………………………………………………………………………………… 95

6.1.1. 室內地面測詴 ………………………………………………………………………………………………………………………… 95

6.1.2. 室外地面測詴 ………………………………………………………………………………………………………………………… 96

6.2. 飛行整合測詴 ………………………………………………………………………………………………………………………………. 105

6.2.1. 飛行測詴流程 ………………………………………………………………………………………………………………………. 105

6.2.2. 飛行測詴準備工作 ……………………………………………………………………………………………………………….. 106

6.2.3. 飛行測詴記錄與討論 ……………………………………………………………………………………………………………. 107

第七章 結論與未來展望 ……………………………………………………………………………………………………………………… 130

文獻探討 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 131

附錄 …………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 132

GPS 訊號格式 ………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 132

GOOGLE MAPS API 建置方式 ………………………………………………………………………………………………………………………… 135

GOOGLE MAPS API FOR FLASH 建置步驟 …………………………………………………………………………………………………………… 139

無人飛行船自動導航系統 行前確認單 ……………………………………………………………………………………………………… 143

動態展示各版本詳細資訊 ………………………………………………………………………………………………………………………… 145

IV

表目錄

表 2-1 與他校類似比較表 …………………………………………………………………………………………………………………………. 6

表 2-2 使用元件列表 ………………………………………………………………………………………………………………………………… 8

表 2-3 馬達控制演進表 …………………………………………………………………………………………………………………………….. 9

表 2-4 進度甘特圖 ………………………………………………………………………………………………………………………………….. 19

表 3-1 主程式版本更新表 ………………………………………………………………………………………………………………………… 24

表 3-2FLYDATA 副程式版本演進表 ……………………………………………………………………………………………………………. 27

表 3-3 補償動作 ……………………………………………………………………………………………………………………………………… 32

表 3-4 ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 33

表 3-5 馬達控制參數設定表 …………………………………………………………………………………………………………………….. 34

表 3-6 馬達推力輸出百分比 …………………………………………………………………………………………………………………….. 34

表 3-7 旗標表列 ……………………………………………………………………………………………………………………………………… 35

表 3-8 ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 36

表 4-1 PWM 開發研析 ……………………………………………………………………………………………………………………………… 45

表 4-2 GPS15XL 規格 ……………………………………………………………………………………………………………………………….. 47

表 4-3 LR9548S 規格 ………………………………………………………………………………………………………………………………… 48

表 4-4 GPS 開發研析 ……………………………………………………………………………………………………………………………….. 48

表 4-5 GPS 資料顯示於 LCD 說明 ………………………………………………………………………………………………………………. 50

表 4-6 GPRS4SIM100 規格 ………………………………………………………………………………………………………………………… 53

表 4-7 ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 54

表 4-8 ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 54

表 4-9 ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 54

表 4-10 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 55

表 4-11 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 55

表 4-12 GPRS 開發研析 ……………………………………………………………………………………………………………………………. 59

表 4-13 HMC6343 技術規格表 ………………………………………………………………………………………………………………….. 60

表 4-14 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 61

V

表 4-15 COMPASS 開發研析 ……………………………………………………………………………………………………………………… 62

表 5-1 VB SERVER 格式說明 ……………………………………………………………………………………………………………………… 68

表 5-2 VB CLIENT 格式說明 ………………………………………………………………………………………………………………………. 68

表 5-3 JAVA 初版介面說明 ……………………………………………………………………………………………………………………….. 69

表 5-4 JAVA 完成版介面說明 ……………………………………………………………………………………………………………………. 70

表 5-5 動作狀態格式 ……………………………………………………………………………………………………………………………….. 74

表 5-6 COMPASS 格式 ……………………………………………………………………………………………………………………………… 74

表 5-7 日期格式 ……………………………………………………………………………………………………………………………………… 75

表 5-8 飛行旗標格式 ……………………………………………………………………………………………………………………………….. 75

表 5-9 飛行模式目標格式 ………………………………………………………………………………………………………………………… 76

表 5-10 目標點資料格式 ………………………………………………………………………………………………………………………….. 76

表 5-11 GPS 狀態格式 ……………………………………………………………………………………………………………………………… 77

表 5-12 微調後馬達指令格式 …………………………………………………………………………………………………………………… 77

表 5-13 自動判斷馬達指令格式 ………………………………………………………………………………………………………………… 78

表 5-14 現在經緯度格式 ………………………………………………………………………………………………………………………….. 78

表 5-15 場地天氣格式 ……………………………………………………………………………………………………………………………… 78

表 5-16 方向距離格式 ……………………………………………………………………………………………………………………………… 79

表 5-17 實際輸出格式 ……………………………………………………………………………………………………………………………… 80

表 5-18 目標點資料格式 ………………………………………………………………………………………………………………………….. 80

表 5-19 溫度格式 ……………………………………………………………………………………………………………………………………. 81

表 5-20 飛行人機介面問題研析表 …………………………………………………………………………………………………………….. 81

表 5-21 PHP 程式問題研析表 ……………………………………………………………………………………………………………………. 83

表 5-22 FLASH 動態展示系統建置開發研析表 …………………………………………………………………………………………….. 83

表 5-23 版本1 場景畫面 ………………………………………………………………………………………………………………………….. 84

表 5-24 版本6 場景畫面 ………………………………………………………………………………………………………………………….. 85

表 5-25 版本6 場景物件解析 …………………………………………………………………………………………………………………… 87

表 6-1 室內地面測詴表 ……………………………………………………………………………………………………………………………. 96

表 6-2 室外地面測詴表 ………………………………………………………………………………………………………………………….. 105

VI

表 6-3 飛測綜整列表 ……………………………………………………………………………………………………………………………… 130

GPGGA 範例說明 ………………………………………………………………………………………………………………………………….. 132

GPRMC 範例說明 …………………………………………………………………………………………………………………………………… 133

GPGSA 範例說明 ……………………………………………………………………………………………………………………………………. 134

VII

圖目錄

圖 2-2 B 型船體 ……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 3

圖 2-1 A 型船體 ……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 3

圖 2-3 C 型船體 ……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 4

圖 2-4 PIC 64PINCPU …………………………………………………………………………………………………………………………………. 5

圖 2-5 系統主架構 …………………………………………………………………………………………………………………………………… 8

圖 2-6A 型船體馬達控制 …………………………………………………………………………………………………………………………… 9

圖 2-7B 型船體馬達控制 ………………………………………………………………………………………………………………………….. 10

圖 2-8C 型船體馬達控制 ………………………………………………………………………………………………………………………….. 10

圖 2-9 整合圖 …………………………………………………………………………………………………………………………………………. 11

圖 2-10 切換電路示意圖 ( 雙組切換 ) ………………………………………………………………………………………………………….. 12

圖 2-11 子版第一版電路圖 ………………………………………………………………………………………………………………………. 14

圖 2-12 子板第一版實體正面 ………………………………………………………………………………………………………………….. 15

圖 2-13 子板第一版實體背面 …………………………………………………………………………………………………………………… 15

圖 2-14 子版第二版電路圖 ………………………………………………………………………………………………………………………. 16

圖 2-15 子板第二版實體正面(含周邊) ……………………………………………………………………………………………………… 17

圖 2-16 子板第二版實體背面(含周邊) ……………………………………………………………………………………………………… 17

圖 2-17 系統圖 ……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 18

圖 2-18 動態展示系統 ……………………………………………………………………………………………………………………………… 18

圖 3-1 PIN 腳定義圖表 …………………………………………………………………………………………………………………………….. 20

圖 3-2MPLAB 視窗介面 ……………………………………………………………………………………………………………………………. 21

圖 3-3 主程式流程圖 ……………………………………………………………………………………………………………………………….. 22

圖 3-4 開發流程 ……………………………………………………………………………………………………………………………………… 23

圖 3-5 程式階層示意圖 ……………………………………………………………………………………………………………………………. 25

圖 3-6LCD 執行測詴 ………………………………………………………………………………………………………………………………… 26

圖 3-7 按下ＫＥＹ１時ＬＥＤ１亮 …………………………………………………………………………………………………………… 26

VIII

圖 3-8 放開ＫＥＹ１時ＬＥＤ１暗 …………………………………………………………………………………………………………… 26

圖 3-9 FLYDATA 程式功能結構圖 ………………………………………………………………………………………………………………. 29

圖 3-10 決定航向示意圖 ………………………………………………………………………………………………………………………….. 32

圖 3-11 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 33

圖 3-12WHEREIS 程式流程 ……………………………………………………………………………………………………………………….. 41

圖 3-13FYBTCTRLOR 流程圖 ……………………………………………………………………………………………………………………… 43

圖 3-14COMMUNICATION 流程 …………………………………………………………………………………………………………………. 44

圖 4-1PWM 動作原理於低轉速時 ……………………………………………………………………………………………………………… 45

圖 4-2 動作原理於高轉速時 …………………………………………………………………………………………………………………….. 45

圖 4-3GPS 示意圖 ……………………………………………………………………………………………………………………………………. 46

圖 4-4 GPS15XL 接收器 ……………………………………………………………………………………………………………………………. 47

圖 4-5 LR9548S ……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 48

圖 4-6 GPS 流程圖 …………………………………………………………………………………………………………………………………… 50

圖 4-7 ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 51

圖 4-8 ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 52

圖 4-9 ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 52

圖 4-10 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 52

圖 4-11 GPRS 模組與電源線 ……………………………………………………………………………………………………………………… 53

圖 4-12 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 56

圖 4-13 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 57

圖 4-14 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 57

圖 4-15 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 58

圖 4-16 GPRS 初始化連線 ……………………………………………………………………………………………………………………….. 58

圖 4-17 HMC6343 電子羅盤 …………………………………………………………………………………………………………………….. 60

圖 4-18 功能圖 ……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 61

圖 4-19 LCD 顯示 COMPASS 資訊 ………………………………………………………………………………………………………………. 64

圖 5-1TCP 連線 ……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 65

圖 5-2 監控站程式流程圖 ……………………………………………………………………………………………………………………….. 66

IX

圖 5-3 使用 JAVA SCRIPT 做的 GOOGLE MAPS …………………………………………………………………………………………….. 66

圖 5-4 ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 67

圖 5-5 VB SERVER ……………………………………………………………………………………………………………………………………. 67

圖 5-6 用來測詴的 CLIENT ………………………………………………………………………………………………………………………… 68

圖 5-7 JAVA 改寫後初版 ………………………………………………………………………………………………………………………… 69

圖 5-8 完成版的監控站 ……………………………………………………………………………………………………………………………. 70

圖 5-9 資料庫內資料畫面 ………………………………………………………………………………………………………………………… 73

圖 5-10 動畫架構 ……………………………………………………………………………………………………………………………………. 93

圖 5-11 物件導向程式架構 ……………………………………………………………………………………………………………………… 94

圖 6-1 主版與船艙 ………………………………………………………………………………………………………………………………….. 95

圖 6-2 地測第一場次路徑圖 …………………………………………………………………………………………………………………….. 97

圖 6-3 地測第二場次路徑圖 …………………………………………………………………………………………………………………….. 98

圖 6-4 地測第三場次路徑圖 …………………………………………………………………………………………………………………….. 99

圖 6-5 地測第五場次路徑圖 …………………………………………………………………………………………………………………… 100

圖 6-6 地測第六場次路徑圖 …………………………………………………………………………………………………………………… 101

圖 6-7 地測第七場次路徑圖 …………………………………………………………………………………………………………………… 102

圖 6-8 地測第十三場次路徑圖 ………………………………………………………………………………………………………………… 103

圖 6-9 地測第十七場次路徑圖 ………………………………………………………………………………………………………………… 104

圖 6-10 飛行測詴流程圖 ………………………………………………………………………………………………………………………… 105

圖 6-11 填充氦氣 ………………………………………………………………………………………………………………………………….. 106

圖 6-12 綁上襟翼 ………………………………………………………………………………………………………………………………….. 107

圖 6-13 遠端監控站畫面 ………………………………………………………………………………………………………………………… 107

圖 6-14 飛行資料點圖 ……………………………………………………………………………………………………………………………. 108

圖 6-15 高度圖 29 場次 …………………………………………………………………………………………………………………………. 108

圖 6-16 起飛點 …………………………………………………………………………………………………………………………………….. 109

圖 6-17 飛行資料第 258~278 點 ……………………………………………………………………………………………………………… 109

圖 6-18 飛行資料第 ~298~312 點 …………………………………………………………………………………………………………….. 109

圖 6-19 飛行資料第 310~330 點 ……………………………………………………………………………………………………………… 110

X

圖 6-20 飛行資料第 324~344 點 ……………………………………………………………………………………………………………… 110

圖 6-21 飛行資料第 345~363 點 ……………………………………………………………………………………………………………… 111

圖 6-22 飛行資料第 364~383 點 ……………………………………………………………………………………………………………… 111

圖 6-23 飛行資料第 381~400 點 ……………………………………………………………………………………………………………… 111

圖 6-24 飛行資料第 404~423 點 ……………………………………………………………………………………………………………… 112

圖 6-25 飛行資料第 423~443 點 ……………………………………………………………………………………………………………… 112

圖 6-26 飛行資料第 442~462 點 ……………………………………………………………………………………………………………… 112

圖 6-27 飛行資料第 462~482 點 ……………………………………………………………………………………………………………… 113

圖 6-28 飛行範圍 ………………………………………………………………………………………………………………………………….. 113

圖 6-29 預計飛行目標點 ………………………………………………………………………………………………………………………… 114

圖 6-30 飛行資料點圖。 ………………………………………………………………………………………………………………………… 115

圖 6-31 高度圖 42 場次 ………………………………………………………………………………………………………………………….. 116

圖 6-32 飛行範圍 42 場次 ………………………………………………………………………………………………………………………. 116

圖 6-33 飛行高度圖表 43 場次 ……………………………………………………………………………………………………………….. 117

圖 6-34 飛行路徑軌跡圖第 82~110 點 ……………………………………………………………………………………………………… 117

圖 6-35 飛行路徑軌跡圖第 112~139 點 ……………………………………………………………………………………………………. 117

圖 6-36 飛行路徑軌跡圖 第140~168 點 ………………………………………………………………………………………………….. 118

圖 6-37 飛行路徑軌跡圖第 169~197 點 ……………………………………………………………………………………………………. 118

圖 6-38 飛行路徑軌跡圖第 198~226 點 ……………………………………………………………………………………………………. 119

圖 6-39 飛行路徑軌跡圖第 227~252 點 ……………………………………………………………………………………………………. 119

圖 6-40 飛行路徑軌跡圖第 253~281 點 ……………………………………………………………………………………………………. 120

圖 6-41 飛行路徑軌跡圖第 282~315 點 ……………………………………………………………………………………………………. 120

圖 6-42 飛行路徑軌跡第 317~345 點 ……………………………………………………………………………………………………….. 121

圖 6-43 飛行範圍圖 47 場次 …………………………………………………………………………………………………………………… 122

圖 6-44 飛行範圍圖 49 場次 …………………………………………………………………………………………………………………… 123

圖 6-45 飛行範圍圖 67 場次 …………………………………………………………………………………………………………………… 124

圖 6-46 飛行範圍圖 71 場次 …………………………………………………………………………………………………………………… 125

圖 6-47 飛行路徑軌跡第 27~57 點 …………………………………………………………………………………………………………… 126

XI

圖 6-48 飛行路徑軌跡第 56~86 點 …………………………………………………………………………………………………………… 126

圖 6-49 飛行路徑軌跡第 84~114 點 …………………………………………………………………………………………………………. 127

圖 6-50 飛行路徑軌跡第 113~143 點 ……………………………………………………………………………………………………….. 127

圖 6-51 飛行路徑軌跡第 141~171 點 ……………………………………………………………………………………………………….. 128

圖 6-52 飛行路徑軌跡第 180~210 點 ……………………………………………………………………………………………………….. 128

圖 6-53 飛行範圍 74 場次 ………………………………………………………………………………………………………………………. 129

XII

第一章 緒論

1.1. 論文架構

  本論文第一章述及自動化飛行載具的現況，並提出研究的動機及希望能達到的目的，第二
章論述飛行船主體架構及自動控制系統架構。第三章為核心模組主程式開發、馬達驅動，和系

統公用程式初步規劃，第四章為週邊模組的開發，及地面站的架設和 Flash 介面設計，第五章

是展現詴飛時的狀態，分為地面測詴與空中飛行測詴。最後是本研究案未來的期許與展望。

##### 1.2. 研究動機

  國外無人飛行載具，近年來應用層面越來越廣泛，然而在台灣飛行船的運用受限於地面飛

行控制器的更效控制範圍太小，或是人員操縱問題，以及許多外界環境變因，讓飛行船的運用
受到許多限制及顧慮，尤其在人工操緃失控時，飛行船無法自主飛行及尋找合適地點安全降落，
易造成飛行船失控而失聯，嚴重者甚至造成飛安問題。因此本研究動機即是要針對這些問題，
開發一套能夠讓飛行船自主飛行的控制系統。

在完成飛船自動飛行控制系統後，可以利用飛船雷達截面積小 (RCS) 的特性執行國防

上的任務如軍事偵察、情報蒐集等。另外在商業或民間用途上可作為廣告宣傳、溼度溫度監測、
空中拍攝、環境監控等。

##### 1.3. 目的

1. 飛行船自主飛行

    本次專題最主要的目標，即為飛行船自主飛行，希望可以在輸入目標經緯度設定之後，
  控制系統即能自動航向該目標，到達目的地。

1. 讓飛行船的控制不再只更人工手動模式的單一控制方式

    傳統飛行船皆為人工手動操縱，本專題要讓飛船具更自動與手動兩種飛行模式，並依
  據任務需求或現場狀況，進行手動或自動模式之切換。尤其在人為操作不當時，可以啟動
  自動降落功能，可讓飛行船安全降落。

1. 突破現更飛行船僅能在某一小範圍航行。

    本專題在自動飛行時，可突破控制器操縱範圍的限制，達到在任意地點皆可航行的目
  的。

1. 及時動態飛行資料傳達地面站

1

   本研究計劃在飛行船航行過程中，可以將經緯度、高度、溫度、航向、船身俯仰、偏

 傾等相關資訊，並記錄於地面站伺服器中，如同即時的飛航黑盒子般。

1. 地面即時模擬飛行動態

   為解決當飛航高度過高，或飛行船在可視距外時，也能夠於地面端清楚檢視飛船目前
 飛行狀態。

### `第二章 飛船及自動控制系統設計`

##### 2.1. 飛船架構 2.1.1. 前言

本專題所使用的飛船主體，是由天興化工所提供的氦氣填充式飛船，利用 APP-026-3X

 母板控制板作為整個自動化主架構，並搭配自製子板來銜接各種周邊配備，將各周邊設備
 所輸入的資訊送到主板做運算，達成自動控制的目標。

##### 2.1.2. 船體操控及動力概述

   本次專題所使用之飛船為天興化工所提供，飛船前進的結構，係藉由載台左右兩側的
 直流馬達轉動葉片，產生前進推力，使船體向前飛行。而飛船的上升與下降，則是透過固

 定葉片的軸承上下轉動，來控制俯仰角，進行上升與下降的動作。而軸承轉動的動作則是
 由升降伺服馬達負責控制。更關飛船轉向機構更三種版本，除了船體大小之外，主要差異

 在轉向模式的不同，另其主推力馬達也在最終版本中，更了大幅度的變更。

1. A 型船體：是將推進馬達架設於一轉向伺服馬達之上 ( 如 圖 2-1) ，因此可做出幅度左右各 75 度的風向吹送，而利用船尾螺旋槳吹向不同角度可達成船 身角度的偏移，此種轉向方式優點是偏移的角度可以控制，且在角度零度時 ( 直往後吹 ) ，

    可作為船身前進加速使用，但經由多次詴飛後，發現轉向能力不足，在風大時，或者是需
   

要轉比較大角度彎角時，過慢的反應速度會造成路徑的偏移量加大，且於手動 ( 遙控器 ) 操

 作模式時，控制成效也不盡理想，因此此種轉向方式在幾次詴飛之後，與廠商協議決定更
 換成另一種轉向模式，希望能改善其控制性。

2

圖 2-1 A 型船體

1. B 型船體：是將一碳刷馬達，固定於下尾翼中間，利用碳刷馬達交換極性即可達 成正反吹送的特性，來達成轉向功能，另外增加垂直襟翼，加強轉向效果 ( 如圖 2-2) ，此 ``` 種轉向模式的優點是轉向迅速，相較於第一種轉向模式需等候伺服馬達將螺旋槳帶到不同 吹送角度才能轉向，此種方式只是改變螺旋槳正反轉，改變出力方向較快、較直接。而此 種機構更一種先天上的缺陷，相較於第一種轉向模式的無刷馬達，碳刷馬達雖然可以做兩 種轉向的切換，但正反轉出力卻更著明顯的輸出落差，這也在轉向速度上更了明顯的差 異。

`圖` 2-2 B `型船體`


3. C `型船體：此版主要著重於船體主馬達推進功能的改良，並增加水平襟翼，加強`
`升降效能` ( `如圖` 2-3) `。過去船體在飛行時，常常會遇到風大的狀況，若又處於逆風，則船`

身要朝目標前進則是會更為困難，且飛船重量輕，受風面積大，很容易被風所影響，停滯 不前，這是很不樂見的情況。而幾次詴飛，更時候會面臨障礙物的情形，為了避免船體受

3


`損，通常會切到手動` ( `遙控器` ) `模式，將船體駛離障礙物，但風大時連手動都很難駕馭船身`

動態，更別說自動飛行，因此再度和廠商討論，最後改良為此種版本。

`圖` 2-3 C `型船體`

除了提升馬達效能外，也加強了電力的輸出，並且將原本的三翼式螺旋槳改為四翼式， 且翼長更大，可帶來更多的風力吹送，另於船尾四個尾舵後方，加上可動式襟翼，且分別 由四顆伺服馬達控制，左右水平襟翼可用來輔助船體上升與下降，上下襟翼則與後方轉向

`伺服切換器共用一組` PWM `訊號，輔助船體的左右轉向，在此版本的演進後，船體與控制`

模組的搭配已更很大的成效，且另外還更襟翼的輔助，因此整體船身控制的性能更大幅度 的改善，包含飛行的升降，在多了襟翼的輔助後，更為迅速。不過雖然性能提升了不少，

卻也不是沒更缺點，在搭載了更複雜的轉向系統之後，第一個面臨的基本變化即是船體重 量的增加，這使得要填入的氦氣需要增量，才能順利地將船身漂浮，且重心位置需要重新

`調配；此轉向模式由於多了四組伺服馬達，在` PWM `訊號的規劃上也更為複雜，且電力耗`

損也更所增加，會縮短飛行時間。

`同時此版轉向機制，在一次的意外下更不一樣的發現` ( `見` 6.266.266.2 `節` ) `，即使主轉向`

馬達失效，於風大的環境下，單靠轉向襟翼的作動，也可以達到轉向的功能，雖然轉向較 慢，但轉向角度變化卻比較緩和，比較穩定，算是意外下的收穫，雖然先前更預想到，但 卻沒意料到會經由意外來獲得驗證。

2.1.3. 控制模組

`控制模組母板是使用` Microchip `公司所生產的` PIC CPU `開發板` ( `圖` 2-4) `來開發，開發`

板已內建下列基本周邊模組：

4


`圖` 2-4 PIC 64pinCPU


1. LCD `：可用來顯示各種基本數值，以及` CPU `運作狀況，是控制模組運作狀態的`
`主要參考依據` ( `如` 3.3.2) `。`

2. RS232 IO( `含` MAX232 `準位轉換晶片` ) `：本模組所整合的` GPRS `以及` GPS `模組都`
`是透過` RS232 `通訊埠來進行溝通，其中` GPS `因為訊號準位` (5V) `與` CPU(3.3V) `不同，`
`因此需經過` MAX232 `做準位的轉換，方可提供` CPU `進行運算。`
3. `基本按鍵開關與` LED `燈號組：開發板上佈更四組基本按鍵開關以及四顆分雙色`

的燈號提供使用，利用不同的按鍵搭配不同的程式碼，再依照需求可以達成參數的

`切換或者是顯示資訊的交換，以提供使用者與開發板之間的互動，另四顆` LED `也具`

負責顯示目前控制板運作狀態的指示功能，目前設置為旗標的狀態顯示，提供快速

`的狀況表達，協助使用者了解周邊是否運作正常` ( `如` 3.3.2) `。`

4. `燒錄器除錯模組：提供電腦端與` PIC `端的連結，可經由此模組作程式燒錄，或直`
`接經由電腦於` PIC `上做模擬除錯動作。`

除了基本開發板以外，本研究另更自製子板來搭載各式周邊設備，其包括：

1. `電子羅盤` (Compass) `：用來感知船體三維的動態，包含：`
 `船首方位` (Heading) `，協助` GPS `定位，以便計算，此功能為系統之最關鍵功`

`能，目的在立即得知飛船目前船首指向，不必靠` GPS `的位移距離，來判斷船`

首目前指向，進而修正飛行方向，此模組更簡化程式的撰寫，讓程式執行上
效能更為提高。 ```

 船身仰俯角 (Pitching) ，藉由此資訊可以得知船體要爬升到指定高度時，船

    體上升的角度偏移，並可搭配螺旋槳出力方向的修正，此外也判斷船身是否
    處於上升或下降狀態。

 船身左右滾角 (Rolling) ，感測目前船身是否處於不穩定狀態。

1. 全球衛星定位系統 (GPS) ：此設備可在更限的誤差範圍內定位出飛船目前的所 ``` 在位置，以及判定與目標點的距離，其中包含時間、高度、經度、緯度等資訊。

5


3. `通用封包無線服務技術` (GPRS) `：將飛行資訊透過網路傳回由` Java `撰寫的地面監`

`控站，並將所更資訊存入資料庫內。另更` Flash `動態展示介面，內嵌` Google Map
App `，經由網頁呼叫將資料庫參數讀入，並轉成動畫即時顯示目前飛航狀況，包`
`括船體各種參數、馬達輸出、飛行動態、` Heading `、` Pitching `、` Rolling `，以及在`
Google Map `的位置等資訊，若必要時，地面站可下達指令，經由` GPRS `傳送至`

  飛行中的控制模組，以達到修改主板參數之功能，藉此在緊急時取得控制權來 ```

操控船身動作，甚至更改目標點，具更緊急備援的作用；目前主板由 CPU 直接 輸出四組 PWM 訊號，分別控制各個伺服馬達；另更兩顆繼電器，搭配一組伺服 馬達直接觸動微動開關來達成手動 ( 遙控器 ) 及自動模式的切換，以備飛船緊急狀

      態時，可透過繼電器的切換，將各馬達的輸入訊號，由主板轉為遙控接收機訊

號 ( 遙控器控制 ) 。

2.1.4. 與他校類似研究比較

本研究與他校以飛船為載具之研究比較 ( 如表 2-1) ，雲林科技大學無人飛行載具的製

作與導航 [1.] ，船體較小承受不住風速，因此飛行應用主要以室內為主。而成功大學航太 系無人飛船自主性控制設計與實現 [2.] ，是在傳統的 RC 控制外設計一電腦飛行控制系統，

  且以手動控制模組為主。

表 2-1 與他校類似比較表

6

2.2. 自動控制系統架構 2.2.1. 系統主架構

圖 2-5 為系統主架構圖，系統使用元件及性能規格如表 2-2 ，因本研究之主要目標為

  自主飛行，故控制板必頇做出目標判斷，根據目前船身的所在位置以及方位做出適當的船
  身控制，包含升降、轉向、前進等動作，對於目的地的距離以及目前動作輸出與實際反應
  做出最快速的回饋動作以保持船身穩定。

    為了即時能掌握船身動態，方位的判定，以及飛船狀態的及時監控，控制板銜接了各

項裝置來達成此一目的；利用 GPS 可取得目前飛船所在之座標， Compass 可取得目前船身

的 Heading ，以利方位判定：另感測船身 Pitching 以及 Rolling 可助於船身的穩定性控制與 升降控制，另加上了 GPRS 可即時回傳飛行船的所更相關資訊至地面接收站，其中包含 Compass 、 GPS 、以及目前控制板控制狀態及馬達輸出狀況等等的相關資訊。

此外，於地面接收站，是由 Java 所架設的 Server 接收飛船經由 GPRS 透過 Internet 所傳送 下來的封包，將其解碼後分別將資訊交由 Flash 製作而成的監控介面來即時監控所更飛行船的 飛行資訊，同時 Java Server 端也具備向上傳送控制指令的功能，可由地面端軟體控制介面送

出控制訊號，或者即時更換目的地座標，來達成雙向傳送指令的目的。

7

表 2-2 使用元件列表

圖 2-5 系統主架構

2.3. 馬達動力控制設計 2.3.1. 馬達控制演進表

使用 PWM 模組控制馬達而經過不斷的測詴與改良，實驗出最適用於本專題馬達控制 的 PWM 模組程式，表 2-3 是本專題馬達控制演進表。

8

表 2-3 馬達控制演進表

2.3.2. 馬達動力控制設計

第一版：推進馬達架設於一轉向伺服馬達之上，如圖 2-6 。

圖 2-6A 型船體馬達控制

9

第二版：轉向馬正反轉控制，如圖 2-7 錯誤 ! 找不到參照來源。 。

圖 2-7B 型船體馬達控制

第三版：兩組轉向舵，後轉向舵與後升降舵，前轉與後升降舵相連接，如圖 2-8 。

圖 2-8C 型船體馬達控制

10

飛行控制系統－ PIC 母板與周邊整合架構圖，如圖 2-9 。

圖 2-9 整合圖

2.4. 系統手、自動切換模式

  本研究所使用之手自動切換，係利用一伺服馬達直接觸發微動開關導通繼電器來達成

pwm 訊號源的切換，而此一伺服馬達之訊號來源為遙控接收機，切換動作可經由遙控器來 達成。如圖 2-10 示意。

11

圖 2-10 切換電路示意圖 ( 雙組切換 )

2.5. 子板電路設計 2.5.1. 設計概述

  本研究所使用之開發模組，需搭配各式周邊運作，初期於測詴階段時，係利用杜邦端子將
各個周邊做連結，包含訊號傳遞及電源供應，在各式周邊皆正常運作後，顧及日後操作方便以

及線路穩固，開始更進一步的連接方式。
  a. 連接線模組化：
  由於線材眾多，初期是以杜邦一條一條做連結，此方法將各個模組所用之訊號線與電源線
模組化後，只要將周邊所對應之連接線街上，便可順利安裝模組。此種方法雖然使用連接上較
之前快速，但線材的雜亂程度卻沒更明確的改善，在模組運作開始時依樣要一一為周邊做連結，
使用上還是不太方便，也不太穩固。
  b. 子板連接(第一版)：

相較於將連接線模組化的方式，此方法直接將所更連接線部屬在 PCB 板上，利用杜邦基 座直接對應 CPU pin 腳插上，再將各功能 pin 直接拉出並也設置杜邦插腳，以利周邊安裝，讓

更為快速，不用再插線，不會更線材雜亂的問題。
此外，在製作此子板時加入了手自動切換電路，利用伺服馬達做動，可觸發微動開關，直接導

通繼電器驅動兩組繼電器做 4 port PWM 訊號源 ( 手自動 ) 的切換，同時更一組繼電器擔任第五 顆感應開關，將 3.3V 之訊號送入對應 pin 腳，使系統能偵測到目前的運作模式。 由於此板線材均使用 0.3mm 單芯線做佈線，當線路複雜時，容易纏繞錯亂，當更問題時不易

除錯，且由於周邊是利用魔鬼氈做固定，雖然穩固，但依然不慎理想，尤其在拆卸時更是不便，
此版本只用於地面測詴。
  c. 子板連接(第二版)：

12

  此版改進了上一版的缺點，所更連接線均以排線做連接，並利用較細的線材，讓整體看起

來清爽許多且容易除錯。同時第五顆開關 ( 手自動狀態感應 ) 也由繼電器改成了光耦合開關，除

了減輕一個繼電器的重量外，更降低了耗電量，對於嚴苛的用電環境來說，是一項重要的改進。
對於周邊裝置的固定方式，也由魔鬼氈改為塑膠螺絲固定，除了較為穩固之外，拆裝也變得容
易許多。
  第一版子版在操作時，因為沒更電於開關的設計，在需要暫時關閉電源時，頇從電源線下
手，容易造成短路的風險，因此在此版設計中，於主電源會路上加了一指撥開關，若需暫時切
斷電源或者重開機，只需利用開關來切斷回路即可，不僅使用上較為便利，同時也較為安全。

上一版的地面測詴中，在 PWM 馬達接上線後發現主版便更電源反應，更時會造成當機的 狀況，檢查後發現是來自於遙控器接收機的電源，因此在 PWM 訊號輸出迴路上均加了二極體 來防止電流逆向流入 CPU 內，以阻絕當機的風險。但第三四組的 PWM 訊號由於經過二極體

後便無法被變電器所接收，故另設置跳線繞過二極體方能正常運作。

13

2.5.2. 電路圖 2.5.2.1 子板第一版電路圖

圖 2-11 子版第一版電路圖

14

2.5.2.2 子版第一版本體

圖 2-12 子板第一版實體正面

圖 2-13 子板第一版實體背面

15

2.5.2.3 子板第二版電路圖

圖 2-14 子版第二版電路圖

16

2.5.2.4 子板第二版本體

圖 2-15 子板第二版實體正面(含周邊)

圖 2-16 子板第二版實體背面(含周邊)

2.6. 系統電力設計

 本研究之控制模組電源迴路更三組：

1. 主電源迴路：提供主要電源，供應 PIC 主板運作，再經由主板提供 5V 及 3.3V 電 源給周邊設備，包含 GPS(5V) 、 COMPASS(3.3V) 。

17

1. 繼電器電源迴路：由於繼電器在切換之瞬間電流量會造成整個電源迴路崩潰，故

    將兩個繼電器之電源供應獨立自主，使其不影響整個主模組的運作。
   

2. GPRS 電源迴路： GPRS 由於耗電量較高，故獨立提供一電源供應其使用。

2.7. 地面 SERVER 系統

RS232 TCP

JDBC

圖 2-17 系統圖

PIC 將資料透過 RS232 傳輸到 GPRS 將透過 TCP 原理把資料傳到地面監控站，地面 監控站再以 JDBC 連接，把資料寫進資料庫，如圖 2-17 。

2.8. 動態展示系統

動態展示系統所使用的 Flash 軟體本身無法直接與資料庫做連線，因此我們需要透過 PHP 來協助，按照 Flash 抓取資料的格式，將資料印出在網頁上， Flash 連結網頁抓取所

需的資料，便可以完成此項動作，如圖 2-18 。

圖 2-18 動態展示系統

18

2.9. 系統開發期程表

表 2-4 進度甘特圖

19

第三章 主核心模組

3.1. PIC24F PIN 腳定義圖表

TX

飛 船

衛 星

圖 3-1 PIN 腳定義圖表 對照圖 3-1

1. ＬＥＤ－ＯＵＴ腳 輸出腳為：ＬＥＤ１： 21 、ＬＥＤ２： 22 、ＬＥＤ３： 23 、ＬＥＤ４： 24 。
2. ＫＥＹ－ＩＮ腳 輸入腳為：ＫＥＹ１： 16 、ＫＥＹ２： 15 、ＫＥＹ３： 14 、ＫＥＹ４： 13 、 ＫＥＹ５： 12 、ＫＥＹ６： 11 。
3. PWM －ＯＵＴ腳 輸出腳為：ＯＣ１： 49 、ＯＣ２： 50 、ＯＣ３： 51 、ＯＣ４： 42 。
4. ＧＰＳ－ＲＸ－ＩＮ腳

規劃腳位為：ＲＸ： 31 。

1. ＧＰＲＳ－ＲＸＴＸ－ＩＮ、ＯＵＴ腳 規劃腳位為：ＴＸ： 46 、ＲＸ： 45 。
2. ＣＭＰ－ＳＤＡ、ＳＣＬ腳 規劃腳位為： SDA ： 43 ， SCL ： 44 。

20

3.2. 飛行船自動飛行系統主程式 3.2.1. ＭＰＬＡＢ軟體簡介

本系統的軟體開發是利用 MPLAB IDE 。它是一套微處理控制器軟體研發作業平台， 架構於 Windows 的作業環境，提供多視窗文字編輯功能 ( 如圖 3-2) ；可直接在 MPLAB 環 境下直接撰寫、修改原始程式 (Source Code) 或進行 C 的編譯 (Compiler) 或組譯 (Assembler) 工作，產生微處理機可執行的 EXE 檔。使用方法見 ( 附錄 ) 。

圖 3-2MPLAB 視窗介面

21

3.2.2. 自動飛行主程式流程

圖 3-3 主程式流程圖

飛行控制主程式，開始

1. 初始化 INIT

     各週邊模組基本初始化
   

LED 、 LCD 、 KEY 、 GPS 、 GPRS 、 PWM 、 CMPS

1. 方向判斷 FLAYDATA

     方向判斷依據與動作指令下達方式
   

2. 微調 TUNER

     依飛行時天氣因素可在此設定需要增加或滅少動力的方式
   

3. 目的地判斷 WHEREIS

     是否到達目的地
   

4. 馬達輸出 FYBTCTRLOR 輸出 PWM 訊號於馬達
5. 地面通訊 COMMUNUCATION ``` 將飛行中所接收到ＧＰＳ資料與計算動作資料傳至地面ＳＥＲＶＥＲ，並接收回 傳指令

22


##### 3.2.3. 自動飛行主程式版本演進表

`自動飛行主程式開發流程共經歷四大階段如圖` 3-4 `，詳細更新內容如表` 3-1 `。`

第一階段：

`公用程式開發時期，此階段將定義主板各` I/O `、週邊相連接` PIN `腳，以及開發` LCD `、`
LED `、` KEY `按鍵等基本開發功能需求。公用程式詳細開發說明請參閱` 3.3 `。`

第二階段： 模組程式開發時期，此階段將利用已開發之公用程式，對各週邊模組進行功能測詴，

`並將其功能模組化，使其便於副程式中運用。各模組詳細版本說明於第` 4 `章。`

第三階段：

副程式開發時期，此階段將本系統需解決之問題及需提供之功能進行切割，並依其先 後順序進行歸類統整，分別撰寫副程式提供主程式所需解決問題之功能。詳細版本說

`明於` 3.4 `。`

第四階段： 整合測詴階段，將以上各階段所撰寫之程式加以整合後行進地面測詴及飛行測詴，並

`依測詴結果加以檢討以及對程式進行修改。整合測詴結果於第` 6 `章詳加說明。`

|一、公用程式設計與開發|Col2|
|---|---|
|`公用程式主要開發功能`|LCD、LED、KEY|
|||
|二、`模組程式設計與開發`|二、`模組程式設計與開發`|
|`模組程式主要開發週邊`|PWM、GPS、GPRS、COMPASS|
|||
|三、`副程式設計與開發`<br>|三、`副程式設計與開發`<br>|
|`副程式主要開發功能`|INIT、FLYDATA、TUNER、WHEREIS、<br>FYBTCTRLOR、COMMUNICATION|
|||
|`四、整合測詴`|`四、整合測詴`|
|`地面測詴與飛行測詴`|`各副程式微調與修改`|



`圖` 3-4 `開發流程`


23


|Col1|表 3-1 主程式版本更新表|Col3|
|---|---|---|
|`版本`|`更新項目`|`新增需求`|
|`MainPT_Ver0712`|`InitAll、llStop、Show、`<br>`Show7kAt、ShowAt、ShowERROR、`<br>`ShowDelay、ShowSP、CleanLCD、`<br>`LinsFunnyLCDL2R、`<br>`LinsFunnyLCDR2L`|<br>`ＬＥＤ燈控制、按鍵控制`<br>`（增加程式開放的便利`<br>`性）`|
|`MainPT_Ver0713`|`ShowNum、LEDCtrl、LEDON、`<br>`LEDOFF、LEDChkFlag、IsKey、`<br>`IsClick`|`開啟、關閉ＬＣＤ、ＫＥ`<br>`Ｙ、ＬＣＤ的功能（更時`<br>`不需要使用）`|
|`MainPT_Ver0714`|`ShowEN、ShowDIS、LEDEN、`<br>`LEDDIS、KeyEN、KeyDIS`|`ＬＣＤ印出不需宣告的字`<br>`串、判別何按鍵被按下、`<br>`等待任意或指定按鍵按鍵`|
|`MainPT_Ver0716`|`ShowLn、ShowDouble、`<br>`WhichKey、WaitFor、`|`無正負號CHAR 轉換`|
|`MainPT_Ver0731`|`ShowUnCh`||
|`MainPT_Ver0801`|`加入PWM 模組程式`||
|`MainPT_Ver0816`|`加入GPS 模組程式`||
|`MainPT_Ver0820`|`加入CMPS 模組程式`||
|`MainPT_Ver0822`|`加入GPRS 模組程式`||
|`MainPT_Ver0921`|`整合所更副程式`||

##### 3.2.4. 飛行船自動飛行系統程式階層架構





`本系統建立於` PIC24FJ128GB106 `板上，程式階層架構如圖` 3-5 `所示。`

第一層：頂層即為本自動飛行控制系統。

`第二層：系統主程式，此層所載入的函式包括` PIC24FJ128GB106 `主板所提供的函式，`

以及本系統所定義的副程式。

第三層：副程式，此層程式與各週邊模組程式相連結，並利用週邊模組所提供之資料 加以運算，得以處理、解決主程式所切割之各種問題。

`第四層：模組程式，此層模組程式將直接處理週邊模組如` PWM `、` GPS `、` GPRS `、` Compass

之資料傳輸與訊號輸出、入。

`第五層：公用程式，此層所提供的功能包括` LCD `的顯示、` LED `明、暗控制與按鍵開`
`關的偵測，其中按鍵開關為控制手自動切換所使用，` LED `燈為確認各週邊連結成功`
`所使用，且於` LCD `上顯示目前系統狀態，並提供本系統開發階段的開發設計與除錯`

使用。

24


`圖` 3-5 `程式階層示意圖`

##### 3.3. 公用程式 3.3.1. 系統公用程式規劃

1. `ＳＴＯＰ－停止ＣＰＵ動作`

需求：讓程式在該行什麼事都不做 ```

設計： AllStop();

1. ＬＣＤ－顯示字母、符號於ＬＣＤ

    需求：印出字串、印出變數、印出發生的錯誤
   

設計： Show(); 、 ShowInt(); 、 ShowERROR

1. ＬＥＤ－ＬＥＤ燈控制 需求：用讓 LED 亮、暗，用 LED 確認旗標值 設計： LEDON 、 LEDOFF 、 LEDChkFlag();
2. ＫＥＹ－按鍵控制

    需求：等待按鍵、尋找被按下的鍵、是否按住、是否按一下。
   

設計： WaitFor() WitchKey() IsKey() IsClick() 函式

3.3.2. 公用程式執行測詴

1. LCD 執行測詴－於 LCD 上印出ＬＣＤ ＬＥＤ ＫＥＹ ＴＥＳＴ，

如圖 3-6 。

25

圖 3-6LCD 執行測詴

1. LED 執行測詴－按下ＫＥＹ１時ＬＥＤ１亮，如圖 3-7 ，

放開時暗，如圖 3-8 。

1. KEY 執行測詴－按下ＫＥＹ１時ＬＥＤ１亮，如圖 3-7 ，

放開時暗，如圖 3-8 。

圖 3-7 按下ＫＥＹ１時ＬＥＤ１亮

圖 3-8 放開ＫＥＹ１時ＬＥＤ１暗

26

3.4. 副程式 3.4.1. FLAYDATA 3.4.1.1 FLYDATA 版本演進

  由於本專題目的為自動飛行，故需結合各週邊設備，得到所需之數據，並利用這些數
據進行自動飛行之演算法，並對馬達進行控制，以達到自動飛行之目的。

FLYDATA 副程式所具備之功能為下列幾點。

1. 載入週邊模組提供之數據資料，如 GPS 所提供之經緯度、高度、行進速度、方 向和 Compass 提供之 heading 、 pitching 、 rolling 與溫資資料。
2. 利用週邊所提供之資料，演算得知目標所在的方位，並判斷飛行船應做的補償動 ``` 作。

3. `依` Compass `提供之溫度，斷判系統是否過熱，以及利用一組按鍵進行手動或自動的切`


`換，最後依補償動作與所規定之轉向、動力輸出，表` 3-2 `錯誤` **!** `找不到參照來源。` `為`


FLYDATA `副程式的版本演進表。`








|Col1|表 3-2FLYDATA 副程式版本演進表|Col3|
|---|---|---|
|`版本`|`功能`|`新增需求`|
|MainPT<br>_Ver0720|GetVD-`算目前所在緯度之一`(`度分秒`)`的長度` <br>GetXD-`算目標與飛船間的距離`(`經緯`) <br>GetDegree-`算目標與飛船間的角度` <br>GetHD-`算目標與飛船間的距離`(`高度差`) <br>GetRD-`算目標與飛船間的距離`(`實際距離`)|`算出距離後，尚`<br>`不知道要做何動`<br>`作，不知道要輸`<br>`出何種訊號控制`<br>`馬達。其他副程`<br>`式也無法得知此`<br>`計算結果`|
|MainPT<br>_Ver0731|`新增飛行資料陣列諸存飛行中計算、接受、判`<br>`斷的資料。` <br>`函式：` <br>DataRec-`更新資料`-`接收` <br>DataMath-`資料計算` <br>FlyDataLoad-`提供其他程式載入本程式之資料` <br>FlyDataSave-`提供其他程式輸入更新資料` <br>GetNDegree` 算目標與飛船間的角度` <br>GotoLorRD-`飛船要左或右多少度` <br>GotoUorDD-`飛船要升或降多少度` <br>GetPitchDegree-`目標與船的仰角` <br>`原函式`GetVD` 更名：`|`將`LOAD` 與`<br>SAVE` 函式完成`<br>`後，需要讓其他`<br>`程式詴著存取，`<br>`以確定函式正確`<br>`運作。由於此時`<br>`也完成了ＣＭＰ`<br>`Ｓ的模組程式，`<br>`故可以進行目標`<br>`判斷程式的測`<br>`詴，判斷向左或`<br>`向右的動作，但`|



27


|Col1|GetLonUnit 算目前所在緯度之一(度分秒)的長<br>度<br>原函式 GetXD 更名：<br>Get2DM 算目標與飛船間的距離(經緯)<br>原函式 GetHD 更名：<br>GetHeightDoX 算目標與飛船間的距離(高度差)<br>原函式 GetRD 更名：<br>新：Get3DM-資料計算 算目標與飛船間的距離<br>(實際距離)|仍未連接 PWM<br>飛船馬達，故尚<br>未完成PWM 數<br>值指令表的設<br>定。|
|---|---|---|
|MainPT<br>_Ver0822|`因測詴整合其他程式，飛行資料陣列大小進行`<br>`調整，由`10*10` 更改為`16*16|`整合中發現程式`<br>`會相互干擾，`<br>commnucation` 與`<br>pwm` 模組的`init<br>`內更相衝突的設`<br>`定。以致於無法`<br>`同時初始化成`<br>`功。`|
|MainPT<br>_Ver0921|`加入`PWM` 數值輸出參數設定，完全整合所更`<br>`模組與副程式。`|`發生１４秒問題`<br>`此問題記錄：於`<br>`主要是ｇｐｒｓ`<br>`的`Rx` 沒反應所`<br>`以`delay` 到時間。`|

##### 3.4.1.2 FLYDATA 功能結構

Flydata `程式所具備之功能與結構分工，圖` 3-9 `可知此程式之流程，於` Flydata `程式之主要`

功能為下列三大部分：

1. DataRec `：`


`將` GPS `與` Compass `模組程式要求所需資料，可得知目前所在經緯度、高度、` heading `、`


pitching `、` rolling `與溫度` … `等資料，並存入` FLYDATA `內的陣列等待後續處理。`


2. DataMath `：`


`將利用` DataRec `中抓取的` GPS `資料獲得目標點所在方位並與` Compass `資料加以`

計算，得知飛船目前所該進行的動作為何。飛行船應該升降幾度，左右轉動多少

`度` … `等。` ( `計算與方向判斷於` 3.4.1.3 `詳細說明` )


28


3. FlyDataSysUpt `：`


`此部分會判斷系統是否過熱、飛行船為自動還是手動模式，以及依上述` DataMath


`之判斷，決定實際推力輸出與馬達動作角度需要多大。` ( `詳細說明請參閱` 3.4.1.4)

















`圖` 3-9 Flydata `程式功能結構圖`
##### **3.4.1.3 DataMath**

由於本研究為自主飛行，所以由程式來處理以下問題：目前在何處、航向，以及目標

`點在何方向、距離，最後判斷該往哪裡飛。目前在何處、航向，由` GPS `與` Compass `提供，`

而於目標點之方位、距離將於下列說明。

1. `目標點之距離`

目標點之經緯度與高度於程式燒錄時會先行指定，升空飛行後仍可由地面站透過

GPRS `修改飛行目標點。我們將以` GPS `得知之目前經緯度與目標點之經緯度來計算距離與`
`方向，但本研究所用之` PIC `板為` 16bitMCU `，故距離計算不能單純以地球上兩點距離公式`


29


`直接計算（因以度為單位，計算時兩點之距離太小，結果為` 0 `），而需修改計算方式，經`

緯度以較小單位（分）為一基本單位。因飛行距離不長，故可將地球經緯線視為平面，以 商高定理求得距離。

兩點距離公式如下：

`點` 1 `之經度：` Long1r
`點` 1 `之緯度：` Lat1r
`點` 2 `之經度：` Long2r
`點` 2 `之緯度：` Lat2r
`地球半徑` r = 6371000 `（單位Ｍ）`

則地球上任兩點之距離

𝑑= *,  𝐿𝑎𝑡1𝑟×  𝐿𝑎𝑡2𝑟- +,  𝐿𝑎𝑡1𝑟×  𝐿𝑎𝑡2𝑟×  (𝐿 𝑔2𝑟−𝐿 𝑔1𝑟)-+ × 𝑟

又因在地球上之每條經線長度不同，但緯線長度相同（於程式可先行定義）。

故僅需計算經線長度即可利用商高定理得知目標點與目前飛行船所在位置之距離。

`利用上述兩點公式可得知所在緯度之經線長，即可得知每` 1 `分為幾公尺。`

並以商高定理得知平面距離。部分計算程式如下所示。

//GotoLonM `目標點之經度（以分為單位）`
//NowLonM `飛行船之經度（以分為單位）`
//GetLonUnit(1) `得知所在該緯度的` 1 `經線長（分）為幾公尺`

//DLon `為目標與飛行船本身的經度差距（單位公尺）`
DLon=(GotoLonM-NowLonM)*GetLonUnit(1) `；`


//GotoLatM `目標點之緯度（以分為單位）`
//NowLatM `飛行船之緯度（以分為單位）`
//VLatM `已定義之緯線（` 1 `分）長度為幾公尺`
//DLat `為目標與飛行船本身的緯度差距（單位公尺）`
DLat=(GotoLatM-NowLatM)*VLatM `；`


// `以商高定理算得平面距離（單位公尺）資料存於飛行資料陣列中`

FlyDataSave(6 `，` 4 `，` (int)sqrt(pow(DLon `，` 2)+pow(DLat `，` 2)));


2. `目標點在何方向`

由上述計算方式即可知，兩點之經度差距與緯度差距，且單位同為公尺。故即可以簡 單的歸納來得知目標的方向。

首先定義

30


`經差＝目標經度` - `目前飛行船經度`

`緯差＝目標緯度` - `目前飛行船緯度`
`比值` = `經差` / `緯差`


`接下來依目標點所在位置在不同象限，` tan `值會更所不同來得知其方位角度為何。`

##### 先讓比值都為正，然後以 𝑡𝑎 反三角函式得知其在第一象限之角度，再依其所在象

限另外計算。

`若緯差大於` 0 `且經差大於` 0 `，目標在目前的東北方`



`第` 1 `象限之方位角為：` `方位角` =



𝑡𝑎 [−1] `比值`
##### × 180°

~~𝜋~~



`若緯差大於` 0 `且經差小於` 0 `，目標在目前的西北方`




[-1] .- `比值` /
##### 第 2 象限之方位角為：方位角 = 360°- ( ×180°)

~~π~~


`若緯差小於` 0 `且經差大於` 0 `，目標在目前的東南方`




[-1] .- `比值` /
##### 第 4 象限之方位角為：方位角 = 180°- ( ×180°)

~~π~~


`若緯差小於` 0 `且經差小於` 0 `，目標在目前的西南方`




[-1] . `比值` /



`第` 3 `象限之方位角為：方位角` = 180°+ ~~(~~


##### ×180°)

~~π~~

如上所述即可得知目標點所在之方位為何。

3. `決定航向`


`知道目標點的方位後，就要以目前的航向來做動作修正，而目前的航向就由` Compass
`來提供。所以同樣參照以下圖` 3-10 `來歸納整理出下表。`


31


##### **N**


##### `目標點`










##### `Heading方向`

|飛船|夾角|
|---|---|
|`方向`<br>|`指北針角度`|


##### **S**

`圖` 3-10 `決定航向示意圖`


1 `、計算目標與飛船的相對方向是多少度，如圖` 3-10 `的夾角。`


2 `、` Compass `得到的` heading `數值為目前飛船指向的方位，如圖` 3-10 `的指北針角度。`


3 `、以` Compass `減目標方位，得到應該補償的動作角度，補償動作歸納如下表` 3-3 `。`


`表` 3-3 `補償動作`

|夾角（度）|0|90|180|270|
|---|---|---|---|---|
|1.`指北針角度`|0|0|0|0|
|`補償動作角度`|0|90|180|270|
||||||
|2.`指北針角度`|90|90|90|90|
|`補償動作角度`|`－`90|0|90|180|
||||||
|3.`指北針角度`|180|180|180|180|
|`補償動作角度`|`－`180|`－`90|0|90|
||||||
|4.`指北針角度`|270|270|270|270|
|`補償動作角度`|`－`270|`－`180|`－`90|0|



`動作角度` = ( `目標飛船的連線與北的夾角` ) `－指北針角度`
`由上表` 1. `得知－` 180~0 `左轉` 0~180 `右轉` < `－` 180 `右轉` ( `比較近` )
`由上表` 2. `得知－` 180~0 `左轉` 0~180 `右轉`


32


`由上表` 3. `得知` 0~180 `右轉－` 180~0 `左轉`

`由上表` 4. `得知` 0~180 `右轉－` 180~0 `左轉` >180 `左轉` ( `比較近` )
`故：` `動作角度` 0~180 `右轉，` 180 `以上左轉`
`動作角度` 0~ `－` 180 `左轉，－` 180 `以下右轉`
`如此，` heading `的航向修正算是解決了。`


`再來就是要上升或下降，上升或下降就以目標高度`  - `目前高度即可知道，而升降的角`

度是由一伺服馬達所控制，且船身若不是水平，則升降轉動的伺服馬達應轉動不同的角度

`做為補償，故我們仍要算出` pitching `的角度。`


`計算的方式如圖` 3-11 `與下表` 3-4 `錯誤` **!** `找不到參照來源。` `所列。`









`圖` 3-11

##### 藉由高度差與距離的比值可用反三角函數 𝑡𝑎 來計算船身與目標的夾角，接著利用

Compass `得到的` pitching `為依據來判斷應該向上降或向下降，馬達應該轉動多少度，列表`
`如下表` 3-4 `。`

|Col1|Col2|表 3-4|Col4|Col5|
|---|---|---|---|---|
||`夾角（度）`|90|0|`－`90|
|1.|`指北針傾角`|90|90|90|
||`補償動作角度`|0|`－`90|`－`180|
||||||
|2.|`指北針傾角`|0|0|0|
||`補償動作角度`|90|0|`－`90|
||||||
|3.|`指北針傾角`|`－`90|`－`90|`－`90|
||`補償動作角度`|180|90|0|

補償動作角度＝夾角－指北針傾角

補償動作角度的意思就是，要朝向目標的夾角角度轉的話，（指北針傾角）還差幾度。

33

由上面的兩個判斷可以得到飛行船目前應該做的動作，升或降幾度以及左轉或右轉幾

度。

3.4.1.4 FlyDataSysUpt

在上一小節中我們已經得知了目標在何處以及該如何動作才能面向目標，但僅僅是知

`道，並未決定如何動作，而在` FlyDataSysUpt `將會以應該執行的動作以及馬達可做的動作`

列表，來決定要下達何種動作指令。此程式也會判斷系統是否過熱以及是否被搖控器改為

`手動飛行，並記錄於飛行資料陣列內，待` communication `副程式進行資料傳送。`


1. `過熱判斷：由於` Compass `與主板在飛行中所放置的位置相差不遠，所以我們就直接`
`使用` Compass `所提供的溫度來做為系統是否過熱的依據。若是系統發生過熱，則會`
`將系統過熱旗標變為` true `，並記錄於飛行資料陣列之指定位置。`

2. `手` / `自動切換：我們所開發的系統後除自動飛行之外，仍可以搖控器控制，而於此程`
`式中所說的手自動切換，實則手` / `自動模式記錄。程式依照目前是何種模式，如果切`
`換成手動則記錄` true `否則記錄` false `於飛行資料陣列中之指定行列。而程式是內定開`

關，當切換手動時便會按下這組開關，程式進而得知目前是搖控器操縱的手動模式，

`若沒按下此開關，程式則設定為自動飛行模式（見` 2.4 `節）。程式內以公用程式中`
`規劃之按鍵` 5 `來對應此組開關。若按鍵` 5 `被按下則記錄為手動，否則為自動。`
3. `動作指令：在本自動飛行系統中，控制馬達的動作是以一動作指定參數來設定，其`

中分為兩大類，伺服馬達轉動角度控制類與無刷馬達轉速推力類。

`伺服馬達中，前方升降的控制可以達到正負` 90 `度，而尾端的伺服馬達僅能到達正負`

45 `度。皆對照下表` 3-5 `錯誤` **!** `找不到參照來源。` `做設定，並依表填參數值於飛行資料陣列`

中指定之行列。

`表` 3-5 `馬達控制參數設定表`






|判斷<br>動作|<-75|<-60|<-45|<-30|<-15|<0|0|>0|>15|>30|>45|>60|>75|
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|`指令`<br>`參數`|1|2|3|4|5|6|7|8|9|10|11|12|13|
|`升降`<br>`馬達`|-90|-75|-60|-45|-30|-15|0|15|30|45|60|75|90|
|`轉向`<br>`馬達`|-45|-45|-45|-45|-30|-15|0|15|30|45|45|45|45|



`而馬達轉速推力的決定則視當日的風力再自行做設定，設定以` 0 `～` 100 `％來做設定，依`
`表填參數值於飛行資料陣列中指定之行列。如表` 3-6 `所示。`


`表` 3-6 `馬達推力輸出百分比`


34


FlyDataSysUpt `所下達的指令會存於飛行資料陣列內，待` Fybtctrlor `副程式依指令參考`
`我們量測後設定的` PWM `數值來做輸出，詳細的設定與輸出` PWM `訊號於各馬達之方式在`
3.4.4FYBTCTRLOR `節與` 4.1 `節` PWM `中詳細說明。`

##### 3.4.1.5 飛行資料陣列內容表規畫 FyBtData

於本系統之週邊設備所抓取之資料，以及程式計算之結果皆會存於飛行資料陣列中， ```

如表 3-7 所示，以提供各程式間溝通使用。

表 3-7 旗標表列

依 row index 可畫分為以下幾部分加以說明。

A. 狀態旗標：

    此為自機飛行系統中的狀態旗標所存放處。

FyBtData[0][0] ：手 / 自動狀態旗標， 1 為手動 0 為自動。 FyBtData[0][1] ：地控 / 自動狀態旗標， 1 為地控 0 為自動。 FyBtData[0][3] ：終點旗標， 1 為抵達終點 0 為尚未抵達終點，即到達最後目標

      點則記錄到達終點。

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FyBtData[0][4] ：過熱旗標， 1 為過熱 0 為未過熱。

FyBtData[0][5] ：升降轉向不足旗標， 1 為 true0 為 false 。 FyBtData[0][6] ：左右轉向不足旗標， 1 為 true0 為 false 。 FyBtData[0][7] ：高度超出旗標， 1 為 true0 為 false 。 FyBtData[0][8] ：升降轉向過多旗標， 1 為 true0 為 false 。 FyBtData[0][9] ：左右轉向過多旗標， 1 為 true0 為 false 。

FyBtData[1][9] ： msg ，此為 ROWINDEX 0 之部分旗標組合以 8bit 表示。

如下表 3-8 所示。

表 3-8

B. 日期與時間：

此行記錄 GPS 所提供之現在時間，即飛行主程式之系統時間。 FyBtData[1][0] ：日。 FyBtData[1][1] ：月。 FyBtData[1][2] ：年。 FyBtData[1][3] ：時。

FyBtData[1][4] ：分。 FyBtData[1][5] ：秒。

C. GPS 定位狀態：

FyBtData[1][6] ： GPRMC 格式定位資料是否可用， 1 可用， 0 不可用。

FyBtData[1][7] ： GPGGA 格式定位資料是否可用， 0 未定位， 1 已定位， 2 DGPS

   精準定位。

FyBtData[1][8] ： GPGSA 格式之定位狀態， 1 未定位， 2 二維定位， 3 三維定

 位。

D. 現在位置相關資料：

FyBtData[2][0] ：緯度資料，度，現在緯度幾度。

FyBtData[2][1] ：緯度資料，分，現在緯度為幾分。 FyBtData[2][2] ：緯度資料，目前緯度 0.0001 分。 FyBtData[2][3] ：緯度資料，南緯或北緯 ( 0 ：南緯， 1 ：北緯 ) 。 FyBtData[2][4] ：經度資料，度，現在經度幾度。 FyBtData[2][5] ：經度資料，分，現在經度為幾分。 FyBtData[2][6] ：經度資料，目前緯度 0.0001 分。

36

FyBtData[2][7] ：經度資料，西經或東經 ( 0 ：西經， 1 ：東經 ) 。

FyBtData[2][8] ：高度，單位 0.1 公尺。

E. 目標點相關資料：

FyBtData[0][2] ：目前目標點編號，預設 0 即第 1 目標點，抵達後則加 1 ，即目

   標下一點。

FyBtData[0][10] ：總目標點數，記錄總更多少目標點，即到達第幾目標點後算

   抵達終點。

FyBtData[3][0] ：緯度資料， ( 度 ) ，現在目標緯度幾度。 FyBtData[3][1] ：緯度資料， ( 分 ) ，現在目標緯度為幾分。 FyBtData[3][2] ：緯度資料，目前目標緯度 0.0001 分。 FyBtData[3][3] ：緯度資料，南緯或北緯 ( 0 ：南緯， 1 ：北緯 ) 。

FyBtData[3][4] ：經度資料， ( 度 ) ，現在目標經度幾度。 FyBtData[3][5] ：經度資料， ( 分 ) ，現在目標經度為幾分。 FyBtData[3][6] ：經度資料，目前目標緯度 0.0001 分。

FyBtData[3][7] ：經度資料，西經或東經 ( 0 ：西經， 1 ：東經 ) FyBtData[3][8] ：高度，單位 0.1 公尺。

FyBtData[3][9] ：飛行高度範圍，在此範圍內飛行才安全，否則會記錄並警告超

   出飛行範圍，過低、過高。

F. 電子指北針 Compass 資料：

此為向 Compass 所要求的三維資料。

FyBtData[3][0] ： heading ，角度 ( 度 ) 。

FyBtData[3][1] ： pitching ，角度 ( 度 ) 。。 FyBtData[3][2] ： rolling ，角度 ( 度 ) 。。

G. 飛行船所判斷該如何動作：

FyBtData[3][3] ：左右轉動作角度， 0~180 度。 FyBtData[3][4] ：升降轉動作角度， 0~90 度。 FyBtData[3][5] ：左右轉動作方向， 1 右，－ 1 左。 FyBtData[3][6] ：升降轉動作方向， 1 升，－ 1 降。

H. 角度規範

FyBtData[3][7] ：左右轉過頭角度定義。

FyBtData[3][8] ：升降轉過頭角度定義。 FyBtData[7][2] ：行進角度範圍〈左右〉。 FyBtData[7][3] ：行進角度範圍〈升降〉。

I. 溫度：

FyBtData[5][0] ： Compass 溫度。 FyBtData[5][1] ：過熱溫度。

37

J. 距離：

FyBtData[4][9] ：目標高度差，單位 M 。 FyBtData[6][4] ：目標平面距離，單位 M 。 FyBtData[6][5] ：目標直線距離，單位 M 。

K. 移動速度方向：

FyBtData[6][0] ：相對位移速度，節。 FyBtData[6][1] ：相對位移方向，度。

L. 計算夾角：

FyBtData[7][0] ：平面 heading 夾角。 FyBtData[7][1] ：垂直 pitching 夾角。

M. 馬達輸出設定：

FyBtData[6][6] ：前升降馬達推力倍率， (%) 。

FyBtData[6][7] ：後轉向馬達推力倍率， (%) 。

FyBtData[7][4] ：前升降推力最大角度。若大於此角度，將推力設至最大值。 FyBtData[7][5] ：後轉向推力最大角度，若大於此角度，將推力設至最大值。 FyBtData[7][6] ：前升降推力最小角度，若小於此角度，將推力設至最大值。 FyBtData[7][7] ：後轉向推力最小角度，若小於此角度，將推力設至最大值。

FyBtData[10][4] ：自動時輸出馬達 PWM 訊號時的變化量，數值越大反應越快 FyBtData[10][9] ：地控時輸出馬達 PWM 訊號時的變化量，數值越大反應越快。

N. 馬達輸出設定：

 自動飛行計算時存入：

FyBtData[8][0] ：升降轉向馬達指令。 FyBtData[8][1] ：左右轉向馬達指令。 FyBtData[8][2] ：升降推力馬達指令。 FyBtData[8][3] ：左右轉推力馬達指令。 自動飛行 - 地面站控制時存入：

FyBtData[8][5] ：升降轉向馬達指令 。 FyBtData[8][6] ：左右轉向馬達指令。 FyBtData[8][7] ：升降推力馬達指令。 FyBtData[8][8] ：左右轉推力馬達指令。

O. 馬達輸出補償結果：

 自動飛行計算後，依當日風力做額外補償時存入：

FyBtData[9][0] ：升降轉向馬達指令。 FyBtData[9][1] ：左右轉向馬達指令。 FyBtData[9][2] ：升降推力馬達指令。

38

FyBtData[9][3] ：左右轉推力馬達指令。

自動飛行 - 地面站控制，依當日風力做額外補償時存入：

FyBtData[9][5] ：升降轉向馬達指令。 FyBtData[9][6] ：左右轉向馬達指令。 FyBtData[9][7] ：升降推力馬達指令。 FyBtData[9][8] ：左右轉推力馬達指令。

P. 馬達輸出實際 PWM 數值：

自動飛行時各馬達實際輸出之 PWM 數值：

FyBtData[10][0] ：升降轉向馬達實際輸出之 PWM 數值。 FyBtData[10][1] ：左右轉向馬達實際輸出之 PWM 數值。 FyBtData[10][2] ：升降推力馬達實際輸出之 PWM 數值。

FyBtData[10][3] ：左右轉推力馬達實際輸出之 PWM 數值。 自動飛行 - 地面站控制時各馬達實際輸出之 PWM 數值：

FyBtData[10][5] ：升降轉向馬達實際輸出之 PWM 數值。

FyBtData[10][6] ：左右轉向馬達實際輸出之 PWM 數值。 FyBtData[10][7] ：升降推力馬達實際輸出之 PWM 數值。 FyBtData[10][8] ：左右轉推力馬達實際輸出之 PWM 數值。

Q. 前升降轉向馬達指令對應 PWM 值設定：

FyBtData[11][0] ：馬達轉動 0 度時 PWM 數值。 FyBtData[11][1] ： 0 度與－ 90 度時 PWM 差值。 FyBtData[11][2] ： 0 度與－ 75 度時 PWM 差值。

FyBtData[11][3] ： 0 度與－ 60 度時 PWM 差值。 FyBtData[11][4] ： 0 度與－ 45 度時 PWM 差值。 FyBtData[11][5] ： 0 度與－ 30 度時 PWM 差值。 FyBtData[11][6] ： 0 度與－ 15 度時 PWM 差值。 FyBtData[11][7] ： 0 。 FyBtData[11][8] ： 0 度與 15 度時 PWM 差值。 FyBtData[11][9] ： 0 度與 30 度時 PWM 差值。 FyBtData[11][10] ： 0 度與 45 度時 PWM 差值。 FyBtData[11][11] ： 0 度與 60 度時 PWM 差值。 FyBtData[11][12] ： 0 度與 75 度時 PWM 差值。

FyBtData[11][13] ： 0 度與 90 度時 PWM 差值。 FyBtData[11][14] ：限制最小角度時 PWM 數值。 FyBtData[11][15] ：限制最大角度時 PWM 數值。

R. 後轉向轉向馬達指令對應 PWM 值設定：

FyBtData[12][0] ：馬達轉動 0 度時 PWM 數值。 FyBtData[12][1] ： 0 度與－ 90 度時 PWM 差值。

39

FyBtData[12][2] ： 0 度與－ 75 度時 PWM 差值。

FyBtData[12][3] ： 0 度與－ 60 度時 PWM 差值。 FyBtData[12][4] ： 0 度與－ 45 度時 PWM 差值。 FyBtData[12][5] ： 0 度與－ 30 度時 PWM 差值。 FyBtData[12][6] ： 0 度與－ 15 度時 PWM 差值。 FyBtData[12][7] ： 0 。 FyBtData[12][8] ： 0 度與 15 度時 PWM 差值。 FyBtData[12][9] ： 0 度與 30 度時 PWM 差值。 FyBtData[12][10] ： 0 度與 45 度時 PWM 差值。 FyBtData[12][11] ： 0 度與 60 度時 PWM 差值。 FyBtData[12][12] ： 0 度與 75 度時 PWM 差值。

FyBtData[12][13] ： 0 度與 90 度時 PWM 差值。 FyBtData[12][14] ：限制最小角度時 PWM 數值。 FyBtData[12][15] ：限制最大角度時 PWM 數值。

S. 前升降推力馬達指令對應 PWM 值設定：

FyBtData[13][0] ：馬達怠速時 PWM 數值。 FyBtData[13][7] ： 0 ，怠速。 FyBtData[13][8] ：怠速與 10% 推力時 PWM 差值。 FyBtData[13][9] ：怠速與 25% 推力時 PWM 差值。 FyBtData[13][10] ：怠速與 40% 推力時 PWM 差值。 FyBtData[13][11] ：怠速與 50% 推力時 PWM 差值。

FyBtData[13][12] ：怠速與 75% 推力時 PWM 差值。 FyBtData[13][13] ：怠速與 100% 推力時 PWM 差值。 FyBtData[13][14] ：限制最小角度時 PWM 數值。 FyBtData[13][15] ：限制最大角度時 PWM 數值。

T. 後轉向推力馬達指令對應 PWM 值設定：

FyBtData[14][0] ：馬達怠速時 PWM 數值。 FyBtData[14][7] ： 0 ，怠速。 FyBtData[14][8] ：怠速與 10% 推力時 PWM 差值。 FyBtData[14][9] ：怠速與 25% 推力時 PWM 差值。 FyBtData[14][10] ：怠速與 40% 推力時 PWM 差值。

FyBtData[14][11] ：怠速與 50% 推力時 PWM 差值。 FyBtData[14][12] ：怠速與 75% 推力時 PWM 差值。 FyBtData[14][13] ：怠速與 100% 推力時 PWM 差值。 FyBtData[14][14] ：限制最小角度時 PWM 數值。 FyBtData[14][15] ：限制最大角度時 PWM 數值。

U. 升降舵翼 PWM 控制參數：

40

C 型飛行船尾翼升降舵轉動角度變化較小，故只使用置中、最大角度與最小角度，

      三個動作。

FyBtData[15][0] ： 0 度，水平。 FyBtData[15][14] ：下轉極限角度，飛行船需要下降時輸出。 FyBtData[15][15] ：上轉極限角度，飛行船需要上升時輸出。

3.4.2. TUNER

  這部分程式是要依當日天氣狀況來做調整。由於飛行時天氣因素的不同，可在此設定不同
的微調參考，增加或滅少動力，讓自動飛行系統更靈活。以下為TUNER 程式片段，程式如附錄。
  目前版本尚未進行微調。直接依原flydata 計算之動作下達指令

FlyDataSave(9 ， 0 ， FlyDataLoad(8 ， 0));

FlyDataSave(9 ， 1 ， FlyDataLoad(8 ， 1)); FlyDataSave(9 ， 2 ， FlyDataLoad(8 ， 2)); FlyDataSave(9 ， 3 ， FlyDataLoad(8 ， 3));

3.4.3. WHEREIS

    用來判斷是否到達目的地。先判斷是否到達目標點。若抵達目標點則判斷是否還更下

一點，若還更下一點則載入下一點資料，若沒更下一點則代表到達終點，如圖 3-12 。

圖 3-12WHEREIS 程式流程

41

3.4.4. 馬達輸出 FYBTCTRLOR 3.4.4.1 FYBTCTRLOR 概述

  此程式目的在將陣列裡的動作依據設定值轉換為各馬達所對應的PWM 數值，並輸出至各馬
達，讓運算出來的動作能夠正確的輸出做動。
  另程式內附加更一漸變值列入計算，此數值之參與主要影響動作間的改變速度，若漸變值
愈大，則動作切換愈快，反之則愈慢，目的在不同的環境內，能更不同的反應速度可作為調。
##### 3.4.4.2 FYBTCTRLOR 摘要
  在本程式內，主要分為兩組不同輸出計算對應不同的馬達，其中一、二組為前後轉向馬達
輸出，因為只更轉向角度的計算，因此在flaydata 陣列內導入需求動作代碼後，直接依照漸
變值加減對應之pwm 數值後即可完成做動，其程式碼如下：

Req2Pwm[i] = Pwm_Cur [i] + FlyDataLoad( Cur_S ， PIC_Ofset );

Req2Pwm[i] = Pwm_Cur [i] - FlyDataLoad( Cur_S ， PIC_Ofset );

  另三、四組輸出為馬達推力輸出，此種輸出方式為百分比之計算，依照不同需求會得到不
一樣的輸出百分比，會依照相對應的pwm 數值計算出對應的百分比輸出，詳細程式碼如下：

Req2Pwm[i] = Pwm_Cur [i] * FlyDataLoad( MPow_S ， MPow_F ) / 100 + FlyDataLoad( Cur_S ， PIC_Ofset );

Req2Pwm[i] = Pwm_Cur [i] * FlyDataLoad( MPow_S ， MPow_F ) / 100 - FlyDataLoad( Cur_S ， PIC_Ofset );

  由於此為百分比計算結果，因此計算出來數值可能會超過或小於馬達輸出所能接受之數值，
故另外加入判斷是來判斷是否漁範圍之外，若超出，則等於所設定之最大/最小臨界值，詳細
程式碼如下：

  超過最大臨界值

if( Req2Pwm[i] > FlyDataLoad( Req_S ， 15 ) {

Req2Pwm[i] = FlyDataLoad( Req_S ， 15 );

}

  小於最小臨界值

if( Req2Pwm[i] < FlyDataLoad( Req_S ， 14 ) ){

Req2Pwm[i] = FlyDataLoad( Req_S ， 14 );

}

42

3.4.4.3FYBTCTRLOR 流程圖

圖 3-13FYBTCTRLOR 流程圖

43

3.4.5. 地面通訊 COMMUNICATION

此程式主要功能為將飛行中所接收到 GPS 資料與計算動作資料傳至地面 Server ，並接收 地面 Server 回傳指令，將指令加以分析，存回 FlyData 陣列裡，如圖 3-14 。

圖 3-14COMMUNICATION 流程

第四章 週邊模組控制設計

  在完成主核心模組設計後，本章要針對周邊模組設計進行討論，主要的模組更： PWM、GPS、
GPRS、CMPS。

##### 4.1. 模組程式－ PWM

    待補：馬達與伺服器介紹、變電器。
##### 4.1.1. 控制原理：脈波寬度調變 (Pulse Width Modulation ， PWM)

    常用於直流馬達的控制、電源變換器之穩壓控制、甚至是直流轉換交流弦波的控制等，

是控制直流馬達轉速最常見的方法。原理如圖 4-1 與圖 4-2 所示，圖中高電位的部份是馬 達「動作 (active) 」時間，或叫做「責任週期 (Duty Cycle) 」，低電位的部份是馬達「停止 (stop) 」

  時間，兩者時間和即為一週期。當使用者想降低馬達轉速時，只要減少動作的時間、增加

停止的時間，並保持週期不變即可，如圖 4-1 所示。反之，如果想加快馬達的轉速，則需 要加長動作的時間、縮短停止的時間，並且保持週期不變，如圖 4-2 所示。由於改變轉速

44

是透過改變動作的時間比例，也就是圖 4-1 與圖 4-2 ，因此這樣的控制方式稱作脈波寬調

 變。

圖 4-1PWM 動作原理於低轉速時

圖 4-2 動作原理於高轉速時

本專題載具所使用之轉向伺服馬達，升降伺服馬達，變電器，均使用 PWM 控制模式， 來達成各馬達完成指定動作，由 PIC 產生相對應各馬達的 PWM 輸出數值，來操作目前飛

 船的動態，包含轉向控制，前進控制，升降控制等動作。

##### 4.1.2. 模組所需提供功能

由於船身所更控制機構，都是由 PWM 訊號所達成，包括各式馬達，轉向伺服馬達，

 升降伺服馬達等，因此本專題之自動控制，是將資料運算過後之結果，利用模組所產生之

PWM 輸出，傳送至各個馬達辨識，以實現船體之控制。

4.1.3. PWM 程式開發研析

表 4-1 PWM 開發研析

45

4.2. 模組程式－ GPS 4.2.1. 全球衛星定位系統（ Global Positioning System ）

全球衛星定位系統（ Global Positioning System ，簡稱 GPS ），由 24 顆衛星組成，其以 每天繞行地球兩週的速度，分別在六個軌道上運行；軌道面的傾角約 60 度，因此無論地 球的任何一個角落、任何時間，只要接收器位於室外，均可以接收到數顆 GPS 衛星的訊號。 GPS 定位的計算方式，採用三角測量的方法確定接收器的位置，利用三顆衛星所發出的球 體訊號，三個球體訊號所相交的點即為接收器的位置，如圖 4-3 ，其能夠精確提供目標物

的位置資料、速度、以及時間，完成導航之功用。

圖 4-3GPS 示意圖

4.2.2. GPS 訊號處理

GPS 接收器都具備更美國國家海洋電子學會 NMEA （ National Marine ElectronicsAssociation ） 0183 ASCII 碼格式協議所制定的標準規格，是一種關於數位信號 傳遞的標準。這些 GPS 提供串列通信介面，經信號處理後可以獲得用戶位置，速度等資訊，

最終達到利用 GPS 進行導航和定位的目的。來自衛星的訊號更很多種，其發送的資料主要

由封包頭，封包尾和封包內資料所組成，依據資料封包的不同，封包頭也不相同，主要更

$GPGGA ， $GPGSA ， $GPRMC ，以及 $GPGSV 等，這些封包頭標示了後續封包資料的組

成結構。在本研究中需要取得經緯度、日期、時間、高度、相對方向以及相對速度的資訊，

所以擷取 $GPGGA ， $GPGSA 以及 $GPRMC 訊號，而解析這些訊號會抓到像是這類字串 $GPXXX ， <1> ， <2> ， <3> ， <4> ， <5> ， <6> ， <7> ， <8> ， <9> ， <10> ， <11> ， <12>*hh ， 每個逗號隔開視為一個欄位，而每個欄位值所代表的意義，用範例的方式來說明 GPS 接 收器會接收到的 NMEA 數據資料格式 ( 見附錄 [1.]) 。

4.2.3. GPS 接收器

1. GPS15XL-W 本研究採用 GARMIN 公司型號為 GPS15XL-W 的 GPS 接收器 ( 圖 4-4) ，用來進 行飛行船定位及導航控制，其規格如 ( 表 4-2) 。

46

圖 4-4 GPS15XL 接收器

1. LR9548S

本研究過程原先承接學長使用的 Leadtek LR9548S 模組 ( 圖 4-5) ，其規格如 ( 表 4-3

錯誤 ! 找不到參照來源。 ) ，後來因為腳位損壞，於是改採用前面提到的 GARMIN GPS15XL-W 模組。

47

圖 4-5 LR9548S

4.2.4. GPS 程式開發研析

48

49

4.2.5. GPS 程式流程

GPS 主程式先進行初始化動作，設定 UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 的 RX 、 TX 腳位及鮑率，初始化成功後開始接收資料，將 UART 讀取 資料暫存器的內容放進陣列，分析 GPS 訊號格式並分別作整理，再來更新資料就是讀取出

經緯度、高度、時間等的各個資料。檢查旗標的目的在於能夠清楚知道程式流程哪些部分

出現問題，透過 LED 或 LCD 的顯示方便在研究過程容易觀看，若資料更新沒更問題，則 繼續接收下一筆資料。 GPS 主程式流程圖 ( 如圖 4-6) 。

圖 4-6 GPS 流程圖

4.2.6. GPS 程式開發過程

GPS 接收器收到 NMEA 數據資料後，頇經過分析再擷取所需要之資料，如 4.2.2 節所 述。透過 LCD 顯示可便於開發過程查看資料數值，限制於 LCD 螢幕大小，無法一次呈現 要看的數值，可設計按鍵切換，顯示各種資訊如表 4-5 。為提升撰寫程式中除錯的效率， 檢查旗標利用 LED 亮燈可知程式出錯於哪個流程，以便直接針對問題點來做解決。

50

圖 4-7

51

圖 4-8

圖 4-9

圖 4-10

52

4.3. 模組程式－ GPRS 4.3.1. 通用封包無線服務通訊原理

通用封包無線服務 (General Packet Radio Service ， GPRS) GPRS 是利用 GSM 網路中未使用的 TDMA 通道，提供中速的數據傳輸。 GPRS 是採用封 包交換（ Packet Switch ），即是多名用戶可以共享一個相同的傳輸通道，每位用戶只更在

傳輸時才會佔用通道。如此一來。所更可用頻寬可以立刻分配給當前發送數據的用戶，這
樣更多的間隙發送或接收數據的用戶可以共享頻寬。

本專題使用 Create GPRS4SIM100 為通訊模組 ( 圖 4-11) ，以下表 4-6 為規格表。

53

4.3.2. GPRS 接收資料格式

1. 手自動切換

 手動

”@ ， ”+”0”+” ， ”+”1”+” ， ”+”#”+’\n’ 如下表 4-7 。

 自動

”@ ， ”+”0”+” ， ”+”0”+” ， ”+”#”+’\n’ 如下表 4-7 。

2. 馬達

”@ ， ”+”1”+” ， “+degreechange1+” ， “+degreechange2+” ， “+powermode1+” ，

3. 改變行列

”@ ， ”+”2”+” ， “+columnchange+” ， “+rowchange+” ， “+data+” ， ”+”#”+’\n’; 如下表 4-9 。

54

4. 改變點 ”@ ， ”+”3”+” ， “+changepoint+” ， “+E0+” ， “+E1+” ， “+E2+” ， “+E+” ， “+N0+” ， “+N1+” ， “+N2+” ， “+N+” ， “ +high+” ， ”+”#”+’\n’ 如 下表 4-10 。

表 4-10

4.3.3. AT 指令與終端機測詴

55

1. 終端機操作 GPRS 連線 開啟終端機，如 圖 4-12 。

圖 4-12

56

1. 設定通訊速率為 57600 ，如圖 4-13 。

圖 4-13

1. 下達 AT 指令，連線成功，資料順利傳出去，圖 4-14 。

圖 4-14

57

1. 連接到關閉的過程，如圖 4-15 。

圖 4-15

終端機與主板相較，終端機可用來事先設定好 GPRS 的數值，例如改傳輸率或是模

組內部設定的優先權。

##### 4.3.4. GPRS 程式流程

程式開始先初始化，設定 RX 與 TX 腳位，傳 AT 指令啟動 GPRS 模組，下達一次 命令， RX 會回傳字元，利用回傳字元設定檢查旗標來判斷指令是否更執行正確，檢查

旗標正確後會繼續往下執行下一個 AT 指令，當連上網路時會收到基地台傳來的 LOCAL IP ，設定連接 SERVER 的 IP 與 PORT ，就可以連線開始傳送資料如圖 4-16 流程，從 FlyData 裡將 GPS 、 Compass 接收到的資料傳至地面的 Server ，在 Server 端可以下達命 令， Server 接收到資訊後便會回傳至 GPRS RX ，從 RX 存取資料以 “@” 為判斷字元， 當 “@” 字元出現時便會開始擷取資料至通訊程式裡做資料的判斷分析，做好處理的資料 會存回 FlyData ，更新後的資料會再傳回地面的 Server 。

圖 4-16 GPRS 初始化連線

58

59

4.4. 模組程式－ CMPS 4.4.1. I [2] C 通訊原理：

I2C 是由數據線 SDA 和時鐘 SCL 構成的串行，可發送和接收數據。在 CPU 與被控 IC 之間、 IC 與 IC 之間進行雙向傳送，最高傳送速率 100kbps 。各種被控制電路均並聯在這

  條上，但就像電話機一樣只更撥通各自的號碼才能工作，所以每個電路和模塊都更唯一的

地址，在信息的傳輸過程中， I2C 上並接的每一模塊電路既是主控器（或被控器），又是 發送器（或接收器），這取決於它所要完成的功能。 CPU 發出的控制信號分為地址碼和控

  制量兩部分，地址碼用來選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；控制量決定該
  調整的類別（如對比度、亮度等）及需要調整的量。這樣，各控制電路雖然掛在同一條上，
  卻彼此獨立，互不相關。

I2C 在傳送數據過程中共更三種類型信號，它們分別是：開始信號、結束信號和應答

  信號。

1. 開始信號： SCL 為高電位時， SDA 由高電位向低電位跳變，開始傳送數據。
2. 結束信號： SCL 為低電位時， SDA 由低電位向高電位跳變，結束傳送數據。

4.4.2. 概述

霍尼韋爾 HMC6343 電子羅盤模組內包含 3 軸磁阻感測器與 3 軸 MEMS 加速感測器，

  及必要的類比和數位支援電路和航向值計算法則。各個感測器元件、處理電子管件和硬體

封裝在一個 9.0mm×9.0mm×1.9mm 的 LCC 元件內，如圖 4-17 。規格見表 4-13 。

圖 4-17 HMC6343 電子羅盤

表 4-13 HMC6343 技術規格表

特性 條件 ***** 最小值 標準值 最大值 單位

60

• 除非另更規定外均在 25 ℃時進行測詴。

圖 4-18 功能圖

4.4.3. 指令參考表

61

4.4.4. 程式摘要

本電子羅盤模組程式根據 I2C 之通訊協定所撰寫而成，其流程大致規劃如下：先初始 化 I2C 通訊介面，接著開啟一個 I2C 連線，先將設備位址送上資料線且告知狀態為寫入， 這時等待 HMC6343 的回應，當確認回應後，就會在將要寫入的資料位址 ( 指令 ) 送上資料 線給 HMC6343 接收，當此程序完成之後，會再將 I2C 重新啟動一次，接著再度送出資料 位址等待回應，且將狀態設為讀取，當再度確認 HMC6343 的回應後，就會開始接收由

HMC6343 所接收的資料，資料接收經過位移計算後，便可得到需要的數值。 以下則列出一個標準的 HMC6343 溝通程式碼片段

4.4.5. Compass 程式開發研析

表 4-15 Compass 開發研析

62

63

4.4.6. Compass 程式開發過程

以 LCD 顯示 Compass 資訊，如圖 4-19 的 ” H ： ” 為 Heading ，數值 3582 即 358.2 度之意， 與指北針方向相同，在 360 度左右 ; ” P ： ” 為 Pitching 角度， ” R ： ” 為 Rolling 角度。

圖 4-19 LCD 顯示 Compass 資訊

第五章 地面監控

5.1. 地面 Server 建置 5.1.1. TCP 原理

傳輸控制協定（ Transmission Control Protocol ， TCP ）

TCP 連線包括三個狀態：連線建立、資料傳送和連線終止。 TCP 用三路握手（ three-way handshake ）過程建立一個連線。在連線建立過程中，很多參數要被初始化，例如序號被初

  始化以保證按序傳輸和連線的穩定性。

TCP 連線的正常建立一對終端同時初始化一個它們之間的連線是可能的。但通常是由 [一端開啟一個介面](http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%8E%A5%E5%8F%A3) (socket) 然後監聽來自另一方的連線，這就是通常所指的被動開啟

(passive open) 。伺服器端被被動開啟以後，使用者端就能開始建立主動開啟 (active open) 。 詳細過程如圖 5-1 。

1. 用戶端透過向伺服器端發送一個 SYN [來建立一個主動開啟，作為三路握手的一](http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%8F%A1%E6%89%8B_%28%E6%8A%80%E6%9C%AF%29)

      部分。
   

2. 伺服器端應當為一個合法的 SYN 回送一個 SYN/ACK 。

64

1. 最後，用戶端再發送一個 ACK 。這樣就完成了三路握手，並進入了連線建立狀 ``` 態。

`圖` 5-1TCP `連線`
##### 5.1.2. Java － Mysql 資料庫存取原理


Java `資料庫連線，（` Java Database Connectivity `，簡稱` JDBC `）` JDBC `是` Java `與資料的`
`連接。因為` ODBC `是完全用` C `語言編寫的，而` Java `中實現與` C `語言程式的通信是比較困`
`難的，因此就產生了由` Java `語言編寫的用於` Java `程式與資料庫連接的介面技術。` JDBC `與`
`資料庫的連接` JDBC `與具體的某種資料庫連接，是直接通過` JDBC API `類別庫中的類別來`
`自動裝載驅動程式的。此類別庫一般在` Java.sql `類別中，它包含了用於實現與資料庫連接`

的功能，包括與資料庫建立連接、傳送查詢和接受查詢結果。

`監控站程式流程圖` ( `圖` 5-2)


`程式一開啟後等待` GPRS `的連線，連線之後就可以開始下指令或收資料，資料寫進資`

料庫，如果連線中斷還會回到等待連線的地方再次等待連線。

65


N



`圖` 5-2 `監控站程式流程圖`
##### **5.2. Google Maps** **5.2.1. Google Maps API Java Script**


`為了可以及時把飛船目前現在的位置顯示出來所以使用了` Google Maps `的一些開發套`
`件，這些套件都是` Google `所提供的，` `金鑰的部分只要加入` Google `的會員並且登入之後`

就可以取得，地圖上更左邊更可以拉近遠的控制項，右上則可以切換地圖、衛星、混合地

`圖、地形，` Google Maps API `的網頁上更提供基本的範例程式可以自行參考。本專題研究`
`重點為飛行船自動飛行系統，故` Google Maps API `建置方式請參閱附錄` [2.] `。圖` 5-3 `是使用`
Java Script `做的` Google Maps `測詴圖。`


`圖` 5-3 `使用` Java Script `做的` Google Maps


66


##### **5.2.2. Google Maps Flash**

Google Maps `也更提供` Google Maps API Flash `版，金鑰的部分跟之前一樣只要登`
`入會員就行了，基本範例程式` Google Maps API `的網頁上也更提供，範例畫面如`
`圖` 5-4 `，使用` Adobe Flash CS4 `編輯。本專題研究重點為飛行船自動飛行系統，故` Google
Maps API for Flash `建置步驟請參閱附錄` [3.] `。`


`圖` 5-4

##### 5.3. 監控站 Server 版本演進


`最早之前用` VB `做的監控站` ( `圖` 5-5) `，只能收的到資料存到文字檔而已，測詴的時`
`後是先模擬` 1 `個傳送端傳資料` ( `圖` 5-6) `，所以沒更用` GPRS `測詴過。此` VB `版本監控站`
`傳輸介面格式說明如表` 5-1 `。`


`圖` 5-5 VB Server


67


|表 5-1 VB Server 格式說明|Col2|
|---|---|
|`Server 上半部分`|`Server 上半部分`|
|`IP`|`CLIENT 的IP`|
|`PORT`|`CLIENT 的PORT`|
|`DATA`|`CLIENT 傳的資料`|
|`Server 下半部分`|`Server 下半部分`|
|`開放的PORT`|`讓CLIENT 進來的PORT`|
|`目前狀態`|`紅字是目前未啟動，藍字是已經啟動`|
|`資料`|`全部收到的資料`|
|`目前位置`|`目前位置座標`|
|`目的地`|`目的地座標`|
|`經度`|`現在經度`|
|`緯度`|`現在緯度`|
|`現在時間`|`現在時間`|
|`左右轉`|`看收到的資料來判斷飛船是左轉還右轉`|
|`傾角`|`判斷目前飛船的傾斜角度`|
|`方向角`|`判斷目前的方向`|


`圖` 5-6 `用來測詴的` Client


`圖` 5-6 `為測詴` Client `端傳輸介面，表` 5-2 `錯誤` **!** `找不到參照來源。` `為` Client `端之格`

式說明。

68


|表 5-2 VB Client 格式說明|Col2|
|---|---|
|`CLIENT`|`CLIENT`|
|`狀態`|`紅字是連線中，藍字的還沒連線`|
|`遠端伺服器IP`|`Server 的IP`|
|`遠端伺服器PORT`|`Server 的PORT`|
|`要發送的文字`|`要傳送的資料`|


`測詴完成後改用` Java `撰寫先把資料存成文字檔，再用` GPRS `測詴傳送資料成功存入文字檔` ( `圖`
5-7) `，` `表` 5-3 `為` Java `初版介面說明。`

|Col1|圖 5-7 Java 改寫後初版 表 5-3 Java 初版介面說明|
|---|---|
|`清空文字框`|`把所更文字框清空`|
|`接收的資料`|`全部收到的資料都會印出來`|
|`目前位置`|`目前的經緯度，南北緯，東西經`|
|`目的地`|`目標的經緯度，南北緯，東西經`|
|`經度`|`目前經度`|
|`緯度`|`目前緯度`|
|`現在時間`|`現在時間`|
|`高度`|`目前GPS 抓到的高度`|
|`左右轉`|`收到的資料來判斷飛船是左轉還右轉`|
|`傾角`|`判斷目前飛船的傾斜角度`|
|`方向角`|`判斷目前的方向`|
|`手動/自動`|`判斷目前是手動還是自動飛行`|

 完成後的監控軟體畫面，可以下指令改變點，改變行列的資料，及操作飛船馬達升 ```

降角度以及馬達的出力 % 數，並將資料都存進了資料庫。

69

 完成版監控站

圖 5-8 完成版的監控站

操作介面 ( 圖 5-8) ：介面部分是由文字框，按鈕以及標籤所組成的，透過 GPRS 把

   資料傳送到地面站然後先分割後再把資料分別放置在分類好的文字框內，由於文字框過
   多所以在分類的資料標題更設個按鈕可以顯示現在那行是更什麼資料，介面右上的部分
   更顯示目前狀態，連結時間和接收資料時間，比較重要的是測詴場次、位置、風力、天
   氣飛船尺寸，這些都要在一開啟時就要先輸入因為這些都要存進資料庫，要注意的是資
   料庫不能更空值，如果是空值整個程式就會出現錯誤，無法將資料存進資料庫，下面的

部分是控制飛船的方式，按鈕上下是馬達出力 % 數左右是轉的角度，改變點的話必頇輸

   入經緯度，高度然後送出等收到資料後就會把這些指令傳上去給板子，板子再對飛船做

出動作。表 5-4 為 Java 完成版監控站介面說明。

70

71

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 Mysqly 資料庫

圖 5-9 資料庫內資料畫面

Mysql 資料庫 ( 圖 5-9) ：

首先要先上網抓 Mysql 所提供 Java 用的驅動程式檔 (Mysql-connector-java-5.1.3) ，然後 放在 C ： \Program Files\java\jdk1.6.0_18\jre\lib\ext 資料夾底下 ( 通常是沒選安裝路徑時後 預設的 ) ，驅動程式的部分是依照提供 Mysql 服務的 WampServer 軟體所使用的版本， 資料庫部分是用 WampServer 上提供的，可以直接在上面建立資料庫，最後只要在 Java

編輯軟體上寫程式對應哪個資料表，哪個欄位就可以把資料寫進資料庫，要注意的是資
料庫要先建好，類型是數字還是文字也都要先設定好，否則在執行的時候會一直出錯。

73

5.4. 資料庫建置

資料庫裡總共更 15 個資料表，每個資料表所屬欄位都更欄位註解，如下表。

1. 動作狀態：存放目前動作的角度，動作左右上下，是否轉過頭與目前跟目標點的高度 差，如表 5-5 所示。

表 5-5 動作狀態格式

1. Compass ：存放從 COMPASS 上抓到的 Heading ， Pitching ， Rolling 的數值，如表 5-6

   所示。
   

表 5-6 Compass 格式

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1. 日期：存放目前時間日，月，年，時，分，秒，如表 5-7 所示。

表 5-7 日期格式

1. 飛行旗標：存放資料更 Msg( 詳見表 3-8) ，判斷目前是不是地面操作，是否到達終點，

     馬達是否過熱，目前升降和左右是否轉向不足，高度超出值，以及升降和是否左右轉
   

過頭，如表 5-8 所示。

表 5-8 飛行旗標格式

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1. 飛行模式目標：紀錄目前是自動 / 手動和目標點，如表 5-9 所示。

表 5-9 飛行模式目標格式

1. 目標點資料：此表記錄目標點緯度、經度與高度資料，以及飛行高度限制範圍，如表 5-10 所示。

表 5-10 目標點資料格式

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1. GPS 狀態：存放從 GPS 中抓到的 GPGGA 的狀態、 GPRMC 的狀態、 GPGSA 的狀態、

NOISE 後來沒用到是 GPS 的雜訊比，如表 5-11 所示。

表 5-11 GPS 狀態格式

1. 微調後馬達指令：存放經過微調後 PWM 的輸出值和通訊接收指令後的輸出值，如表 5-12 所示。

表 5-12 微調後馬達指令格式

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1. 自動判斷馬達指令：存放程式判斷後 4 顆馬達的輸出結果和通訊接收命令，如表 5-13

     所示。
   

表 5-13 自動判斷馬達指令格式

1. 現在經緯度：目前的緯度 ( 度 ) ，緯度 ( 分 ) ，緯度 ( 秒 ) ，南北緯，經度 ( 度 ) ，經度 ( 分 ) ，

經度 ( 秒 ) ，東西經，高度，如表 5-14 所示。

表 5-14 現在經緯度格式

1. 場地天氣：存放地面監控站輸入的飛測位置，目前風力，天氣，飛船尺寸，如表 5-15

     所示。
   

表 5-15 場地天氣格式

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1. 方向距離：存放資料目前 GPS 抓到的速度，方向，速度計算，方向計算， 2D 距離，

3D 距離，馬達出力前後的結果，如表 5-16 所示。

表 5-16 方向距離格式

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1. 實際輸出：目前馬達實際輸出數值和通訊接收輸出值，漸變值是馬達要到達下一個動

作時改變的速度，如表 5-17 所示。

表 5-17 實際輸出格式

1. 目標點資料：經判斷後北夾角目標 (head) ，船身夾角 (pitch) ，行進角度範圍 ( 左右 ) ，