林沛群臺灣大學:機械工程學研究所何啟瑋Ho, Chi-WeiChi-WeiHo2010-06-302018-06-282010-06-302018-06-282009U0001-1108200911091500http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/187117本論文主要探討九軸與十二軸兩種新式慣性量測系統（IMU，Inertial Measurement Unit）的設計與特性分析，兩個系統僅需經由簡單的代數運算便可同時得到系統質心（COM）的線加速度、角加速度以及角速度，不需複雜且容易造成訊號失真的微分或積分程序。 相較於由三軸加速規（accelerometer，量測線加速度）與三軸陀螺儀（gyro，量測角速度）所構成的傳統六軸慣性量測系統，本論文中九軸系統是由六軸加速規與三軸陀螺儀所構成，這樣的設計提供兩個優點：一為免除了在傳統系統中需將三軸加速規裝在系統質心（COM）的限制，另一為系統也同時提供角加速度的資訊。而本論文中十二軸系統是由十二軸加速規所構成，該系統除了具備了前述九軸系統述的兩個優點之外，也因為並不需要安裝任何陀螺儀，間接免除了現今陀螺儀不易校正、訊號容易飽和以及成本較高等問題，也使機電系統在設計與維護上更趨簡單，代價為角速度訊號需經過演算得出，不像其它系統可由陀螺儀直接量測。 由於系統對於感測元件之位置並無限制，本論文對於安裝位置之最佳化有進行探討，並分析安裝位置誤差與安裝角度誤差所造成之影響，對於角度誤差並開發校正程序以減低其影響。同時，並探討軸數多於九軸與十二軸的冗餘（redundant）系統之特性。本論文中並開發單自由度旋轉實驗平台，分別以等速與諧波驅動兩種軌跡，以電壓驅動馬達與位置控制等兩個方式，對偏心系統產生相對應的線加速度、角加速度與角速度，實際以實驗結果來探討九軸與十二軸系統的運作特性。This thesis is focused on the design and analysis of a 9-axis and a 12-axis multi-axis nertial Measurement Units (IMU). Both systems are capable of deriving linear cceleration, angular acceleration and angular velocity via simple linear algebra without ny complicate differentiation or integration process. Comparing with the traditional IMU comprised of 3-axis accelerometers (measuring cceleration) and 3-axis gyros (measuring angular velocity), the proposed 9-axis IMU is omprised of 6-axis accelerometers and 3-axis gyros. The system has two advantages: irst, it doesn''t require accelerometer installation at the center of mass (COM) as in the raditional 6-axis IMU; second, it is capable of delivering angular acceleration imultaneously. The proposed 12-axis IMU is comprised of 12-axis accelerometers. The system not nly has the two advantages shown in the 9-axis system, but also simplifies design and aintenance of the mechatronic system due to its solo use of low-cost accelerometers ut no gyros which are difficult to calibrate, easy to saturate, and with higher price. The trade-off is the derivation of angular velocity through algorithm, not directly from gyro readings. The thesis includes the optimization of sensor allocation, the error analysis of sensor positions and orientations, and the calibration procedure to reduce the effect of orientation errors. In addition, the thesis includes the discussion of redundant systems (more than 12-axis). An bench-top apparatus with one rotational degree of freedom is developed as well and is utilized as the experimental platform to evaluate the performance of the proposed systems.目 錄試委員審定書 II謝 III 文 摘 要 IV 文 摘 要 V 目 錄 IX 目 錄 XI一章 緒論 1.1 前言 1.2 研究動機與目的 2.3 文獻回顧 4.4 研究貢獻與論文架構 5二章 系統的建構與理論推導 7.1 基本理論推導 7.2 九軸系統的建構 9.3 十二軸系統的建構 11三章 感測器位置 13.1九軸的系統 13.2十二軸的系統 18.3十二軸系統的角速度求解 21四章 加速規的校正 23.1 加速規的裝配誤差 23.2 三個2軸加速規的校正 25.3 四個3軸加速規的校正 27.4 陀螺儀的校正 32.5 扣除重力造成的加速度 33五章 實驗平台架構 34.1馬達控制的實現 34.2 電源分配與資料擷取流程 38.3機械設計介紹 40.4感測器介紹 43.5雙馬達的設計與控制 47六章 實驗結果與討論 49.1感測器雜訊分析與比較 49.2 PID控制所造成的雜訊 53.3 加速規的飄移現象 54.4 實驗步驟 55.5 九軸IMU系統的實驗結果 57.6 十二軸IMU系統的實驗結果 59.7 雙軸馬達驅動的實驗結果 63.8平台傾斜旋轉的實驗結果 64.9 非最佳的加速速規安裝位置 65.10 冗餘系統之討論 67七章 結論與未來展望 69 考 文 獻 703465154 bytesapplication/pdfen-US加速規陀螺儀線加速度角加速度角速度IMUaccelerometergyrolinear accelerationangular accelerationangular velocitythesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/187117/1/ntu-98-R96522833-1.pdf