葉仲基臺灣大學：生物產業機電工程學研究所涂志仁Tu, Zhi-RenZhi-RenTu2007-11-262018-07-102007-11-262018-07-102005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/52882全球衛星定位系統正處於高度利用的熱絡階段，衛星定位不論在汽車、航空、農業、與工業上均有卓越的表現。本文研究的目的是希望開發一套穩定且適合在氣候環境較差之農地當中使用的車輛轉向控制系統。本研究設計改裝一實驗用的無人載具，安裝好當中的硬體設施，之後開始著手進行控制系統的試製。控制器的組成大致上分為: 筆記型電腦、8051單晶片、車身姿態儀、與GPS接收模組等，致動器則是由兩組步進馬達與齒輪組組合而成，為使車速穩定，使用齒輪組作帶動的元件。 實驗方法如下：先建立8051與控制訊號間的傳輸，之後將控制程式寫入晶片中並燒錄完成，第二步做8051與PC之間的溝通，選定與RS232之間的鮑率(1200)，第三步做GPS與PC的溝通、訊號的解析以及定位模式的確立，最後再將軟硬體加以整合後進行實地測試測並設計數組控制參數、藉由不斷的實測與調整來找出最佳的控制參數。由實驗得知當控制參數Kp/Ki/Kd=40/40/40與60/40/40時所得到的結果最佳。The global positioning system is being at the stage of intensive applications. The satellite positioning, no matter where in the field of automobile, the aviation, the agriculture and the industry excellent performance. The main purpose of this study is to develop a steering control system of agricultural vehicles. At first an unmanned experimental car was designed and the hardware was mounted. The control system was then be done. The control program was written by Visual Basic6.0 as a software environment. The control theory was mainly based on the PID control because the PID system was stable and also if the factors (for example climate、 terrain、and environmental factors) outdoors were unstable for the establishment of control model. By adjusting Kp/Ki/Kd parameters we could try to find an optimal solution for this steering control system. Experiment procedures was starting from translation between 8051 chip and unmanned car 、 tried to burning program into the 8051 chip, then combined all the software and hardware parts, preparing to test on the real road. For conclusion, Kp/Ki/Kd=40/40/40 and 60/40/40 was the optimal solution of our experiment.目 錄 頁次 誌謝……………………………………………………………………ii 摘要……………………………………………………………………iii Abstract……………………………………………………………………iv 圖目錄 ………………………………………………………………viii 表目錄 ………………………………………………………………x 第一章 前言………………………………………………………1 第二章 文獻探討………………………………………………………3 2.1 精準農業…………………………………………………3 2.2 全球定位系統……………………………………………7 2.2.1 GPS定位原理………………………………………10 2.2.2 GPS訊號……………………………………………14 2.2.3 GPS的精度…………………………………………17 2.2.4 GPS的誤差…………………………………………18 2.2.5 差分定位法……………………………………………24 2.2.6 地理座標系統…………………………………………25 2.2.7 方格座標系統…………..……………………………26 2.2.8 地心座標系統……………….……………………28 2.2.9 座標轉換………………………..…………………30 2.3 單晶片……………………………………………37 2.3.1 單晶片的定義…………………………………………………37 2.3.2 單晶片8051的特性………………………………………38 2.3.3 單晶片8051的接腳………………………………………40 2.3.4 I/O埠的結構和使用法………………………………44 2.4 PID控制技術…………………………………………46 2.4.1 控制系統的結構………………………………………46 2.4.2 開迴路控制系統………………………………………47 2.4.3 閉迴路控制系統………………………………………48 2.4.4 躍階響應………………………………………………48 2.4.5 比例（P）控制………………………………………51 2.4.6 積分（I）控制………………………………………51 2.4.7 微分（D）控制………………………………………51 第三章 材料與方法…………………………………………………54 3.1 實驗設備…………………………………………………54 3.1.1 GPS 接收模組…………………………………54 3.1.2 無人載具暨轉向系統………………………………60 3.1.3 PID控制迴路系統……………………………63 3.2 實驗方法……………………………………………………71 3.2.1 車體部分…………………………………………71 3.2.2 PC部分…………………………………………74 3.2.3 GPS訊號部分……………………………………80 3.2.4 試行部分 …………………………………………82 3.2.5 控制參數修改部分………………………………84 第四章 結果與討論…………………………………………………87 4.1 實驗路線……………………………………………………87 4.2 控制參數測試………………………………………………89 4.3 控制參數最佳化測試……………………………………………104 4.4 實驗結果與討論……………………………………………114 第五章 結論………………………………………………………115 第六章 建議………………………………………………………116 參考文獻………………………………………………………………117 附錄………………………………………………………………119 附錄(一) 8051控制指令一………………………………………119 附錄(二) 8051控制指令二………………………………………133 附錄(三) V.B控制指令一………………………………………147 附錄(四) V.B控制指令二………………………………………157 附錄(五) V.B控制指令三……………………………………158 附錄(六) V.B控制指令四……………………………………160 附錄(七) V.B控制指令五……………………………………160 圖目錄 頁次 圖2-1GPS架構……………………………………………8 圖2-2 GPS衛星示意圖……………………………………………………8 圖2-3GPS控制追蹤站分布圖……………………………………9 圖2-4 GPS定位原理………………………………………………11 圖2-5 DGPS定位原理圖…………………………………………25 圖2-6 橢球座標與卡氏座標示意圖………………………………31 圖2-7 8051單晶片接腳圖……………………………………………40 圖2-8 8051內部示意圖……………………………………43 圖2-9 I/O口內部等效電路圖…………………………………………45 圖2-10 控制系統結構示意圖………………………………………47 圖2-11開迴路控制系統示意圖…………………………………………47 圖2-12躍階響應曲線圖………………………………………49 圖3-1 Garmin 12XL………………………………………55 圖3-2 Garmin Etrex legend………………………………57 圖3-3 ARC VIEW 3.1 視窗………………………………………………59 圖3-4無人載具……………………………………………60 圖3-5轉向系統…………………………………………………61 圖3-6動力系統………………………………………………62 圖3-7 ASUS A2428CDR 筆記型電腦………………………………………63 圖3-8 8051 單晶片…………………………………………64 圖3-92772956 bytesapplication/pdfen-US轉向系統PID控制全球定位系統8051晶片steering systemPID controllerGPS8051 chipthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/52882/1/ntu-94-R90631014-1.pdf