自主式水下載具 (Autonomous Underwater Vehicle, AUV) 適合執行長期性、例行性、或具危險性的工作。中山大學海下科技研究所 (Institute of Undersea Technology, IUT) 自行開發的 AUV 雛形機，配備小型推進器以及深度計、高度計、磁羅經等感測器，具備核心控制與基礎任務腳本執行功能，且在定高控制方面展現出優異性能。然而，受限於推進器推力與感測器種類，IUT AUV 雛形機的實海域應用性很有限。因此，IUT 擬重新評估調整 IUT AUV 雛型機所採用的主控電腦、作業系統與通訊架構，並開發一自主式水下測試載台，使其除了可搭載多樣水下感測器之外，也能做為許多水下探測系統的測試平台。有別於 IUT AUV 雛型機，IUT 自主式水下測試載台的控制系統，將基於樹莓派 (Raspberry Pi) 主控電腦、 Raspbian Linux 作業系統，以及乙太網路通訊架構而建立。為了開發與測試自主式水下測試載台的控制系統，本研究設計並實現一硬體迴路 (Hardware-in-the-loop) 運動模擬系統。此模擬系統的硬體，包含自主式水下測試載台的樹莓派主控電腦以及模擬器主機，兩者之間利用乙太網路作為傳輸媒介。此模擬系統的軟體，包含樹莓派主控電腦的載台控制程式以及模擬器主機的載台動態系統模擬程式、推進器模擬程式、感測器模擬程式和圖形使用者介面；載台控制程式所輸出的推進器控制命令以及感測器模擬程式所輸出的感測器數據，其格式皆與實際應用時的格式相符。此模擬系統運作時，控制命令及感測器數據將往返於樹莓派主控電腦和模擬器主機之間，載台運動狀態資訊可透過圖形使用者介面同步呈現與記錄，做為調整載台控制演算法參數之依據。

Autonomous underwater vehicles (AUVs) have generated much interest in recent years due to their ability to perform repetitive, dangerous, or information-gathering tasks in hazardous or remote environments. The Institute of Undersea Technology (IUT) at National Sun Yat-sen University has developed a prototype AUV equipped with miniature thrusters, a depth sensor, an altimeter, and a magnetic compass. The IUT prototype AUV is able to take action based on the specified mission list, and it also exhibits great performance on the altitude control. However, due to the limits on the magnitude of thrust and the number of sensor types, the applicability of the IUT prototype AUV is very limited. Thus, the IUT re-evaluates the host computer, operating system, and communication architecture used to build the IUT prototype AUV, and comes up with better options to develop a new AUV. The new AUV is required to contain different types of sensors and act as a testbed where different instrumentation systems can be integrated for underwater testing purposes. As a result, the control system of the IUT AUV testbed will be built based on the Raspberry Pi host computer, Raspbian Linux operating system, and Ethernet communication architecture. In order to develop and test the control system of the IUT AUV testbed, this research aims to design and implement a hardware-in-the-loop (HIL) motion simulation system. The hardware of the simulation system comprises the IUT AUV testbed host computer (Raspberry Pi) and a simulation server, which are both within the same Ethernet local area network. An AUV control program runs on the Raspberry Pi host computer, whereas an AUV dynamic system simulation, thruster simulations, sensor simulations, and a graphical user interface (GUI) all run on the simulation server. The thruster commands, generated by the AUV control program, and the sensor data, generated by the sensor simulations, have the formats applicable to real applications. Once the simulation system is activated, messages (thruster commands and sensor data) will be transferred between the Raspberry Pi host computer and the simulation server; the AUV motion data can be displayed and saved through the GUI for further analysis and adjustment on the AUV control algorithm.

誌謝. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
摘要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
目錄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
圖目錄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii
表目錄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
第一章緒論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 前言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 研究動機與目的. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 文獻回顧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 論文架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
第二章運動模擬系統架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1 自主式水下測試載台主控電腦. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 通訊架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.1 自主式水下測試載台通訊架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.2 運動模擬系統通訊架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
v
2.3 運動模擬系統程式架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
第三章載台主控程式設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1 主控程式模組功能. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2 任務腳本. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3 感測器資料讀取及記錄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4 任務流程與運動控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
第四章模擬器主機端程式功能設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.1 任務腳本編輯程式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2 載台動態系統模擬程式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3 載台即時3D 繪圖程式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
第五章運動模擬系統任務測試. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.1 實驗配置與硬體參數設定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.1.1 連線模組參數設定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.1.2 載台主控電腦端參數設定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.1.3 模擬器主機端參數設定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.2 深度控制類型任務測試. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.3 高度控制類型任務測試. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.4 深度/高度/艏向控制類型任務混合測試. . . . . . . . . . . . . . . . . 71
vi
第六章結論與建議. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.1 結論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.2 建議. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
參考文獻. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
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A.2 無人水下載具之運動方程式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
A.2.1 假設條件. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
A.2.2 剛體動態. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
A.2.3 流體附加質量. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
A.2.4 流體動力阻尼. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
A.2.5 重力與浮力. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
A.2.6 運動聯立方程式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
附錄B 運動模擬系統程式操作步驟與執行現象. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

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