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MicroFly
- 1. 1 讓 micro:bit 飛起來 虎尾科技大學資訊工程系 陳國益 【MicroFly 雙馬達自平衡飛機】
- 2. 2 大綱 飛行器的種類 飛機如何控制 推力控制飛機（Propulsion-Controlled Aircraft，PCA） micro:bit 程式撰寫 硬體組裝 地面調整 實際飛行
- 3. 3 飛行器的種類 航空器 輕於空氣的航空器 重於空氣的航空器 氣球 飛船固定翼 旋翼 撲翼 傾轉旋翼 飛機 滑翔機 直昇機 彷生學 振翼機 V-22 魚鷹
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- 5. 飛機在空中的控制方式 控制面（舵面） 方向舵、升降舵、副翼 動力（馬達的轉速） 5
- 6. 飛機的控制面 Control Surfaces 副翼 Aileron 升降舵 Elevator 方向舵 Rudder 6
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- 9. 9 目前進度 飛行器的種類 飛機如何控制 推力控制飛機（Propulsion-Controlled Aircraft，PCA） micro:bit 程式撰寫 硬體組裝 地面調整 實際飛行
- 10. 10 有可能只用動力控制飛機嗎？ 1989年7月19日，聯合航空 DC-10全部液壓系統故障， 造成所有控制舵面均失效。透過調整左右兩個引擎的 推力差，讓飛機平穩朝著愛荷華州蘇城緊急迫降，這 是第一次以推力差控制真實飛機，並成功降落的紀錄。
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- 12. 12 推力控制飛機（PCA） PCA Propulsion Controlled Aircraft 以左右引擎動力差 控制飛機的方式
- 13. PCA in MicroFly 左右馬達推力可個別調整，以推力差距作左 右方向控制 具有感測器感知飛機目前姿態，並動態調整 左右馬達推力維持飛機平衡 升降舵需調整為飛機略微抬頭的姿態，即可 透過總推力大小不同控制飛機的升降 13
- 14. 14 未來，在空中飛的AI 《科學人》2004年9月第31期 『搖搖不墜！ 』（撰文／MikeCorder｜譯者／鍾樹人） ….若能將類神經網路引入PCA，更進一步結 合 AI 人工智慧的可能。證明了此種控制方法 的潛力與可變化性 在未來，也許能夠將目前的程式改寫成簡易 的類神經網路並達到更精確的控制，讓 MicroFly 變身成『在空中飛的 AI』….
- 15. 15 目前進度 飛行器的種類 飛機如何控制 推力控制飛機（Propulsion-Controlled Aircraft，PCA） micro:bit 程式撰寫 硬體組裝 地面調整 實際飛行
- 16. 預先準備，查詢自己的micro:bit名稱 請以瀏覽器開啟 https://reurl.cc/k1RyYK 查詢並記錄自己的裝置名稱（五碼英文 16
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- 18. 18 micro:bit 控制軟體撰寫 在瀏覽器上輸入https://reurl.cc/ARVrEY 請從此藍芽基礎範例開始，按下 Edit Code
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- 22. micro:bit 控制軟體撰寫 請於手機上下載V7RC App 請注意手機需支援 Bluetooth 5.0 以上 22
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- 33. 33 micro:bit 控制軟體撰寫 V7RC通訊格式 SRV通道1數值通道2數值通道3數值通道4數值# SRV1500100015001500# 最高值為2000、最低值為1000 油門為零時，其（通道2）數值為1000
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- 46. 46 micro:bit 控制軟體撰寫 將2000 ~1000 轉換為 100 ~ -100
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- 48. 48 micro:bit 控制軟體撰寫 將2000 ~1000 轉換為 100 ~ 0
- 49. micro:bit 控制軟體撰寫 完成藍牙接收/解析控制字串 49 藍牙接收控制字串 parseCtrlMsg 函式解析控制字串 油門數值方向舵數值 動力控制與平衡 姿態感測 micro:bit 【油門數值】 【方向舵數值】
- 50. micro:bit 控制軟體撰寫 完成藍牙接收/解析控制字串 若進度較慢，可直接取用至此的程式 50 https://reurl.cc/g2Vg2R
- 51. 51 micro:bit 控制軟體撰寫（參數） rudder：方向舵數值，初始值為0，範圍為-100~ 100 thro：油門數值，初始值為0，範圍為0 ~ 100 power：經由thro與para_thro2PWM值換算得到的實際油門控制PWM值 power_L：左馬達的PWM動力值，初始值為0 power_R：右馬達的PWM動力值，初始值為0 target_roll：希望保持或轉動到的roll目標值，初始值為0 para_thro2PWM：油門數值與實際油門控制馬達PWM（Pulse-width modulation）值的轉換參數，初始值為10 para_rudder2angle：方向舵值與roll目標值的轉換參數，初始值為2 Pw_multiple：用於機體平衡函式之roll角度與馬達PWM值的轉換參數， 初始值為3 power_Max：馬達PWM值的最大值（初始值設為1023） roll_adjust：若飛機水平飛行時，roll角度並非零度時的角度修正參數， 初始值為0
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- 54. micro:bit 控制軟體撰寫 設定偏移值roll_adjust 54
- 55. micro:bit 控制軟體撰寫 調整轉換參數大小（roll與馬達PWM） 55 https://reurl.cc/zZvyya 至此頁的進度
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- 57. micro:bit 控制軟體撰寫 飛機轉彎和腳踏車轉彎類似 有一滾轉（側傾）角度 滾轉角越大，轉彎越快 平飛時，滾轉角為零 57
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- 61. micro:bit 控制軟體撰寫 61 delta_roll =(target_roll + roll_adjust) - current_roll 本專案使用y=ax函式以計算動力補償。在此一函式中， y為馬達PWM差異數值，a為指定的動力參數（即參數 Pw_multiple，初始設定為3），而x便是delta_roll角度
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- 63. 63 micro:bit 控制軟體撰寫 micro:bit 安裝 偏 差 角 度 為 -3(roll_adjust) ， power=800 ， current_roll=20，target_roll=0，平衡公式為：y=3x 飛機目前右傾 20 度，要轉到 20+(-3) 度， 使用者方向舵指令為0 delta_roll=0+(-3)-20=-23 power_L=800+(-23*3)=731 power_R=800-(-23*3)=869 由運算結果，可知右馬達動力大於左馬達， 右邊大左邊小，會向左傾修正
- 64. 64 micro:bit 控制軟體撰寫 micro:bit 安裝 偏 差 角 度 為 -2(roll_adjust) ， power=600 ， current_roll=10，target_roll=25，平衡公式為：y=3x 飛機目前右傾 10 度，要轉到 25+(-2) 度， 使用者下了右轉 25 的指令 delta_roll=25+(-2)-(10)=13 power_L=600+(13*3)=639 power_R=600-(13*3)=561 由運算結果，可知左馬達動力大於右馬達，左邊大右邊小 ，會向右傾修正
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- 68. micro:bit 控制軟體撰寫 完成藍牙接收/解析控制字串/動力控制平衡 68 藍牙接收控制字串 parseCtrlMsg 函式解析控制字串 油門數值方向舵數值 動力控制與平衡 姿態感測 micro:bit 【油門數值】 【方向舵數值】 https://reurl.cc/X49mgE
- 69. 69 目前進度 飛行器的種類 飛機如何控制 推力控制飛機（Propulsion-Controlled Aircraft，PCA） micro:bit 程式撰寫 硬體組裝 地面調整 實際飛行
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- 73. 73 MicroFly 飛機硬體製作 彎折尾翼升降舵，提供抬頭力量 黃線部分以美工刀切斷 綠色虛線部分只切割出約一公釐深的割痕不切斷
- 74. 74 MicroFly 飛機硬體製作 將升降舵微微往上彎折2至3度 兩側角度需相同，以膠帶固定升舵
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- 76. 76 MicroFly 飛機硬體製作 尾翼安裝位置與升降舵狀態 升降舵背面也可以膠帶補強固定
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- 79. 79 MicroFly 飛機硬體製作 組裝micro:bit與microfly控制板 螺絲務必要轉緊，否則馬達供電會不順暢
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- 81. 81 MicroFly 飛機硬體製作 裁切座艙罩，使其與micro:bit 密合
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- 83. 83 MicroFly 飛機硬體製作 將空心杯馬達安裝至馬達座中 馬達底座頂住桌面，不可對軸心施力
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- 85. 85 MicroFly 飛機硬體製作 安裝螺旋槳時，馬達底部需有支撐 可用手指頂住馬達後蓋 或以馬達底部抵住桌面的方式安裝
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- 88. 88 MicroFly 飛機硬體製作 翻轉飛機，黑白線馬達在右，紅藍線馬達在左 馬達座邊緣距離機身七公分，兩邊距離需相等 馬達座前緣切齊翼面，馬達軸心盡量突出翼面
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- 91. 91 目前進度 飛行器的種類 飛機如何控制 推力控制飛機（Propulsion-Controlled Aircraft，PCA） micro:bit 程式撰寫 硬體組裝 地面調整 實際飛行
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- 97. 地面調整/抬頭失速下墜 重心過於靠後，導致機頭翹起 改善方式：電池往前固定，重心往前挪 升降舵角度太大，導致機頭抬頭過高 改善方式：減低升降舵翹起角度 97
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- 99. 地面調整/快速低頭下墜 重心過於靠前，導致機頭太重 改善方式：電池往後固定，重心往後挪 升降舵角度太小，導致機頭無抬起力矩 改善方式：加大升降舵翹起角度 99
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- 102. 地面調整/左偏 飛機垂直尾翼偏向 泡棉機身壓擠造成變形 反向扭轉後半段機身改善變形問題 102
- 103. 地面調整/左偏 機體右側較輕 泡棉（EPP）材質有可能密度不均 將電池固定在機身右側，使機身右側較重 103
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- 105. 地面調整/左偏 整理： 右邊主翼升力大於左翼升力（拉大左翼面積 飛機垂直尾翼偏左（扭轉垂直尾翼回中 右側重量較輕（電池固定於右側配重 飛機升降舵左邊上翹角度大於右邊（升降舵調整 為同角度 105
- 106. 地面調整/右偏 拉大右翼面積 扭轉垂直尾翼回中 電池固定於機身左側作為配重 升降舵調整為相同角度 106
- 107. 107 目前進度 飛行器的種類 飛機如何控制 推力控制飛機（Propulsion-Controlled Aircraft，PCA） micro:bit 程式撰寫 硬體組裝 地面調整 實際飛行
- 108. 飛行環境 200x200公尺平方的寬闊場地 四周盡可能沒有障礙物 飛行時也需避開樓房、樹木、竹林、人群 飛行時風速不宜大10km/h (UAV Forecast App) 建議一開始以50公尺半徑飛行 108
- 109. 啟動步驟 確定V7RC App連線方式為藍牙連線 確定設定V7RC App 通道二的『保持原位』為『ON』、『起點 位置』為『低』，避免連線後螺旋槳暴衝 關閉電源開關，避免若程式錯誤，上電時可能造成的螺旋槳暴 衝 將電池連接至系統，並固定在機身下方適當重心位置 打開電源開關，此時micro:bit應呈現笑臉圖示(右側馬達會轉動 一會兒後停止) 啟動V7RC App，並連線至micro:bit，連線完成會出現打勾圖示 輕柔移動左側油門桿，觀察馬達是否正常產生向後推力。 油門推至最大，逆風往前水平擲出飛機，即完成起飛步驟。 109
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- 122. 操作技巧 122 以一個跑馬航線的飛行路徑為例 飛機手擲起飛後直飛一段 然後以方向舵控制左轉，再直飛一段 再左轉，便完成一個像操場跑道的跑馬航線 但是飛機是在三度空間中運動的物體，因此 高度便是關鍵，因此我們使用立體視圖的方 式，說明整個跑馬航線的過程，並分階段說 明。
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- 124. 操作技巧 step 1 第一階段，是手擲起飛，在這一階段中，操控最為簡單，便是 油門全開，朝前與略略朝上方手擲出去 如果室內空間有限，電池又是充飽狀態，可以80%油門就好 124
- 125. 操作技巧 step 1Cont. 在這段直飛過程中，micro:bit 會有平衡效果，但飛機機體本身 誤差也需調整好。若是在這一段沒辦法大致直飛，則需關油門 平飄降落，依照書中說明調整重心、左右偏航等問題，再行起 飛。 可以觀察到，因為升降舵為微昇（上翹）狀態，油門又開滿， 因此飛機會不斷上升取得高度。這一段是靠電能轉換為位能。 125
- 126. 操作技巧 step 2 第二階段，是跑馬航線的左轉，在左轉彎時，會減小左馬達的 推力，以較大的右馬達推力達到向左轉的效果， 整體推力下降。同時因轉彎時的機身傾側狀態，造成機翼的投 影面積變小，連帶影響整體升力下降。因此在轉彎時，一定會 掉高度，代表需有相當的高度才能夠順利轉彎，否則容易撞地 126 位能轉換為動能
- 127. 操作技巧 step 2Cont. 若機身過份傾側向左，可以向右打一些右舵，讓飛機不至於太 過左傾而翻覆。雖然程式中有把機身的目標傾側角限定在 50 度 。但是外界的許多物理因素（風力、慣性力、重力等），都有 可能讓實際的機身傾側角超過 50 度。因此需要手動打反舵平衡 。 127
- 128. 操作技巧 step 3 第三階段，在轉彎完成後打右舵讓飛機回正，當飛機已經回正 並俯衝直飛時，此時油門不用太大，方向舵歸零即可，讓飛機 直飛到較低處，準備下一次的拉昇。這一階段是用位能換動能 ，讓飛機有足夠下一次拉起的速度。 128
- 129. 操作技巧 step 4 第四階段，爬升。有如第一階段的手擲起飛，這段爬升過程只 需加滿油門，讓飛機獲得下一次左轉所需的高度。若無法直飛 ，則需微調飛機的左右偏航問題。這一段會運用前一階段的動 能，以及油門指令釋放出的電能，轉換為飛機的位能。 129
- 130. 操作技巧 step 5 第五階段，再次左轉。如同上一次左轉一樣，方向舵左打。 130
- 131. 操作技巧 step 5cont. 但是若傾側過度，請以方向舵右舵(打反舵）微調，使其不要過 度側傾翻覆即可 131
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- 134. 能量管理 可觀察出固定翼飛機與自走車的最大不同，便是需要 瞭解高度與能量是可以互相對換的 高度其實就是位能，可以轉換成速度（動能），整個 飛行過程其實就是一個『能量管理』的過程（EM、 EnergyManagement） 藉由我們的控制，飛機不斷將電能轉成動能（速度） 、動能換成位能（高度），轉彎時損失高度但增加速 度，爬升時換得高度但速度減少，進而在空中達到理 想的操控。 134
- 135. 操作技巧 這個跑馬航線其實很像飛機要降落前的五邊航線（請 參見 https://www.fttw.com.tw/news/html/?501.html）， 透過跑馬航線瞭解MicroFly 的操作使用後，便能開 發出更多種類的飛行航線（pattern） 135
- 136. 操作技巧 以 MicroFly這種 爬高後轉彎降低 的特性，很容易 做出 hammer turn 這樣的特技動作 136
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