淡江大學機械與機電工程學系碩士班學位論文
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本文以直接模擬蒙地卡羅法(Direct Simulation Monte Carlo Method)[1]來模擬研究三維微結構物理模型對流場現象與熱傳作分析與探討。本文使用直接模擬蒙地卡羅法在低速時出入口邊界的隱性條件來修正。 在低速管流的模擬中，紐森數的範圍設定在0.08到1.8之間且微結構溫度分別設定為273 K ，323 K 和373 K。在模擬中，比較三維模擬結果與二微模擬結果之差異性。就結果而言，可以觀察出在三維模擬的例子中，兩側壁的效應影響了熱傳與流場性質且在三維的流場模擬中，壁的熱傳量也隨著紐森數的增加而減少。而在三維的模擬中，也模擬加大長寬比1，3和5倍，其結果顯現在三維的模擬中，長寬比小於3的時候，兩邊壁的效應對熱傳與流場的影響就相當顯著，隨著長寬比的增加，此時流場的性質與熱傳表現是接近二維模擬時的結果。當長寬比大於5的時候，發現二維模擬的結果是合理的。
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本篇論文採用即時之μC/OS-II微核心作業系統，植入Motorola 32bit MPC555之微控制器，構成一嵌入式微衛星電腦系統，進而發展其即時功能，並利用電腦系統即時多工的特性，初步規劃出飛行軟體，使其具備衛星電腦初始化與自治運作、命令接收與處理，以及資料的儲存、處理與下傳等功能，並建立其運作模式下之健康狀態監測、安全模式、酬載拍照、GPS監測、遙測資料儲存等應用工作，以符合太空任務之需求。 本顆衛星主要的任務即拍攝氣象雲圖與電子郵件的發送服務，而本論文所要實現的，即為使衛星電腦能在短時間之內處理多項工作，並加入飛行軟體來監督衛星的運作，設計出飛行軟體在運行模式下所要的執行的工作，依據各工作重要的程度，規劃出執行時不同的優先順序與工作頻率。而本嵌入式系統設計之發展過程分為幾個階段，包括μC/OS-II微核心之研究、MPC555底層驅動軟體之發展、微核心作業系統植入MPC555主機板和衛星應用程式之發展。
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本文主要針對微衛星TUUSAT-1A任務目的，設計氣象雲圖觀測酬載，研究工作包含1.壓縮軟體的建立2.拍照邏輯的判斷程式3.拍照模組的開發。首先將參考其他氣象遙測衛星的發展及設計，並針對氣象觀測任務，訂定酬載系統的需求與技術指標，並依這些需求定義規劃酬載的架構與功能。在壓縮軟體的建立方面，首先壓縮部分會介紹一般較為熟知的圖片格式，討論之間的優點和缺點，以及選定JPEG作為研究對象的動機，並介紹JPEG壓縮格式的流程，以及程式建立之後的圖片壓縮測試。由結果中可發現所壓縮的倍率最高達15倍以上，可有效的減少資料量以達到減少記憶體使用的目的。而在拍照邏輯部分，則會介紹當衛星進入拍攝區域時所需的拍照邏輯的判斷法則、原理以及所規劃的拍照區域大小，以及移植到衛星電腦上的過程與心得。最後在模組開發的部分，則根據CMOS和CCD之間的差別及優缺點和任務設計的需求，選擇適合開發的影像模組，並以體積小、重量輕、控制容易等原則設計，經過設計的模組可達到簡單、重量輕、容易安裝等需求。 壓縮軟體的建立對於TUUSAT-1A的發展上有相當的幫助，對於記憶體有限的星上電腦來說，此軟體的研究使衛星上電腦的資料儲存量增加許多，並且相對的減少很多的傳輸時間；拍照邏輯程式也根據拍照邏輯理論之需求以C語言撰寫而成，並成為飛行軟體中的一個副程式；在模組的設計方面，相較於前一代的模組設計，本文中所設計的模組在體積上可說是更加的縮小，重量也是更加的減少，對於微衛星的空間及重量的應用上將可以有更大的使用空間。
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本研究主要是以通訊系統設計與整合測試為主。在結構設計上包含天線展開機構與通訊模組的改良；另外在系統設計上，則規劃各項衛星通訊模組控制指令之設計，與進行遙傳資料上傳與下載功能.。並針對與衛星電腦系統連結，進行完成封閉迴路（Closed Loop）的控制指令上載/遙傳資料下載，與開發地面站軟體，配合通訊模組來進行雙向無線傳輸以進行實測。 另一方面則引進智慧代理人機制來進行衛星自主性任務設計，探討並利用代理人技術於微微衛星任務之自主處理與運作，藉以發展衛星通信的自主能力以及自主性衛星的實現。
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本研究尋找出Tricept並聯式機械手臂的正向奇異位置。首先推導出較為簡單的3×3 Jacobian矩陣，並且利用此矩陣尋找此機構的正向奇異位置。針對任何一個活動平台方向，都必定會有至少一個活動平台伸長量，造成機構的正向奇異位置，而這伸長量可由3次多項式方程式解出。本文找出在活動平台工作空間之內，有2個區域的正向奇異位置會出現在無法到達的位置，因此當活動平台在此2個區域內時不必考慮正向奇異位置。
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本研究使用速度分析的圖形法以尋找3PPSR並聯式機械手臂的正向奇異位置。推導出驅動器靜止情況下活動平台的速度關係式，當活動平台的 速度不必為零的情況，即是發生正向奇異位置的條件。本文並利用這條件找出數種3PPSR並聯式機械手臂的正向奇異位置，並探討在此位置活動平台可能的瞬間運動。並與利用Jacobian矩陣尋找正向奇異位置的方法作比較。
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本研究使用低價的CMOS視覺感測元件製作機器視覺系統，修改市售CMOS視覺模組的部份限制，發展適合機器視覺系統的影像擷取技術。修改重點包括影像擷取時的環境設定與影像編碼格式，以及影像擷取後的影像處理程序等。首先以改變視覺模組工作頻率的方式，產生不同的曝光程度以得到不同的影像品質。並將影像劃分為數個子影像加以分析，選擇出最佳品質的子影像，組合後做為後續影像處理的原始影像。其次，使用感測元件輸出的影像編碼格式進行影像傳輸與處理，具有影像資料量小且訊息完整的優點。最後，針對原始影像運用影像分割技術找尋所需要的物件，再輸出物件位置給控制系統做後續處理。視覺模組工作頻率的變動方面，將以數位邏輯電路形式實現在Altera的FPGA晶片中，驅動義統電子低價位的ET21X110A視覺模組。並在Altera的FPGA晶片中自行設計Nios CPU，以實現品質測定、影像邊緣強化、影像放大與影像分割等程序。最後利用UART串列傳輸輸出到控制系統。發展的機器視覺系統應用在光碟拷貝機的感測與檢測程序，包括有無碟片偵測、托盤伸出長度量測、與碟片中心點位置量測等。未來也可應用在動態環境的感測與檢測，例如當做機器人的視覺系統以回授周遭訊息。
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本研究的目的是說明機構速度分析的圖形法(graphical method for mechanism velocity analysis)可以用來尋找限制自由度(limited-DOF)並聯式機械手臂的正向奇異位置；限制自由度並聯式機械手臂是指從事空間運動的機械手臂但其自由度低於6。本研究是以三自由度MIPS並聯式機械手臂為對象，首先推導出此機械手臂的6×6 Jacobian矩陣，但由於尋找6×6矩陣行列式為零的位置較為不易，因此本研究中此矩陣是用來檢驗結果。本研究利用速度分析圖形法推導出當驅動器靜止時而活動平台速度不必為零的條件，此條件成立的位置即正向奇異位置，本文利用此條件尋找出數個機構的正向奇異位置，並代入6×6Jacobian矩陣以驗證結果。
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本研究利用水合原理及無電解電鍍銅製程，成功地將銅鍍在奈米碳管表面上。並利用單向加壓成形及真空高溫燒結下，成功製得銅基/5、10、15及20vol.%奈米碳管複合材料。本研究並探討銅基/奈米碳管複合材料與麻田散鐵化S45C碳鋼(HRC60)進行乾磨耗時，不同奈米碳管含量，滑動速率(1.23m/s、2.45m/s與4.90m/s)及荷重(0.44MPa、0.74MPa與1.03MPa)對銅基/奈米碳管複合材料之磨耗性質影響。實驗結果，摩擦係數隨著奈米碳管含量增加而降低；當奈米碳管含量為10vol.%時，其磨耗率最低。滑動速率增加時，由於滑滯現象的影響加劇，使得摩擦係數與接觸電阻隨著滑動速率增加而上升。荷重增加時，由於滑滯現象減小及犁割與黏著磨耗加重之對磨耗正負面效應影響下，磨潤性質不隨荷重增加有明顯改變。對所有磨耗數據而言，當PV值為1.802時，由於系統發生劇烈振動，造成滑滯現象更為嚴重，導致磨耗率最高；至於PV值對於摩擦係數則無明顯影響。
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本文係利用金屬粉末成型料之可熱塑成型優點，與粉末冶金燒結技術，發展金屬粉末熱壓模造技術。本實驗第一部份使用田口式實驗設計求得440C不鏽鋼金屬粉末（粉末平均粒徑4μm）生胚經脫脂及預燒結後之最佳燒結條件為：燒結溫度1250℃、升溫速率10℃/min及燒結時間5小時，其最佳化密度為7.52g/cm3；第二部分進行微深孔熱壓模造成型，分別使用圓柱形及圓柱末端俱螺紋形之心蕊，置於兩片440C不鏽鋼板材生胚之間，進行熱壓模造及燒結，分別製得直徑250μm微深孔，及直徑250μm且末端螺紋外徑1500μm之微深孔，原本直徑250μm的微深孔，因為孔洞向外擴散進而擴大為300μm；第三部分進行微結構熱壓模造成型，分別將絲網及最密堆積不鏽鋼球作為微結構模仁，並將圖形轉印至平板生胚，兩種模仁內的模穴皆為開放性，因此在熱壓模造過程中，氣體較容易排出，使生胚能完全填滿於模穴中，且不鏽鋼球受到模流推擠及不鏽鋼球與生胚間摩擦力作用，產生自我調適滾動，進一步使生胚更容易地填滿於模穴中。微結構生胚經過脫脂、預燒結及使用最佳燒結條件製得緻密具微結構的440C不鏽鋼燒結體，其中因為孔洞向外擴散，網目微燒結體景深（depth of field）由深變淺，且最密堆積結構的頸部區域產生收縮。