by James Huang 

23 12 月, 2019

Last Updated on 2020-09-01 by James Huang

人們對於天空一直以來都有無限的妄想,夢想著有一天能夠翱翔天際,近幾年隨著科技不斷進步,無人機的出現,大幅降低原本需要人工駕駛直升機來完成任務的成本,且效率更加迅速。除此之外,所發展出的多軸無人機,不僅能夠搭載雲台與相機鏡頭,利用WiFi無線傳輸的功能,讓人能從地上的螢幕俯瞰整片大地的美景,更能透過改裝增加功能完成許多探測工作,如今已被廣泛使用於各種領域,多軸無人機的發展正在改變著我們的生活。

大家好,我是James,本身也是被無人機魅力所深深吸引的愛好者之一,目前正努力學習無人機技術與知識並踏上成為無人機專家的旅程,今天將跟大家分享相關無人機的基本知識與未來趨勢。

【2020無人機知識總整理】嶄新的無人機時代即將來臨,您準備好了嗎!!!
【2020無人機知識總整理】

什麼是無人機

定義:無人機所表示的是沒有駕駛員於駕駛艙內操作的飛行器,簡稱無人機 Drones」,依據導航系統的有無又可分類為以下兩種:

  • 無人航空載具(具備自動導航系統.Unmanned Aerial Vehicle,簡稱UAV或Unmanned Aerial Systems 簡稱UAS ) :目前應用最廣泛的無人飛行載具,耳熟能想的「空拍機」即屬於此類,因其屬於具備內建或外掛照相機、攝影機的飛行載具。
  • 遠端遙控載具(無自動導航系統.Remote Pilot.Vehicle,簡稱RPV): 目前比較常見於遙控飛機。

本文我們主要討論近年來相當熱門的話題—-無人航空載具(Unmanned Aerial Vehicle, or Drone)的應用。


結構設計 

【2020無人機知識總整理】結構設計

#機身結構

機體軀幹及機翼等機體結構件。

#動力系統

  • 電調-全名為電子調速器,把動力電池提供的直流電轉換為可直接驅動電機的三項交流電。電調接收飛控指令後,控制電機轉速,使無人機的傾角改變。
  • 電機-目前主流電機為無刷電機,電機的作用就是通過轉動,帶動螺旋槳的轉動,提供升力。
  • 螺旋槳-螺旋槳固定在電機軸上,隨電機的轉動而轉動,為無人機帶來升力。
  • 動力電池-航拍無人機目前多使用鋰聚合物為動力,把數片電芯串並聯在一起,為飛行提供動力。

#飛行控制系統

  • GPS-用於獲取無人機的經緯度訊息,確定位置。
  • 氣壓計-用於測量當前大氣壓,獲取無人機的高度訊息。
  • IMU(加速度計.陀螺儀)-測量無人機在三維空間中的角速度和加速度,並以此計算出物體的姿態。
  • 指南針-用於分辨飛機在世界坐標系中的東南西北朝向。

#影像及圖傳

雲台(裝設於飛行器之上,航拍系統中最重要的部件)、空拍攝影設備,影像傳輸系統。

#遙控器(Remote Controller)及接收器

讓航拍玩家透過遠程控制技術來操控無人機的飛行動作並由接收器接收遙控器發出的遙控指令訊號,目前主流無線信號是2.4G信號。


無人機分類 

分類 定翼 單旋翼 多旋翼
2020無人機知識-定翼空拍機 2020無人機知識-亞拓單旋翼植保機 2020無人機知識-DJI
優點 載重大穩定性高續航力佳 載重大機動性佳可定點即時起降 平衡佳容易操作動態影像品質佳
缺點 起降作業不易機動性不佳 技術門檻高航速較慢 續航力不足抗風能力不足載重低

飛行原理

多旋翼無人機也是由電機馬達的旋轉,使螺旋槳產生升力而起飛。當螺旋槳的升力總和等於飛機總重量時,飛機的升力與重力相平衡,飛機就能夠懸停空中。依據牛頓第三定律(作用力與反作用力),旋翼在旋轉的同時,也會同時向電機馬達施加一個反作用力,促使電機馬達向反方向旋轉,以抵消這種反作用力,保持無人機機身的穩定。

 

2020無人機知識總整理-無人機飛行原理:平衡
圖1

如圖1所示,螺旋槳P1、P3的旋轉方向為順時針,螺旋槳P2、P4的旋轉方向為逆時針。飛行時,P1、P3所產生的逆時針反作用力和P2、P4產生的順時針反作用力互相抵消,機身就能夠達到平穩飛行。

#原地旋轉

如圖1所示,當要飛機原地旋轉時,我們就可以利用這種反作用力,P1、P3兩個順時針旋轉的電機轉速增加,P2、P4號兩個逆時針旋轉的電機轉速降低,因逆時針反作用力影響,機身產生逆時針方向的旋轉。

#垂直升降

2020無人機知識總整理-無人機飛行原理:垂直升降
圖2

如圖2所示,當無人機需要升高高度時,四面螺旋槳同時加速旋轉,升力加大,機身就會上升。反之,當無人機需要降低高度時,四面螺旋槳會同時降低轉速,機身就會下降。

#水平移動-前進

2020無人機知識總整理-無人機飛行原理:前進

如圖3所示,當無人機需要往前進時,P3、P4電機螺旋槳會提高轉速,同時P1、P2電機馬達螺旋槳降低轉速,因機身後部的升力大於機身前部,飛機的姿態會向前傾斜飛行。反之則向後傾斜飛行。

#傾斜側向飛行

2020無人機知識總整理-無人機飛行原理傾斜
圖4
2020無人機知識總整理-無人機飛行原理傾斜
圖5

如圖4及圖5所示,當P2、P3提高轉速,P1、P4降低轉速時,飛機向左傾斜,進而向左飛行。反之則向右飛行。

專家解說影片:四軸飛行器的飛行原理及解構


無人機演進

2020無人機知識總整理-演進


全球四大無人機品牌

大疆創新DJI Parrot 3D Robotics AscTec
2020無人機知識總整理-全球四大無人機品牌:mavic-min 2020無人機知識總整理-全球四大無人機品牌:ANAFI 2020無人機知識總整理-全球四大無人機品牌:3DR Solo 2020無人機知識總整理-全球四大無人機品牌:Intel-Falcon-8
大疆創新DJI為目前全球無人機控制與航拍影像系統先驅,目前最新產品為109年10月底推出的”MAVIC MINI”。 位於法國巴黎的無人機及無線產品製造商,成立的時間比DJI早十二年,目前以ANAFI系列空拍機聞名。 北美最大無人機廠商,以3DR Solo無人機聞名,搭配裝載Kodak PIXPRO SP360 4K,可達360 度 VR 全景空拍效果。 旗下產品X-UFO為最早的玩具四軸飛行器之一,於2016年Intel 收購AscTec並強化 RealSense視像感應技術,隨後推出首台無人機 “Intel Falcon 8+”。

無人機正在改變生活,到底是好還是壞? 

#好處

  • 提供有效消防.人命救及援醫療救助
  • 野生動植物保護有效監控
  • 擴展攝影產業視野
  • 農業作物健康和土壤狀況調查及作業
  • 提供各項產業工程的施工檢查
  • 各項產業工作便利性及效率大增

#壞處

  • 個人隱私受到威脅
  • 安全威脅潛力提高

無人機的好處是不是大於壞處?無人機正在改變生活,已經是不變的事實,我國也針對無人機制定出控無人機管理規則有效管控無人機,但是最基本面還是要回歸個人,我們真的要讓無人機進入生活嗎?安全、降低成本等等,使用無 人機的好處很多。選擇人還是機器?決定在於你自己。身為無人機操作者,必須提升自己的素質,了解無人機法規及禁飛區域,把持三不原則「不侵犯隱私.不危害生命安全.氣候不穩不要飛」,如此才能在安全狀況下,發揮無人機最大的效用。


無人機應用

 

  • 軍事及反恐 – 無人機在軍事領域的成功應用,也揭開了以智能化遠程攻擊武器為導向的戰爭,目前現有應用包括模擬飛行器、情報偵察、軍事打擊、通信中繼、空中預警。                            

2020無人機知識總整理-掠奪者無人機MQ-9

  • 消防防救災應用 – 採用無人機搭配熱影像處理鏡頭,便可詳細觀察到火場的狀況,或是大型災害 現場,也可派出無人機進行勘查,無人機所拍攝到的影像進行3D建模之後,可使救災人員更精確地了解災難現場,進而提升救災效率。                                                 

2020無人機知識總整理-消防防救災應用

  • 建築建設 – 近幾年,無人機正在被越來越多的建築師所使用。無人機擁有諸多優點,同時它在配備了攝像頭之後可以使許多建築相關的工作變得更為簡單。用於城鎮規劃與管理.道路建設.施工和選址.建築工地勘察及施工管理。  

2020無人機知識總整理-建築建設

  • 能源 無人機在能源領域的運用,包括水力發電廠基礎設施、電力系統、風力發電場地等領域的檢測運用。使用雷射無人機進行風場地表高度的檢測,不但不需要砍伐森林,精密度提高,成本也大大下降。  

2020無人機知識總整理-能源

  • 攝影/電影-「航拍」又稱空拍、空中攝影或航空攝影,拍圖能夠清晰的表現地理形態,因此除了作為攝影藝術的一環之外,也被運用於軍事、交通建設、水利工程、生態研究、城市規劃等方面。2010年代之後,由於多軸遙控飛行器的普及,有不少業餘玩家進行航拍活動。

2020無人機知識總整理-電影用無人機

  • 運送 -發展運送物流業的無人機,可以解決時效性、廉價性和可達性幾個物流業的重要問題。未來,物流無人機定將成為現代物流業不可或缺的基礎設施,有助於物流業實現爆發性的發展。  

2020無人機知識總整理-運送

  • 氣候/環境研究及保護 – 無人機可針對極地區、沙漠、大草原的環境及動物保育等進行收集資料及監測作業。

2020無人機知識總整理-環境保護

2020無人機知識總整理-環境保護

#國內無人機應用與展望影片

警車竟能在空中飛? 台灣無人機的應用範圍超乎你想像!


無人機未來發展趨勢及挑戰 

#未來發展趨勢

  • 遙控無人機法規制定 – 隨著,全球各地使用無人機發展火熱,應用越來越廣泛,為因應無人機產業快速發展的需求, 目前大多數國家分別進行制定對應的無人機適航標準。我國也以完成制定「遙控無人機專章」及有關遙控無人機管理及註冊 之「遙控無人機管理規則」,並於預計於109年3月31日全面施行。
  • 功能應用專業化 – 隨著對無人機應用價值認知程度的加深,無人機技術的不斷創新必將顛覆眾多行業的傳統作業方式,將會出現更多針對不同領域作為專精導向的無人機產品,開拓全新的無人機產業民用發展新局面。  2020無人機知識總整理-趨勢

 

 

 

 

 

 

  • 消費產品個性化 – 消費市場的無人機將更進階往拍攝影片及攝影領域拓展,以形成沉浸式航拍體驗,讓普通大眾享受到無人機飛行的樂趣。

2020無人機知識總整理-沉浸式航拍體驗

  • 智能化升級 – 智能化趨勢下,消費者對於無人機功能性需求提升,複雜的工業應用場景對無人機也提出了更多技術與更高的安全要求,需要深入系統的技術研發並突破閃避技術領域,即時躲避障礙以減少錯誤發生,在硬體、軟體、演算及系統等建立飛行安全體系。

#挑戰

  • 有效載重及飛行時間有限,未來升級,製造成本必定提升。
  • 空中交通管理不易,必須建立了空中管理系統。
  • 面臨諸多社會、國防、法律挑戰,在商業效益與安全考量中取得平衡點的難度高。

總結 

隨著技術的進步,無人機會進一步提升本領,從而完成自主數據採集任務,並且能夠獨立地做出決策和處理業務,這必將產生非常大的經濟效益和社會效益。然而,凡事都有一體兩面,無人機也不例外,先進科技為人類帶來美好便利生活環境,但無人機也可能遭有心者蓄意利用,甚至危及國家安全。無人機發展必定成為一種趨勢,也正在改變我們的生活,政府勢必創造有利的無人機產業環境及合宜的法規,在商機與危機中取得平衡及配套措施。

2020無人機知識總整理-無人機即是你的生活

延伸閱讀:

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BY DronesBoy無人機男孩/James

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關於作者James

James是一名勞力上班族,由於對無人機非常熱愛,在休假之餘努力自我培養無人機相關能力,創辦DronesBoy無人機男孩網站幫助初入無人機領域的新手們,在短時間內獲取成為無人機飛手應具備的知識能力。一心只想專注於價值的付出,希望透過網站實踐自我理念並傳遞正向價值觀,人生很短,抓緊每一刻,認真得做自己想做的事。

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  • 看到無人機,我第一個想到三傻XD
    謝謝版主的介紹,無人機真的讓好多事都提高效率了~
    這讓我也想到蜘蛛人電影也有應用到無人機,但是是做壞事XD

  • 無人機真是越來越普及了,謝謝版大詳盡的介紹。之前去中國旅遊時,朋友已經拿出無人機空拍了,看來無人機只會越來越普遍了。

  • 無人機好多的應用面哦,看了這篇才知道呢,謝謝版主的分享!科技帶來方便,但也就像版主說的一體兩面,希望都能走向好的用途上!

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