無人機山區物流應用技術分析

前言
2015年多軸飛行器已在德國作為偏遠小島補給物資之用，為了解決網路購物快速成長、快遞成本高的問題，2015年3月，亞馬遜的無人送貨機得到美國聯邦航空管理局（FAA）批准，可在戶外測試飛行，藉由控制方向及速度並配有GPS 辨識方位，提供限重 2.3 公斤內載貨。希望由倉庫起飛到達正確位置降落，達成 30 分鐘內的送貨服務。多軸飛行器迅速將觸角伸向各領域，各國政府也修改法令，讓產品應用更廣泛，除了消費型娛樂之外，更多的應用在和物聯網、工業自動化、安全救災連結，未來市場龐大[1]。尤其無人機市場自2000年以後出現大幅的成長，依照2020年的市場評估，無人機市場總值達17.5兆美金[2]，近年來隨著智能化技術的進展，無人機在物流的應用也越來越受到重視，依照研究機構界對於無人機物流市場分析，市場總值在2020年將達到11.2兆美金，2027年市場總值也將達到近30兆美金[3]，可見無人機在未來結合物流的應用，已為趨勢。
無人機是無人駕駛飛機的簡稱（Unmanned Aerial Vehicle），是利用無線電遙控設備和程式控制裝置的不載人飛機，包括無人直升機、固定翼機、多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機。廣義地看也包括臨近空間飛行器，如平流層飛艇、高空氣球、太陽能無人機等[4]。
無人機因其使用特性具有以下優點：1.避免犧牲空勤人員，因為飛機上不需要飛行人員，最大可能保護人的生命安全。2.無人機尺寸相對較小，設計時不受駕駛員生理條件限制，可長時間工作，不需要人員生存保護系統和應急救生系統等，大幅減輕飛機重量。3.製造成本與壽命週期費用低，沒有昂貴訓練費用和維護費用，機體使用壽命長，檢修和維護簡單。4.部分類型無人機的技術優勢是能夠定點起飛，降落，對起降場地的條件要求不高，可以通過無線電遙控或通過機載電腦實現遠程遙控。
相對於優點無人機其主要缺點如下：1. 速度較慢，存活力較低、2.受天氣影響較大，抗風和氣流能力差，大風和亂流飛行中，易偏離飛行線路，難以保持平穩飛行姿態，中高控結冰的飛行高度要低，不易長時間連續飛行。3.應變能力不強，不能應付意外事件，當有強信號干擾時，易造成接收機與地面工作站失去聯繫。4.無人機機械部分也有出現故障可能，一旦出現電子設備失靈現象，將造成無人機以及機載設備致命的失效。
台灣部分區域鄉鎮、如新竹縣、幅員廣大，居民散住各地。然而偏鄉交通不便。如能結合無人機物流應用，由無人機執行，可提高時效且降低成本。因此本文在探討無人機遠距物流應用分析、主要研究「各類型無人機在山區飛行」的可行性，主要包括：無人機起降、飛行、載重技術可行性分析。
無人機介紹[5]
按照不同平臺構型來分類，無人機可主要有固定翼無人機、無人直升機和多旋翼無人機、可垂直起降定翼機四大平臺，如圖1，其它小種類無人機平臺還包括傘翼無人機、撲翼無人機和無人飛船等。

(a)                                      (b)                         (c)                                       (d)
圖1 (a)定翼機 (b)直昇機 (c)多旋翼機 (d)垂直起降定翼機(VTOL)

固定翼無人機是軍用和多數民用無人機的主流平臺，最大特點是飛行速度較快；無人直升機是靈活性最強的無人機平臺，可以原地垂直起飛和懸停；多旋翼（多軸）無人機是消費級和部分民用用途的首選平臺，靈活性介於固定翼和直升機中間（起降需要推力），但操縱簡單、成本較低。可垂直起降定翼無人機目前是最新發展機種，其優點：兼具定翼機與旋翼機優點、機動性佳、滯空時間久、缺點是控制較複雜、較易失控。 
1.載具特性比較
在操控性方面，多旋翼的操控較簡單：它不需要跑道便可以垂直起降，起飛後可在空中懸停。它的操控原理簡單，操控器四個遙桿操作，對應飛行器的前後、左右、上下和偏航方向的運動。在自動駕駛儀方面，多旋翼自駕儀控制方法及控制器參數調節也較容易。相對而言，固定翼和直升機的操控較為困難，固定翼要求開闊飛行場域，而直升機飛行過程中會產生動態耦合干擾現象、自駕儀控制器設計及調節也較不易。旋翼機產品一般分半自主控制方式和全自主控制方式。半自主控制方式是指自動駕駛儀的控制演算法能夠保持多旋翼飛行器的姿態穩定（或定點）等，但飛行器還是需要通過人員遙控操縱。全自主控制方式是指自動駕駛儀的控制演算法能夠完成多旋翼飛行器航路點到航路點的位置控制以及自動起降等。一般多旋翼飛行器可以在無人駕駛的條件下完成復雜空中飛行任務和搭載各種負載任務[6]。