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大型商用多旋翼無人機系統設計開發技術

刊登日期：2020/07/01

摘要

無人飛行載具(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)在過去10年間快速的蓬勃發展，除了原先的玩家群具有相當的專業飛行經驗以及組裝知識外，現在自動飛行的飛行控制器以及結構簡單的多旋翼型無人機，讓許多嚮往著遨遊天空的玩家以及藝術工作者可以輕鬆上手，而專業的探勘以及測繪也可以透過轉換專業的模組進行作業，讓原本二維的作業變成三維，具有更大廣度的應用，另外也因為農業人口趨向老齡化結構，植保無人機的輔助也讓其在農業應用上佔有一席之地。未來無人機的發展，更是著重在大型無人機大酬載的新發展應用，本文將針對大型商業多旋翼無人機設計及其應用進行介紹。

Abstract

Unmanned Aerial Vehicle (UAV) has been growing greatly in the past 10 years. In addition to the original group of players wo have considerable professional flight experience and assembly knowledge, the mature automatic flight controller and the multi-rotor UAV both make it easy for newbies to get started, for terrain survey and to explore in the sky. The terrain survey can lead to transformation of 2D into 3D mapping for endless applications such as mining and other uses. The UAV, the agricultural drones, can also be used to help the aging agriculture population and industry in Taiwan. It is sought that in the coming future, the development of UAV will focus on high payload drone applications, which will be the main focus of this article in which the design and application of commercial high payload drones will be discussed in details.

前言
無人飛行載具，簡稱無人機，於過去的十年間快速的發展，也造就不少經濟上的貢獻。無人機根據本身的飛行結構可以將其分類為使用固定翼、旋轉翼或混和固定翼以及旋轉翼構型做為主要的動力來源。以目前的發展來看，軍事所使用的無人機大多為固定翼設計，而商用及娛樂用的無人機則是以直升機型以及四至六支螺旋槳的多旋翼無人機設計為主。近幾年的發展上，因多旋翼無人機在機械的結構上僅使用無刷馬達進行飛行活動，使得成本比起其他構型無人機更為低廉，在操控上也因為開源飛行控制器的發展，使得無人機於操作控制上不需有特殊的飛行知識，也可以透過飛行控制器輕鬆的做到垂直起降，甚至在空中進行旋停的動作。另外，在場地上因僅需垂直起降，場地的要求也比固定翼型的無人機來的少，使得垂直起降型中的多旋翼無人機成為目前商用及消費型無人機的主要機種。
目前台灣大多將無人機與空拍機混為一談，起因為在一般消費型無人機機種的應用中，透過多旋翼無人機進行空拍以及藝術創作為大宗，其次的應用則是透過無人機進行探勘與偵測。自從今年三月三十一日起，隨著台灣無人機管理專法的啟動，以往對於法規尚未限制的消費型無人機飛行區域僅可在受限制的區域進行飛行，透過此次專法的啟動，也間接的讓無人機產業大步的向商業服務邁進讓台灣無人機市場邁入嶄新的一步。而在各國法規及新興商業模式下，成長最為顯著的商業應用領域包含農業植保業務、空拍影片、無人機展演等，其中無人機遞送服務將會是帶領市場成長的最大動能，帶動交通與倉儲物流的發展變革。
大型商用多旋翼無人機大部分解
無人機是由機架、飛行控制器、電子調速器、電機（馬達）、槳葉、遙控器、電池所組成。若需要進行自動飛行（路徑規劃），尚需要定位系統以及地面導控站（也可以使用手機或是平板代替，直接透過手機應用程式進行任務規劃）。無論是多小型的多旋翼無人機或是超大型多旋翼無人機的硬體架構與元件都相同，但除了遙控器以及飛行控制器，大小型多旋翼無人機皆適用相同的硬體外，其它主要的硬體規格，在小型多旋翼無人機以及大型多旋翼無人機上卻是天差地遠，所以需要花上大量的研究及實驗測試才能開發出一架大型的無人機。
無人機的核心技術集中在機架系統、動力系統和飛行控制器系統，由這三個系統，可以知道無人機系統可以達到的飛行高度、航程距離、航時、航速、載重等技術資料。飛行控制器方面，採用的是開放性的Pixhawk硬體架構，Pixhawk [1] 是一款開源硬體，是由蘇黎世理工大學推出來的高性能飛控硬體板。Pixhawk硬體是同時間可以適用於固定翼、多旋翼和直升機，船舶、車輛以及一切其他可移動的機器人架構。Pixhawk採用了ST先進的處理器，同時可以選擇搭載NuttX/Chibios [2][3]實時作業系統。
Pixhawk硬體主要特徵如下：
1) 使用32 bit STM32F427 Cortex-M4F® core with FPU，256 KB RAM

2) 具有32 bit STM32F103 failsafe co-processor
3) 14 路PWM / Servo 輸出
4) 具有冗餘電源設計，可透過兩組電源輸入確保飛控供電正常
5) 飛行控制器架構包含9軸傳感器以及氣壓計
基於Pixhawk的進行開發的飛行控制器產品都有共同的硬體架構和相同的連接方式、輸出接口及功能，唯一的不同點只在於外觀形式不同，例如接口的位置不同、外殼不同等等。無人機飛行控制器的架構如圖 1所示。