嵌入式系统与无人飞行器应用

一、现今无人飞机的发展与应用

无人飞行载具Unmanned Aerial Vehicle（UAV），或是称為远端遥控载具Remotely Piloted Vehicle（RPV），以巡航范围和大小来分，航程约在2公里内、翼展小於50公分的称為Micro Aerial Vehicle（MAV），航程介於5～20公里内的称為small-UAV或mini-UAV，不同大小的载具系统提供多项任务种类区分。

科技化的世界下，许多有高度重复性或是精密性的產业工作已经用机器来代替，而面对极度危险的任务，理论上也希望能以远端遥控操作的方式来避免不必要的人员损伤。在UAV这个领域应用中，直到最近这几年才有比较成熟的应用展现於世人面前，目前的无人飞行载具主要可以分為远端即时遥控以及机载自动驾驶两种，前者需要非常好的通讯网路将高解析度即时影像回传至地面站让控制人员可以藉由影像来操作，后者则需要稳定的飞控电脑掌管自动驾驶等巡航任务。以下将UAV的领域分為军用和民用两个项目介绍之，了解无人飞行载具為什麼受到许多国家投入大量资源进行研发，在将来还有多少潜力值得去探索。

军用领域目前发展的最完善也应用在最多地方的非属美国不可了，美国的国土情报局以及中情局等单位也都配有UAV供特殊任务需求使用，而第一台经由美国联邦航空局（FAA）认可可以在民用航空领域飞行的无人飞机是全球之鹰（global hawk），长约14公尺，翼展约為35公尺，单后推式发动机，可负载10000公斤飞行一天以上，最高时速可达600km/hr，在许多电影当中也已经看得到它神出鬼没的达成任务。机上所装置的摄影模组，可以提供许多方面的用途，在2010年海地不幸发生大地震后，美国也出动拍摄大范围的区域状况提供给相关单位更快掌握灾区情况。

图1 Global Hawk（全球鹰）

（拍摄者為Andreas Mueller，图片取自於Airlinear.net，所有权归原作者所有）

而Reaper和Predator等无人飞机则多了恐怖的杀伤力，皆可掛载飞弹前往目标区执行毁灭性的任务。鑑於某些区域无法提供足够的跑道距离，旋翼机和可垂直起降（VTOL, Vertical Take Off and Landing）的无人飞机也没有在这场研发中缺席。

图2 Reaper(收割者)

（拍摄者為Robin Powney，图片取自於Airlinear.net，所有权归原作者所有）

图3 Predator（捕食者）

（拍摄者為Rod Dermo，图片取自於Airlinear.net，所有权归原作者所有）

图5 飞机上的力

说完了飞行载具所承受的力之后，接着要看的是飞机的运动，飞机在叁度空间内进行飞行运动时，可以分成6个自由度（degree of freedom）去讨论，分别是对於载具的X轴、Y轴、Z轴叁个方向的平移运动：前进、升降、侧滑，以及针对这叁轴的旋转运动：俯仰、滚转、偏航（Pitch, Roll, Yaw）。而这6个运动也可以分成横向运动：沿Y轴的平移运动、绕X轴的侧滚运动、绕Z轴的偏航运动和纵向运动：沿X轴的平移运动、沿Z轴的平移运动、绕Y轴的俯仰运动去分别讨论之。再深入一点的部分，则会探讨这些运动的周期性，有长周期与短周期两种，对於不同週期的运动特性必须施以不同种类的控制方法。在做任何一种无人载具的自动控制时，若不先就载具的运动表现做一个详细的了解，后果就是必须花费更多的成本和时间来从许多的失败中得到比较好的结果。

图6 6自由度的飞机运动

前面提到的是飞机运动时所表现出来的特性，而如何能让飞机在高速飞行时有这些动作，要依靠的是飞机上的各个控制舵面。在主翼上有两种舵面，分别是副翼及襟翼，两边的副翼通常是打不同方向，控制的是飞机滚转角度大小，而襟翼使用的时机是在飞机需要较大升力时，这时的飞行速度可能比较慢，无法单纯透过飞机的翼型来提供足够的升力，两边的襟翼在啟动时会往下打。水平尾舵提供飞机俯仰的运动转换；另外垂直尾舵则是让飞机能够横向改变航向。