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週報

主題:

十分鐘搞懂~UAV種類

 

前言:無人飛行載具(英語:Unmanned Aerial Vehicle,縮寫:UAV),亦稱無人飛行系統(Unmanned Aerial System,縮寫:UAS),為UAV 加上具備無線資料上下鍊傳輸介面的地面導控站成為一個完整的系統。俗稱無人飛機、無人航空載具、無人機、空拍機、蜂型機,廣義上為不需要駕駛員登機駕駛的各式遙控飛行器(WIKI2018),如架置攝影設備可進行空拍、空中攝影或航空攝影,本期將分享主要UAV種類及旋翼的差別,惟如有錯誤或遺漏之處,仍尚請不吝指正,謝謝!

 

定翼機

定翼型又稱固定翼型,定翼型UAS的優勢在於航程長、抗風能力強、酬載能力高,因此適合用於長距離越野拍攝。使用限制是需要跑道進行起降,若無適當的跑道則需由較遠的地方飛進目標區後始可進行航拍任務。

 

 

單旋翼

單旋翼型UAV具有載重高,體積小,無需起降跑道等優點,但因其載重能力提高,飛行速度相對減緩,而操作難度較高,目前可做農用噴灑節省人力使用、勘災調查等,相對於定翼機由較高的靈活性。

 

 

多旋翼

多旋翼型UAV係由多個旋翼動力組所組成的飛行器(基本具有兩個旋翼軸,常見有四、六、八軸,如下圖),亦具有垂直起降的功能。根據載台的酬載與滯空能力其定位又可分為小型與大型兩種型態,而目前市場又細分為消費級、準專業級、專業級、行業級,最前者主要為休閒使用,後者分級可定位至商業模式,目前多旋翼型市面上常見品牌有DJIKarmaZeroTech等,雖說由寡佔市場產生了許多爭議,但目前市面主要使用之空拍機多為DJI,優勢為體積小、重量輕,因此攜帶方便,缺點為續行低。

                

特殊UAV

1.太陽能型:

取決於太陽能板面積、受光程度增加續行時間,多為定翼型。

2.充氣型:

充氣無人機分兩種,一種是充入普通空氣,可折疊便於攜帶的固定翼無人機;還有一種則是充入氦氣或是氫氣,變成固定翼與飛艇的混合體,即升浮一體無人機,其飛行速度慢,但續行較持久。

3.共軸反轉旋翼型:

共軸雙翼的另一優勢在於懸停性能好。因沒有尾槳,懸停時,發動機不需要將部分功率用於尾槳的反扭力,全部功率用來提供升力,上下兩副轉速相同、相位相反的旋翼,將振動在相當程度上對消,優秀的減震可使機體較穩定,相對單旋翼需要尾槳更有優勢,而共軸反轉旋翼型也存在一定缺點,機械結構複雜、重量大,阻力也大。

4. 雙旋翼交叉:

雙旋翼交叉型與其它雙旋翼型一樣裝有兩副完全一樣,但旋轉方向相反的旋翼以外,其明顯特點是兩旋翼軸不平行,是分別向外側傾斜的,且橫向軸距很小,所以兩副旋翼在機體上方呈交叉狀。最大優點是穩定性比較好,適宜執行起重、吊掛作業。最大缺點是因雙旋翼橫向布置,氣動阻力較大。但由於它的兩旋翼軸間距較小,所以其氣動阻力又要比雙旋翼橫列型小一些。

5.傾轉旋翼型:

一種同時具有旋翼和固定翼,並在機翼兩側翼梢處各安裝有一套可在水平和垂直位置之間轉動的可傾轉旋翼系統的航空器。傾轉旋翼機在引擎旋轉到垂直位置時相當於橫列式直升機,可進行垂直起降、懸停、低速空中盤旋等直升機的飛行動作;而在引擎旋轉至水平位置時相當於固定翼飛機螺旋槳飛機,可實現比直升機更快的航速。

6. 涵道旋翼型:

兼具固定翼和涵道旋翼特點的飛翼式涵道旋翼UAV,在開展垂直起降、懸停和低速飛行時,通過涵道內旋翼的周期變距實現對全機的姿態控制,涵道旋翼提供所需升力,雙旋翼共軸反轉,相互平衡反扭矩;高速飛行時則通過操縱機翼及垂尾的舵面實現對全機的姿態控制,升力主要由機翼產生,前飛動力靠尾部推力槳產生。

7. 滾翼型:

滾翼型是一種以擺線槳為升力源的UAV,該機采用兩個擺線槳為升力源,同時用作副翼控制,采用一個螺旋槳進行俯仰控制和偏航控制。

8. 撲翼型:

撲翼型又稱振翼型,是通過像鳥類和昆蟲一樣上下撲動自身翅膀而升空飛行的無人飛行機,作為一種仿生學的機械,撲翼機與它模仿的對象一樣,以機翼同時產生升力和推進力。但也由於升力和推進力由同一部件產生,涉及的工程力學和空氣動力學問題非常複雜,其規律尚未被人類完全掌握。

 

各翼種差異

UAV通常具有自動導航的功能,並非簡單的遙控飛機,多旋翼和固定翼的飛行原理不同,目前各有各的特點,多旋翼型是依靠多個旋翼產生的升力來平衡UAV的重力,讓UAV可以飛起來,透過改變每個旋翼的轉速來控制飛行器的平穩和姿態,實現可以懸停,且在一定速度範圍內以任意的速度飛行;定翼型UAV靠螺旋槳或者渦輪發動機產生的推力作為飛機向前飛行的動力,主要的升力來自機翼與空氣的相對運動,所以定翼型必須要有一定的無空氣的相對速度才會有升力來飛行。因為這個原理,定翼型UAV具有飛行速度快、比較經濟、運載能力大、航程遠的特點。目前定翼型無人機一般都是航空模型玩家使用比較多,還不算普及,操作相對較難,而多旋翼目前為主流市場,原因為好上手。下表彙整主要機型優缺點。

 

結論

本期分享UAV種類給讀者了解,而目前UAV的技術瓶頸主要在續航、載重、穩定性等技術方面,在相關企業不斷加大技術研發投入的基礎上,如今已經取得很大突破。目前行業級UAV應用範圍不斷擴張,涵蓋了農業植保、警用、消防、監測、巡檢以及測繪和救援等諸多領域。但去年西元2017年的UAV行業有喜有憂,喜的是產業發展日趨成熟、市場規模持續擴張;憂的是UAV「擾航」事件頻發(例如:飛入機場、高鐵站等事件),而無證照或於禁飛地區飛行問題愈發嚴峻,展望2018年,無人機行業在市場、政策等因素影響下,將實施考照及申請註冊管制。

以上資料來源參考:

1.          人民網http://fj.people.com.cn/BIG5/n/2015/0910/c181466-26315490.html

2.          環球網http://uav.huanqiu.com/classroom/2016-12/9778778.html

3.          百度百科https://baike.baidu.com/

4.          維基百科https://zh.wikipedia.org/wiki/Wiki

5.          GIS.FCU http://www.gis.tw/zh-TW/Tech/UAV

6.          內政部國土測繪中心https://www.nlsc.gov.tw/UAS/index.html

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