四旋翼飛行載具之設計與應用

明志科技大學機械工程系教授陳源林。

物聯網的興起，對微控制器市場有推波助瀾的效果。在校園裡，機械或電子相關科系中，亦有許多利用微控制器來開發各種令人為之一亮的專題。像明志科大這次分享的無人飛行載具之設計與應用，就是一款透過微控制器搭配一些低成本的元件，來設計出四旋翼飛行載具，可安裝攝影機，來進行高空攝影。接下來聽聽他們怎麼做到的…

我飛、我飛、我飛飛  四旋翼空拍顯智慧

明志科技大學機械工程系教授陳源林博士，針對「Design and Application of the Quadrocopter Aerial Vehicles(四旋翼飛行載具之設計與應用)」之議題做演說，他以四旋翼飛行載具的應用做開端，說明這種無人飛行載具的應用範圍，可以包括：軍事用途(戰場監控、投遞飛彈&炸藥、搜尋目標&定位、戰場損害評估)與民生用途(生態與環境資料蒐集、災區現場地形調查、賽事報導&攝影、交通監視&控管、農業與環境監測、基礎建設及資產管理、航空測繪、觀光旅遊攝影、消防搜救與保安)。

以勘災應用為例，他列出其學生以該飛行載具，在台灣各地所所拍攝到的照片。除了單張拍攝之外，亦可將多張照片拼湊起來，組合成更大範圍的空照圖。

在量測應用上，不僅規劃自動導航路徑之外，亦可以DTM(數位地形模型)與影像連接點分佈圖方式，做拍後組圖的後製處理，目前可拍攝到平面精度達30公分，GSD(地面採樣距離)達6公分，甚至可拍360度環景照片，達到一般載人偵照機的航測製圖精度。

另外在勘查上，可透過空拍方式來拍攝人員難以到達的工程施工、電塔、橋樑、土地、建築物、房地產的照片等等。陳源林表示以房地產為例，新建案在預售時就可預先把未來在各樓層看到的真正View(景觀)秀給客戶看，以增加成交機會。

原理簡單好實作  設計四旋翼馬上Go

有關四旋翼飛行載具的設計，在於它兼具娛樂功能，必須做到能夠非常穩定的飛行，且就算沒受過飛行控制訓練的人也能快速上手，以避免飛行危險。因此他們研究生的進行下一個設計目標就是，在遙控器部份，採用基於第一人稱(FPV)的簡易操控油門與行進方向，可設定與儲存n組興趣座標(Go Point)、拍攝目標(Go Target)，並可控制相機畫面的放大縮小。

而在地面控制站部份，主要是接收來自飛行器的拍攝資料，必須具備自動導航執行拍攝任務的特性，包含規劃飛行路徑、設定拍攝先後次序、可預估飛行時間、飛行數據分析、3D飛行模擬等等。

在飛行載具部份，陳源林表示目前他們研發的第二代產品，其研究生採用盛群的HT32F1765 MCU (32位元, 72MHz)做為系統核心，搭配加速度計、陀螺儀、磁場方向計與高度計等感測器，以及GPS(精確度達2.5公尺)，搭配PID控制器與無刷馬達等元器件。

至於四旋翼的架構與原理也很簡單，四組螺旋槳中，兩組為順旋轉，兩組為逆旋轉，即可抵銷慣性而飛行起來。然後透過改變各螺旋槳的旋轉方向與馬達轉速，就能控制四旋翼的Pitch(俯仰)、Roll(側滾)、Yaw(偏航)等飛行移動方向。

雜訊修正挑戰高  反覆測試修到好

四旋翼飛機最具挑戰性的就是感測訊號的處理，因此系統整合與測試部份，必須將加速度計(靜止平放)與陀螺儀(沿X軸旋轉)的訊號量測與處理做完善。這部份他們做了不少實驗，並透過各種濾波方式來消除雜訊，就算是強風突然吹來，也能在姿態控制上獲得改善，以追求整體飛行穩定度。

在接收器部份，其輸出的訊號類型為PWM，頻率僅為45Hz，透過遙控器送出的遙控命令，即可來控制四組馬達，並在400分之1秒做出修正。至於硬體電路設計部份，其第一代控制板僅有5x5cm的大小，上面的主要元件有控制核心、感測系統、電源電路、無線接收電路。

在軟體程式設計部份，包含了：主程式軟體流程圖、感測器A/D副程式、無線接收器副程式、姿態計算副程式、PID計算副程式、馬達控制副程式。以電腦端程式設計上，明志科大的學生設計出類似模擬飛行的介面，可設定四組螺旋槳的馬達轉速，監控飛行姿態，並可即時觀察到加速度計與陀螺儀的數值。

最後結論與未來展望就是：四旋翼飛行載具架構簡單、可輕易實現智慧控制、可完成路徑飛行、可完成勘察&監視與監控、兼具娛樂用途、可自動降落、同時能降低成本。