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太陽能四軸無人機創(chuàng)最長飛行時間

發(fā)布日期:2018-12-12??來源:digitimes??作者:黃逸平我要投稿我要評論
太陽能四軸無人機

臺灣大學(xué)電資學(xué)院特聘教授林清富突破太陽能四軸無人機關(guān)鍵技術(shù),創(chuàng)下最長飛行時間

 今年9月,臺灣的太陽能四軸無人機(Quadcopter)創(chuàng)下飛行3小時28分鐘的世界紀(jì)錄,推手是臺灣大學(xué)電資學(xué)院吳瑞北和林清富兩位特聘教授。吳瑞北負(fù)責(zé)尋找研發(fā)資源,而林清富因數(shù)年前栽入無人機世界,開始動手研發(fā)電力結(jié)構(gòu)與太陽能模組,從業(yè)馀玩家晉身專家,最后在自己的家鄉(xiāng)宜蘭創(chuàng)下紀(jì)錄,無疑是個人嗜好結(jié)合專長發(fā)揚光大的最佳范例。

林清富接受DIGITIMES專訪時表示,他一直對創(chuàng)新躍躍欲試,因此曾創(chuàng)立臺大光電創(chuàng)新研究中心及擔(dān)任創(chuàng)立主任,除了太陽能無人機之外,目前也在打造有如科幻電影星際爭霸戰(zhàn)(Star Trek)裡企業(yè)號醫(yī)官手持的三度儀(tricorder),無須實際接觸即能診治病患、堪稱地表最強醫(yī)療設(shè)備。林清富希望開發(fā)的是能偵測環(huán)境中有害物質(zhì)的多功能感測器,并直接在手機上操作,可以隨時隨地掌控周遭環(huán)境的安全狀況與健康影響。

太陽能無人機飛行追求天時地利人和

問:2018年1月您的團隊到CES參展時,飛行時間是30多分鐘,短短不到10個月時間為何可創(chuàng)下3小時28分鐘的世界紀(jì)錄?至于創(chuàng)紀(jì)錄的地點是在宜蘭東澳,選擇此地點有什麼特別考量嗎?目前世界上其他團隊競爭的狀況如何?

答:我常在家鄉(xiāng)宜蘭壯圍試飛,因為我熟悉該地,不需靠地圖就對附近的環(huán)境瞭若指掌,因此不用特別規(guī)劃地點與路線,也讓我的心理負(fù)擔(dān)低很多,我知道怎麼和那邊的人打交道。別的地方,像去苗栗就曾被擋過,因為當(dāng)?shù)孛癖姴恢牢覀円鍪颤N,還得解釋半天。此外,宜蘭夏天天氣不錯,所以很常去飛。不過老實說,宜蘭海邊像壯圍公館旅游中心附近,沙地對無人機測試不是很好,風(fēng)一來沙會刮到機器,且會吹進馬達裡。

至于東澳,出發(fā)那天氣象預(yù)報陽光很好,但風(fēng)稍大,想說還是去試試。宜蘭東澳的緯度比新竹還南,陽光比較強。由于宜蘭污染少,整體空氣品質(zhì)很好,若是同樣的天氣狀況,新竹、臺北的霧霾都會比宜蘭多,影響陽光強度,有時候甚至差到10~20%。

就風(fēng)力環(huán)境來說,目前太陽能無人機的飛行條件是重量輕、風(fēng)力小,一般來說2~3級風(fēng)才適合飛行,宜蘭夏天的風(fēng)通常不太大,所以適合飛行。另一點則和距離有關(guān),臺北經(jīng)雪隧、蘇花改到東澳,約1小時就到達,比同緯度的苗栗近。

我們破紀(jì)錄那一次是3小時28分鐘,是第一次飛超過3小時,其實也是唯一一次,之后天氣條件都不夠好,尤其進入冬天后陽光減弱許多。事實上,從可以飛,到可以飛幾個小時,這中間的技術(shù)差異很大,雖然世界上幾個不同團隊也在研發(fā)太陽能四軸無人機,像美國、亞洲的新加坡等,但都沒有比使用純電池飛得久,只有我們的飛行時間超過電池動力的四軸無人機。我們的成果于9月在歐洲一場國際會議PVSEC拿了論文獎,該會議分成幾個領(lǐng)域,應(yīng)用領(lǐng)域只有一位論文獎,就是我們的成果,投稿前飛1個多小時,就已經(jīng)被認(rèn)為很厲害了,就在9月會議報告幾天前,創(chuàng)下3個多小時的紀(jì)錄。
 2017年12月時才飛30幾分鐘,最主要原因是,當(dāng)增加電量時,重量就會增加,重量增加同時耗電就會增加,這就是無人機電池遇到的最大挑戰(zhàn)。等到它達到一個階段后,飛行時間不僅沒有增加,還會減少。如果只用電池支持無人機的話,通常僅能飛行20幾分鐘。因此必須再將太陽能比例拉大,當(dāng)然最直接是把太陽能面積變大,但重量也會增加,有個最好的黃金比例,我們有定量的數(shù)學(xué)模型可以估算,這對實際製作極有幫助。

另一方面,無人機要能在空中飛行,其姿態(tài),如俯仰角度,左右傾斜角度等,必須一直變動以維持動態(tài)平衡,但這會造成電的需求一直改變,對于太陽能電池而言,若是電性變動劇烈,會衍生其他問題,這在短時間內(nèi)難以發(fā)現(xiàn),一旦時間拉長,就會直接燒掉相關(guān)電子零件,這是如新加坡大學(xué)等地用太陽能僅飛行幾分鐘時無法發(fā)現(xiàn)的狀況,我們能飛數(shù)小時,也是因為解決了此劇烈變動的問題,這部分的研發(fā)深度與進展,應(yīng)該是領(lǐng)先全世界。

太陽能無人機未來可能的應(yīng)用場景為何?若要從事商業(yè)應(yīng)有哪些瓶頸尚需克服呢?

答:太陽能無人機的應(yīng)用有幾個面向,安全性、方便性和時間,太陽能與電池比燃料安全許多。方便性來說,旋翼比固定翼好,但旋翼機使用電池則無法飛久。利用太陽能能夠兼顧安全性、方便性和長時間等。我們預(yù)估太陽能無人機在農(nóng)作物監(jiān)測的應(yīng)用很合適,如生長狀況、植物病蟲害、熟成狀況檢視等等。載貨方面,因為需要能負(fù)重,技術(shù)上必須克服重量問題,目前承重范圍預(yù)計在4磅以內(nèi)應(yīng)該可以做到。

業(yè)馀玩家變專家

問:請問開發(fā)太陽能無人機最大的挑戰(zhàn)是什麼?

答:目前最大的瓶頸就是募資,我有信心相關(guān)技術(shù)問題都可以克服,目前還在找人投資。我們可飛3個多小時,其實還有改善的空間,未來目標(biāo)是將時間拉長,達6~7小時,可以符合日出而作,日落而息的自然作息。

另一方面,直覺上看,風(fēng)是無人機的敵人,但我們可以將阻力化成助力。例如老鷹是利用上升氣流盤旋,我們的太陽能板就是我們的翅膀,有翅膀就飛得高、飛得遠,可以進一步設(shè)計成可調(diào)整的,用微處理器控制。

問:想請教老師之所以投入太陽能無人機研究的緣起?如今創(chuàng)下紀(jì)錄心理最有感的是?

答:我原來只是無人機業(yè)馀玩家,因為電池很容易沒電,每次周末去玩都得帶一大把電池,后來想想我自己做太陽能研究相當(dāng)久了,為何不能拿來解決此問題?于是開始估算其可行性。而更早緣起是幾年前,有次在校園,理完頭髮經(jīng)過大草坪,有人在玩無人機,在旁邊看了一陣子后,竟然對方借我玩,我玩了一下,發(fā)現(xiàn)沒想像中困難,我小時候沒有像別人一樣玩遙控飛機或遙控車,這次卻因此激發(fā)了玩遙控飛機的興趣,于是也去買一臺一模一樣的無人機。

我本來就是很愛東改西改的人,壞掉了就去買零件修理,也漸漸加入一些無人機社群。結(jié)果是「毒癮」愈來愈兇,本來買幾十塊,后來愈玩愈大,買幾百塊的東西,再來到幾千元的數(shù)量級,后來有了計畫支持,更是以萬元為單位的花費,我想現(xiàn)在應(yīng)該是無人機玩家裡面花最多錢的人。

玩無人機會上癮,為什麼呢?其實玩無人機要很專心的,因為你會沉浸在裡面,沒時間去想煩惱事。像有人說面試學(xué)生的過程很辛苦,因為學(xué)生都講得大同小異,所以我建議他們利用中間休息時間玩玩無人機,可以讓你忘記很多事情,在聽第二個學(xué)生回答時,就不會記起第一個學(xué)生講過什麼,相當(dāng)于把大腦重設(shè)。(黃逸平/專訪,賴至巧/整理)
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