定翼機無人飛行載具與通訊協定介紹

在當前小型無人飛行載具所應用的形式可大致區分為旋翼機與定翼機兩種 類型，如圖 3 所示。旋翼機通常由發動機驅動的獨立水平螺旋槳產生推進力以升 空和前進。正常飛行時，旋翼機的旋翼被前進時的相對氣流吹動而自旋，從而產生 上升浮力使飛行載具飛行，例如直昇機和旋翼式螺旋槳飛機。此類形飛行載具可 定點起飛降落而不需要起飛和降落的跑道，並且可於空中懸停，利於作為固定航 點上的空中監測使用，但因為主要的飛行上升浮力都需要由自身的螺旋槳產生，

是屬於較為耗損能源的飛行方式，所以相較定翼機而言是屬於較短程航距內的飛行 模式。近年來因小型多旋翼載具的零組件製造成本降低，促成此一類形飛行載具的 普及，但也因為其短程航距的限制，在應用上有其侷限性。

圖 3 旋翼機與定翼機無人飛行載具

定翼機為另一類形的無人飛行載具型態，其具備推進系統及固定的主翼 (Fixed-wing)，因其推進系統產生前進的推力，隨著前進的速度增加使主翼產生 上升的浮力，當升力大於機體重量時即可使整個定翼機浮升，以此方式所進行的 飛行模式，因藉由空氣流動過機翼所產生的浮力而可支撐長程飛行所需的上升浮 力，是較節省推進能源的飛行方式，可獲得較長距離的飛行航距。但相對旋翼機而 言則無法於某一固定航點進行懸停，起飛與降落也需要足夠的場域以進行起降。

特別是定翼機降落時需有足夠長度的跑道以供降落滑行，目前現有小型定翼 (Elevator)控制，圖 4 為定翼機之控制舵片配置，飛控系統針對控制不同的舵片的 伺服馬達下達旋轉角度的指令，藉由操作舵片的轉動角度以控制飛行載具的飛行

翼機失速的可能性，並尋求到更佳的降落控制模式，以減短定翼機所需降落滑行 跑道的長度。

圖 4定翼機操控舵片配置

圖 5飛行姿態屬性示意圖

在本研究中所採用的飛行控制版是 ArduPilot Mega (APM)是以開放式原始資源 中的 Arduino Mega 電路板為基礎所開發的自動駕駛控制電路板，ArduPilot Mega 飛 控板可自動記錄每次飛行任務執行時的相關訊息，包含環境變速如：風速、衛星訊 號、地球磁場磁力等，機體狀態如：剩餘電力、機體傾斜角度、飛行速度、經緯度 位置、飛行方位角等，再將飛船飛行狀態的相關資料數據回傳予地面控制站，即時 分析與預期狀態的差異以自動進行調整，使機體能夠更加穩定。ArduPilot Mega 飛 控板由於其設計精簡，經常被運用於介面較簡單的飛行控制應用。

本研究需要即時掌控定翼機的飛行狀態，使用了在開放原始碼資源中的 MAVLink 通訊傳輸協定即時回傳飛行狀態數據。MAVLink 是專門設計應用於小 型無人飛行載具的通訊協定，作為無人飛行載具與地面控制站之間的數據傳輸使 用，因為是開放原始碼的設計，所以所有回傳的資料和傳輸的程式都是公開的格 式，可方便被其他應用程式加以整合，在本研究中主要所應用到的資料，如表 2 所示大致可分為四大類：

(1) 衛星定位類別的資料是關於無人飛行載具當前位置與時間

(2) 飛行姿態類別是無人飛行載具在飛行時的載具狀態，這部份的資料特別是專 家系統利用來進行飛行指令判定的重要依據

(3) 導航類別是無人飛行載具在進行自動飛行時所計畫飛行時，所相對應的航點 位置與飛行資訊

(4) 電力類別是無人飛行載具當前的電力狀態，藉以了解飛行載具的續航能力。

並且也經常以此類資訊做為緊急應變狀態是否返航的判斷依據

表 2 MAVLink 傳輸數據(節錄)

所以此項衛星數量資訊一直都為在飛行任務進行前為評估是否可在飛行場域進 行飛行任務最為重要的參考依據。

飛行姿態中的滾轉角與俯仰角是根據飛行控制板上的三軸加速計與三軸陀 螺儀所做出的即時偵測，而偏航角則是根據飛行控制板上的電子羅盤所偵測出的 數值而呈現，此類的飛行姿態資訊並不需要衛星通訊的應用，只需依據在飛行載 具飛行控制板上的電子模組就可以有精確的飛行姿態訊息，而在本研究中利用不 同載具來調整飛行指令的參考依據就是以這部份的資料做為判斷基礎，在飛行的 過程中這部份的資訊與飛行控制的方式密切相關，在傳達至地面站的各項資料中，

在飛行過程中這一部份連續的彙整資料，將可有效的找出飛行異常和可能的飛行 失事的原因。

飛行導航資料則是飛行載具在進行自動飛行時所計畫飛行時，所相對應的航 點位置與真實飛行記錄資訊，在載具進行自動飛行時可依此傳回的資訊與計畫中 飛行的程序做一比較，可判定是否飛行載具的飛行軌跡與預計飛行路徑是否相符。

而電力相關的資料主要是在反應飛行載具還可飛行的時間與航距，為防止因續航 能力的不足所產生的意外墜毀，在一般進行的飛行任務時都會設定安全電量，在 小於安全電量時會以返回原起飛地(Return to Launch, RTL)的方式以做為自動飛 行基本的安全設定。本研究主要藉由即時回傳的定翼機飛行位置之經緯度座標、

飛行高度與俯仰角數據，提供專家系統作為自動降落的操控依據，下一節說明專 家系統的建置與操控。