第二章 無人機基礎架構及結合
2-1 飛行基本原理
四軸無人飛行器與其他一般飛行器的差別在於它沒有機翼的設計，因此無法藉 由機翼提供升力。機架上每一隻支架的末端都裝有馬達，升力全由馬達提供推力做 為替代，此外，由於四軸飛行器所產生的向上和前進的移動速度太小，所以不用考 慮阻力的因素，所以只有兩個主要的力會影響無人飛行器:推力和重量，由於重量 是一個固定的力，只能藉由不同的設計或是調整負重來改變它，所以在四軸飛行器 中唯一能控制的力只剩下推力，然而，推力幾乎完全與馬達的旋轉速度成正比，這 意味著控制馬達轉速就可以完全控制四軸飛行器的飛行路徑。
當所有馬達達到足夠的轉速且一致的情況下，四軸飛行器會向上飛到空中並保 持平穩，調整一個或是多個馬達的旋轉速度是唯一可以改變四軸飛行器飛行路徑的 方法，四軸無人飛行動力學也是極為重要的，還有平衡和重心這兩個飛行原理，兩 者皆與重量有直接的關係，也是基礎飛行力的一種，重量必須妥善配置才能讓飛行 器飛得安全。
重心(Center Of Gravity, COG)的概念，重心可以想像成在飛行器裡的一個虛擬 點，從重心將飛行器吊起來的話，飛行器會處在一個完美的平衡狀態。
四軸飛行器的重心可以想成在直升機裡的一個點，懸掛起來會呈現完美的平衡 狀態，能預期到四軸飛行器的重心與實體中心是在同樣的位置，如果重心偏離實體 中心時，四軸飛行器會變得不太穩定，如果兩者相離太遠的話，四軸飛行器會變得 無法控制[6,7]。
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阻力
推力 升力
重力
圖2.飛行時的四種力
飛行動力學，可以分為三個物理軸討論，以及三個軸向的旋轉，圖3 中可以看
到貫穿機身前後的縱向軸，貫穿機翼的橫向軸與縱向軸位在同一平面並且互相垂 直，相交於機身重心第三軸稱為垂直軸，垂直於其他兩個平面，也交會於重心，圖 3 中也可以看到三根軸上的旋轉運動，圖 2 相關說明請參考表 1 [6,7]。
表1.四個空氣動力學飛行力說明
力 描述
重力 由地球引力作用在飛機上所產生之向下的力
升力 由快速通過機翼上下的空氣所產生之向上的力
推力 由螺旋槳將空氣推向後所產生之向前的力
阻力 由機身與其非流線型附屬物造成之風阻所產生之向後的力
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實際飛行路徑的轉變是組合了翻滾軸(Roll Axis)與偏擺軸(Yaw Axis)的旋轉，
所以，不論四軸飛行器長甚麼樣子，俯仰、翻滾、偏擺等旋轉運動對於各個對應軸 來說都是一樣的。
翻滾
俯仰 偏擺
縱軸
垂直軸 橫軸
圖 3.飛行基本三軸與操作動作 2-2 無人機的結構組成
每一架自行組裝的無人機會因為功能需求的不同，或多或少之間亦定會有所差 異，多數的無人機具有共同的特性與零件，以下為常見的四軸飛行器組件。
1. 螺旋槳
四軸飛行器上的螺旋槳通常由兩個標準槳和兩個推進式(pusher)螺旋槳組成 這兩組螺旋槳會以不停方向旋轉達成推進或空中滯留的動作。
2. 馬達
四軸飛行器所使用的直流或交流馬達，其主要目的為帶動螺旋槳旋轉，種類
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在四軸飛行器中，常會使用鋰聚合物電池(Lithium Polymer, Li-Po)，又稱 聚合物鋰電池、聚鋰電池，屬於鋰離子電池的一種，主要提供馬達持續旋轉，
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9. 指示燈
四軸飛行器的操作員在飛機盤旋時需要知道前端的方向，但此方向未必容易 判斷，這有需多解決方式，例如採用不同顏色的螺旋槳、LED 燈泡及反光材 質，所有的考量都是為了幫助判斷前後方向。
10. 接收器
接收器主要將無線訊號轉換成適用於飛行控制器的控制指令，來完成各種不 同的動作及指令。
2-3 無人機零件參數 1. 螺旋槳
一般螺旋槳價格便宜且容易損壞，因此市面上有許多不同類型及不同材質 的螺旋槳，大多數螺旋槳的材質為ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene,丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)是一種高強度，高韌性且易於加工的熱塑形高分子材 料。
螺旋槳一般兩隻為一組通常會使用顏色或是用圖示代號來標示出正、反轉槳 螺旋槳是以直徑和傾斜度來進行測量，這裡指的傾斜度是指螺旋槳葉片本身的 角度。
螺旋槳看似簡單的構造，但實際上也可以說是頗為複雜的零件，螺旋槳顧名 思義即是依靠螺旋槳轉動，進而在空氣團中轉動產生推力，從萊特兄弟的時代 以來，螺旋槳幾乎沒有多大變化，現代的螺旋槳有效的轉換率約為 80%，幾乎 跟萊特兄弟時代使用時並無差異。
H =螺旋槳輸出功率
軸心輸入功率 = 推力 + 軸向速度 力矩阻力 + 角速度
基本上，效能是產能的效率與輸入量的比值，輸入，在此指的是轉動的外轉 子馬達(Outrunner Motor)，而輸出則是因其而產生的推力，要有效操作螺旋槳，
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取決於螺旋槳攻角(Angle Of Attack, AOA)的選擇是否適當，它主要的作用是決 定螺旋槳轉動的速度與力產出的量，在比較複雜結構的多軸飛行器中，螺旋槳 的AOA 是可以調整的，但在我們一般使用者的情況，螺旋槳的螺距(Pitch)，或
說是AOA 是固定的，所以在預期的操作範圍內，為了表現出最佳效能，AOA
通常是由螺旋槳的製造廠商折衷設定好的一個固定值，因此在沒有任何其他辦 法讓螺旋槳的效能增加的情況下，只能多測試不同參數的螺旋槳，已得到最佳 效率。
在此我們能發現，因為螺旋槳表面積與推力是成比例的，因此較大的螺旋槳 意謂著需要較多的推力。和小直徑的螺旋槳比較，大直徑的螺旋槳需要消耗更 多的電力才能使大螺旋槳達到與小螺旋槳相同的角速度。
相反的，小直徑的螺旋槳需要轉得更快才能和大直徑的螺旋槳擁有相同的推 力。為了減少螺旋槳旋轉中的震盪，螺旋槳應該保持平衡，所以我們會先以一 些簡單的測試調整出旋轉平衡的螺旋槳[6,8,9,13,35]。
表2.一般四軸飛行器螺旋槳標準尺寸表
直徑(吋) 螺距(吋) 適用機型
10 4.7 中型四軸飛行器常使用的款式
10 4.5 另一款中型四軸飛行器常使用款式
12 4.5 配合大型四軸飛行器的大型螺旋槳
9 3.8 小型四軸飛行器所使用的小型螺旋槳
8 4.5 較常使用在小型四軸飛行器中的小型螺旋槳，也是此
研究中所使用的款式
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圖4. 螺旋槳示意圖 1. 尺寸:直徑 8 吋 螺距 4.5 吋
2. 重量:10.2 克 3. 中心孔徑:6mm 4. 材質:ABS
5. 旋轉方向:橘色:正轉槳 黑色:反轉槳 2. 馬達
馬達可分為外轉或內轉馬達，這些是指馬達外殼體的物理設計，四軸飛行 器中常會使用外轉馬達，因為它們足以帶動大型螺旋槳但缺點是外轉馬達幾乎 都不搭配齒輪箱，因此就限制了使用者對馬達的操縱速度和轉矩的能力。
在直流無刷馬達中，線圈為固定的，因此不需要使用金屬刷，無刷馬達具有 更好的散熱性，一般無刷直流馬達的轉子在馬達外面，而馬達的定子是固定在 馬達的內部，外轉子馬達使用永久磁鐵，馬達的永久磁鐵通常是利用釹
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(Neodym)所製成。
圖5.無刷直流馬達永久磁鐵組成的 14 極轉子
馬達另一個主要的部份是定子，定子是由環繞的線圈纏繞在鐵製的核心組 成，我們所使用的馬達轉子有 14 極而定子有 12 極，極數的差異對啟動並維持 運轉非常重要。
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圖6.無刷直流馬達線圈纏繞製成的 12 極定子
另外馬達運轉很重要的因數是我們對定子的供電量的控制，ESC 能有效供
應三相電流至定子。如圖7 是簡單的線路示意圖。
S N S N S N S N S N S N S N
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
S N S N S N S N S N S N S N
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
A
B C
圖 7.無刷直流馬達定子線路示意圖
圖 7 示意圖說明ESC 的三條導線是如何連接至定子中的線圈。A、B、C、
三個連接點交替傳遞電流，使得定子會產生一到循環磁場，跟著線路A 走會注
意到電流以順時針方向經過定子的磁極1，然後在以逆時針方向繞過磁極 11。
這樣相反的電路組合是為了讓每個定子內的磁極產生相反的磁極，此電磁極與
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轉子裡的永久磁鐵磁棒配置相近，當電子磁極因A、B、C 線路輪流的電流交換
切換而依次移動時，將會帶動轉子一同運作，ESC 只需要控制對要送給馬達的 電流脈衝比率，便能控制馬達的轉數。
另外，我們在測試中可以發現，溫度一直是馬達運作時常見的問題，特別 是那些使用釹金屬製成的強力永久磁鐵馬達，有一種現象稱為居禮點(Curie Point，又稱居禮溫度，Curie Temperature)，磁鐵在超過溫度點時便會失去磁 力，例如在此研究中所使用的直流無刷馬達，就是使用釹製成的強力永久磁
鐵，測試中發現只要超過攝氏80 度就會失去磁力，所以馬達的參數配置及操控
對四軸飛行器來說是非常重要的[6,7,8,9,11]。
圖8.無刷直流馬達示意圖
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電子調速器(Electronic Speed Controller，ESC)的主要作用是讓提供至馬達 的電力根據其控制輸入等比例的進行，而控制輸入通常是伺服式的信號，ESC 是使用三相電流供電給馬達，為了產生三相電流的控制信號，控制器電路內有
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圖11.電子調速器外觀示意圖
圖12.電子調速器內部電路版正面
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圖13.電子調速器內部電路版反面
1. 尺寸:38mm X 18mm X 7mm 2. 重量:10 克
3. 電源輸入: 2S 鋰電池組或 5—6 節鎳氫/鎳鎘電池組
4. BEC(Battery Eliminator Circuit，電池分離迴路)輸出：5V/2A （線性穩壓模 式－ mode）
5. 輸出能力：持續電流 12A，短時電流 15A
6. 油門信號頻率範圍（Refresh rate）：50Hz—432Hz 7. 最高轉速：2 極馬達 210000 轉/分鐘
6 極馬達 70000 轉/分鐘 12 極馬達 35000 轉/分鐘
在圖12 中可以清楚看到 6 顆成對的 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, 金屬氧化物半導體場效電晶體)每一對 MOSFET 的任務都是
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在幫助圖10 中的 A、B、C 三條線路提供動力訊號。
圖 14 是由MCU 傳送至 MOSFETs 的訊號波形圖，在正電壓得情況下，閘極控
圖 14 是由MCU 傳送至 MOSFETs 的訊號波形圖，在正電壓得情況下，閘極控