無人飛航載具空氣品質監測

2.1.1 無人飛航載具之性能與裝備

無人飛航載具近年來由於其多用途以及能突 破空間限制之特性，使得產業界與學術界紛紛投入 無人飛航載具的研究發展領域。諸如氣象資訊的搜 集，水土保持與環境保護探勘，數位通訊中繼等等，

雖然研發目的各有不同，但無人飛航載具已為許多 的研究工作提供了一個良好的研究平台與新的研 究方向。另外由於近年來在小型電腦、相關周邊配 備、電子感測元件與光學遙測等設備在技術的快速 進展，已使得無人飛航載具已經逐漸具有長程視距 外飛行的發展潛力。

在科學用途方面，無人飛航載具目前主要以提 供空照視野，作於天然災害災情拍攝用途，以及即 時控制及分析等任務。基於以上用途之需求，自主 飛行的能力成為無人飛航載具的首要目標，在先進 航電系統搭配飛控導引律之設計下，製作具備自主 飛行能力的飛行載具已具備高度實用性，再加上其 設計所需的經費遠較載人的航空器為低，且不需考 慮駕駛員之人身安全顧慮，所以無人飛航載具在技 術上與成本上具備有雙重優勢。

一般而言，無人飛航載具可區分為三大系統，

分 別 為 載 具 本 體 、 地 面 控 制 站 (Ground Control Station)及酬載(Payload)系統。所謂載具本體係指不 包含酬載系統的完整飛行載具系統，具有起飛、降 落及飛航功能。地面控制站則指位於地面，可即時

接收載具及酬載系統下傳之資訊鏈路，並以適當方 式將所接收之下傳資訊顯示給操作人員，供其操控 載具及酬載系統。酬載系統係指可以安裝在載具本 體上，並配合載具本體及地面控制站執行特定任務 之裝備。

本文中無人飛航載具製作之工作項目為依據 空污監測之需求，建造可完成指定空中偵測任務之 機型，工作內容包括無人飛航載具相關的氣動力分 析、機體設計、飛行導航與控制模組設計、遠距無 線傳輸技術之開發以及空污採樣儀器整合空間之 設計。

本團隊已開發完成之長滯空無人飛航載具，可 同時量測氣象參數及大氣污染指數擴散，滯空時間 約為 4 小時，高度約在 10000 呎，機身載重為 20 公斤，最大空速約 130 公里/小時，巡航速度為 45 公里/小時，採用不須增壓之航空汽油活塞引擎，

飛航全程由 GPS 自主導航，可提供監測儀器完整 穩定之運作平台，在空中監測之訊號可即時回傳至 地面站，其氣象與空氣品質監測之基本原理如圖 3 所示。

在空污染源之量測部分，則可探測 O3、NO2、

PM2.5 及 NMHC 等濃度分佈情況，可將探測儀器 設計安置於機體內，由空中進行偵測，本團隊已於 高雄大林浦完成 O₃、NO₂及 NMHC 量測 30 批次 每次一小時之監測，成果良好。由於本計畫採用完 全自行開發之長滯空無人飛航載具，故可視需要隨 時修改以利任務遂行。

圖 3 無人飛航載具氣象與空氣品質量測之基本原理

於執行 UAV 空污量測之方法步驟敘述如下：

品質監測任務。飛行任務時間為 2010 年 8 月至 10

表 4 空氣品質偵測器規格 (Model OEM-106)(2B Tech, USA)

圖 4 無人飛航載具酬載設計

圖 5 無人飛航載具模組化設計

圖 6 CFD 空氣膨脹室流場分析結果

圖 7 空氣膨脹室外型設計

圖 8 優化前之無線傳輸天線增益值分佈(center frequency at 72.8 MHz)

圖 9 優化後之無線傳輸天線增益值分佈 (center frequency at 72.8 MHz)

圖 10 無人飛航載具於大林蒲執行任務

圖 11 地面站顯示之無人飛航載具導航點與飛行軌 跡

圖 12 無人飛航載具執行任務之高度變化

圖 13 無人飛航載具偵測之空氣污染物分佈情形

圖 14 無人飛航載具偵測之 O3, NO2 與 NMHC 濃 度變化與地面監測站數據比對

圖 15 無人飛航載具偵測之臭氧濃度分佈

圖 16 無人飛航載具偵測之二氧化氮濃度分佈

圖 17 無人飛航載具偵測之 NMHC 濃度分佈

圖 18 無人飛航載具於大林蒲石化工業區空拍結果

2.2 利用無人飛航載具(UAV)監