第一章 緒論
第一節 研究背景
第一章 緒論
近年來，由於輕型無人飛行載具 UAV(Unmanned Aerial Vehicle)快速發展，相 關應用領域越來越廣，例如防災通訊中繼與森林調查等，使得 UAV 普遍性提高，
但也延伸出相關安全與飛行異常事件問題。本章第一節研究背景部份從 UAV 發 展歷程切入，探討 UAV 快速發展與普遍性的特點，並歸納目前 UAV 應用領域與 實例，從中分析其未來趨勢與市場價值。第二節研究動機說明衛星導航與機械運 作對 UAV 飛行之重要性，並探討當發生此兩項異常事件時對 UAV 造成的影響。
最後研究目的部份說明本研究期望透過分析過往歷史飛行紀錄，觀察有效區別正 常與異常飛行之特徵，並透過飛行資料常態分佈特性建立異常偵測模型，利用此 異常偵測模型供未來評估 UAV 潛在異常事件風險。
第一節 研究背景
UAV 通常是透過遠端遙控或自動控制的方式飛航，至今的發展已有多年歷 史，它首先出現於第一次世界大戰末期， 由美國軍方研發出 Hewitt-Sperry Automatic Airplane UAV[1]，其目的是為了裝載大量炸藥並利用無線操控技術精 準轟炸目標。經過多年的研發與改良，目前 UAV 外表形式多樣，發展出的 UAV 類型有定翼機、拍翼機、旋翼機與飛行船等，如下圖一所示。
圖一：UAV 機型示意圖
2
定翼機的機翼固定，透過螺旋槳或推進器帶動 UAV 產生向上浮力，並由機 翼上的副翼控制 UAV 飛行姿態，如螺旋槳飛機與滑翔機等，而拍翼機的機翼設 計可活動，透過拍動機翼產生上升浮力。旋翼機透過螺旋槳轉動帶動 UAV 飛行，
其特點可原地起降，可分為單旋翼與多旋翼，單旋翼如直升機，透過單一螺旋槳 帶動機體升空，多旋翼如四旋翼、六旋翼與八旋翼等。飛行船是機體裝載較輕的 氣體，透過空氣浮力懸浮在空中，並透過螺旋槳推進，以下歸納 UAV 特性並詳 細說明。
(1) 成本低
根據 Xu[2]等學者提到，隨著科技的進步，UAV 的感測器與零件製作成本逐 漸下降，進而降低進入門檻促進 UAV 的普遍性。從製作成本與飛行成本分 析，製作成本由於 UAV 省去考慮飛行人員相關因素，例如：設置駕駛艙、
增壓系統、溫控系統與飛控儀器等，大大減少體積與重量負擔，相對能達到 簡化設計、電裝輕量化、飛行材料要求低與材料用量少等優點，進而降低造 價成本。飛行成本部份因 UAV 體積小、輕量化與趨於流線型的特點，使得 在飛行時能降低動力消耗，在相同的飛行距離情況下，UAV 所消耗的動力 與一般載人飛機相比有較少的能量消耗。此外，大部份 UAV 不需特定起降 場地，便於在任務地點直接起降，減少飛行動力消耗而節省燃料成本。
(2) 地域限制低
UAV 相較一般載人飛機輕小而不需要長程的起降跑道，因此飛場限制低，
旋翼機甚至可在適當場合原地起飛。此外，UAV 受到地表障礙物與天氣影 響低故可以近地飛行，因此 Niethammer[3]等學者利用此 UAV 特性，進行山 崩地的近地空拍調查，定期調查崩地變化達到防災目的。目前發展的小型旋 翼機甚至可透過室內定位技術在室內飛行，故 UAV 飛行較不受地域限制，
幾乎可於任何地理環境執行任務。
(3) 飛行風險低
3
4
UAV 至今發展出自動導航技術(Autopilot)是實現 UAV 飛行自動化重要的控 制技術，其飛行控制模式主要分成地面端操控與自動飛行，通常地面端操控模式 是因應飛行路徑不固定或者不明確的情形，例如：戰場即時監控、觀察候鳥遷徙 路徑、災害監控與搜救等，此飛行控制模式必須透過地面端駕駛員操控來完成任 務。而自動飛行模式通常是執行固定任務，能夠事先規劃飛行腳本，讓 UAV 依 照飛行腳本做巡航，例如：國土空拍、海岸監測與公路車流量監測等，以下詳細 介紹此兩種飛行控制模式。
(1) 地面端操控模式
地面端操控主要是地面駕駛員透過遙控器或者地面控制站(Ground Control Station)遙控 UAV，由於駕駛員必須在人眼可視範圍內才能明確判斷飛行姿 態與飛行方向以利操控，故通常地面端操控模式必須於人眼可視範圍內進行。
後來發展出第一人稱(First Person View)飛行控制技術才有辦法做人眼視距 外飛行，其方法是在 UAV 加裝攝影機，透過無線傳輸技術將影像即時傳輸 至地面端顯示，讓地面端駕駛員透過視訊了解目前 UAV 的視界以利遙控。
(2) 自動飛行模式
自動飛行模式是預先載入飛行腳本，期望 UAV 在自動飛行過程中依照腳本 內容飛行。飛行腳本是 UAV 自動飛行前飛行人員事先規劃的一套飛行路徑，
其中包含若干個飛行航點(Way Points)，飛行航點的定位必須透過全球定位系 統 GPS(Global Positioning System)給予每個航點座標值，透過 GPS 輔助 UAV 在飛行過程進行方位與飛行高度判別。
實現自動導航技術通常必須包含幾項模組與感測器，主要目的是接收數據供 飛行處理器運算以利操控 UAV 飛行，下表二列出常見的模組與感測器，這類模 組與感測器會內嵌於飛行控制板中或以外接模組形式與飛行控制板連結。
5
表二：常見的飛行模組與感測器
模組與感測器名稱 說明
氣壓感測器 測量大氣壓力，可換算相對高度
電子羅盤 又稱磁力計，辨認三軸方位角
三軸陀螺儀 測量三軸角動量，計算各軸轉動角度
加速度計 靜止時測量三軸姿態
動態時測量三軸加速度 空速感測器 藉由測量風速計算飛行速度 電壓感測器 測量電池、電壓與電流 全球衛星定位模組 接收衛星定位座標
微處理器 處理各飛行數據藉此控制飛行
近年由於 UAV 研究日益興盛，該領域也出現相關開放原始碼計畫，例如：
APM(ArduPilot Mega)[9]、OpenPilot[10]、MultiWii[11]與 Paparazzi[12]等。目前 開放原始碼計畫著力開發項目包括：飛行控制硬體、地面控制站、通訊協定、攝 影與數位影像處理等。這些計畫提供飛行模組開放原始碼以降低研究門檻，已有 不少研究相繼利用這些開放原始碼資源開發 UAV，並應用於不同領域。總體而 言，以開放原始碼開發 UAV 將會是未來的重要趨勢之一。
根據 Market Info Group 2010 年統計[13]，UAV 採購市場會持續穩定成長並 預估在西元 2015 年總採購值會高達 75 億美元，其中亞洲與東太平洋市場需求高 達總需求六成，顯示 UAV 市場需求龐大，可見許多國家與民間單位重視其發展 性並相繼投入大量資金與人力研發 UAV 相關軟硬體。
6
圖二：UAV 採購市場趨勢（資料來源 Market Info Group 2010）
綜觀以上論述，近年 UAV 軟硬體技術逐漸成熟加上諸多開放原始碼計畫相 繼投入研究開發，使得 UAV 領域進入門檻降低，加上其成本低、地域限制低、
飛行風險低與即時性等特性使得 UAV 更加普遍，相繼應用於不同領域之中包含：
災害應變、環境監測、交通控制、商業空拍、都市計畫與農林漁牧等。由此可知 UAV 應用將更加廣泛，市場需求也將逐年增長，未來 UAV 將是重要的研究議題。