2008年全國大專無人飛行載具設計競賽紀事
賴維祥 國立成功大學航太系教授 whlai@mail.ncku.edu.tw摘 要
『2008年全國大專無人飛行載具設計競賽』已於97年3月29至30日在岡山空軍軍官學校順 利圓滿結束，今年的賽事比起去年再次刷新多項新紀錄，包括參與隊伍由去年的23隊增加到 33隊，更有遠自印尼來台的萬隆技術學院參與其中，為本次比賽增添國際色彩，也使所有參 與的人員擴展國際視野，使比賽更為精彩。為期兩天的比賽吸引了許多民眾及貴賓來訪，參 加的學校也成長到11所，參加師生人數更增加到500人以上(尚不包括觀眾)，及成大與國科會 及空軍軍官學校共同參與主辦，並邀請國內航模協會的參與等。作者連續舉辦本項競賽二年， 主要動機來自多年來帶學生參賽及拜訪國外航太單位的綜合想法，與多位熱心航太的幾位學 生討論決定所共同努力經營出來的結果。目的是希望透過比賽方式，紮實航太教育的根基， 推廣遙控飛機設計技術，提升國內飛行設計水平及產學合作風氣；對現在的學生而言，更期 待激起大家對航太的熱情與興趣，除留下美好的回憶以外，也共同創造我們航太人的未來。 1.0 緣起 作者曾在2002年及2005年帶領二批學生前往美國航太知性之旅，從美國東部的紐約，及 造訪號稱最大的航展-美國實驗飛機協會(EAA)航空嘉年華，甚至在美西參訪波音公司，及飛 行博物館發現華人王助竟然是波音公司的首席飛機設計工程師的驚訝與榮耀，體驗美國航空 工業最興盛之程度，及民間通用航空(General aviation)-如超輕飛機及包括動力與無動力航空器 的無限媚力。國內曾在2004年桃園舉行國際航展，規模較世界級航展雖小很多，但幾天之內 擁入數百萬人證明台灣仍有很多航太愛好者。 2006年五月，逢甲大學主辦大航盃活動，遙控飛機競賽部份因故延至5月舉行，總共全國 也有只有七隊而已。2006年秋天，因為本校『邁向頂尖大學計畫』支持了部份經費，也試著 帶學生到台北參加2006鳥人大賽，主辦單位連跳台與風向的相對關係都沒有配合好，國內對 航太顯然認知上有相當的落差，也是興起要將基礎航太活動辦好的決心。因此，主要動機自 然是來自多年來帶學生參賽活動及拜訪國外航太單位的綜合想法，並受到近年來國內航太景 氣低迷及學生目標茫然等多重因素，經與幾位熱心航太的老師及學生討論後，決定主動向航 太學會理監事會議提出辦遙控飛機之構想。 航太學會的遙控飛機設計競賽已有多的歷史，實機比賽更是從1999年(民國88年)開始， 迄今也邁入第九年的歷史了。在過去最早的活動是動態活動早航太年會一個月，報告則是與 航太年會同時舉行；如此確有好處，包括競賽報告部份與年會同時舉辦，可節省開銷，並同 時得以頒獎，增加年會氣氛等。中間亦有幾年與『教育部航太教育改進計畫』同步舉行，但 由於大航盃的活動大都在三月份，也曾二者合併舉行；由於參與學生的可能重疊及場地不可 能在一起，後來多傾向分開舉行。唯多年來一直以載重競賽為主要訴求，又由於經費不多， 大多用於大航盃的球賽部份，參賽學校也都是這幾個熱面孔，符合遙控飛機跑道難覓，主辦 單位常苦於尋覓場地。另外，各隊間均無交流之機會，大家在一日內要完成動態競賽科目， 也要作簡報，一天下來趕赴這幾個不同地方，除舟車勞頓外，也人仰馬翻。 2007年作者向航太理監事會議提議將兩者分開，以免去大航盃舉辦學校的負擔，並為擴 大比賽規模，將比賽分為初階組、進階組及視距外飛行組。但經費可能要增加，估計約在40作者自募。後來幸有屏東縣政府共同合辦，及與賽嘉之主管單位－茂林國家風景區管理處等 單位協辦，才得以稍緩經費之窘境。參與隊數竟達23隊之多，創下歷年新高，而且為往年三 倍以上之規模。 2.0 2008年UAV 設計競賽規則 2.1 競賽內容及項目 競賽內容分『靜態展示』、『動態飛行展示』及『實作報告』(初階組僅需要書面報告, 其 他二組需要書面及口頭報告)。原則上競賽之靜態展示(含定時解說)及動態飛行將於第一天展 開，專案實作報告將於第二天進行。 本次飛行載具設計競賽，由於考量各校之背景及對於飛行載具之發展方向不盡相同，若 只以機體限制為前提，來進行載重及無限制之附加設備來進行評分，實乃漸漸與現今之載具 發展趨勢及公平客觀之評分標準脫節。所以本次之飛行載具設計競賽，將以分組分項進行競 賽之評分方式，以提升競賽之層次等級。並擬與學術單位或民間企業募款，以提供獎金之方 式來刺激競賽之發展及知名度。本次競賽隊伍將不再以航太系所之大專生為限，故歡迎航太 或非航太系之大專以上及各研究所加入競賽。 2.2 載具競賽部份 依據多年之遙控載具競賽經驗，傳統載具構型設計，已漸趨於成熟穩定，所以挑戰性較 高之氣動力外型設計將為飛機設計的另一項發展方向，再者，衡量多年來，氣動力外型設計 及傳統構型設計之合併評分方式，並非公平客觀，所以為提升載具之設計水平、公平客觀之 評分精神及多元化之載具設計競賽，本次飛機設計競賽，將開始鼓勵各參賽隊伍針對較難且 風險較高之載具氣動力外型進行設計，所以凡是以氣動力設計為導向之各隊伍，不論初階或 進階，皆可參加氣動力設計競賽評分(按後來只評進階組)。氣動力設計競賽為一獨立出來的 評分項目，本項目並不額外再安排動態飛行比賽，而是針對各參賽隊伍之設計報告、實作製 程、參加初進階飛行比賽過程中之飛行性能進行評分，並給予獎勵。 圖1 無人遙控飛具競賽內容架構 載具設計競賽 引擎組 無人飛具設計競賽 視距外飛行競賽 初階設計競賽 進階設計競賽 氣動力設計評分 電動組 載重競賽 耗油率競賽 飛行性能競賽 引擎組 導航拍攝
競賽其他限制規定如下表所示: 表1 UAV設計競賽限制 機翼 引擎 螺旋螺 燃料 初階組 翼展不得超過210cm OS-61級 使用單片式、複合式螺 槳或導風扇式槳。(不能 用金屬螺槳) 15%硝基甲烷專 用燃料供應 進階組 主翼及水平安定面投 影面積不得超過2 m2 OS-91級 同上 同上 均不得自行改裝及加裝加速管等配件、違反以上規定一律取消參賽資格。 2.3 視距外飛行競賽部份 無人飛機自主飛行之設計與開發，一直是目前國內外炙手可熱的研究方向之一，然而受 限於各單位之發展能量不盡相同，所以規劃相關之自主飛行比賽其實並不容易，所以多年來， 飛機設計競賽一直無法將自主飛行列入競賽項目，實屬十分可惜，所以今年度的載具設計競 賽，將首度嘗試把自主飛行列入比賽項目，並提供獎金以鼓勵各個中好手或是有志發展單位 加入，以藉由比賽來刺激自主飛行之發展。 本次視距外飛行競賽，由於考量為大會第一次舉辦，且各參賽隊伍之自主飛行發展能量 及經費差異甚劇，並無法以統一規格或限制裝備等方式來進行，所以此次競賽方式並不限制 系統，只根據目標區標定物上之空拍照、飛行來回所需時間進行評分。飛行路徑規劃如下圖2 所示。本次競賽會分別在A目標區及B目標區放置標定物，飛機必須完成空拍A目標及B目標 區標定物，並以最短時間返航為優勝。本目標物大小為150 cm×150cm 見方，分成四個區塊， 包括2個字體(100cm×100cm 及 50cm×50cm) 與2個圖案(均為100cm×50 cm)。如下圖所示，文 字與圖案均會在比賽過程中變更，使參賽者無法事先知道目標之形狀，以供照相之不同解析 能力範圍，如圖3所示。
A
B
圖2 飛行正三角形路徑 圖3 目標物的大小及配置示意圖 3.0 活動重要成果 (1)過程紀錄： 本次活動經二天充實的賽事活動，有紀錄以下活動照片，供未能參與盛會者得以瞭解當 時盛況。 A 目標區 起降區 B 目標區 4 km 4 km 4 km 路徑a 路徑b 路徑c照片 1 開幕式各隊伍整隊列隊參與 照片 2 空軍軍官學校儀隊開場
照片 3 開幕典禮 照片 4 一架配備渦輪引擎模型飛機開募展示
(2)競賽中之活動照片 照片 11 中華技術學院-戰神飛行英姿 (初階引擎組 第一名) 照片 12 中華技術學院—威斯康辛飛行英姿 (初階引擎組 第二名) 照片 13 永達技術學院-葛利芬飛行英姿 (初階引擎組 第三名) 照片 14 成功大學-黃蜂地上英姿 (初階引擎組 第四名) 照片 15 成功大學-紅蜻蜓 (進階引擎組 第一名、最大載重、氣動力設計第一名) 照片 16 空軍官校-筧橋二隊 (進階引擎組 第二名) 照片 17 成功大學-遊隼 (進階引擎組第三名、氣動力設計第一名) 照片 18 印尼萬隆技術學院 ITB (最低油耗、最佳報告)
照片 19 航空技術學院:創意號-II (氣動力設計第三名) 照片 20 虎尾科技大學-Immelman (視距外飛行組第一名) 照片 21 航空技術學院-小巡號 (視距外飛行組第二名) 照片 22 高苑科技大學電子系-高飛隊 (視距外飛行組第三名) 照片 23 逢甲大學-曼陀羅 (初階電動組第一名) 照片 24 高苑科技大學-捷比 (初階電動組第二名)
(3) 創下紀錄 2008 年是令人感到興奮的一年，這次活動合計有來自 11 個大專院校的 34 支隊伍，本次的 比賽無論在質與量方面都大幅的提升，並邀請印尼萬隆技術學院參加，空軍軍官學校也提供非 常好的場地供大會使用。成績已在競賽官網公佈，http://www.iaa.ncku.edu.tw/~whlai/uav/index.html。 希望未來無人飛機技術能與業界進一步合作，提升技術及未來產業實績。本次競賽活動己略推 前二個月，較為涼爽且正是活動的最佳時機，兩天的活動圓滿閉幕，獲致各界相當的好評，可 謂佳評如潮。在本次創下多項紀錄如下： (1). 參賽學校最多－11 個學校 (2007 年 10 所) (2). 參賽隊伍最多－33 支隊伍 (2007 年 23 支隊伍) (3). 比賽規模最大－參賽人數約 500 人(2007 年約 300 人)及兩個飛行空域同時競賽等。 (4). 飛機性能創新紀錄－今年最高載重達 9.11 公斤；最佳耗油率紀錄 52 克。 (5). 競賽結合產官學研究單位－與空軍軍官學校共同合辦，並邀請中科院、航模學會、飛安會、 產業界擔任裁判及來自產業界各方的贊助。 (6). 獎項最多－計有視距外組前三名，進階組前四名及佳作(5 名)，初階載重組前四名及佳作(4 名)，初階電動組前四名及佳作(5 名)，另外設立最佳氣動力獎前四名，最大載重，最低耗 油率、及最佳報告等獎項。 (7). 動員支援工作人員最多－成大學生及支援人力加上空軍官校派員約超過 200 人以上。 (8). 節目多樣性－邀請航模表演、成果展示、口報報告、加州州立大學吳子偉教授帶來燃料 電池無人飛機影片展示與解說、淡江大學楊龍杰教授拍翼式微飛行器飛行表演、空軍軍官 學校輕音樂社精彩晚會節目等。 (9). 活動費用最高－花用經費約 110 萬元。（2007 年約 70 萬元） (10). 首度邁向國際－邀請印尼萬隆技術學院來台參加，榮獲最低油耗獎及最佳報告獎。該校 對本次比賽給予極大的肯定及支持鼓勵，更承諾明年將會再度來台參賽。 相信這樣的付出是非常值得的，不但帶起熱列的活動氣氛，更讓人期待明年會更上一層樓。 在第二次籌辦這樣大型活動後，仍發現有許多待檢討改善之處，分述如下： (1). 前一天在空軍官校佈置比賽場地黏貼跑道標線時，沒有想到地面與膠帶材質附著時間短， 只要經過風吹，跑道膠帶即會捲起，嚴重影響比賽場地佈置及比賽進行。怕飛機在起飛時 捲入膠帶。 (2). 本次活動很多遙控器的頻率都有衝突，因此對如此大型活動，頻道的管制非常的需要加以 管制，否則也會對活動時程影響，甚至影響飛行安全。 (3). 與空軍官校在協調上有溝通上的缺失，例如:採購物品未事先知會並出現重複購買情形、 人員工作職掌分工不明確，該校派出許多的學生及工作人員但上級未明確知會工作內容， 以至於出現人力浪費的狀況。現場在開幕前出前很多狀況，現場機動工作人員宜再增加。 以後若有機會與其他單位合辦，應將此部分做到盡善盡美。 (4). 宜有器材組宜統一保管借用之設備及器材，並建立保管人員制度，做好物品點收，以免賽 後不易找尋。 4.0 計畫成果自評 今年的全國大專無人飛行載具設計競賽規則沿用以往慣例，以引擎飛機設計為重點，但來 自產業（航模協會）的人士建議，已加入電動馬達項目，因為電動馬達飛機的發展非常快速， 很多馬達已不輸給引擎的功率，故列入今年競賽項目已屬恰當，唯規則需要再配合情況更新。
各校透過海報，論文報告，及實機飛行等活動的交流，使大家彼此瞭解目前國內設計能力，並 有助於未來挑戰更好的成績。大會更準備光碟，蒐集各校所作報告，依照論文格式作精簡報告， 使未來參與者能有所參考，以方便推廣本活動。 (1)、 在質方面單以載重量計，去年紀錄為7.295公斤，今年成長至9.11公斤。這是非常難得 的記錄，因為十年來，記錄一直在6-7公斤之間，至今年才有較大幅度的突破。延續去 年省油性及氣動力外型設計，使各隊原創性的構想得以更多發揮。 (2)、 就量的方面，今年擴大各校學生的參與規模，由去年的23隊成長至33隊，有顯著數量 的成長，包括各類組大都有成長，及增加電動飛機一組；整體成長幅度達43%。其中 尤以印尼隊能派隊參加，使本活動開始具有國際賽之雛型。 (3)、 但今年視距外飛行組報名參賽不盡理想，只有三個隊伍報名，可能原因為要製作視距 外飛機實在具有相當程度的困難及挑戰，若非背後有堅強研究團隊支持，恐不易有成 果。不過，相信許多學校在這方面已具雛形，期待明年會有更多隊伍加入挑戰行列， 使比賽更加有看頭。 (4)、 另外與產業界互動的需要加強，本次向產業界募款仍舊相當困難，很多真正的模型業 者並不很積極參加，使得需要向非相關產業募款，但這種關係畢竟不長久，還是要回 歸向相關產業募款才能使活動永續經營。 (5)、 我國在無人飛機外銷有一定的成績，即使在國外，傳統飛機的造型已不敷未來使用者 的需要，但新設計飛機要解決氣動力設計往往要花相當長的時間，如此與學界共同研 發變成是一個省力省經費的模式，宜擴大鼓勵業界參與，使這項產業更能在世界上立 足。
