太陽(yáng)能四軸無(wú)人機(jī)創(chuàng)最長(zhǎng)飛行時(shí)間

 今年9月，臺(tái)灣的太陽(yáng)能四軸無(wú)人機(jī)(Quadcopter)創(chuàng)下飛行3小時(shí)28分鐘的世界紀(jì)錄，推手是臺(tái)灣大學(xué)電資學(xué)院吳瑞北和林清富兩位特聘教授。吳瑞北負(fù)責(zé)尋找研發(fā)資源，而林清富因數(shù)年前栽入無(wú)人機(jī)世界，開(kāi)始動(dòng)手研發(fā)電力結(jié)構(gòu)與太陽(yáng)能模組，從業(yè)馀玩家晉身專家，最后在自己的家鄉(xiāng)宜蘭創(chuàng)下紀(jì)錄，無(wú)疑是個(gè)人嗜好結(jié)合專長(zhǎng)發(fā)揚(yáng)光大的最佳范例。

林清富接受DIGITIMES專訪時(shí)表示，他一直對(duì)創(chuàng)新躍躍欲試，因此曾創(chuàng)立臺(tái)大光電創(chuàng)新研究中心及擔(dān)任創(chuàng)立主任，除了太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)之外，目前也在打造有如科幻電影星際爭(zhēng)霸戰(zhàn)(Star Trek)裡企業(yè)號(hào)醫(yī)官手持的三度儀(tricorder)，無(wú)須實(shí)際接觸即能診治病患、堪稱地表最強(qiáng)醫(yī)療設(shè)備。林清富希望開(kāi)發(fā)的是能偵測(cè)環(huán)境中有害物質(zhì)的多功能感測(cè)器，并直接在手機(jī)上操作，可以隨時(shí)隨地掌控周遭環(huán)境的安全狀況與健康影響。

太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)飛行追求天時(shí)地利人和

問(wèn)：2018年1月您的團(tuán)隊(duì)到CES參展時(shí)，飛行時(shí)間是30多分鐘，短短不到10個(gè)月時(shí)間為何可創(chuàng)下3小時(shí)28分鐘的世界紀(jì)錄？至于創(chuàng)紀(jì)錄的地點(diǎn)是在宜蘭東澳，選擇此地點(diǎn)有什麼特別考量嗎？目前世界上其他團(tuán)隊(duì)競(jìng)爭(zhēng)的狀況如何？

答：我常在家鄉(xiāng)宜蘭壯圍試飛，因?yàn)槲沂煜ぴ摰?，不需靠地圖就對(duì)附近的環(huán)境瞭若指掌，因此不用特別規(guī)劃地點(diǎn)與路線，也讓我的心理負(fù)擔(dān)低很多，我知道怎麼和那邊的人打交道。別的地方，像去苗栗就曾被擋過(guò)，因?yàn)楫?dāng)?shù)孛癖姴恢牢覀円鍪颤N，還得解釋半天。此外，宜蘭夏天天氣不錯(cuò)，所以很常去飛。不過(guò)老實(shí)說(shuō)，宜蘭海邊像壯圍公館旅游中心附近，沙地對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)試不是很好，風(fēng)一來(lái)沙會(huì)刮到機(jī)器，且會(huì)吹進(jìn)馬達(dá)裡。

至于東澳，出發(fā)那天氣象預(yù)報(bào)陽(yáng)光很好，但風(fēng)稍大，想說(shuō)還是去試試。宜蘭東澳的緯度比新竹還南，陽(yáng)光比較強(qiáng)。由于宜蘭污染少，整體空氣品質(zhì)很好，若是同樣的天氣狀況，新竹、臺(tái)北的霧霾都會(huì)比宜蘭多，影響陽(yáng)光強(qiáng)度，有時(shí)候甚至差到10~20%。

就風(fēng)力環(huán)境來(lái)說(shuō)，目前太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的飛行條件是重量輕、風(fēng)力小，一般來(lái)說(shuō)2~3級(jí)風(fēng)才適合飛行，宜蘭夏天的風(fēng)通常不太大，所以適合飛行。另一點(diǎn)則和距離有關(guān)，臺(tái)北經(jīng)雪隧、蘇花改到東澳，約1小時(shí)就到達(dá)，比同緯度的苗栗近。

我們破紀(jì)錄那一次是3小時(shí)28分鐘，是第一次飛超過(guò)3小時(shí)，其實(shí)也是唯一一次，之后天氣條件都不夠好，尤其進(jìn)入冬天后陽(yáng)光減弱許多。事實(shí)上，從可以飛，到可以飛幾個(gè)小時(shí)，這中間的技術(shù)差異很大，雖然世界上幾個(gè)不同團(tuán)隊(duì)也在研發(fā)太陽(yáng)能四軸無(wú)人機(jī)，像美國(guó)、亞洲的新加坡等，但都沒(méi)有比使用純電池飛得久，只有我們的飛行時(shí)間超過(guò)電池動(dòng)力的四軸無(wú)人機(jī)。我們的成果于9月在歐洲一場(chǎng)國(guó)際會(huì)議PVSEC拿了論文獎(jiǎng)，該會(huì)議分成幾個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用領(lǐng)域只有一位論文獎(jiǎng)，就是我們的成果，投稿前飛1個(gè)多小時(shí)，就已經(jīng)被認(rèn)為很厲害了，就在9月會(huì)議報(bào)告幾天前，創(chuàng)下3個(gè)多小時(shí)的紀(jì)錄。
 2017年12月時(shí)才飛30幾分鐘，最主要原因是，當(dāng)增加電量時(shí)，重量就會(huì)增加，重量增加同時(shí)耗電就會(huì)增加，這就是無(wú)人機(jī)電池遇到的最大挑戰(zhàn)。等到它達(dá)到一個(gè)階段后，飛行時(shí)間不僅沒(méi)有增加，還會(huì)減少。如果只用電池支持無(wú)人機(jī)的話，通常僅能飛行20幾分鐘。因此必須再將太陽(yáng)能比例拉大，當(dāng)然最直接是把太陽(yáng)能面積變大，但重量也會(huì)增加，有個(gè)最好的黃金比例，我們有定量的數(shù)學(xué)模型可以估算，這對(duì)實(shí)際製作極有幫助。

另一方面，無(wú)人機(jī)要能在空中飛行，其姿態(tài)，如俯仰角度，左右傾斜角度等，必須一直變動(dòng)以維持動(dòng)態(tài)平衡，但這會(huì)造成電的需求一直改變，對(duì)于太陽(yáng)能電池而言，若是電性變動(dòng)劇烈，會(huì)衍生其他問(wèn)題，這在短時(shí)間內(nèi)難以發(fā)現(xiàn)，一旦時(shí)間拉長(zhǎng)，就會(huì)直接燒掉相關(guān)電子零件，這是如新加坡大學(xué)等地用太陽(yáng)能僅飛行幾分鐘時(shí)無(wú)法發(fā)現(xiàn)的狀況，我們能飛數(shù)小時(shí)，也是因?yàn)榻鉀Q了此劇烈變動(dòng)的問(wèn)題，這部分的研發(fā)深度與進(jìn)展，應(yīng)該是領(lǐng)先全世界。

太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)未來(lái)可能的應(yīng)用場(chǎng)景為何？若要從事商業(yè)應(yīng)有哪些瓶頸尚需克服呢？

答：太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的應(yīng)用有幾個(gè)面向，安全性、方便性和時(shí)間，太陽(yáng)能與電池比燃料安全許多。方便性來(lái)說(shuō)，旋翼比固定翼好，但旋翼機(jī)使用電池則無(wú)法飛久。利用太陽(yáng)能能夠兼顧安全性、方便性和長(zhǎng)時(shí)間等。我們預(yù)估太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)在農(nóng)作物監(jiān)測(cè)的應(yīng)用很合適，如生長(zhǎng)狀況、植物病蟲(chóng)害、熟成狀況檢視等等。載貨方面，因?yàn)樾枰茇?fù)重，技術(shù)上必須克服重量問(wèn)題，目前承重范圍預(yù)計(jì)在4磅以內(nèi)應(yīng)該可以做到。

業(yè)馀玩家變專家

問(wèn)：請(qǐng)問(wèn)開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)最大的挑戰(zhàn)是什麼？

答：目前最大的瓶頸就是募資，我有信心相關(guān)技術(shù)問(wèn)題都可以克服，目前還在找人投資。我們可飛3個(gè)多小時(shí)，其實(shí)還有改善的空間，未來(lái)目標(biāo)是將時(shí)間拉長(zhǎng)，達(dá)6~7小時(shí)，可以符合日出而作，日落而息的自然作息。

另一方面，直覺(jué)上看，風(fēng)是無(wú)人機(jī)的敵人，但我們可以將阻力化成助力。例如老鷹是利用上升氣流盤旋，我們的太陽(yáng)能板就是我們的翅膀，有翅膀就飛得高、飛得遠(yuǎn)，可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)成可調(diào)整的，用微處理器控制。

問(wèn)：想請(qǐng)教老師之所以投入太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)研究的緣起？如今創(chuàng)下紀(jì)錄心理最有感的是？

答：我原來(lái)只是無(wú)人機(jī)業(yè)馀玩家，因?yàn)殡姵睾苋菀讻](méi)電，每次周末去玩都得帶一大把電池，后來(lái)想想我自己做太陽(yáng)能研究相當(dāng)久了，為何不能拿來(lái)解決此問(wèn)題？于是開(kāi)始估算其可行性。而更早緣起是幾年前，有次在校園，理完頭髮經(jīng)過(guò)大草坪，有人在玩無(wú)人機(jī)，在旁邊看了一陣子后，竟然對(duì)方借我玩，我玩了一下，發(fā)現(xiàn)沒(méi)想像中困難，我小時(shí)候沒(méi)有像別人一樣玩遙控飛機(jī)或遙控車，這次卻因此激發(fā)了玩遙控飛機(jī)的興趣，于是也去買一臺(tái)一模一樣的無(wú)人機(jī)。

我本來(lái)就是很愛(ài)東改西改的人，壞掉了就去買零件修理，也漸漸加入一些無(wú)人機(jī)社群。結(jié)果是「毒癮」愈來(lái)愈兇，本來(lái)買幾十塊，后來(lái)愈玩愈大，買幾百塊的東西，再來(lái)到幾千元的數(shù)量級(jí)，后來(lái)有了計(jì)畫支持，更是以萬(wàn)元為單位的花費(fèi)，我想現(xiàn)在應(yīng)該是無(wú)人機(jī)玩家裡面花最多錢的人。

玩無(wú)人機(jī)會(huì)上癮，為什麼呢？其實(shí)玩無(wú)人機(jī)要很專心的，因?yàn)槟銜?huì)沉浸在裡面，沒(méi)時(shí)間去想煩惱事。像有人說(shuō)面試學(xué)生的過(guò)程很辛苦，因?yàn)閷W(xué)生都講得大同小異，所以我建議他們利用中間休息時(shí)間玩玩無(wú)人機(jī)，可以讓你忘記很多事情，在聽(tīng)第二個(gè)學(xué)生回答時(shí)，就不會(huì)記起第一個(gè)學(xué)生講過(guò)什麼，相當(dāng)于把大腦重設(shè)。(黃逸平／專訪，賴至巧／整理)