〈工業技術與資訊〉高負載高續航無人機農民好幫手

工研院開發「高負載高續航無人機」。(圖:工業技術與資訊月刊)
工研院開發「高負載高續航無人機」。(圖:工業技術與資訊月刊)

撰文/陳怡如

農務繁忙,栽植期需施肥噴藥,採收期得搬運遞送,扎扎實實都是體力活。然而農業人口逐漸老成凋謝,亟需生產力工具助力加持。工研院開發「高負載高續航無人機」,可負重 50 公斤、續航力長達 45 分鐘,宛如「空中大力士」,滿足農業蟲害防治、巡檢、採收、集運到物流等服務,化身農民最佳幫手。

來到新北石碇的翠綠茶園,只見無人機騰空升起,一邊貼著山坡地起伏飛行,一邊從高空均勻灑下農藥,大幅節省噴藥的時間和人力。這是工研院開發的高負載高續航無人機,其中 6 軸 18 槳無人機可負重 50 公斤,飛行 10 公里,續航力長達 30 分鐘,不僅曾獲美國消費性電子展(CES)2019 創新獎,更是唯一在國際無人機盛會 2020 年杜拜國際無人機競賽中,與定翼機並列冠軍的機種。

這技術最大的突破,不只是高負載,更做到高續航。工研院機械與機電系統研究所工程師葉信典指出,以全球最大的無人機公司推出的機種來說,當負重達 50 公斤時,只能飛行 6 分鐘,「高負載同時又能高續航,需拉長滯空時間才有優勢。」

三大關鍵 最佳化無人機效能

為兼顧負載和續航,團隊從三大關鍵下手。第一是優化馬達、電子調速(Electronic Speed Control,簡稱電調)、槳葉等各組件的效能和配置,透過磁力優化技術,提升馬達磁場作用力的效能,同時改善馬達控制器「電調」的演算法,將無人機的馬達效率提升至 92%,也就是馬達出的每一分力,盡可能都用來推動槳葉,減少虛功。

馬達效率與槳葉的推升力和尺寸有關,「當槳葉進行分析模擬時,要知道槳葉在有限空間內,需要產生多少推力,才能與馬達的出力匹配,」葉信典表示,包含槳葉的弧度、寬度和葉尖都要做構型設計,增加旋轉效率。

第二是開發高功率密度的油電混合動力系統。一般無人機受限於鋰電池的能量密度,續航力不高,團隊透過油電混合的方式,在無人機設置燃油引擎,但不直接驅動槳葉,而是供給發電機,產生的電力再供給無人機使用,跟傳統鋰電池相比,續航力可增加 50%,「因汽油能量密度很高,我們選擇採用目前比較成熟的技術,讓無人機飛得更久,」工研院機械所經理林正軒解釋。

第三則是機身的輕量化設計。無人機要帶著自身重量起飛,需要長時間對抗地心引力,對機身設計來說,輕量化是最高宗旨,但延伸而來的卻是強度、韌性、抗震動等問題,林正軒形容:「簡單來說就是要馬兒好,又要馬兒不吃草。」

為此團隊針對機身進行構型拓樸(Topo-logy),運用模擬軟體找出最佳化的整體結構,搭配槳葉的位置、高低、間距,和馬達擺放的方式;同時也增加抗風設計,讓無人機飛得平穩,減少耗電、提升續航力。當機身規格全都確認後,在不影響無人機效能又符合民航局法規的前提下,為飛機「瘦身」,最終成功減重 10%。

改變噴灑方式 滿足不同農民需求

在限制重重,因此得斤斤計較的精巧設計下,高負載高續航無人機於焉誕生,還開發包含 4 軸 8 槳、6 軸 6 槳、8 軸 8 槳和 6 軸 18 槳等小中大不同機型,以便應用於不同場景。在農業應用上,可達成從蟲害防治、巡檢、採收、集運到物流的一條龍服務。

葉信典指出,目前在臺灣用無人機噴灑農藥已是相當成熟的技術,也延伸出許多代噴業者,臺灣取得農噴證照的飛手超過 500 位。但一般農業植保機大多負載 1、20 公升的農藥,工研院的高負載更有優勢,還能因應不同作物需求,改變噴灑方式。

「像是茶園不只要表面噴灑均勻,茶農更在意農藥是否有效灑入茶樹的根部,」葉信典說明,團隊特別將噴灑裝置安裝在槳葉下方,利用無人機起飛時旋翼的下沉氣流,把藥劑完整帶進根部;團隊也針對需求,客製可定向、橫向及伏角微傾向上噴灑的設計,解決過去由上而下或以人工噴灑造成的防治死角。現正與果園進行驗證噴灑,專門對付惱人的荔枝樁象。

發展冷鏈物流 建立無人機智取站
在物流運輸上,團隊曾和屏東枋寮地區的農會合作,在芒果產季測試利用無人機運輸愛文芒果,不僅解決年邁農民體力難以負荷搬運作物的問題,也滿足最後一哩路的運輸需求,葉信典表示,「開車可能要繞很遠的路,但無人機從空中可以挑近路走。」

速度,是空中物流的最大優勢。目前無人機團隊正跨領域試驗冷鏈物流,除可運送需要低溫保存的食材或農產品外,也能低溫運送藥品。同時更搭配倉儲系統和送取件平台,無人機與智取站透過訊號溝通停靠下貨,物件自動入庫待取,中間無須人力經手。

不只農業,高負載高續航無人機應用範圍相當廣泛,災難救助、運送緊急物資,還有陸域風機巡檢和電塔礙子清洗等,都是它擅長領域。無人機能做得更多,未來的智慧生活也將更便利,更多采多姿!

轉載自《工業技術與資訊》月刊第 363 期 2022 年 6 月號,未經授權不得轉載。


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《工業技術與資訊》月刊,現為工研院發行之全院性對外出版品,刊物發行於1991年,目前每期發行數量約為6,000份;對象含括全國具研發單位的中小企業、立法委員、政府官員、媒體等。

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