TWI394687B - 手擲式無人飛行系統 - Google Patents

Description

手擲式無人飛行系統

本揭露係關於一種手擲式無人飛行系統，尤其是具有手擲起飛及遠端遙控監視功能。

無人飛行載具(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)的發展已經有幾十年的歷史，由最初具遙控功能之被動控制轉向全方位之自主控制。一般包括固定翼機(Fixed wing)與旋翼機(Rotary wing)兩類。隨著相關科技的發展，無人飛行載具的功能愈趨多元化。無人飛行載具可用於氣候觀測、精密農業、電影拍攝、海岸巡防與科學實驗等民生科技領域，以及偵查、監視、通訊、導航、欺敵、定位控制、靶機、搜救與全天候攻擊等用途。

目前在航空載具及重要零組件具有完整的設計、生產、製造能力，且提供相當完整的產品線，比如伺服器、控制器等，基本上侷限於遠端遙控娛樂或競技等用途。由於此類模型飛機系統多需要專業飛控技巧方能熟練飛行，因此使用對象較為固定。有些無人飛行載具的設計需仰賴使用者的操作技巧方能熟練飛行，比如需目視無人飛行載具以調整飛行姿態，但在目視不良的操作環境下很難正確的進行操控。例如，台灣專利號第226999號揭露一種無人載具飛控模擬及測系統架構，如第一圖之範例所示，此系統架構100包括一飛行控制電腦110、一介面環境模擬系統120、一六自由度飛行模擬系統130、以及一視效顯示系統140。其可透過介面環境模擬系統120對飛行控制電腦110下達各種操控指令，並將六自由度飛行模擬系統130所提供飛機動態資料經由介面環境模擬系統120的感測器元件模擬後送至飛行控制電腦110，飛行控制電腦110及依據所設計之飛行控制率計算飛機各控制面及油門角度，並將各控制面及油門角度命令透過介面環境模擬系統120之各控制面及油門伺服器模組模擬後，送至六自由度飛行模擬系統130以進行飛機姿態變化的計算，並從視效顯示系統中瞭解飛行控制電腦是否能依照設計需求精準無誤的控制飛機。

具自主飛行的無人飛行載具一般使用引擎當作動力來源，使用引擎當作動力來源之自主飛行載具雖可提高飛行速度，但整體重量過重，無法藉手擲拋射方式以進行離地飛行，進而需要起降跑道，大幅限制其應用領域。

目前市面已有許多市售系統，如MicroPilot或Cap Cloud等公司產品，均提供完整導航方案，這些產品偏重於高階控制，不適宜低階之客製化調整，而且通常價格也不便宜，不適宜一般非專業或運動、娛樂等市場。商用市場上如智飛飛魚系統，其飛控電腦係採自行開發的系統。其它自行設計載具因飛控系統採用MicroPilot產品，則較無完整單一產品。因此，需要一種低成本之智慧型具高整合性功能且能以手擲方式進行起飛的無人飛行系統，同時配合高度計、差壓計、全球定位模組、陀螺儀、三軸加速感測模組，並由內建的單晶片以控制無人飛行載具的飛行姿勢、飛行路徑、飛行速度，同時具有短距離操作模式及長距離操作模式，達到省電並延長滯空飛行時間的目的，同時可接收由使用者藉遙控監視器所傳送的飛行指令，來改變飛行方式的功能，或傳送所需資料或影像至遙控監視器，以解決上述習知技術的問題。

本發明可提供一種手擲式無人飛行系統。此系統不需起飛跑道，可直接由使用者利用手擲力量以拋投方式而離地起飛。此手擲式無人飛行系統包含一手擲式無人飛行器及一遙控監視器，其中手擲式無人飛行器包括一飛行器本體、一動力裝置、一飛行控制器及一無線收發器，且動力裝置、飛行控制器及無線收發器係包覆在飛行器本體內。遙控監視器包括一遙控監視模組及一操控介面，飛行控制器控制動力裝置提供適當推力而使飛行器本體飛行，無線收發器可與遙控監視器的遙控監視模組進行控制信號及資料的傳輸，操控介面可讓使用者對手擲式無人飛行器進行遠端遙控及監視。

由於手擲式無人飛行器不需起飛跑道而能很方便的進行飛行，較不受場地限制，因而能改善使用的便利性，可適合短程飛行。在手擲式無人飛行器中也可加裝攝影裝置或照像裝置，來實現空拍、監看或記錄遠端目標物的功能，藉以進行遠距防災、救助、搜尋等任務，例如是在大範圍且地形崎嶇的森林、河川周邊等。

茲配合下列圖示、實施範例之詳細說明及申請專利範圍，將上述及本揭露之其他目的與優點詳述於後。

第二圖是手擲式無人飛行系統之範例示意圖。如第二圖所示，手擲式無人飛行系統包含一手擲式無人飛行器210及一遙控監視器230，其中手擲式無人飛行器210可依據一些預設參數進行自主飛行，亦即在無人控制下進行飛行，同時具有接受遙控監視器230所傳送的指令以改變飛行方式的功能，亦即受控飛行，或進一步傳送資料，例如飛行姿勢資料或飛行狀態資料，至遙控監視器230。

手擲式無人飛行器210為一自主導航單元，並且不需起飛跑道，可用一手擲起飛方式，例如直接由使用者利用手擲力量以拋投方式，而離地起飛，因此應用範圍較不受場地限制。

手擲式無人飛行器210包括一動力裝置212、一飛行控制器214、一無線收發器216、一感測模組218、一制動模組219、以及一飛行器本體400，其中飛行器本體240承載動力裝置212，並包覆飛行控制器214、無線收發器216、感測模組218及制動模組219，來提供保護作用。飛行控制器214、無線收發器216及感測模組218可設置在一印刷電路板上。

遙控監視器230為一地面控制單元，可包括一操控介面231及一遙控監視模組233。使用者可藉操控介面231來輸入控制指令或控制信號，並經遙控監視模組233而與手擲式無人飛行器210的無線收發器216進行通訊傳輸，讓使用者對手擲式無人飛行器210進行遙控或監視。操控介面231可備有複數個搖桿或按鍵。手擲式無人飛行器除了需提供資料截取、處理及與地面控制器的訊號通聯，同時執行載具之飛操軟體。另包含類比與數位的輸入介面以量測訊號，同時進行飛控命令運算。也就是說，手擲式無人飛行系統的整體架構主要部份為自主導航單元、地面控制單元及兩者之間的通訊連結。以下以一工作範例來說明。

第三圖是手擲式無人飛行系統的一個工作範例。如第三圖所示，動力裝置212可用一伺服馬達與一伺服控制器來實現。飛行控制器214可採用一資料記錄器、一控制模組、一狀態估測、一導航、一轉速監測、一序列埠、一通訊協定(TCP/IP)、一脈寬調變(Pulse Width Modulation，PWM)通道、以及一多工器來實現。無線收發器216可採用一CCD負載、一Video發射器(例如使用波段2.4GHz)、一R/C接收模組(例如使用波段40MHZ)、以及一RF模組(例如使用波段900MHZ)來實現。感測模組218可採用數個感測器來實現。操控介面231可採用一序向協定(Serial Protocol)、一通訊協定(TCP/IP)、一控制器(controller)、一差分全球衛星定位系統(Differential Global Positioning System，DGPS)、以及一使用者介面(User interface)來實現。遙控監視模組233可採用一Video接收器(例如使用波段2.4GHz)、一R/C發射模組(例如使用波段40MHZ)、一RF模組(例如使用波段900MHZ)、以及天線來實現。

上述的無線收發器216及遙控監視模組233可具有短距離操作模式及長距離操作模式，分別用以在短距離及長距離進行無線傳輸。短距離操作模式例如可使用波段910至915MHZ，傳送距離約300公尺以下，傳輸率為9600bps。長距離操作模式例如可使用波段900至930MHZ，傳送距離約32公里以下，傳輸率為115200bps。

因此，本發明可在傳送短距離(例如約300公尺以下)時使用短距離操作模式，而在傳送長距離(例如大於300公尺且32公里以下)時使用長距離操作模式。由於使用短距離操作模式的功率遠低於使用長距離操作模式的功率，因此本發明可達到省電並延長滯空飛行時間的目的。

感測模組218裡的感測器例如是至少兩軸陀羅儀、差壓計、高度計、溫度計、濕度計、全球定位模組及三軸加速感測模組，分別用來感測飛行姿勢、氣壓、高度、溫度、濕度、經緯度及三軸加速度，並提供飛行控制器214，據以控制動力裝置212，進而調整飛行姿勢及飛行狀態，並實現自主導航飛行。

手擲式無人飛行器210的飛行控制器214具有自主飛行功能，可依據飛行控制器214預設的飛行參數或由使用者輸入的飛行參數，來控制動力裝置212產生適當動力以推動手擲式無人飛行器210，並控制主翼430(圖中無標示)及副翼450(圖中無標示)以使手擲式無人飛行器210轉向以及調整至適當的飛行姿勢，例如朝上或朝下，藉以進行爬升或下降。

制動模組219係由飛行控制器214控制，可包括複數個制動器，分別用以調整主翼430(圖中無標示)及副翼450(圖中無標示)，進而實現手擲式無人飛行器210的轉向、爬升、下降。制動器可藉直流伺服馬達實現。

飛行控制器214可由雙單晶片控制器實現，其一單晶片此晶片裡可具有運算邏輯單元、程式記憶體、資料記憶體、輸出輸入埠及信號轉換單元，程式記憶體儲存韌體程式，用於姿態及航向控制的操作，而飛行參數可儲存於資料記憶體，運算邏輯單元執行韌體程式，輸出輸入埠提供用以傳送的輸出信號及用以接收的輸入信號，信號轉換單元提供信號轉換功能，可包括數位至類比轉換、類比至數位轉換及信號位準平移的至少其中之一。

飛行控制器中另一單晶片控制器214可接收感測模組218所產生並傳送的複數個感測信號，並執行程式記憶體中所儲存的韌體程式，進而控制動力裝置212及制動模組219以實現自主飛行。此外，飛行控制器214可接收遙控監視器230所傳送的控制指令或控制信號，藉以控制動力裝置212及制動模組219，實現受控飛行。受控飛行比自主飛行具較高優先權。

承上述，本發明之手擲式無人飛行系統具有下列的特點。(1)利用具短距離操作模式及長距離操作模式的無線收發器及遙控監視模組，分別用以在短距離及長距離進行無線傳輸，可省電並延長滯空飛行時間，(2)飛行器本體以碳纖維材質或玻璃纖維製造，可減重及增加結構強度，同時配合重量輕的高效能電池與無刷高扭力馬達以提供動力，降低整體手擲式無人飛行器的重量，進而可以手擲方式使手擲式無人飛行器在不需起飛跑道下藉人力而起飛並飛行，改善使用的便利性，(3)利用飛行控制器以實現自主飛行功能，同時可接收遙控監視器所傳送的控制指令或控制信號，以調整飛行狀態，因而能同時實現受控飛行功能，且受控飛行功能具有較高優先權。

本發明之手擲式無人飛行系統也可加裝如攝影裝置、照像裝置或其他影像記錄裝置，來進行空拍、監看或記錄遠端目標物的功能，實現遠距防災監看、救助、搜尋等任務，尤其是大範圍且地形崎嶇的森林、河川周邊，甚至是具危險性的場合，比如有毒環境、火災現場、土石流地點、爭戰交火場地，以避免人員傷亡，並提高處理效率。

飛行控制器214裡單晶片程式中，關於飛控的部分主要包含感測器的接收處理，伺服馬達的運動控制及整合導航部份。其中感測器的接收處理係關於單晶片結合加速規、陀螺儀、電子羅盤等感測器的操作程式；伺服馬達的運動控制係關於單進片與地面控制站無線傳輸部分；整合導航部份係關於單晶片導航及飛行控制。以下說明關於單晶片導航軟體的部份以及單晶片與地面控制站傳輸軟體的部份。

第四圖是一無人飛行器本體的一個範例示意圖。如第四圖的範例所示，飛行器本體400包括一機體410、一主翼430及一副翼450，其中機體410及副翼450可採用碳纖維材質製造，以玻璃纖維作為主翼430的材質，並以碳纖棒加強主翼430及副翼450與機體410之間連接部分的強度，來達成減重目的及增加結構強度的目的。

第五圖是關於單晶片導航軟體之工作項目的一個範例示意圖。在第五圖的範例中，單晶片導航軟體之工作項目依序主要可包括硬體檢查及自校510、飛行路徑規劃520、手自動切換530、啟航模式540、偏航導航及滾轉與俯仰穩定模式550、即時資料的回傳與交換560等。其中硬體檢查及自校510例如是配合飛行航電組裝的說明、序列埠接晶片的項目檢查(如手動模式檢查、自動模式檢查、微調伺服機及油門控制、調整設定中位點等)、序列埠接感測元件檢查，以及無線模組結合GPS的測試等。飛行路徑規劃520例如是將5個定位點輸入、交換檢查資料及傳回基地台並確認定位點後，進入啟航模式540。偏航導航及滾轉與仰府穩定模式550的檢查中，也可以輔以側風控制，以交換載具速度以及獲得載具即時GPS領航(heading)及對地速度。即時資料的回傳與交換560的檢查中，也可以輔以低通濾波模式，來獲得及顯示姿態資訊。

第六圖是關於單晶片與地面控制站傳輸軟體之工作項目的一個範例示意圖。在第六圖的範例中，單晶片與地面控制站傳輸軟體的工作主要包括硬體檢查及自校610、路徑規劃及導航顯示630、感測器資訊顯示650及基地台控制670等。硬體檢查及自校610例如是手動模式檢查、自動模式檢查、感測器連接顯示檢查、以及舵機調整等。路徑規劃及導航顯示630例如是多點導航定位點設定、油門航向修正角設定、飛機位置之航向與路徑與飛行時間顯示、飛機航向之高度與俯仰角球顯示。感測器資訊顯示650例如是顯示仰俯角、滾轉角、偏航角命令、加速規訊號、動壓計速度、靜壓計高度、溫度、溼度、資料紀錄確認解除。基地台控制670例如是藍芽或wi-fi連接設定檢查、內建正北及水平歸正調整、機上攝影機訊號顯示及追瞄攝影機影像訊號切換顯示、以及航圖GPS顯示。

綜合上述，本發明之手擲式無人飛行系統係一低成本之自主導航系統，結合飛控電腦單晶片控制介面技術於模型機姿態控制，本系統特色如下：具有起降容易、小區域範圍使用及低成本、性能適切之設計；載具採玻纖及碳纖複合設計，其外觀為長滯空外型設計，其具有低阻力與低能耗的能力；動力系統優化選配並採用14.8伏特電池大電量設計；具備自主性飛行、導航功能，並採用硬品迴路技術驗證；數據資料(900M hz)可達15公里、影像資料(2.4G hz)可達5公里(配合指向天線)；具備自主導航與穩定飛行之功能；結合地面控制站，做為地面站監控顯示各項飛機即時資訊與影像等。

惟，以上所述者，僅為本揭露之實施範例而已，當不能依此限定本發明實施之範圍。即大凡一本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

100．．．系統架構

110．．．飛行控制電腦

120．．．介面環境模擬系統

130．．．六自由度飛行模擬系統

140．．．視效顯示系統

210．．．手擲式無人飛行器

212．．．動力裝置

214．．．飛行控制器

216．．．無線收發器

218．．．感測模組

219．．．制動模組

230．．．遙控監視器

231．．．操控介面

233．．．遙控監視模組

400．．．飛行器本體

410．．．機體

430．．．主翼

450．．．副翼

470．．．螺旋槳

510．．．硬體檢查及自校

520．．．飛行路徑規劃

530．．．手自動切換

540．．．啟航模式

550．．．偏航導航及滾轉與俯仰穩定模式

560．．．即時資料的回傳與交換

610．．．硬體檢查及自校

630．．．路徑規劃及導航顯示

650．．．感測器資訊顯示

670．．．及基地台控制

第一圖為一種無人載具飛控模擬及測系統架構之示意圖。

第二圖是手擲式無人飛行系統之範例示意圖。

第三圖是手擲式無人飛行系統的一個工作範例。

第四圖是一無人飛行器本體的一個範例示意圖。

第五圖是關於單晶片導航軟體之工作項目的一個範例示意圖。

第六圖是關於單晶片與地面控制站傳輸軟體之工作項目的一個範例示意圖。

210．．．手擲式無人飛行器

212．．．動力裝置

214．．．飛行控制器

216．．．無線收發器

218．．．感測模組

219．．．制動模組

230．．．遙控監視器

231．．．操控介面

233．．．遙控監視模組

Claims (8)

1. 一種手擲式無人飛行系統，包含：一手擲式無人飛行器，該手擲式無人飛行器還包括：一動力裝置，包括至少一螺旋槳、一無刷高扭力馬達及一高效能電池，其中該至少一螺旋槳係由該無刷高扭力馬達驅動，該高效能電池提供無刷高扭力馬達所需之電力；一無線收發器，具有一短距離操作模式及一長距離操作模式，分別用以在短距離及長距離進行無線傳輸；一感測模組，包括複數個感測器，分別用以產生個別的感測信號；一制動模組，包括複數個制動器，分別用以調整該主翼及該副翼；一飛行器本體，係包括機體、主翼及副翼，該飛行器本體承載該動力裝置，並包覆該飛行控制器、該無線收發器、該感測模組及該制動模組，以提供保護作用；以及一飛行控制器，執行所包含的一韌體程式，並接收該感測模組的感測信號，以控制該動力裝置及該制動模組；一遙控監視器，該遙控監視器還包括：一操控介面，用以輸入控制指令或控制信號；以及一遙控監視模組，用以將該操控介面的控制指令或控制信號，以一無線方式傳送至該無線收發器，且該遙控監視模組具有一短距離操作模式及一長距離操作模式，分別用以在短距離及長距離對該無線收發器進行相對應的無線傳輸；其中該手擲式無人飛行器係以一手擲方式拋射而離地起飛，該飛行控制器、該無線收發器及該感測模組係設置在一印刷電路板上，該手擲式無人飛行器係在無人控制下進行飛行。
2. 如申請專利範圍第1項所述之手擲式無人飛行系統，其中該機體及該副翼係以碳纖維材質來製造，以玻璃纖維作為該主翼的材質，並以一種碳纖棒來加強該主翼及該副翼與該機體之間連接部分的強度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之手擲式無人飛行系統，其中該感測器包括至少兩軸陀羅儀、一差壓計、一高度計、一溫度計、一濕度計、一全球定位模組及三軸加速感測模組，該感測信號包括飛行的姿勢、氣壓、高度、溫度、濕度、經緯度及三軸加速度。
4. 如申請專利範圍第1項所述之手擲式無人飛行系統，其中該操控介面備有包括複數個搖桿或按鍵。
5. 如申請專利範圍第1項所述之手擲式無人飛行系統，其中該短距離操作模式係採用波段910至915MHZ，傳送距離約300公尺以下，傳輸率為9600bps。
6. 如申請專利範圍第1項所述之手擲式無人飛行系統，其中該長距離操作模式係採用波段900至930MHZ，傳送距離約32公里以下，傳輸率為115200bps。
7. 如申請專利範圍第1項所述之手擲式無人飛行系統，其中該飛行控制器包括一單晶片，該單晶片具有一運算邏輯單元、一程式記憶體、一資料記憶體、一輸出輸入埠及一信號轉換單元，該程式記憶體儲存該韌體程式，該資料記憶體儲存飛行參數，該運算邏輯單元執行該韌體程式，該輸出輸入埠提供用以傳送的輸出信號及用以接收的輸入信號，該信號轉換單元提供信號轉換功能，且提供數位至類比轉換、類比至數位轉換及信號位準平移的至少其中至少一種功能。
8. 如申請專利範圍第1項所述之手擲式無人飛行系統，其中該手擲式無人飛行器具有一種手自動切換模式。