为什麽无人机飞得起来?
不管是载人的直升机,还是无人机,飞起来的原因都相同。转子可带动螺旋桨旋转,使螺旋桨上下的气压产生差异。当螺旋桨上方的气压比下方的气压低,就会有一股拉力将螺旋桨往上拉(升力,将物体垂直向上拉升的力量),如此一来便能让机体上升。
再来,同时使用多个螺旋桨,并分别调整各螺旋桨的转速,就可以让无人机自由上升 / 下降、前进 / 後退、左 / 右移动。事实上,仔细观察飞行中的无人机螺旋桨,会发现相邻的螺旋桨旋转方向刚好相反。
想让无人机前进时,会让机体前方下倾。左右移动时也一样,会让前进方向的机体部份下倾。只要让其中一侧的螺旋桨转速下降,就可以让那一侧的机体下倾,往那个方向移动。如果要让四轴无人机旋转,则需让其中一条对角线上的螺旋桨转速降低。
无人机的运动机制
无人机需靠转子(马达)转动螺旋桨才能移动。大疆 Phantom 系列的多轴无人机所搭载的马达,是所谓的无刷马达(brushless motor)。
无刷马达顾名思义,就是没有电刷的马达。相对的,学校自然科课程中提到的电刷马达则是需要让电刷与整流子持续摩擦旋转,使用时会逐渐磨损。无刷马达则是透过特殊电路驱动其旋转,可以减轻维护的负担。而且,无刷马达可以透过名为 Hall IC 的磁场感应器持续监测马达状态,故可稳定控制其速度,当发生马达负荷过重、线路接触不良、断线等异常状况,可以马上停止马达运作,并发出警告讯号,以提高无人机的安全性。其他还有速度可控范围广、均匀扭矩(flat torque)、高功率等优点。
另外,将讯号送至转子的零件叫做 ESC(Electric Speed Controller)。也可以说,ESC 就是控制转子旋转速度的零件。原则上,无人机搭载的 ESC 数量会与转子数量相同。
ESC 的输出端有三条电线,电流可控制转子的旋转。随着转子位置的不同,ESC 会输出不同方向、不同大小的电流,使转子能够持续旋转。也就是说,无刷马达中的 ESC,扮演着一般马达中整流子及电刷的角色。
相对的,ESC 的输入端也有三条电线,分别是连接到电源正负极的电源线,以及从 FC(Flight Controller)接收讯号的讯号线。其中,FC 会蒐集来自陀螺仪感应器、加速度感应器、气压感应器、超音波感应器、磁场方位感应器、GPS 等装置的资讯,以控制机体的行动。
无人机的感应器
- 陀螺仪感应器与加速度感应器
陀螺仪感应器可以计算机体倾斜的角度,是稳定机体时不可或缺的感应器。相对的,与陀螺仪感应器十分相似的加速度感应器,则用於检测速度。陀螺仪感应器与加速度感应器的组合,可以同时计算「倾斜状况」与「速度」两者的变化量,并控制机体往倾斜方向的反方向拉回,保持机体平衡,悬停於空中。简单来说,陀螺仪感应器与加速度感应器就是能够保持无人机姿态平衡的重点感应器。
- 气压感应器与超音波感应器
高度越高时,气压感应器会测到越低的气压,故无人机可参考气压数字,以维持在特定高度。不过毕竟这只能用来侦测气压,要是遇到阵风或其他原因造成的气压变化,就有可能会失去功能。
超音波感应器可以利用超音波的回声来感应自身高度。在无人机起飞或降落时,如果位於地表附近的无人机没办法透过气压感应器蒐集到足够的高度资讯,就会用到超音波感应器。在高空使用气压感应器,在地表附近使用超音波感应器,两种感应器的组合搭配,便可让无人机在每个高度区间都能维持一定高度。
- 磁场方位感应器与 IMU
磁场方位感应器有时也直接称做罗盘,可感应地球的磁场(地磁),藉此了解无人机目前朝向东西南北哪个方向。不过,地磁的北边(磁北)与地图的北边有一定差异,即磁偏角。而且随着时间与地点的不同,磁偏角也不大一样。举例来说,札幌的磁北比地图北边往西偏了 9°,那霸却只偏了 5°(参考自日本国土地理院网站)。因此,若换一个地方飞无人机,就需进行「罗盘校正」,重新确认磁场感应器所指示的北方,与实际北方间的差异。
- IMU
GPS 是全球卫星导航系统(GNSS:Global Navigation Satellite System)的一种,是美国的卫星系统。就像汽车的导航系统与智慧型手机的位置资讯服务一样,无人机可接收 GPS 的电波,藉此判断自身所在位置,并设定好飞行路线的经纬度自动飞行,或是可以悬停在某个固定位置。这就是所谓的「卫星定位系统」,用於户外飞行的无人机多会装设相关的电波收讯器。不过,就像汽车在进入隧道後,导航系统会失效一样,无人机使用 GPS 时也有可能会突然收不到讯号。因此,为了维持无人机的安全飞航,操控者需随时注意 GPS 电波的接收状况。
另外,包括 Phantom 在内的某些多轴无人机,不仅会接收 GPS 讯号,也会同时接收俄罗斯卫星系统 GLONASS 的讯号,侦测机体本身的位置。
这些控制机体姿态的感应器通称为 IMU(惯性测量单元:Inertial Measurement Unit)。
当出现「IMU 错误讯息」「机体不稳定」「罗盘方向不对」「稳定器倾斜」等状况,就需进行「IMU 校正」。请养成摄影前以及在他处飞行前,一定要进行 IMU 校正的习惯。
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