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無旋翼無人機設計者專訪 空拍意外激發創作意念

文: | 2018-12-31T14:54:13+08:00 2018-12-28| , , |

早前 Dronesplayer 曾報道過英國學生設計出一款無旋翼無人機,而且可以實際飛行,這位學生 Marcus Kung 其實是台灣人,恰好前陣子放假台灣,本站記者就約了這位無人機設計者,談談無旋翼無人機的設計理念與過程。

使用葉輪推動

市場上的無人機都是以螺旋槳為推動方式,是飛行的主要部件,但外露的設計一定遭受碰撞,就有可能墜毀的危險,而且高速轉動的螺旋槳本身也相當危險。於英國皇家藝術學院(Royal College of Art)就讀的 Marcus Kung(龔家正),在他的研究所畢業作品,就發表了一款無翼的無人機,而且不同於一般大學生的工業設計只是概念展示,這款無人機是可以實際起飛,它的設計是由四個葉輪作推動力,葉輪通過左右兩方通風口吸入空氣,空氣通過環形管道後,因葉輪的高速轉動而被加速,最後於下方出風口排出,形成上升推力。由於葉輪是瓦片式設計,不像螺旋槳般有割傷的潛在危險。

推進器從側面吸入空氣,經葉輪轉動加速後在下方排出,形成推力。

無葉片無人機的分解圖,可以看到葉輪的形狀。

推進器測試上升動畫。

螺旋槳無人機危險性高

說到設計這款無人機的緣由,Marcus 表示除了本身喜歡無人機,近年見到不少無人機意外新聞,如英國有小孩被無人機的螺旋槳擊中而失明,讓到他想嘗試製作一個不是使用螺旋槳作為動力的無人機。目前面對無人機的危險性,對策有幾種,廠商推出的保護殼、法規限制不能在人群中使用無人機、以及全面覆蓋的機套等。首先一般空拍機的螺旋槳保護殼,只是保護到水平層面,上下都沒有覆蓋,仍是有相當多地方會接觸到螺旋槳;至於法規限制只能限制守法的人,對於不守法的人仍是會無視;第三種則是 Hover 無人機的方式,其實已是保護得最好的無人機,但要挑剔的話,其實保護仍不算全面,而且也不是一種創新的方式。

原型機測試上升動畫。

嘗試過三種推動方式

當決定了嘗試製作無旋翼無人機,Marcus 因為皇家藝術學院的導師中,其中一位是 Dyson 的工程師,所以很自然會想到使用 Dyson 的無葉片風扇的設計。不過由於無葉風扇的設計是從進氣口加速再經過圓形的出風口排出,加速的推力都會散掉,所以並不能用於無人機上。第二種設想則是渦輪的概念,以扇葉增壓推動,Marcus 表示雖然這設計推力足夠,但是體積重量太大,導致很耗電,效率太差,最終也是放棄。第三個即是現在的成品,使用的是吹草機、吹風機的概念,空氣從旁邊進入,透過葉輪加速再排出,由於推力可以接受,而且也比較輕,相較之下效率比較好。

設計機架時有使用 AI 軟體運算四個推進器受力點,作出結構簡化

3D 打印節時間金錢

當決定了使用葉輪作為推動器,Marcus 參考過不少工業數據,研究了德國一家製作葉輪的公司多種不同的設計,認為有三種葉輪適合用在無人機上,因為在增壓跟吸氣方式比較有效率。過程中他主要使用 3D 打印機來製作原型機,設定了三個不用葉片造型來測試,最後選擇了效率明顯較高的一款。至於推進器的外殼設計成弧形,是為了讓風跑得比較順,他表示管道寬窄、形態等對於推力都有影響,經歷過多次計算,才製成讓氣流通過時較順暢和阻力較少的款式。Marcus 認為幸好有 3D 打印,不必去工場開模製作,省錢之餘更節省了不少時間。

畢業成果展時展示的原型機。

至於馬達他則選擇了在 2016 年杜拜無人機大獎中,冠軍所使用的 EMAX 馬達,因為推力夠強。Marcus表示由於需要通過實驗證明推進器是可以飛得起來,在中間考試時太緊張,一下子把出力調至最大,結果推進器整個飛出去,而且還冒煙,幸好因為證明推動器飛得起來,所以研究過關可以進行下一步。

原型機設計成使用圓形電池。

正在申請專利

當克服了推動器,下一步是設計機體,為了四個推進器配重平均,所以設計成正方形的機身,之後再思考如何輕量化,如製作成簍空的機架。Marcus 表示有使用 AI 軟體運算四個推進器受力點,作出結構簡化,然後作出壓力、重力等測試,才製作出第一個原型機。Marcus 表示這款無旋翼無人機最大優點是安全,而且不怕碰撞,他指出許多廠商都研究無人機送貨服務,但傳統無人機螺旋槳設計具有相當危險性,無旋翼無人機有可能解決這個問題。不過他也承認目前這個設計效率上還是不及傳統的螺旋槳,如飛行速度、飛行時間也有所不及;由於無人機目前正在申請專利,所以未有提供相關數據。他指未來還想再改善無人機的效率、研究更輕的機身材質等,作進一步提升。

測試時需要手動控制飛行,Marcus表示最終版本有支援 DJI 遙控器飛行。

有興趣投身無人機工作

Marcus 表示由於他不是電機出身,過程中請教了不少人,更特地飛回來台灣買 DIY 無人機的零件,也有請教台灣的工程師,以及英國當地的無人機研究所等專家。Marcus表示英式的學教方式與他在台灣工程設計學系時接受的美式教法很不同,美式教學著重創意,而英式則是很務實,要求有數據支持才能讓他繼續研究。他舉例指,中期考試要證明推進器真的飛行能力,才可以進行下一步研究,不能隨便講講或者畫一張很漂亮的圖就過關。此外,他表示當初即使明知道 Dyson 無扇葉推動方式會不夠推力,導師還是要求他製作原型機出來,藉此了解是怎樣的不可行,從錯誤中學習。碩士學位畢業的 Marcus,目前預定將會在英國做設計相關工作,他表示未來也有興趣投身無人機產業的設計工作,或許若干年後,我們能看到他設計的產品也說不定呢!

無旋翼無人機設計者Marcus Kung。

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作者簡介:

志明
從紙媒到網站,任職過多個數碼雜誌、網站記者工作,這行業最大的樂趣就是可以率先體驗各種新科技產品,期待各種意想不到的新玩意出現。

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