太陽能四軸無人機創(chuàng)最長飛行時間

 今年9月，臺灣的太陽能四軸無人機(Quadcopter)創(chuàng)下飛行3小時28分鐘的世界紀錄，推手是臺灣大學(xué)電資學(xué)院吳瑞北和林清富兩位特聘教授。吳瑞北負責(zé)尋找研發(fā)資源，而林清富因數(shù)年前栽入無人機世界，開始動手研發(fā)電力結(jié)構(gòu)與太陽能模組，從業(yè)馀玩家晉身專家，最后在自己的家鄉(xiāng)宜蘭創(chuàng)下紀錄，無疑是個人嗜好結(jié)合專長發(fā)揚光大的最佳范例。

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

太陽能無人機飛行追求天時地利人和

問：2018年1月您的團隊到CES參展時，飛行時間是30多分鐘，短短不到10個月時間為何可創(chuàng)下3小時28分鐘的世界紀錄？至于創(chuàng)紀錄的地點是在宜蘭東澳，選擇此地點有什麼特別考量嗎？目前世界上其他團隊競爭的狀況如何？

答：我常在家鄉(xiāng)宜蘭壯圍試飛，因為我熟悉該地，不需靠地圖就對附近的環(huán)境瞭若指掌，因此不用特別規(guī)劃地點與路線，也讓我的心理負擔(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，因為當?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，所以很常去飛。不過老實說，宜蘭海邊像壯圍公館旅游中心附近，沙地對無人機測試不是很好，風(fēng)一來沙會刮到機器，且會吹進馬達裡。

至于東澳，出發(fā)那天氣象預(yù)報陽光很好，但風(fēng)稍大，想說還是去試試。宜蘭東澳的緯度比新竹還南，陽光比較強。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、臺北的霧霾都會比宜蘭多，影響陽光強度，有時候甚至差到10~20%。

就風(fēng)力環(huán)境來說，目前太陽能無人機的飛行條件是重量輕、風(fēng)力小，一般來說2~3級風(fēng)才適合飛行，宜蘭夏天的風(fēng)通常不太大，所以適合飛行。另一點則和距離有關(guān)，臺北經(jīng)雪隧、蘇花改到東澳，約1小時就到達，比同緯度的苗栗近。

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

另一方面，無人機要能在空中飛行，其姿態(tài)，如俯仰角度，左右傾斜角度等，必須一直變動以維持動態(tài)平衡，但這會造成電的需求一直改變，對于太陽能電池而言，若是電性變動劇烈，會衍生其他問題，這在短時間內(nèi)難以發(fā)現(xiàn)，一旦時間拉長，就會直接燒掉相關(guān)電子零件，這是如新加坡大學(xué)等地用太陽能僅飛行幾分鐘時無法發(fā)現(xiàn)的狀況，我們能飛數(shù)小時，也是因為解決了此劇烈變動的問題，這部分的研發(fā)深度與進展，應(yīng)該是領(lǐng)先全世界。

太陽能無人機未來可能的應(yīng)用場景為何？若要從事商業(yè)應(yīng)有哪些瓶頸尚需克服呢？

答：太陽能無人機的應(yīng)用有幾個面向，安全性、方便性和時間，太陽能與電池比燃料安全許多。方便性來說，旋翼比固定翼好，但旋翼機使用電池則無法飛久。利用太陽能能夠兼顧安全性、方便性和長時間等。我們預(yù)估太陽能無人機在農(nóng)作物監(jiān)測的應(yīng)用很合適，如生長狀況、植物病蟲害、熟成狀況檢視等等。載貨方面，因為需要能負重，技術(shù)上必須克服重量問題，目前承重范圍預(yù)計在4磅以內(nèi)應(yīng)該可以做到。

業(yè)馀玩家變專家

問：請問開發(fā)太陽能無人機最大的挑戰(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)問題都可以克服，目前還在找人投資。我們可飛3個多小時，其實還有改善的空間，未來目標是將時間拉長，達6~7小時，可以符合日出而作，日落而息的自然作息。

另一方面，直覺上看，風(fēng)是無人機的敵人，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，我們的太陽能板就是我們的翅膀，有翅膀就飛得高、飛得遠，可以進一步設(shè)計成可調(diào)整的，用微處理器控制。

問：想請教老師之所以投入太陽能無人機研究的緣起？如今創(chuàng)下紀錄心理最有感的是？

答：我原來只是無人機業(yè)馀玩家，因為電池很容易沒電，每次周末去玩都得帶一大把電池，后來想想我自己做太陽能研究相當久了，為何不能拿來解決此問題？于是開始估算其可行性。而更早緣起是幾年前，有次在校園，理完頭髮經(jīng)過大草坪，有人在玩無人機，在旁邊看了一陣子后，竟然對方借我玩，我玩了一下，發(fā)現(xiàn)沒想像中困難，我小時候沒有像別人一樣玩遙控飛機或遙控車，這次卻因此激發(fā)了玩遙控飛機的興趣，于是也去買一臺一模一樣的無人機。

我本來就是很愛東改西改的人，壞掉了就去買零件修理，也漸漸加入一些無人機社群。結(jié)果是「毒癮」愈來愈兇，本來買幾十塊，后來愈玩愈大，買幾百塊的東西，再來到幾千元的數(shù)量級，后來有了計畫支持，更是以萬元為單位的花費，我想現(xiàn)在應(yīng)該是無人機玩家裡面花最多錢的人。

玩無人機會上癮，為什麼呢？其實玩無人機要很專心的，因為你會沉浸在裡面，沒時間去想煩惱事。像有人說面試學(xué)生的過程很辛苦，因為學(xué)生都講得大同小異，所以我建議他們利用中間休息時間玩玩無人機，可以讓你忘記很多事情，在聽第二個學(xué)生回答時，就不會記起第一個學(xué)生講過什麼，相當于把大腦重設(shè)。(黃逸平／專訪，賴至巧／整理)