混合動力無人機(jī)的發(fā)展無人機(jī)的發(fā)展進(jìn)入成熟，多項(xiàng)新的科技的融入，引導(dǎo)人類對飛行器應(yīng)用的破壞性創(chuàng)新概念。多旋翼無人機(jī)雖然帶來極大的方便，快速取代固定翼無人機(jī)，然而續(xù)航及酬載的瓶頸問題，在應(yīng)用上仍是捉襟見肘。本文探討最近的技術(shù)發(fā)展，以機(jī)載發(fā)電裝置為主，探討混合動力無人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)況與未來。發(fā)電系統(tǒng)可能包含汽油或柴油引擎發(fā)電機(jī)，以及氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，以延長無人機(jī)的滯空能力，同時(shí)也因此提升載具的酬載能力，也增強(qiáng)了抗風(fēng)的能力。未來無人機(jī)進(jìn)入國際競爭，創(chuàng)新的技術(shù)整合、客制化的制造，轉(zhuǎn)為精致化、獨(dú)特化的經(jīng)營模式，建立經(jīng)營優(yōu)勢。無人機(jī)（UnmannedAerialVehicle,UAV,RemotePilotedAircraft,RPA）、無人機(jī)系統(tǒng)（UnmannedAircraftSystem,UAS,RemotePilotedAircraftSystem,RAPS）的發(fā)展，已經(jīng)成為機(jī)器人學(xué)（Robotics）進(jìn)入空中飛行的重要研究領(lǐng)域。這被稱為“Drone”飛行機(jī)器人（Robot）載具，產(chǎn)生航空界「破壞性創(chuàng)新」（DisruptiveInnovation）的技術(shù)概念，其中無人機(jī)及人工智能（AI）將大幅翻轉(zhuǎn)航空產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用技術(shù)與生態(tài)結(jié)構(gòu)[1,2]。無人機(jī)的破壞性創(chuàng)新，免除了機(jī)場與跑道設(shè)施、高價(jià)位的飛機(jī)投資、高成本的飛行員培訓(xùn)、龐大復(fù)雜的制造、冗長的生命周期等。在Covid-19的沖擊下，傳統(tǒng)航空業(yè)營運(yùn)及獲利驟降至谷底，部分功能可能被無人機(jī)所取代。國際與國內(nèi)無人機(jī)系統(tǒng)的研究發(fā)展，漸進(jìn)歷程大同小異。過去以軍事用途定翼機(jī)為核心的研究，以美國、以色列、歐洲國家為首的軍事用途研發(fā)，1990年代末期從軍用的需求帶動民間的應(yīng)用。中國大陸最近自21世紀(jì)以來大量投入政府支助經(jīng)費(fèi)，軍方的研究單位及民間的科技公司，如雨后春筍搶食這塊大餅，從每年不同單位所主辦的各種無人機(jī)展覽，可以看到在龐大經(jīng)費(fèi)支撐下技術(shù)研發(fā)及成果突飛猛進(jìn)。國內(nèi)無人機(jī)的研究發(fā)展，以軍方需求為主的中科院研發(fā)單位，經(jīng)費(fèi)無虞。多年來掌握且獲得重要的技術(shù)與成果，學(xué)術(shù)系統(tǒng)也有超過二十個單位，透過科技部（國科會）的研究計(jì)劃及少數(shù)民間合作計(jì)劃來支助，研發(fā)規(guī)模與成果都很小，達(dá)不到產(chǎn)業(yè)規(guī)模。國內(nèi)民間企業(yè)的研發(fā)也有許多精進(jìn)的技術(shù)成果，更有許多應(yīng)用發(fā)展的成功實(shí)例。2010年以來，微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-electromechanicalsystem,MEMS）、碳纖復(fù)合材料（CarbonFiberComposite）、無刷馬達(dá)（BrushlessMotor）、電子變速器（ElectronicSpeedController,ESC）電力電子、鋰聚電池（Li-PoBattery）及Pixhawk飛行控制等多樣技術(shù)的快速發(fā)展，使得無人飛行器的研究發(fā)展轉(zhuǎn)向了多旋翼（Multi-Rotor）系統(tǒng)的研究與應(yīng)用。多旋翼飛行器大幅提升直升機(jī)單一旋翼型的穩(wěn)定性，簡化制造結(jié)構(gòu)與飛行操控的復(fù)雜性，多旋翼系統(tǒng)很快的普及成為玩具形式的量化產(chǎn)品。由于大量制造降低成本、方便可得的飛控電子硬體與軟件資源，讓傳統(tǒng)固定翼無人機(jī)的學(xué)術(shù)研究跌到谷底。2012年起帶動一窩蜂的多旋翼飛行器研發(fā)與制造的熱潮?；旧希嘈盹w行器建置及操控簡單，已普及到玩具的層次。垂直起降（VerticalTake-offandLanding,VTOL）多旋翼無人機(jī)快速成長，更成為消費(fèi)性產(chǎn)品。垂直起降多旋翼無人機(jī)快速普及，利用無人機(jī)空拍變成時(shí)尚，利用無人機(jī)可以無所不在，無人機(jī)的熱潮旺盛[3]。BusinessInsiderIntelligence以商業(yè)經(jīng)濟(jì)的角色針對國際市場做深度的分析報(bào)告，全球市場情勢一片大好[4,5]。多旋翼飛行器及系統(tǒng)最大的特色在于不需要起降跑道、不受空間限制，可以鄰近應(yīng)用的范圍作不同的操控應(yīng)用。圖1為最近熱門的多旋翼飛行器研發(fā)成果，造型創(chuàng)意甚多，但是多旋翼機(jī)都是以鋰聚電池做為能量來源驅(qū)動操控簡單方便的無刷馬達(dá)，最大起飛重量（MTOW）大致2~10kg，有效飛行時(shí)間僅有20~50分鐘，飛行速度在6~8m/sec之譜，實(shí)用價(jià)值十分有限。除了飛行時(shí)間外，多旋翼飛行器與直升機(jī)一般，因?yàn)閯恿ο到y(tǒng)的瓶頸，飛行抗風(fēng)性較差，在長距離飛行可能的風(fēng)險(xiǎn)性較大。國際上多家公司建立完整的現(xiàn)貨市場供應(yīng)各種類型的無刷馬達(dá)，以及所搭配的碳纖維螺旋槳規(guī)格，提供設(shè)計(jì)者選擇設(shè)計(jì)制作。美國的TurnigyMultistar、日本的信濃（Shinano）、捷克的Axi、大陸的T-Motor都是代表性的制造商。Mulristar公司針對馬達(dá)動力所需電池能量，相對其本身的重量，來評估四旋翼、六旋翼、八旋翼等設(shè)計(jì)，為了提升最大起飛重量所增加旋翼數(shù)目的效果，可以發(fā)現(xiàn)多旋翼的設(shè)計(jì)最終是趨向于飽和的現(xiàn)象，也證明了增加旋翼數(shù)目對于提升載具的酬載是無濟(jì)于事的。針對不同馬力的無刷式馬達(dá)，圖2為電池容量與飛行時(shí)間的能力對照，圖3所示為電池重量與飛行時(shí)間能力的對照。為提升多旋翼飛行器的實(shí)用價(jià)值，如何改善飛行器的最大起飛重量、續(xù)航時(shí)間以及操控性能，以創(chuàng)造多旋翼飛行器的更大實(shí)用價(jià)值。無人機(jī)（UAV）的發(fā)展逐漸成熟，智慧物流運(yùn)輸[9]、防災(zāi)偵搜、地理遙測[10]廠區(qū)巡檢、醫(yī)療物品運(yùn)送[11,12]、急救AED（AutomatedExternalDefibrillator）的投遞[13]等都是無人機(jī)新興的應(yīng)用方案。這些工作項(xiàng)目若是所需的酬載大于20kg、飛行距離都大于30km、抗風(fēng)性6級風(fēng)以上，必須依賴固定翼無人機(jī)才能達(dá)成。最近的應(yīng)用需求，例如偏遠(yuǎn)山區(qū)的醫(yī)療物流[12]、大型案場職安與工安巡檢、防災(zāi)體系的山坡地巡檢、港區(qū)巡檢外海進(jìn)港船只、環(huán)保排污檢查等都面臨到無人機(jī)作業(yè)能力的極限，酬載、續(xù)航、起降方式等，現(xiàn)有無人機(jī)的性能無法滿足，需有更先進(jìn)的規(guī)劃方案以彌補(bǔ)技術(shù)缺口。圖4為利用無人機(jī)空拍防災(zāi)的實(shí)際成果，利用水平起降（HorizontalTake-offandLanding,HTOL）的固定翼無人機(jī)可以達(dá)成的效果，但是機(jī)動性卻是相較欠缺，長滯空垂直起降（VTOL）多旋翼機(jī)才有機(jī)會達(dá)成任務(wù)。固定翼無人機(jī)受制于跑道與起降空域的必要條件，縱使能有較高的酬載與滯空能力，2012年以來仍被多旋翼VTOL的無人機(jī)所取代。多旋翼無人機(jī)最大的特色是垂直起降、機(jī)動性高，然而其酬載能力與滯空能力卻是無法承擔(dān)重要任務(wù)能力。單旋翼直升機(jī)幾乎克服兩項(xiàng)核心技術(shù)的問題，滯空能力比較延長，但是操控穩(wěn)定性的專業(yè)條件，在使用上仍潛藏深度的危機(jī)。多旋翼機(jī)VTOL無人機(jī)的發(fā)展無須跑道，帶來使用上極大的方便，但是由于都使用直流馬達(dá)為動力，受限于電池的容量，續(xù)航能力都無法突破瓶頸，許多應(yīng)用都很難達(dá)成。近幾年來，UAV的研發(fā)規(guī)劃，酬載及續(xù)航能力考量，保有垂直起降的功能，設(shè)計(jì)構(gòu)想十分多樣，其中如圖5的概念設(shè)計(jì)雛型成果，UAV的基本特性都是垂直起降（VTOL）、水平起降（HTOL）的雙模態(tài)（DualMode）飛行操作。這些型態(tài)的無人機(jī)設(shè)計(jì)，表面上是解決飛行的問題，但是仍受制于酬載與續(xù)航能力的瓶頸，無法成為無人機(jī)應(yīng)用的主力系統(tǒng)，提升任務(wù)執(zhí)行能力。固定翼無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)、直升機(jī)等產(chǎn)品的研發(fā)各有特色，然而在有限的空間環(huán)境下，具備長滯空能力的水平起降（HTOL）性能的固定翼無人機(jī)被垂直起降（VTOL）的旋翼系統(tǒng)所取代。雖然鋰聚電池（LiPo）蓄電能力已經(jīng)是領(lǐng)先各種電池，但是仍無法滿足旋翼機(jī)系統(tǒng)長滯空的需求，如圖2及圖3所示的分析，增加電池并不能明顯的提升旋翼直升機(jī)的滯空能力達(dá)到需求條件。圖5所示的VTOL+HTOL混合方案，許多研發(fā)成果都相當(dāng)成功，但是酬載能力尚未能突破實(shí)用的需求條件。無人機(jī)混合動力（HybridPower）顧名思義是指機(jī)載系統(tǒng)采用鋰聚電池以外的動力來源，例如汽（柴）油引擎發(fā)電或氫燃料電池發(fā)電，以提供載具長時(shí)間的電力供應(yīng)。相較于混合動力汽車，無人機(jī)的條件只在于基礎(chǔ)的重量，要能在整架飛機(jī)的最大起飛重量（MaximumTake-offWeight,MTOW）中保留40%的裕度來規(guī)劃必須的酬載。從規(guī)范資料可得，相同重量汽油的能量密度（EnergyDensity）與鋰聚電池相比較，如圖6所示，鋰聚電池的能量密度為0.36~0.95料電池能量密度143MJ/kg，可見得在較大的系統(tǒng)中，使用混合動力的優(yōu)勢甚高，可以擺脫鋰聚電池的不足。使用汽（柴）油引擎、氫燃料電池等混合動力的所需重量與無刷馬達(dá)所需的重量，在相同的起飛重量下，汽油引擎設(shè)計(jì)的飛行系統(tǒng)可以持續(xù)數(shù)倍于電動馬達(dá)的飛行系統(tǒng)。但是經(jīng)過評估，氫燃料電池的基礎(chǔ)重量甚大，不適合小型無人機(jī)，大約MTOW>200kg比較恰當(dāng)；傳統(tǒng)汽（柴）油引擎體積也相當(dāng)可觀，中大型無人機(jī)仍可適（fuelcell）、太陽光電（photovoltaic內(nèi)燃機(jī)（internalcombustion,IC）引擎等?；旌蟿恿Φ母拍钍菍⒉煌哪茉聪到y(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)整合進(jìn)入更有效率的電力系統(tǒng)。因此混合電力與推進(jìn)（hybridelectricpropulsion,HEP）系統(tǒng)將可達(dá)成節(jié)省燃料、提高電力效率以及降低污染的多層效益。Eqbal[15]串聯(lián)式HEP系供應(yīng)電動馬達(dá)來驅(qū)動推進(jìn)螺旋槳。Eqbal[15]也將內(nèi)燃機(jī)引擎（InternationalCombustionEngine,ICE）與電動馬達(dá)的機(jī)械輸出，以離合器（Clutch）交互推動螺旋槳，形成并聯(lián)機(jī)械動力系統(tǒng)，其中引入一個電池為備用電力。新近成熟的燃料電池（fuelcell）也是用在混合動力系統(tǒng)中一項(xiàng)先進(jìn)的選項(xiàng)，電力驅(qū)動馬達(dá)為主要動力系統(tǒng)。混合動力系統(tǒng)最重要的部分是如何建立電池充電的回路，以延續(xù)電動推進(jìn)系統(tǒng)的續(xù)航能力。Fioriti及Donateo[16,17]設(shè)計(jì)中高度長滯空（mediumaltitudelongendurance,MALE）無人機(jī)，采用柴油內(nèi)燃機(jī)建置并聯(lián)力以離合器切換。Fioriti的系統(tǒng)中電池也是必要的備援，并特別強(qiáng)調(diào)在不同階段的無人機(jī)動力飛行下，電力供應(yīng)與備援電池的有效管理。經(jīng)過一系列的實(shí)驗(yàn)，柴油內(nèi)燃機(jī)的長效運(yùn)轉(zhuǎn)能力，讓無人機(jī)的滯空時(shí)間更長，且無過熱的疑慮?；旌蟿恿ο到y(tǒng)的架構(gòu)，所使用的燃料電池或傳統(tǒng)汽油或柴油引擎（ICE）都會因?yàn)橹亓繂栴}，設(shè)計(jì)在大型無人機(jī)中，無法適用于24kg以下的小型無人機(jī)。大型無人機(jī)的研發(fā)可以利用老舊的有人機(jī)來改裝，例如通用航空飛機(jī)（GeneralAviation,GA）或超輕型飛機(jī)（Ultra-LightAircraft,ULA可以用極少的成本、很短以類似圖7的串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)混合動力通用航空飛機(jī)（GA如圖9所示。渦輪風(fēng)扇發(fā)電機(jī)發(fā)電提供后推的兩具電動馬達(dá)為主要的推力系統(tǒng)，相同的概念，也將充電回路的電池作為備用電力來源。Yezeguelian[19]以運(yùn)動用超輕飛機(jī)（ULA）來發(fā)展混合動力中高度長滯空（MALE）無人機(jī)。超輕的最大起飛重量（MTOW）范圍可達(dá)500kg左右，因此與通用航空飛機(jī)一樣，ICE重量不成問題。因此在大型的固定翼無人機(jī)設(shè)計(jì)Machado[20]利用小型的無人機(jī)引擎建立一套混合動力的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖10所示。內(nèi)燃機(jī)引擎（ICE）與電動馬達(dá)是以單向性軸承結(jié)合，用以切換兩種動力來源。系統(tǒng)中仍是用充電電池，以作為電動馬達(dá)部分的備用電力。Machado雖然是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，但是體積小、重量輕，能夠適用于多種小型無人機(jī)圖11是美國波士頓TopFlightTechnology（TFT）公司所研發(fā)的混合動力多旋翼無人機(jī)，該機(jī)已經(jīng)完成專利申請以及完整商業(yè)模120min。該機(jī)以汽油發(fā)電機(jī)提拱直流電源，支持長時(shí)效的飛行電力，并以電池為備援動力，可以適用于中長程的垂直起降無人機(jī)任務(wù)。基于商業(yè)機(jī)密，TFT公司無法提供更多數(shù)據(jù)?；旌蟿恿Φ牟僮骺刂埔彩窍到y(tǒng)設(shè)計(jì)十分重要的一環(huán)。Borggero[21]以最大起飛重量（MTOW）最佳化的考量，設(shè)計(jì)模糊控制器，以適應(yīng)不同重量的變化，達(dá)到最佳的操作性能。Wall[22]將混合電力與推進(jìn)（HEP）建立一個包含內(nèi)燃機(jī)與電池的動力系統(tǒng)模型，主要改善混合動力切換時(shí)的瞬時(shí)問題?？刂频膽?yīng)用與系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)有很深的無人機(jī)置入混合動力系統(tǒng)，不論是串聯(lián)式或機(jī)電離合切換并聯(lián)式，都必須加裝一顆鋰聚電池作為備用電源。串聯(lián)式的系統(tǒng)著重于以無刷馬達(dá)為動力，機(jī)載發(fā)電或電池都是提供無刷馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)的能源。由于汽油的能量密度是鋰聚電池的44.4倍，高能量密度的優(yōu)勢可以有效增進(jìn)續(xù)航力。機(jī)電離合切換的并聯(lián)式系統(tǒng)，并沒充分利用無刷馬達(dá)的性能優(yōu)式，反而帶來操作上的狀態(tài)不穩(wěn)定。以傳統(tǒng)固定翼無人機(jī)用的汽油引擎為機(jī)械動力來源，配合反接的無刷馬達(dá)發(fā)電機(jī)，可以很有效地獲得電力，讓無人機(jī)系統(tǒng)高效率運(yùn)轉(zhuǎn)。小型無人機(jī)的動力系統(tǒng)，可以采用無人機(jī)專用內(nèi)燃機(jī)引擎來設(shè)計(jì)。混合動力多旋翼無人機(jī)的系統(tǒng)，可以將汽油引擎與無刷馬達(dá)混合設(shè)計(jì)。因此，發(fā)電系統(tǒng)與螺旋槳動力可以是分開的分支，利用離合器混合機(jī)械動力的架構(gòu)，如Wall[22]所做的研究，容易造成引擎發(fā)電機(jī)在供電上有一個致命的問題，發(fā)電機(jī)無法提供無刷馬達(dá)瞬間的大電流需求，基本上仍需要鋰聚電池（LiPo）或超級電容（SuperCapacitor）來協(xié)助。鋰聚電池或超級電容的能量密度最高、效率最佳，且瞬間放電電流最大出電容量可達(dá)額定值的20~50倍（20~50C十分有利于無刷馬達(dá)在飆速時(shí)所需的瞬間大電流?；旌蟿恿ο到y(tǒng)的設(shè)計(jì)以汽油引擎或柴油引擎為主。兩項(xiàng)都是極為普遍的技術(shù)，沒有太大的技術(shù)瓶頸。但是不論汽油或柴油，傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)，2kW系統(tǒng)的引擎加上發(fā)電機(jī)都有相當(dāng)大的體積與重量，以及運(yùn)轉(zhuǎn)下所產(chǎn)生的熱量。圖12為本文所發(fā)展的同軸式（Coaxial）混合動力多旋翼系統(tǒng)架構(gòu)，包含汽油引擎及無刷馬達(dá)為動力來源，產(chǎn)生足夠的VTOL升力。其中汽油引擎為傳統(tǒng)的固定翼無人機(jī)推力引擎，在他的共軸上加裝一個無刷馬達(dá)，汽油引擎提供無人機(jī)螺旋槳的動力，同時(shí)也帶動無刷馬達(dá)發(fā)電機(jī)，提供所設(shè)計(jì)的無刷馬達(dá)電源。本混合動力多旋翼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)，包含一架以汽油引擎為動力的短臂四旋翼機(jī)及一架以無刷馬達(dá)為動力的長臂四旋翼機(jī)，組合成為雙四旋翼系統(tǒng)（Quad-in-QuadSystem,13所示的概念設(shè)計(jì)。QiQ之4具汽油引擎匹配達(dá)匹配雙槳推力，提供部分升力及主要的姿態(tài)控制操作。經(jīng)過設(shè)計(jì)后，QiQ的主要BOM（BillofMaterials）如表1所示。1GasEngineO.S.GT-33Engine,CDI,Muffler2EnginePropeller3DigitalServo9.6kg/cm@7.4v,0.03sec/60deg4MotorKDE5215XF435kV,BrushlessMotor,ESC5BatteryLiPoSuperBrother'sWIGbatteries6MotorPropeller18x6.1x2Multistar7StructureCarbonFiberTube（24-30-300）8EngineBaseAluminum-60619SupportBeamAluminum-6061SupportPlateCarbonFiberQiQ設(shè)計(jì)選擇適當(dāng)?shù)钠鸵孀鰹橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，選配適當(dāng)?shù)穆菪龢?，將引擎轉(zhuǎn)速及螺旋槳的動力，評估升力貢獻(xiàn)的可控制范圍。汽油引擎GT-33引擎為5.58hp，7,000rpm，重量980g，搭配螺旋槳在期待的轉(zhuǎn)速下，產(chǎn)出的推力約為7kg（nominal）~9kg（max引擎驅(qū)動電子系統(tǒng)重1.3kg。汽油引擎的規(guī)范數(shù)據(jù)，每公升可以運(yùn)轉(zhuǎn)飛行40分鐘，保守估計(jì)每小時(shí)最大耗油1.5公升（0.75kgmax/hr可用推力4.3~6.3kg，汽油引擎之總升力貢獻(xiàn)可達(dá)17~25kg，初步的探討如圖14所示。無刷馬達(dá)搭配18×6.1×2螺旋槳的推力7.95kg（max驅(qū)動電子系統(tǒng)及電池重2.7kg，如圖15所示，無刷馬達(dá)7升力貢獻(xiàn)為16.8kg（nominal）是最大動力極樂觀的評估數(shù)據(jù)。QiQ完成初步設(shè)計(jì)后，針對選用的OS-33引擎及KDE5215XF無刷馬達(dá)都經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，驗(yàn)證動力系統(tǒng)在100%至70%轉(zhuǎn)速時(shí)，選擇的槳配均要能滿足所設(shè)定的條件，否則將會造成升力不足的問題。QiQ雙四旋翼飛行器的系統(tǒng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換如圖23rbacd14ybxbzbxoyozo考慮QiQ處于穩(wěn)定狀態(tài)，且w=p=q=r=0(2)(3)(4)(5)(6)可簡化並轉(zhuǎn)換為(7)可簡化並轉(zhuǎn)換為(8)bcdabcd為1,000段中的固定引擎推力與扭力，實(shí)際穩(wěn)定性仍是由馬達(dá)所控制，亦即控制四顆馬達(dá)推桿位置來滿足轉(zhuǎn)換后最后四個式子。(9)上三式為控制QiQ的姿態(tài)，當(dāng)此三式為0時(shí)，QiQ姿態(tài)不轉(zhuǎn)動保持固定。一般而言，引擎產(chǎn)生的推力與扭力會比馬達(dá)產(chǎn)生的推力與扭力大許多，而臂長可減小此穩(wěn)定問題，但為使馬達(dá)保有控制裕度，推桿位置不應(yīng)太高或在50%左右。(10)式為控制QiQ的高度，當(dāng)?shù)忍栍疫厼檎龝r(shí)，表示QiQ往地面接近，為使QiQ不墜當(dāng)QiQ傾斜時(shí)，推力需大于重量才能使等號右邊為零或負(fù)值。值得注意的是，推力有其極限值，因此存在一極限角度使QiQ必會墜毀。為找出此一極限角度，以下將QiQ實(shí)際數(shù)據(jù)納入考慮。假設(shè)QiQ估計(jì)重量大概為20kg（結(jié)構(gòu)）+8kg（>1hr燃油引擎力臂45公分，馬達(dá)力臂90公分，一般載重（裝備）為10公斤，總重大約38公斤，在此情況下考慮四個引擎與馬達(dá)皆為理想狀態(tài)，亦即四個引擎與馬達(dá)各自有相同的推力與扭力，因此力矩平衡。另外，考慮實(shí)際引擎與馬達(dá)可持續(xù)運(yùn)作的極限狀態(tài)，引擎最大轉(zhuǎn)速為7600轉(zhuǎn)，其推力值為6.9849公斤，馬達(dá)最大推桿位置為85%，其推力值為9.8394公斤，因此于極限狀態(tài)下最大總推力值約為67.2972公斤。為防止QiQ下墜，控制高度的方程式須滿足：cospcos0>?=0.564659450913262(13)從圖18可知，當(dāng)滾轉(zhuǎn)角與俯仰角落在左下角區(qū)域內(nèi)時(shí)，QiQ高度可控制，在此區(qū)域外則高度無法控制持續(xù)下墜。另外，上式中的極限狀態(tài)下最大總推力值不會改變，但每次任務(wù)載重會有所不同，當(dāng)總重28公斤（結(jié)構(gòu)+1hr燃油）時(shí)，最大傾斜角度不可超過65。，當(dāng)最大載重至30公斤（總重58公斤）到實(shí)際引擎與馬達(dá)的推力與扭力皆不同時(shí)，力矩平衡應(yīng)先考慮，以現(xiàn)有力臂長分析x軸與y軸力矩平衡，引擎與馬達(dá)推力比例需約為為了達(dá)成混合動力的最大目標(biāo)，QiQ引擎以同軸驅(qū)動方式設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)選擇Turnigy9014-105kV無刷馬達(dá)，額定功率，2600W、117A（max）。KDE5215XF穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)需要大約40A。在OS33引擎5.58Hp，80%螺旋槳動力、同軸發(fā)電，上加一個固定框架，將無刷馬達(dá)固定上去，完成如圖19的系統(tǒng)組裝。本文第一個雛型完成后，若OS33引擎動力不足，將升級為OS55引擎。無刷馬達(dá)倒裝，就是三相無刷發(fā)電機(jī)，6S系統(tǒng)輸出電壓可達(dá)34V以上，經(jīng)過三相橋式全波整流，可以獲得低漣波（Ripple）的直流輸出，用以提供動力的無刷馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，或回充鋰聚電池，以發(fā)電與供電設(shè)計(jì)，每一個發(fā)電機(jī)提供一個無刷馬達(dá)所需的電力。為避免飛行時(shí)操作無刷馬達(dá)大電流需求，每一個發(fā)電輸出端將增加一個小顆的6S鋰聚圖13所構(gòu)想的雙四旋翼系統(tǒng)（QiQ）將主要的飛行動力讓汽油引擎來承擔(dān)，而無刷馬達(dá)則承擔(dān)部分動力并負(fù)責(zé)姿態(tài)操控。汽油引擎同時(shí)也帶動同軸發(fā)電機(jī)，提供無刷馬達(dá)及飛控與電子系統(tǒng)的電力。QiQ設(shè)計(jì)完成后，如圖20之外型，耗費(fèi)大約10個月的時(shí)間細(xì)部設(shè)計(jì)及選擇材料，零組件加工及組裝。飛行，因此改用彈簧避震系統(tǒng)，震動狀況改進(jìn)到5G左右，如圖21所示，讓飛行控制可以順利達(dá)成。圖21引擎避震器實(shí)體（a震動改善前（b）及改汽油內(nèi)燃機(jī)引擎的控制十分棘手，必須調(diào)校引擎控制器，至接近的條件。四顆引擎的轉(zhuǎn)速不能差距太大，否則四旋翼的升力無法平衡，經(jīng)過精密的PID調(diào)校，如圖22所示。由于內(nèi)燃機(jī)引擎不容易線性操作，因此透過近似的線性化，將RPW與PWM逼近到一EngineSpeed(RPM)RelationbetweenEngineRPMandServoPWM8000750070006500600055005000450040003500ServoPWMDutyCycle(μs)個接近的控制范圍，如圖23以利操作。完成引擎調(diào)校后四顆引擎的轉(zhuǎn)速誤差小于100rpm（<1.4%如圖24所示。多旋翼系統(tǒng)偶數(shù)顆動力必須靠正逆轉(zhuǎn)來平衡機(jī)身的旋轉(zhuǎn)力矩。選用OS33引擎后面臨一個大問題，原來設(shè)計(jì)的逆轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制作上無法達(dá)成效果。引擎旋轉(zhuǎn)靠一個轉(zhuǎn)軸上的Hallsensor來決定點(diǎn)火角度，正轉(zhuǎn)時(shí)1-2-3-4，若為1-4-3-2。本項(xiàng)修改，順利完成OS33引擎逆轉(zhuǎn)的問題。QiQ完成后空重將達(dá)22kg，MTOW>45kg，在飛行上的抗風(fēng)能力有大幅改善，但是傳統(tǒng)多旋翼系統(tǒng)操作上都是靠局部的馬力增加來改變姿態(tài)，將十分耗電，QiQ設(shè)計(jì)于無刷馬達(dá)下方加裝一片控制面（Fin4個方向的控制面可以用較少的功率輸出輔助QiQQiQ是混合動力系統(tǒng)，主要能源來自機(jī)載油料，因此本無人機(jī)上必設(shè)計(jì)有效的油箱，以供足夠的油料，如圖26所示。油箱設(shè)計(jì)考慮飛行時(shí)的動態(tài)搖晃，不能斷油，因此油槽是向下漏斗形，在出口處保留大約0.5公升的即用油。根據(jù)需求，油箱設(shè)計(jì)最大15公升空間，可以支撐QiQ飛行超過2小時(shí)。油箱為玻璃纖維材料，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度考慮異常碰撞的QiQ完成后做幾項(xiàng)極限測試，第一是飛行動態(tài)測試，利用操場空間做長時(shí)間飛行，第二是載重測試，將16kg重的人行道鋪地磚掛載于QiQ底部，做幾個動作的飛行測試。第三是滯空時(shí)間及抗風(fēng)性測試，利用賽嘉隘寮溪河床進(jìn)行飛行測試，紀(jì)錄飛行時(shí)間67分鐘，完成性能檢視及油耗的測試。圖27為QiQ在校區(qū)內(nèi)進(jìn)行測試飛行的照片。無人機(jī)的破壞性創(chuàng)新正因?yàn)榧夹g(shù)可行、市場需要，有許多傳統(tǒng)飛機(jī)的業(yè)務(wù)會被無人機(jī)所取代。本文從無人機(jī)近幾年發(fā)展歷程的回顧，無人機(jī)受限于跑道起降（HTOL）、酬載及滯空（VTOL）能力，很難成為有效的空中運(yùn)具。如何克服設(shè)計(jì)上的問題，發(fā)展符合需求的無人機(jī)，才能讓無人機(jī)應(yīng)用走入實(shí)務(wù)系統(tǒng)。本文提出一架完成測試的混合動力雙四旋翼無人機(jī)（Quad-rotorinQuad-rotor,QiQ）。也許QiQ的設(shè)計(jì)不是最適合的系統(tǒng)，但是本文的目的期望提出一個無人機(jī)未來的展望，從可用的混合動力系統(tǒng)去發(fā)展更適當(dāng)?shù)臒o人機(jī)，做為下一個世代的無人機(jī)基礎(chǔ)。QiQ的設(shè)計(jì)比較大的缺點(diǎn)有幾項(xiàng)1）（2）引擎啟動須加裝自動點(diǎn)火系統(tǒng)，以便熄火時(shí)可以再度啟動3）圖19所選用引擎發(fā)電機(jī)的無刷馬達(dá)不再生產(chǎn)，須另覓替代方案4）飛行控制有點(diǎn)繁復(fù)，需改進(jìn)5）OS33引擎動力稍嫌不足，將須改為OS55QiQ已經(jīng)達(dá)成的特點(diǎn)也有幾項(xiàng)值得關(guān)切：（1）混合動力無人機(jī)確實(shí)可行，可以解決無人機(jī)的實(shí)用瓶頸2）利用傳統(tǒng)固定翼飛機(jī)用引擎可以成為體積小容易安裝的發(fā)電系統(tǒng)（專利3）油箱的設(shè)計(jì)可用4）長臂下的控制面改進(jìn)操控性十分有效果（專利）。本文是一個拋磚引玉的探討，期望引起更多學(xué)者專家的注意，投入混合動力無人機(jī)系統(tǒng)的研究發(fā)展。本研究于科技部計(jì)劃MOST-109-2622-E309-001-CC1支助下完成。參考文獻(xiàn)1.FarnboroughInternational,“Thefivemostdisruptivetechnologiesforaviation”,availableonweb:November9,2017,/topics/posts/the-five-most-disruptive-technologies-for-aviation/.2.H.Goudarzi,IATA,“6technologiesthatwillrevolutionisetheaviationandairportindustryin2017”,TheInternationalAirportReview,availableonweb:February20,2017,ernational/article/26374/technology-revolutionise-aviation-2017/3.P.Barry,“IntroductiontoUnmannedAerialVehicles”,BaselineSurveys,AvailableonwebinJanuary2014,http://www.uav.ie.4.BusinessInsiderIntelligence,“CommercialUnmannedAerialVehicle(UAV)MarketAnalysis–IndustryTrends,ForecastsandCompanies”,February11,2020.5.BusinessInsiderIntelligence,“DroneMarketOutlook:IndustryGrowthTrends,MarketStatsandForecast”,March04,2020.6.V.Puri,A.Nayyar,L.Raja,“Agriculturedrones:Amodernbreakthroughinprecisionagriculture”,JournalStatisticsandManagementSystems,(2017)20:4,507-518,DOI:10.1080/09720510.2017.1395171.7.W.Budiharto,etal.,“AReviewandProgressofResearchonAutonomousDroneinAgriculture,DeliveringItemsandGeographicalInformationSystem(GIS)”,December2019.8.B.McNell,C.Snow,“TheTruthaboutDronesinMappingandSurveying”,SkylogicResearchLLC,2016.9.R.Kellermann,T.Biehle,L.Fischer,“Dronesforparcelandpassengertransportation:Aliteraturereview”,TransportationResearchInterdisciplinaryPerspectives,inpressJune2020.1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