直闖暴風圈,追風無人機大考驗

直闖暴風圈,追風無人機大考驗

 

颱風,對福爾摩沙而言福禍相伴,七、八月的颱風旺季是近年來,氣候異常而導致乾旱的解藥,也是維持台灣冬季水量的來源。然而,連日強風豪雨同時造成鉅額民生損失;北半球颱風帶國家研究風暴迄今超過30年,美國、日本、菲律賓、香港、台灣,其中我國的氣象觀測站密度居冠,但事實上,氣象雷達觀測範圍有限,常常當颱風接近威脅迫在眉睫才能收集資料。以臺灣大學大氣科學系林博雄教授 為首的追風計畫團隊不僅要解決此問題,更希望能提前收集第一手資料,掌握颱風動態,團隊致力於軟體的感測需求考量,硬體上更以Maker實驗精神不斷突破技術障礙。
10月21日晴空萬里的天氣,這群追風者帶領現場朋友們從南科AI_ROBOT自造基地啟航,執行追風計畫飛向未來。

大叔們的20年飛行日誌

作為概念發起人,臺灣大學大氣科學系林博雄教授回顧20年來追風計畫的發展,對於團隊的大幅進步感到欣慰;宏觀計畫的三個階段,從最初的Aerosonde無人機穿越颱風眼,到漢翔ASTRA噴射機環流觀測,最後是目前的Typhoon Hunter(Aerosonde 4.7),追風團隊向世界證明,台灣也能打造出闖入颱風拚搏的無人機。

2005年龍王颱風,全球第一架以環流旋入的方式,進入颱風無風帶並進行資料探測的無人機(UAV),也證實了林教授與追風團隊們的想法可行性。然而一直以來使用的Aerosonde無人機為澳洲製,他們仍希望以自己的雙手打造出MIT飛機-Jack系列。終於,在2005年10月於恆春縣周邊成功試飛。

2013年,由於多年來累積的無人機環繞觀測經驗,讓林教授實際參與國科會協同中央氣象局的追風計畫(侵台颱風之飛機的偵察及投落送觀測實驗),實打實要地將資料傳送給環太平洋諸多國家,並合力研究颱風,林教授嚴肅的說:「玩了8年的追風計劃讓大家知道點子可行,接下來要進行重要的氣象外交了。」

然而該計劃在2016年,卻因為研究金費預算過高與無人機開發仍使用國外機體而終止。林教授雖然無奈但並不氣餒,轉而組織自己的團隊重新啟航,新計劃主要將投落送(下式探空儀)從距地面14公里的漢翔飛機,向颱風外圍順環流方位投送。與以往不同的是,這次並非定點投放再使用降落傘控制高度,而是開發出配備折疊前後翼的MIT投落送GUD(Guide UAV Dropsonde),能夠從颱風外圍旋繞滑翔進颱風眼!

林教授不斷地強調,由他一個人難以達成的追風計畫,因為這群夥伴毅然決然地投入而出現一絲曙光,走過20年追風歷程,運用積攢的知識與其他領域夥伴的專長,成為團隊的榮耀!

提及與美國團隊間的角力,林教授不忘當年團隊飛進颱風眼的喜悅!(攝影:黃鈺琮)

整合測試環境,為無人機飛行把關

追風計畫的可行性有待證實,邏輯上正確並不代表直接試飛就能成功,同時,多人運作的團隊首要釐清的是每個人的工作目標與實行內容。智飛科技共同創辦人林永仁的任務是建立一個完整的驗證與整合平台,從最頂層的想法拆分到最下層的實作流程,透過逐步完成的向上驗證想法,以確保實作有具體的架構。林永仁採用一套整合測試環境(ARDUPILOT),模擬颱風環境中無人機的測試結果,透過討論資料,團隊成員可以修正無人機的設定或飛行環節。林永仁自豪團隊最不同之處:「我們用真的控制策略讓假的飛機在假的模擬器內,飛進假的颱風!」夢想遠大,但每一步要走的踏實、堅定,為每架出航的飛機把關是林永仁堅持的Key point。

在整合測試環境(ARDUPILOT),中團隊使用過去的颱風資料做模擬。(攝影:黃鈺琮)

無人機的大腦,飛行控制系統

沒有駕駛員的無人機要穩定的飛進颱風中心,需要飛行控制系統調配各個零組件,並進入飛行狀態的飛控系統。而硬體上要控制機身穩定,避免強風讓前後翼彈出後受阻,軟體上則是在ARDUPILOT中逐步調整,未來模擬的颱風環境資料將作為試飛的參考重點。負責飛控系統設計的漢元技研有限公司張合中工程師,要把飛控裝置「塞」進體積更小的追風無人機,同時考慮其他sensor的安裝配置,並克服高空中機艙內的低溫狀態。根據團隊實測,展開雙翼後的無人機必須對抗機體內進風後降至零下40~50℃的溫度,對於控制面板晶片的要求,是張合中今後要克服的問題。

張合中先生為團隊規劃的飛行控制系統(圖片來源:黃鈺琮 PC / 張合中 簡報)

與遠方的無人機溝通,LoRaWAN立大功

飛進颱風眼最重要的是為了收集暴風資料,遙遠的無人機與台灣團隊之間,只有無線通訊設備聯繫,但一次任務時間大多超過半天,所以追風計劃需要能長途傳輸、省電的無線系統。專精無線通訊的工程師蘇彥文,決定以LoRaWAN(Long Range)低功率網域網路作為追風計畫的資料傳輸方式。LoRaWAN雖具備長途傳輸、省電這兩種優勢,卻也因此犧牲單次資料傳輸量。它的另一個特點是使用展頻技術(在單一頻率中可以使用spreading factor參數切割),讓同一個頻率延展出不同的傳輸距離與功率(兩者呈反比),因此無人機在颱風中觀測才能兼顧整個暴風範圍。

提及團隊目前遙測通訊系統的設計策略,蘇彥文分享四大點:

  • 單向傳輸:既然資料傳輸量小使得傳輸功率低,那麼讓無人機單向傳輸資料即能有效減少互相通訊時浪費的等待時間。
  • 優化參數:如Bandwidth、Spreading Factor、Data Rate、Sensitivity等參數的配置,將影響無人機的傳訊速率,蘇彥文透過通訊套件(Semtech)的評估軟體欲找出最佳情況下的參數設定。
  • 攻率越大越好:功率直接影響資料傳輸速率,著手使用將近1W的無線收發器,蘇彥文希望能改善傳訊資料少的問題。
  • 分散頻道:同時在公海上飛行的不只有無人機,因此無人機的傳訊頻率必須與其他飛行物體錯開才不至於造成危險,目前預計分散出10個頻道,不過主要仍在433MHz的三個頻道中切換。

未來除了要進行實測,並優化目前的無線通訊設計之外,追風團隊也要克服設備問題,不過蘇彥文自信地說:「即便沒有頂級的零組件,從商場或網路上取得的零件經過拼湊調整也大有用處!」自造精神嶄露無遺。

無線通訊將資料回傳給團隊,是飛行中至關重要的角色!(攝影:黃鈺琮)

3D列印無人機,夢想的距離不再遙不可及

經過理論部分,終於看到追風團隊的無人機樣貌!搞怪空間工作室創辦人陳奕瑄自豪的說,3D列印的高精準度能達到機翼運作的要求,同時,他也選用PETG高韌性材質與玻璃纖維、木材等複合材料,以確保飛機的韌性。

3D列印最主要的問題是無法「一機成型」,因為市面上沒有那麼大的3D列印機,現階段需靠組裝各部位零件來補強結構,畢竟無人機要面對的是拋投後直接-50℃的低溫環境,若材質經過急速冷凍後脆化受損,則無人機計畫風險相當高;而3D列印優點則是未來若需要量產,比起開模生產更省時、成本較低。

從草圖到實際列印成品,單純的3D列印強度尚顯不足。(圖片來源:陳奕瑄簡報)

站在第一線實測,機長室的風景

整合前述的無人機硬體、內部感測器、通訊器等,法雷特無人載具開發工作室創辦人林煥洲,將所有零件裝配成一個能彈射出前後翼的圓柱體(無人機),且在飛行實測中所有軟硬體都能順利運作。

第一次實測為了模擬漢翔飛機投放情境,林煥洲特別在750軸距多旋翼無人機(作為投放體)下安裝自製下滑軌道,而整趟任務設定從100公尺高度投射後由飛行員執行滑翔操作,考量模擬情境與地空安全,林煥洲特別選址於屏東縣里港鄉的空地,任務目標是數據監控無人機體測試

隨著影片中的投放體無人機緩緩升空,活動與會的朋友們也伸長脖子靜悄悄地等待投放的畫面,對整個追風團隊而言,這是他們的MIT無人機第一次試飛,心情既緊張又忐忑,就在林煥洲精心準捕捉無人機釋放的瞬間,現場一陣掌聲,畫面中的無人機以近水平方式滑翔,並且照著團隊設定的方位前進,短短幾秒鐘的畫面給予追風團隊諾大信心!

林煥洲展示首次試飛後「斷成兩半」的一號無人機。(攝影:黃鈺琮)

結語

綜觀「追風無人機」計畫的過程,團隊成員不單懷抱著夢想,這群追風者們一步步制定計劃,一步步實現飛進颱風眼的任務,如同林博雄教授所言:「我們不是要自己爽而已,而是希望將資料分享給各研究單位,讓世界看到台灣的能力,由我們讓颱風研究發展更好!」

如今,追風團隊們已經順利升空,未來將遇到的亂流與變數,相信這群追風者們都能努力突破!

一個人飛行是孤獨,一群人飛行是夢想,追風計畫成功啟航!(攝影:黃鈺琮)

 

(本報導整理自2018/10/21【追風Maker】一起建造無人機深入颱風眼吧!;作者:黃鈺琮;責任編輯:葉佳錚)

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