世界第一簡單無人機

無人機其實很實用？
要駕駛無人機前還要考證照？
無人機不是每個地方都能用？

這個年代，大家應該要嘗試去瞭解無人機的無限可能性！

一直很好奇無人機是什麼，但又不知道從何入手嗎？本書用簡單易懂的漫畫說明，讓大家輕鬆學會無人機知識！

無人機不只有趣，而且實用，它不只是一種可以操控的玩具，也是目前備受矚目的技術之一，背後隱藏著無限的可能性。
從休閒娛樂用的玩具無人機，到商務用的大型無人機，無人機的廠牌與機種皆與日俱增，市場也在急速增加中。

這本書是本簡單易懂的教科書，可以幫助課堂上的學生學習，也讓想接觸無人機的一般大眾更加瞭解無人機，推薦給所有曾經對無人機產生興趣，卻因為難以入門而卻步的人，也很適合有點基礎的人補充更多知識喔。

名倉真悟（Nakura Shingo）
1962年出生於大阪市，立教大學商學院（大學院商業設計研究科）MBA（碩士）。
JUIDA認定講座講師、JUIDA認定技能講師、Intel UAS Operator、Terra Mapper認定技能者、葉色解析服務「Iroha」技能認定證、第二級陸上特殊無線技士、第四級業餘無線技士。
慶應醫學會會員、日本商業學會會員、日本宣傳學會會員、日本經營會計學會會員、東京商工會議所商業經理檢定合格。
長年以來以事業構想顧問的身分活躍於商界，也在慶應義塾大學醫學部從事尖端技術的研究。
2016年時，感受到了無人機未來的可能性，成立了一般社團法人「無人機大學校」，以及「無人機實驗室」公司。目前為這些機構的代表理事／董事。致力於無人機產業人才的培育，以及促成日本國內外無人機廠商、無人機應用程式開發商、無人機業務整合公司的合作，並參與機體、應用程式、商業課程的設計。

編者

一般社團法人 ドローン大学校（無人機大學校）
2016年開設的學校（JUIDA認定校），任務是讓學員們學習安全操控無人機的必備知識與技術。目前有東京、名古屋、瀨戶內、博多等四個校區，每年開設16期課程，每期課程皆為一週內結束的高強度研討會式課程。
是美國Intel公司、Persol Process & Technology公司、TerraDrone公司、Skymatix公司唯一認定的學校。
部分本校學生於結業後成立了日本第一個無人機產業線上沙龍──ドローン大学院，進行著無人機相關新創產業的孵化器工作。

審訂者

林清富
臺灣知名電機工程學者。現為國立臺灣大學電機系、光電所和電子所特聘教授。曾任國立臺灣大學光電所所長與國家實驗研究院副院長。2010年獲頒電機電子工程師學會會士(IEEE Fellow)與國際光學工程學會會士(SPIE Fellow)。
研究專長為矽光子、太陽能電池、太陽能無人機、無稀土螢光材料、量子點與量子井發光元件和雷射二極體。

前言

在天空中飛翔──這是人類自古以來的夢想。在萊特兄弟飛上天空的一百多年後，人類又發展出了另一種飛上天空的技術。
那就是無人機。
無人機不只是休閒娛樂，更是目前產業界中備受矚目的技術之一。許多人都對這項技術隱藏的可能性寄予厚望，期待能看到更多新的商業模型。
無人機不只有趣且實用，更被認為能應用在許多產業上，未來一定會變得更加普及。從休閒娛樂用的玩具無人機，到商務用的大型無人機，無人機的廠牌與機種與日俱增，市場也在急速擴大中。
一些簡單的玩具無人機甚至可以用智慧型手機的app來操作。任何人都能在購買之後，馬上就熟悉這種無人機的操作。
相對的，無人機也隱含了某些危險。
如果無人機墜落在人群聚集的地方，就可能會造成傷亡，而如果無人機在機場附近飛行，也可能會造成飛安問題……隨著無人機的普及，這類事故、事件也隨之增加。
不過請放心，為了讓無人機能安全地應用在各個產業上，各國政府都陸續制定了許多無人機飛行的相關法律，來限制無人機的飛行空域及飛行方式。因為無人機能輕易上手，所以也容易被濫用。既然如此，就該限制無人機的活動，這也是理所當然的。
但我擔心的是，在規定複雜化之後，會不會將許多無人機的新手拒於門外呢？這樣會不會讓無人機的市場停止成長呢？

所以我在2016年創立了一般社團法人「無人機大學校」，以及線上沙龍「無人機大學院」，以培養職業無人機操控員及推廣無人機的應用為目標，目前已有超過400名的結業生。
在我致力於推廣無人機相關知識的過程中，我認為需要一本簡單易懂的教科書來幫助課堂上的學生學習，並讓想接觸無人機的一般大眾更加瞭解無人機，於是我編纂了這本書。
「這個操作對初學者來說會不會很困難呢？」「這種說明方式會比較好懂嗎？」「若是照這個順序教學會比較好理解嗎？」……我把我回答這些問題的經驗，全都灌注在本書中。
編纂本書時，我受到了許多結業生、聽講生、講師、工作人員的幫助，請讓我借用這個地方感謝各位。出版本書時也受到了立教大學商學院田中道昭教授的幫助與指導，在此致上謝意。協助製作漫畫的劇本作家星井博文先生、負責作畫的深森あき老師、TREND．PRO公司、出版商株式會社Ohmsha，非常感謝你們的幫忙。
如果本書能夠創造出新的無人機產業，幫助各位活躍於這個社會，那就太棒了。

一般社團法人 無人機大學校
代表理事 名倉真悟

目次

序章無人機！現身！
第1章無人機的基礎知識
1. 無人機也是飛機，所以必須遵守日本的「航空法」！
2. 哪家廠商的無人機比較厲害呢？
3. 為什麼每台無人機的螺旋槳數目各有不同？
4. 無人機的歷史
5. 無人機的主要機種
6. 無人機的結構

第2章升起無人機之前的準備
1. 絕對不能忘！飛行前、飛行後的檢查是法令上的義務
2. 一定要場勘！
3. 風和雨是無人機的大敵！
4. GPS是萬能的嗎？
5. 不可不知的法令與規矩！
6. 須獲得許可的飛行

第3章如何成為職業無人機操控員
1. 飛行前必須擬定、確認飛行計畫與相關資訊
2. 為了航行安全，簡報是不可或缺的流程
3. 飛行中該注意的事項
4. 請定期校正無人機
5. 為了航行安全，還要注意哪些事項？

第4章無人機產業的展望
1. 無人機產業的市場規模
2. 未來可能大幅成長的設備檢查業務
3. 已廣泛應用在農業領域的無人機
4. 可望應用在物流領域的無人機
5. 無人機能應用在其他服務業領域，對社會做出高度貢獻
6. 無人機應用在精密度有著飛躍性提升的土木、建築領域
7. 不受日本「航空法」與其他各種規定限制的室內應用
8. 擁有利基市場，又能高度貢獻社會的預防犯罪應用
9. 無人機在空拍領域的應用
10. 開創無人機相關的新產業時，也要參考政府政策
11. 空中計程車計畫
附錄：臺灣無人機相關法規

無人機的結構

（1）為什麼無人機飛得起來？
不管是載人的直升機，還是無人機，飛起來的原因都相同。轉子可帶動螺旋槳旋轉，使螺旋槳上下的氣壓產生差異。當螺旋槳上方的氣壓比下方的氣壓低，就會有一股拉力將螺旋槳往上拉（升力，將物體垂直向上拉升的力量），如此一來便能讓機體上升。
再來，同時使用多個螺旋槳，並分別調整各螺旋槳的轉速，就可以讓無人機自由上升／下降、前進／後退、左／右移動。事實上，仔細觀察飛行中的無人機螺旋槳，會發現相鄰的螺旋槳旋轉方向剛好相反。
想讓無人機前進時，會讓機體前方下傾。左右移動時也一樣，會讓前進方向的機體部份下傾。只要讓其中一側的螺旋槳轉速下降，就可以讓那一側的機體下傾，往那個方向移動。如果要讓四軸無人機旋轉，則需讓其中一條對角線上的螺旋槳轉速降低。

（2）無人機的運動機制
無人機需靠轉子（馬達）轉動螺旋槳才能移動。大疆Phantom系列的多軸無人機所搭載的馬達，是所謂的無刷馬達（brushless motor）。
無刷馬達顧名思義，就是沒有電刷的馬達。相對的，學校自然科課程中提到的電刷馬達則是需要讓電刷與整流子持續摩擦旋轉，使用時會逐漸磨損。無刷馬達則是透過特殊電路驅動其旋轉，可以減輕維護的負擔。而且，無刷馬達可以透過名為Hall IC的磁場感應器持續監測馬達狀態，故可穩定控制其速度，當發生馬達負荷過重、線路接觸不良、斷線等異常狀況，可以馬上停止馬達運作，並發出警告訊號，以提高無人機的安全性。其他還有速度可控範圍廣、均勻扭矩（flat torque）、高功率等優點。
另外，將訊號送至轉子的零件叫做ESC（Electric Speed Controller）。也可以說，ESC就是控制轉子旋轉速度的零件。原則上，無人機搭載的ESC數量會與轉子數量相同。
ESC的輸出端有三條電線，電流可控制轉子的旋轉。隨著轉子位置的不同，ESC會輸出不同方向、不同大小的電流，使轉子能夠持續旋轉。也就是說，無刷馬達中的ESC，扮演著一般馬達中整流子及電刷的角色。
相對的，ESC的輸入端也有三條電線，分別是連接到電源正負極的電源線，以及從FC（Flight Controller）接收訊號的訊號線。其中，FC會蒐集來自陀螺儀感應器、加速度感應器、氣壓感應器、超音波感應器、磁場方位感應器、GPS等裝置的資訊，以控制機體的行動。

（3）無人機的感應器
①陀螺儀感應器與加速度感應器
陀螺儀感應器可以計算機體傾斜的角度，是穩定機體時不可或缺的感應器。相對的，與陀螺儀感應器十分相似的加速度感應器，則用於檢測速度。陀螺儀感應器與加速度感應器的組合，可以同時計算「傾斜狀況」與「速度」兩者的變化量，並控制機體往傾斜方向的反方向拉回，保持機體平衡，懸停於空中。簡單來說，陀螺儀感應器與加速度感應器就是能夠保持無人機姿態平衡的重點感應器。

②氣壓感應器與超音波感應器
高度越高時，氣壓感應器會測到越低的氣壓，故無人機可參考氣壓數字，以維持在特定高度。不過畢竟這只能用來偵測氣壓，要是遇到陣風或其他原因造成的氣壓變化，就有可能會失去功能。
超音波感應器可以利用超音波的回聲來感應自身高度。在無人機起飛或降落時，如果位於地表附近的無人機沒辦法透過氣壓感應器蒐集到足夠的高度資訊，就會用到超音波感應器。在高空使用氣壓感應器，在地表附近使用超音波感應器，兩種感應器的組合搭配，便可讓無人機在每個高度區間都能維持一定高度。

③磁場方位感應器與IMU
磁場方位感應器有時也直接稱做羅盤，可感應地球的磁場（地磁），藉此瞭解無人機目前朝向東西南北哪個方向。不過，地磁的北邊（磁北）與地圖的北邊有一定差異，即磁偏角。而且隨著時間與地點的不同，磁偏角也不大一樣。舉例來說，札幌的磁北比地圖北邊往西偏了9°，那霸卻只偏了5°（參考自日本國土地理院網站）。因此，若換一個地方飛無人機，就需進行「羅盤校正」，重新確認磁場感應器所指示的北方，與實際北方間的差異。

④IMU
GPS是全球衛星導航系統（GNSS：Global Navigation Satellite System）的一種，是美國的衛星系統。就像汽車的導航系統與智慧型手機的位置資訊服務一樣，無人機可接收GPS的電波，藉此判斷自身所在位置，並設定好飛行路線的經緯度自動飛行，或是可以懸停在某個固定位置。這就是所謂的「衛星定位系統」，用於戶外飛行的無人機多會裝設相關的電波收訊器。不過，就像汽車在進入隧道後，導航系統會失效一樣，無人機使用GPS時也有可能會突然收不到訊號。因此，為了維持無人機的安全飛航，操控者需隨時注意GPS電波的接收狀況。
另外，包括Phantom在內的某些多軸無人機，不僅會接收GPS訊號，也會同時接收俄羅斯衛星系統GLONASS的訊號，偵測機體本身的位置。
這些控制機體姿態的感應器通稱為IMU（慣性測量單元：Inertial Measurement Unit）。
當出現「IMU錯誤訊息」、「機體不穩定」「羅盤方向不對」「穩定器傾斜」等狀況，就需進行「IMU校正」。請養成攝影前以及在他處飛行前，一定要進行IMU校正的習慣。