你也能看見台灣-無人飛機空拍入門 (第零篇)

商用無人飛機自從亞馬遜發布消息計畫採用無人飛機運送小型包裹之後，突然可見度大增。一台一台外型像是八爪魚的小型UAV也越來越容易看見。這次寫下台灣歷史的反服貿運動，也經常看到小型無人飛機在上空盤旋。一直以來讓人感到遙遠又科幻的設備，突然間躍入大家的生活中，究竟最近流行的小型無人飛機跟印象中，丟炸彈、深入敵境的強大武器有甚麼不同呢?

 

提到無人飛機，大家的第一印象想必是美軍攻打伊拉科所用的UAV吧!?長長的翅膀，灰藍色的塗裝，下方掛了一個圓球，可以飛越半個地球深入敵境打擊敵人，一台要價幾千萬美金的高科技武器，這是大眾最刻板的印象。不過這只是UAV應用的極小部分。

今天我想要討論的主題是有可能在不久的將來會非常接近大家生活的工具。有著非傳統飛行器的外型，小型但全自動控制的飛行器。應用的領域會在商用攝影、電影、新聞、救災、探勘...早期得花大錢派直升機才辦的到的場合(或者根本辦不到)的地方。

首先我先講一個價錢來呼應我的標題"你也能看見台灣"的"你也能"三個字。究竟要完成上述的工作需要多少預算!?以目前最經濟實用的預算大約3-5萬之內可以有不錯的表現，Full HD畫質，穩定的雲台，定點飛行以及自動返航。沒錯，這個數字差不多等於一台高檔單眼相機的價錢，以目前最熱門的應用也是定位在所謂的"飛行相機"上頭。簡單到不行的飛行介面，執行上述的工作，幾乎不需要學習，直覺立刻上手都是這類產品的特色。

不過很可惜的，即使是飛行相機，他就是屬於飛行器的一種。在天上飛的東西永遠都會有墜毀的風險。這麼大一台馬航都能飛不見了，更何況三五萬的小飛機。所以我必須在進入正題之前再三強調幾個重點。


1. 無論再穩定、再先進的UAV都有墜毀的風險，在飛過別人頭頂之前請三思。
2. 無論再穩定、再先進的UAV都有墜毀的風險，它不是相機，相機故障頂多拍不出來，UAV故障，甚麼都回不來。
3. 無論再穩定、再先進的UAV都有墜毀的風險，請徹底做好事前檢查，花時間研讀使用手冊以及多跟前輩請教增加經驗，減少事故機會。
4. 即使它看起來很像玩具，但它不是玩具，有一定的殺傷力，在任何情況下請做好安全防護。


多軸飛行器的濫觴
你有注意到最近的小型UAV長的都有點像八爪章魚吧?這的確是跟他最近突然大量出現有點關係。由於我們討論的產品會慢慢聚焦在真正實用化的商品上，我這邊姑且稱之為”低階商用UAV”。低階商用UAV這個產品在五六年前等於是真空，完全沒有類似產品。因為無人駕駛系統最重要的就是姿態感應器。姿態感應器並非單一感應器，會牽涉到高度、空速、角速度、重力加速度感應等等...五六年前這類感應器不只是天價，很多還是被老美禁止輸出的。但是一個看起不太相關的產品改變了這點。就是iPhone跟Wii...難以置信吧?沒錯，iPhone跟Wii帶動了高性能低價感應器大量應用。性能越來越好，但是價格越來越低廉。我是真正的躬逢其盛。我在相關產也待了10年，最早的娛樂用單軸電子陀螺儀感應器IC從一顆一千多元台幣還買不到，到現在六軸(整合三軸角速度跟重力加速度感應器)大概一百多塊，變化不可謂不大。

這類感應器出現之後，開始有些吃飽沒事幹的工程師，居然把DIY UAV當成娛樂，(真佩服那些老外)。在歐美，有一種社群網站跟台灣這種純打屁聊天的有點不一樣。他們會成立一個計劃，然後大家共同開發。大陸人叫他"開源"，原文是open source。(從這點也可以看得出老外無私的個性跟亞洲人真的蠻不一樣的)

Mikrokopter

最早的小型UAV開源計畫就我所知應該是德國的Mikrokopter(大陸簡稱MK)。大概也是五六年前開始的。經過一兩年的發展，這個計畫下的UAV已經具有你所知道UAV的大部分功能。GPS定位、電腦設定航點飛行、自動追人...有的沒的。當時智慧手機還沒那麼流行，NOKIA的手機作業系統在歐洲也比較流行。所以當時就有手機操控介面...真的很強。差不多在這個時期所謂的低階商用系統也開始進入市場。雖然沒明講，不過基本技術都是源自於MK計畫。不過當時的低階"，一台要價也差不多要五十萬台幣。
而多旋翼的外型也是在這個計畫被大致底定。主要的是因為傳統直升機的機構在旋翼控制的部分太複雜，而固定翼飛機起降空間也不太好解決。最重要的是那些吃飽沒事幹的工程師又大多是電子或者軟體領域的，因此採用比較簡單的固定角度的螺旋槳，只單純靠幾個螺旋槳的轉速差異來達到平衡以及姿態控制。這就是為什麼最近看到的八爪魚外型。其實也不見得是八爪魚，因為螺旋槳有一隻是順時針，就要一個反十針的來平衡，再加上前後左右，所以基本構型從四軸開始，有六軸、八軸或者一些變形。這個計畫目前還在進行中，不過似乎有點沒落的跡象，有興趣的畫可以到http://www.mikrokopter.de/ 參考。


Ardupilot

MK這個計畫大概進行了兩三年之後開始有了分支。最主要的原因是MK這個計畫的開發平台太專門了，多半是C語言或者組合語言。而且主要的討論區是以德語為主。後來老美那邊重啟了一個Ardupilot計畫，用的開發平台是以Arduino為主。簡單的說，Arduino有點像是工程師的樂高積木，所以有人稱他為電子積木。這個開發平台相當容易入手，幾乎有接觸過軟體開發的人都能夠一學就會，他跳過了很多硬體相關的語法，注重於程式的邏輯。所以相當多工程師拿它當成下班之後的娛樂，包括我在內!!
這個計畫一開始也不叫Ardupilot。早期他是由固定翼跟直升機還有陸地運輸器三個分別的計畫，後來整合成一個。這個計畫也是目前發展最好的open source計畫，有很好的硬體整合，相當友善的軟體介面，相對容易的操作與組裝，而且功能超強。將來我會以這個控制器為主寫一系列文章。(希望有空)

其他還有一些比較小型的project，像是multiwii copter。從字面上就知道這個計畫最早是利用wii搖桿內的感應器來開發。另外還有一個韓國的KK，也蠻流行的。


大陸扮演的角色
“大陸是世界工廠”這句話真不是說著玩的。那邊的人只要感覺到有一點點賺錢的機會就會有人想辦法把東西做出來。因此所謂低階商用UAV基本上都是我們一天到晚怕得要命的對岸創造出來的。
大陸那邊真的徹底地將亞洲人的商業頭腦發揮的淋漓盡致。這些open source的商業價值立刻被發現。幾家廠商很快的將原本非常不友善的工程師使用介面，轉變為簡單的操作，新穎的外型，然後被大量製造出來。
不過畢竟這是塊新興的市場，目前的產品還有許多有待改善的地方。雖說是低階商用，不過3-5萬的起跳價格加上一次墜毀就重新歸零的特性。也實在不是一般人能夠接受的。

因此下一篇文章，我打算還是從open source的產品著手，從基本原理談起。
目前大陸商人玩的手法很簡單，就是用一個相對較低的價格引你進來，然後接著要你用天價去購買更多功能。
對於這樣的作法也不能說完全沒好處，最明顯的好處是強迫使用者循序漸進。畢竟是花大錢買到的功能，所以我實際看到的是；使用著都會非常珍惜它們所購得的功能，用到淋漓盡致才會再花錢買下一個功能。這點呼應文章一開始一再提醒的"無論再穩定、再先進的UAV都有墜毀的風險，請徹底做好事前檢查，花時間研讀使用手冊以及多跟前輩請教增加經驗，減少事故機會。"
不過從"業內"的角度來看，$$的代價實在太大了。從一開始的三五萬給你的跛腳功能、慢慢升級到能攜帶一台SONY NEX小型類單，跟不太完整導航與即時資料鏈回傳，你得在花上三四十萬以上，真的是太誇張了。


所以我打算教大家一條不太一樣的路，好處是真的很便宜，壞處是你得把十倍的金錢換成十倍時間的決心。其實也沒那麼誇張啦，只是走這條路要記得循序漸進，千萬別躁進，要學的東西不少，不過樂趣也在其中。差別就像傻瓜相機跟單眼相機一樣，你要完全掌控你的UAV，最後還是得走進這條路來。

備註:
文章內的圖片都是我從google上找來的，如果有任何覺得不妥之處請跟我說。我會立刻撤下。
裏頭有些資料因為寫作時間的關係，並未完全查證過，如果有任何錯誤，歡迎指正。