太阳能四轴无人机创最长飞行时间

 今年9月，台湾的太阳能四轴无人机(Quadcopter)创下飞行3小时28分钟的世界纪录，推手是台湾大学电资学院吴瑞北和林清富两位特聘教授。吴瑞北负责寻找研发资源，而林清富因数年前栽入无人机世界，开始动手研发电力结构与太阳能模组，从业馀玩家晋身专家，最后在自己的家乡宜兰创下纪录，无疑是个人嗜好结合专长发扬光大的最佳范例。

林清富接受DIGITIMES专访时表示，他一直对创新跃跃欲试，因此曾创立台大光电创新研究中心及担任创立主任，除了太阳能无人机之外，目前也在打造有如科幻电影星际争霸战(Star Trek)裡企业号医官手持的三度仪(tricorder)，无须实际接触即能诊治病患、堪称地表最强医疗设备。林清富希望开发的是能侦测环境中有害物质的多功能感测器，并直接在手机上操作，可以随时随地掌控周遭环境的安全状况与健康影响。

太阳能无人机飞行追求天时地利人和

问：2018年1月您的团队到CES参展时，飞行时间是30多分钟，短短不到10个月时间为何可创下3小时28分钟的世界纪录？至于创纪录的地点是在宜兰东澳，选择此地点有什麽特别考量吗？目前世界上其他团队竞争的状况如何？

答：我常在家乡宜兰壮围试飞，因为我熟悉该地，不需靠地图就对附近的环境瞭若指掌，因此不用特别规划地点与路线，也让我的心理负担低很多，我知道怎麽和那边的人打交道。别的地方，像去苗栗就曾被挡过，因为当地民众不知道我们要做什麽，还得解释半天。此外，宜兰夏天天气不错，所以很常去飞。不过老实说，宜兰海边像壮围公馆旅游中心附近，沙地对无人机测试不是很好，风一来沙会刮到机器，且会吹进马达裡。

至于东澳，出发那天气象预报阳光很好，但风稍大，想说还是去试试。宜兰东澳的纬度比新竹还南，阳光比较强。由于宜兰污染少，整体空气品质很好，若是同样的天气状况，新竹、台北的雾霾都会比宜兰多，影响阳光强度，有时候甚至差到10~20%。

就风力环境来说，目前太阳能无人机的飞行条件是重量轻、风力小，一般来说2~3级风才适合飞行，宜兰夏天的风通常不太大，所以适合飞行。另一点则和距离有关，台北经雪隧、苏花改到东澳，约1小时就到达，比同纬度的苗栗近。

我们破纪录那一次是3小时28分钟，是第一次飞超过3小时，其实也是唯一一次，之后天气条件都不够好，尤其进入冬天后阳光减弱许多。事实上，从可以飞，到可以飞几个小时，这中间的技术差异很大，虽然世界上几个不同团队也在研发太阳能四轴无人机，像美国、亚洲的新加坡等，但都没有比使用纯电池飞得久，只有我们的飞行时间超过电池动力的四轴无人机。我们的成果于9月在欧洲一场国际会议PVSEC拿了论文奖，该会议分成几个领域，应用领域只有一位论文奖，就是我们的成果，投稿前飞1个多小时，就已经被认为很厉害了，就在9月会议报告几天前，创下3个多小时的纪录。
 2017年12月时才飞30几分钟，最主要原因是，当增加电量时，重量就会增加，重量增加同时耗电就会增加，这就是无人机电池遇到的最大挑战。等到它达到一个阶段后，飞行时间不仅没有增加，还会减少。如果只用电池支持无人机的话，通常仅能飞行20几分钟。因此必须再将太阳能比例拉大，当然最直接是把太阳能面积变大，但重量也会增加，有个最好的黄金比例，我们有定量的数学模型可以估算，这对实际製作极有帮助。

另一方面，无人机要能在空中飞行，其姿态，如俯仰角度，左右倾斜角度等，必须一直变动以维持动态平衡，但这会造成电的需求一直改变，对于太阳能电池而言，若是电性变动剧烈，会衍生其他问题，这在短时间内难以发现，一旦时间拉长，就会直接烧掉相关电子零件，这是如新加坡大学等地用太阳能仅飞行几分钟时无法发现的状况，我们能飞数小时，也是因为解决了此剧烈变动的问题，这部分的研发深度与进展，应该是领先全世界。

太阳能无人机未来可能的应用场景为何？若要从事商业应有哪些瓶颈尚需克服呢？

答：太阳能无人机的应用有几个面向，安全性、方便性和时间，太阳能与电池比燃料安全许多。方便性来说，旋翼比固定翼好，但旋翼机使用电池则无法飞久。利用太阳能能够兼顾安全性、方便性和长时间等。我们预估太阳能无人机在农作物监测的应用很合适，如生长状况、植物病虫害、熟成状况检视等等。载货方面，因为需要能负重，技术上必须克服重量问题，目前承重范围预计在4磅以内应该可以做到。

业馀玩家变专家

问：请问开发太阳能无人机最大的挑战是什麽？

答：目前最大的瓶颈就是募资，我有信心相关技术问题都可以克服，目前还在找人投资。我们可飞3个多小时，其实还有改善的空间，未来目标是将时间拉长，达6~7小时，可以符合日出而作，日落而息的自然作息。

另一方面，直觉上看，风是无人机的敌人，但我们可以将阻力化成助力。例如老鹰是利用上升气流盘旋，我们的太阳能板就是我们的翅膀，有翅膀就飞得高、飞得远，可以进一步设计成可调整的，用微处理器控制。

问：想请教老师之所以投入太阳能无人机研究的缘起？如今创下纪录心理最有感的是？

答：我原来只是无人机业馀玩家，因为电池很容易没电，每次周末去玩都得带一大把电池，后来想想我自己做太阳能研究相当久了，为何不能拿来解决此问题？于是开始估算其可行性。而更早缘起是几年前，有次在校园，理完头髮经过大草坪，有人在玩无人机，在旁边看了一阵子后，竟然对方借我玩，我玩了一下，发现没想像中困难，我小时候没有像别人一样玩遥控飞机或遥控车，这次却因此激发了玩遥控飞机的兴趣，于是也去买一台一模一样的无人机。

我本来就是很爱东改西改的人，坏掉了就去买零件修理，也渐渐加入一些无人机社群。结果是「毒瘾」愈来愈凶，本来买几十块，后来愈玩愈大，买几百块的东西，再来到几千元的数量级，后来有了计画支持，更是以万元为单位的花费，我想现在应该是无人机玩家裡面花最多钱的人。

玩无人机会上瘾，为什麽呢？其实玩无人机要很专心的，因为你会沉浸在裡面，没时间去想烦恼事。像有人说面试学生的过程很辛苦，因为学生都讲得大同小异，所以我建议他们利用中间休息时间玩玩无人机，可以让你忘记很多事情，在听第二个学生回答时，就不会记起第一个学生讲过什麽，相当于把大脑重设。(黄逸平／专访，赖至巧／整理)