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科技新知

2024年美國專業無人機展會重點回顧
發表日期:2024-10-09
作者:周暐程(工研院)
摘要:
目前全球商用無人機的應用仍面臨一些挑戰,例如如何提升續航力和酬載量,強化電池和動力系統,以滿足長距離巡檢和運輸需求;改進機體設計和控制算法,提升抗風等級,以利於在惡劣天氣下的飛行穩定性和操控性。

全文:

一、國際無人機創新研發趨勢與方向

目前全球商用無人機的應用仍面臨一些挑戰,例如如何提升續航力和酬載量,強化電池和動力系統,以滿足長距離巡檢和運輸需求;改進機體設計和控制算法,提升抗風等級,以利於在惡劣天氣下的飛行穩定性和操控性。強化無人機自主飛行和AI影像技術,節省巡檢和數據處理時間,正是當前國際發展的主要課題。

從無人機應用於橋梁巡檢現況課題,衍生出對於無人機巡檢作業性能需求。2024年我國交通部運研所提出了無人機巡檢與運補5大項目關鍵技術需求:

  • 發展小型機身,突破構件間狹小空間的檢測限制。
  • 提升機體抗風性與續航力,服務不同區位橋梁之巡檢。
  • 提升飛控、偵測與避讓系統,實現橋梁自動化巡檢。
  • 提升通訊及定位能力,執行橋梁下方巡檢。
  • 提升AI影像辨識能力及發展三維實景建模,提高巡檢效率及實現自動化。


同時,也盤點出國內當前無人機應用於物流運送應掌握的5大關鍵技術需求項目如下:

  • 提升機體耐候性,因應偏鄉及離島多變氣候。
  • 服務應用及營運需求,權衡載重與續航能力的提升及噪音音量的控管。
  • 提升飛控、偵測與避讓系統,實現自動化與視距外飛行。
  • 提升通訊及定位能力,以確保遙導控系統的穩定性及擴大飛行服務範圍。
  • 發展無人機飛航管理系統及提升資安防護能力。


當今無人機服務應用多數採用多旋翼無人機,此類型具有垂直起降以及在作業空間中保持定點停懸的特性,可在航拍、巡檢、救災、運輸、通訊中繼等服務應用上提供更多作業彈性。然而,這些無人機主要使用鋰電池,導致實際飛行時間僅為30至40分鐘,且有效負載有限。因此,發展高負載、長航程的無人機,已成為現今各國產學研界創新研發的主要課題之一。

為實現高負載、長航程的目標,有兩種研發途徑:首先是提升無人機動力系統的儲能密度,研發更高儲能密度的二次電池,使用油電混合動力系統,以及發展燃料電池動力系統。其次是在保有多旋翼無人機垂直起降和停懸特性的基礎上,提升無人機氣動效能,從而增加負載量並延長航程,主要方法是結合定翼機與多旋翼的複合式機構型設計。

在無人機應用過程中,需要飛行有效且安全路徑,進行高精度測繪、巡檢亦或是緊急物資遞送,這需要依賴先進視覺和AI模擬分析技術的協助,以優化應用服務流程,並將成功經驗反覆訓練,使其在下一次任務中更有效地完成任務。

因此,本文將透過2024年美國最新的專業無人機展會,帶領讀者們快速了解美國商業無人機展會此次展會展出特色重點,主要可分成三大種類:1.垂直起降定翼無人機新品推出、2.無人機先進3D光學雷達測繪服務、以及3.無人機動力系統與關鍵零組件。

最後,運用此次展會之展品與訪談觀察,將敘述臺灣無人機進入國際市場的創新發展機會,以提供未來朝向國際市場拓展之國內相關產學研之借鏡參考。

二、垂直起降定翼無人機

傳統具備主翼、水平尾翼的定翼機,在飛行時是透過機翼產生升力,因此所需要的推力較小。相對於多旋翼無人機,定翼無人機在相同的能量儲存下,飛行時間更久,或是能承載更重的負荷;適合高負載、長航程任務。此外,定翼機也具備較佳的抗風性。

但是定翼機需要一定距離的跑道進行起降,或是需配合額外的彈射起飛、攔截降落設備,才能縮減跑道面積需求。此外,定翼機也無法在空中維持停懸;只能透過連續小半徑繞圈飛行,才能持續在小範圍空間中執行任務。

為同時兼具定翼機與多旋翼無人機的操作優勢,可在定翼機上裝置能提供升力的旋翼配置,形成複合構型機。這種複合構型機可垂直起降、停懸,並以機翼產生升力及維持水平飛行;因此可具備高負載、長航程性能,又不需要透過跑道或其他額外設施進行起降,可增加作業彈性。

(一)瑞士廠商Swiss Drones

Swiss Drones是瑞士長航程垂直起降定翼Long-range VTOL領先製造商,旨在取代有人駕駛直升機,在視線之外範圍進行偵查、檢測以及搜救任務,如圖1所示。此次展會Swiss Drones公司強調三大特點(安全性、持續性、有效性):

  • 安全性:當載人直升機機環境操作不便時或是在困難或危險情況下(例如惡劣天氣、黑暗、飛越敵對或其他不安全區域範圍),可使用此機種SDO 50來完成任務。
  • 持續性:與有人駕駛直升機相比,SDO 50可使二氧化碳排放量減少達95%,遠端超視距無人機將成為未來節能永續綠色推行者。
  • 有效性:與載人航空解決方案相比,VTOL(垂直起降)系統具有極高的成本效益,並且只需較少的培訓即可實現操作。


目前該公司已與比利時廠商Elia Group International合作,2021 年在比利時成功部署,用於起飛重量超過25公斤的重型無人機的超視距飛行任務。任務包括超過100公里距離的單獨飛行以檢查電力線,協助支援未來幾年電力線檢查的數位轉型。

此外,德國有名的航太中心DLR-German Aerospace Center (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.)為各種研究項目運用Swiss Drones的SDO 50無人直升機,實現智慧系統自主旋翼飛機測試台(ARTI)設施平臺,作為各種儀器技術和自主飛行元件的測試台,可飛行到視距外範圍,具有高載荷能力。
 

圖1 瑞士廠商Swiss Drones Long-range VTOL旨在取代有人駕駛直升機

資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊(2024/10)
圖1 瑞士廠商Swiss Drones Long-range VTOL旨在取代有人駕駛直升機
 

(二)以色列廠商Heven Drones

以色列廠商Heven Drone此次展示了氫動力無人機(Hydrogen-powered drones with extended flight times & larger payloads)強調飛行時間長、有效載荷增加。Heven Drone與氫能解決方案知名廠商Plug Power聯手為新一代無人機應用技術和基礎設施。目前開發一套包含多個陀螺儀和支持演算法的控制系統,以擴展穩定飛行高階操作能力,強化無人機飛行穩定性,比現有控制系統提高70%,運用獲得專利的電池管理系統將Li-po電池效率提高達80%,使氫燃料電池有效載荷可達100磅(45.35公斤),飛行時間超過 2 小時,如圖2所示。
 

圖2 以色列廠商Heven Drones展示氫動力無人機

資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊(2024/10)
圖2 以色列廠商Heven Drones展示氫動力無人機
 

三、無人機先進3D光學雷達測繪服務

(一)美國廠商Phoenix Air

美商Phoenix Air提供的航空服務相當廣泛,從國際空中救護車到航空貨運,一直到政府和軍事承包服務。Phoenix Air是美國第一家獲得FAA授權在商業服務運營無人機的認證航空公司,此次展示高階3D光學雷達測繪產品與服務應用,例如城市街道、電力設備、土方量測等等,如圖3所示。
 

圖3 美國廠商Phoenix Air高階3D光學雷達測繪產品與服務

資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊(2024/10)
圖3 美國廠商Phoenix Air高階3D光學雷達測繪產品與服務
 

(二)法國廠商Yellow scan

法國廠商Yellow scan位於法國Saint Clément de Rivière,主要是設計、開發和生產無人機成像感測器系統,此次展示無人機酬載的光學雷達產品,提供Velodyne VLP-16或是VLP-32感測器定製,運用高精度、遠距離LiDAR解決方案。近期Yellow Scan與Nokia建立戰略合作夥伴關係,如圖4所示。
 

圖4 法國廠商Yellow scan無人機酬載光學雷達

資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊(2024/10)
圖4 法國廠商Yellow scan無人機酬載光學雷達
 

四、無人機動力系統與關鍵零組件

(一)中國大陸廠商深圳好盈科技HOBBYWING

中國大陸廠商好盈科技HOBBYWING成立於2005年,是中國最早從事無人機及遙控模型產品之無刷動力系統研發、生產及銷售公司(含全資子公司惠州好盈電機有限公司)。總部位於深圳東部國家級高新科技園區。全資控股子公司惠州好盈電機有限公司位於惠州市惠南高新科技園,承接馬達和調速器的加工製造業務。主要提供無刷馬達動力系統,目前已是中國知名的無人機無刷動力系統、遙控模型無刷動力系統(電子調速器與無刷馬達)企業。為本次展會中展出最多無人機無刷動力系統、遙控模型無刷動力系統、電子調速器的廠商,如圖5所示。
 

圖5 中國大陸廠商好盈科技HOBBYWING展示無人機電子調速器與無刷馬達

資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊(2024/10)
圖5 中國大陸廠商好盈科技HOBBYWING展示無人機電子調速器與無刷馬達
 

(二)美商FREEFLY的ASTRO無人機

美商FREEFLY公司總部位於華盛頓州伍丁維爾。主要設計、製造和銷售用於電影攝影的攝影機移動系統和攝影機穩定器,包括用於空中電影攝影的無人機、萬向節和遙控飛行器,如圖6所示。此次展會美商FREEFLY提出了三大重點:

  1. FREEFLY的ASTRO無人機以及控制器強調全機美國製造(Made in USA)。
  2. 符合美國NDAA,NDAA國防授權法案(National Defense Authorization Act),可進入美國聯邦政府機關購買或安裝採購。
  3. 符合BLUE UAS,Blue UAS是美國國防創新小組(DIU)制定的無人機認證清單,為方便管理維護及管理國防部客戶的無人機系統。補充說明:美國國際無人系統協會(Association for Unmanned Vehicle Systems International,AUVSI)於2020年推出了藍色無人機計畫,為無人機系統進行網路安全評估及政策合規性檢查及認證,且而後針對小型無人機系統提出了Blue sUAS 1.0及Blue sUAS 2.0計畫,前者認證5個無人機系統,後者則認證了11個無人機系統。
     

圖6 美商FREEFLY展示無人機與控制器模組,強調美國製造符合NDAA、BLUE UAS認證

資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊(2024/10)
圖6 美商FREEFLY展示無人機與控制器模組,強調美國製造符合NDAA、BLUE UAS認證
 

五、臺灣無人機進入國際市場的創新發展機會

德國無人機產業分析機構Drone Industry Inside發布的報告預測,包含硬體、軟體及服務應用的全球無人機市場規模,在2023年為337億美元;預估2030年將成長到546億美元。顯示無人機產業相當具有發展潛力,在整體無人機市場中,應用服務占比超過8成,硬體占1成。

根據經濟部統計,目前國內投入零組件及整機系統整合業者約40餘家,系統整合商已開發10餘款商用機型,產值由從2021年新臺幣13.75億元成長至2023年新臺幣28.58億元。日前總統賴清德至嘉義「亞洲無人機AI創新應用研發中心」與無人機廠商座談,宣示期許我國無人機2030年產值將達到新臺幣400億元。根據2024年Drone Industry Insights(DII)在「無人機就緒指數」(DRI)的排名,臺灣為全球第3,僅次於英國和澳洲。臺灣已逐漸形成無人機產業鏈,具備有各種零組件、無人機與地面控制系統,以及多種服務應用。在無人機產品方面,目前國內廠商產品種類也包含了定翼機、多旋翼機、直升機等。

從產業鏈上中下游綜觀此次美國商業無人機展會,針對無人機產品提出以下三點觀察:

  • 在上游(包含:零組件、感測器、軟體系統)方面,展出的業者幾乎多著墨於感測器、分析軟體上;在硬體(馬達、電調、槳葉、飛控以及通訊模組等)展示上反而較少;相較之下,反而是陸商在無人機動力系統展出較多。
  • 在中游(無人機載具,各種構型整合及製造)方面,構型上垂直起降型VTOL機種很多已成為國際趨勢,許多企業更是強調美國製造、符合NDAA以及BLUE UAV等美國規範,並且可因應客戶需求定製化生產,可提供模組化、彈性化的無人機平台。
  • 在下游(服務應用)方面,美國當前重點發展在能源產業、建築業以及軍用市場等。因此,此次展會各國廠商展出在光學雷達測繪分析服務相當的多。


從美國目前測繪服務展出產品與案例來看,無人機已慢慢進入於石化、能源以及建築等產業當中應用,在無人機載具與負重上也進一步更新、客製化,包括負載力、長航程、氫動力、高安全性、抗風與耐候性以及視距外飛行等能力。以上這些都是今後國內可持續進行無人機產品與系統發展的重要方向與市場機會。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)

 


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更新日期:2024-10-24

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