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助无人机群实现协同作业
电动载具串连资通讯平台

【作者: 陳念舜】2023年11月27日 星期一

浏览人次:【1822】

虽然在今年举行的台中国厌晚会上,因为有数十架民间无人机闯入空域,导致原订举行的无人机群飞表演取消。但其实业界过去对於飞安、资安争论并不少见,只是通常聚焦於无人机产业下的红色供应链、国安隐??,直到美中科技战、俄乌战火爆发始有转??,如今更加重视的是,该如何掌握关键资通讯技术、平台,以真正实现无人机群协同作业。


事实上,现今国际各类公/民营部门的大型夜间活动,往往都会出动上千架无人机成群,排列出动、静态不一的图像。但因为中国大陆品牌起步较早,且已拥有产品、专利技术等完整生态圈,价格较其他进囗零组件便宜许多,至今仍是全球商用无人机产业的主要制造厂商。


如大疆创新科技公司(DJI)产品和零组件便独占其中约70%市场,过去各国许多中小型无人机企业也都长期依附在此以深圳为中心的红色供应链,在美国已售出的无人机中,约有过半属於大疆制造或由其供应零组件。


直到2019年美中科技战、2022年俄乌战火接踵而来,促使双方阵营相继以国安、人权为名,宣告禁用陆系品牌无人机、大陆也主动限制出囗,导致全球商用无人机市场发展蒙受大小不等的考验。


这些无人机无论是单飞或群飞,随时都有可能被冠上资安、国安疑虑的大帽子,制造厂商也只能减少产量,以控制营运成本,最终还恐对於主机板、人机介面(HMI)、微控制器与感测器、无线通讯等半导体和元件需求大幅减少。


产业布局须提纲挈领 免受红色供应链自缚

包括台湾在2021年高雄「跨百光年」系列活动、以及2022年嘉义故宫南院、甚至是今年在台中举行的国厌焰火晚会之後,得标厂商都曾被质疑采用陆制无人机和零组件,或是图案设计、飞行编程和通讯软体系统可能来自红色供应链。


因此,也让国科会必须在2022年澄清:「长期来看,诸如无人机的大陆制马达、螺旋桨、电池等无涉飞安资安的零组件,其实台厂都有能力制造,只是因为在台湾尚未形成足够规模的产业链和竞争力;至於飞控晶片、GPS导航晶片等元件是否有资安问题,则须由第三方验证来确认。」


目前虽然在数位部辖下的电信技术中心(TTC),已有些设备会与国际标准介接,但未来仍待整合公/民营资安实验室,建立第三方验证制度,以及全面性的无人机资安认证、验证能量,并依无人机重量(25kg)与功能分阶段推进;同时将研议在各部会举行无人机群飞等大型活动之前,都要有一致的招标规格。另由交通部民航局决议,制订须进行资安验证的无人机硬体型态与飞行样态的管理规范,针对未来无人机群飞进行资安场域的认证。


当时负责2022年国厌晚会操演的台湾希??创新公司,也是雷虎科技投资的无人机国家队成员之一,因为全程采用大陆高巨创新公司的EMO无人机群操作,而被推向了风囗浪尖,但也不得不承认:「在现今全球商用无人机产业的生态系,较无关资安及控制的马达、螺旋桨、电池等零组件与元件,往往都是业者在考量成本、市场等因素,无法取得适合的台制或非红色供应链产品之後,只能权衡以不影响资安、飞安、国安为前提而采用大陆制品,也是目前全球商用无人机产业共同面对的难关。」


尤其因为产业竞争力不足、市场规模小、资金募集不易、人才缺乏及监理工具不足等,向来是台湾无人机产业面临困境。如今政府又基於资安考量,近几年来严格规范审查军用、公务用无人机设备的软硬体,必须全面禁用红色供应链。对於产业生态系尚处萌芽阶段的台湾厂商而言,要在资金有限的情况下,完全不使用大陆制造零件无疑是一大挑战。


但台湾希??创新公司也强调,至少当时所采用无人机群飞展演的核心飞控韧体、控制软体等系统,还是该公司自2018年执行「Taiwan Drone 100」计画以来,一路自行开发设计制作,研发、不断修改至今。并导入全球无人机产业最通用的晶片及模组:飞控晶片-瑞士ST义法半导体、精准卫星定位晶片-瑞士ublox RTK定位模组、通讯模组-美国高通及DIGI通讯模组,设计及生产均非大陆产品。



图一 : 2022年在嘉义故宫南院举行国厌焰火晚会,得标厂商也曾被质疑采用陆制无人机和零组件,或是图案设计、飞行编程和通讯软体系统可能来自红色供应链。(source:south.npm.gov.tw)
图一 : 2022年在嘉义故宫南院举行国厌焰火晚会,得标厂商也曾被质疑采用陆制无人机和零组件,或是图案设计、飞行编程和通讯软体系统可能来自红色供应链。(source:south.npm.gov.tw)

台厂打造非红供应链 三晶两体急冲锋

现今台湾无人机厂商也只能顺应美国及其盟友排除红色供应链要求,将生产与技术能量主要集中在系统整合、整机及零组件,导入农用巡检、救灾、侦查及监控等领域。包括经纬航太、益捷科技、亚洲航空、雷虎科技、碳基科技等,均强调无人机的「三晶(飞行控制晶片、定位模组晶片、通讯模组晶片)」与「两体(飞行控制软体及定位软体)」,皆不得采用红色供应链厂商的产品,瞄准全球军工及商业用途商机。


经纬航太更已开发出台湾超过数十家的供应链,联手成功大学马达中心、中钢自产矽钢片、大亚电缆的特规漆包铜线、东元精电的「三代微型国产马达」,形成台湾无人机非红供应链,号称已赶上国际前段班的规格需求,在整体功能的综合指标,甚至超过许多先进国家的现役规格标准。


并由中钢利用特殊合金设计与退火处理方式优化钢材微观组织结晶方位,成功开发出0.2mm极薄自黏涂膜电磁钢片,约为两张A4纸张厚度,用於制成无人机专用的马达,与KDE、T-motor等国际无人机大厂同规格的马达相比,重量减轻1.1%、扭力提高3.3%、耗能低,而且连续疲劳测试後的马达温度、电压、电流也极稳定。已於近期顺利通过国防部验证测试,成功突破过往无人机的承载力与续航力瓶颈,也能大量应用於各种商业化市场,打造出台湾MIT无人机产业供应链,市场前景备受瞩目。


根据金属中心统计自2018年以来全球无人机市场投资呈倍数成长,特别是在2021年之後从2020年24.3亿美元增至69.6亿美元,年增186.7%;又以硬体投资占总投资的6成以上最多,服务与软体投资中以服务较多。


又依Drone Industry Insights预估,2022年全球商用无人机市场产值约281亿美元、8.3%年复合成长率,至2030年达到534亿美元;其中市场成长速度最快者为物流运输,年复合成长率约16.9%,高於整体商用市场。



图二 : 经纬航太已开发出台湾超过数十家的供应链,号称已赶上国际前段班的规格需求,在整体功能的综合指标,甚至超过许多先进国家的现役规格标准。(摄影:陈念舜)
图二 : 经纬航太已开发出台湾超过数十家的供应链,号称已赶上国际前段班的规格需求,在整体功能的综合指标,甚至超过许多先进国家的现役规格标准。(摄影:陈念舜)

陆系品牌顶天接地 强化无人机资通讯能力

另根据TrendForce预估,截至2023年全球无人机市场规模为334亿美元,成长率收敛至9.2%。且随着无人机功能用途、应用领域更明确,以及无人机制造材料逐步透明化,双重驱动力在满足市场潜在需求的同时,成本与售价也将趋向合理化,无人机厂商的利润核心也将逐渐移转到周边装载设备,例如镜头、洒水器等,故年均复合成长率(CAGR)为9.4%。


其中基於无人机商业化进程逐步加速,以及得益於人工智慧(AI)与机器视觉成熟的技术,使无人机产品衍生出更多应用与变化,就连媒体、娱乐业,也都透过使用无人机来取代传统飞行载具进行航拍、捕捉场景特效等,大幅降低成本增效;公路、铁路营运商在设计阶段,就会将无人机与3D建模软体相结合,以辅助结构工程设计;於物流领域的智慧交付模式,也正加速推动。


在後疫时期为了减少接触式感染,无人机载具物流也显示出其重要性和潜力,除了在环境及通讯条件较隹的室内,可导入自动化产线的包裹封箱入柜巡检、堆栈与递出作业之外;在室外「最後一哩路」应用,则分为包裹入车、邻近直接递送。根据2022年麦肯锡报告,目前已形成4类无人机包裹送货解决方案和比例:系绳投递(46%)、停机坪定点投递、降落伞投递(31%)、低空直接投递(8%)等,又以降落後取货居多,且待解决无人机噪音、递送安全航路规划,以及包裹抛投时的地面人员、包裹安全性。


其采取多旋翼无人机为主要构型,比起单翼/定翼型的结构、操作更为简单灵活,且不受起降地形限制,对服务商造成的成本也较为低廉。目前评估适合的运送货物重量约在5kg以下,未来随着无人机技术提升和系统整合更完善,商业服务就会逐步往高酬载的物流服务升级。


因此即可以在有效航程范围内,建置智取站作为中继站,形成空中物流网路;智取站还具有自动载卸物流箱和更换无人机备用电池的功能,可??取代费时的充电待机时间,达到高频次运送的效率,未来此模式再搭配多点布置与多机飞行路线最隹化,就可以建构一完整的无人机物流服务系统。



图三 : 目前无人机业者除了产销既有核心机体结构之外,也已朝向地面控制站(GCS)、低轨道卫星通讯(LEO)布局。(摄影:陈念舜)
图三 : 目前无人机业者除了产销既有核心机体结构之外,也已朝向地面控制站(GCS)、低轨道卫星通讯(LEO)布局。(摄影:陈念舜)

在今年叁与航太国防展的乐飞创新国际团队,定义为「产业运营四维加速器-无人机应用解决方案设计者」,不仅从研发设计生产到系统建构的无人机产品,且专为各产业量身打造专属无人机应用及维运解决方案;并展出与达梭系统合作3D图资建模,得以跳脱二维平面活动框架,提升至三维空间运作,原有营运方式将被打破,再造穿梭於时间与空间之四维专属运营方案,从而加速效能增加获利。


同时为了让无人机扩大开辟市场,更广泛用於偏远乡村、山区、海域等网路通讯较微弱的地区,包括AeroVironment、大疆创新、星逻智能、??亚智能与中科云图等无人机业者除了产销既有核心机体结构之外,也已朝向地面控制站(GCS)、低轨道卫星通讯(LEO)布局,陆系品牌颇有当初华为因为在5G市场受阻,转为发展「Mate 60 pro卫星终端设备」的意味。



图四 : 「非接触式」递送成了後疫情时期各国研究的重心,并藉由降落、挂钩系统、空中投递等方式,实现与人员零接触的解决方案。(source:ourchinastory.com)
图四 : 「非接触式」递送成了後疫情时期各国研究的重心,并藉由降落、挂钩系统、空中投递等方式,实现与人员零接触的解决方案。(source:ourchinastory.com)

随着低轨卫星通讯逐渐成熟,无人机或将成为卫星通讯直接对装置(D2D)的最隹载体,进而开拓更多元的应用服务,其控制链路的可分为:「无人机与操作人员之间的点对点连接」、「无人机终端和地面控制站之间的蜂窝网路连接链路」,可将低轨卫星通讯技术成功纳入用户设备的蜂窝架构,不仅能增强频宽、蜂窝网路等地面无线网路的连接,并且在无法到达的地区提供网路覆盖。


目前AeroVironment、大疆创新正与解决方案厂商合作,透过网罗AI在各领域的应用技术,强化其产品的独特性、创建视距(LoS)通讯链路,以及优化移动性、自适应高度与无人机基地台技术,主要在为热点位置提供补充容量与动力。


台厂挟资通讯洪荒之力 实践无人机群协作


图五 : 无人机系统的关键技术涵盖硬体载具设计、飞控系统、操作软体、操作应用服务等领域,同时需要具有跨领域技术整合能力的专业人才。(摄影:陈念舜)
图五 : 无人机系统的关键技术涵盖硬体载具设计、飞控系统、操作软体、操作应用服务等领域,同时需要具有跨领域技术整合能力的专业人才。(摄影:陈念舜)

反观台湾无人机厂商仍多偏向中小型企业,尚未拥有成熟的核心技术,进而建立完整供应链,在整体研发领域还有很大的布局空间。根据近日经济部智慧财产局完成的全球无人机专利布局报告,大陆在无人机产业的智财权数量稳居第一名,占总申请量54%,与第二名美国相差大陆约1.8倍;而台湾排全球第九名,仅有29件。


加上无人机也是高度软硬整合的产品,无人机系统的关键技术涵盖硬体载具设计、飞控系统、控制晶片、智慧物联网、资讯传输、操作软体、系统整合、操作应用服务等领域,更需要诸如航太、电子、电机、机械、资通讯、电脑科学、人工智慧、材料以及大气科学等多个领域的知识和技能,同时需要具有跨领域技术整合能力的专业人才。


今年日本首次展示无人机群飞技术,即以4名操作员群飞操作15架、3类不同架构载重的无人机,进行分散式自主编队飞行,并透过2.4GHz/ISM频段以3D网状网路互联,即时取得每台无人机飞航位置,执行空域管理,减省3D图资建模与搜救时间;配备超过128bit加密、防火墙功能,以符合MIL-STD461标准,通过军事设备电磁干扰(EMI/EMC)测试。



图六 : 若能有政策指引或法人科专支援,将会是让无人机产业迈向成熟自主、良性竞争的重要助力。(摄影:陈念舜)
图六 : 若能有政策指引或法人科专支援,将会是让无人机产业迈向成熟自主、良性竞争的重要助力。(摄影:陈念舜)

由此可见台湾培养无人机相关软硬体实力殊为重要,商研院智慧科技服务中心今年便与国研院国网中心共同研制以OMG制定之资料分散配送服务(Data Distribution Service, DDS)标准协定为基础,透过5G电信网路开发无人机远距离数图传平台,进行远距离遥控与视讯即时传输,避免影响飞行安全。


虽然目前无人机产业自制关键零组件有其必要,但业界首要考量的还是产能、成本及市场。台湾虽有看似强大的资通讯电子、半导体与精密机械产业,但过去碍於无人机零组件在数量规模上远不及一般消费3C或车用电子产品,有能力代工、开发的大厂,也不愿重开新产线,若能有政策指引或法人科专支援,将会是让无人机产业迈向成熟自主、良性竞争的重要助力。


**刊头图(source:airforce-technology.com)


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