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助無人機群實現協同作業
電動載具串連資通訊平台
[作者 陳念舜]   2023年11月27日 星期一 瀏覽人次: [1877]

雖然在今年舉行的台中國慶晚會上,因為有數十架民間無人機闖入空域,導致原訂舉行的無人機群飛表演取消。但其實業界過去對於飛安、資安爭論並不少見,只是通常聚焦於無人機產業下的紅色供應鏈、國安隱憂,直到美中科技戰、俄烏戰火爆發始有轉圜,如今更加重視的是,該如何掌握關鍵資通訊技術、平台,以真正實現無人機群協同作業。


事實上,現今國際各類公/民營部門的大型夜間活動,往往都會出動上千架無人機成群,排列出動、靜態不一的圖像。但因為中國大陸品牌起步較早,且已擁有產品、專利技術等完整生態圈,價格較其他進口零組件便宜許多,至今仍是全球商用無人機產業的主要製造廠商。


如大疆創新科技公司(DJI)產品和零組件便獨占其中約70%市場,過去各國許多中小型無人機企業也都長期依附在此以深圳為中心的紅色供應鏈,在美國已售出的無人機中,約有過半屬於大疆製造或由其供應零組件。


直到2019年美中科技戰、2022年俄烏戰火接踵而來,促使雙方陣營相繼以國安、人權為名,宣告禁用陸系品牌無人機、大陸也主動限制出口,導致全球商用無人機市場發展蒙受大小不等的考驗。


這些無人機無論是單飛或群飛,隨時都有可能被冠上資安、國安疑慮的大帽子,製造廠商也只能減少產量,以控制營運成本,最終還恐對於主機板、人機介面(HMI)、微控制器與感測器、無線通訊等半導體和元件需求大幅減少。


產業布局須提綱挈領 免受紅色供應鏈自縛

包括台灣在2021年高雄「跨百光年」系列活動、以及2022年嘉義故宮南院、甚至是今年在台中舉行的國慶燄火晚會之後,得標廠商都曾被質疑採用陸製無人機和零組件,或是圖案設計、飛行編程和通訊軟體系統可能來自紅色供應鏈。


因此,也讓國科會必須在2022年澄清:「長期來看,諸如無人機的大陸製馬達、螺旋槳、電池等無涉飛安資安的零組件,其實台廠都有能力製造,只是因為在台灣尚未形成足夠規模的產業鏈和競爭力;至於飛控晶片、GPS導航晶片等元件是否有資安問題,則須由第三方驗證來確認。」


目前雖然在數位部轄下的電信技術中心(TTC),已有些設備會與國際標準介接,但未來仍待整合公/民營資安實驗室,建立第三方驗證制度,以及全面性的無人機資安認證、驗證能量,並依無人機重量(25kg)與功能分階段推進;同時將研議在各部會舉行無人機群飛等大型活動之前,都要有一致的招標規格。另由交通部民航局決議,制訂須進行資安驗證的無人機硬體型態與飛行樣態的管理規範,針對未來無人機群飛進行資安場域的認證。


當時負責2022年國慶晚會操演的台灣希望創新公司,也是雷虎科技投資的無人機國家隊成員之一,因為全程採用大陸高巨創新公司的EMO無人機群操作,而被推向了風口浪尖,但也不得不承認:「在現今全球商用無人機產業的生態系,較無關資安及控制的馬達、螺旋槳、電池等零組件與元件,往往都是業者在考量成本、市場等因素,無法取得適合的台製或非紅色供應鏈產品之後,只能權衡以不影響資安、飛安、國安為前提而採用大陸製品,也是目前全球商用無人機產業共同面對的難關。」


尤其因為產業競爭力不足、市場規模小、資金募集不易、人才缺乏及監理工具不足等,向來是台灣無人機產業面臨困境。如今政府又基於資安考量,近幾年來嚴格規範審查軍用、公務用無人機設備的軟硬體,必須全面禁用紅色供應鏈。對於產業生態系尚處萌芽階段的台灣廠商而言,要在資金有限的情況下,完全不使用大陸製造零件無疑是一大挑戰。


但台灣希望創新公司也強調,至少當時所採用無人機群飛展演的核心飛控韌體、控制軟體等系統,還是該公司自2018年執行「Taiwan Drone 100」計畫以來,一路自行開發設計製作,研發、不斷修改至今。並導入全球無人機產業最通用的晶片及模組:飛控晶片–瑞士ST義法半導體、精準衛星定位晶片–瑞士ublox RTK定位模組、通訊模組–美國高通及DIGI通訊模組,設計及生產均非大陸產品。



圖一 : 2022年在嘉義故宮南院舉行國慶燄火晚會,得標廠商也曾被質疑採用陸製無人機和零組件,或是圖案設計、飛行編程和通訊軟體系統可能來自紅色供應鏈。(source:south.npm.gov.tw)
圖一 : 2022年在嘉義故宮南院舉行國慶燄火晚會,得標廠商也曾被質疑採用陸製無人機和零組件,或是圖案設計、飛行編程和通訊軟體系統可能來自紅色供應鏈。(source:south.npm.gov.tw)

台廠打造非紅供應鏈 三晶兩體急衝鋒

現今台灣無人機廠商也只能順應美國及其盟友排除紅色供應鏈要求,將生產與技術能量主要集中在系統整合、整機及零組件,導入農用巡檢、救災、偵查及監控等領域。包括經緯航太、益捷科技、亞洲航空、雷虎科技、碳基科技等,均強調無人機的「三晶(飛行控制晶片、定位模組晶片、通訊模組晶片)」與「兩體(飛行控制軟體及定位軟體)」,皆不得採用紅色供應鏈廠商的產品,瞄準全球軍工及商業用途商機。


經緯航太更已開發出台灣超過數十家的供應鏈,聯手成功大學馬達中心、中鋼自產矽鋼片、大亞電纜的特規漆包銅線、東元精電的「三代微型國產馬達」,形成台灣無人機非紅供應鏈,號稱已趕上國際前段班的規格需求,在整體功能的綜合指標,甚至超過許多先進國家的現役規格標準。


並由中鋼利用特殊合金設計與退火處理方式優化鋼材微觀組織結晶方位,成功開發出0.2mm極薄自黏塗膜電磁鋼片,約為兩張A4紙張厚度,用於製成無人機專用的馬達,與KDE、T-motor等國際無人機大廠同規格的馬達相比,重量減輕1.1%、扭力提高3.3%、耗能低,而且連續疲勞測試後的馬達溫度、電壓、電流也極穩定。已於近期順利通過國防部驗證測試,成功突破過往無人機的承載力與續航力瓶頸,也能大量應用於各種商業化市場,打造出台灣MIT無人機產業供應鏈,市場前景備受矚目。


根據金屬中心統計自2018年以來全球無人機市場投資呈倍數成長,特別是在2021年之後從2020年24.3億美元增至69.6億美元,年增186.7%;又以硬體投資占總投資的6成以上最多,服務與軟體投資中以服務較多。


又依Drone Industry Insights預估,2022年全球商用無人機市場產值約281億美元、8.3%年複合成長率,至2030年達到534億美元;其中市場成長速度最快者為物流運輸,年複合成長率約16.9%,高於整體商用市場。



圖二 : 經緯航太已開發出台灣超過數十家的供應鏈,號稱已趕上國際前段班的規格需求,在整體功能的綜合指標,甚至超過許多先進國家的現役規格標準。(攝影:陳念舜)
圖二 : 經緯航太已開發出台灣超過數十家的供應鏈,號稱已趕上國際前段班的規格需求,在整體功能的綜合指標,甚至超過許多先進國家的現役規格標準。(攝影:陳念舜)

陸系品牌頂天接地 強化無人機資通訊能力

另根據TrendForce預估,截至2023年全球無人機市場規模為334億美元,成長率收斂至9.2%。且隨著無人機功能用途、應用領域更明確,以及無人機製造材料逐步透明化,雙重驅動力在滿足市場潛在需求的同時,成本與售價也將趨向合理化,無人機廠商的利潤核心也將逐漸移轉到周邊裝載設備,例如鏡頭、灑水器等,故年均複合成長率(CAGR)為9.4%。


其中基於無人機商業化進程逐步加速,以及得益於人工智慧(AI)與機器視覺成熟的技術,使無人機產品衍生出更多應用與變化,就連媒體、娛樂業,也都透過使用無人機來取代傳統飛行載具進行航拍、捕捉場景特效等,大幅降低成本增效;公路、鐵路營運商在設計階段,就會將無人機與3D建模軟體相結合,以輔助結構工程設計;於物流領域的智慧交付模式,也正加速推動。


在後疫時期為了減少接觸式感染,無人機載具物流也顯示出其重要性和潛力,除了在環境及通訊條件較佳的室內,可導入自動化產線的包裹封箱入櫃巡檢、堆棧與遞出作業之外;在室外「最後一哩路」應用,則分為包裹入車、鄰近直接遞送。根據2022年麥肯錫報告,目前已形成4類無人機包裹送貨解決方案和比例:繫繩投遞(46%)、停機坪定點投遞、降落傘投遞(31%)、低空直接投遞(8%)等,又以降落後取貨居多,且待解決無人機噪音、遞送安全航路規劃,以及包裹拋投時的地面人員、包裹安全性。


其採取多旋翼無人機為主要構型,比起單翼/定翼型的結構、操作更為簡單靈活,且不受起降地形限制,對服務商造成的成本也較為低廉。目前評估適合的運送貨物重量約在5kg以下,未來隨著無人機技術提升和系統整合更完善,商業服務就會逐步往高酬載的物流服務升級。


因此即可以在有效航程範圍內,建置智取站作為中繼站,形成空中物流網路;智取站還具有自動載卸物流箱和更換無人機備用電池的功能,可望取代費時的充電待機時間,達到高頻次運送的效率,未來此模式再搭配多點布置與多機飛行路線最佳化,就可以建構一完整的無人機物流服務系統。



圖三 : 目前無人機業者除了產銷既有核心機體結構之外,也已朝向地面控制站(GCS)、低軌道衛星通訊(LEO)布局。(攝影:陳念舜)
圖三 : 目前無人機業者除了產銷既有核心機體結構之外,也已朝向地面控制站(GCS)、低軌道衛星通訊(LEO)布局。(攝影:陳念舜)

在今年參與航太國防展的樂飛創新國際團隊,定義為「產業運營四維加速器–無人機應用解決方案設計者」,不僅從研發設計生產到系統建構的無人機產品,且專為各產業量身打造專屬無人機應用及維運解決方案;並展出與達梭系統合作3D圖資建模,得以跳脫二維平面活動框架,提升至三維空間運作,原有營運方式將被打破,再造穿梭於時間與空間之四維專屬運營方案,從而加速效能增加獲利。


同時為了讓無人機擴大開闢市場,更廣泛用於偏遠鄉村、山區、海域等網路通訊較微弱的地區,包括AeroVironment、大疆創新、星邏智能、复亞智能與中科雲圖等無人機業者除了產銷既有核心機體結構之外,也已朝向地面控制站(GCS)、低軌道衛星通訊(LEO)布局,陸系品牌頗有當初華為因為在5G市場受阻,轉為發展「Mate 60 pro衛星終端設備」的意味。



圖四 : 「非接觸式」遞送成了後疫情時期各國研究的重心,並藉由降落、掛鉤系統、空中投遞等方式,實現與人員零接觸的解決方案。(source:ourchinastory.com)
圖四 : 「非接觸式」遞送成了後疫情時期各國研究的重心,並藉由降落、掛鉤系統、空中投遞等方式,實現與人員零接觸的解決方案。(source:ourchinastory.com)

隨著低軌衛星通訊逐漸成熟,無人機或將成為衛星通訊直接對裝置(D2D)的最佳載體,進而開拓更多元的應用服務,其控制鏈路的可分為:「無人機與操作人員之間的點對點連接」、「無人機終端和地面控制站之間的蜂窩網路連接鏈路」,可將低軌衛星通訊技術成功納入用戶設備的蜂窩架構,不僅能增強頻寬、蜂窩網路等地面無線網路的連接,並且在無法到達的地區提供網路覆蓋。


目前AeroVironment、大疆創新正與解決方案廠商合作,透過網羅AI在各領域的應用技術,強化其產品的獨特性、創建視距(LoS)通訊鏈路,以及優化移動性、自適應高度與無人機基地台技術,主要在為熱點位置提供補充容量與動力。


台廠挾資通訊洪荒之力 實踐無人機群協作


圖五 : 無人機系統的關鍵技術涵蓋硬體載具設計、飛控系統、操作軟體、操作應用服務等領域,同時需要具有跨領域技術整合能力的專業人才。(攝影:陳念舜)
圖五 : 無人機系統的關鍵技術涵蓋硬體載具設計、飛控系統、操作軟體、操作應用服務等領域,同時需要具有跨領域技術整合能力的專業人才。(攝影:陳念舜)

反觀台灣無人機廠商仍多偏向中小型企業,尚未擁有成熟的核心技術,進而建立完整供應鏈,在整體研發領域還有很大的布局空間。根據近日經濟部智慧財產局完成的全球無人機專利布局報告,大陸在無人機產業的智財權數量穩居第一名,占總申請量54%,與第二名美國相差大陸約1.8倍;而台灣排全球第九名,僅有29件。


加上無人機也是高度軟硬整合的產品,無人機系統的關鍵技術涵蓋硬體載具設計、飛控系統、控制晶片、智慧物聯網、資訊傳輸、操作軟體、系統整合、操作應用服務等領域,更需要諸如航太、電子、電機、機械、資通訊、電腦科學、人工智慧、材料以及大氣科學等多個領域的知識和技能,同時需要具有跨領域技術整合能力的專業人才。


今年日本首次展示無人機群飛技術,即以4名操作員群飛操作15架、3類不同架構載重的無人機,進行分散式自主編隊飛行,並透過2.4GHz/ISM頻段以3D網狀網路互聯,即時取得每台無人機飛航位置,執行空域管理,減省3D圖資建模與搜救時間;配備超過128bit加密、防火牆功能,以符合MIL-STD461標準,通過軍事設備電磁干擾(EMI/EMC)測試。



圖六 : 若能有政策指引或法人科專支援,將會是讓無人機產業邁向成熟自主、良性競爭的重要助力。(攝影:陳念舜)
圖六 : 若能有政策指引或法人科專支援,將會是讓無人機產業邁向成熟自主、良性競爭的重要助力。(攝影:陳念舜)

由此可見台灣培養無人機相關軟硬體實力殊為重要,商研院智慧科技服務中心今年便與國研院國網中心共同研製以OMG制定之資料分散配送服務(Data Distribution Service, DDS)標準協定為基礎,透過5G電信網路開發無人機遠距離數圖傳平台,進行遠距離遙控與視訊即時傳輸,避免影響飛行安全。


雖然目前無人機產業自製關鍵零組件有其必要,但業界首要考量的還是產能、成本及市場。台灣雖有看似強大的資通訊電子、半導體與精密機械產業,但過去礙於無人機零組件在數量規模上遠不及一般消費3C或車用電子產品,有能力代工、開發的大廠,也不願重開新產線,若能有政策指引或法人科專支援,將會是讓無人機產業邁向成熟自主、良性競爭的重要助力。


**刊頭圖(source:airforce-technology.com)


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