UAV
- 又稱: drone, unmanned aerial vehicle, UAS, unmanned aircraft system, quadcopter, multirotor
- 類別: Mechanical structure › Robot morphologies
- 標籤: drone, uav, aerial-robot
機上沒有駕駛的飛行機器人，從手掌大小的四旋翼無人機到定翼機都有，用於巡檢、配送與測繪。
定義
無人機（UAV）是機上沒有人類駕駛、自行運作的飛行機器人。無人機的範圍從重量不到 250 公克、手掌大小的四旋翼機，到翼展超過 20 公尺的定翼機，是商業上最成功的機器人類別之一，應用遍及農業、營建、物流、影視拍攝、緊急應變與科學研究。
無人機的構型分為三大類。多旋翼機（四旋翼、六旋翼、八旋翼）以多個旋轉的螺旋槳產生升力並進行控制。它們擅長懸停、垂直起降與精確的位置控制，因此非常適合巡檢、攝影與室內飛行。它們的主要限制是續航力：由於持續懸停耗能，通常只有 20–40 分鐘。定翼無人機靠翼面產生升力，必須向前移動才能保持在空中。它們的續航力大幅延長（以小時而非分鐘計），速度也更快，適合大範圍測繪、農業調查與長程配送。它們的限制是無法懸停，而且需要跑道或發射裝置。VTOL（垂直起降）複合機兼具兩者：像多旋翼機一樣起降，但在巡航時轉換為高效率的定翼飛行，以機械複雜度為代價取得兩者的優點。
自主無人機系統整合了多種感測與運算技術。GPS/GNSS 提供戶外導航所需的全域位置。慣性量測單元 (IMU)（加速度計與陀螺儀）以數百 Hz 量測姿態與角速度，用於飛行穩定。氣壓計提供高度估計。在沒有 GPS 的環境中（室內、樹冠下、城市峽谷），無人機會使用結合攝影機影像與 IMU 資料的視覺慣性里程計（VIO），或以光達（LiDAR）為基礎的 SLAM 進行即時建圖與定位。
飛行控制器是以 1–8 kHz 執行控制迴路的專用微處理器，根據 IMU 回饋調整馬達轉速來穩定飛行器。更高層的自主功能（任務規劃、避障、路徑跟隨）則在協同電腦上執行。PX4 與 ArduPilot 等開源平台提供達到量產等級的飛行控制軟體，同時用於研究與商業產品。
法規環境對無人機的部署有重大影響。大多數國家要求註冊與操作人員認證，並限制在機場附近、人群上方以及超出目視範圍（BVLOS）的飛行。BVLOS 作業對配送與長程巡檢不可或缺，隨著偵測與避讓技術成熟，正逐步獲得核准。
為何重要
無人機是商業上最成熟、部署最廣的移動機器人類別。全球無人機市場在 2025 年超過 300 億美元，推動力來自農業（作物監測與噴灑）、基礎設施巡檢（橋梁、電力線、基地台鐵塔）、測繪與調查、影視拍攝，以及新興的配送服務。無人機展示了機器人技術跨過大規模採用的成本效能門檻時會發生什麼：它們讓空中資料蒐集與介入作業不再只屬於負擔得起有人駕駛飛機的組織，小型企業與個人操作者也能使用，從而改變了許多產業。
主要應用
- 農業監測與噴灑：以多光譜攝影機描繪作物健康狀況，並精準噴灑農藥或肥料
- 基礎設施巡檢：不需鷹架或人員攀爬，就能目視檢查橋梁、風力發電機、電力線與基地台鐵塔
- 測繪與調查：從空拍影像產生高解析度的正射鑲嵌圖、3D 點雲與地形圖
- 包裹配送：在城市與鄉村地區進行醫療用品、包裹與食物的最後一哩配送
- 搜救：以熱成像攝影機在大範圍區域中搜尋失蹤者，速度比地面團隊更快
- 營建監測：追蹤進度、比對竣工狀態與設計模型，並量測料堆體積
實際應用
Zipline 營運全球最大的自主無人機配送網路，服務盧安達、迦納、肯亞與美國的 4,000 多家醫療機構。它的定翼無人機以彈射系統從配送中心起飛，在最高 120 公尺的高度以 110 km/h 巡航，並在送達地點不降落、以降落傘投下包裹的方式配送醫療用品，包括血液製品、疫苗與藥品。之後飛機返航，由攔截索系統接住。每架無人機都使用帶有即時風力補償的 GPS 自主導航，並與中央作業系統通訊，由該系統在多個同時進行的任務之間排解航線衝突。
常見誤解
- 所有無人機都是四旋翼機：無人機包括定翼機、VTOL 複合機、單旋翼直升機，甚至撲翼設計；合適的構型取決於任務剖面
- 無人機哪裡都能飛：在大多數國家，空域法規限制在機場附近、人群上方、特定高度以上以及超出目視範圍的飛行；商業作業需要許可
- 要延長飛行時間只需要更大的電池：電池重量會提高升力需求，造成報酬遞減；定翼設計或複合式 VTOL 比加大電池更能有效解決續航問題
- GPS 足以應付所有無人機導航：GPS 精度（2-5 公尺）不足以應付近距離巡檢或室內飛行；這些應用需要視覺慣性里程計、光達（LiDAR）或 RTK GPS
誰需要了解
- 開發自主空中系統的機器人工程師
- 使用無人機進行測繪與調查資料蒐集的 GIS 專業人員
- 推動精準農業的農業科技專家
- 評估以無人機進行巡檢之計畫的基礎設施管理者
- 對空中平台與飛行控制有興趣的機器人學學生
相關技術
- PX4 Autopilot
- ArduPilot
- 用於無人機的 ROS 2
- 視覺慣性里程計
- RTK GPS
- 偵測與避讓系統
- 攝影測量
相關專案
- ArduPilot: World's most trusted open-source autopilot for drones, planes, rovers, and submarines
- PX4 Autopilot: Open-source flight control software for drones and other unmanned vehicles
- Paparazzi UAV: Complete university-developed open-source UAV system for research and fixed-wing drones
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- MRS UAV System: CTU Prague's full UAV control and estimation stack for research and field deployment
- PULP-Dronet: Visual navigation for nano-drones with CNN inference onboard a PULP processor.
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