陳本美 - 為無人機添上潛水衣｜博文通識
2024-05-03 12:54 
說起無人機，幾乎無人不知。從航拍、表演、物流遞送都不難發現「機」影。
讓我想起2003年在新加坡國立大學帶領團隊，研發無人機系統和無人系統技術，當年市面還沒有無人機發售，我們只好找來類近的遙控直升機，大幅改裝來做測試。
想不到才3、4年的光景，隨着電池、慣性傳感器、通訊晶片等產業鏈迅速成熟，研發成本下降，各類大小無人機湧現市場。現在入門版的無人機售價不過是300、400元而已，不難負擔，再加上具有高機動性及飛行不受限的優勢，無人機的應用更是無遠弗屆。
只需在無人機加上攝錄機、機械爪等相應器材，配以特定的系統程式，便可以執行各種任務，如地理測繪、野生動物監測、災害搶救及管理。
控制無人機最重要的技術是定位，在GPS協助下，它能肆意翱翔天際。可是，GPS不能穿透水，要在水下世界潛水行，靠的是聲納定位。於是我就想到向難度挑戰，研發入海能潛的兩棲無人機。
從飛天小烏龜到同濟飛魚
要是能突破水的樊籬，無人機的功能亦可大大擴展，例如監測跨海橋橋椿狀況、船身及船底、探測水下環境，即使在下雨天也能進行搜救和監測，以及許多潛在商業用途。
從2016年起，我便投入研究水空兩棲無人機。2年後加入中大，更覓得同濟大學上海自主智能無人系統科學中心為合作夥伴，我和該中心的陳杰院士領導由2校組成的研究團隊，繼續研究。
由於水下的能見度有限、水流多變，以及缺乏現成的參考特徵，種種因素導致要在水下環境中進行精確、可靠的定位更困難。如果要做到準確知道無人機於水下的位置及方向，我們首要是開發先進的傳感器套件和演算法。
此外，更要克服一些具有挑戰性的技術障礙，硬件設計是其一。為了確保它能在水空兩個環境中無縫切換地運作，我們在設計時側重優化其硬件設計，包括簡化了無人機的結構及減低重量，保證它在水空介質中都能順暢運行。其二，是確保機件防水。經過精心的工程設計，我們終開發出一部堅固、適應性強，能夠承受水空跨域航行的無人機。
研究團隊感到莫名興奮，參與的研究生還暱稱它為「飛天小烏龜」，既貼切又可愛。其後，我們命名它為「同濟飛魚」，「同濟」不止是同濟大學的意思，實指同舟共濟，合力完成；至於「飛魚」，也不用多解釋吧。
我們去年2月初發布「同濟飛魚」原型機，它重1.63公斤，航行時毋須人手操作，與一般的無人機飛行速度相若，即每秒飛數米；在水中的最高速度則為每秒2米，最深可去到水底3米。在充滿電的情況下，可在空中飛行6分鐘，在水中游弋40分鐘。
就像普通無人機般，「同濟飛魚」在空中飛行時，有4個螺旋槳朝上，以助於保持飛行。當降落在水面上時，它的4個螺旋槳反轉，面朝下將無人機拖入水，而每個螺旋槳都裝有特殊的變速箱推進裝置，可以用2種速度獨立旋轉，讓無人機可以輕鬆地在水中暢遊。當飛回水面時，它能自行甩掉機身的水。
「同濟飛魚」目前處於試驗階段，在操控系統上，我們會進一步提高自主性，最終目標是實現全自動設計，使它完全不需要人手監察或干預亦可獨立運行。
機身設計亦要完善，使其能夠運用於各個領域。需要改善的地方包括加大機身尺寸、添加額外的傳感器和有效載荷選項，以提高其數據收集和分析能力，期望可盡快推出市場。
監管法規落後
不得不提的是，儘管無人機技術發展一日千里，但相關法規卻未能跟上，飛行的領域、高度、時間，以至個人私隱、對財物及市民損害、保險賠償……都必須通盤考量和制訂。
汽車面世之初，英國1865年通過一部交通法案，規定一輛汽車要3人開，其中1人必須步行在車子前舉着紅旗，為汽車開道，車子不能超過紅旗，速度不能夠超過每小時4英里，相當於人類慢跑的速度。也因為這個被後人譏笑為《紅旗法案》，耽擱了英國汽車工業發展整整30年。希望無人機的發展不會重蹈覆轍。
文：香港中文大學機械及自動化工程學系教授陳本美
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文章刊於《星島日報》2024年5月3日教育版專欄「知識轉移」。
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