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研究生:林智毅
研究生(外文):Zhi-Yi Lin
論文名稱:無人飛機設計與實作
論文名稱(外文):UnmannedAerialVehicle Design and Practice
指導教授:林中彥林中彥引用關係
指導教授(外文):Chung-Yan Lin
學位類別:碩士
校院名稱:國立虎尾科技大學
系所名稱:航空與電子科技研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:268
中文關鍵詞:遙控飛機無人飛機飛機飛行原理
外文關鍵詞:R/C aircraftUAVflight theory of aircraftR/C model aircraft design
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由於近年來機械加工與電子技術不斷進步,許多無人飛機的零組件不斷精進、更加精緻化且成本降低,而零組件之性能與可靠度亦大幅提升,因此注重於自己設計並製造無人飛機與飛行的參與者近年來呈倍數成長。然而目前無人飛機的設計與實作文獻不足,因此多數入門者須藉由師徒式的指導,並由錯誤中經驗累積,憑想像完成各式飛機,並不真正了解與無人飛機相關之空氣動力學、動力、控制、材料與結構等等之理論基礎。此外,現有的飛機設計與製造的書籍偏重學理與學術理論,不符合國內高中至大學低年級之學生程度之需求。
本論文之目的為填補這個空缺,藉由廣泛蒐集文獻與整理,加上實際製作之說明與指引,希望能提供一本參考書籍,對無人飛機設計理論、飛行原理與基礎、基本控制、結構設計概念與製造,系統安裝、所有製作細節過程以及試飛等,都有敘述,希望能降低入門至初階的無人飛機參與者的門檻,提升國內高中及大學校院的參與。
本研究共分為飛行基礎理論、無人飛機製造與實務、載重飛機設計製造專案和航拍任務設計規劃等四個主要部分,希望藉由本文降低無人飛機的學習門檻,並對無人飛機社群能有一些貢獻。


In recent years, due to the developing of mechanical processes and electrical technology, components of UAVs become more and more refining and much more reliable, with lower cost. Therefore, increasing number of people participate in designing and producing UAVs by themselves. However, those beginners usually do lack of theoretical and technology background about design and manufacture of UAVs. Most of beginners learn through instructors and make common mistakes during the attempt of making UAVs with only imagination and a few experiences. In practical, the suitable usage of theories of aerodynamics, dynamics, control systems, and mechanics of material have been proved to be very useful for beginners. In addition, most of the current available reference books of aircraft design and manufacture focus on academic theories which are not suitable for people without engineering background and students under sophomore.
The purpose of this thesis is therefore to full fill the lack just mentioned above. In order to provide a reference book, UAVs design theory, principles of flight and control, the concept of structural design and manufacturing, system installation, details of the production process and the flight test are some main topics to be covered. Four major parts assemble this thesis; they are primary flight theory and control, manufacture processes, an air vehicle design example for air cargo competition, and a flight plan for an aerial photo mission. This thesis which lowers the requirement and barrier about understanding UAV will help people who are interesting in UAV.


摘要....................................i
英文摘要.................................iii
誌謝....................................v
目錄....................................vii
表目錄..................................xi
圖目錄..................................xiii
第一章 緒論..............................1
1.1 前言................................1
1.2 UAV發展歷史與文獻回顧..................2
1.3 研究動機及研究目的.....................3
1.4 各章節概述............................4
第一部 分飛機飛行基礎理論....................6
第二章 機翼與流體力學........................7
2.1 飛機受力基礎理論.........................7
2.2 專有名詞解釋............................18
第三章 動力系統..............................32
3.1 電動馬達與電池...........................32
3.1 電動馬達................................32
3.2 內燃機..................................42
3.3 渦輪噴射引擎.............................44
第四章 無人飛機飛行控制........................46
4.1 飛操面..................................47
4.2 遙控器簡介...............................51
4.3 基礎飛行操作.............................53
第五章 飛機結構受力傳導與材料力學................58
第六章 平衡..................................67
6.1 重心 ...................................68
6.2 翼面配置.................................69
6.3 載重平衡.................................73
第二部 分無人飛機製造實務.......................75
第七章 材料與工具..............................76
7.1 材料種類..................................76
7.2 工具種類..................................92
第八章 飛機外型與成形............................98
8.1 機身......................................98
8.2 機翼......................................112
第九章 飛操面設置與安裝...........................129
9.1 飛操面製作..................................129
9-2 飛操面控制與安裝.............................135
第十章 基本操控設備..............................138
10.1 遙控與電裝.................................138
10.2 發射機....................................139
10.3 電裝......................................141
10.4 佈線方法與安裝規範...........................146
第十一章 動力系統安裝..............................149
11.1 電動馬達....................................149
11.2 內燃機......................................151
第三部分 載重飛機設計製造專案........................154
第十二章 電動載重飛機任務需求與構型選擇................157
12.1 飛行任務剖面.................................157
12.2 評分標準....................................158
12.3 飛機概念設計.................................159
第十三章 細部設計與製造.............................184
13.1 起落架構型..................................184
13.2 馬達固定座..................................184
13.3 可調式攻角機構...............................186
13.4 製造過程....................................187
第十四章 試飛與測試................................193
14.1 第一階段試飛.................................193
14.2 第二階段試飛.................................194
14.3 耗電量紀錄...................................196
第四部份 電動載重空拍飛機設計專案.....................198
第十五章 飛航任務設計規劃............................201
15.1 任務需求分析與概念設計..........................204
第十六章 初步設計...................................212
16.1. 機體設計.....................................212
16.2. 動力設計.....................................214
16.3. 機翼設計.....................................217
第十七章 細部設計....................................226
17.1 製造過程與結果..................................230
第十八章 實測結果與試飛...............................252
18.1. 動力測試.....................................252
18.2 第一階段飛行測試................................254
18.3. 第二階段飛行測試...............................255
18.4 結論..........................................257
參考文獻............................................260
英文大綱 ...........................................265
簡歷................................................268


[1]詹文洲,2009,參數設計法應用於無人飛行載具先期構想設計階段之探討,逢甲大學航太與系統工程學系碩士論文。
[2] A. M. Low''s "Aerial Target"介紹網頁, http://www.ctie.monash.edu.au/hargrave/rpav_britain.html。
[3] 飛行工程概論 – 全華科技圖書股份有限公司。
[4] X-31參考圖片,
http://themekgpproject.com/gallery/2/displayimage.php?pid=3199。
[5]維基百科 – 牛頓定律第三運動定律。
[6] 推力估算網頁,http://www.badcock.net/cgi-bin/powertrain/propconst.cgi。
[7] 維基百科 – 柏努力定律。
[8] John D. Anderson, Jr. Introduction to Flight . Chapter5 P264。
[9] John D. Anderson, Jr. Introduction to Flight . Chapter5 P276。
[10] Google圖片搜索-翼尖渦流圖片。
[11] 維基百科 – 寄生阻力。
[12] 寄生阻力關係曲線圖,http://zh.wikipedia.org/wiki/File:Drag_Curve_2.jpg。
[13] 波動阻力關係曲線圖,http://zh.wikipedia.org/wiki/File:Qualitive_variation_of_cd_with_mach_number.png。
[14] NASA X-15 超音速模擬測試,http://up-ship.com/blog/?m=201108&paged=2。
[15]Profili 2機翼分析軟體。
[16] Flite Test R/C Word- http://flitetest.com/。
[17] 維基百科–雷諾數。
[18] 螺旋槳螺距示意圖- Google。
[19] 林慶曜,直流有刷馬達與無刷馬達之差異與比較,高雄縣中山工商。
[20] 無刷馬達控制原理網頁-Microchip Application note AN875。
[21] RC Mania發動機級別定義– www.rcmania.hk。
[22] 國外NEM hobby購物網-http://www.nemhobby.com/。
[23] 基本飛行控制介紹網頁,http://controlfreaksrc.com/basics-of-flight/。
[24] 滑翔機飛行示意圖- Google。
[25] 維基百科,SU-47。
[26] 中華民國保麗龍回收再生協會-包裝用保麗龍常識篇。
[27] 白楊木介紹網頁,http://tw.myblog.yahoo.com/jw!ueHr0aCBGAJWet6TvD_lQrZDMw--/article?mid=1336&prev=1337&next=1335。
[28] 維基百科 - 複合材料。
[29] 精準模型購物網,Futaba 4動作接收機。
[30] 無刷馬達相位介紹網頁。
[31] Google 圖片搜尋,kingtech turbine。
[32] 2013台灣無人飛機科技論壇論文集。
[33] 2013台灣無人飛機設計競賽規則,http://www.iaa.ncku.edu.tw/~whlai/uav/2013/index.html。
[34]飛機介紹網站,http://www.warbirdalley.com/an2.htm。
[35] Andy Lennon Basics of R/C Model Aircraft Design.Chapter5.P23。
[36]艾伯特推力估算網頁,http://www.crrcpro.cn/prop_thrust.html。
[37]常用金屬材料比重表網頁,http://www.ab126.com/metal/1662.html。
[38] Ardu pilot Mega2.5原廠介紹網站,https://code.google.com/p/ardupilot-mega/。
[39] 運動型攝影機Gopro Hero3原廠介紹網站,http://gopro.com/cameras/hd-hero3-black-edition。
[40] 波音飛機機體數據網站 c-17 ,http://www.boeing.com/boeing/commercial/airports/plan_manuals.page。
[41] 波音飛機機體數據網站 B787-8,
http://www.boeing.com/assets/pdf/commercial/airports/acaps/787.pdf。
[42] 波音飛機機體數據網站 B747-8,
http://www.boeing.com/assets/pdf/commercial/airports/acaps/747_8.pdf。
[43] 維基百科–協和號,http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8D%8F%E5%92%8C%E9%A3%9E%E6%9C%BA。
[44] Andy Lennon Basics of R/C model Aircraft Design Chapter25 P125。
[45] Andy Lennon Basics of R/C model Aircraft Design Chapter7 P32。
[46] UAV資料庫-www.unmanned.co.uk。
[47] 機型機翼資料庫-http://www.aerofiles.com/airfoils.html。
[48] 遙控飛行模型載具的基本設計原理網址,http://live.ntsec.edu.tw/LiveSupply-Content.aspx?cat=6843&a=6829&fld=&key=&isd=1&icop=10&p=1&lsid=8337。
[49] Andy Lennon Basics of R/C model Aircraft Design Chapter7 P42。
[50] Andy Lennon Basics of R/C model Aircraft Design Chapter5 P22。
[51] 維基百科-漸縮比。
[52] Andy Lennon Basics of R/C model Aircraft Design Chapter5 P22。
[53] Andy Lennon Basics of R/C model Aircraft Design Chapter10 P49。
[54] Andy Lennon Basics of R/C model Aircraft Design Chapter14 P65。
[55] solidwork 2010繪製。
[56] 推力估算網頁,http://www.gobrushless.com/testing/thrust_calculator.php?prop=50&rb1=1&Value=8000&Altitude=0&submit=Calculate+Now。
[57] 國外飛機設計介紹網頁,http://www.zenithair.com/stolch801/design/design.html


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