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2017-09-01天降神兵－捕捉雨水的脈動
573 期
Author 作者
王光華／成功大學全球觀測與資料分析中心副主任。莊嘉文／現為成功大學太空與電漿科學研究所博士生。陳炳志／國立成功大學太空與電漿科學所。
圖一：雨量計支架外觀。（林家慶攝影）
臺灣地區的豪大雨災害常見於梅雨季颱風季，又以颱風季最為顯著。近30 年來中央氣象局及其代管的雨量站多達816個，希望藉由這些雨量站捕捉詳盡的降雨資訊，進而提出因應天災的方法，譬如對災後重新分析土石流成因以及建立預警系統。然而，目前雨量站大多設置於車輛或維修人員易達處，山區因交通不便，雨量站的設置相對稀少。目前大部分深山地區皆無設置雨量站，若要建置自動雨量站，一個站的成本可高達數十萬元。本文所介紹之無人機可深入山區，到達交通不便之處量測雨量，且設置成本約5萬元左右。
輕型雨量計更能深入山區
目前我國所使用的雨量計採用全金屬結構，為了維護必須設置在車輛及人員容易到達處，平均約可使用10年。本計畫為了讓無人機帶雨量計深入山區，其設計必需輕量化。我們採用英國製造的輕型雨量計，重量200公克，採用塑膠材質，約可使用1年左右，且送請政府核可之臺灣大學水工實驗室進行雨量計誤差校驗，以預防觀測資料無效。
雨量計平台的設計考量山區不易找到水平面放置，因此從環境感測器中可取得傾斜度，藉此修正回垂直的降雨量。以氣象局的規範雨量計放置高度為120 公分，且需考慮避免側邊雨水濺入或避免樹葉及其他物體阻擋雨滴落入，又須防強風、防水、雨量計排水及防止設備過熱，各個組件的放置位置、電力消耗、重量以搭配無人飛機運送等。因此本團隊決定雨量計支架採用鋁合金材料，重量6.2 公斤。 最後完成的雨量計架構（圖一），三腳架可依草地或岩石地更換腳的材質，以增強穩定性。
圖二：雨量計無線感測-器組合圖。（林家慶攝影）
圖三：本計畫所使用之無人飛機。（林家慶攝影）
農藥噴灑無人飛機成功變身
無人飛機及物聯網通訊技術日益成熟，譬如美國亞馬遜公司以及谷歌公司提供的無人飛機送貨服務，預先規劃飛航航路模式，輸入無人飛機將送達的目的地，丟在客戶門前就回去了。本研究中所使用之無人飛機類似美國亞馬遜公司以及谷歌公司提供的無人飛機，而非目前未經管轄的無人飛機。但是因為山區地形複雜，地面不一定是平面或草地，而且物品重量比谷歌及亞馬遜的重很多，所以接近目標區時切換為人工模式。飛機上有攝影機將飛行航路情形傳送回來，如果距離超過2公里則必須要加電波中繼站。
我們將原本使用於噴灑農藥的無人飛機進行改裝（圖三），載重可達20公斤，滯空時間則達15~20分鐘，巡航速度約 20~30公里∕時。掛載方式曾考慮使用電磁鐵掛鉤及一般吊掛式掛鉤，經實測結果發現飛機起飛時，因雨量計支架體積過大，搖晃幅度增大，導致電磁鐵鬆脫，因而採用吊掛式掛鉤，可藉由繩子的緩衝，減少搖晃對飛機帶來的衝擊。
任務實施包含現場組裝，飛行前檢查，飛行路徑上傳。本計畫所使用之無人載具無需跑道起降，起降地仍需選擇視野開闊地區，以利起飛爬升及最後進場降落。飛行期間透過機上無線傳輸模組，即時追蹤無人飛機的姿態與方位、速度、總體電量等資訊。載具藉由自動飛航任務到達佈放雨量站地點上空時採用人工操控，佈放完成後即可切換成自動模式返航，每次飛行任務前皆進行風向及風速確認，並因應現地風向改變而重新產製導航點以確保飛航安全。……【更多內容請閱讀科學月刊第573期】