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要穿越只需打開一個APP:《歷史地圖散步》帶你走進百年老照片現場

研之有物│中央研究院_96
・2019/08/28 ・4641字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 481 ・五年級

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本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

採訪編輯|王怡蓁、美術編輯|張語辰

《歷史地圖散步》團隊專訪

「很多讀者拿到書和 APP 的第一步,會先找自己家在哪裡,然後發現自己的家一百年前可能是墓仔埔、或在河道裡面。」中研院的「歷史地圖散步」系列製作團隊,結合耐人尋味的老照片、臺灣百年歷史地圖、與現今的 Google 地圖街景,將整個城市變成故事展覽館。

做這個專案的職業病是,古今地名混用。有時候會在電話中跟別人說:「我下禮拜要去榮町…」

《臺北歷史地圖散步》專案企劃黃冠華,打趣地說。榮町在哪?其實是日治時期臺北最繁榮的區域,古時又稱「臺北銀座」,範圍在現今臺北車站附近的衡陽路、博愛路、寶慶路一帶。

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臺北館前路、衡陽路的老照片、與現今 Google 地圖街景對照。
圖片來源│臺北歷史地圖 APP

而場景來到臺中,可看見《臺中歷史地圖散步》主編賴萱珮奔波的身影。「我請家人開車載我到各個老照片地點,搶在不會逆光的時間,拍下一張張當今地景對照、收入書中。」

有了古今照片之後,就換編輯賴國峰等成員大顯身手,將老照片美美地套入 Google 地圖定位。「但有時候 Google 街景就是會跑掉…」這個 bug 成為團隊的頭痛來源。

要怎麼知道這張老照片的地點是在現今 Google 地圖哪個位址呢?有賴中研院人社中心地理資訊科學研究專題中心執行「地圖與遙測影像數位典藏計畫」,累積了各城市大量不同時期的地圖,研究副技師廖泫銘說明。

這群團隊為什麼要那麼大工程,製作「歷史地圖散步」系列圖書與 APP 呢?

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地圖尬故事,迸出新滋味

地圖只是媒介,APP 也只是載體,為的是讓這些故事從檔案館走到你身邊。

廖泫銘笑著說:「許多人看不懂地圖,但是搭配手機的 GPS ,手機會告訴使用者你在哪裡、該怎麼走,眼前這個地景曾經發生什麼事。」

「歷史地圖散步」系列的元素分為兩部份:第一部份為中研院數位典藏的臺灣百年歷史地圖,第二部份才是延伸地圖史料、加上故事,做成「歷史地圖散步」系列 APP 與圖書。中研院人社中心的地理資訊科學研究專題中心,在臺灣百年歷史地圖的數位化過程,就花費了十多年功夫。

廖泫銘透露,地理資訊科學研究專題中心典藏了 40 萬餘張歷史地圖。「歷史地圖散步」系列收錄的地圖數量,只是冰山一角,但就已經有說不完的故事。
攝影│張語辰

中研院收藏的歷史地圖,可在地圖數位典藏整合查詢系統供大眾瀏覽,繪製時間從 19 世紀末到現在,地理版圖橫跨東亞,其中以中國大陸及臺灣數量最為豐富。

更難得的是,這 40 萬餘張地圖都是現代化的測繪地圖,用於軍事、工程、地籍等紀錄,有經緯度、講究精準,因此可與現今的 Google 地圖進行古今套疊,了解該區域不同時期的樣貌,不同於傳統類似山水畫、非科學性的古代輿圖。

臺灣百年歷史地圖,包含臺北、臺中、臺南、高雄、基隆、淡水、新北、彰化、嘉義、花蓮、桃園等地的現代化測繪古地圖。
圖片來源│臺灣百年歷史地圖網站

黃冠華表示,他們觀察到許多古地圖與老照片,這兩者的共通點是「地理位置」,因此想把它們結合起來,開發成生活中會使用到的手機 APP,進入大家的生活中,例如國外有 Historypin 網站,透過老照片連結社群和當地歷史 。

這一張張的老照片、地圖就像食材一樣,把它們炒在一起,成為一道道香噴噴的料理。

但團隊在「炒菜」過程發現,若老照片和地圖缺乏解說,使用者會無法理解背後的故事,因此有了出版《臺北歷史地圖散步》、《臺中歷史地圖散步》系列書籍的構想,像是「導覽手冊」,為讀者導覽 APP 裡古今地圖的故事脈絡。

《臺中歷史地圖散步》封面暗藏玄機,翻開書衣會看見女學生穿越回到日治時期的臺中,凸顯古今地圖對照的特色。
圖片來源│中研院數位文化中心

從臺北到臺中的變化

從 2016 年 9 月初《臺北歷史地圖散步》出版,到 2018 年 1 月初發行的《臺中歷史地圖散步》,時間相隔了一年多。

黃冠華表示,兩本書的明顯差異在於文字量變少。他手指掐著《臺北歷史地圖散步》的書背笑說:「我們原本只想做這本三分之一 的厚度,殊不知每位作者提供的文字量都超出預期地豐富!」

至於書籍內容是如何規劃,賴萱珮說明,團隊是先企劃主題,設定方向後再與作者談合作,明確告知撰稿角度為歷史普及,並希望在 2,500 字內完成。「有些長期學術寫作的老師甚至會擔心:從來沒有寫過這麼短的稿子!會不會被覺得不專業……」

《臺北歷史地圖散步》的主題從食衣住行著手,並加入重大事件;而《臺中歷史地圖散步》除了排除與臺北相似的主題,團隊也投入更多臺中在地的歷史研究。

相對於發展歷史悠久的臺北、臺南,臺中較缺乏老照片、古地圖等素材,因為臺中是日治時期依都市計畫建立的現代化城市,發展並不是很久。因而《臺中歷史地圖散步》多將焦點放在戰後時期,戰後的故事比例與《臺北歷史地圖散步》相較起來高出許多,例如美軍基地、特種行業等等。

上方為 1970 年代臺中市街觀光圖,可看到當時美軍常去的酒吧。下方為今日地圖對照。
圖片來源│《臺中歷史地圖散步》

賴國峰補充,臺中歷史地圖 APP 中,約有一半的老照片為戰後時期,但臺南歷史地圖 APP 就有較多戰前的照片,且年代可追溯更早以前。廖泫銘也說明,如果城市發展沒有太大變化,當時的出版社或政府就不需要重新繪製地圖,因此古地圖的張數也反映了城市變化的速度。

在製作《臺中歷史地圖散步》書籍的酒家主題時,團隊意外取得許多「酒家」的照片,其中余立先生提供了他父親余如季當時所攝的許多老照片,意外尋出一條當年父親拜訪拍攝過的酒家路線……

1963 年開業、當年叱吒臺中的白雪大舞廳,至今仍在營業中。
圖片來源│《臺中歷史地圖散步》 原始出處│昔:余如季攝影、余立提供;今:李品寬攝影

團隊蒐集史料的過程也會發現「群聚經濟」的現象,例如某一條街都是百貨、某一區域都是公家單位。「像臺中的中區就很可惜,在 1990 年代商圈移轉後便沒落了,製作書籍的過程也會覺得有點感慨~」賴萱珮回憶起這些地方往日的輝煌。

雖然臺南歷史地圖 APP 已發行,但目前書籍尚未誕生。聽到「臺南」這個地名,團隊直呼:「戒慎恐懼!研究臺南歷史的神人太多了,光是糕餅、蜜餞,可能就有人寫過一本書。」團隊尚在苦惱蒐集選題,準備齊全後,再前進臺南歷史界這個高手齊聚的武林。

缺素材、授權不易、Google 街景難掌控

問及製作過程遇到的考驗,團隊的心路歷程,宛若淘淘江水。
攝影│張語辰

賴國峰說,《臺北歷史地圖散步》原本想將南機場的老照片與故事放進書中,但因素材不足而放棄。賴萱珮也分享她的遺珠之憾:身為臺中人的她,認為豐原區的糕餅業值得書寫,但蒐集資料過程發現,能找到的老照片很少。另外,臺中舊市區(今自由路一帶)的百貨業也十分值得一提,在盛況時期多達十幾間百貨,然而百貨業是私人產業,資料難以尋得,如今也已沒落,在缺乏老照片、研究文獻的困難下只好放棄這個題材。

除了缺乏素材,臺灣公部門資料的授權狀況更是大難題。

「歷史地圖散步」團隊在談素材授權時,會經由兩種途徑:一為私人,另一個是公部門。私人授權會有既定的價錢與流程,處理起來較快速;但公部門的文獻、圖片等資料,散落在不同的博物館與研究機構,除了公文跑流程十分緩慢,廖泫銘也提到,甚至有一個尷尬的狀況是,有些圖或照片根本找不到最原始的版權擁有者。

賴國峰以「歷史地圖散步」團隊與日本合作取材的經驗建議,日本機構會定期檢視所有物的版權,而超過百年的書籍便有機會開放版權給大眾使用,這才讓檔案重新有了靈魂,而不只是冷冰冰地躺在資料櫃。例如,團隊向日本國會圖書館申請許多臺灣日治時期的照片素材,無需到日本,只要透過線上申請即可。

製作「歷史地圖散步」 系列 APP 也有一些困境待解決,由於 APP 使用 Google 街景作為背景,讓古地圖與老照片在上面套疊,以便讀者理解古今的對照。然而,賴國峰冒汗說,Google 街景定位不是每公尺都拍攝,導致有些老照片無法精準地放於現今的建物上。另外,Google 街景版本的改變、更新的速度、還有手機版型的差異,都會導致 APP 的體驗品質有所落差。

現在的臺中歷史地圖 APP 是先放入 150 張老照片地點,賴國峰提到,未來還可以持續加入新的素材,就像 Pokémon GO 遊戲更新,一直把新的怪獸放進地圖中,讓「歷史地圖散步」系列 APP 持續充滿生命力。

但通常使用者打開「歷史地圖散步」系列 APP ,第一件做的事情是什麼?

尋找一百年前自己的家

很多讀者拿到書和 APP 的第一步,會先找自己家在哪裡,然後發現自己的家一百年前可能是墓仔埔、或在河道裡面。

黃冠華提到,由於下載「歷史地圖散步」系列 APP 不需要付費,有些社區大學導覽課程的老師會請學生下載 APP 來進行教學。賴國峰也補充,過往在書展展示的經驗,有些長輩下載了 APP 後很開心,因為裡面的老照片、歷史地圖,都是他們的回憶。

談到書的銷量,團隊謙虛地表示,《臺北歷史地圖散步》進入第四刷,應該算是賣得不錯。由於「歷史地圖散步」系列的前置工程浩大,目的不可能是獲利,獲利僅是達到「推廣歷史故事」這個目標的方式。

我們的目標是推動文史工作,讓產業界看見圖文書發展的可能性。

由於東販出版的書籍多為漫畫、輕小說,在刻板印象中,東販這類書籍不太出現在中研院的學術館藏中,而《歷史地圖散步》系列書籍是中研院與東販出版的開創性合作。借助東販的出版專業,經營中研院不擅長的鋪貨銷售,讓中研院的地圖典藏、文史檔案,得以透過圖文書的形式,現身在全臺書店及線上販售,這是公部門在推廣與營銷上的改變。

「算是走出象牙塔,做出更接地氣的嘗試,」團隊說明,「我們將歷史洪流中典藏在檔案館、博物館、圖書館的圖像資料,放回現代人的生活中,並且標上時間、空間(GPS 位置)與故事,讓整個城市都是歷史文化的展覽館!」

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為一百年前你家的模樣?臺北、臺中歷史地圖散步,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物│中央研究院_96
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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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數據塑造生活與社會,讓人既放心但又不安?——《 AI 世代與我們的未來》
聯經出版_96
・2022/12/28 ・2760字 ・閱讀時間約 5 分鐘

數位世界已經改變了我們日常生活的體驗,一個人從早到晚都會接受到大量數據,受益於大量數據,也貢獻大量數據。這些數據龐大的程度,和消化資訊的方式已經太過繁多,人類心智根本無法處理。

與數位科技建立夥伴關係

所以人會本能地或潛意識地倚賴軟體來處理、組織、篩選出必要或有用的資訊,也就是根據用戶過去的偏好或目前的流行,來挑選要瀏覽的新項目、要看的電影、要播放的音樂。自動策劃的體驗很輕鬆容易,又能讓人滿足,人們只會在沒有自動化服務,例如閱讀別人臉書塗鴉牆上的貼文,或是用別人的網飛帳號看電影時,才會注意到這服務的存在。

有人工智慧協助的網路平臺加速整合,並加深了個人與數位科技間的連結。人工智慧經過設計和訓練,能直覺地解決人類的問題、掌握人類的目標,原本只有人類心智才能管理的各種選擇,現在能由網路平臺來引導、詮釋和記錄(儘管效率比較差)。

日常生活中很少察覺到對自動策劃的依賴。圖/Pexels

網路平臺收集資訊和體驗來完成這些任務,任何一個人的大腦在壽命期限內都不可能容納如此大量的資訊和體驗,所以網路平臺能產出看起來非常恰當的答案和建議。例如,採購員不管再怎麼投入工作,在挑選冬季長靴的時候,也不可能從全國成千上萬的類似商品、近期天氣預測、季節因素、回顧過去的搜尋記錄、調查物流模式之後,才決定最佳的採購項目,但人工智慧可以完整評估上述所有因素。

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因此,由人工智慧驅動的網路平臺經常和我們每個人互動,但我們在歷史上從未和其他產品、服務或機器這樣互動過。當我們個人在和人工智慧互動的時候,人工智慧會適應個人用戶的偏好(網際網路瀏覽記錄、搜尋記錄、旅遊史、收入水準、社交連結),開始形成一種隱形的夥伴關係。

個人用戶逐漸依賴這樣的平臺來完成一串功能,但這些功能過去可能由郵政、百貨公司,或是接待禮賓、懺悔自白的人和朋友,或是企業、政府或其他人類一起來完成。

網路平臺和用戶之間是既親密又遠距的聯繫。圖/Envato Elements

個人、網路平臺和平臺用戶之間的關係,是一種親密關係與遠距聯繫的新穎組合。人工智慧網路平臺審查大量的用戶數據,其中大部分是個人數據(如位置、聯絡資訊、朋友圈、同事圈、金融與健康資訊);網路會把人工智慧當成嚮導,或讓人工智慧來安排個人化體驗。

人工智慧如此精準、正確,是因為人工智慧有能力可以根據數億段類似的關係,以及上兆次空間(用戶群的地理範圍)與時間(集合了過去的使用)的互動來回顧和反應。網路平臺用戶與人工智慧形成了緊密的互動,並互相學習。

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網路平臺的人工智慧使用邏輯,在很多方面對人類來說都難以理解。例如,運用人工智慧的網路平臺在評估圖片、貼文或搜尋時,人類可能無法明確地理解人工智慧會在特定情境下如何運作。谷歌的工程師知道他們的搜尋功能若有人工智慧,就會有清楚的搜尋結果;若沒有人工智慧,搜尋結果就不會那麼清楚,但工程師沒辦法解釋為什麼某些結果的排序比較高。

要評鑑人工智慧的優劣,看的是結果實用不實用,不是看過程。這代表我們的輕重緩急已經和早期不一樣了,以前每個機械的步驟或思考的過程都會由人類來體驗(想法、對話、管理流程),或讓人類可以暫停、檢查、重複。

人工智慧陪伴現代人的生活

例如,在許多工業化地區,旅行的過程已經不需要「找方向」了。以前這過程需要人力,要先打電話給我們要拜訪的對象,查看紙本地圖,然後常常在加油站或便利商店停下來,確認我們的方向對不對。現在,透過手機應用程式,旅行的過程可以更有效率。

透過導航,為旅途帶來不少便利。圖/Pexels

這些應用程式不但可以根據他們「所知」的交通記錄來評估可能的路線與每條路線所花費的時間,還可以考量到當天的交通事故、可能造成延誤的特殊狀況(駕駛過程中的延誤)和其他跡象(其他用戶的搜尋),來避免和別人走同一條路。

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從看地圖到線上導航,這轉變如此方便,很少人會停下來想想這種變化有多大的革命性意義,又會帶來什麼後果。個人用戶、社會與網路平臺和營運商建立了新關係,並信任網路平臺與演算法可以產生準確的結果,獲得了便利,成為數據集的一部分,而這數據集又在持續進化(至少會在大家使用應用程式的時候追蹤個人的位置)。

在某種意義上,使用這種服務的人並不是獨自駕駛,而是系統的一部分。在系統內,人類和機器智慧一起協作,引導一群人透過各自的路線聚集在一起。

持續陪伴型的人工智慧會愈來愈普及,醫療保健、物流、零售、金融、通訊、媒體、運輸和娛樂等產業持續發展,我們的日常生活體驗透過網路平臺一直在變化。

網路平台協助我們完成各種事項。圖/Pexels

當用戶找人工智慧網路平臺來協助他們完成任務的時候,因為網路平臺可以收集、提煉資訊,所以用戶得到了益處,上個世代完全沒有這種經驗。這種平臺追求新穎模式的規模、力量、功能,讓個人用戶獲得前所未有的便利和能力;同時,這些用戶進入一種前所未有的人機對話中。

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運用人工智慧的網路平臺有能力可以用我們無法清楚理解,甚至無法明確定義或表示的方式來形塑人類的活動,這裡有一個很重要的問題:這種人工智慧的目標功能是什麼?由誰設計?在哪些監管參數範圍裡?

類似問題的答案會繼續塑造未來的生活與未來的社會:誰在操作?誰在定義這些流程的限制?這些人對於社會規範和制度會有什麼影響?有人可以存取人工智慧的感知嗎?有的話,這人是誰?

如果沒有人類可以完全理解或查看數據,或檢視每個步驟,也就是說假設人類的角色只負責設計、監控和設定人工智慧的參數,那麼對人工智慧的限制應該要讓我們放心?還是讓我們不安?還是既放心又不安?

——本文摘自《 AI 世代與我們的未來:人工智慧如何改變生活,甚至是世界?》,2022 年 12 月,聯經出版公司,未經同意請勿轉載。

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聯經出版_96
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聯經出版公司創立於1974年5月4日,是一個綜合性的出版公司,為聯合報系關係企業之一。 三十多年來已經累積了近六千餘種圖書, 範圍包括人文、社會科學、科技以及小說、藝術、傳記、商業、工具書、保健、旅遊、兒童讀物等。

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讓你一看就懂的無人機原理!——《世界第一簡單無人機》
世茂出版_96
・2022/03/23 ・2311字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼無人機飛得起來?

不管是載人的直升機,還是無人機,飛起來的原因都相同。轉子可帶動螺旋槳旋轉,使螺旋槳上下的氣壓產生差異。當螺旋槳上方的氣壓比下方的氣壓低,就會有一股拉力將螺旋槳往上拉(升力,將物體垂直向上拉升的力量),如此一來便能讓機體上升。

再來,同時使用多個螺旋槳,並分別調整各螺旋槳的轉速,就可以讓無人機自由上升 / 下降、前進 / 後退、左 / 右移動。事實上,仔細觀察飛行中的無人機螺旋槳,會發現相鄰的螺旋槳旋轉方向剛好相反。

想讓無人機前進時,會讓機體前方下傾。左右移動時也一樣,會讓前進方向的機體部份下傾。只要讓其中一側的螺旋槳轉速下降,就可以讓那一側的機體下傾,往那個方向移動。如果要讓四軸無人機旋轉,則需讓其中一條對角線上的螺旋槳轉速降低。

無人機的運動機制

無人機需靠轉子(馬達)轉動螺旋槳才能移動。大疆 Phantom 系列的多軸無人機所搭載的馬達,是所謂的無刷馬達(brushless motor)。

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大疆「精靈4」民用無人機。圖/維基百科

無刷馬達顧名思義,就是沒有電刷的馬達。相對的,學校自然科課程中提到的電刷馬達則是需要讓電刷與整流子持續摩擦旋轉,使用時會逐漸磨損。無刷馬達則是透過特殊電路驅動其旋轉,可以減輕維護的負擔。而且,無刷馬達可以透過名為 Hall IC 的磁場感應器持續監測馬達狀態,故可穩定控制其速度,當發生馬達負荷過重、線路接觸不良、斷線等異常狀況,可以馬上停止馬達運作,並發出警告訊號,以提高無人機的安全性。其他還有速度可控範圍廣、均勻扭矩(flat torque)、高功率等優點。

另外,將訊號送至轉子的零件叫做 ESC(Electric Speed Controller)。也可以說,ESC 就是控制轉子旋轉速度的零件。原則上,無人機搭載的 ESC 數量會與轉子數量相同。

ESC 的輸出端有三條電線,電流可控制轉子的旋轉。隨著轉子位置的不同,ESC 會輸出不同方向、不同大小的電流,使轉子能夠持續旋轉。也就是說,無刷馬達中的 ESC,扮演著一般馬達中整流子及電刷的角色。

相對的,ESC 的輸入端也有三條電線,分別是連接到電源正負極的電源線,以及從 FC(Flight Controller)接收訊號的訊號線。其中,FC 會蒐集來自陀螺儀感應器、加速度感應器、氣壓感應器、超音波感應器、磁場方位感應器、GPS 等裝置的資訊,以控制機體的行動。

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A generic ESC module rated at 35 amperes with an integrated eliminator circuit。圖/維基百科

無人機的感應器

  • 陀螺儀感應器與加速度感應器

陀螺儀感應器可以計算機體傾斜的角度,是穩定機體時不可或缺的感應器。相對的,與陀螺儀感應器十分相似的加速度感應器,則用於檢測速度。陀螺儀感應器與加速度感應器的組合,可以同時計算「傾斜狀況」與「速度」兩者的變化量,並控制機體往傾斜方向的反方向拉回,保持機體平衡,懸停於空中。簡單來說,陀螺儀感應器與加速度感應器就是能夠保持無人機姿態平衡的重點感應器。

  • 氣壓感應器與超音波感應器

高度越高時,氣壓感應器會測到越低的氣壓,故無人機可參考氣壓數字,以維持在特定高度。不過畢竟這只能用來偵測氣壓,要是遇到陣風或其他原因造成的氣壓變化,就有可能會失去功能。

超音波感應器可以利用超音波的回聲來感應自身高度。在無人機起飛或降落時,如果位於地表附近的無人機沒辦法透過氣壓感應器蒐集到足夠的高度資訊,就會用到超音波感應器。在高空使用氣壓感應器,在地表附近使用超音波感應器,兩種感應器的組合搭配,便可讓無人機在每個高度區間都能維持一定高度。

  • 磁場方位感應器與 IMU

磁場方位感應器有時也直接稱做羅盤,可感應地球的磁場(地磁),藉此瞭解無人機目前朝向東西南北哪個方向。不過,地磁的北邊(磁北)與地圖的北邊有一定差異,即磁偏角。而且隨著時間與地點的不同,磁偏角也不大一樣。舉例來說,札幌的磁北比地圖北邊往西偏了 9°,那霸卻只偏了 5°(參考自日本國土地理院網站)。因此,若換一個地方飛無人機,就需進行「羅盤校正」,重新確認磁場感應器所指示的北方,與實際北方間的差異。

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  • IMU

GPS 是全球衛星導航系統(GNSS:Global Navigation Satellite System)的一種,是美國的衛星系統。就像汽車的導航系統與智慧型手機的位置資訊服務一樣,無人機可接收 GPS 的電波,藉此判斷自身所在位置,並設定好飛行路線的經緯度自動飛行,或是可以懸停在某個固定位置。這就是所謂的「衛星定位系統」,用於戶外飛行的無人機多會裝設相關的電波收訊器。不過,就像汽車在進入隧道後,導航系統會失效一樣,無人機使用 GPS 時也有可能會突然收不到訊號。因此,為了維持無人機的安全飛航,操控者需隨時注意 GPS 電波的接收狀況。

另外,包括 Phantom 在內的某些多軸無人機,不僅會接收 GPS 訊號,也會同時接收俄羅斯衛星系統 GLONASS 的訊號,偵測機體本身的位置。

這些控制機體姿態的感應器通稱為 IMU(慣性測量單元:Inertial Measurement Unit)。

當出現「IMU 錯誤訊息」「機體不穩定」「羅盤方向不對」「穩定器傾斜」等狀況,就需進行「IMU 校正」。請養成攝影前以及在他處飛行前,一定要進行 IMU 校正的習慣。

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——本文摘自《世界第一簡單無人機》,2021 年 9 月,世茂出版
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