无人机如何穿梭城市？碳纤战甲+随身千里眼 拆解STEAM黑科技｜升A学堂

请想像当我们抬头望向天空，发现一架架闪烁着的无人机，正载着热腾腾的外卖或快递，从高楼大厦中穿梭飞行。这不是在拍科幻电影，而是香港正在全力计划的「低空物流」。究竟如何令无人机在建筑物极其密集的香港，像科幻电影的场景一样精准地飞行，令这条空中的公路安全运作呢？今天，就让我们一起揭开这奥秘！

碳纤维「战甲」

要成为一名及格的空中快递员，首先要拥有一副「钢筋铁骨」，但这副骨架又必须非常轻盈，而物流无人机使用的是「碳纤维复合材料」。碳纤维就像是给无人机穿上了一件「轻便防弹背心」。它看起来像黑色纤维布，但经过特殊处理后，硬度比钢铁还要强几倍，重量却只有铝合金的一半。香港是一个沿海城市，空气潮湿且带有盐分，普通金属容易生锈。而碳纤维不仅耐腐蚀，还能确保无人机在承载重物时，令机身结构依然稳如泰山。

空中「重心大师」

若在香港这个立体大都市中飞行，最大敌人不是距离，而是「风」。当海风吹过密集的摩天大楼之间，会产生混乱的气流。无人机是如何在晃动中稳定飞行的呢？

调整平衡，首先要能够「感觉」到自己在倾斜。无人机配备了一个核心感应装置，叫做IMU（Inertial Measurement Unit，惯性测量单元）。IMU就如人类的「内耳」。我们之所以闭上眼睛亦可知道自己是站着还是倾斜，是因为内耳里的半规管在帮忙。IMU就是无人机的「内耳」，让它能够随时知道自己在空中的姿势。

IMU内部藏着两名非常厉害的电子「侦探」，它们各司其职：

• 第一名侦探是「陀螺仪」，它专门侦测无人机有没有在「旋转」或「翻滚」。陀螺仪十分灵敏，哪怕机身只是因为一阵微风微微向左倾斜，陀螺仪都可立刻发现。
• 第二名侦探是「加速规」，它负责侦测无人机是在上升、下降，还是突然向某个方向冲刺。它还能感受到地球的引力，告诉无人机哪一个方向才是真正的「下方」。

当这两名侦探（陀螺仪和加速规）发现无人机被阵风吹歪时，它们会立刻把数据传给电脑。电脑会在很短的时间内作出决定，控制马达产生一个反向的力量，瞬间把机身「扶正」。这种反应速度比人类快上几百倍，这正是无人机能够在混乱气流中稳定飞行的秘诀！

避险「预言家」

物流无人机还拥有一种叫做「MPC（Model Predictive Control，模型预测控制）」的高级控制技术。这就如一名「世界级足球守门员」。守门员不是等到足球飞到面前才伸手扑救，而是根据对方踢球的姿势、腿部的摆动幅度，提前预判球的飞行轨迹。MPC技术让无人机的「大脑」内置一个模型，它会不断计算：「如果我现在保持这个速度，3秒后遇到楼间风会怎样？」从而提前对危险进行预知和反应。

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随身「千里眼」

无人机在香港密集的建筑群和招牌之间穿行，只使用传统的GPS导航是远远不够的。它还具备︰

1. RTK厘米精准定位

「RTK（Real-Time Kinematic，实时动态定位）」技术，就像是为无人机配置了一名「金牌领航员」，领航员会对照地面基站发出的修正信号，精确告诉无人机的位置。这种技术能将定位误差缩小到2至3厘米，意味着无人机可以准确地降落在大部分地方的一个直径不到1米的降落点上，而不会误撞旁边的其他设施。

2. 雷射雷达：隐形扫描仪

无人机前端装有不断旋转的雷射头，这就是它另一只「千里眼」；能通过发射大量隐形光束，在很短时间内描绘出周围环境的立体地图。哪怕是细细的电线或挂在窗外的晾衫架，在它的眼里都无所遁形。

香港低空经济：从愿景走向现实

香港正分阶段推动低空物流，全面改变我们的社会与城市规划：

• 医疗绿色通道：离岛区已测试无人机紧急运送血浆与药品，将1小时航程缩短至15分钟。
• 基建安全巡检：高解析度感测无人机全面取代高空冒险，数分钟内即可完成大桥缆绳检查。
• 未来空中交通：香港正分阶段推行无人机交通管理系统，每一架进行复杂任务的无人机，都必须对接智慧交通管理系统并申报航线，以确保空中安全。各项相关设施，包括垂直起降场地（V-Ports）将融入未来城市规划之中。

低空物流不再只是商业活动，更是环保、高效的未来都市蓝图。我们现在累积的每一个科学知识，都在为这条「空中高速公路」铺设路砖。无论是学生、科研人员还是各界建设者，未来穿梭维港、守护香港平安的「超级无人机系统」，都将由我们携手编程实现！

小思考，大智慧

1. 无人机需要「驾照」吗？
2. 为甚么物流无人机通常是「多旋翼」而不是「固定翼」？
3. 「无人机」英文为何叫Drone？

参考答案

1. 在香港，操作重量超过一定标准的无人机，是须向民航处（CAD）申请证照的。这不仅是技术，更是法律与责任。
2. 固定翼飞机（像客机）需要长长的跑道，而多旋翼无人机能够垂直起降，对于香港来说这才是最方便快捷的选择。
3. 1930年代，英国研发了一款名为「Queen Bee（女王蜂）」的无线电遥控靶机。后来，美国海军跟进研发类似技术，为了向英国的「Queen Bee」致敬，便将自己的无人机命名为「Drone（雄蜂）」，并沿用至今。

本栏逢周一刊登，由教育评议会邀请资深中小学老师、校长及大学讲师撰稿，旨在为学生提供多元化的STEAM学习材料，引发学生探求知识的兴趣，将学习融入生活，培养学生的世界观、敏锐的触觉、积极学习的态度。

文：中华基督教会基湾小学（爱蝶湾）副校长郭宇田、中华基督教会基湾小学（爱蝶湾）老师张恩宇

本文标题原为〈低空赛道︰拆解无人机黑科技〉。

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