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無人機的基礎概論：Python程式設計實作

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作　　者╱

張紹勳、張任坊、張博一

出版社別╱

五南

出版日期╱

2026/09/24 (1版 1刷)

I S B N ╱

978-626-442-782-1

書　　號╱

1H4J

頁　　數╱

640

開　　數╱

16K

定　　價╱

790

教學資源╱

投影片((外加))

⊙零基礎也能快速入門：從Python開發環境、無人機原理到飛控系統，循序建立完整知識架構。
⊙理論結合程式實作：融合空氣動力學、導航定位、自動控制、路徑規劃與Python範例，學以致用。
⊙涵蓋AI、自主飛行與群體協同：深入介紹電腦視覺、人工智慧、無人機群集、數位孿生及智慧導航等前瞻技術。
⊙完整收錄產業與軍事應用案例：從空拍、測繪、智慧農業、巡檢物流，到軍事物聯網、自主導航與量子導航，掌握無人機科技發展全貌。

無人機已從飛行載具進化為整合航太、電子、通訊、人工智慧與物聯網的智慧平台，成為未來科技的重要核心。
本書以Python程式設計為主軸，從無人機基礎知識、飛行原理、飛控系統、導航定位，到自主飛行、AI應用與群體協同，建立完整且循序漸進的學習架構。內容結合理論解析與大量程式實作範例，並涵蓋空拍測繪、智慧農業、物流配送、軍事物聯網、數位孿生及量子導航等最新應用，讓讀者不僅理解原理，更能實際撰寫程式控制無人機，培養跨領域整合與實務開發能力，可作為大專院校教學、自學進修及科技研發的參考教材。

張紹勳
學歷：國立政治大學資訊管理博士
現職：國立彰化師範大學電機與機械科技學系專任教授
經歷：致理技術專任副教授
Email：chess1mail@gmail.com

張任坊
學歷：國立海洋大學商船系
現職：永樂福有限公司負責人

張博一
學歷：國立中央大學通訊工程所
現職：微星科技股份有限公司工程師

第一部分　無人機基礎知識
0-1 安裝Python直譯器
0-2 使用開發環境（如IDLE、VS Code、Jupyter Notebook等）
Chapter01 無人機概述與歷史
1-1 定義與術語：無人機（UAV）、無人航空系統（UAS）、遙控駕駛航空系統（RPAS）
1-2 無人機的歷史與發展
1-3 無人機的分類（按尺寸、航程、用途、組態等）
1-4 無人機的主要應用領域
1-5 無人機的程式設計範例
Chapter02 無人機系統結構與組成
2-1 飛行器平台（機身、機翼／旋翼、起落架）
2-2 動力系統（電機、螺旋槳、電池／燃料）
2-3 飛控系統與感測器（飛控板、GPS、IMU、氣壓計等）
2-4 通訊與資料鏈系統（遙控器、圖傳、地面站）
2-5 酬載（相機、感測器、其他設備）

第二部分　航空理論與飛行原理
Chapter03 空氣動力學基礎
3-1 升力、阻力、推力、重力，簡化概念的Python程式設計
3-2 翼型與氣流原理與範例
3-3 多旋翼（如四軸飛行器）和固定翼的飛行原理差異
Chapter04 飛行性能與穩定性
4-1 飛行性能參數（續航時間、航程、最大速度、爬升率）
4-2 飛行穩定性與控制（縱向、橫向、方向）

第三部分　設計、控制與導航
Chapter05 無人機設計與製造
5-1 設計流程與考量因素（任務需求、重量、材料選擇）
5-2 多旋翼、固定翼與垂直起降固定翼的結構設計
Chapter06 飛控系統與自動駕駛儀
6-1 控制迴路與PID控制原理
6-2 飛控軟體與韌體介紹（如ArduPilot、PX4）
6-3 自動化與自主飛行原理
Chapter07 導航、定位與路徑規劃
7-1 GPS/GNSS定位原理與誤差
7-2 慣性導航系統（INS）與感測器融合
7-3 航點設置與任務規劃
7-4 感測與避障技術

第四部分　操作實務與安全
Chapter08 飛行前準備與檢查
8-1 場地勘查與風險評估
8-2 天氣因素考量（風速、降雨、溫度）
8-3 飛行器與電池檢查清單
Chapter09 遙控操作與基本飛行技能
9-1 遙控器模式與操作介面
9-2 起飛、懸停、航線飛行、降落
9-3 緊急情況處理（失聯返航、電池低電量應對）

第五部分　無人機應用與發展趨勢
Chapter10 專業應用案例
10-1 空拍與影視製作
10-2 測繪與三維建模（攝影測量）
10-3 農業應用（精準農業）
10-4 巡檢與監測（基礎設施、電力、管線）
10-5 物流與配送
Chapter11 新興技術與軍事戰爭
11-1 無人機群集（Swarm）技術
11-2 人工智慧與機器學習在無人機的應用
11-3 反制無人機系統
11-4 城市空中交通（UAM）與空中計程車
Chapter12 軍事物聯網、軍用無人機的應用
12-1 MQTT協定，模擬多個軍事感測器與智慧城市指揮中心的資料傳輸
12-2 軍事IoT數據儲存到資料庫（如SQLite），再進行戰術分析與Python範例
12-3 軍事數據儲存至SQLite及熱點圖視覺化與Python範例
12-4 智慧城市軍事防衛系統加入「自動警報」功能
12-5 結合「AI機器學習」來預測警報熱點的未來走向，而不僅僅是處理當前的警報
12-6 軍事動態態勢感知預測
12-7 軍事動態態勢感知預測系統與「無人機自動導航」連動
12-8 軍事動態態勢預測與「無人機自動導航」連動，再放入數位孿生系統
12-9 無人機群體的軍事協同與Python範例
12-10 粒子群演算法PSO，如何最佳化無人機的搜索路徑與Python範例
12-11 受限空間下的路徑規劃：群體找目標，避開敵方的防空威脅區
12-12 2D機間防撞，無人機群繞過障礙物時，也保持完美的戰鬥間距
12-13 3D座標系統的機間防撞與Python範例
Chapter13 無人機的進階主題
13-1 避碰與路徑規劃的原理與Python範例
13-2 多代理人協作無人機的原理與Python範例
Chapter14 AI在無人機的應用領域
14-1 無人機抗干擾與自主跳頻的作用原理與Python範例
14-2 波束成形天線陣列的訊號處理的原理與Python範例
14-3 （無人機）精準懸停與降落的原理與Python範例
Chapter15 量子導航
15-1 量子導航，概念性Python程式設計


Case Cl osed! H ow to g et your resear ch publ ished	量化研究與統計分析：SPSS 與R資料分析範例解析	固定收益證券與利率衍生性商品：使用Pyth on語言（附光碟）

機器人學的基礎概論：Pyth on程式設計實作	文獻計量學實作指南：從知識圖譜到研究洞見的方法、工具與實例	統計學導論：使用JASP

投影片((外加))

若要索取未隨書附送(外加)且未於此提供下載的教學資源，請詳洽業務人員(02-27055066#824)(僅提供教師使用)

第一部分　無人機基礎知識
　　無人機（Drone），也稱為遙控無人機（Remote-controlled Unmanned Aircraft）或無人航空載具（Unmanned Aerial Vehicle, UAV），是一種沒有機上駕駛員、可被遠程式控制或自主飛行的航空器。
　　以下是關於無人機的基礎知識：
一、無人機的組成
(一) 機身（Airframe）
　　無人機的主體，用於安裝所有設備。
(二) 動力系統（Power System）
　　通常包括：
1. 馬達（Motors）：驅動螺旋槳旋轉。
2. 螺旋槳（Propellers/Blades）：透過高速旋轉產生升力（Lift）和推力（Thrust）。通常多旋翼無人機的螺旋槳會成對反向旋轉，以維持機體穩定。
3. 電池（Batteries）：提供動力來源，通常使用高電壓鋰聚合物電池。
4. 電子調速器（Electronic Speed Controller, ESC）：控制馬達的轉速。
(三) 飛控系統（Flight Control System）
　　被稱為無人機的「大腦」，核心功能包括：
1. 飛控系統（Flight Controller）：接收指令、感測器數據，並計算出控制馬達運轉的信號，以保持平衡和執行飛行動作。
2. 感測器（Sensors），例如：
(1) 慣性測量單元（IMU）：通常包含三軸陀螺儀和三軸加速度計，用於測量物體在三維空間的姿態和速度、加速度。
(2) 全球定位系統（GPS）：提供精確的定位和導航資訊。
(3) 氣壓計／超音波感測器：用於測量高度。
(4) 視覺系統／鏡頭（Cameras）：用於導航、避障和拍攝。
(四) 資料鏈路（Data Link）
　　提供無人機與地面控制設備之間的雙向通訊。
1. 控制鏈路（Uplink）：負責將遙控器／地面站的指令傳輸至無人機。
2. 下行控制鏈路（Downlink）：傳輸遙測數據、影像等資訊至地面站。
(五) 酬載（Payload）
　　指無人機攜帶的任務設備，例如：相機、熱像儀、感測器、噴灑設備等。
二、飛行原理（以常見的多旋翼無人機為例）
(一) 升力（Lift）和推力（Thrust）
　　螺旋槳高速旋轉時，會向下推動空氣，產生向上的升力，使無人機起飛。
(二) 控制方向
　　透過改變不同螺旋槳的轉速，來實現姿態和方向的控制。
1. 上升／下降節流閥（Throttle）：同步增加或減少所有螺旋槳的轉速。
2. 俯仰（Pitch）：改變機身前後螺旋槳的轉速，使機頭向下或向上傾斜，控制前進或後退。
3. 橫滾（Roll）：改變機身左右螺旋槳的轉速，使機身向左或向右傾斜，控制左右移動。
4. 偏航（Yaw）：改變對角線上螺旋槳的反向旋轉力矩，使機身在水平面上旋轉。
5. 穩定性（Stability）：飛控系統透過感測器不斷監測無人機的姿態，並即時調整馬達轉速，以對抗氣流等外力干擾，保持飛行穩定。
三、無人機的類型
　　無人機有多種分類方式，常見依據組態分類：
(一) 固定翼無人機（Fixed-Wing）：類似傳統飛機，有翅膀。
1. 優點：航程長、速度快、效率高、抗風能力強。
2. 缺點：需要跑道或彈射器起降，無法定點懸停。
(二) 多旋翼無人機（Multi-Rotor）：常見有四軸（Quadcopter）、六軸、八軸等。
1. 優點：可垂直起降（VTOL），能定點懸停，操作靈活。
2. 缺點：續航時間相對較短，速度較慢，抗風能力相對弱。
(三) 單旋翼無人機（Single-Rotor）：類似遙控直升機。
1. 優點：結構複雜但效率高，可攜帶較重酬載，可垂直起降。
2. 缺點：操作難度高於多旋翼。
四、相關法規與安全
　　由於各國家／地區法規不同，在操作無人機之前，請務必查詢當地法規，常見的規範包括：
(一) 註冊（Registration）：通常一定重量以上的無人機需要進行註冊，並將註冊號碼標明於機身上。
(二) 操作證／執照（Pilot License）：操作重量或用途達到一定標準的無人機，操作者可能需要考取相應的操作證。
(三) 飛行限制：
1. 空域限制：在機場、禁航區、限制區（通常為「紅區」）不得飛行，或需特別申請。
2. 高度限制：通常有最大飛行高度限制（例如：不超過120公尺）。
3. 目視飛行：通常要求在操作者目視範圍內飛行。
4. 人群聚集：通常禁止在人群聚集或戶外集會遊行區域上方飛行。
5. 夜間飛行：通常有嚴格的限制或需要申請。
　　熟悉以上基礎知識與相關規定，是安全、合法操作無人機的第一步。
五、無人機的重要性
　　無人機教科書在個人學習、產業發展，以及公共安全方面都具有極為重要的價值。其重要性主要體現在以下幾個方面：
(一) 建立堅實的理論與技術基礎
　　教科書是系統性知識的載體，能夠為學習者提供最全面、最紮實的基礎知識，茲說明如下：
1. 系統性知識結構：教科書能有條理地介紹無人機的飛行原理（空氣動力學）、核心組件（飛控、動力、導航）、系統架構等，幫助學習者建立完整的知識體系，而非零碎的資訊。
2. 工程與科學原理：無人機涉及控制理論、電機電子、感測器技術等多個工程領域。教科書深入解釋背後的物理和數學原理，這對於想要從事無人機設計、研發或進階應用的人來說至關重要。
3. 技術標準化：教科書有助於統一術語和概念，確保不同學習者和從業人員對無人機技術有共同的理解和交流標準。
(二) 促進專業證照與合法操作
　　在許多國家／地區，無人機操作已納入法規管理，教科書成為取得專業資格的關鍵工具，茲說明如下：
1. 法規與安全規範：教科書會詳盡涵蓋最新的民航法規、空域限制、操作規範、安全責任等內容。這對於確保操作員能夠合法、安全地飛行至關重要，能有效避免因違規而導致的罰款，甚至公共安全風險。
2. 考試準備：許多無人機證照考試的學科內容，都以專業教科書為藍本。教科書能針對性地提供考試重點、模擬試題和解析，是透過專業認證的必要準備。
3. 風險管理教育：教科書不僅教授如何飛行，更教授在不同環境（如GPS訊號不良、突發天氣）下的應急處理、風險評估和危機應變能力，培養專業操作員的安全意識。
(三) 推動產業應用與跨領域整合
　　無人機已廣泛應用於各行各業，教科書是推動其深入應用的基礎，茲說明如下：
1. 應用案例與實務：專業教科書會收錄不同領域（如測繪、農業、巡檢、影視）的無人機應用技術、數據處理方法和作業流程，幫助學生和專業人士將技術轉化為實際生產力。
2. 創新與進階技術：教科書常涵蓋最新的技術趨勢，例如：人工智慧（AI）在影像辨識和自主飛行中的應用、無人機群（Swarm）技術、物聯網（IoT）整合等，為未來的技術創新和跨領域合作奠定知識基礎。
3. 教育普及化：對於推廣無人機科普教育（特別是STEAM教育）而言，標準化的教科書能夠有效啟發青少年對科學、技術和工程的興趣。
　　總而言之，無人機教科書不僅是一本工具書，更是專業性、合法性、安全性和未來發展的基石。它將零散的操作技巧提升為可傳授、可驗證的專業知識，是培養下一代無人機人才和保障行業健康發展不可或缺的一環。