TW202118252A - 無人載具無線通訊中繼系統 - Google Patents

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Abstract

本發明主要關於一種無人載具通訊中繼系統，其包含：控制站，其提供作為實施遠端操作的操控台；無人任務載具，其係為在第一領域中運作之無人載具，並透過通訊鏈路接收來自該控制站的該遠端操作；以及無人中繼載具，其係為在第二領域中運作之無人載具，並在該通訊鏈路中介於該控制站與該無人任務載具之間。

Description

無人載具無線通訊中繼系統
本發明係有關於一種無人載具無線通訊中繼系統，尤其是指一種為分別屬於不同領域的無人載具建立無線通訊中繼的系統。
習用技術中無人機(drone)在遭遇非視距(non-line-of-sight、NLOS)、超視距(beyond-line-of-sight、BLOS)或者希望延伸通訊距離等問題時，都會透過通訊中繼(communication relay)技術來解決，傳統上習慣以高空衛星通訊(satellite communication)來進行，透過衛星當作通訊中繼點而將來自地面控制站的訊號轉發給無人機，但是衛星通訊的實施，需要高功率發射器的配合發送射頻訊號，且必須事先向國際電信聯盟(ITU)申請使用許可，並只能使用介於5GHz-40GHz的極高頻(EHF)頻道來發送射頻訊號，因此透過衛星通訊進行通訊中繼的方式，較適用於在高空飛行的重型無人機或者軍事無人機，一般在低空飛行的經濟型無人機、輕型無人機或者商用電池驅動無人機，並不適合採用衛星作為通訊中繼點。
因此開始發展出使用一架無人機當作另一架無人機的通訊中繼點的技術，但長久以來在低空使用無人機當作中繼點的技術一直都停留在學術研究階段，且由於受到實務需求的影響，相關研究大致集中在兩個方向上，第一個方向是無人飛機對無人飛機的空域無線通訊中繼，另一 個方向則是以無人船當作無人水下潛艇的有線通訊中繼的水域通訊中繼，其中無人機空域無線通訊中繼有Boyang Li等5人在2016年揭露的技術，無人機水域通訊中繼則有Dong-Wook Jung等6人曾於2018年揭露的技術。
第1圖係揭示習用技術經聯合兩架無人機作為通訊中繼點而從地面控制站遠端操作無人機之示意圖；Boyang Li等5人曾於2016年在Sensors,Issue 10,Vol.16所發表“Development and Testing of a Two-UAV Communication Relay System”研究論文，其內容係提出利用一架無人機(drone)12作為另一架無人機13的無線通訊中繼點，從而克服無人機遭遇到的NLOS、BLOS與延伸通訊距離的問題，而實現從地面控制站11遠端操作無人機13；但Boyang Li等5人提出的方式，其實也和現在一般衛星通訊是一樣的，且在一些特殊狀況下無法實施，實際使用上也有許多限制。
第2圖係揭示習用技術經配置無人船作為通訊中繼點而從地面控制站遠端操作無人水下遙控載具之示意圖；Dong-Wook Jung等6人曾於2018年在Proceedings of Engineering and Technology Innovation,Vol.9,2018,pp.17-24所發表“A Study on Unmanned Surface Vehicle Combined with Remotely Operated Vehicle System”研究論文，其內容係提出利用無人船22作為無線通訊中繼點，而將來自地面控制站21的控制訊號，進一步轉發給無人水下遙控潛艇23，無人船22與無人水下遙控潛艇23之間是透過纜線而連接並進行有線通訊，以實現從地面控制站21遠端操作無人水下遙控潛艇23。
也就是習用技術中的無人機通訊中繼，都是針對空域或水域，但尚未出現可以跨空域與水域、跨空域與陸域、跨水域與陸域、或者 跨三個領域的無人機通訊中繼技術；但隨著近年來，臨水結構物(waterfront structure)，例如離岸風機、鑽油平台、橋梁、堤防、燈塔、水壩或者港灣結構物等的老劣化已經成為開發國家迫切需要處理的問題，加上近年來隨著潔淨能源(clean energy)開始商轉，帶起全球各地為數龐大的離岸風機(offshore wind turbine)之興建，種種因素都使得臨水結構物狀態檢測之需求日益加增，然而此類檢測往往為勞動密集且具危險性的工作，加上日益嚴重的極端天候威脅，因此聯合陸海空無人機來進行檢測將是最合適的解決方案，但這種混合領域的無人機應用，極度仰賴能夠跨領域為無人機提供通訊中繼之技術。
職是之故，申請人經過悉心試驗與研究，並一本鍥而不捨之精神，終構思出本案「無人載具無線通訊中繼系統」，能夠克服上述缺點，以下為本發明之簡要說明。
鑑於習用技術中對在低空範圍、地面範圍、水面範圍或者淺層水下範圍中運作的各種經濟型無人載具、輕型無人機或者商用電池驅動無人載具，無法為其提供跨空域與水域、跨空域與陸域、跨水域與陸域、或者跨三個領域之通訊中繼，故本發明提出一種能為以在不同領域中運作的複數輕型電動無人載具作為通訊節點並在有限之範圍內採用有線或無線通訊技術在節點間建立通訊鏈路以進行通訊的無人載具提供通訊中繼的系統與技術。
據此本發明提出一種無人載具通訊中繼系統，其包含：控制站，其提供作為實施遠端操作的操控台；無人任務載具，其係為在第一領 域中運作之無人載具，並透過通訊鏈路接收來自該控制站的該遠端操作；以及無人中繼載具，其係為在第二領域中運作之無人載具，並在該通訊鏈路中介於該控制站與該無人任務載具之間。
較佳的，該無人任務載具還包含機載電腦，該機載電腦中包含機載軟體，該機載軟體係使用開源程式碼編程，並開放給使用者存取與修改，該機載軟體經修改而允許傳輸與收接該控制站與該無人任務載具之間的雙向通訊訊號。
較佳的，該無人任務載具還包含機載電腦，該機載電腦中包含中繼通訊模組，該中繼通訊模組經配置可傳輸與收接該控制站與該無人任務載具之間的雙向通訊訊號。
較佳的，該第一領域與該第二領域為空域領域、水域領域或者陸域領域，且該第一領域與該第二領域不同。
較佳的，該無人任務載具與該無人中繼載具係經由電力驅動，並在低空範圍、地面範圍、水面範圍或者淺層水下範圍中運作。
本發明進一步提出一種無人載具通訊中繼系統，其包含：控制站，其提供作為實施遠端操作的操控台；第一無人任務載具，其係為在第一領域中運作之無人載具，並透過通訊鏈路接收來自該控制站的該遠端操作；第二無人任務載具，其係為在第二領域中運作之無人載具，並透過該通訊鏈路接收來自該控制站的該遠端操作；以及無人中繼載具，其係為在第三領域中運作之無人載具，並在該通訊鏈路中介於該控制站與該第一無人任務載具以及該第二無人任務載具之間。
較佳的，該第一領域、該第二領域以及該第三領域為空域領 域、水域領域或者陸域領域，且該第一領域、該第二領域以及該第三領域其中二個為不同領域。
本發明進一步提出一種無人載具通訊中繼系統，其包含：控制站，其提供作為實施遠端操作的操控台；無人任務載具，其係為在第一領域中運作之無人載具，並透過通訊鏈路接收來自該控制站的該遠端操作；第一無人中繼載具，其係為在第二領域中運作之無人載具，並在該通訊鏈路中介於該控制站與該無人任務載具之間；以及第二無人中繼載具，其係為在該第三領域中運作之無人載具，並在該通訊鏈路中介於第一無人中繼載具與該無人任務載具之間。
11‧‧‧地面控制站
12‧‧‧無人機
13‧‧‧無人機
21‧‧‧地面控制站
22‧‧‧無人船
23‧‧‧無人水下遙控潛艇
400‧‧‧控制站
410‧‧‧無人飛行載具
420‧‧‧遙控水下載具
430‧‧‧無人水面載具
500‧‧‧控制站
510‧‧‧第一無人飛行載具
520‧‧‧第二無人飛行載具
600‧‧‧控制站
610‧‧‧第三無人飛行載具
620‧‧‧無人地面載具
630‧‧‧第四無人飛行載具
700‧‧‧控制站
710‧‧‧第五無人飛行載具
720‧‧‧第六無人飛行載具
730‧‧‧第七無人飛行載具
800‧‧‧控制站
801‧‧‧橋梁
803‧‧‧水壩
805‧‧‧離岸風機
807‧‧‧輕型水面無人機
809‧‧‧輕型無人水下坦克
811‧‧‧輕型無人船
813‧‧‧輕型遙控水下潛艇
815‧‧‧第八無人飛行載具
830‧‧‧鑽油平台
832‧‧‧重型無人船
834‧‧‧重型遙控水下潛艇
CS1‧‧‧第一控制站
CS2‧‧‧第二控制站
MV‧‧‧無人任務載具
RV‧‧‧無人中繼載具
第1圖係揭示習用技術經聯合兩架無人機作為通訊中繼點而從地面控制站遠端操作無人機之示意圖；
第2圖係揭示習用技術經配置無人船作為通訊中繼點而從地面控制站遠端操作無人水下遙控載具之示意圖；
第3圖係揭示本案發明無人載具通訊中繼系統之系統架構示意圖；
第4圖係揭示本案發明之無人載具通訊中繼系統之第一實施例之示意圖；
第5圖係揭示本案發明之無人載具通訊中繼系統之第二實施例之示意圖；
第6圖係揭示本案發明之無人載具通訊中繼系統之第三實施例之示意圖；
第7圖係揭示透過本案發明無人載具通訊中繼系統所建立之多層中繼無線通訊之示意圖；以及
第8圖係揭示透過本案發明無人載具通訊中繼系統之混合領域應用情境示意圖。
本發明將可由以下的實施例說明而得到充分瞭解，使得熟習本技藝之人士可以據以完成之，然本發明之實施並非可由下列實施案例而被限制其實施型態；本發明之圖式並不包含對大小、尺寸與比例尺的限定，本發明實際實施時其大小、尺寸與比例尺並非可經由本發明之圖式而被限制。
本文中用語“較佳”是非排他性的，應理解成“較佳為但不限於”，任何說明書或請求項中所描述或者記載的任何步驟可按任何順序執行，而不限於請求項中所述的順序，本發明的範圍應僅由所附請求項及其均等方案確定，不應由實施方式示例的實施例確定；本文中用語“包含”及其變化出現在說明書和請求項中時，是一個開放式的用語，不具有限制性含義，並不排除其它特徵或步驟。
本案發明之無人載具係指遙控無人載具(remotely operated unmanned vehicle)，並泛指透過有線通訊或者無線通訊接收來自控制站(control station)的遠端操作的無人載具，涵蓋陸上載具(ground vehicle)、空中載具(aerial vehicle)、水中載具(aquatic vehicle)、陸空載具(aerial ground vehicle)、水陸載具(ground aquatic vehicle)、水空載具(aerial aquatic vehicle)以及陸海空載具(aerial ground aquatic vehicle)等。
本案發明之載具係指例如但不限於：無人飛行載具(unmanned aerial vehicle)、無人水面載具(unmanned surface vehicle、USV)、無人水下載具(unmanned underwater vehicle、UUV)、遙控水下載具(remotely operated underwater vehicle、ROUV)以及無人地面載具(unmanned ground vehicle、UGV)等。
上述這些載具較佳的是電動載具(electric vehicle)或者電池驅動載具(battery driven vehicle)，尤其是經濟型無人載具、輕型無人載具或者商用電池驅動無人載具，並在低空範圍、地面範圍、水面範圍或者淺層水下範圍中運作，低空範圍是指低於400公尺的空域，淺層水下範圍是指海平面以下200公尺以內的水域。
各個載具彼此之間或者與控制站之間係透過有線通訊或者無線通訊而建立通訊鏈路，當各個載具與控制站被視為通訊節點(node)時將構成一個區域網路(Local Area Network、LAN)，所述之區域網路係相對於廣域網路(Wide Area Network、WAN)，並指當在一個可預期、且有限(finite)的覆蓋範圍之內，使用相同或者不同的通訊技術進行節點間通訊時構成的網狀拓樸形態，區域網路可以是有線區域網路(wired LAN)、無線區域網路(Wireless LAN、WLAN)、或者有線無線混合區域網路(hybrid LAN)。
適合用來建立上述通訊鏈路及區域網路的通訊技術，在有線通訊(wired/cabled communication)部分包含但不限於：有線通訊係指但不限於RS485通訊技術、RS232通訊技術、RS422通訊技術、Ethernet通訊技術或者RJ45通訊技術，在無線通訊(wireless communication)部分包含但不限於：Wi-Fi無線通訊技術、藍芽低功耗(BLE)無線通訊技術、藍芽(Bluetooth)無線 通訊技術、Zigbee無線通訊技術、Xbee無線通訊技術、LoRa無線通訊技術、或者Sub-1GHz無線通訊技術。
上述之區域網路係指例如但不限於：低功耗網路(Low-Power Network、LPN)、無線隨意網路(ad hoc network)、或者無線區域網路(WLAN)；上述區域網路是指在有限之物理通訊範圍、通訊半徑或通訊距離之內，例如：在介於100到500公尺的距離之內，或者某個有具有可預期的有限通訊距離內，當節點間透過使用相同或者不同的通訊技術進行通訊時所構成的通訊網路。
第3圖係揭示本案發明無人載具通訊中繼系統之系統架構示意圖；第一控制站CS1是用於遠端控制無人任務載具MV，並可供作為實施遠端操作時的操控台(console)，無人任務載具MV用於執行特定任務，例如但不限於航拍攝影、遙測、結構體檢測、空氣品質監測等，第一控制站CS1與無人任務載具MV兩節點之間經配置無線通訊技術後可形成適當通訊鏈路進行無線通訊，並在無線通訊過程中形成一個區域網路；但由於非視距(non-line-of-sight、NLOS)或者超視距(beyond-line-of sight、BLOS)之發生，例如但不限於在第一控制站CS1通訊視距(line-of-sight、LOS)上遭到丘陵、地形、樹林或建築物之遮蔽，或是無人任務載具MV已經超出第一控制站CS1的通訊視距之外，或是希望增加通訊距離，都會造成第一控制站CS1無法與無人任務載具MV間建立直接無線通訊。
無人中繼載具RV較佳是一台具有自動駕駛(autopilot)功能、或者GPS定位旋停(hover)的無人飛行載具(UAV)，經過設定之後可以依循所設定之飛行路徑自動飛到定點，較佳的其機載電腦(onboard computer)軟體 經過修改允許傳輸與收接第一控制站CS1與無人任務載具MV兩個節點之間的雙向通訊訊號，或者其機載電腦內包含一個無線通訊中繼模組，此無線通訊中繼模組允許傳輸與收接第一控制站CS1與無人任務載具MV兩個節點之間的雙向通訊訊號，當無人中繼載具RV部署在第一控制站CS1與無人任務載具MV兩個節點之間，且第一控制站CS1與無人任務載具MV兩個節點之間都位在無人中繼載具RV的通訊半徑之內時，無人中繼載具RV就可以作為第一控制站CS1與無人任務載具MV之間的無線通訊中繼站。
第一控制站CS1、無人中繼載具RV以及無人任務載具MV三者之間經配置無線通訊技術後可進行無線通訊，並在無線通訊過程中形成一個區域網路，無人中繼載具RV接收來自第一控制站CS1經過加密(encrypted)的通訊訊號，經過解碼並重新加密後轉發給無人任務載具MV，或者接收來自無人任務載具MV經過加密(encrypted)的通訊訊號，經過解碼並重新加密後轉發給第一控制站CS1，上述的無線通訊較佳可以經由例如但不限於：單一頻道的分時多工(time division multiplexing)而實施；無人中繼載具RV也可以另外透過一個第二控制站CS2來獨立操控。
無人任務載具MV與無人中繼載具RV兩者較佳分別是在不同領域中運作的無人載具，例如無人任務載具MV是在水域領域(aquatic domain)中運作的無人水面載具、或者是在陸域領域(ground domain)中運作的無人地面載具，而無人中繼載具RV則是在空域領域(aerial domain)中運作的無人飛行載具。
第4圖係揭示本案發明之無人載具通訊中繼系統之第一實施例之示意圖；在本第一實施例中，無人中繼載具較佳是一台無人飛行載具 (UAV)410，而無人任務載具較佳是一台遙控水下載具(ROUV)420，兩者分別在空域領域與水域領域中運作，在本實施例，無人飛行載具410、無人水面載具(USV)430與遙控水下載具420三者之間經配置適合的通訊技術後可進行通訊，並在通訊過程中形成一個網狀拓樸形態之區域網路。
在本實施例，無人飛行載具410與無人水面載具430之間透過例如但不限於Wi-Fi無線通訊技術而建立無線通訊，遙控水下載具420以纜線連接的方式並透過例如但不限於RS485通訊介面而與無人水面載具430建立有線通訊，並接受來自無人水面載具430的遠端操作，因為無人飛行載具410、無人水面載具430與遙控水下載具420等都是透過電池驅動的電動載具，因此三者在通訊過程較佳會選用較低功耗射頻通訊技術，以降低通訊過程的電力消耗，通訊範圍是限制在一個可預期、且有限(finite)的距離之內，即使遙控水下載具430是透過有線通訊的方式與無人水面載具430建立通訊，相較於無線通訊可以有更長的通訊距離，但其通訊範圍仍是可以預期並有限的。
由於控制站400與無人水面載具430兩者之間的物理距離，已經超出Wi-Fi無線通訊技術之LOS之外而產生BLOS的問題，或是希望將無人水面載具430部署在更遠離控制站400的地點，而讓遙控水下載具420可以隨之部署到更遠的地點執行任務，或者希望增加控制站400與無人水面載具430兩者之間的物理通訊距離，因此造成控制站400無法與無人水面載具430間建立直接無線通訊。
無人飛行載具410較佳但不限於是一台四軸旋翼機，並具有自動駕駛與GPS定位旋停功能，其部署在控制站400無線通訊之視距之內、 與無人水面載具430無線通訊之視距之內，並作為控制站400與無人水面載具430之間的無線通訊中繼站，控制站400透過由控制站400、無人飛行載具410、無人水面載具430與遙控水下載具420所組成的通訊鏈路，即可從遠端操作遙控水下載具420來執行任務。
假設將一個中繼站視為一個通訊中繼層，當遙控水下載具420直接接受來自無人水面載具430的遠端操作時，本實施例沒有包含通訊中繼層，當遙控水下載具420透過由控制站400、無人飛行載具410、無人水面載具430與遙控水下載具420所組成的通訊鏈路，而接受來自控制站400的遠端操作時，本實施例包含兩層通訊中繼層；在本實施例，無人飛行載具410是在空域領域運作的無人載具，遙控水下載具420與無人水面載具430是在水域領域運作的無人載具。
第5圖係揭示本案發明之無人載具通訊中繼系統之第二實施例之示意圖；在本第二實施例中，無人中繼載具較佳是一台第一無人飛行載具510，而無人任務載具較佳也是一台第二無人飛行載具520，但在本實施例，在控制站500與第二無人飛行載具520兩者之間，由於受到丘陵地形的阻擋，因此在兩者之間造成NLOS障礙，導致兩節點之間無法建立直接無線通訊，可在控制站500與第二無人飛行載具520之間部署第一無人飛行載具510，作為控制站500與第二無人飛行載具520兩節點間的無線通訊中繼站，使得控制站500透過由控制站500、第一無人飛行載具510與第二無人飛行載具520所組成的通訊鏈路，即可從遠端操作第二無人飛行載具520來執行任務；本實施例包含單一層通訊中繼層；在本實施例，第一無人飛行載具510與第二無人飛行載具520都是在空域領域運作的無人載具。
第6圖係揭示本案發明之無人載具通訊中繼系統之第三實施例之示意圖；在本第三實施例中，無人中繼載具較佳是一台第三無人飛行載具610，無人任務載具共有兩台，一台是無人地面載具(UGV)620，另一台則是第四無人飛行載具630，但在本實施例，在控制站600與無人地面載具620以及第四無人飛行載具630之間，由於受到大樓結構體的阻擋，因此在控制站600與無人地面載具620以及第四無人飛行載具630之間造成NLOS障礙，導致兩節點之間無法建立直接無線通訊，這時可在控制站600與無人地面載具620以及第四無人飛行載具630之間部署第三無人飛行載具610，作為控制站600與無人地面載具620以及第四無人飛行載具630三個星狀節點間的無線通訊中繼站，使得控制站600得以透過由控制站600、第三無人飛行載具610與無人地面載具620所組成的通訊鏈路、以及由控制站600、第四無人飛行載具630與第四無人飛行載具630所組成的通訊鏈路，即可從遠端分別操作無人地面載具620與第四無人飛行載具630來執行任務；在本實施例，第三無人飛行載具610與第四無人飛行載具630都是在空域領域運作的無人載具，無人地面載具620是在陸域領域運作的無人載具。
第7圖係揭示透過本案發明無人載具通訊中繼系統所建立之多層中繼無線通訊之示意圖；在控制站與無人任務載具之間，在實際應用上可供部署之通訊中繼站的數量是無限多的，可以在控制站與無人任務載具之間，形成多層次無線中繼通訊，如果將無人中繼載具皆設定自動駕駛，並依照GPS定位部署在規劃地點，則可以簡單在控制站與無人任務載具之間組建出一個無限延伸的通訊鏈路，克服各種可能的NLOS障礙、BLOS障礙，並盡量延伸通訊距離；如第7圖所揭示，控制站700與第七無人飛行載具730 之間包含兩台作為通訊中繼站的第五無人飛行載具710與第六無人飛行載具720；在本實施例，第五無人飛行載具710、第六無人飛行載具與720與第七無人飛行載具730都是在空域領域運作的無人載具。
對於使用電池驅動之輕型無人載具、商用無人載具以及一般常用的經濟型無人載具，因為有電力消耗、荷載(payload)和低成本的限制，其活動與操作範圍較佳在半徑200公尺以內，最遠可以達到500公尺，且通常選擇配置介於2.4-2.5GHz和5.2-5.8GHz的超高頻(SHF)低功耗射頻通訊技術來進行通訊，或者也有採用更低的sub-1GHz的特高頻(UHF)以低資料率(data rate)和低功耗射頻通訊技術來組建通訊網路並進行通訊，一般不會配置較重或較貴的電信通訊(telecommunication)技術來組建通訊網路，也無法透過衛星通訊來進行通訊中繼，因衛星通訊需要經由高功率的發射器來發送射頻訊號，且必須向國際電信聯盟(ITU)提出使用申請並使用介於5GHz-40GHz的極高頻(EHF)頻道來發送射頻訊號，電池驅動之一般無人載具是無法達成的。
適合的低功耗射頻通訊技術包含但不限於：Wi-Fi無線通訊技術、藍芽低功耗(BLE)無線通訊技術、藍芽(Bluetooth)無線通訊技術、Zigbee無線通訊技術、Xbee無線通訊技術、LoRa無線通訊技術、或者Sub-1GHz無線通訊技術，這些低功耗射頻通訊技術也正好適合用來組建低功耗區域網路，而在有線通訊(wired/cabled communication)部分包含但不限於：有線通訊係指但不限於RS485通訊技術、RS232通訊技術、RS422通訊技術、Ethernet通訊技術或者RJ45通訊技術，也都可以用來組建低功耗區域網路。
本發明所使用的頻段都是符合ITU定義的ISM頻帶(Industrial Scientific Medical Band)，在全球範圍都是保留給有關工業、科學、以及醫療等目的的射頻應用，只要是用於執行有關工業、科學、以及醫療目的的任何裝置，無須執照或者許可即可自由使用ISM頻段進行通訊。
藍芽(Bluetooth)是一種無線通信技術標準，其透過使用短波超高頻(SHF)無線電波，而實現在較短通訊距離內的資料交換，SHF無線電波是一系列在ISM(工業、科學、醫療)2.4GHz至2.485GHz頻段內運作的射頻電波，包含在底端和頂端分別有頻寬為2MHz與3.5MHz的保護頻帶來避免干擾，藍芽經常用來在固定裝置和行動裝置之間、或者在多個行動裝置之間組建無線區域網路(WLAN)、小型無線個人區域網路(PAN)、或者無線隨意網路(ad hoc network)之類的小範圍通訊網路，通常藍芽4.2以下版本在室內的物理傳輸距離可大於10公尺，在室外開放場域的傳輸距離大約可達200公尺，藍芽5.0以上版本在室外開放場域傳輸距離可大於40公尺最大到400公尺。
Wi-Fi是目前全球最廣泛使用的無線通信技術，配合採用於符合IEEE 802.11標準的裝置，而組建無線區域網路(WLAN)，Wi-Fi使用短波特高頻(UHF)和短波超高頻(SHF)的射頻電波，在2.4GHz和5.8GHz的ISM頻段下工作，通常Wi-Fi路由器(router)或接入點(AP)在室內的傳輸距離約在10公尺到100公尺之間，室外的開放場域最大可達400公尺。
Zigbee則是指基於IEEE 802.15.4規格的一套高階通信協定，其致力於以小規模、低功率的數位無線電(digital radio)，來提供具有低成本、低功耗、短傳輸範圍、低資料速率、低延遲、低信號干擾、近距離 等特點的一項無線資料傳輸技術，以在多個裝置之間組建無線區域網路(WLAN)、無線個人區域網路(PAN)、或者無線隨意網路(ad hoc network)等，提供應用在例如：家庭自動化、醫療裝置資料收集、生命徵象收集、以及其它低功耗低頻寬等之需求上。通常Zigbee是針對使用在電池供電、進行無線控制與無線監控等應用的無線裝置上，並且主要是使用分布在2.4GHz以及低於Sub 1GHz的ISM頻段來操作。
對於基於短距離、低資料速率的通訊應用，特別是針對低資料傳輸率的應用，尚未在全球完全標準化的Sub 1GHz射頻(RF)技術是另一種替代選項，Sub 1GHz射頻通常是指在低於1GHz的ISM頻譜內工作的無線電頻率，通常是使用769MHz到935MHz、315Mhz、以及468Mhz的頻段，Sub 1GHz射頻主要使用低於2.4GHz的無線電頻率，相較於2.4GHz的無線電頻率具有相對較低的繞射損失(diffraction loss)。
本發明提出之通訊中繼系統較佳是為「以在不同領域中運作的複數輕型電動無人載具作為通訊節點並在有限之範圍內採用有線或無線通訊技術在節點間建立通訊鏈路以進行通訊」的無人載具提供通訊中繼，尤其是為在不同領域中運作的無人載具聯合提供通訊中繼，以填補目前無人載具技術在這部分的不足，本發明提出的系統尤其適合應用在需要多台無人載具聯合執行任務的情況，透過應用本發明所提出的無人載具通訊中繼系統，可以簡單快速的完成無線通訊中繼站的建置與部署，協助無人載具克服NLOS障礙與BLOS障礙，並延伸通訊距離。
本發明透過直接修改無人中繼載具內部的機載電腦軟體，使其允許傳輸與收接某兩個節點之間的雙向通訊訊號，或者在機載電腦內包 含一個無線通訊中繼模組，此無線通訊中繼模組允許傳輸與收接某兩個節點之間的雙向通訊訊號，藉此為以在不同領域中運作的複數輕型電動無人載具作為通訊節點並在有限之範圍內採用有線或無線通訊技術在節點間建立通訊鏈路以進行通訊的無人載具系統提供無線通訊中繼。
第8圖係揭示透過本案發明無人載具通訊中繼系統之混合領域應用情境示意圖；對於臨水結構物(waterfront structure)，例如但不限於：離岸風機、鑽油平台、橋梁、堤防、燈塔、水壩或者港灣結構物等，這些結構物通常會有一部分結構是浸沒在水中，一部分結構則是深入陸地岩盤，而另一部分結構則會曝露在大氣中並向上直立，因此當需要檢測這些臨水結構物時，通常需要聯合空中載具、陸上載具、水面載具、以及水下載具等不同種類的無人載具來進行協同作業，才能完整執行對臨水結構物的整體檢測，檢測過程涉及在不同領域中運作之無人載具之聯合作業，尤其涉及陸海空混合領域無人載具之聯合作業，本發明提出的無人載具通訊中繼系統可以提供全方位解決方案(total solution)。
尤其近年來臨水基礎設施的老化與劣化之診斷及維修、以及對應的補強延長使用年限，加上由潔淨能源潮流所帶起為數龐大的海上風機之興建，臨水基礎設施之檢測，已經成為開發國家需要積極面對的問題，種種因素都使得臨水結構物狀態檢測之需求日益加增，然而此類檢測往往為勞動密集且具危險性的工作，加上日益嚴重的極端天候威脅，因此聯合陸海空無人載具來進行檢測會是最合適的解決方案。
但當陸海空無人載具聯合並協同進行臨水結構物檢測時，各類型無人載具分別具有不同通訊技術與通訊距離，並且常因地形、臨水結 構物等因素之阻擋，而有NLOS阻礙與BLOS阻礙以及延長通訊距離之需求，本案發明之系統尤其可以解決臨水結構物檢測時所遇到的各種機器的控制與通訊的問題，以及檢測時的多層空間問題，經由實施本發明之系統可以達到真正的遠端操作與遠端檢測，不但安全還可有效將低整體檢測成本。
如第8圖所揭示，橋梁801與水壩803設置在海平面的位置或河川上游處，在海岸附近的海底岩層(大陸棚)上設置有一組離岸風機805，一台輕型水面無人機807以線控方式連結並從遠端操控一台輕型無人水下坦克809，以用於檢測橋梁801與水壩803的水下結構，另一台輕型無人船811以線控方式連結並從遠端操控一台輕型遙控水下潛艇813，以檢測離岸風機805的水下結構，由於，橋梁801、水壩803或離岸風機805等大型結構物，會對來自控制站800的無線通訊訊號造成NLOS阻礙，或者當離岸風機805離控制站800太遠時，會對來自控制站800的無線通訊訊號造成BLOS問題。
因此在輕型水面無人機807以及輕型無人船811上方部署一台作為無線通訊中繼站的第八無人飛行載具815，在本實施例，第八無人飛行載具815較佳但不限於為四軸旋翼機，而對輕型水面無人機807以及輕型無人船811提供無線中繼訊號，控制站800向輕型無人水下坦克809與輕型遙控水下潛艇813發送之控制訊號，經由第八無人飛行載具815之無線通訊中繼，而傳輸給輕型水面無人機807以及輕型無人船811，再分別由輕型無人水下坦克809與輕型遙控水下潛艇813接收並執行；輕型水面無人機807、輕型無人水下坦克809、輕型無人船811、輕型遙控水下潛艇813的活動範圍大致是在200公尺的深度與半徑以內。
在較遠離大陸棚的海洋，設置有一個固定在海底平原上的鑽油平台830，在靠近鑽油平台830附近部署有一艘重型無人船832，以線控方式連結並從遠端操控一台重型遙控水下潛艇834，以檢測鑽油平台830的水下結構，由於重型無人船832部署在距離控制站800較遠的位置，因而在控制站800與重型無人船832之間形成BLOS問題，透過在控制站800與重型無人船832之間部署作為無線通訊中繼站的一台、或者多台第八無人飛行載具815，而對重型無人船832提供無線中繼訊號，控制站800向重型遙控水下潛艇834發送之控制訊號，經由第八無人飛行載具815之無線通訊中繼而傳輸給重型無人船832，再由重型遙控水下潛艇834接收並執行；重型無人船832、重型遙控水下潛艇834的活動範圍，大致是在介於200公尺到1000公尺的深度與半徑以內。
本發明以上各實施例彼此之間可以任意組合或者替換，從而衍生更多之實施態樣，但皆不脫本發明所欲保護之範圍，茲進一步提供更多本發明實施例如次：
實施例1：一種無人載具通訊中繼系統，其包含：控制站，其提供作為實施遠端操作的操控台；無人任務載具，其係為在第一領域中運作之無人載具，並透過通訊鏈路接收來自該控制站的該遠端操作；以及無人中繼載具，其係為在第二領域中運作之無人載具，並在該通訊鏈路中介於該控制站與該無人任務載具之間。
實施例2：如實施例1所述之無人載具通訊中繼系統，其中該無人任務載具還包含機載電腦，該機載電腦中包含機載軟體，該機載軟體係使用開源程式碼編程，並開放給使用者存取與修改，該機載軟體經修改 而允許傳輸與收接該控制站與該無人任務載具之間的雙向通訊訊號。
實施例3：如實施例1所述之無人載具通訊中繼系統，其中該無人任務載具還包含機載電腦，該機載電腦中包含中繼通訊模組，該中繼通訊模組經配置可傳輸與收接該控制站與該無人任務載具之間的雙向通訊訊號。
實施例4：如實施例1所述之無人載具通訊中繼系統，其中該第一領域與該第二領域為空域領域、水域領域或者陸域領域，且該第一領域與該第二領域不同。
實施例5：如實施例1所述之無人載具通訊中繼系統，其中該無人任務載具與該無人中繼載具係為無人陸上載具、無人空中載具、無人水中載具、無人陸空載具、無人水陸載具、無人水空載具、無人陸海空載具、無人飛行載具、無人水面載具、無人水下載具、遙控水下載具或者無人地面載具。
實施例6：如實施例1所述之無人載具通訊中繼系統，其中該無人任務載具與該無人中繼載具係經由電力驅動，並在低空範圍、地面範圍、水面範圍或者淺層水下範圍中運作。
實施例7：如實施例1所述之無人載具通訊中繼系統，其中該控制站、該無人任務載具與該無人中繼載具之間係透過有線通訊技術或者無線通訊技術而建立該通訊鏈路並形成區域網路，該有線通訊技術係為RS485通訊技術、RS232通訊技術、RS422通訊技術、Ethernet通訊技術或者RJ45通訊技術，該無線通訊技術係為Wi-Fi無線通訊技術、藍芽低功耗無線通訊技術、藍芽無線通訊技術、Zigbee無線通訊技術、Xbee無線通訊技術、 LoRa無線通訊技術或者Sub-1GHz無線通訊技術，該區域網路係為有線區域網路、無線區域網路或者有線無線混合區域網路，該通訊鏈路的長度係介於100到500公尺或者介於200到500公尺。
實施例8：一種無人載具通訊中繼系統，其包含：控制站，其提供作為實施遠端操作的操控台；第一無人任務載具，其係為在第一領域中運作之無人載具，並透過通訊鏈路接收來自該控制站的該遠端操作；第二無人任務載具，其係為在第二領域中運作之無人載具，並透過該通訊鏈路接收來自該控制站的該遠端操作；以及無人中繼載具，其係為在第三領域中運作之無人載具，並在該通訊鏈路中介於該控制站與該第一無人任務載具以及該第二無人任務載具之間。
實施例9：如實施例8所述之無人載具通訊中繼系統，其中該第一領域、該第二領域以及該第三領域為空域領域、水域領域或者陸域領域，且該第一領域、該第二領域以及該第三領域其中二個為不同領域。
實施例10：一種無人載具通訊中繼系統，其包含：控制站，其提供作為實施遠端操作的操控台；無人任務載具，其係為在第一領域中運作之無人載具，並透過通訊鏈路接收來自該控制站的該遠端操作；第一無人中繼載具，其係為在第二領域中運作之無人載具，並在該通訊鏈路中介於該控制站與該無人任務載具之間；以及第二無人中繼載具，其係為在該第三領域中運作之無人載具，並在該通訊鏈路中介於第一無人中繼載具與該無人任務載具之間。
本發明各實施例彼此之間可以任意組合或者替換，從而衍生更多之實施態樣，但皆不脫本發明所欲保護之範圍，本發明保護範圍之界 定，悉以本發明申請專利範圍所記載者為準。
400‧‧‧控制站
410‧‧‧無人飛行載具
420‧‧‧遙控水下載具
430‧‧‧無人水面載具

Claims (10)

  1. 一種無人載具通訊中繼系統，其包含：
    一控制站，其提供作為實施一遠端操作的操控台；
    一無人任務載具，其係為在一第一領域中運作之無人載具，並透過一通訊鏈路接收來自該控制站的該遠端操作；以及
    一無人中繼載具，其係為在一第二領域中運作之無人載具，並在該通訊鏈路中介於該控制站與該無人任務載具之間。
  2. 如請求項第1項所述之無人載具通訊中繼系統，其中該無人任務載具還包含一機載電腦，該機載電腦中包含一機載軟體，該機載軟體係使用開源程式碼編程，並開放給一使用者存取與修改，該機載軟體經修改而允許傳輸與收接該控制站與該無人任務載具之間的雙向通訊訊號。
  3. 如請求項第1項所述之無人載具通訊中繼系統，其中該無人任務載具還包含一機載電腦，該機載電腦中包含一中繼通訊模組，該中繼通訊模組經配置可傳輸與收接該控制站與該無人任務載具之間的雙向通訊訊號。
  4. 如請求項第1項所述之無人載具通訊中繼系統，其中該第一領域與該第二領域為一空域領域、一水域領域或者一陸域領域，且該第一領域與該第二領域不同。
  5. 如請求項第1項所述之無人載具通訊中繼系統，其中該無人任務載具與該無人中繼載具係為一無人陸上載具、一無人空中載具、一無人水中載具、 一無人陸空載具、一無人水陸載具、一無人水空載具、一無人陸海空載具、一無人飛行載具、一無人水面載具、一無人水下載具、一遙控水下載具或者一無人地面載具。
  6. 如請求項第1項所述之無人載具通訊中繼系統，其中該無人任務載具與該無人中繼載具係經由電力驅動，並在低空範圍、地面範圍、水面範圍或者淺層水下範圍中運作。
  7. 如請求項第1項所述之無人載具通訊中繼系統，其中該控制站、該無人任務載具與該無人中繼載具之間係透過一有線通訊技術或者一無線通訊技術而建立該通訊鏈路並形成一區域網路，該有線通訊技術係為一RS485通訊技術、一RS232通訊技術、一RS422通訊技術、一Ethernet通訊技術或者一RJ45通訊技術，該無線通訊技術係為一Wi-Fi無線通訊技術、一藍芽低功耗無線通訊技術、一藍芽無線通訊技術、一Zigbee無線通訊技術、一Xbee無線通訊技術、一LoRa無線通訊技術或者一Sub-1GHz無線通訊技術，該區域網路係為一有線區域網路、一無線區域網路或者一有線無線混合區域網路，該通訊鏈路的長度係介於100到500公尺或者介於200到500公尺。
  8. 一種無人載具通訊中繼系統，其包含：
    一控制站，其提供作為實施一遠端操作的操控台；
    一第一無人任務載具，其係為在一第一領域中運作之無人載具，並透過一通訊鏈路接收來自該控制站的該遠端操作；
    一第二無人任務載具，其係為在一第二領域中運作之無人載具，並透 過該通訊鏈路接收來自該控制站的該遠端操作；以及
    一無人中繼載具，其係為在一第三領域中運作之無人載具，並在該通訊鏈路中介於該控制站與該第一無人任務載具以及該第二無人任務載具之間。
  9. 如請求項第8項所述之無人載具通訊中繼系統，其中該第一領域、該第二領域以及該第三領域為一空域領域、一水域領域或者一陸域領域，且該第一領域、該第二領域以及該第三領域其中二個為不同領域。
  10. 一種無人載具通訊中繼系統，其包含：
    一控制站，其提供作為實施一遠端操作的操控台；
    一無人任務載具，其係為在一第一領域中運作之無人載具，並透過一通訊鏈路接收來自該控制站的該遠端操作；
    一第一無人中繼載具，其係為在一第二領域中運作之無人載具，並在該通訊鏈路中介於該控制站與該無人任務載具之間；以及
    一第二無人中繼載具，其係為在該第三領域中運作之無人載具，並在該通訊鏈路中介於第一無人中繼載具與該無人任務載具之間。
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