TWI444595B - Unmanned water monitoring device for fixed - point and stay - Google Patents

Description

定點推進與停留之無人水上監測裝置

本發明係有關一種定點推進與停留之無人水上監測裝置，尤指一種定點推進與停留之無人水上監測裝置，其兼具可自動移動至工作範圍、利於進行遠洋監測、不需下錨適於各種水中環境、環境惡化可快速自動回到安全區域、推動部可水平360度轉動將主體直線推回工作範圍、可隨時改變工作範圍的大小與太陽能裝置供電時間長等功效。

過去在海洋或湖泊中，為了進行長時間特定資料的監測，例如：測量整個湖泊水質酸鹼度或溶氧量的狀況。常會在某些定點放置特定的感測裝置以收集所需的資訊，目前通常以浮標方式來部署，然而這些裝置若是要停留在同一位置上，則需要透過下錨的方式來達成。

而這樣的方式產生以下問題：

[1]　必需運送至工作範圍。傳統以浮標部署監測裝置的方式，需將監測裝置費時運送至海洋或是湖泊的待監測位置，除耗費大量移動監測裝置之相關費用。運送過程亦是相當不便。

[2]　不利於進行遠洋監測。傳統水上監測裝置必需送至目的地才能進行監測，對部份海象不明、行程過遠，與不利船隻油料及人員飲食運補之遠洋海域，可能無法進行監測作業。

[3]　需下錨不適於各種水中環境。傳統浮標式監測裝置必需在水中下錨才能固定於預定的工作範圍，對於部份海底過深的海域，下錨除了會造成監測裝置的機動性不佳之外，監測裝置的部署與收回皆須依賴人工作業，並可能發生不易下錨固定的狀況。故，需下錨不適於各種水中環境。

[4]　環境惡化可能被損毀。傳統下錨式的監測裝置，一旦遇到海象環境惡化，可能因為來不及拆除而被損毀，相當浪費。

[5]　無法隨時改變工作範圍的大小。傳統監測裝置一旦下錨定位後，可能受限於錨線的長度，而無法再增加工作範圍，至於縮小範圍也可能因為錨線縮短固定不易，而可能無法作到。

有鑑於此，必需研發出可解決上述習用缺點之技術。

本發明之目的，在於提供一種定點推進與停留之無人水上監測裝置，其兼具可自動移動至工作範圍、利於進行遠洋監測、不需下錨適於各種水中環境、環境惡化可快速自動回到安全區域、推動部可水平360度轉動將主體直線推回工作範圍、可隨時改變工作範圍的大小與太陽能裝置供電時間長之優點。特別是，本發明所欲解決之問題係在於傳統監測裝置必需運送至工作範圍、不利於進行遠洋監測、需下錨不適於各種水中環境、環境惡化可能被損毀與無法隨時改變工作範圍的大小的問題。

解決上述問題之技術手段係提供一種定點推進與停留之無人水上監測裝置，其包括：一主體，係用以設於一水中環境之工作範圍內，該水中環境及該工作範圍概呈波浪起伏狀態；一監測單元，係設於該主體上，用以於該工作範圍內進行監測作業；該監測單元係設一監測資料接收器；一座標辨識單元，係設於該主體上，其設一訊號接收器，用以接收一全球衛星定位系統發出之衛星訊號，供該座標辨識單元處理並確認該主體位於該工作範圍內；當該主體被該水中環境之波浪起伏推離該工作範圍，係即時輸出一復位訊號；一動力單元，係設於該主體上，並可與該主體相對水平轉動360度，當啟動時用以將該主體推至該工作範圍內；一控制部，係設於該主體上，用以控制該監測單元動作，並當接收該復位訊號時，啟動該動力單元將該主體推至該工作範圍內。

本發明之上述目的與優點，不難從下述所選用實施例之詳細說明與附圖中，獲得深入瞭解。

茲以下列實施例並配合圖式詳細說明本發明於後：

參閱第一、第二及第六圖，本發明係為一種定點推進與停留之無人水上監測裝置，其包括：一主體10，係用以設於一水中環境91之工作範圍P內(參閱第四圖)，該水中環境91及該工作範圍P概呈波浪起伏狀態；一監測單元20，係設於該主體10上，用以於該工作範圍P內進行監測作業；該監測單元20係設一監測資料接收器21；一座標辨識單元30，係設於該主體10上，其設一訊號接收器31，用以接收一全球衛星定位系統(Global Positioning System，簡稱GPS)92發出之衛星訊號921，供該座標辨識單元30處理並確認該主體10位於該工作範圍P內；當該主體10被該水中環境91之波浪起伏推離該工作範圍P，係即時輸出一復位訊號32；一動力單元40，係設於該主體10上，並可與該主體10相對水平轉動360度，當啟動時用以將該主體10推至該工作範圍P內；一控制部50，係設於該主體10上，用以控制該監測單元20動作，並當接收該復位訊號32時，啟動該動力單元40將該主體10推至該工作範圍P內。

實務上，該主體10可為無人水上監測裝置。

該監測單元20可為風向與風速計、紅外線感應器、聽覺感應器、水質感測器、影像感測器，而可用以於該水中環境91之工作範圍P中進行例如：水中酸鹼質、溶氧監測，‧‧‧等作業(水中監測作業包括內容相當多，舉凡可裝於該主體10上進行檢測者均可為之。)。

該工作範圍P係預設於該座標辨識單元30內。

該動力單元40係包括一轉向部41及一推動部42；其中：

[a]該轉向部41，係設有：一轉向動力部411，係固定於該主體10；並設有一變速機構41A，用以輸出並調整該轉向動力部411產生之動力；一轉向連接件412，係連結該變速機構41A及該推動部42，用以供變速機構41A將該推動部42轉向至預定之推動角；

[b]該推動部42，係設有：一推動架421，係供該推動部42連結該轉向連接件412；該推動架421上並具有舵葉42A，可用以提高推動該主體10行進方向之導引效果。

一推動件422，係設於該推動架421內；一扇葉423，係受該推動件422推動，而可於該水中環境91內轉動(參閱第三圖)，以推動該主體10。

本發明又包括：一方向顯示器61，可為電子羅盤，用以顯示該主體10所在之方位。

一無線傳輸裝置62，係供該控制部50輸出儲存之相關監測數據，或是接收相關之控制數據。

一太陽能裝置63，係設於該主體10上，用以擷取太陽能，可即時供應該主體10上之相關裝置所需之電力，並可進一步儲存而供夜晚作業所需之電力。

參閱第七圖，本發明進行定點推進與停留之方式，於開始後可包括下列步驟：

步驟A(71)：對控制部輸入工作範圍之工作座標。

步驟B(72)：接收全球衛星定位系統發出之所在位置座標。

步驟C(73)：判別是否位於工作範圍內？若判別結果為“是”，則進行步驟D1(741)：讓主體於工作範圍內隨波浪移動。若判別結果為“非”，則進行步驟D2(742)。

步驟D2(742)：啟動動力單元，將主體推回工作範圍內，然後結束。

亦即，參閱第四圖，將本發明之定點推進與停留之無人水上監測裝置移至該水中環境91(只要放置於岸邊即可)，啟動該控制部50，該控制部50控制該訊號接收器31接收該全球衛星定位系統92發出之該衛星訊號921，供該座標辨識單元30處理而辨識該主體10所在位置的初始座標(X ₀ ,Y ₀ )，進而確認該初始座標(X ₀ ,Y ₀ )是否位於該工作範圍P內，若座標位置不符，則啟動該動力單元40，該動力單元40(以第二圖為例，在計算座標後，與該主體10相對水平轉動一調整角度θ)即可將該定點推進與停留之無人水上監測裝置推動到該工作範圍P內，而可於該工作範圍P內，以該監測單元20進行相關之監測作業。

由於該水中環境91概呈波浪起伏狀態，該主體10於該水中環境91上，會被沒有方向性的波浪不斷的推動，只要位於該工作範圍P(例如位於工作座標(X ,Y )上)皆屬正常監測位置，而當如第五圖所示，可能先後被推出該工作範圍P而移動到一第一偏離座標(X ₁ ,Y ₁ )、一第二偏離座標(X ₂ ,Y ₂ )或是一第三偏離座標(X ₃ ,Y ₃ )，但都能在收到告知偏離之衛星訊號921後，由該座標辨識單元30朝該控制部50發送該復位訊號32，該控制部50啟動該轉向動力單元40，而將該主體10推回該工作範圍P內。

而工作範圍P則可隨監測條件需要，隨時擴大或縮小，工作範圍P擴大則可減少動力單元啟動的次數而減少動力損耗。

本發明之優點及功效可歸納如下：

[1]　可自動移至工作範圍。本發明設有座標辨識單元，只要將主體放入水中環境，即可配合全球衛星定位系統自動辨識主體所在座標，並由控制部控制動力單元將主體推動到工作範圍(亦即定點推進)內，完全不用船舶運送。若是在廣大的海域中有數個需要進行監測之工作範圍，只要在工作場所或是實驗室中，對控制部進行搖控，主體即可於數個工作範圍間自動移動，可節省大量移動之相關費用。故，可自動移動至工作範圍。

[2]　利於進行遠洋監測。本發明為全自動裝置，對部份海象不明，或是行程過遠不利船隻油料及人員飲食運補之遠洋海域，即可以將本發明設定工作座標後，配合全球衛星定位，控制本發明自動行進至遠洋海域進行監測。故，利於進行遠洋監測。

[3]　不需下錨適於各種水中環境。本發明以座標辨識單元配合全球衛星定位系統及動力單元，可即時監控主體所在之工作座標，一旦超出工作範圍，即啟動動力單元將主體推回工作範圍內(亦即定點停留)。對於部份海底過深的遠洋海域，完全無需考量下錨的種種問題(至少包括裝下錨裝置運送到遠洋的一切費用、監測現場的部署與收回之人工作業‧‧‧等問題)。故，不需下錨適於各種水中環境。

[4]　環境惡化可快速自動回到安全區域。廣大的海域中，氣候變化相當快速，本發明在工作範圍內進行監測的同時，可藉由監測之數據(例如風向與風速、水質變化)，判別海域是否產生氣象惡化(暴風雨產生快速的風及大量的雨，水質也會跟著變化)，在不需拆解錨件作業時間的優勢下，可迅速自動移往海象較穩定之座標(可預先輸入長期公知海象較穩定之座標，也可即時透過即時海象資訊而迅速遙控主體移動)移動。故環境惡化可快速自動回到安全區域。可防止相關設備損壞。

[5]　推動部可水平360度轉動。本發明之動力單元可與主體相對水平轉動360度。故，可依據偏離座標的方向，控制動力單元與該主體相對水平轉動至可將主體直線推回工作座標的角度，無論主體被波浪推離到哪個方向，都能以最短的直線距離，快速將主體推回工作範圍內。

[6]　可隨時改變工作範圍。本發明之主體係藉動力單元即時推動而控制在工作範圍內，故可於實驗室內，隨時依需要彈性縮小或是放大工作範圍的大小。相當方便。

[7]　太陽能裝置供電時間長。本發明設有太陽能裝置，可於白天充份將太陽能轉換為電能，提供設備所需電力，並可進一步儲存電力，以供夜晚所需電力，不管行程再遠均可提供電力。故，太陽能裝置供電時間長。

以上僅是藉由較佳實施例詳細說明本發明，對於該實施例所做的任何簡單修改與變化，皆不脫離本發明之精神與範圍。

10．．．主體

20．．．監測單元

21．．．監測資料接收器

30．．．座標辨識單元

31．．．訊號接收器

32．．．復位訊號

40．．．動力單元

41．．．轉向部

411．．．轉向動力部

41A．．．變速機構

412．．．轉向連接件

42．．．推動部

421．．．推動架

422．．．推動件

423．．．扇葉

42A．．．舵葉

50．．．控制部

61．．．方向顯示器

62．．．無線傳輸裝置

63．．．太陽能裝置

71．．．步驟A

72．．．步驟B

73．．．步驟C

741．．．步驟D1

742．．．步驟D2

91．．．水中環境

92．．．全球衛星定位系統

921．．．衛星訊號

P．．．工作範圍

(X ₀ ,Y ₀ )．．．初始座標

(X ,Y )．．．工作座標

(X ₁ ,Y ₁ )．．．第一偏離座標

(X ₂ ,Y ₂ )．．．第二偏離座標

(X ₃ ,Y ₃ )．．．第三偏離座標

θ．．．調整角度

第一圖係本發明之分解之示意圖

第二圖係本發明之應用例之示意圖

第三圖係本發明之推動部之動作之示意圖

第四圖係本發明之自動移動到工作範圍內之示意圖

第五圖係本發明之自動由偏離座標推回工作範圍內之示意圖

第六圖係本發明之系統方塊圖

第七圖係本發明之動作流程之示意圖

10．．．主體

20．．．監測單元

21．．．監測資料接收器

30．．．座標辨識單元

31．．．訊號接收器

40．．．動力單元

41．．．轉向部

411．．．轉向動力部

412．．．轉向連接件

41A．．．變速機構

42．．．推動部

421．．．推動架

422．．．推動件

423．．．扇葉

42A．．．舵葉

50．．．控制部

61．．．方向顯示器

62．．．無線傳輸裝置

63．．．太陽能裝置

Claims (7)

1. 一種定點推進與停留之無人水上監測裝置，係包括：一主體，係用以設於一水中環境之工作範圍內，該水中環境及該工作範圍概呈波浪起伏狀態；一監測單元，係設於該主體上，用以於該工作範圍內進行監測作業；該監測單元係設一監測資料接收器；一座標辨識單元，係設於該主體上，其設一訊號接收器，用以接收一全球衛星定位系統發出之衛星訊號，供該座標辨識單元處理並確認該主體位於該工作範圍內；當該主體被該水中環境之波浪起伏推離該工作範圍，係即時輸出一復位訊號；一動力單元，係設於該主體上，並可與該主體相對水平轉動360度，當啟動時用以將該主體推至該工作範圍內；一控制部，係設於該主體上，用以控制該監測單元動作，並當接收該復位訊號時，啟動該動力單元將該主體推至該工作工作範圍內；其中：該動力單元係包括一轉向部及一推動部，其中：[a]該轉向部，係設有：一轉向動力部，係固定於該主體；並設有一變速機構，用以輸出並調整該轉向動力部產生之動力；一轉向連接件，係連結該變速機構及該推動部，用以供變速機構將該推動部轉向至預定之推動角；[b]該推動部，係設有：一推動架，係供該推動部連結該轉向連接件；該推動架上並具有舵葉，用以提高推動該主體行進方向之導引效果；一推動件，係設於該推動架內；一扇葉，係受該推動件推動，而可於該水中環境內轉動，以推動該主體。
2. 如申請專利範圍第1項所述之虛擬實境跳傘系統，其中， 該主體係為無人水上監測裝置。
3. 如申請專利範圍第1項所述之虛擬實境跳傘系統，其中，該監測單元係選自風向與風速計、紅外線感應器、聽覺感應器、水質感測器、影像感測器的至少其中之一種。
4. 如申請專利範圍第1項所述之虛擬實境跳傘系統，其中，該工作範圍係預設於該座標辨識單元內。
5. 如申請專利範圍第1項所述之虛擬實境跳傘系統，其又包括：一方向顯示器，係為電子羅盤，用以顯示該主體所在之方位。
6. 如申請專利範圍第1項所述之虛擬實境跳傘系統，其又包括：一無線傳輸裝置，係供該控制部輸出儲存之相關監測數據，並接收相關之控制數據。
7. 如申請專利範圍第1項所述之虛擬實境跳傘系統，其又包括：一太陽能裝置，係設於該主體上，用以擷取太陽能，以供該主體上之相關裝置所需之電力。