TWI577881B - Unattended vehicle with multiple sensing function - Google Patents

Description

具多感測功能的無人探勘載具

　　本發明有關於一種具多感測功能的無人探勘載具，尤指一種可在無人駕駛狀況下自動進行探勘，並具有距離、氣體及溫度等多種感測功能之無人探勘載具。

　　隨著科技發展，無人駕駛的機械已有越來越豐富的功能，一部分具有危險性的工作可交由機器人進行，例如礦坑、隧道或地下道等環境的探勘中，在探勘前無法預測內部是否存有天然氣、一氧化碳、沼氣等對人體有害的氣體，經由操作機器人深入待探勘現場並回報所偵測到的環境資訊，令使用者可做出更為正確的判斷及措施。

　　如中華民國公告第M450727號新型專利即提供一種具氣體偵測定位之無人載具，係包含一於載具上裝設有氣體偵測模組之氣體偵測端及一可控制該氣體偵測端之遠端處理器，藉此，當欲對一環境進行氣體檢測時，使用者便可在一安全地點處遙控操作該裝設有氣體偵測模組之載具，以驅使該裝設有氣體偵測模組之載具深入欲勘查之環境中進行氣體檢測等作業，確實達到防止使用者深入欲勘查環境中進行氣體檢測等作業發生傷亡之危險。

　　然而，先前技術之無人載具雖有配合遠端處理器所搭載之全球定位系統的自主導航模組，但是在待探勘環境中若是遇上障礙物、火焰或流水等環境障礙，先前技術之無人載具無法探知，而可能繼續朝向該等環境障礙行駛，造成無人載具的故障甚至折損，此外，若在救災現場中有昏迷或受傷的人員，先前技術的無人載具也無法對其進一步辨識，亦不會主動通報位於遠端處理器的使用者，導致錯失最佳的搶救時間。是以，先前技術實有改進之必要。

　　本發明之目的，在於解決上述先前技術中無人載具無法辨識、迴避環境障礙而產生高折損率的問題。

　　為達上述目的，本發明提供一種具多感測功能的無人探勘載具，用以進入待探勘區域進行環境偵查，其包含有一受馬達驅動之車輪組，以及一資訊連結至一終端裝置之無線通訊單元，其特徵在於，所述之具多感測功能的無人探勘載具包含有一攝像單元、一環境偵測單元、一機臂單元、以及一控制單元。該攝像單元用以取得一動態影像。該環境偵測單元包含有一朝向該車輪組之行進方向設置並取得一距離資訊之超聲波測距模組，一與外部空氣接觸並取得一氣體濃度資訊之氣體偵測模組，以及一用以取得一溫度資訊之溫度偵測模組。該機臂單元包含有一受馬達驅動之活動機臂，以及一常態舒張之夾爪，該機臂單元具有一驅動該活動機臂平移或轉動之定位狀態，以及一驅動該夾爪夾合之夾取狀態。該控制單元包含有一接收該動態影像並進行分析之影像分析模組，一依據該動態影像分析結果以及該距離資訊控制該車輪組行進之自動導航模組，一接收該氣體濃度資訊及該溫度資訊並進行分析後回傳結果至該終端裝置之環境分析模組，以及一用以產生控制訊號操作該機臂單元作動之機臂控制模組。

　　進一步地，該終端裝置係為個人電腦、筆記型電腦或可攜式行動通訊裝置。

　　進一步地，該終端裝置產生一供使用者操作之機臂操作界面，且該終端裝置透過該無線通訊單元傳送使用者之操作資訊予該控制單元，並由該機臂控制模組產生控制訊號以操作該機臂單元作動。

　　進一步地，該終端裝置產生一供使用者觀看該氣體濃度資訊以及該溫度資訊之環境資訊介面，且該氣體濃度資訊或該溫度資訊高於閾值時該環境資訊介面顯示一警示訊號。

　　進一步地，該終端裝置係運行一行動應用程式(Mobile Application, APP)以提供使用者介面。

　　進一步地，該超聲波測距模組偵測到該距離資訊低於閥值時，該影像分析模組則分析該動態影像中辨識前方障礙物，且該控制單元依據分析結果控制該車輪組繞行或驅動該機臂單元移除障礙物。

　　進一步地，該機臂單元處於該定位狀態時，該影像分析模組自該動態影像分析該障礙物之輪廓並計算該活動機臂所須移動之位置資訊至該控制單元。

　　進一步地，所述之具多感測功能的無人探勘載具更包含有一於該控制單元連續地透過該無線通訊單元取得複數個座標位置時記錄每一該座標位置之記憶單元，且該控制單元於該無線通訊單元與該終端裝置連結中斷時控制該車輪組使該具多感測功能的無人探勘載具依序復歸至每一該座標位置。

　　進一步地，該氣體偵測模組包含有一一氧化碳感測器，以及一瓦斯感測器。

　　進一步地，該攝像單元係為網路攝影機(IP camera)，且該攝像單元傳送該動態影像至該終端裝置。

　　是以，本發明較先前技術具有以下有益功效：

　　1.本發明具多感測功能的無人探勘載具透過攝像單元取得周圍的動態影像，並結合控制單元中的影像分析模組判斷周遭是否有危險、或是否有人員須要救助等，亦可透過該機臂單元夾取移除障礙物，而較先前技術更能降低載具的折損率，並擴大其應用功能。

1‧‧‧無人探勘載具
10‧‧‧車輪組
20‧‧‧終端裝置
21‧‧‧機臂操作介面
22‧‧‧環境資訊介面
30‧‧‧無線通訊單元
40‧‧‧攝像單元
50‧‧‧環境偵測單元
51‧‧‧超聲波測距模組
52‧‧‧氣體偵測模組
521‧‧‧一氧化碳感測器
522‧‧‧瓦斯感測器
53‧‧‧溫度偵測模組
60‧‧‧機臂單元
61‧‧‧活動機臂
62‧‧‧夾爪
70‧‧‧控制單元
71‧‧‧影像分析模組
72‧‧‧自動導航模組
73‧‧‧環境分析模組
74‧‧‧機臂控制模組
80‧‧‧記憶單元
200‧‧‧障礙物

第1圖：為本發明具多感測功能的無人探勘載具之系統方塊圖。
第2圖：為本發明第一實施態樣之立體示意圖。
第3圖：為本發明環境資訊介面之平面示意圖。
第4-1圖至第4-3圖：為本發明具多感測功能的無人探勘載具進行障礙物移除之作動示意圖。
第5圖：為本發明機臂操作界面之平面示意圖。

　　茲就本申請案的技術特徵暨操作方式舉數個較佳實施態樣，並配合圖示說明謹述於后，俾提供審查參閱。再者，本發明中之圖式，為便於說明其比例未必按實際比例繪製，圖式中之比例並不用以限制本發明所欲請求保護之範圍。

　　關於本發明之技術，請參照如第1圖所示， 本發明提供一種具多感測功能的無人探勘載具1，用以進入待探勘區域如淹水、火災或危險氣體管路洩漏的現場進行環境偵查，其包含有一受馬達驅動之車輪組10，以及一資訊連結至一終端裝置20之無線通訊單元30，該終端裝置20可為個人電腦、筆記型電腦或可攜式行動通訊裝置，該無線通訊單元30可為全球衛星定位系統(Global Positioning System, GPS)、藍芽通訊模組、蜂巢通訊模組或Wi-fi模組等，在此不予限制。於本發明中，該終端裝置20係運行一行動應用程式(Mobile Application, APP)以提供使用者介面，令使用者便於監控該具多感測功能的無人探勘載具1所處環境的溫度、氣體濃度及環境影像等資訊並對其進行操作，而可在無人駕駛或陪同的前提下深入可能具有危險因素的待探勘環境，確保人員的生命安全。

　　具體而言，本發明具多感測功能的無人探勘載具1包含有一攝像單元40、一環境偵測單元50、一機臂單元60、以及一控制單元70，以下進一步詳述本發明每個構件所執行的作業以及其連結關係。

　　參照第2圖所示，該攝像單元40係用以取得一動態影像，藉此，該具多感測功能的無人探勘載具1可透過影像辨識技術區分出障礙物、火焰、流水或人員等特定呈像，並可據此判斷該具多感測功能的無人探勘載具1應如何避開危險，或是在發現受難人員時通報請求救助等。由於影像辨識已是本發明領域之通常知識者所熟習之技術，為精簡說明，在此不加以詳述。該攝像單元40可為網路攝影機(IP camera)，以便於將該動態影像透過該無線通訊單元30傳輸至該終端裝置20，並顯示在終端裝置20上供使用者觀看，本實施態樣中，該攝像單元40設置於該具多感測功能的無人探勘載具1的後方較高處，有助於擴大其擷取影像的視野。

　　該環境偵測單元50包含有一朝向該車輪組10之行進方向設置並取得一距離資訊之超聲波測距模組51，一與外部空氣接觸並取得一氣體濃度資訊之氣體偵測模組52，以及一用以取得一溫度資訊之溫度偵測模組53。其中，該氣體偵測模組52包含有一一氧化碳感測器521，以及一瓦斯感測器522。本發明之超聲波測距模組51為51MaxBotix公司所生產之MB7060型號之測距儀，具有較佳的抗噪能力、較少的聲波死角以及低耗電等優點，該一氧化碳感測器521為HANWEI電子公司所販售之MQ-7型號之微型AL₂ O₃ 陶瓷管感測器，該瓦斯感測器522則為MQ-4型號之二氧化錫鍍層感測器，此兩種感測器接具有靈敏性高、穩定且使用壽命長之優點。請一倂參照第3圖所示，於一實施態樣中，該終端裝置20產生一供使用者觀看該氣體濃度資訊以及該溫度資訊之環境資訊介面22，且當該氣體濃度資訊或該溫度資訊高於一預設的閥值時，該環境資訊介面22顯示一警示訊號，以協助使用者掌握環境狀況。於本實施例中所設定的閾值為天然氣濃度6000ppm、一氧化碳濃度6000ppm及溫度40°C，但不以此為限，在一般情況下，該溫度資訊之環境資訊介面22顯示所處環境的氣體濃度及溫度，而在偵測到氣體濃度或溫度超過所設定的閾值時則切換顯示該警示訊號。

　　該機臂單元60包含有一受馬達驅動之活動機臂61，以及一常態舒張之夾爪62，該機臂單元60具有一驅動該活動機臂61平移或轉動之定位狀態，以及一驅動該夾爪62夾合之夾取狀態。於本實施態樣中，該機臂單元61的作動可透過多個伺服馬達(圖中未示)加以實現，為避免馬達驅動電路中耗費多餘的熱能，本發明係藉由H型電橋驅動馬達，並採波寬調變(Pulse Width Modulation, PWM)方式，將原本變化緩慢的訊號調變為密集切換的脈波，有效率地控制功率晶體工作以節省能量消耗。

　　該控制單元70包含有一接收該動態影像並進行分析之影像分析模組71，一依據該動態影像分析結果以及該距離資訊控制該車輪組10行進之自動導航模組72，一接收該氣體濃度資訊及該溫度資訊並進行分析後回傳結果至該終端裝置20之環境分析模組73，以及一用以產生控制訊號操作該機臂單元60作動之機臂控制模組74。本發明中，該控制單元70可區分為兩個微控制器，一個控制該機臂單元60的微控制器(本發明選用意法半導體公司STMicroelectronics所販售之STM8微控制器)，以及另一個控制該具多感測功能的無人探勘載具偵測1、傳輸及行進系統的微控制器(本發明選用意法半導體公司STMicroelectronics所販售之STM32微控制器)，並基於STM32微控制器所接收到的資訊傳輸至STM8微控制器，進而對該活動機臂61進行平移、旋轉等動作，然上述該控制單元70之配置方式僅為示範性實施例，並不用以限制本發明之範圍。該影像分析模組71、該自動導航模組72以及該機臂控制模組74可為控制單元70中的功能電路模組，或為預錄於該控制單元70中的程式模組，以進一步控制該車輪組10的行進速度與方向，或執行對該攝像單元40取得的動態影像進行分析等功能。

　　參照第4-1圖、第4-2圖、以及第4-3圖所示，舉例而言，若該具多感測功能的無人探勘載具1的行進方向中遇到一障礙物200，且該超聲波測距模組51所偵測到的該距離資訊低於預設的閥值時，該影像分析模組71便會分析該動態影像中辨識前方障礙物200是否可進行移除，此時，該控制單元70依據分析結果控制該車輪組10繞行或驅動該機臂單元60移除該障礙物200。又，當判斷該障礙物200可移除時，透過該影像分析模組71自該動態影像中分析該障礙物200之輪廓，並計算該活動機臂61所須移動之位置資訊傳送至該控制單元70，使該機臂單元60處於該定位狀態已將該活動機臂61移動至適當位置，再切換為驅動該夾爪62夾合該障礙物200之夾取狀態。藉此，該具多感測功能的無人探勘載具1可藉由該影像分析模組71協助辨識該障礙物200的輪廓，以控制該活動機臂61調整位置並利用該夾爪62夾除阻擋在前方的該障礙物200，達到清除道路障礙的功效。

　　請參照第5圖所示，該機臂單元60亦可由使用者直接進行遠端控制，此時該終端裝置20產生一供使用者操作之機臂操作界面21，且該終端裝置20透過該無線通訊單元30傳送使用者之操作資訊予該控制單元70，並由該機臂控制模組74產生控制訊號以操作該機臂單元60作動。該機臂操作界面21可具有方向按鍵211，以供使用者操作該機臂單元60移動，以及位於方向鍵中央的圓形按鍵212，供使用者操作該夾爪62進行夾持動作。

　　此外，考量到待探勘區域可能存有阻隔無線電波的物體，如水泥牆中的鋼筋等，以致於該具多感測功能的無人探勘載具1無法辨識所處位置，為避免此一問題，該具多感測功能的無人探勘載1具更包含有一於該控制單元70連續地透過該無線通訊單元30取得複數個座標位置時記錄每一該座標位置之記憶單元80，且該控制單元70於該無線通訊單元30與該終端裝置20連結中斷時控制該車輪組10使該具多感測功能的無人探勘載具1依序復歸至每一該座標位置。是以，該具多感測功能的無人探勘載具1在無衛星定位指引的前提下可沿原有路徑返回出發點。

　　綜上所述，本發明具多感測功能的無人探勘載具可藉由終端裝置提供使用者介面，並透過該攝像單元、環境偵測單元取得動態影像與所處環境的障礙物距離、氣體濃度及溫度等，令使用者便於監控該具多感測功能的無人探勘載具並對其進行操作，此外，該控制單元具有影像分析功能計算，可依據分析後之結果控制該機臂單元將障礙物移除，達到在無人駕駛的前提下進行探勘之功能。

1‧‧‧無人探勘載具

10‧‧‧車輪組

40‧‧‧攝像單元

51‧‧‧超聲波測距模組

60‧‧‧機臂單元

61‧‧‧活動機臂

62‧‧‧夾爪

Claims (9)

1. 一種具多感測功能的無人探勘載具，用以進入待探勘區域進行環境偵查，其包含有一受馬達驅動之車輪組，以及一資訊連結至一終端裝置之無線通訊單元，其特徵在於，所述之具多感測功能的無人探勘載具包含有：一攝像單元，用以取得一動態影像；一環境偵測單元，包含有一朝向該車輪組之行進方向設置並取得一距離資訊之超聲波測距模組，一與外部空氣接觸並取得一氣體濃度資訊之氣體偵測模組，以及一用以取得一溫度資訊之溫度偵測模組；一機臂單元，包含有一受馬達驅動之活動機臂，以及一常態舒張之夾爪，該機臂單元具有一驅動該活動機臂平移或轉動之定位狀態，以及一驅動該夾爪夾合之夾取狀態；以及一控制單元，包含有一接收該動態影像並進行分析之影像分析模組，一依據該動態影像分析結果以及該距離資訊控制該車輪組行進之自動導航模組，一接收該氣體濃度資訊及該溫度資訊並進行分析後回傳結果至該終端裝置之環境分析模組，以及一用以產生控制訊號操作該機臂單元作動之機臂控制模組；該具多感測功能的無人探勘載具更包含有一用於該控制單元連續地透過該無線通訊單元取得複數個座標位置時記錄每一該座標位置之記憶單元，且該控制單元於該無線通訊單元與該終端裝置連結中斷時控制該車輪組使該具多感測功能的無人探勘載具依序復歸至每一該座標位置。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具多感測功能的無人探勘載具，其中，該終端裝置係為個人電腦、筆記型電腦或可攜式行動通訊裝置。
3. 如申請專利範圍第2項所述之具多感測功能的無人探勘載具，其中，該終端裝置產生一供使用者操作之機臂操作界面，且該終端裝置透過該無線通 訊單元傳送使用者之操作資訊予該控制單元，並由該機臂控制模組產生控制訊號以操作該機臂單元作動。
4. 如申請專利範圍第2項所述之具多感測功能的無人探勘載具，其中，該終端裝置產生一供使用者觀看該氣體濃度資訊以及該溫度資訊之環境資訊介面，且該氣體濃度資訊或該溫度資訊高於閾值時該環境資訊介面顯示一警示訊號。
5. 如申請專利範圍第2項所述之具多感測功能的無人探勘載具，其中，該終端裝置係運行一行動應用程式(Mobile Application,APP)以提供使用者介面。
6. 如申請專利範圍第1項所述之具多感測功能的無人探勘載具，其中，該超聲波測距模組偵測到該距離資訊低於閾值時，該影像分析模組則分析該動態影像中辨識前方障礙物，且該控制單元依據分析結果控制該車輪組繞行或驅動該機臂單元移除障礙物。
7. 如申請專利範圍第6項所述之具多感測功能的無人探勘載具，其中，該機臂單元處於該定位狀態時，該影像分析模組自該動態影像分析該障礙物之輪廓並計算該活動機臂所須移動之位置資訊至該控制單元。
8. 如申請專利範圍第1項所述之具多感測功能的無人探勘載具，其中，該氣體偵測模組包含有一一氧化碳感測器，以及一瓦斯感測器。
9. 如申請專利範圍第1項所述之具多感測功能的無人探勘載具，其中，該攝像單元係為網路攝影機(IP camera)，且該攝像單元傳送該動態影像至該終端裝置。