TWI770716B - 無人機起降作業系統以及無人機起降作業方法 - Google Patents

Abstract

本發明提出一種無人機起降作業系統以及無人機起降作業方法。無人機起降作業系統包括無人飛行載具以及船舶。無人飛行載具具有影像感測裝置。船舶具有編碼特徵裝置以及起降平台。無人飛行載具與船舶進行通訊，以使無人飛行載具定位於船舶的起降平台上方。無人飛行載具透過影像感測裝置掃描編碼特徵裝置的編碼圖案，以確認是否降落於起降平台。當無人飛行載具確認降落於起降平台後，無人飛行載具在降落過程中，接收船舶提供的船舶姿態資訊，並且無人飛行載具依據船舶姿態資訊調整無人飛行載具在降落過程中的降落姿態。

Description

無人機起降作業系統以及無人機起降作業方法

本發明是有關於一種自動控制設備與方法，且特別是有關於一種無人機起降作業系統以及無人機起降作業方法。

對於目前海上作業系統中的工作船上的無人機起降作業來說，無人機須由操作者手動控制，以降落於工作船上。然而，由於海上作業的工作船可能受到海面作業環境的影響而產生船體搖晃或偏移的情況，而導致無人機無法平穩地降落於工作船上。甚至，在操作者手動控制無人機進行降落的過程中，亦有可能發生操作者的操作不當的情況發生，而導致無人機的無法成功降落或發生其他的人為不當控制所產生的不確定性情況。有鑑於此，以下將提出幾個實施例的解決方案。

本發明提供一種無人機起降作業系統以及無人機起降作業方法，可使無人飛行載具可以自動地降落於位於船舶上的起降平台。

本發明的無人機起降作業系統包括無人飛行載具以及船舶。無人飛行載具具有影像感測裝置。船舶具有編碼特徵裝置以及起降平台。無人飛行載具與船舶進行通訊，以使無人飛行載具定位於船舶的起降平台上方。無人飛行載具透過影像感測裝置掃描編碼特徵裝置的編碼圖案，以確認是否降落於起降平台。當無人飛行載具確認降落於起降平台時，無人飛行載具在降落過程中，接收船舶提供的船舶姿態資訊。無人飛行載具依據船舶姿態資訊調整無人飛行載具在降落過程中的降落姿態。

本發明的無人機起降作業方法適於將無人飛行載具降落於船舶上包括以下步驟：透過無人飛行載具與船舶進行通訊，以使無人飛行載具定位於船舶的起降平台上方；透過無人飛行載具透過影像感測裝置掃描編碼特徵裝置的編碼圖案，以確認是否降落於起降平台；當無人飛行載具確認降落於起降平台時，透過無人飛行載具在降落過程中，接收船舶提供的船舶姿態資訊；以及透過無人飛行載具依據船舶姿態資訊調整無人飛行載具在降落過程中的降落姿態。

基於上述，本發明的無人機起降作業系統以及無人機起降作業方法，可透過無人飛行載具掃描船舶上的特殊的編碼特徵裝置的編碼圖案，以有效地確認並定位於對應的船舶的起降平台 上方。並且，無人飛行載具在降落過程中，無人飛行載具可依據船舶姿態資訊來動態且即時地調整無人飛行載具在降落過程中的降落姿態，而使無人飛行載具可準確地降落於起降平台。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100:無人機起降作業系統

110:無人飛行載具

111、121:控制裝置

112:影像感測裝置

113、123:定位裝置

114、124:無線通訊裝置

120:船舶

122:編碼特徵裝置

125:起降平台

301:位置

500:編碼圖案

551_1~551_3、552_1~552_2、553_1~553_10:圖點

S210、S220、S230、S240、S710、S720、S730、S740:步驟

圖1是依照本發明的一實施例的無人機起降作業系統的方塊示意圖。

圖2是依照本發明的一實施例的無人機起降作業方法的流程圖。

圖3是依照本發明的一實施例的無人飛行載具的定位示意圖。

圖4是依照本發明的一實施例的無人飛行載具的掃描編碼圖案的示意圖。

圖5是依照本發明的一實施例的編碼圖案的示意圖。

圖6是依照本發明的一實施例的無人飛行載具的降落示意圖。

圖7是依照本發明的一實施例的無人飛行載具的降落流程圖。

為了使本發明之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例做為本發明確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟，係代表相同或類似部件。

圖1是依照本發明的一實施例的無人機起降作業系統的方塊示意圖。參考圖1，無人機起降作業系統100包括無人飛行載具110以及船舶120。無人飛行載具110包括控制裝置111、影像感測裝置112、定位裝置113以及無線通訊裝置114。控制裝置111耦接影像感測裝置112、定位裝置113以及無線通訊裝置114。船舶120包括控制裝置121、編碼特徵裝置122、定位裝置123、無線通訊裝置124以及起降平台125。控制裝置121耦接編碼特徵裝置122、定位裝置123、無線通訊裝置124以及起降平台125。在本實施例中，無人飛行載具110可透過無線通訊裝置114與船舶120的無線通訊裝置124進行通訊。當無人飛行載具110飛行於船舶120上方或鄰近位置時，無人飛行載具110可透過影像感測裝置112掃描船舶120的編碼特徵裝置122的編碼圖案，並且無人飛行載具110的控制裝置111可分析經擷取所述編碼圖案所取得的影像，以取得船舶120的編號資訊、運行姿態資訊以及面向資訊的至少其中之一。

在本實施例中，控制裝置111、121可例如個別包括控制電路以及處理電路，其中處理電路可例如包括中央處理單元 (Central Processing Unit,CPU)，或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微處理器(Microprocessor)、數位訊號處理器(Digital Signal Processor,DSP)、可程式化控制器、特殊應用積體電路(Application Specific Integrated Circuits,ASIC)、可程式化邏輯裝置(Programmable Logic Device,PLD)、其他類似處理器或這些裝置的組合。

在本實施例中，控制裝置111可用於操作無人飛行載具110進行飛行移動。控制裝置111可用於操作影像感測裝置112進行影像掃描或影像擷取。控制裝置111可用於操作定位裝置113，以取得無人飛行載具110的即時定位資訊。控制裝置111可用於操作無線通訊裝置114，以透過無線通訊裝置114與船舶120的無線通訊裝置124進行通訊並且傳輸資料。在本實施例中，控制裝置121可用於操作編碼特徵裝置122以及起降平台125。控制裝置121可用於操作定位裝置123，以取得船舶120的即時定位資訊。控制裝置121可用於操作無線通訊裝置124，以透過無線通訊裝置124與無人飛行載具110的無線通訊裝置114進行通訊並且傳輸資料。在本發明的一些實施例中，編碼特徵裝置122可例如進一步包括多個發光單元，並且編碼特徵裝置122可透過操作所述多個發光單元來顯示特定的編碼圖案。

在本實施例中，影像感測裝置112可為一種可見光影像感測器，並且可例如包括感光耦合元件(Charge Coupled Device,CCD)或互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,CMOS)。在本實施例中，定位裝置113以及定位裝置123可例如採用全球定位系統(Global Positioning System,GPS)來提供無人飛行載具110以及船舶120的即時GPS定位資訊。在本實施例中，無線通訊裝置114以及無線通訊裝置124可例如個別包括3G、4G、5G、Wi-Fi、Bluetooth、Sigfox、LoRa、ZigBee或NB-IoT的無線通訊模組。

圖2是依照本發明的一實施例的無人機起降作業方法的流程圖。參考圖1及圖2，無人機起降作業系統100可操作如以下步驟S210~S240來實現自動起降作業。在步驟S210，無人飛行載具110與船舶120進行通訊，以使無人飛行載具110定位於船舶120的起降平台125上方。搭配參考圖3，圖3是依照本發明的一實施例的無人飛行載具的定位示意圖。如圖3所示，在無人飛行載具110執行返航降落的過程中，無人飛行載具110可透過無線通訊裝置114與船舶120的無線通訊裝置124進行通訊，以接收由船舶120提供的船舶姿態資訊以及船舶120的定位裝置123提供的船舶定位資訊(例如船舶120的GPS定位資訊)。因此，無人飛行載具110可依據定位裝置113提供的載具定位資訊(例如無人飛行載具110的GPS定位資訊)與船舶定位資訊，來飛行至船舶120的起降平台125上方的位置301。

在步驟S220，無人飛行載具110透過影像感測裝置112掃描編碼特徵裝置122的編碼圖案，以確認是否降落於起降平台125。搭配參考圖4，圖4是依照本發明的一實施例的無人飛行載 具的掃描編碼圖案的示意圖。當無人飛行載具110飛行至船舶120的起降平台125上方時，無人飛行載具110先維持在船舶120的起降平台125上方的固定高度的位置。接著，無人飛行載具110透過影像感測裝置112掃描編碼特徵裝置122的編碼圖案。在本實施例中，編碼特徵裝置122可設置在船舶120的甲板平面上或起降平台125的起降平面上，並且所述編碼圖案可用以提供船舶120的編號資訊、運行姿態資訊以及面向資訊的至少其中之一。

搭配參考圖5，圖5是依照本發明的一實施例的編碼圖案的示意圖。編碼特徵裝置122可例如包括有如圖5所示的編碼圖案500，在本實施例中，編碼圖案500可為一種4×4圖點陣列的圖案，其中編碼圖案500的圖點可分類為3種。圖點551_1~551_3可用於提供船舶120的運行姿態資訊，例如船舶120的船體方向。所述船體方向可例如包含水平方向(方向P1或方向P2)及垂直方向(方向P3)。無人飛行載具110可依據運行姿態資訊來取得例如無人飛行載具110與船舶120在彼此的水平參考軸線之間的偏移角度，以及取得及例如無人飛行載具110與船舶120在彼此的垂直參考軸線之間的偏移角度，以使無人飛行載具110可有效地調整無人飛行載具110的面向。圖點552_1、552_2可用於提供船舶120的面向資訊，例如船舶120的船頭方向(例如方向P1)。圖點553_1~553_10可用於提供船舶120的編號資訊，以使無人飛行載具110可有效地確認船舶120是否為正確的降落停靠目標。在本實施例中，方向P1以及方向P2例如是水平方向，並且方向P3例 如是垂直方向。方向P1~P3彼此垂直。

在此範例中，圖點551_1、551_2的連線可對應於船舶120的船體兩側之間的連線，而圖點551_2、551_3的連線可對應於船舶120的船頭與船尾之間的連線。因此，無人飛行載具110的控制裝置111可依據分析拍攝編碼圖案500的影像結果中的圖點551_1、551_2的連線長度以及圖點551_2、551_3的連線長度，來有效地判斷船舶120在海面上的運行姿態，其中所述船舶120的運行姿態可例如是船舶120因海浪變化而造成的船體傾斜。無人飛行載具110的控制裝置111還可例如取得船舶120的船體轉動方向以及角度變化等運動姿態。

在此範例中，圖點552_1、552_2可各別具有明、暗的顏色變化(例如圖點552_1為暗、圖點552_2為明)。因此，圖點552_1、552_2可具有4種編碼規則(2^2=4種)。也就是說，圖點552_1、552_2可例如用於表示船舶120的船頭方向、船體左側、船體右側或船尾的面向資訊。據此，無人飛行載具110可藉由感測圖點552_1、552_2來取得船舶120的面向資訊，進而取得與船舶120的相對位置關係。

在本實施例中，圖點553_1~553_10可各別具有明、暗的顏色變化。因此，圖點553_1~553_10可用於具有1024種編碼規則(2^10=1024種)。也就是說，編碼特徵裝置122可用於表示多種編號。無人飛行載具110可藉由掃描或感測船舶120的編碼圖案500的圖點553_1~553_10，以取得對應的編號資訊，以使無人 飛行載具110可有效識別船舶120的身分，以確認船舶120是否為正確的降落停靠目標。

然而，本發明的編碼圖案不限於圖5所示的數量以及分類。本發明的編碼圖案可具有N×N圖點陣列的圖案，並且N為大於等於3的正整數。舉例來說，在一實施例中，編碼圖案也可為一種3×3圖點陣列的編碼圖案，並且用於至少表示船舶120的船體的編號資訊以及面向資訊，其排列方法可如同上述圖點的排列方式，但本發明並不限於此。

值得注意的是，在本發明的一些實施例中，編碼特徵裝置122可包括多個發光單元，並且所述多個發光單元用以顯示如圖5所示的圖點陣列圖案的多個圖點。對此，圖點551_1~551_3、552_1、552_2、553_1~553_10的每一個可由一個發光單元來表示。因此，如上述的圖點為明或暗的顯示結果可透過分別對應的發光單元是否發光來實現。並且，圖點551_1~551_3、552_1、552_2、553_1~553_10還可透過分別對應的發光單元來發出不同的特定顏色光的方式來使無人飛行載具110的控制裝置111可有效辨識及分類圖點551_1~551_3、552_1、552_2、553_1~553_10的各個圖點屬性，例如何者是用於決定編號資訊、運行姿態資訊或面向資訊。

在步驟S230，當無人飛行載具110確認降落於起降平台125後，無人飛行載具110在降落過程中，無人飛行載具110可接收船舶120提供的船舶姿態資訊。在步驟S240，無人飛行載具110 可依據船舶姿態資訊調整無人飛行載具110在降落過程中的降落姿態。搭配參考圖6，圖6是依照本發明的一實施例的無人飛行載具的降落示意圖。在降落過程中，無人飛行載具110可持續地與船舶120進行通訊，以取得船舶姿態資訊來即時調整無人飛行載具110的降落姿態，以使無人飛行載具110可平穩地降落於起降平台125上。在本實施例中，所述船舶姿態資訊可為六自由度(Six degrees of freedom,SDOF)姿態資訊，並且船舶120可額外設置有六軸感測模組。

在本發明的一些實施例中，起降平台125可為六軸運動平台，例如史都華平台(Stewart Platform Base Manipulator)。船舶120的控制裝置121可將船舶姿態資訊分別提供至無人飛行載具110以及起降平台125，以使無人飛行載具110的降落姿態可依據船舶姿態資訊來對應調整，並且起降平台125也可同時對應依據船舶姿態資訊將平台表面維持於平行水平面，以使無人飛行載具110可平穩地降落於起降平台125上。

圖7是依照本發明的一實施例的無人飛行載具的降落流程圖。參考圖1、圖3以及圖7，在本發明的一些實施例中，無人飛行載具110可執行如以下步驟S710~S740，以透過無人飛行載具110在飛行過程中可持續地動態更新返航的目標位置(船舶120可能移動)。在步驟S710，在無人飛行載具110的飛行過程中，無人飛行載具110可更新船舶定位資訊(例如船舶120的GPS定位資訊)。無人飛行載具110的控制裝置111可透過無線通訊裝置140 來更新船舶120的船舶定位資訊。在步驟S720，無人飛行載具110可依據船舶定位資訊來調整無人飛行載具110的位置。在步驟S730，無人飛行載具110可確認是否可降落於起降平台125。對此，無人飛行載具110可例如執行如上述圖2實施例的步驟S220的操作，以透過掃描編碼圖案的方式來確認。若否，則無人飛行載具110可執行步驟S740。若是，則無人飛行載具110可結束船舶定位資訊的更新操作，並接續執行如上述圖2實施例的步驟S230，以進行無人飛行載具110的降落操作。

在步驟S740，無人飛行載具110可判斷船舶定位資訊是否改變。若是，則無人飛行載具110重新執行步驟S710，以更新無人飛行載具110當前設定的船舶定位資訊。若否，則表示無人飛行載具110尚未到達當前設定的船舶定位資訊所對應的位置，因此無人飛行載具110繼續依據當前設定的船舶定位資訊來調整無人飛行載具110的位置。因此，無人飛行載具110可以在飛行過程中持續地動態更新返航的目標位置，以有效支援變動的返航點(即目標降落位置)，以利於海上的船舶環境使用。

綜上所述，本發明的無人機起降作業系統以及無人機起降作業方法，可透過無人飛行載具先以GPS定位的方式來移動至船舶上方。接著，無人飛行載具可透過影像定位的方式來調整於降落平台的正上方。最後，無人飛行載具在降落過程中，可持續取得船舶的船舶姿態資訊，以使平穩地降落於降落平台上。因此，本發明的無人機起降作業系統以及無人機起降作業方法可實現無 人飛行載具可自動且準確地降落於海上作業的船舶上的效果。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100:無人機起降作業系統 110:無人飛行載具 111、121:控制裝置 112:影像感測裝置 113、123:定位裝置 114、124:無線通訊裝置 120:船舶 122:編碼特徵裝置 125:起降平台

Claims (10)

1. 一種無人機起降作業系統，包括：一無人飛行載具，具有一影像感測裝置；以及一船舶，具有一編碼特徵裝置以及一起降平台，其中該無人飛行載具與該船舶進行通訊，以使該無人飛行載具定位於該船舶的該起降平台上方，並且該無人飛行載具透過該影像感測裝置掃描該編碼特徵裝置的一編碼圖案，以確認是否降落於該起降平台，當該無人飛行載具確認降落於該起降平台後，該無人飛行載具在一降落過程中，接收該船舶提供的一船舶姿態資訊，並且該無人飛行載具依據該船舶姿態資訊調整該無人飛行載具在該降落過程中的一降落姿態。
2. 如請求項1所述的無人機起降作業系統，其中該無人飛行載具還具有一第一無線通訊裝置以及一第一定位裝置，並且該船舶還具有一第二無線通訊裝置以及一第二定位裝置，其中該無人飛行載具透過該第一無線通訊裝置與該船舶的該第二無線通訊裝置進行通訊，以接收由該船舶的該第二定位裝置提供的一船舶定位資訊，其中該無人飛行載具依據該第一定位裝置提供的一載具定位資訊與該船舶定位資訊，來飛行至該船舶的該起降平台上方。
3. 如請求項2所述的無人機起降作業系統，其中該第一定位裝置以及該第二定位裝置分別為一全球定位系統。
4. 如請求項1所述的無人機起降作業系統，其中該編碼特徵裝置設置在該船舶的一甲板平面上或該起降平台的一起降平面上，並且該編碼圖案用以提供該船舶的一編號資訊、一運行姿態資訊以及一面向資訊的至少其中之一。
5. 如請求項4所述的無人機起降作業系統，其中該編碼特徵裝置的該編碼圖案為一N×N的圖點陣列圖案，其中N為大於等於3的正整數。
6. 如請求項5所述的無人機起降作業系統，其中該編碼特徵裝置包括多個發光單元，並且該些發光單元用以顯示該N×N的圖點陣列圖案的多個圖點。
7. 如請求項1所述的無人機起降作業系統，其中該船舶姿態資訊為一六自由度姿態資訊，並且該起降平台為一六軸運動平台，其中該起降平台依據該船舶姿態資訊將該起降平台的表面維持平行於一水平面。
8. 一種無人機起降作業方法，適於將一無人飛行載具降落於一船舶上，包括：透過該無人飛行載具與該船舶進行通訊，以使該無人飛行載具定位於該船舶的該起降平台上方；透過該無人飛行載具透過一影像感測裝置掃描一編碼特徵裝置的一編碼圖案，以確認是否降落於該起降平台；當該無人飛行載具確認降落於該起降平台後，透過該無人飛行載具在一降落過程中，接收該船舶提供的一船舶姿態資訊；以 及透過該無人飛行載具依據該船舶姿態資訊調整該無人飛行載具在該降落過程中的一降落姿態。
9. 如請求項8所述的無人機起降作業方法，其中透過該無人飛行載具與該船舶進行通訊，以使該無人飛行載具定位於該船舶的該起降平台上方的步驟包括：透過該無人飛行載具透過一第一無線通訊裝置與該船舶的一第二無線通訊裝置進行通訊，以接收由該船舶的一第二定位裝置提供的一船舶定位資訊；以及透過該無人飛行載具依據一第一定位裝置提供的一載具定位資訊與該船舶定位資訊，來飛行至該船舶的該起降平台上方。
10. 如請求項8所述的無人機起降作業方法，其中該編碼特徵裝置設置在該船舶的一甲板平面上或該起降平台的一起降平面上，並且該編碼圖案用以提供該船舶的一編號資訊、一運行姿態資訊以及一面向資訊的至少其中之一。

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