TWI786380B - 結合無人機之水產養殖用機動監測系統及其方法 - Google Patents

Abstract

本案係關於一結合無人機之水產養殖用機動監測系統及其方法，特別是關於一種由無人機搭載且兼具影像監測及環境參數量測(如：水溫、溶氧量、酸鹼度、水流速度等)功能之整合式量測系統。該水產養殖用機動監測系統整體或其中之個別感測模組均採防水、防鏽、防腐設計以應用於水面/水下或各種海上作業，且係結合吊掛於無人機以巡航於至少一個養殖場域進行機動式監測及大數據收集。該監測系統至少包含：一電力供給裝置、一可抽換組合之複合監測裝置、一耦合裝置、一捲收裝置、以及一可閉式儲物空間。

本發明之水產養殖用機動量測監測系統，搭載於無人機即可依序對每一口箱網進行量測，迅速地蒐集所有箱網的影像監測及各種養殖環境參數之數據。又。本案之複合量測裝置，可依據使用者需求抽換組合不同種類之監測模組。本案極具機動性及彈性，可大幅減少所需監測模組之總數量，可節省總體監測模組之設置成本，並降低監測模組長期浸泡於水下環境所造成的設備損耗及汙損。

Description

結合無人機之水產養殖用機動監測系統及其方法

本案係關於一結合無人機之水產養殖用機動監測系統及其方法，特別是關於一用於觀測及感測水面/水下或各種海上作業之環境。於無人機吊掛監測模組且加設捲收裝置，使其能夠載送監測模組，達到機動監測之目的。

依據FAO(聯合國糧農組織)發行之「世界漁業及水產養殖狀況」(SOFIA)2016年報資料顯示，1990年以來全球天然漁撈量幾乎停滯在9,000萬公噸左右，然2014年水產養殖產量已超越漁撈產量成為水產蛋白質的主要來源，預計到2025年全球水產養殖產量將達到1億噸。此外，臺灣水產養殖技術素來頗負盛名，曾贏得「養殖王國」之美譽；然過去20年來，我國水產養殖業面臨地層下陷、極端氣候、疾病等風險之頻繁影響，此外勞動人力短缺、養殖經驗傳承及人力老齡化等問題亦為產業發展瓶頸，種種癥結點皆顯示我國養殖產業需逐步調整生產型態與發展方向。

爰此，臺灣亦於2016年展開智慧農業4.0計畫，陸續責成相關 產官學機構將相關技術納入「新農業政策」中。例如：行政院農業委員會水產試驗所於2017年度起執行智慧農業4.0相關研究計畫，2017年初步運用資通訊科技、物聯網概念，整合通訊科技、感測元件之環境監控系統。

中華民國專利公告第M587803號揭露一種無人機智慧監控系統，其目的是將資訊及時傳輸至地面控制站，對無人機的飛航進行自主控制，通過微控制器、攝影設備、影像處理設備、紅外感測器、機載無線通訊模組和遙控器無線接收器對無人機的狀態進行即時監控，將資訊及時傳輸至地面控制站，對無人機的飛航進行自主控制，避免能源消耗完畢而墜毀或者緊急情況的發生，顯然其並非針對水產養殖所需之監控養殖場域狀態且並未教示可抽換組合之複合監測裝置。

另外，中華民國專利公告第M580181號揭露一種無人偵測淤泥及水深系統，包含：一無人機、一捲軸、一軟管、一支架及一偵測單元，該無人機設有一馬達，該捲軸與該馬達組設，可由該馬達驅動轉動，其偵測單元雖包含有一浮球及複數感應件，亦未教示可抽換組合之複合監測裝置且非針對監控養殖場域狀態所設計。

以上之前案技藝皆非針對水產養殖之需求，亦未揭示兼具影像監測及環境參數量測(如：水溫、溶氧量、酸鹼度、流速等)功能及可抽換之複合監測裝置。

本案揭露一結合無人機之水產養殖用機動監測系統，特別是 關於一種由無人機搭載且兼具影像監測及環境參數量測功能之整合式量測系統。該水產養殖用機動監測系統整體採防水、防鏽、防腐設計以應用於水面/水下或各種海上作業，且係結合吊掛於無人機以進行監測作業。該監測系統至少包含：一電力供給裝置、一可抽換組合之複合監測裝置、一耦合裝置、一捲收裝置、以及一可閉式儲物空間。該可抽換組合之複合監測裝置所包含之各類特定用途之感測模組採防水、防鏽、防腐設計以應用於水面/水下或各種海上作業。

本發明之功效可發揮於各種養殖場域，以海上箱網養殖為例，通常會配置多口箱網，傳統作法係於每一口箱網固定設置監測模組，反觀本案之監測系統，因具有整合性、機動性及彈性，只需要一套複合監測裝置配合無人機自動巡航依序對每一口箱網進行量測，即可迅速地蒐集所有箱網的影像監測及各種養殖環境參數之數據，大幅減少所需監測模組之總數量，可節省總體監測模組之設置成本，並降低監測模組長期浸泡於水下環境所造成的設備損耗及汙損。該複合監測裝置可依據使用者特殊需求、不同的季節、當場天氣情況，不同種類之監測模組可被方便地抽換組合以進行量測各種養殖環境參數。

本案所指之場域可以是育種業、選種業、或養殖業之各式場地，如：海外箱網養殖場、河川、池塘、湖泊、陸地養殖池(魚塭、FRP桶、實驗用池)、水族箱等。

本案為提供養殖業者方便，不必親自前往場域探查即可於遠進行影像監測及感測環境參數。以海上箱網養殖為例，通常會設置多口箱網，傳統作法必須於每一口箱網固定設置監測模組，若能使用本案之水產養殖用機動監測系統，可節省於每一口箱網都放置監測模組之成本，並降低長期置於海水環境下所造成的設備損耗、髒汙。

在一個可行的實施例中(請參照圖一)，本發明提出一無人機掛載水產養殖用機動監測系統，其包含一可閉式儲物空間(b)藉由一耦合裝置(e)耦接結合於一無人機(a)。該可閉式儲物空間(b)耦接結合於該無人機本體外，其至少包含一供電裝置(44)、一控制電路(41)、一儲存感測資料裝置及一捲收裝置(43)，該捲收裝置(43)連接至可抽換組合不同感測模組之複合監測裝置(c)。該可抽換組合不同感測模組之複合監測裝置(c)包含一複合模組電氣接合盤(h)，並可藉由捲收裝置(d)垂降至監測場域。

本申請案的結合無人機之水產養殖用機動監測系統，其中該無人機(a)至少包含：水陸兩用的無人機、手動發射的無人機、人工遙控的無人機、自主巡航的無人機其中之一。

本申請案的結合無人機之水產養殖用機動監測系統，其中該無人機(a)可以是固定翼無人機或旋翼機。

本申請案之結合無人機之水產養殖用機動監測系統，其中該 可閉式儲物空間(b)與無人機(a)間之耦合裝置，至少包含：螺絲、磁力接合、繩索、鉤合裝置、黏合。

請參照圖三，本申請案之結合無人機之水產養殖用機動監測系統，其中該可閉式儲物空間(b)與無人機(a)間之耦合裝置可使用螺絲並耦接於至少一耦合孔(31)。

本申請案之結合無人機之水產養殖用機動監測系統，其中該可閉式儲物空間(請參照圖四)，至少容置一供電裝置(44)、一控制電路(41)、一資料傳輸模組(42)、一儲存感測資料裝置及可電動開閉之開口(32)。其供電裝置(44)，至少包含：電池、太陽能板其中之一或其組合。該儲存感測資料裝置至少包含一硬碟、一隨身碟、一記憶卡任一或其組合。

本申請案之結合無人機之水產養殖用機動監測系統，其中該資料傳輸模組(42)至少包含：LoRa、Sigfox、NB-IoT、Zigbee、3G、4G、5G、藍芽、Weightless、HaLow、RPMA(Random Phase Multiple Access)之一或組合。

本申請案之結合無人機之水產養殖用機動監測系統，其中該資料傳輸模組(42)可用於傳輸各式監測模組所測得之資料，包括影像資料及環境參數。

本申請案之結合無人機之水產養殖用機動監測系統，其中該捲收裝置(d)，是能將掛載之可抽換組合不同感測模組之複合監測裝置(c)從一可閉式儲物空間(b)內一收起位置延伸出可閉式儲物空間(b)外監測場域。該捲收裝置包含一輪軸裝置及 至少一可撓拉引元件。其中該可撓拉引元件之材質可包含：纜繩、皮繩、金屬鏈或其他拉引構件之一或組合。又，此可撓拉引元件中包含電力傳輸線、訊號傳輸線、及電磁干擾屏蔽(Shielding)材料。

可抽換組合不同感測模組之複合監測裝置(c)至少包含一防水罩(g)、一複合模組電氣接合盤(h)及複數個感測模組。該防水罩(g)用於阻絕水分、異物進入複合模組電氣接合盤(h)，達到電氣絕緣保護作用。其中該複合模組電氣接合盤(h)包含複數個有纜線(cable)或無纜線之電氣接頭，每個電氣接頭用於電氣連接一特定用途之感測模組。其中該特定用途之感測模組(可選擇性地)係指一影像監測模組，其中該影像監測模組至少包含一可見光鏡頭、紅外光鏡頭、單目鏡頭、雙目立體視覺鏡頭、顯微鏡頭、補光裝置其中之一或其組合。

本申請案之結合無人機之水產養殖用機動監測系統，其中該複合模組電氣接合盤(h)包含複數個有纜線(cable)或無纜線之電氣接頭，每個電氣接頭用於電氣連接一特定用途之感測模組。其中該特定用途之感測模組(可選擇性地)係指一環境參數感測模組。其中該環境感測模組至少包含：溫度感測器、塑膠微粒感測器、流速計、水下聲響感測器、深度感測器、酸鹼度感測器、氧化還原電位、導電度感測器、水中溶氧感測器、濁度感測器、鹽度感測器、懸浮固體物感測器、氨感測器、深度感測器、壓力感測器、溶解有機物感測器、 藍綠藻感測器、硝酸鹽氮感測器、亞硝酸鹽氮感測器、水中有機物感測器、二氧化碳感測器、聲納、水聽器、熱感應器之一或組合。

前述之影像監測模組可擷取一系列之水上影像及/或水下影像，該水上影像可用於投餌監控、養殖生物攝食監控、防盜監控、工作人員監控等用途；該水下影像更可作為機器學習(machine learning)或深度學習(deep learning)之訓練資料，可用於取代人工方式去進行智慧化判斷養殖生物之健康狀態、決定魚隻身長/體重(biomass)、自動計算魚隻成長曲線、魚隻數量、殘餌率(residual feed)等。

前述健康狀態、魚身長/體重(biomass)、成長曲線、魚隻數量、殘餌率等數據可進一步整合氣象局之氣象資料以及前述之環境參數感測模組所提供之各項量測數據資料(如：水溫、溶氧量、酸鹼度、水流速度等)，即構成該場域之大數據資料集，可供資訊工程師或資料科學家(data scientist)進行大數據分析(Big data analysis)及/或AI(人工智慧)之訓練學習，以獲得最佳化養殖模型，提高餌率換肉率(FCR)，從而增加養殖業者之整體收入。

本申請案之結合無人機之水產養殖用機動監測系統，其中該可抽換組合不同感測模組之複合監測裝置(c)，包含至少一配重塊(f)。

本發明可依據不同業者之需求抽換其感測模組，如：甲業者 為海上養殖業者，因海上有海流經過，其水中溶氧及鹽度穩定，因此通常不需量測溶氧值及鹽度；反之，乙業者為陸上養殖池業者，因陸上養殖通常環境較易變化，則需量測溶氧值及鹽度。

本申請案之結合無人機之水產養殖用機動監測系統，場域至少包含：海外箱網養殖場、河川、池塘、湖泊、陸地養殖池(如：魚塭、FRP桶、實驗用池)、水族箱等。

本申請案亦提供一種結合無人機之機動監測的方法，至少包含下列步驟：

(I)一該無人機從依據一預設規劃路徑飛行到至少一個養殖場域。

(Ⅱ)一捲收裝置受控於一控制電路將一可抽換組合不同感測模組之複合監測裝置垂降於該至少一個養殖場域。

(Ⅲ)監測完畢該至少一個養殖場域後，該捲收裝置受控於該控制電路將該可抽換組合不同感測模組之複合監測裝置捲收於該可閉式儲物空間內，並將該可閉式儲物空間之閘門關閉。

(Ⅳ)該無人機依據該預設規劃路徑回航至工作船或基地。

a:無人機

b:可閉式儲物空間

c:可抽換組合不同感測模組之複合監測裝置

c1:影像監控鏡頭

c2:溫度感測器

c3:溶氧感測器

c4:鹽度感測器

d:捲收裝置

e:耦合裝置

f:配重塊

g:防水罩

h:複合模組電氣接合盤

i:水平面/海平面

31:耦合孔

32:閘門

41:控制電路

42:無線資料傳輸模組

43:捲收裝置

44:供電裝置

51:電氣接頭

第一圖為本專利水產養殖用機動監測系統示意圖

第二圖為本專利水產養殖用機動監測系統進行監測示意圖

第三圖為本專利之可閉式儲物空間示意圖

第四圖為本專利之可閉式儲物空間(容置該可抽換組合不同感測模組之複合監測裝置)示意圖

第五圖為本專利之複合模組電氣接合盤

結合無人機之水產養殖用機動監測系統

請參閱第一圖，其中編號(a)代表無人機；其中編號(b)代表可閉式儲物空間；其中編號(c)代表監測模組；其中編號(d)代表捲收裝置；其中編號(e)代表耦合裝置；其中編號f代表配重塊；其中編號g代表防水罩。

請參閱第一圖，監測模組利用捲收裝置(d)掛載於可閉式儲物空間(b)中，可抽換組合不同感測模組之複合監測裝置(c)可依使用者需求更換所需之設備。

本案之無人機之水產養殖用機動監測系統，可使用固定排程(如：每日早上九點進行自主巡航任務)進行工作，或手動操作結合無人機之水產養殖用機動監測系統進行養殖場域溶氧度測量。

使用者在陸上依據使用者所需監測之目標後，將一無人機(a)之可抽換組合不同感測模組之複合監測裝置(c)上接上監測所需之感測器，後使用人工操控無人機的方式，將該無人機(a)移動至欲監測之海上箱網區域。待該無人機(a)飛行至欲監測之海上箱網目標時，無人機(a)下降至離水面5米的高度後，透過控制電路(41)控制開啟可閉式儲物空間(b)之閘門 (32)，控制捲收裝置(d)之升降功能將可抽換組合不同感測模組之複合監測裝置(c)垂降至水下，並完成監測溫度之動作，監測之溫度資料透過控制電路(41)傳輸儲存於硬碟中。完成監測後，透過控制電路(41)控制使捲收裝置將監測模組捲收回可閉式儲物空間，並透過控制電路將可閉式儲物空間之閘門閉合。使用者在陸上使用人工操控無人機的方式將無人機移動回工作船或基地，使用者回收儲存於硬碟之溫度資料，供使用者使用資料。該無人機(a)可於工作船或基地進行：監測模組抽換、電力補給、維修、資料回收。

本創作之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本創作之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。

a:無人機

b:可閉式儲物空間

c:可抽換組合不同感測模組之複合監測裝置

c1:影像監控鏡頭

c2:溫度感測器

c3:溶氧感測器

c4:鹽度感測器

d:捲收裝置

e:耦合裝置

f:配重塊

g:防水罩

h:複合模組電氣接合盤

Claims (16)

1. 一種結合無人機之水產養殖用機動監測系統，其特徵係運用無人機搭載一可抽換組合不同感測模組之複合監測裝置，巡航於至少一個養殖場域進行機動式監測及收集大數據，該系統至少包括：一無人機；一可閉式儲物空間，該可閉式儲物空間可和該無人機耦合，且用於容置該可抽換組合不同感測模組之複合監測裝置；一複合模組電氣接合盤及至少一特定用途之感測模組，其中該複合模組電氣接合盤包含複數個電氣接頭，每個電氣接頭用於電氣連接至少一特定用途之感測模組，其中該特定用途之感測模組至少包含一影像監測模組；一捲收裝置，其用於將該監測裝置捲收至該可閉式儲物空間內或伸出至該可閉式儲物空間外進行資料監測；一耦合裝置，用於將可閉式儲物空間耦合於無人機。
2. 如請求項第1項所述之水產養殖用機動監測系統，其中該場域至少包含：外海養殖場、河川、池塘、湖泊、陸地養殖池。
3. 如請求項第1項所述之水產養殖用機動監測系統，其中該無人機是一水陸兩用的無人機、手動發射的無人機、人工遙控的無人機、自主巡航的無人機其中之一。
4. 如請求項第1項所述之水產養殖用機動監測系統，其中該可閉式儲物空間至少容置該可抽換組合不同感測模組之複合監測裝置、一供電裝置、一控制電路、一無線資料傳輸模組及一儲存監測資料裝置。
5. 如請求項第1項所述之水產養殖用機動監測系統，其中該耦合裝置至少包含：螺絲、磁力接合、繩索、鉤合、黏合其中之一或其組合。
6. 如請求項第1項所述之水產養殖用機動監測系統，其中該捲收裝置是 一可撓拉引吊掛物體之元件，包含一輪軸裝置及至少一可撓拉引元件。
7. 如請求項第4項所述之水產養殖用機動監測系統，其中該供電裝置至少包含：電池、太陽能板其中之一或其組合。
8. 如請求項第4項所述之水產養殖用機動監測系統，其中該儲存感測資料裝置至少包含一硬碟、一隨身碟、一記憶卡任一或其組合。
9. 如請求項第1項所述之水產養殖用機動監測系統，其中該可抽換組合不同感測模組之複合監測裝置進一步包含至少一配重塊。
10. 如請求項第1項所述之水產養殖用機動監測系統，其中該複合模組電氣接合盤包含複數個電氣接頭，每個電氣接頭用於電氣連接至少一特定用途之感測模組，且該特定用途之感測模組採防水、防鏽、防腐設計以應用於水面/水下或各種海上作業。
11. 如請求項第6項所述之水產養殖用機動監測系統，其中該捲收裝置至少一可撓拉引元件，其中該可撓拉引元件材質可包含：纜繩、皮繩、金屬鏈或其他拉引構件之一或組合。
12. 如請求項第10項所述之水產養殖用機動監測系統，其中該特定用途之感測模組係指一環境參數感測模組。
13. 如請求項第12項所述之水產養殖用機動監測系統，其中該環境參數感測模組至少包含：溫度感測器、塑膠微粒感測器、流速計、水下聲響感測器、深度感測器、酸鹼度感測器、氧化還原電位、導電度感測器、水中溶氧感測器、濁度感測器、鹽度感測器、懸浮固體物感測器、氨感測器、深度感測器、壓力感測器、溶解有機物感測器、藍綠藻感測器、硝酸鹽氮感測器、亞硝酸鹽氮感測器、水中有機物感測器、二氧化碳感測 器、聲納、水聽器、熱感應器其中之一或其組合。
14. 如請求項第1項所述之水產養殖用機動監測系統，其中該影像監測模組至少包含一可見光鏡頭、紅外光鏡頭、單目鏡頭、雙目立體視覺鏡頭、顯微鏡頭、補光裝置其中之一或其組合。
15. 如請求項第1項所述之水產養殖用機動監測系統，其中該影像監測模組至少用於監測養殖生物體攝食餌料狀況、監測養殖生物尺寸、監測養殖生物體活動力及/或異常狀態。
16. 如請求項第1項所述之水產養殖用機動監測系統，該大數據係用於大數據分析(Big data analysis)及/或AI(人工智慧)之訓練學習。

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