TWM525323U - 飛行裝置及飛行控制系統 - Google Patents

Description

飛行裝置及飛行控制系統

本新型創作是有關於一種無人機， 且特別是有關於一種飛行裝置及飛行控制系統。

目前在建築物檢測方面， 大多是採用人工在地面目測檢查或對外牆進行敲擊。例如， 檢測外牆吊掛物、外牆管線、鐵鋁窗架、外牆窗框、外牆磁磚， 但這樣的做法耗時耗力且準確度不夠高。例如， 在高山地形、大小溪流特別多的地區， 橋梁需求也相對較多。然而， 由於人員不易到達這些橋梁設置的地區， 且危險與成本相當高， 目前的技術與情況下只能抽樣人工目視檢測。據此，如何有效且準確地檢測建築物為目前重要的課題之一。

本新型創作提供一種飛行裝置及飛行控制系統， 能夠有效地對各種建築物進行檢測，並且更準確地進行瑕疵的判定分類。

本新型創作的飛行裝置，包括：立體掃描儀、彩色影像擷取器、熱感應單元、運動控制模組、儲存單元以及通訊單元。立體掃描儀用以獲得深度影像。彩色影像擷取器用以獲得色彩影像。熱感應單元用以獲得熱感應影像。運動控制模組用以接收控制訊號，以基於控制訊號來控制飛行裝置的飛行運動。儲存單元耦接至立體掃瞄儀、彩色影像擷取器以及熱感應單元，以儲存深度影像、色彩影像以及熱感應影像。通訊單元耦接至儲存單元與運動控制模組，並連線至網路，透過網路傳送深度影像、色彩影像以及熱感應影像至運算設備，並且，透過網路接收控制訊號並傳送至運動控制模組。

在本新型創作的一實施例中，上述運動控制模組包括：馬達、感測器以及控制設備。馬達耦接至螺旋槳，以控制螺旋槳的速度及力矩。感測器配置於馬達，以感測馬達的運轉資訊。控制設備耦接至感測器、馬達以及通訊單元，自感測器接收運轉資訊，且透過通訊單元接收控制訊號，藉以控制馬達。

在本新型創作的一實施例中，上述控制設備包括：低階控制器與高階控制器。低階控制器耦接至馬達與感測器。高階控制器耦接至低階控制器、通訊單元以及感測器。低階控制器自高階控制器接收控制訊號，並自感測器接收馬達的運轉資訊，藉以基於運轉資訊與控制訊號來控制馬達。

在本新型創作的一實施例中，上述低階控制器的運算速度低於高階控制器。

在本新型創作的一實施例中，上述飛行裝置更包括第一底座、第二底座以及第三底座，其分別安裝有立體掃瞄儀、彩色影像擷取器以及熱感應單元。運動控制模組耦接至第一底座、第二底座以及第三底座，以調整第一底座、第二底座以及第三底座各自的旋轉角度。

在本新型創作的一實施例中，上述飛行裝置更包括氣壓計、全球定位系統以及慣性測量單元，其分別耦接至儲存單元，以將所感測到的資訊儲存至儲存單元。

本新型創作的飛行控制系統，包括上述飛行裝置以及運算設備。運算設備透過網路，自飛行裝置接收深度影像、色彩影像以及熱感應影像，並且傳送控制訊號至飛行裝置，其中運算設備分析深度影像、色彩影像以及熱感應影像，以自動執行目標物缺陷辨識。

基於上述，飛行裝置取代了傳統人工進行實地檢測，對於人員無法到達的地方亦能夠進行檢測，進一步降低工安發生機率。另外，不需要設計檢測所需要的鷹架或機構與技術人員的費用，大幅降低成本。而由於飛行裝置可自主飛行，並且自主檢測，提高了檢測的速度效率。並且，透過飛行裝置可將原本的抽樣檢測改為全面檢測。此外，由運算設備進行分析，可降低人工誤判之機率，並且不會因人員疲勞提高誤判機率。

為讓本新型創作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。

圖1 是依照本新型創作的一實施例的一種飛行控制系統的方塊圖。請參照圖1，飛行控制系統100 包括：飛行裝置110 以及運算設備120。飛行裝置110 與運算設備120 透過網路130 進行連繫、溝通。飛行裝置110 例如為無人飛行載具（Unmanned AerialVehicle）、飛行機器人（ aerial robot） 等。運算設備120 為具有高計算能力的伺服器、主機等電子設備。例如， 運算設備120 可以由多台主機組合而成的伺服器系統， 或者亦可僅由個人電腦來實現。運算設備120 依據飛行裝置110 的回報， 來自動執行目標物缺陷辨識。

飛行裝置110為機器人，其能感知、理解和建模環境，確定自己在環境中的位置和方向，找到目標位置、運動規劃，並有機制地執行運動。飛行裝置110具有下述功能：運動機制，用來控制機器人的移動；感測功能，可測量自身和所處環境的相關參數；規劃和控制功能，產生自身的行動；感知功能，解讀測量值；以及通訊功能，機器人之間如何相互通訊或與外部通訊。

而自主機器人的行為模式控制包括下列四個基本行為：軌跡追蹤、目標搜尋、避免障礙和隊形保持。機器人可根據不同環境與狀況，規劃、推理、協調上述四個基本行為，決定各個行為之間的優先執行順序。

圖2是依照本新型創作的一實施例的一種飛行裝置的方塊圖。請參照圖2，飛行裝置110包括運動控制模組201、通訊單元203、儲存單元205、立體掃瞄儀207、彩色影像擷取器209以及熱感應單元211。

運動控制模組201耦接至通訊單元203，透過通訊單元203接收控制訊號，以基於控制訊號來控制飛行裝置110的飛行運動。運動控制模組201例如是由多個硬體晶片所組成。通訊單元203例如為無線網卡、藍芽模組等，使得飛行裝置110能夠透過網路130來與運算設備120進行溝通。

圖3是依照本新型創作的一實施例的一種運動控制模組的方塊圖。請參照圖3，運動控制模組201包括馬達310、感測器320以及控制設備330。馬達310耦接至螺旋槳（未繪示）以及控制設備330。馬達310自控制設備330接收控制訊號，以控制螺旋槳的速度及力矩，藉此來決定飛行裝置110的飛行運動。

感測器320配置於馬達310，用以偵測馬達310的運轉資訊。例如，感測器320包括多個感測元件，而這些感測元件會基於需求配置在馬達310的不同部位，例如在轉子及定子等部位分別配置對應的感測元件，以感應轉子及定子在運轉時的相關資訊。

而控制設備330包括低階控制器331以及高階控制器333。低階控制器331以及高階控制器333分別耦接至感測器320，以分別自感測器320接收馬達310的運轉資訊。並且，低階控制器331耦接至高階控制器333。高階控制器333耦接至低階控制器331及通訊單元203。

在此，低階控制器331的運算速度低於高階控制器333。例如，低階控制器331為8位元微處理器，高階控制器333為16位元微處理器或32位元微處理器。高階控制器333例如負責控制訊號的解碼等等，之後傳送處理後的控制訊號至低階控制器331。低階控制器331自高階控制器333接收控制訊號，並自感測器320接收馬達310的運轉資訊，藉以基於運轉資訊與控制訊號直接對馬達310進行控制。而上述僅為舉例說明，並不以此為限。

返回圖2，飛行裝置110上還搭載了立體掃瞄儀207、彩色影像擷取器209以及熱感應單元211。例如，立體掃瞄儀207、彩色影像擷取器209以及熱感應單元211可以搭載於飛行裝置110的同一側，或亦可搭載於不同位置，在此並不限制其配置位置。而較優的選擇是，將立體掃瞄儀207、彩色影像擷取器209以及熱感應單元211以彼此相鄰的方式進行配置。

立體掃描儀207用以獲得深度影像（depth image）。詳細地說，立體掃描儀207為三維掃描儀（3D scanner），用以偵測並分析現實世界中物體或環境的形狀（幾何構造）與外觀資料（如顏色、表面反照率等性質）。而立體掃描儀207蒐集到的資料（即，深度影像）常被用來進行三維重建計算。彩色影像擷取器209例如為一般相機，用以獲得色彩影像。熱感應單元211用以獲得熱感應影像。熱感應單元211例如為熱顯像儀，用來偵測待測對象的溫度分布。例如，熱感應單元211將人眼無法看到的輻射能量轉換為電訊號，並以各種不同的顏色來顯示出不同溫度的分佈，使整個溫度分布狀態以可視圖像（即，熱感應影像）顯示出來。

儲存單元205耦接至通訊單元203、立體掃描儀207、彩色影像擷取器209及熱感應單元211。立體掃描儀207、彩色影像擷取器209及熱感應單元211在分別獲得深度影像、色彩影像及熱感應影像，可將上述影像儲存至儲存單元205中。而儲存單元205可藉由內建的控制晶片（未繪示），而經由通訊單元203將深度影像、色彩影像及熱感應影像傳送至運算設備120。另外，在其他實施例中，亦可使得運動控制模組201中的高階控制器333耦接至儲存單元205，進而透過運動控制模組201中的高階控制器333來將儲存單元205內的深度影像、色彩影像及熱感應影像，經由通訊單元203傳送至運算設備120。

圖4是依照本新型創作的一實施例的另一種飛行裝置的方塊圖。請參照圖4，在飛行裝置400中，將與飛行裝置110具有相同功能的構件給予相同的標號，並且省略相關說明。飛行裝置400還包括了氣壓計401、全球定位系統（global positioning system，GPS）403以及慣性測量單元（inertial measurement unit，IMU）405，並且包括第一底座407、第二底座409以及第三底座411。

第一底座407、第二底座409及第三底座411耦接至運動控制模組201，且分別安裝有立體掃瞄儀207、彩色影像擷取器209及熱感應單元211。例如，第一底座407、第二底座409及第三底座411分別內建有馬達，且第一底座407、第二底座409及第三底座411可調整旋轉角度。而運動控制模組201的高階控制器333耦接至第一底座407、第二底座409及第三底座411，以由高階控制器333來調整第一底座407、第二底座409及第三底座411各自的旋轉角度。

在飛行裝置400中，氣壓計401、全球定位系統403以及慣性測量單元405分別耦接至儲存單元205，以將所感測到的資訊儲存至儲存單元205。而儲存單元205可由內建的控制器將這些資訊經由網路130傳送至運算設備120。慣性測量單元405測量飛行裝置400的角速度以及加速度，藉由上述角速度以及加速度，可以獲得飛行裝置400的運動狀態。

另外，飛行裝置400中還可進一步配置聲納系統，透過聲納系統來測試飛行裝置400與目標物（例如，建築物或牆面）之間的距離。

圖5是依照本新型創作的一實施例的另一種飛行裝置的方塊圖。請參照圖5，飛行裝置500與飛行裝置400的構件相同，故省略了相關描述。飛行裝置500與飛行裝置400差別在於構件間的連接關係。在飛行裝置500中，立體掃瞄儀207、彩色影像擷取器209、熱感應單元211、氣壓計401、全球定位系統403、慣性測量單元405、第一底座407、第二底座409以及第三底座411分別耦接至運動控制模組201。例如，上述各構件可分別耦接至運動控制模組201的高階控制器333。由高階控制器333將立體掃瞄儀207、彩色影像擷取器209、熱感應單元211、氣壓計401、全球定位系統403及慣性測量單元405所感測到的資訊儲存至儲存單元205，並且由高階控制器333將儲存單元205中的資訊透過通訊單元203傳送至運算設備120。

圖6是依照本新型創作的一實施例的一種利用飛行裝置進行瑕疵檢測的系統架構示意圖。底下以圖4的飛行裝置400來進行說明，然，亦可以飛行裝置110或飛行裝置500來取代飛行裝置400，在此並不限制。圖6中，以虛線箭號表示為飛行裝置400端的資訊傳輸，以實線箭號表示運算設備120端的資訊傳輸。

本系統架構包括飛行裝置400、立體掃描儀207、彩色影像擷取器209及熱感應單元211，通過將這三種不同的取像裝置搭載在飛行裝置400上進行建築物結構的缺陷檢測。

透過立體掃描儀207來獲得建築物結構的3D建模。透過熱感應單元211獲得建築物的紅外光譜分析，藉此得以清晰得看出結構的裂縫與缺陷。而透過彩色影像擷取器209拍攝建築物實體結構與外牆表面的影像。據此，由運算設備120進行自動辨識，找出建築物的結構缺陷。

飛行裝置400在將深度影像、色彩影像及熱感應影像傳送至運算設備120後，於步驟S61中，運算設備120執行區域檢查。例如，利用自動化光學檢測（Automated Optical Inspection，AOI）演算法執行區域檢查。接著，在步驟S62中，運算設備120判斷是否發現缺陷。

在檢測出缺陷時，運算設備120會產生控制訊號601。在此，控制訊號601為用以命令飛行裝置400進行盤旋並定位的訊號。並且，在步驟S64中，將控制訊號601傳送至飛行裝置400，以對飛行裝置400進行飛行控制。飛行裝置400會利用全球定位系統403記錄下此處的位置訊息，並把此位置訊息儲存到儲存單元205中。進而，飛行裝置400可透過通訊單元203將所記錄下的位置訊息回傳至運算設備120。

而在檢測出缺陷時，在步驟S63中，運算設備120還可進一步在顯示裝置（外接或內建於運算設備120）中顯示畫面與訊息。例如，直接顯示所接收到的深度影像、色彩影像及熱感應影像。

在未檢測出缺陷時，運算設備120會產生控制訊號603。在此，控制訊號603為用以控制飛行裝置400的運行軌跡的訊號。並且，在步驟S64中，將控制訊號603傳送至飛行裝置400，以對飛行裝置400進行飛行控制。

圖7是依照本新型創作的一實施例的一種瑕疵檢測的影像分析流程的示意圖。請參照圖7，在運算設備120取得立體掃瞄儀207所獲得的深度影像I1、彩色影像擷取器209所獲得的彩色影像I2以及熱感應單元211所獲得的熱感應影像I3之後，分別對深度影像I1、彩色影像I2及熱感應影像I3執行步驟S710~S730。

在步驟S710中，執行影像加強。例如，對影像執行消除雜訊、平滑影像、增強對比等。之後，在步驟S720中，對加強後的影像進行分析，包括影像切割（segmentation）（步驟S721）以及特徵擷取（步驟S722）。例如可使用一個強度（intensity）門檻值來執行影像切割，或者基於邊緣偵測來執行影像切割，以在影像中獲得感興趣的區域。之後，自所獲得的區域中來擷取特徵值。特徵值例如為面積、周長、質量中心、緊緻度等。

而在取出特徵之後，在步驟S730中，對影像進行分類，判斷破壞等級。例如，利用類神經網路、模糊邏輯等方式來進行分類。而上述破壞等級例如包括I、II、III、IV、V五種等級，其破壞等級對照的特徵可參照表1。而為了方便說明，在表1中以文字來描述各破壞等級的特徵，然，這些特徵皆可以將其以數字來表示。例如，設定5組裂縫範圍來分別代表破壞等級I、II、III、IV、V的嚴重程度，而將所分析獲得的裂縫距離值與上述範圍進行比對，便可獲得對應的破壞等級。

[表1] <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0002"><TBODY><tr><td> 破壞等級 </td><td> 結構柱 </td><td> 主樑 </td><td> 結構牆 </td></tr><tr><td> I </td><td> 輕微裂縫。 </td><td> 輕微裂縫。 </td><td> 輕微裂縫，水平向裂縫小於0.3mm。 </td></tr><tr><td> II </td><td> 有明顯之裂痕。 </td><td> 剪力裂縫0.3mm以下，混凝土粉刷脫落。 </td><td> 水平向裂縫多且延伸至柱，裂縫寬度大於或等於0.3 mm且小於或等0.5 mm。 </td></tr><tr><td> III </td><td> 裂縫大於0.3 mm，且混凝土保護層脫落。 </td><td> 裂縫大於0.3 mm，且混凝土保護層脫落，但主筋未挫曲，箍筋未斷裂。 </td><td> 有斜向裂縫，但未見牆內主筋。 </td></tr><tr><td> IV </td><td> 可見柱筋或箍筋，但鋼筋未挫曲且中間混凝土未爆裂脫落。 </td><td> 保護層脫落範圍度大，部分箍筋斷裂，主筋可能挫曲。 </td><td> 有大量之斜向裂縫，可見牆內主筋但未拉斷。邊柱保護層脫落。 </td></tr><tr><td> V </td><td> 破壞超過IV級，例如：箍筋斷裂脫落，主筋挫曲，混凝土裂碎，樓層下陷。 </td><td> 破壞超過IV級，例如：箍筋斷裂脫落，主筋折曲嚴重，梁中混凝土裂開，樓層下陷。 </td><td> 破壞超過IV級，例如： 斜向裂縫擴大，牆內主筋拉斷， 邊柱壓潰，柱筋挫屈，混凝土碎裂脫出，樓版下陷。 </td></tr></TBODY></TABLE>

表1所列的特徵是以建築物的結構柱、主樑以及結構牆來作為判斷破壞等級的代表，然，並不以此為限。

綜上所述，本新型創作在飛行裝置上結合立體掃描儀、彩色影像擷取器及熱感應單元，以飛行裝置取代了傳統人工進行實地檢測，據此，可有效解決在進行建築物檢測時，人員無法到達之處難以進行人工檢查的問題。並且，透過運算設備來分析立體掃描儀、彩色影像擷取器及熱感應單元所獲得的影像，藉此可提高瑕疵辨識度，減少了人工辨識所造成的誤判。另外，在事先規劃好飛行裝置的行動軌跡，亦可完全自主無需人員操作，提高了檢測的速度效率且在使上更為便利。

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

100‧‧‧飛行控制系統
110、400、500‧‧‧飛行裝置
120‧‧‧運算設備
130‧‧‧網路
201‧‧‧運動控制模組
203‧‧‧通訊單元
205‧‧‧儲存單元
207‧‧‧立體掃瞄儀
209‧‧‧彩色影像擷取器
211‧‧‧熱感應單元
310‧‧‧馬達
320‧‧‧感測器
330‧‧‧控制設備
331‧‧‧低階控制器
333‧‧‧高階控制器
401‧‧‧氣壓計
403‧‧‧全球定位系統
405‧‧‧慣性測量單元
407‧‧‧第一底座
409‧‧‧第二底座
411‧‧‧第三底座
S61～S64‧‧‧進行瑕疵檢測各步驟
601、603‧‧‧控制訊號
S701～S730‧‧‧瑕疵檢測的影像分析流程各步驟
I1‧‧‧深度影像
I2‧‧‧彩色影像
I3‧‧‧熱感應影像

圖1 是依照本新型創作的一實施例的一種飛行控制系統的方 塊圖。 圖2 是依照本新型創作的一實施例的一種飛行裝置的方塊 圖。 圖3 是依照本新型創作的一實施例的一種運動控制模組的方 塊圖。 圖4 是依照本新型創作的一實施例的另一種飛行裝置的方塊 圖。 圖5 是依照本新型創作的一實施例的另一種飛行裝置的方塊 圖。 圖6 是依照本新型創作的一實施例的一種利用飛行裝置進行 瑕疵檢測的系統架構示意圖。 圖7 是依照本新型創作的一實施例的一種瑕疵檢測的影像分 析流程的示意圖。

110‧‧‧飛行裝置

201‧‧‧運動控制模組

203‧‧‧通訊單元

205‧‧‧儲存單元

207‧‧‧立體掃瞄儀

209‧‧‧彩色影像擷取器

211‧‧‧熱感應單元

Claims (7)

1. 一種飛行裝置，包括：一立體掃描儀，獲得一深度影像；一彩色影像擷取器，獲得一色彩影像；一熱感應單元，獲得一熱感應影像；一運動控制模組，接收一控制訊號，以基於該控制訊號來控制該飛行裝置的飛行運動；一儲存單元，耦接至該立體掃瞄儀、該彩色影像擷取器以及該熱感應單元，以儲存該深度影像、該色彩影像以及該熱感應影像；以及一通訊單元，耦接至該儲存單元與該運動控制模組，並連線至一網路，透過該網路傳送該深度影像、該色彩影像以及該熱感應影像至一運算設備，並且，透過該網路接收一控制訊號並傳送至運動控制模組。
2. 如申請專利範圍第1項所述的飛行裝置，其中該運動控制模組包括：一馬達，耦接至一螺旋槳，以控制該螺旋槳的速度及力矩；一感測器，配置於該馬達，以感測該馬達的一運轉資訊；以及一控制設備，耦接至該感測器、該馬達以及該通訊單元，自該感測器接收該運轉資訊，且透過該通訊單元接收該控制訊號，藉以控制該馬達。
3. 如申請專利範圍第2項所述的飛行裝置，其中該控制設備包括：一低階控制器，耦接至該馬達與該感測器；以及一高階控制器，耦接至該低階控制器、該通訊單元以及該感測器；其中，該低階控制器自該高階控制器接收一控制訊號，並自該感測器接收該馬達的該運轉資訊，藉以基於該運轉資訊與該控制訊號來控制該馬達。
4. 如申請專利範圍第3項所述的飛行裝置，其中該低階控制器的運算速度低於該高階控制器。
5. 如申請專利範圍第1項所述的飛行裝置，更包括一第一底座、一第二底座以及一第三底座，分別安裝該立體掃瞄儀、該彩色影像擷取器以及該熱感應單元；其中，該運動控制模組耦接至該第一底座、該第二底座以及該第三底座，以調整該第一底座、該第二底座以及該第三底座各自的旋轉角度。
6. 如申請專利範圍第1項所述的飛行裝置，更包括：一氣壓計、一全球定位系統以及一慣性測量單元，其分別耦接至該儲存單元，以將所感測到的資訊儲存至該儲存單元。
7. 一種飛行控制系統，包括：如申請專利範圍第1項至第6項其中一項所述的飛行裝置；以及 一運算設備，透過一網路，自該飛行裝置接收該深度影像、該色彩影像以及該熱感應影像，並且傳送該控制訊號至該飛行裝置，其中該運算設備分析該深度影像、該色彩影像以及該熱感應影像，以自動執行一目標物缺陷辨識。