TWI854511B - 無人載具之多雷射聚焦安全除蟲系統 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種無人載具之多雷射聚焦安全除蟲系統，其包含：一移動載具，其配置一飛行控制模組、複數雷射發射元件、一影像擷取裝置、一目標距離感測器、一飛行狀態感測單元及一處理單元；該飛行狀態感測單元係用以感測該移動載具之至少一飛行狀態參數；一分析模組，係建置有一害蟲識別模型；藉此，發明係透過影像擷取裝置係擷取影像後，分析模組係可藉由害蟲識別模型以於像中識別一目標（如：害蟲）及其位置資訊，並依據飛行狀態參數而界定控制指令，藉以令飛行控制模組控制移動載具移動至對應於該位置資訊處，並令所述雷射發射元件之焦點位置位於該位置資訊之位置處，藉可透過將每一雷射發射元件配置為低功率，使單一之雷射光不具有對生物體或環境之傷害力，而透過複數雷射發射元件所發雷射光聚集於焦點位置，使僅於焦點位置處具有較高之能量密度，以去除害蟲或使其失能，藉可達致自動化牽制害蟲的繁衍，令作物不易受到嚴重傷害，使達致自然生態平衡，並可促進相關農業之發展，同時可避免週遭之生物體受雷射光照射而產生損傷之情事，以維周遭環境生命之安全性者。

Description

無人載具之多雷射聚焦安全除蟲系統

本發明係提供一種無人載具之多雷射聚焦安全除蟲系統，尤指一種透過無人載具自動偵測害蟲之位置，並透過低功率之雷射聚集以去除害蟲或使其失能，藉以抑制害蟲之繁衍，而於雷射非聚集處則不會產生殺傷力，藉可有效提升於自動去除害蟲時之安全性者。

按，二十世紀起化學肥料、化學農藥的發明使病蟲害減少，產量上升、農友收入增加，因此使用化學農藥的慣行農業被大量使用；然而隨著低成本的農藥使用量不斷增加，農藥帶來的問題也逐漸浮現，由於過度使用化學肥料、化學農藥來提高生產力，嚴重地污染了環境及危害到人類的身體健康；長期使用大量化學藥物，會導致土壤酸、鹽化，更會破壞水資源及生態環境，嚴重污染人們的生活環境；此外，隨著噴藥次數增加，病蟲害會產生抗藥性，因此又需要增加藥劑濃度，此一結果將使病蟲抗藥性更加提升，而高濃度藥劑將會對環境造成更大的汙染，除了嚴重影響動植物，也將對人類食品安全構成威脅，因此如何發展友善環境農業刻不容緩；是以，營造友善環境農業，並降低對環境之毒害，同時亦可有效防除病蟲害與雜草分食養分，現已成為重要的研究目標之一。

在友善的耕作環境中，有機農業為一種較不污染環境、不破壞生態，並能提供消費者健康與安全農產品的生產方式；有機農業之定義因各國法律之規定而不同，隨著農業技術的演變，有機農業法規的要求亦漸趨嚴格；根據我國農委會之定義，有機農業是遵守自然資源循環永續利用原則，不允許使用合成化學物質，強調水土資源保育與生態平衡之管理系統，並達到生產自然安全農產品目標之農業；並於2007年1月，農委會便開始實施「農產品生產及驗證管理法」，令有機農業及其產品納入法律規範。

根據行政院農業委員會農糧署於民國110年11月統計指出，有機栽培農戶數有4,413戶，而有機種植面積有11,722.3276公頃；根據行政院農業委員會的「農業經營現況」指出，109年我國農耕土地面積79.0萬公頃，全年農作物種植面積74.0萬公頃，108年底臺灣地區農牧戶數為77.5萬戶，其中有從事農牧業之戶數為71.8萬戶；農牧戶人口為269萬餘人；由此可知，有機種植面積只佔農耕土地面積的1.5%，有機栽培農戶數只佔有從事農牧業之戶數的0.6%。

根據有機農業全球資訊網引述歐盟的報導指出，目前歐盟有機農業面積占總農業面積比率為8.5%，若依據近年成長趨勢預估，至2030年約可增加至15-15%，有機行動計畫則進一步以有機占比提升至25%為目標，因此我國於有機農業之發展遠落後歐盟，其主因在於，我國氣候炎熱多濕，沒有足夠低溫的冬天，使得蟲害病害綿續不絕不易防治，此外，也因為台灣處於高溫多濕之環境，有機質分解迅速，淋溶之激烈，養分的損失大，產生地力減退，導致國內土壤有機質含量普遍偏低，全國超過 65% 耕地土壤有機質含量在 2%以下，購買價昂的有機質肥料有其必需性，再加上土地承載負荷太大，平均每公頃要負擔 24 個人口，使得沒有足夠的土地實施輪作種植，因此先天的條件限制了有機農業的發展；財團法人農業科技研究院農業政策研究中心亦指出，在農產品項部分，台灣的有機稻米及蔬菜的技術成熟，但有機水果規模仍較小，其係因我國緯度關係，使易受氣候影響及多病蟲害，故作物生長期也較長，因此較少人投入栽種。

我國病蟲害種類因作物種類繁多，害蟲對經濟農作物蔬菜、果樹與花卉等的主要危害可以分為：取食性危害、非取食性危害及傳播病害三種；其中，取食性危害害蟲能直接危害花卉的根、莖、葉、芽、果實、種子等部位，形成不同部位的破壞，取食性危害害蟲主要破壞有6種方式：咀食、卷葉或綴葉營巢、潛葉、鑽蛀、刺吸、成癭；非取食性危害在農作物的危害主要有2種：產卵傷害與鑽土危害；傳播病害則是害蟲危害造成傷口，為某些病原菌侵入的管道，許多種植物病毒性病害都是由害蟲傳播的；害蟲就其危害的部位可以分地下害蟲、食葉害蟲、刺吸害蟲及蛀食害蟲等幾類。不同部位上的重要害蟲種類及其為害特徵又可以分：為害根部或種球的有：蟋蟀類、蠐螬、根潛蠅、甘藷蟻象、黃條葉蚤、根蟎等種類，其取食根系破壞表皮，影響根部水分及養分的吸收，造成樹勢衰弱，嚴重時導致地上部整株枯萎；危害花卉球根、甘薯塊根、馬鈴薯塊莖部位的受害則影響發芽、商品價值及產量。危害莖、樹幹、枝條的害蟲種類多為：桃折心蟲、木蠹蛾、螟蛾類、天牛類、象鼻蟲類、白蟻、莖潛蠅、介殼蟲類等，其會導致枝條或莖被鑽蝕為害後，造成枝條折斷及新梢枯萎的現象，影響樹勢的生長；受害樹幹，有些會形成剥皮狀，嚴重時整株枯死；危害花部者，主要係金龜子類及甜菜夜蛾、斜紋夜蛾等，其將直接影響花卉的商品價值，間接造成落花或果實的商品價值；危為害果實者，如：東方果實蠅、瓜實蠅成蟲產卵於果實內，幼蟲於果肉內鑽食，造成果實腐爛、落果等現象；而其中，果實具有較高的經濟價值，對蟲害的忍受性最低，只要遭受少數昆蟲為害，即造成嚴重的損失；另外，危害幼苗根部的害蟲有螻蛄、地老虎、金針蟲、蠐螬等，這些害蟲危害植物後，不僅造成減產，而且影響蔬菜的品質，降低商品價值；危害葉部的重要害蟲可以分為：蠂蛾類害蟲、蚜蟲類、薊馬類、蟎類、潛蠅類、粉蝨類等種類。

有機農業的病蟲害防治主要目的就是要採取各種非農藥的自然防治法，希望促使益蟲益菌能夠與害蟲病菌維持在良好的生態平衡狀態；其方法雖所在多有，但約可分為栽培防治、物理防治、生物防治與自然農藥防治；有機農業的目的是要適當保護有益昆蟲以及各種天敵動物和微生物族群，利用 生物間相抗衡的功能牽制害蟲的繁衍，以達到自然生態平衡，使作物不受到嚴重傷害；在有機農業經營方式下 ，已經消失的益蟲和各種天敵動物、拮抗性微生物等都會逐漸再出現，帶來友善的耕作環境。

澳洲Australian Centre for Field Robotics，曾發展以太陽能為主動力的田間機器人RIPPA，試圖用來做為除草與除蟲的機器人，其採用物理防治法除蟲，主要是用影像處理判斷害蟲位置，並透過控制吸塵器的吸口方式來吸走害蟲。在RIPPA田間機器人的展示影片中，除害蟲的部分是以藍色的寶特瓶蓋作為假想的害蟲，故其目前尚於實驗階段，應仍有技術上之問題須予克服；其中，其吸塵器口稍大，故有破壞栽種植物的隱憂，另外有些害蟲會吸附在葉菜上，因此要不破壞栽種植物，又要將害蟲吸走，其吸塵力的控制機制為重要之課題。

而現有之研究中，亦具有精準雷射蟲害控制之文獻，其係結合單眼立體視覺（monocular stereo vision）、快速雷射掃描 （rapid laser scanning）與智慧影像辨識（intelligent pest recognition）等關鍵技術，以應用於農業害蟲種群數量控制，其主要係實驗用於棗園果樹的害蟲防治上，結果指出於特定之光波長及功率下，二齡以上的台灣黃毒蛾幼蟲在照射 1.2秒後，會使其無法進一步攝入食物，故其雷射病蟲害防治儀可以有效地控制害蟲種群的方法。

而於1988年即有文獻提出利用雷射去除蟲害，其係使用雷射照射密閉空間裡的果蠅，發現綠光比紅外光有較好的效果；2008 年蓋茲基金會也贊助Intellectual Ventures 實驗室雷射殺蚊計劃，藉以消除瘧疾，因殺蟲劑雖可有效殺蚊，但是對環境破壞非常嚴重，且蚊子會產生抗藥性；該計畫的目標是利用藍光 DVD 裡面的雷射加上感光器（CCD 或 CMOS），利用物理方法滅蚊，希望成本控制在兩千元新台幣以內，能幫助非洲地區對抗瘧疾；惟藍光 DVD 的雷射光能量太小，故Lighting Science團隊在2016發表成果於Optics Express，其工作原理首先發射低功率紅外線光，照射範圍可達 30 公尺，並放置反光板，利用紅外線攝影機監視這個反光板，一旦有昆蟲進入光網，會在反光板上留下剪影，而紅外線攝影機可根據量測到的剪影初步判定是不是蚊子，更可利用蚊子大小、翅膀拍打的頻率及飛行速度，用來判定是蚊子之性別；由於母蚊子比較大，翅膀拍打的頻率也比較低，一旦系統軟體判定是母蚊子，就會發射高能雷射將蚊子擊落；根據研究，雷射功率不需要高到完全燒掉蚊子的翅膀，只要能破壞蚊子飛行能力即可將蚊子擊落，惟其機器之體積龐大，且價格遠超乎預期，目故其目前仍於研究階段。

而現今另提供一種概如我國專利公開第202022698號之「定位和除去昆蟲的系統及方法」專利案，其主要係依據影像偵測昆蟲之所在位置，並可予以標記之，並可搭載於一無人機上，並透過構件以機械或化學方式處置昆蟲；而其主要之技術在於，其係透過攝像器獲取空間影像，並基於該影像判斷該昆蟲在該空間中的所在位置，然而，透過單一攝像器並無法獲取空間中之位置，因單一攝像器所擷取的只是二維的影像，要取到三維空間位置至少需要二個攝像器，而透過其於另一實施例所述，透過二影像之時間差以擷取昆蟲在空間中之實際位置，然而，其配置係需令攝像器移動之位置為已知值，其所需之技術及運算力非常高，故成本將大幅增加，難以實際應用於無人機上；此外，其亦提及，攝像器與雷射或指示標記的指向裝置會被放在離彼此至少10公分遠的地方，惟此設置對於移動式除蟲裝置是有困難度的，且2008年蓋茲基金會也贊助Intellectual Ventures 實驗室雷射殺蚊計劃，投影式之除蚊裝置是可行的，但對於自主移動式除蟲裝置的限制較高，難以有效實現之；再查，202022698一案說明，其處理器可在影像一單格內，含有昆蟲以及移動裝置的空間之影像所作的分析，控制移動裝置使其移動到昆蟲的附近，且前往昆蟲的方向，可以從一單格之內昆蟲在影像中的所在位置而被預估，處理器係使用單格中兩物體之間的像素距離，定時地判斷單格中移動裝置與昆蟲之間的角距，並基此計算出移動裝置需要移動的距離和方向；然而，如前述者，由於單一攝像裝置只能得到平面的資訊，因此除非假設昆蟲的大小已知，然後根據昆蟲影像在擷取影像裡所佔據的大小才能估測昆蟲的距離，否則只能獲得昆蟲的移動方向資訊，無法計算出昆蟲的距離；此外，其另外說明除去昆蟲的方法可包括判斷在昆蟲所在位置的附近是否有一生物(或是可被輔助裝置的動作傷害到的物體或材料)的方法，其利用空間中的動作相對大小或是材料的形狀、顏色來做判斷。但是一般昆蟲相對於避免被傷害的生物大小相差非常大。當利用動作相對大小判斷時，植物隨風的飄動可能與生物的移動相似而難以區別。另外要在同一個擷取畫面要以形狀來同時辨識昆蟲與生物幾乎是不可能的工作。

有鑑於此，吾等發明人乃潛心進一步研究無人載具除蟲之安全性，並著手進行研發及改良，期以一較佳發明以解決上述問題，且在經過不斷試驗及修改後而有本發明之問世。

爰是，本發明之目的係為解決前述問題，為達致以上目的，吾等發明人提供一種無人載具之多雷射聚焦安全除蟲系統，其包含：一移動載具，其配置一飛行控制模組、複數雷射發射元件、一影像擷取裝置、一目標距離感測器、一飛行狀態感測單元及一處理單元；該飛行控制模組係用以控制該移動載具之移動，而該飛行狀態感測單元係用以感測該移動載具之至少一飛行狀態參數；所述雷射發射元件係用以分別發射一雷射光，且所述雷射光係對應聚集於一焦點位置；該處理單元係耦接於該飛行控制模組、所述雷射發射元件、該影像擷取裝置及該飛行狀態感測單元；以及一分析模組，其係連結於該處理單元；且該分析模組係建置有一害蟲識別模型；藉之，該影像擷取裝置係用以擷取一影像，該目標距離感測器係據以量測該影像擷取裝置所擷取目標影像之一距離值，該處理單元係將該影像、該距離值、該焦點位置及所述飛行狀態參數傳送至該分析模組，該分析模組係透過該害蟲識別模型以於該影像中識別一目標及其對應之位置資訊，並依據該位置資訊、該距離值及所述飛行狀態參數界定一控制指令，並回傳至該處理單元，令該處理單元依據該控制指令以控制該飛行控制模組將該移動載具移動至對應於該位置資訊處，並令所述雷射發射元件之焦點位置位於該位置資訊之位置處者。

據上所述之無人載具之多雷射聚焦安全除蟲系統，更包含一旋轉載台，其係設置於該移動載具，並對應承載所述雷射發射元件、該目標距離感測器及該影像擷取裝置；以及至少一驅動裝置，其係耦接於該處理單元，且對應連結並驅動該旋轉載台，該處理單元係藉由驅動所述驅動裝置，以令該影像擷取裝置追蹤該目標，並令所述雷射發射元件之焦點位置位於該位置資訊之位置處者。

據上所述之無人載具之多雷射聚焦安全除蟲系統，其中，該移動載具更設有複數調整裝置，所述調整裝置係耦接於該處理單元，而所述雷射發射元件係分別對應設置於所述調整裝置；該處理單元係藉由驅動所述調整裝置，以分別調整所述雷射發射元件之角度，進而控制該焦點位置者。

據上所述之無人載具之多雷射聚焦安全除蟲系統，更包含一遠端控制裝置，其係設有一傳輸模組及該分析模組，且該傳輸模組係連結於該分析模組；而該處理單元更設有一通訊模組，該通訊模組係訊號連結於該傳輸模組，以令該處理單元連結並訊號傳輸於該分析模組者。

據上所述之無人載具之多雷射聚焦安全除蟲系統，其中，該通訊模組及該傳輸模組間，係透過行動通訊、無線網路、藍芽、LoRaWAN、NBIot或ZigBee進行無線連結者。

據上所述之無人載具之多雷射聚焦安全除蟲系統，其中，該影像擷取裝置為攝影機、熱影像儀或多光譜儀之至少其一者。

據上所述之無人載具之多雷射聚焦安全除蟲系統，其中，該飛行狀態感測單元為慣性感測器、高度計、GPS或RTK GPS定位裝置之至少其一者。

據上所述之無人載具之多雷射聚焦安全除蟲系統，其中，該害蟲識別模型係經深度神經網路（Deep Neural Networks, DNN）、深度置信網路（Deep Belief Networks, DBN）、卷積神經網路（Convolutional Neural Networks, CNN）、區域卷積神經網路（Regions with Convolutional Neural Networks, R-CNN）、快速地區域卷積神經網路（Faster R-CNN）或YOLO（You only look once）演算法，以訓練而得者。

據上所述之無人載具之多雷射聚焦安全除蟲系統，更包含一控制模塊，其係連結於該處理單元及所述雷射發射元件；該害蟲識別模型係用以於該影像中識別該目標及其對應之種類資訊，該控制模塊係依據該害蟲識別模型識別該目標之種類資訊，以透過脈波寬度調變（Pulse-width modulation, PWM）調整所述雷射發射元件之功率強度，並據以控制其所發雷射之時間及間隔者。

是由上述說明及設置，顯見本發明主要具有下列數項優點及功效，茲逐一詳述如下：

1.本發明藉由飛行狀態感測單元之設置，藉可感測該移動載具之飛行狀態參數，且分析模組建置有害蟲識別模型，藉以於影像擷取裝置擷取影像時，分析模組可於影像中識別一目標（如：害蟲）及其對應之位置資訊，位置資訊、飛行狀態參數、距離值及所述雷射發射元件之焦點位置以界定一控制指令而界定控制指令，使處理單元可依據控制指令，而精確且穩定的控制該飛行控制模組將該移動載具移動至對應於該位置資訊處，並可令所述雷射發射元件之焦點位置位於該位置資訊之位置處，藉可透過將每一雷射發射元件配置為低功率，使單一之雷射光不具有對生物體或環境之傷害力，而透過複數雷射發射元件所發雷射光聚集於焦點位置，使僅於焦點位置處具有較高之能量密度，以去除害蟲或使其失能，藉可達致自動化牽制害蟲的繁衍，令作物不易受到嚴重傷害，使達致自然生態平衡，並可促進相關農業之發展，同時可避免週遭之生物體受雷射光照射而產生損傷之情事，以維周遭環境生命之安全性者。

關於吾等發明人之技術手段，茲舉數種較佳實施例配合圖式於下文進行詳細說明，俾供  鈞上深入了解並認同本發明。

請先參閱第1圖及第2圖所示，本發明係一種無人載具之多雷射聚焦安全除蟲系統，其包含：

一移動載具1，其在一實施例中係可為多旋翼之無人機，惟其僅係舉例說明，並不以此作為限定；該移動載具1配置有一飛行控制模組11、複數雷射發射元件2、一影像擷取裝置3、一目標距離感測器4、一飛行狀態感測單元12及一處理單元5；而在一具體之實施例中，移動載具1係配置有旋轉載台13，並對應承載所述雷射發射元件2、該目標距離感測器4及該影像擷取裝置3；而飛行控制模組11、飛行狀態感測單元12及處理單元5係可配置於該移動載具1。

其中，飛行控制模組11，可知悉者，其係可為移動載具1之旋翼，藉以控制移動載具1之位置、升降、俯仰角、偏航角、滾轉角及速度，其控制方式係屬習知技術，故在此不予贅述；而該飛行狀態感測單元12係用以感測該移動載具1之至少一飛行狀態參數，如：移動載具1之經度、緯度、高度、俯仰角、偏航角、滾轉角、速度及角速度之至少其一者，故可知悉者，飛行狀態感測單元12係可被配置為對應之慣性感測器、高度計、GPS或是精確度更高的RTK GPS定位裝置之至少其一者；

而就雷射發射元件2之設置而言，其係可對應的發出雷射，而雷射之波長越短則越具傷害性，故若以效率考量，係可將雷射之波長設置為400nm以下，若以安全性考量，則可設置為450 nm至550 nm之間，使其波長較接近綠色，使較不會被綠色植物吸收；在一實施例中，亦可將波長設置為其他波長，藉以於害蟲係屬於綠色之顏色時，亦可予作用之；且在一實施例中，係可將每一雷射發射元件2所照射雷射之光點約為直徑2mm以下，而功率為0.5W以下，利於輕量型無人機的攜帶，並降低單一雷射光束對周遭環境之危害；且可令雷射發射元件2根據害蟲的屬性，利用脈衝調變調整適當的功率，照射於害蟲的要害部位短暫時間，於本實施例中係設定在2秒以內，增加無人機快速移動除害蟲的機動性；並藉以將其予以殺死，或使其失能，如：無法攝入食物，藉以降低其繁殖能力，惟前述之配置僅係舉例說明，並不以此作為限定。

而影像擷取裝置3之配置，由於本發明主要係用以拍攝並辨識害蟲，故其係可為攝影機，可為單一鏡頭做光學伸縮，也可以是多個單焦鏡頭組成影像擷取裝置，藉以進行影像之擷取，而由於害蟲部分具有保護色，故在一較佳之實施例中，其係可配置為熱影像儀或多光譜儀，亦可為前述攝影機、熱影像儀或多光譜儀之組合，藉使更利於對於害蟲特徵之提取。

處理單元5則係耦接於該飛行控制模組11、所述雷射發射元件2、該影像擷取裝置3及該飛行狀態感測單元12；而為使其可予輕量化配置，以降低其能量耗損，故處理單元5係可為嵌入式系統之架構設置；以及

一分析模組6，其係連結於該處理單元5；且該分析模組6係建置有一害蟲識別模型；而可知悉者，害蟲識別模型係用以檢測目標之影像中是否具有害蟲，而一般的目標檢測可以採用區域選擇、特徵提取或是分類器的方式來處理，而較佳者，係基於影像學習法則，如：深度學習，其係以類神經網路為架構，是對資料進行表徵學習的演算法；而於本發明中，其係可經深度神經網路（Deep Neural Networks, DNN）、深度置信網路（Deep Belief Networks, DBN）、卷積神經網路（Convolutional Neural Networks, CNN）、區域卷積神經網路（Regions with Convolutional Neural Networks, R-CNN）、快速地區域卷積神經網路（Faster R-CNN）或YOLO（You only look once）演算法，以訓練而得者；而於本實施例中，係透過即時性較高的YOLO智慧型辨識法則進行，並透過足夠之害蟲圖片資訊經過YOLO的訓練，以形成其訓練模型，其即為該害蟲識別模型；而為利於害蟲識別模型之建置，在一實施例中，也可透過iNaturalist API以作為害蟲識別模型進行害蟲之識別，惟其僅係舉例說明，並不以此作為限定。

藉此，如第1圖至第5圖所示者，該影像擷取裝置3係用以擷取一影像，該目標距離感測器4係據以量測該影像擷取裝置所擷取目標影像之一距離值，而該處理單元5係將該影像、該距離值、該焦點位置F及所述飛行狀態參數傳送至該分析模組6，令該分析模組6係透過該害蟲識別模型以於該影像中識別一目標（即影像中之害蟲圖像），並藉以依據影像擷取裝置3之內部參數，如：影像擷取裝置3之焦距、位置及角度等數據，以及移動載具1之位置，藉可於影像中運算求得該目標對應之位置資訊，而藉由目標之位置資訊與移動載具1之相對位置，可界定出移動載具1之飛行路徑，並透過結合移動載具1之飛行狀態參數，即可據以界定一控制指令，並回傳至該處理單元5，使處理單元5依據該控制指令以控制該飛行控制模組11將該移動載具1移動至對應於該位置資訊處，並令所述雷射發射元件2所發出雷射之焦點位置F位於該位置資訊之位置處，藉以如前述者，透過雷射之照射，以去除害蟲或使其失能；而較佳者，該害蟲識別模型於該影像中識別之目標為一害蟲之弱點影像，如：口部或其翅膀之影像，使透過將焦點位置F位於害蟲之弱點處，以去除或使其失能。

而如前述者，由於害蟲識別模型對於影像辨識須較大之運算量，而為令本發明可進行即時運算，並且降低移動載具1搭載處理單元5之硬體配置，使其可輕量化設置，故在一較佳之實施例中，係可於欲去除害蟲之區域內佈建一遠端控制裝置7，其係設有一傳輸模組71及該分析模組6，且該傳輸模組71係連結於該分析模組6；而該處理單元5更設有一通訊模組51，該通訊模組51係訊號連結於該傳輸模組71，以令該處理單元5連結並訊號傳輸於該分析模組6；藉此，由於處理單元5係搭載於移動載具1上，故其係可將影像及飛行狀態參數，透過通訊模組51傳輸至傳輸模組71，使分析模組6可予接收並進行前述透過害蟲識別模型進行目標之影像的辨識，並計算其控制指令，使移動載具1可專注於其飛行控制、影像擷取及對於飛行狀態參數之取得，藉此除可降低其硬體配置使其可輕量化外，並可降低其耗能，進而可有助於提升移動載具1之航行距離及範圍；而就通訊模組51與傳輸模組71間之通訊，在一實施例中，係可係透過行動通訊、無線網路、藍芽、LoRaWAN、NBIot或ZigBee進行無線連結，而在另一較佳之實施例中，亦可透過於傳輸模組71配置指向性天線，並可於其架設旋轉平台，以掃描式天線的方式進行連結，以提升其收訊能力，惟其僅係舉例說明，並不予限定之。

而在一較佳之實施例中，為利於對於影像擷取裝置3內部參數之擷取，使提升對於目標位置資訊擷取的精確性，並利於控制雷射發射元件2發射之方向，故較佳者，該移動載具1係可於其一端配置有旋轉載台13，本實施例係將旋轉載台13配置於移動載具1底端進行說明，惟並不以此作為限定；其中，旋轉載台13係對應承載所述雷射發射元件2、目標距離感測器4及該影像擷取裝置3；以及至少一驅動裝置14，其係耦接於該處理單元5，且對應連結並驅動該旋轉載台13，藉此，該處理單元5係可透過該影像擷取裝置3以追蹤該目標，並藉以配合所述飛行狀態參數，進行運算並驅動所述驅動裝置14，以令所述雷射發射元件2發出雷射並聚集之焦點位置F，可受驅動裝置14對旋轉載台13之控制而調整，並可藉由將驅動裝置14之傳動位置回傳至分析模組6，使可據以擷取影像擷取裝置3及雷射發射元件2或其焦點位置F之位置及角度資訊，以利分析模組6可精確的求得目標之位置資訊，並據以界定控制指令，且可知悉者，該控制指令係可包含對於驅動裝置14控制之參數，使可依據除蟲之環境，鎖定追蹤目標（即害蟲），控制移動載具1較佳之滯留位置，並透過驅動裝置14對於旋轉載台13之角度控制，使雷射發射元件2所發雷射所聚集之焦點位置F，可確實的聚集在該位置資訊上。

而就驅動裝置14之設置而言，在一實施例中，其係可為單一或多軸向設置，使可多角度的控制旋轉載台13，在一較佳之實施例中，旋轉載台13係可被配置為可於至少二軸之方向上旋轉運動，故在一實施例中，如第3圖及第4圖所示者，驅動裝置14係可為馬達，並可設置為單數或複數個，以單獨或同時配置於該旋轉載台13之底端或側端，藉以對旋轉載台13進行角度之調整，使可如前述者，控制雷射發射元件2及影像擷取裝置3之角度；惟其僅係舉例說明，並不予限定之。

而需特別說明者，本發明係為避免單一之雷射光束對周遭環境或生物造成危害，故主要係透過設置複數之雷射發射元件2，使其分別具有較低之功率，藉使單一之雷射光束幾乎不具有任何之殺傷力，並配合透過將雷射發射元件2所發之雷射聚集於單一點位之焦點位置F，使僅於焦點位置F處具有高度之能量密度，並配合前述者，透過將焦點位置F移動至位置資訊處而達致使害蟲失能之目的，而於非焦點位置F處之雷射，因其係各自沿其光學路徑照射，且光學路徑除焦點位置F外完全無重合之情事，故單一雷射之能量密度極低，因此於照射到周遭環境或生物時，將完全不會對其造成任何危害；且如前述者，由於害蟲識別模型於該影像中識別之目標為一害蟲之弱點影像，故去除或使其失能所需雷射之能量密度較低，再加上本案主要透過雷射聚集於單一點位之焦點位置F來提升能量密度，故在一實施例中，係可令每一雷射發射元件2所發雷射之功率為0.5W以下，而雷射光點約為2mm以下，並且聚集於單一點位之焦點位置F時之總功率約為2W，並予聚集照射約1至2秒，即可據以去除害蟲或使其失能，亦可於非聚集之雷射光照射至環境或其他生物時，不會造成任何危害，以達致安全性之目的及功效；惟其僅係舉例說明，並不以此作為限定，在其他實施例中，亦可透過將每一雷射發射元件2發射雷射之功率再予降低，使透過多組雷射發射元件2之配置，令其於焦點位置F之總功率達致可使害蟲失能之門檻，以更進一步達致安全性之目標；而由於害蟲之種類所在多有，為可因應害蟲之種類進行雷射功率之調整，故較佳者，係可更進一步於雷射發射元件2配置一控制模塊21，其係連結於該處理單元5及所述雷射發射元件2；該害蟲識別模型係用以於該影像中識別該目標及其對應之種類資訊，該控制模塊21係依據該害蟲識別模型識別該目標之種類資訊，以透過脈波寬度調變（Pulse-width modulation, PWM）調整所述雷射發射元件2之功率強度，並據以控制其所發雷射之時間及間隔，使可更精確且有效地去除害蟲或使其失能。

而為利於因應害蟲或環境位置，使控制移動載具1，並令焦點位置F位可確實位於害蟲之弱點，故較佳者，移動載具1係可於旋轉載台13更進一步配置複數調整裝置22，且所述調整裝置22係耦接於該處理單元5，而所述雷射發射元件2係分別對應設置於所述調整裝置22，藉此，該處理單元5係藉由驅動所述調整裝置22，以分別調整所述雷射發射元件2之角度，進而控制該焦點位置F，且可知悉者，調整裝置22係可配置為馬達，藉以對雷射發射元件2進行照射角度之控制，而焦點位置F係相依於所述雷射發射元件2之角度，藉可如第3圖及第4圖所示者，當雷射發射元件2之角度較小時，則焦點位置F將距離移動載具1較遠，反之，當雷射發射元件2之角度較大時，則焦點位置F將距離移動載具1較近；藉其配置，當害蟲位於作物較深之位置，或環境之作物較多，使移動載具1難以飛行靠近害蟲時，可透過調整裝置22調整雷射發射元件2之角度，進而使雷射所聚集之焦點位置F較遠，以利可確實對較遠位置之害蟲進行去除或使其失能。

另就本案之安全性考量而言，其安全性之部分包含對於移動載具1在飛行狀態之穩定性，以及所發出之雷射對於周遭生物之相關危害；故本發明對於安全性之考量，使於進行害蟲去除作業時，可更進一步透過識別其他生物之影像，以防止其他生物進入移動載具1之飛行區域，或受到雷射照射而產生不利影像，故在一較佳之實施例中，係可將影像擷取裝置3配置為影像擷取裝置，使其可具有，或者不具備可變換焦距之功能，且可進一步設置一攝影裝置（圖未繪示），其係分別配置於該移動載具1，並對應耦接於該處理單元5；該攝影裝置係用以擷取一第二影像，且該分析模組6係更進一步建置有一安全辨識模型，該安全辨識模型係用以辨識至少一安全標的，而安全標的係可為人類、益蟲或其他動物之圖像，且同前所述，該處理單元5係將可該第二影像傳送至該分析模組6，該分析模組6係藉由該安全辨識模型以識別該第二影像中是否具有所述安全標的，並於辨識該第二影像中具有所述安全標的時，該處理單元5係可控制移動載具1遠離，或待命而不予令雷射發射元件2啟動而發射雷射，而在一實施例中，係可透過配置一警示裝置，其係耦接於該處理單元5，且於第二影像中具有所述安全標的時，該處理單元5係令該警示裝置，透過聲音或燈光發出警示，使環境生物可主動迴避，使避免受到雷射之影響，使提升本發明整體之安全性者。

且須特別說明的是，由於攝影裝置係須大範圍的對周遭生物進行搜索，故該攝影裝置較佳者，係可配置為廣角式攝影機，且在一實施例中，亦可更進一步的透過攝影裝置進行廣角大範圍之目標影像搜尋，以利分析模組6可預先的於第二影像透過該害蟲識別模型以於第二影像中識別目標，再透過影像擷取裝置進行害蟲影像之擷取及位置之輔助定位及追蹤鎖定，故影像擷取裝置係可配置為長距式攝影機；此外，透過攝影裝置及影像擷取裝置同步進行影像之擷取，亦可透過演算法（如：雙目測距法）據以獲得目標之空間座標資訊，藉以利於分析模組6可據以界定該控制指令，而於本實施例中，旋轉載台13係對應承載攝影裝置、雷射發射元件2、目標距離感測器4及影像擷取裝置，藉以配合前述對於旋轉載台13之控制，以利影像擷取裝置進行目標之鎖定追蹤；惟其亦僅係舉例說明，並不予限定之。

而可知悉者，該處理單元5之配置，係可耦接於該飛行控制模組11、所述雷射發射元件2、該影像擷取裝置及該飛行狀態感測單元12；是以，該處理單元5係將該影像、該焦點位置F、該距離值及所述飛行狀態參數傳送至該分析模組6，使該分析模組6可進一步準確地透過該害蟲識別模型以於該影像中識別一目標及其對應之位置資訊，並可依據該位置資訊、所述飛行狀態參數、該距離值及該焦點位置F以界定一控制指令，並回傳至該處理單元5，令該處理單元5依據該控制指令以控制該飛行控制模組11將該移動載具1移動至對應於該位置資訊處，以令所述雷射發射元件2所發雷射聚集之焦點位置F對應於該位置資訊之位置者。

進一步而言，在一具體之實施例中，如前述者，所述飛行狀態參數係包含該移動載具1之經度、緯度、高度、俯仰角、偏航角、滾轉角、速度及角速度之至少其一者，故可據以求得影像擷取裝置3之姿態，而分析模組6則係可依據影像中所識別之目標，進行其前置處理、輪廓編碼、去除雜點、膨脹包覆破碎區塊、區塊分離、特徵提取及比對，配合前述影像擷取裝置3之相關內部參數之提取，藉以對影像擷取裝置3之姿態進行補償，藉可界定控制指令使移動載具1飛行至對應於該位置資訊處外，並可更進一步控制驅動裝置14驅動該旋轉載台13，並透過調整裝置22調整雷射發射元件2之角度，進而調整焦點位置F，使焦點位置F可確實地落在害蟲處，以達致前述去除害蟲或使其失能之目的。

綜上所述，本發明所揭露之技術手段確能有效解決習知等問題，並達致預期之目的與功效，且申請前未見諸於刊物、未曾公開使用且具長遠進步性，誠屬專利法所稱之發明無誤，爰依法提出申請，懇祈  鈞上惠予詳審並賜准發明專利，至感德馨。

惟以上所述者，僅為本發明之數種較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1:移動載具 11:飛行控制模組 12:飛行狀態感測單元 13:旋轉載台 14:驅動裝置 2:雷射發射元件 21:控制模塊 22:調整裝置 3:影像擷取裝置 4:目標距離感測器 5:處理單元 51:通訊模組 6:分析模組 7:遠端控制裝置 71:傳輸模組 F:焦點位置

第1圖係本發明之架構示意圖。 第2圖係本發明之立體示意圖。 第3圖係本發明之局部剖視暨焦點位置距較遠時之示意圖。 第4圖係本發明之局部剖視暨焦點位置距較近時之示意圖。 第5圖係本發明之使用狀態示意圖。

1:移動載具 11:飛行控制模組 12:飛行狀態感測單元 14:驅動裝置 2:雷射發射元件 21:控制模塊 22:調整裝置 3:影像擷取裝置 4:目標距離感測器 5:處理單元 51:通訊模組 6:分析模組 7:遠端控制裝置 71:傳輸模組

Claims (8)

1. 一種無人載具之多雷射聚焦安全除蟲系統，其包含：一移動載具，其配置一飛行控制模組、複數雷射發射元件、一影像擷取裝置、一目標距離感測器、一飛行狀態感測單元及一處理單元；該飛行控制模組係用以控制該移動載具之移動，而該飛行狀態感測單元係用以感測該移動載具之至少一飛行狀態參數；所述雷射發射元件係用以分別發射一雷射光，且所述雷射光係對應聚集於一焦點位置；該處理單元係耦接於該飛行控制模組、所述雷射發射元件、該影像擷取裝置及該飛行狀態感測單元；一分析模組，其係連結於該處理單元；且該分析模組係建置有一害蟲識別模型；以及一遠端控制裝置，其係設有一傳輸模組及該分析模組，且該傳輸模組係連結於該分析模組；而該處理單元更設有一通訊模組，該通訊模組係訊號連結於該傳輸模組，以令該處理單元連結並訊號傳輸於該分析模組；藉之，該影像擷取裝置係用以擷取一影像，該目標距離感測器係據以量測該影像擷取裝置所擷取目標影像之一距離值，該處理單元係將該影像、該距離值、該焦點位置及所述飛行狀態參數傳送至該分析模組，該分析模組係透過該害蟲識別模型以於該影像中識別一目標及其對應之位置資訊，並依據該位置資訊、該距離值及所述飛行狀態參數界定一控制指令，並回傳至該處理單元，令該處理單元依據該控制指令以控制該飛行控制模組將該移動載具移動至對應於該位置資訊處，並令所述雷射發射元件之焦點位置位於該位置資訊之位置處者。
2. 如請求項1所述之無人載具之多雷射聚焦安全除蟲系統，更包含一旋轉載台，其係設置於該移動載具，並對應承載所述雷射發射元件、該目標距離感測器及該影像擷取裝置；以及至少一驅動裝置，其係耦接於該處理單元，且對應連結並驅動該旋轉載台，該處理單元係藉由驅動所述驅動裝置，以令該影像擷取裝置追蹤該目標，並令所述雷射發射元件之焦點位置位於該位置資訊之位置處者。
3. 如請求項1所述之無人載具之多雷射聚焦安全除蟲系統，其中，該移動載具更設有複數調整裝置，所述調整裝置係耦接於該處理單元，而所述雷射發射元件係分別對應設置於所述調整裝置；該處理單元係藉由驅動所述調整裝置，以分別調整所述雷射發射元件之角度，進而控制該焦點位置者。
4. 如請求項1至3中任一項所述之無人載具之多雷射聚焦安全除蟲系統，其中，該通訊模組及該傳輸模組間，係透過行動通訊、無線網路、藍芽、LoRaWAN、NBIot或ZigBee進行無線連結者。
5. 如請求項1至3中任一項所述之無人載具之多雷射聚焦安全除蟲系統，其中，該影像擷取裝置為攝影機、熱影像儀或多光譜儀之至少其一者。
6. 如請求項1至3中任一項所述之無人載具之多雷射聚焦安全除蟲系統，其中，該飛行狀態感測單元為慣性感測器、高度計、GPS或RTK GPS定位裝置之至少其一者。
7. 如請求項1至3中任一項所述之無人載具之多雷射聚焦安全除蟲系統，其中，該害蟲識別模型係經深度神經網路(Deep Neural Networks,DNN)、深度置信網路(Deep Belief Networks,DBN)、卷積神經網路(Convolutional Neural Networks,CNN)、區域卷積神經網路(Regions with Convolutional Neural Networks, R-CNN)、快速地區域卷積神經網路(Faster R-CNN)或YOLO(You only look once)演算法，以訓練而得者。
8. 如請求項1至3中任一項所述之無人載具之多雷射聚焦安全除蟲系統，更包含一控制模塊，其係連結於該處理單元及所述雷射發射元件；該害蟲識別模型係用以於該影像中識別該目標及其對應之種類資訊，該控制模塊係依據該害蟲識別模型識別該目標之種類資訊，以透過脈波寬度調變(Pulse-width modulation,PWM)調整所述雷射發射元件之功率強度，並據以控制其所發雷射之時間及間隔者。

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