TWM651388U

TWM651388U - 無人飛行載具自主作業系統

Info

Publication number: TWM651388U
Application number: TW112205681U
Authority: TW
Inventors: 王聖翔; 陳柏宇; 柯立晉; 李育棋
Original assignee: 國立中央大學
Priority date: 2023-06-05
Filing date: 2023-06-05
Publication date: 2024-02-11

Abstract

本創作關於一種無人飛行載具自主作業系統，包含：作業機艙；無人飛行載具運輸模組，其收納於該作業機艙內並包含提供複數無人飛行載具停放的停機平台移動模組、傳送模組及自動引導地面移動載具；以及主控電腦，其配置於該作業機艙內以：基於氣象條件並依照飛行作業規則判斷是否許可該等無人飛行載具執行飛行任務，如果許可該飛行任務，控制該傳送模組將無人飛行載具從該停機平台移動模組轉移至該自動引導地面移動載具，再由該自動引導地面移動載具將該無人飛行載具輸送至起降點。

Description

無人飛行載具自主作業系統

本創作係關於一種無人飛行載具自主作業系統，尤其是一種基於系統整合的無人飛行載具自主作業系統。

近年來由於電子硬體、傳感器和演算能力的快速進步，使得高度依賴電子控制器、傳感器和算法的無人飛行載具(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)，能因此飛得更穩定、更遠、並具備更豐富的自主功能，代替人類前進人類無法到達或高度危險的區域，並有能力執行複雜與困難的飛行任務，成為一種極有力的生產力工具，種種因素都觸發近年來無人機技術的蓬勃發展。

無人飛行載具最早大多由軍方研製發展並用於執行軍事任務，如偵查與攻擊，但現今無人機執行的任務，已廣泛涵蓋攝影、送貨、檢查、測量、田野調查、氣象觀測、科學研究，這些應用需求不但擴張了無人機的應用範圍，也直接驅動了無人機技術的進步，以滿足這些應用需求，許多企業和新創公司，投入大量資金和人力進行無人機技術的研究和開發，促成了許多無人機開源技術，以及對於無人機硬體、控制器和算法等底層技術的加強與開發。

但總體來說，習用這些無人飛行載具技術的研究與開發，多集中在無人機的各種底層單項技術但欠缺系統整合，主要問題在於，系統整合需要整合不同來源的軟硬體、元件以及網路通信技術，本身就是一個高度複雜性且充滿不確定性的大型工程計畫，不但沒有標準化解決方案提供指引，尤其對於無人機系統而言，整合後的系統還必須保證在所有條件下都是安全可靠的，更增加無人機系統整合的困難。但隨著無人機應用的快速商業化，對系統整合的需求只會急遽增加。

職故，有鑑於習用無人機技術缺少系統整合，創作人經過悉心嘗試與研究，並一本鍥而不捨之精神，終構思出本案「無人飛行載具自主作業系統」，克服上述缺點，以下為本創作之簡要說明。

據此，本創作提出一種無人飛行載具自主作業系統，包含：作業機艙，其包含機艙空間與起降口，該起降口連通位於該作業機艙外部的起降點；無人飛行載具運輸模組，其配置於該機艙空間並包含提供複數無人飛行載具停放的停機平台移動模組、傳送模組及自動引導地面移動載具；艙外氣象監測模組，其附加於該作業機艙外部以感應大氣環境之複數氣象條件；以及主控電腦，其配置於該機艙空間內部以：接收該等氣象條件並據此依照飛行作業規則判斷是否許可該等無人飛行載具執行飛行任務；以及如果許可該飛行任務，控制該傳送模組將該等無人飛行載具中之第一無人飛行載具從該停機平台移動模組轉移至該自動引導地面移動載具，再由該自動引導地面移動載具將該第一無人飛行載具轉移至該起降點。

較佳的，所述之無人飛行載具自主作業系統，還包含以下其中之一：該作業機艙，其包含艙壁結構與艙頂結構，該艙壁結構與該艙頂結構包含電磁波高穿透材料；換電模組，其配置於靠近該停機平台移動模組的位置，並包含充電艙以及抽換機構，該抽換機構經配置對準停放在該停機平台移動模組上的該等無人飛行載具的電池座，從該電池座卸載所攜帶的第一電池模組，將該第一電池模組轉移至該充電艙，並從該充電艙取出第二電池模組裝載入該電池座；艙內環境調節模組，其配置於該機艙空間並包含除溼模組、換氣模組以及空氣過濾器，該除溼模組經配置對該機艙空間以執行全時除溼作業，該換氣模組經配置為該機艙空間提供負壓環境，該空氣過濾器經配置以主動過濾進入該機艙空間的空氣；無人飛行載具養護模組，其配置於靠近該停機平台移動模組的位置，並包含空氣壓縮機與空氣噴嘴，該空氣噴嘴向停放在該停機平台移動模組上的該等無人飛行載具輸出空氣噴流，以移除附加在該等無人飛行載具上的液體物質或固體物質；氣簾機構，其配置於靠近該起降口的位置，並在關閉該起降口的艙門開啟時，產生連續氣流以形成覆蓋該起降口的空氣簾幕，以阻絕來自該大氣環境之空氣進入該機艙空間；以及安全監控模組，其附加於該作業機艙之外部並包含至少一監視攝影機以及至少一動作感應器其中之一。

上述創作內容旨在提供本揭示內容的簡化摘要，以使讀者對本揭示內容具備基本的理解，此創作內容並非揭露本創作的完整描述，且用意並非在指出本創作實施例的重要/關鍵元件或界定本創作的範圍。

10:無人飛行載具自主作業系統

70:臨時起降點

80:艙外氣象監測模組

90:作業機艙

91:艙壁

92:艙頂

93:前艙口

94:後艙口

95:起降口

96:艙門

97:立體雨遮

100:地面基站

110:無人飛行載具運輸模組

111:停機平台移動模組

112:停機平台

113:傳送模組

114:雙叉臂

115:自動引導地面移動載具

116:起降平台

117:傾斜面

120:艙內環境調節模組

121:除溼模組

122:換氣模組

123:空氣過濾器

130:換電模組

131:充電艙

132:抽換機構

140:無人飛行載具養護模組

141:空氣壓縮機

142:空氣噴嘴

150:氣簾機構

160:操控台

161:工作檯

162:鍵盤、螢幕和滑鼠

170:地面無線通訊模組

180:地面GNSS模組

190:地面高精度定位模組

210:慣性量測單位

220:微控制器單元

230:電子變速器模組

240:動力模組

250:第一電池模組

260:及微型感測器模組

270:機載無線通訊模組

280:機載GNSS模組

290:機載高精度定位模組

300:主控電腦

400:雲端作業平台

401:艙內環境管理程式元件

402:起降決策程式元件

403:飛行任務規劃程式元件

404:電池管理程式元件

501:艙內運輸體系

502:無人飛行載具體系

503:艙外大氣監測體系

504:艙內環境調節體系

505:換電體系等體系

600:任務區域

601:飛行動線

第1圖揭示本創作包含的無人飛行載具自主作業系統之系統整合架構示意圖；

第2圖揭示本創作包含的作業機艙之結構示意圖；

第3圖揭示本創作包含的作業機艙其機艙空間之硬體設備配置之俯視透視示意圖；

第4圖揭示本創作包含的作業機艙其機艙空間之硬體設備配置之前視透視示意圖；

第5圖揭示本創作包含的作業機艙其機艙空間之硬體設備配置之後視透視示意圖；

第6圖揭示本創作雲端作業平台包含的程式元件架構示意圖；

第7圖揭示本創作無人飛行載具自主作業系統包含的控制體系之體系架構方塊圖；以及

第8圖揭示本創作無人飛行載具自主作業系統包含的多個地面基站之聯合部署示意圖。

本創作將可由以下的實施例說明而得到充分瞭解，使得熟習本技藝之人士可以據以完成之，然本創作之實施並非可由下列實施案例而被限制其實施型態；本創作之圖式並不包含對大小、尺寸與比例尺的限定，本創作實際實施時其大小、尺寸與比例尺並非可經由本創作之圖式而被限制。

本文中用語“較佳”是非排他性的，應理解成“較佳為但不限於”，任何說明書或請求項中所描述或者記載的任何步驟可按任何順序執行，而不限於請求項中所述的順序，本創作的範圍應僅由所附請求項及其均等方案確定，不應由實施方式示例的實施例確定；本文中用語“包含”及其變化出現在說明書和請求項中時，是一個開放式的用語，不具有限制性含義，並不排除其他特徵或步驟。

第1圖揭示本創作包含的無人飛行載具自主作業系統之系統整合架構示意圖；本創作提出之無人飛行載具自主作業系統10係整合多架無人飛行載具200、地面基站100、作業機艙90、設置在作業機艙90內部的多種地面設備、雲端作業平台與相關程式元件等，無人飛行載具200搭載高階飛行控制器及通訊設備。

無人飛行載具200以飛行控制器作為控制核心，飛行控制器包含由陀螺儀、加速度計與磁力計組成用來偵測無人機的飛行姿態的慣性量測單位(IMU)210、根據飛行姿態即時修正飛行角度且控制機體水平的高算力微控制器單元(MCU)220、使無人飛行載具能即時獲取座標資訊即時動態載波相位差分(RTK)技術的機載高精度定位模組290以及機載全球衛星導航系統(GNSS)模組280，RTK技術能將定位精準度提升到公分級別。

機載GNSS模組280係用於接收第二GNSS衛星訊號，機載高精度定位模組290係用於接收第一GNSS衛星訊號以及第二GNSS衛星訊號，並執行RTK技術以基於第一GNSS衛星訊號以及第二GNSS衛星訊號解算機載高精度定位模組290在地球大氣層三維空間中的即時位置座標，而確定無人飛行載具200的即時位置。決定無人飛行載具200飛行距離的機載無線通訊模組270，則應用低功耗的高頻LoRa無線通訊模組，以獲得超過10km的長距通訊距離能力。

每一架無人飛行載具200包含電子變速器模組230、動力模組240、第一電池模組250以及微型感測器模組260，微型感測器模組260包含但不限於：氣壓感測器、濕度感測器、溫度感測器、風向感測器、風速感測器、降水量感測器、PM2.5感測器、細懸浮微粒濃度感測器、粗懸浮微粒濃度感測器、二氧化硫濃度感測器、二氧化碳濃度感測器、臭氧(O₃)濃度感測器、一氧化碳濃度感測器、光照度感測器、揮發性有機化合物(VOC)濃度感測器以及二氧化氮濃度感測器，這些感測器依照預設之採樣頻率，例如但不限於每秒1次，對周圍環境進行密集感測。

地面基站100與地面設備包含作業機艙90與艙外氣象監測模組80，作業機艙90內部的機艙空間用於收納無人飛行載具200與各種電控硬體設備，並配置有包含但不限於多架無人飛行載具200、主控電腦300、無人飛行載具運輸模組110、艙內環境調節模組120、換電模組130、無人飛行載具養護模組140、氣簾機構150、操控台(console)160、地面無線通訊模組170、地面GNSS模組180以及地面高精度定位模組190等硬體設備。

地面基站100的主控電腦300透過內建的整合式雲端作業平台，除了執行基本的自動導航、航線規劃、常態自主飛行任務排程與緊急狀況避險處置等功能外，還能即時監控無人飛行載具與電池狀態並針其任務航程智能化分配合適的電池，延長電池使用壽命，而無人飛行載具飛行執行介面、各種監測資訊、即時回傳影像或當前座標、高度與姿態等資訊，其他如氣象資料也都會展示在顯示螢幕上。

第2圖揭示本創作包含的作業機艙之結構示意圖；無人飛行載具自主作業系統10包含之作業機艙90採用常閉(normally closed)式艙體設計，艙體的主體框架為鋁材，艙壁91與艙頂92採用玻璃纖維隔板或者PVC板材夾設隔熱棉形成複合材料艙壁，再以例如但不限於矽氧樹脂填縫，在賦予作業機艙90防雨、防水、防潮濕、防塵、絕熱與耐候效果的同時，還具備高電磁波穿透性，不形成電磁波屏蔽效應，允許各種無線射頻訊號包含GPS衛星訊號、GNSS衛星訊號、無線射頻訊號以及甚至地磁訊號直接穿透進入機艙空間，增加各類無線射頻訊號的增益強度，以及為羅盤系統增加地磁訊號強度，還能提升通訊鏈路(communication link)與資料鏈路(data link)品質，在不架設艙外天線的情況下，就可為高度依賴無線射頻通訊的無人飛行載具系統建立良好的無線通訊環境。

作業機艙90在艙壁91上開設有前艙口93、後艙口94與起降口95，起降口95上方設置一道艙門96，以開啟或關閉起降口95，艙門96較佳是例如但不限於電動艙門，起降口95連通位於作業機艙90外部的一個臨時起降點70。在本實施例，起降口95係開設在作業機艙90側面的艙壁91上，且起降口95處還設置一個立體雨遮97，當無人飛行載具200在雨天起降時，即使艙門96在開啟狀態，雨水也不會從起降口95進入機艙空間，使得作業機艙90具備防雨的功效。

作業機艙90在艙頂92附加有一組艙外氣象監測模組80，艙外氣象監測模組80較佳是一個小型氣象塔，內建包含例如但不限於：氣壓感測器以偵測氣壓、濕度感測器以偵測濕度、溫度感測器以偵測溫度、風向感測器以偵測風向、風速感測器以偵測風速或者降水量感測器以偵測降水量，艙外氣象監測模組80主要用於感測作業機艙90外部的大氣環境的氣象條件，並將感測到的氣象條件經由主控電腦300回報給雲端作業平台內的起降決策程式元件。

較佳的，作業機艙90還具備以下特徵：(1)外型尺寸：2212mm×2132mm×1255mm(長寬高)；(2)運行環境溫度：-35℃~50℃；(3)防水等級：IP55；(4)最大允許降落風速：10m/s。

第3圖到第5圖揭示本創作包含的作業機艙其機艙空間之硬體設備配置之示意圖；第3圖揭示本創作包含的作業機艙其機艙空間之硬體設備配置之俯視透視示意圖；第4圖揭示本創作包含的作業機艙其機艙空間之硬體設備配置之前視透視示意圖；第5圖揭示本創作包含的作業機艙其機艙空間之硬體設備配置之後視透視示意圖；作業機艙90的機艙空間用於收納與配置包含但不限於主控電腦300、多架無人飛行載具200、無人飛行載具運輸模組110、艙內環境調節模組120、換電模組130、無人飛行載具養護模組140、氣簾機構150、操控台160、地面無線通訊模組170、地面GNSS模組180以及地面高精度定位模組190等硬體設備。

在本實施例，無人飛行載具運輸模組110包含停機平台移動模組111、傳送模組113及自動引導地面移動載具115，停機平台移動模組111包含多層停機平台112，每一層停機平台112可供停放如單一架無人飛行載具200，停機平台移動模組111較佳還配置有例如但不限於：電機以及包含X軸、Y軸或者Z軸滑軌的移動機構，可以驅動停機平台112沿水平方向進行前後移動，或者在垂直方向進行上下移動。

傳送模組113較佳包含一組雙叉臂114，並配置有例如但不限於電機與包含X軸、Y軸或者Z軸滑軌的移動機構，可以驅動雙叉臂114在水平方向前後移動，或者沿垂直方向上下移動，自動引導地面移動載具115較佳是一台AGV全地形運送車。

在無人飛行載具200未飛行任務執行期間，停機平台112返回並停留在整備位置上，無人飛行載具200停放在停機平台112上而在整備位置上進行各種整備作業，包含但不限於電池更換作業、充電作業與養護作業等等。

當無人飛行載具200需要執行飛行任務而進入起飛準備作業時，主控電腦300指揮無人飛行載具運輸模組110開始執行載具轉移作業，控制停機平台移動模組111驅動停機平台112進行水平移動，將無人飛行載具200從整備位置轉移到第一轉接點，與傳送模組113進行對接。

當主控電腦300確認無人飛行載具200到達第一轉接點後，主控電腦300指揮傳送模組113進行水平移動，以雙叉臂114接住無人飛行載具200，然後控制停機平台112退回整備位置，由雙叉臂114運送無人飛行載具200向下移動，將無人飛行載具200轉移到第二轉接點，與自動引導地面移動載具115進行對接，將無人飛行載具200放置到自動引導地面移動載具115的起降平台116上。

主控電腦300確認自動引導地面移動載具115成功接收無人飛行載具200之後，主控電腦300以遙控的方式，指揮自動無人飛行載具200移動到臨時起降點70，而將無人飛行載具200運送到作業機艙90外部的臨時起降點70，並指揮無人飛行載具200在起降平台116上就飛行定。臨時起降點70不是固定位置，臨時起降點70係由使用者給定，每次飛行任務可以給定不同的臨時起降點70。

接著，主控電腦300指揮無人飛行載具200進行飛行準備與執行起飛作業，在起飛作業執行期間，無人飛行載具200從自動引導地面移動載具115起降平台116上升空，在起飛作業完成後，主控電腦300指揮自動引導地面移動載具115返回位於作業機艙90內部的第二轉接點。

當無人飛行載具200完成飛行任務或者需要返航時，在降落準備作業開始後，主控電腦300遙控指揮自動引導地面移動載具115從第二轉接點移動到臨時起降點70，等待無人飛行載具200返航執行降落作業，在降落作業執行期間，主控電腦300指揮無人飛行載具200降落在起降平台116，待無人飛行載具200完成降落作業後，主控電腦300指揮自動引導地面移動載具115將無人飛行載具200運送到第二轉接點。

設置自動引導地面移動載具115上提供無人飛行載具200起降的起降平台116，較佳是一個在邊緣處具有傾斜結構的淺錐型圓形碟盤(shallow taper dish)，但起降平台116的幾何形狀並不限於圓形碟盤，起降平台116在邊緣處的傾斜面117具有簡易校正無人飛行載具200在降落作業過程偏離臨時起降點70的功效，當無人飛行載具200在降落作業過程遇到例如但不限於側風，而偏離起降平台116中心點時，這時，淺錐型邊緣上的傾斜面117，可以發揮阻擋無人飛行載具200的起落架的功效，強制起落架沿著傾斜面117滑入起降平台116，引導無人飛行載具200克服偏移順利降落。

無人飛行載具200與自動引導地面移動載具115之間的對位，可以應用例如但不限於：雷射對齊技術、影像識別對齊技術、對位標誌識別對齊技術或者GPS定位技術等。

接著，再由主控電腦300指揮傳送模組113將無人飛行載具200從第二轉接點運送到第一轉接點，放回停機平台112上，主控電腦300再指揮停機平台移動模組111驅動停機平台112，將無人飛行載具200從第一轉接點運回整備位置，讓無人飛行載具200在整備位置上進行整備作業。

由於地面基站100需要部署在不同環境條件的各種戶外場域，涵蓋例如但不限於市區、郊外、山區、平地、河邊或者海邊等場域，這些場域的溫度、濕度、氣壓或者風速等各有不同，因此作業機艙90內部需要配置至少一組的艙內環境調節模組120，全時調控機艙空間內部環境，以應對外部環境條件的變化，以及不同戶外場域的部署與任務執行。

在本實施例，艙內環境調節模組120較佳包含除溼模組121、換氣模組122以及空氣過濾器123，除溼模組121較佳是一組吊頂式除濕機，設置在機艙空間的頂部，並執行全時除溼作業，使機艙空間全時保持乾燥，以利於系統穩定及電池存放；換氣模組122較佳是一部負壓換氣扇，用於將機艙空間內的空氣排出至外部大氣環境；空氣過濾器123較佳是例如但不限於一台PM2.5空氣清淨機，可在大氣環境空氣進入機艙空間時，主動濾除外部空氣攜帶的懸浮微粒、灰塵與粗細顆粒，使機艙空間保持乾淨。

本創作透過艙內環境調節模組120的運作，使機艙空間具備防水、防潮濕、防塵的三防功效，並可調節機艙空間的溫度，使機艙空間內部與外部大氣環境，兩者間的溫差保持在適當的程度，以便無人飛行載具200及其內部機組零件與電子器件適應艙外溫度，避免無人飛行載具200本體及其內部電子器件與外部大氣環境兩者間溫差過大導致故障，不利無人飛行載具200執行飛行任務。

在本實施例，換電模組130包含充電艙131以及抽換機構132，抽換機構132的位置較佳是安排在停機平台移動模組111附近，抽換機構132 較佳包含蝸桿機構或夾具，在主控電腦300的控制與指揮下，可以移動並對準位在整備位置上的無人飛行載具200機腹處的電池座，從無人飛行載具200電池座卸載所攜帶的第一電池模組250，並將卸載的第一電池模組250轉移回充電艙131中進行充電，然後在無人飛行載具200準備執行飛行任務之前，從充電艙132取出第二電池模組，裝載入無人飛行載具200的電池座。

本創作所採用的換電機制，相對於充電機制為最高效率的解決方案，在某實施例，抽換機構132較佳是高精度機械手臂，可以快速且精確的對準無人飛行載具200的電池座，將第一電池模組250從無人飛行載具200上取下，置入充電艙131中充電，再從充電艙131取出滿電的第二電池模組裝到無人飛行載具200上，整套換電流程在幾分鐘內就能完成，無人飛行載具200可以在很短的時間內再次執行飛行任務，不需等待充電。

在某實施例，抽換機構132採用的高精度機械手臂，係經過輕量化與小型化設計，能以最佳的運動路徑、運動時間完成電池的更換，內建的智慧演算法可自動避免重複抓取，從而避免抓取失敗時對無人機造成破壞。

在本實施例，無人飛行載具養護模組140較佳包含空氣壓縮機141與空氣噴嘴142，空氣噴嘴142的位置較佳是安排在停機平台移動模組111附近，空氣噴嘴142較佳是一個由例如但不限於機械手臂驅動的移動式噴嘴，在主控電腦300的控制下依照編程軌跡進行移動，空氣噴嘴142收接空氣壓縮機141輸出的加壓空氣，並噴向位在整備位置上的無人飛行載具200，以吹落機身上沾黏的雨水、水滴和灰塵以及其他雜質，為無人飛行載具200除水除塵，並提供清潔、降溫、保持乾燥等功效，且在雨天時，空氣噴嘴142 能夠特別對準無人飛行載具200上的重要電子器件，包含但不限於飛行控制器、MCU、IMU、主機板與電機等等，快速吹乾這些重要電子器件，避免這些重要電子器件發生故障，影響無人飛行載具200的飛行。

在某實施例，無人飛行載具養護模組140較佳也可以是一組風扇機組，對準位在整備位置上的無人飛行載具200吹送氣流，以便為無人飛行載具200提供清潔、降溫、保持乾燥等功效。

在本實施例，氣簾機構150較佳是一組橫流式風機，其配置於起降口95上方，並在艙門96開啟時，向下吹送連續氣流，以形成覆蓋起降口95的一道空氣簾幕，阻絕外部大氣環境之空氣進入機艙空間。

在本實施例，操控台160與主控電腦300是設置在作業機艙90的後側，並靠近後艙口94，操控台160係集合主控電腦300的輸出入設備及人機介面，包含但不限於鍵盤、螢幕和滑鼠(KVM)162，集中提供給使用者操作。操控台160包含至少一個工作檯161以放置主控電腦300的鍵盤、螢幕和滑鼠162，使用者透過操控台160即可集中操作鍵盤、螢幕和滑鼠162而操作主控電腦300，包含但不限於設定主控電腦300、向主控電腦300輸入指令等，並透過操控台160接收主控電腦300輸出的資訊。

作業機艙90內部的機艙空間，還配置有地面無線通訊模組170，以便與無人飛行載具200上的機載無線通訊模組270建立雙向通訊，地面無線通訊模組170較佳是採用低功耗長距通訊協定，例如但不限於LoRa通訊協定或者Sub-1G通訊協定。作業機艙90內部的機艙空間，還配置有地面GNSS模組180，例如但不限於GNSS模組，以便接收GNSS衛星定位訊號。作業機艙90內部的機艙空間，還配置有地面高精度定位模組190，例如但不限於RTK模組，以接收GNSS衛星定位訊號並發送至給無人飛行載具200上的機載高精度定位模組。由於作業機艙90具備的高電磁波通透性，因此不需要額外為這些無線射頻通訊模組架設艙外天線。

作業機艙90外部還設有安全監控模組，包含例如但不限於多部監視攝影機以及多顆動作感應器(motion sensor)，其透過附加於艙壁91而設置於作業機艙90之外部，以保護作業機艙90內部的貴重設備。

第6圖揭示本創作雲端作業平台包含的程式元件架構示意圖；雲端作業平台400係應用PaaS技術建置，雲端作業平台400的後端應用程式設置於遠端的雲端伺服器上，並以網頁瀏覽器(browser)作為前端應用程式，使用者只需經由操作操控台160的鍵盤、螢幕和滑鼠162，存取並操作在主控電腦300上執行的網頁瀏覽器，即可存取雲端伺服器上的後端應用程式，後端應用程式包含處理器可執行的多個程式元件，這些程式元件包含但不限於：艙內環境管理程式元件401、起降決策程式元件402、飛行任務規劃程式元件403以及電池管理程式元件404等。

起降決策程式元件402經過執行後，將接收艙外氣象監測模組80感測到的氣象條件，包含但不限於氣壓、濕度、溫度、風向、風速以及降水量等參數，然後這些氣象條件代入預設的飛行作業規則，以便判斷目前的大氣環境是否適合無人飛行載具200升空飛行以執行該飛行任務。

舉例來說，飛行作業規則較佳是，當風速、降水量、濃霧等氣象條件超過某門檻值時，暫停飛行任務，待氣象條件低於門檻值時才重新恢復飛行任務之執行。飛行作業規則禁止無人飛行載具200在大氣環境處於例如大雨、大風、結霜、濃霧等狀態下執行飛行任務。

飛行任務規劃程式元件403會在起降決策程式元件402許可無人飛行載具200執行飛行任務後，由主控電腦300向無人飛行載具運輸模組110發出控制訊號，指揮無人飛行載具運輸模組110執行載具轉移作業，將無人飛行載具200從整備位置移動到臨時起降點70。

在本實施例，主控電腦300將透過起降決策程式元件402與飛行任務規劃程式元件403之執行，基於飛行作業規則安排多架無人飛行載具200執行飛行任務；舉例來說，主控電腦300較佳安排例如但不限於2架的無人飛行載具200，每間隔1小時的時距，連續循環執行大氣邊界層垂直觀測任務，飛行高度為3公里的垂直升降，微型感測器的採樣頻率設定為每秒一次，依照飛行作業規則，設定當風速、降水量、濃霧等氣象條件超過門檻值時，暫停大氣邊界層垂直觀測任務，待氣象條件低於門檻值時才重新恢復任務執行，如果遇到例如大雨、大風、結霜、濃霧等狀態，則暫停大氣邊界層垂直觀測任務之執行，待氣象條件低於門檻值時重新恢復任務執行。

電池管理程式元件404經過執行後，將執行特殊的智慧電池管理演算法，以偵測與診斷置於該充電艙之複數電池模組的電池性能、電池容量、工作電壓以及老化程度是否符合工作標準，並自動標記與停用不符合工作標準的電池模組，並平均分配與調整每一顆電池模組之使用頻率。

即使無人飛行載具在飛行過程全程都有安全返航模式的保護，可確保無人飛行載具在電壓衰退前有足夠電力返航，但即使無人飛行載具已經進入安全返航模式，仍須面對諸多不確定的氣象風險因素，例如突發性側風、強風或下沉氣流等，因此無人飛行載具的實際電耗往往比預期電耗更高，每一組電池模組都必須具備足夠的冗餘容量(redundancy)，才能保證每一次飛行任務的順利完成，因此電池管理程式元件404，將特別偵測與確定每一個電池模組的電壓衰退程度，一旦發現某電池模組已經老化到無法提供足夠冗餘容量，就會立刻示警替換。

第7圖揭示本創作無人飛行載具自主作業系統包含的控制體系之體系架構方塊圖；本創作無人飛行載具自主作業系統10還涵蓋至少五種主要的控制體系，這些控制體系為例如但不限於：艙內運輸體系501、無人飛行載具體系502、艙外大氣監測體系503、艙內環境調節體系504以及換電體系等體系505。無人飛行載具自主作業系統10是以在主控電腦300上執行的雲端作業平台400做為控制中心，透過無線通訊傳輸或者有線通訊傳輸的方式，控制並指揮艙內運輸體系501、無人飛行載具體系502、艙外大氣監測體系503、艙內環境調節體系504以及換電體系等體系505。

第8圖揭示本創作無人飛行載具自主作業系統包含的多個地面基站之聯合部署示意圖；在本實施例，無人飛行載具自主作業系統10較佳包含多個地面基站100，以聯合部署在任務區域600內，較佳的，地面基站100可以採取規則的網格(grid)形式、方形網格形式、矩形網格形式、不規則形式或者隨機分布形式，聯合部署到任務區域600，多個地面基站100彼此間進行橫向聯繫與協調，共同執行某項特定任務，例如但不限於部署在某大城市內聯合執行空氣品質觀測任務或者車流量監測任務等等。而每一個地面基站100派出的每一架無人飛行載具200，都可以有自己的飛行動線601，例如但不限於定點垂直升降、棋盤式移動、線性移動、幾何形式移動或者按編程軌跡移動等等。

在所有的地面基站100部署完成後，且使用者完成所有設定之後，在主控電腦300的控制下，整套無人飛行載具自主作業系統10，包含核心的所有地面基站100及其內部電控設備與所有無人飛行載具200，可以在沒有人工介入操作的情況下，獨立自主運作，循環派出無人飛行載具200執行飛行任務，直到飛行計畫執行完畢為止。

本創作包含的雲端作業平台400至少整合以下功能：(1)控制平台各種機械結構運動，例如機械手臂移動、機艙平台升降、機艙開關門或內部無人載具運輸等，以及監測機艙內部狀況。(2)與無人載具進行實時雙向溝通，透過其使用介面讓用戶編寫軌跡、控制和管理自動排程飛行任務，同時提供各種即時飛行數據供用戶監控無人載具狀況。(3)電池智能充電、監測電池健康狀態、評估電池使用壽命以及依照其任務合理安排電池使用順序，並提供相關數據。(4)即時監測周圍環境天氣狀況，評估無人載具起飛與降落之風險，例如當環境風速或雨量達到危害飛行任務正常運行之條件時，便自動延遲或取消飛行任務，並同步發送相關通知。

本創作提出的無人飛行載具自主作業系統10至少對以下系統進行系統整合：(1)電源管理系統：電源管理系統主要具備電池平衡充電、過充保護、電池狀態監測與合理分配電池的排程等功能。(2)換電系統：換電系統主要控制夾具與滑軌等高精度機械運動，以確保電池在進行更換時，夾具的運動路徑不會有任何誤差。(3)監測系統：監測系統主要監測作業機艙內部狀況，包含溫度及濕度變化，並驅動冷氣或風扇等裝置，使機艙內部達到恆溫與乾燥，同時也蒐集一體式氣象監測儀所觀測之周圍的天氣狀況。(4)無人載具任務規劃系統：任務規劃系統主要包括無人載具的航線規劃、常態自主飛行排程與緊急狀況處置及依照監測系統的天氣資訊去評估與調整飛行任務，例如當環境風超過幾級時，系統便延遲或取消飛行任務。(5)後端資料處理系統：後端資料處理系統主要將微型感測器之資料經過QAQC後，生成天氣研判所需相關氣象參數，並回傳至雲端伺服器或氣象局指定位址。

本創作提出的無人飛行載具自主作業系統10還具備以下特徵：(1)具備公分級別定位與識別系統之無人飛行載具；(2)具備充電或更換電池等機械結構；(3)具備無人機載具進行自動更換電池功能；(4)具備飛行任務自動排程與規劃系統；(5)具備電池狀態監測與管理系統，提供電池的即時狀態；(6)具備天氣監測系統，蒐集平台周圍氣象資訊，輔助起飛條件判斷；(7)具備機艙內部恆溫及乾燥等功能；(8)具備防風、防雨、耐高低溫等功能；(9)具備無人機起落降平台與開合收納的艙門；(10)支援全天候作業，雨天也能供無人機執行飛行任務。

本創作以上各實施例彼此之間可以任意組合或者替換，從而衍生更多之實施態樣，但皆不脫本創作所欲保護之範圍，茲進一步提供更多本創作實施例如次：

實施例1：一種無人飛行載具自主作業系統，包含：作業機艙，其包含機艙空間與起降口，該起降口連通位於該作業機艙外部的起降點；無人飛行載具運輸模組，其配置於該機艙空間並包含提供複數無人飛行載具停放的停機平台移動模組、傳送模組及自動引導地面移動載具；艙外氣象監測模組，其附加於該作業機艙外部以感應大氣環境之複數氣象條件；以及主控電腦，其配置於該機艙空間內部以：接收該等氣象條件並據此依照飛行作業規則判斷是否許可該等無人飛行載具執行飛行任務；以及如果許可該飛行任務，控制該傳送模組將該等無人飛行載具中之第一無人飛行載具從該停機平台移動模組轉移至該自動引導地面移動載具，再由該自動引導地面移動載具將該第一無人飛行載具轉移至該起降點。

實施例2：如實施例1所述之無人飛行載具自主作業系統，還包含以下其中之一：該作業機艙，其包含艙壁結構與艙頂結構，該艙壁結構與該艙頂結構包含電磁波高穿透材料；換電模組，其配置於靠近該停機平台移動模組的位置，並包含充電艙以及抽換機構，該抽換機構經配置對準停放在該停機平台移動模組上的該等無人飛行載具的電池座，從該電池座卸載所攜帶的第一電池模組，將該第一電池模組轉移至該充電艙，並從該充電艙取出第二電池模組裝載入該電池座；艙內環境調節模組，其配置於該機艙空間並包含除溼模組、換氣模組以及空氣過濾器，該除溼模組經配置對該機艙空間以執行全時除溼作業，該換氣模組經配置為該機艙空間提供負壓環境，該空氣過濾器經配置以主動過濾進入該機艙空間的空氣；無人飛行載具養護模組，其配置於靠近該停機平台移動模組的位置，並包含空氣壓縮機與空氣噴嘴，該空氣噴嘴向停放在該停機平台移動模組上的該等無人飛行載具輸出空氣噴流，以移除附加在該等無人飛行載具上的液體物質或固體物質；氣簾機構，其配置於靠近該起降口的位置，並在關閉該起降口的艙門開啟時，產生連續氣流以形成覆蓋該起降口的空氣簾幕，以阻絕來自該大氣環境之空氣進入該機艙空間；以及安全監控模組，其附加於該作業機艙之外部並包含至少一監視攝影機以及至少一動作感應器其中之一。

實施例3：如實施例1所述之無人飛行載具自主作業系統，還包含以下其中之一：地面無線通訊模組，其執行低功耗長距通訊協定以便與該等無人飛行載具包含的機載無線通訊模組建立雙向通訊；地面全球衛星導航系統模組，其接收第一GNSS衛星訊號；以及地面高精度定位模組，其接收該第一GNSS衛星訊號並發送至該等無人飛行載具包含的機載高精度定位模組。

實施例4：如實施例3所述之無人飛行載具自主作業系統，其中每一該等無人飛行載具還包含以下其中之一：該機載無線通訊模組，其執行該低功耗長距通訊協定以便與該地面無線通訊模組建立該雙向通訊；機載全球衛星導航系統模組，其接收第二GNSS衛星訊號；該機載高精度定位模組，其接收該第一GNSS衛星訊號以及該第二GNSS衛星訊號，並執行即時動態差分定位技術以基於該第一GNSS衛星訊號以及該第二GNSS衛星訊號解算該機載高精度定位模組在三維空間中的即時位置座標；以及飛行控制器模組、姿態感應模組、微型感測器模組以及該第一電池模組其中之一。

實施例5：如實施例2或3所述之無人飛行載具自主作業系統，還包含以下其中之一：該主控電腦，其經配置以通訊連接該無人飛行載具、該無人飛行載具運輸模組、該艙外氣象監測模組、該艙內環境調節模組、該換電模組、該無人飛行載具養護模組、該氣簾機構、該地面無線通訊模組、該地面全球衛星導航系統模組、該地面高精度定位模組以及該安全監控模組其中之一；以及操控台，其包含該主控電腦之人機介面，以提供使用者透過該人機介面操作該主控電腦。

實施例6：如實施例1所述之無人飛行載具自主作業系統，其中該主控電腦可執行網路瀏覽器，以提供使用者透過操作該網路瀏覽器存取並使用雲端作業平台，該雲端作業平台經配置以執行：起降決策程式元件以接收該等氣象條件並據此依照該飛行作業規則判斷是否許可該等無人飛行載具執行該飛行任務；飛行任務規劃程式元件以便在該飛行任務被許可時，控制該傳送模組將該第一無人飛行載具從該停機平台移動模組轉移至該自動引導地面移動載具，再由該自動引導地面移動載具將該第一無人飛行載具轉移至該起降點；以及電池管理程式元件以執行智慧電池管理演算法，以檢測置於該充電艙之複數電池模組的電池性能、電池容量以及老化程度是否符合工作標準，並自動標記與停用不符合該工作標準的電池模組，以及平均分配與調整每一該等電池模組之使用頻率。

實施例7：如實施例4所述之無人飛行載具自主作業系統，其中該微型感測器模組係包含氣壓感測器、濕度感測器、溫度感測器、風向感測器、風速感測器、降水量感測器、PM2.5感測器、細懸浮微粒濃度感測器、粗懸浮微粒濃度感測器、二氧化硫濃度感測器、二氧化碳濃度感測器、臭氧濃度感測器、一氧化碳濃度感測器、光照度感測器、揮發性有機化合物濃度感測器以及二氧化氮濃度感測器其中之一，並依照設定之採樣頻率進行感測。

實施例8：如實施例1所述之無人飛行載具自主作業系統，其中該艙外氣象監測模組還包含以下其中之一：氣壓感測器以偵測氣壓；濕度感測器以偵測濕度；溫度感測器以偵測溫度；風向感測器以偵測風向；風速感測器以偵測風速；以及降水量感測器以偵測降水量。

實施例9：如實施例1所述之無人飛行載具自主作業系統，其中該氣象條件包含氣壓、濕度、溫度、風向、風速以及降水量其中之一。

實施例10：如實施例1所述之無人飛行載具自主作業系統，其中該無人飛行載具運輸模組、該停機平台移動模組以及該傳送模組分別包含X軸滑軌、Y軸滑軌以及Z軸滑軌其中之一。

本創作各實施例彼此之間可以任意組合或者替換，從而衍生更多之實施態樣，但皆不脫本創作所欲保護之範圍，本創作保護範圍之界定，悉以本創作申請專利範圍所記載者為準。