一、無人機巡檢簡介
無人機應用的特色在於不受地理條件限制，巡檢速度快，單次飛行覆蓋範圍廣，大幅提高作業效率，且能進行多角度巡檢，既能覆蓋全局，也能捕捉局部細節。近年各國應用案例多見於「基礎設施巡檢」與「限制區域巡檢」等領域。以電力網路巡檢為例，覆蓋空間跨度大，山區等地區交通不便，因此電網線路巡檢需要耗費大量人力與時間，且巡檢人員在地面巡視角度受限，巡檢過程可能出現疏忽，隨著無人機技術的落地，這些缺點已逐漸大幅改善。以下說明利用無人機進行巡檢作業的優點：
- 提高巡檢安全性：藉由無人機，巡檢人員可在地面完成相同的任務，巡檢人員不必攀爬高處或是進入危險區域。
- 降低巡檢成本：人工巡檢含有人員受傷津貼、教育培訓等隱性成本，透過無人機巡檢可以降低相關費用。
- 提升巡檢效率：無人機巡檢可縮短前置作業、執行時間，且可以更快的發現問題，在問題惡化前有更多時間處理。
- 提高巡檢精確度：無人機配有紅外線相機、光達與雷達等感測器，可以獲得更加精確的資料，以降低肉眼觀察的疏漏機率。
- 數位化巡檢資料：純統巡檢資料多以紙本或是相片等方式保存，但這些資料難以進一步被搜索或分析，無人機所蒐集之資料多以數位形式保存，易於進一步分析利用。
二、巡檢常見感測器
巡檢無人機的出現，改變人工巡檢的流程，使檢查員能夠加速收集檢查數據的速度，同時降低在危險環境中作業的風險。無人機只是代替巡檢員的眼睛，故需配備多樣化的特殊感測器，使其能夠執行各式類型的檢查。目前市面上常見的巡檢無人機配置科技列舉如下表1。
表1 巡檢常見感測器簡介
資料來源：本研究整理。
三、巡檢無人機的類型、研發趨勢與產業發展特色
市面上目前常見的巡檢無人機主要應用在風機巡檢、電力巡檢、橋樑巡檢和限制區域巡檢這四種巡檢應用類型，也是國際上各大廠與研發計畫相繼開發研究的主要領域。風機巡檢無人機主要需要具備續航力佳、滯空時間長、乘載力高，以及抗風能力強的特性。因應巡檢要求，可能會派出多架無人機共同作業，若有一架無人機改變軌道，其鄰近的機台需要自動調整，進而影響整個飛行群組，因此風機巡檢無人機也需要具備群飛、自動飛行、校準風力等功能。無人機應用於風機巡檢最大的優點在於，能夠在風機運轉的過程中執行巡檢作業，避免停機的能源與收入損失，同時也具備良好的機動性，如感測器能根據不同巡檢場合更換，達到良好的適配效果、精確與快速地搜集資料，提供高解析度的照片以利檢查肉眼無法觀察到的部分。以印度Equinox的無人機為例，配備專門為風力渦輪機和葉片檢查設計和校準的熱感測器、紅外線感測器，可快速收集數據，可檢測深度達15公分，並搭配使用機器學習等先進軟體分析可能的結構問題，以維持風電場域的完整性、延長渦輪機的使用壽命並在正確的時間採取必要的維護措施。
資料來源：Equinox網站。
圖1 印度Equinox無人機風機巡檢示意
橋樑的長度、高度、寬度等會影響巡檢所用的設備規格，一般而言，橋樑巡檢無人機在硬體上主要需要續航力佳、滯空時間長，以因應不同場域或是既長且高的橋樑結構。另有可能需要從遠方距離操控無人機，因此需要遠程控制程式以操控無人機。除需要配備除高倍率的相機、熱像儀等感測器，以及探照燈外，無人機的頂部也需要額外裝設一顆鏡頭，以便收集橋樑底部的相關資訊。在軟體上採用合適的工具來處理圖片數據，進而透過3D建模標記橋樑的問題點，以利規劃後續維修作業。以美國農業部委託橋樑巡檢計畫為例，透過使用高解析度相機與PhotoScan影像處理軟體結合，利用3D建模重建，多角度辨識問題點；搭配強大的GPS訊號來校準航道，同時維持飛行的穩定性；另外，無人機頂部相機鏡頭向上傾斜30度，可拍攝到更加清楚的橋面底部畫面，增加巡檢的精確度與完整性。
資料來源：Junwon S., Luis D. and Jim W. (2018). Drone-Enabled Bridge Inspection Methodology and Application. Automation in Construction. Automation in Construction, 94, P.112-126.
圖2 高畫質相機與PhotoScan多角度重建還原以辨識橋樑損壞情況
電力巡檢無人機需要具備防水、防塵、防風雨，甚至是自動返航的功能，以便在山區或森林等地區巡檢時應付多變的環境和天氣；另外也需配備高畫質相機、熱紅外線感測、GPS系統等設備，用於數據收集與航向定位。軟體上搭配相應的演算法、繪圖軟體等，快速將數據轉化為所需的可讀化資料。無人機技術有多種系統可以協同工作，如各項感測器、人工智慧和雲端，以提高實用性。以日本2021年電力線巡檢計畫（Tracking Control of Unmanned Aerial Vehicle for Power Line Inspection）為例，硬體上採用四旋翼系統架構，搭配LiDar調整距離與相機變焦，利用ToF感測器實現避障演算，且透過移動基準站法即時動態定位（real-time kinematics）技術評估無人機的航向，校準因磁場干擾產生的偏差；結合Python語言實現機器人操作系統，收集LiDar感測的數據、衛星導航座標、電池狀態等資訊，透過MAVLink系統控制無人機位置，而無線調變解調器（SkyHopper PROV）作為訊號發送與接收的裝置，執行所有必要的通訊，並進一步使用PID控制器執行路徑生成等相關飛行演算作業。
資料來源：Kenta T. et.al. (2021). Tracking Control of Unmanned Aerial Vehicle for Power Line Inspection. https://www.intechopen.com/chapters/78679.
圖3 無人機電力線路追蹤模擬
目前限制區域巡檢無人機的主要需求場域以油管運輸管道、下水管道與海水混凝土管道為大宗。為符合限制場域應用的獨特性，巡檢無人機常以籠式呈現，以減少人身傷害以及對自身和周圍環境造成損害的風險，主要配備大量感測器來執行特定的檢查任務，包括高畫質靜態圖像攝影、熱像儀、氣體和化學感測器以及其他NDT（無損檢測）感測器，另可攜帶探照燈來照亮周圍環境，以維持飛行的穩定和數據品質。在限制空間內的無人機通常無法使用衛星導航，因此必須依靠其他技術在其周圍環境中導航，如高精度慣性導航系統（Inertial Navigation System, INS）以及LiDAR掃描儀、飛行時間感測器和視覺相機，協助無人機進行障礙物檢測和避障。為接收控制信號並回傳數據，室內無人機必須配備能夠進行NLOS（非視距）傳輸並可以穿過牆壁和其他障礙物的無線通訊設備。以美國Skypersonic公司石油及天然氣管道檢測為例，用於管道巡檢的無人機配有LED照明系統，在飛越水坑的同時可以蒐集清晰影像，確認管道內部及儲砂池的狀態；搭配強大訊號的傳輸設備，由無人機端接收5.8GHz的即時模擬影片訊號；室內線性測量工具Skyloc，讓檢測員能精確標記問題區段的位置；另外，具備強力的運動模式，可以迎面抵抗管道內可能的強風。
資料來源：Firma Engineering公司網站，http://firma-engineering.com。
圖4 石油及天然氣管道檢測示意圖
四、以國際案例借鏡我國巡檢無人機發展
無人機不受地形條件限制，且機動性高，飛行覆蓋範圍廣，在巡檢工作上能有許多的優勢，如可以減少檢修人員的巡檢風險、提高巡檢效率、降低巡檢成本、縮短巡檢流程等，特別是應用於針對基礎設施的巡檢，如風機、橋樑、電力等。順應國際綠電綠能的潮流趨勢發展與電力分布的山區地形崎嶇的環境特殊性，臺灣在巡檢無人機的發展應用上多聚焦於風機、電力巡檢這兩大用途。
我國風機巡檢無人機在技術上有一定能力，我國金屬中心的「無停轉風機之無人巡檢系統」可在風機運轉中時進行檢測，因無須停機，故可大幅減少檢測時間，但對比國際應用發展，仍有些可參考借鏡之處，建議在資料回收分析上可與人工智慧、機器學習等軟體整合，可更加快速的將收回的數據進行分析，並進一步建模處理，透過APP或是儀表板呈現巡檢結果，以供後續維運作業進行；或是與其他機器人技術結合，以更加全面的完成巡檢作業，或是輔助進行維修工作。
在電力巡檢上，台電（參考與田屋科技合作計畫）利用搭載各式感測器的無人機，飛越山坡或河面，檢查電塔狀況，以進行固定的巡檢。以目前現有案例來看，臺灣用於電力巡檢的無人機主要是以增加飛行穩定性為主，如克服高山氣流、機體爬升耗電等問題，並以GPS系統作為主要的導航工具。參照國外發展技術，建議可以強化訊號傳輸的技術，增設地面通訊站接收來自載具的數據，或是輔以Python機器人操作系統，以即時數據來調整飛行狀態、控制訊號傳輸，實現監控與即時傳輸數據，以及加強影像收集感測器的性能，收集更加多元的巡檢資料。