(57)【要約】      （修正有）【課題】遠隔操作飛行プラットフォームを使用して、環境の中で物体のスケール及びポイント間距離情報を取得するためのシステム及び方法を提供する。【解決手段】ＵＡＶ２０は、カメラ３０の両側に配置された一対のレーザ装置２４ａ及び２４ｂを支持するフレーム２２を備えている。カメラ３０は、静止画像を得るためのスチルカメラ（カラー及び／又は白黒）、カラー及び／又は白黒映像を得るためのビデオカメラ、又は橋１８の一部の赤外線静止画像又は赤外線映像を得るための赤外線カメラを備え得る。レーザ装置２４ａ及び２４ｂは、橋１８の一部に向けて方向付けられるそれぞれのレーザビーム２６ａ及び２６ｂを発する。橋の表面上でのレーザビーム２６ａ及び２６ｂの衝突により、橋１８に対するＵＡＶ２０の位置に関する情報の取得が可能になる。【選択図】図１
2019114234.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無人航空機を操作する方法であって、
（ａ）無人航空機（２０）を構造体（１８、７２）に向かって飛行するように制御することと、
（ｂ）前記無人航空機が飛行している間、前記無人航空機に搭載された第１のレーザ距離計（１３８ａ）及び第２のレーザ距離計（１３８ｂ）を使用して、前記構造体の表面上のそれぞれの第１のスポット（１０６）及び第２のスポット（１０８）から前記第１のレーザ距離計及び前記第２のレーザ距離計をそれぞれ隔てている第１の距離及び第２の距離を反復的に測定することと、
（ｃ）少なくとも前記第１の距離及び前記第２の距離に基づいて、前記構造体から前記無人航空機を隔てている第１の離間距離を計算することと、
（ｄ）前記第１の離間距離が目標オフセットに等しいか否かを判断することと、
（ｅ）ステップ（ｄ）で前記離間距離が前記目標オフセットに等しいと判断されたことに応答して、前記無人航空機を、前記構造体から前記第１の離間距離だけ隔てられた第１の位置でホバリングするように制御することと、
（ｆ）前記無人航空機が前記第１の位置でホバリングしている間、前記無人航空機に搭載されたカメラ（１３０）を使用して、前記構造体の第１の画像を撮ることと、
（ｇ）ディスプレイスクリーン（１１６、１５２）上で前記第１の画像を表示することと
を含む方法。
【請求項２】
前記第１の距離及び前記第２の距離が前記目標オフセットと等しく、
少なくとも部分的に前記離間距離及び前記カメラの視野に基づいて、前記第１の画像が前記ディスプレイスクリーン上で表示されたときに前記第１の画像のためのスケール係数を計算することと、
前記ディスプレイスクリーン上で表示された前記第１の画像に重ね合わされたスケールインジケータ（７６）を表示することであって、前記スケールインジケータの値又は長さが前記スケール係数を表す、スケールインジケータ（７６）を表示すること
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ディスプレイスクリーンが前記無人航空機に搭載されず、
前記無人航空機から前記第１の画像を表す画像データを含むメッセージを送信することと、
前記メッセージを地上ステーション（１５０）で受信することと、
前記メッセージから前記第１の画像を表す前記画像データを抽出することと
をさらに含み、前記ディスプレイスクリーン上で前記第１の画像を表示することが、前記画像データに従って、前記ディスプレイスクリーンの画素の状態を制御することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記離間距離を維持しながら、前記無人航空機を第２の位置へ移動するように制御することと、
前記無人航空機が前記第２の位置でホバリングしている間、前記カメラを使用して、前記構造体の第２の画像を撮ることと、
前記ディスプレイスクリーン上で前記第２の画像を表示することと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の画像及び前記第２の画像が、それぞれ、前記構造体の表面上で部分的に重なり合う領域又は近接する領域を表す画像データの第１のセット及び第２のセットを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の距離及び前記第２の距離に基づいて、前記構造体の前記表面上の前記第１のスポット（１０６）と前記第２のスポット（１０８）とを接続する線に対して、前記カメラの焦点軸の配向角度を算定することと、
少なくとも部分的に前記離間距離及び前記配向角度に基づいて、前記第１の画像が前記ディスプレイスクリーン上で表示されたときに前記第１の画像のためのスケール係数を計算することと、
前記第１の画像に重ね合わされたスケールインジケータ（７６）を表示することであって、前記スケールインジケータの値又は長さが前記スケール係数を表す、スケールインジケータ（７６）を表示すること
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記無人航空機が飛行している間、前記無人航空機に搭載された第３のレーザ距離計（１３８）を使用して、前記構造体の表面上の第３のスポットから前記第３のレーザ距離計を隔てている第３の距離を反復的に測定することをさらに含み、
前記離間距離が、前記第１の距離、前記第２の距離、及び前記第３の距離に基づいて計算される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第１の距離、前記第２の距離、及び前記第３の距離に基づいて、前記構造体の前記表面上の前記第１のスポット、前記第２のスポット、及び前記第３のスポットによって画定された平面に対して、前記カメラの前記焦点軸の第１の配向角度及び第２の配向角を算定することと、
前記離間距離、並びに前記第１の配向角度及び前記第２の配向角度に基づいて、前記第１の画像が前記ディスプレイスクリーン上で表示されたときに前記第１の画像のためのスケール係数を計算することと、
前記第１の画像に重ね合わされたスケールインジケータ（７６）を表示することであって、前記スケールインジケータの値又は長さが前記スケール係数を表す、スケールインジケータ（７６）を表示すること
をさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記無人航空機が前記第１の位置から第２の位置へと動いた後、前記目標オフセットからの前記離間距離の逸脱を検出することと、
前記無人航空機を、前記離間距離が前記目標オフセットと等しい第３の位置に飛行するように制御し、それにより、前記逸脱をゼロに減少することと
をさらに含み、前記第３の位置に向かう前記無人航空機の飛行の制御が、前記無人航空機に搭載された運動コントローラ（１６２）によってもたらされる、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の距離、前記第２の距離、及び前記第３の距離に基づいて、前記構造体の前記表面に対して、前記カメラの焦点軸の配向角度を算定することと、
前記無人航空機が前記第１の位置でホバリングしている間、所望の配向角度からの前記配向角度の逸脱を検出することと、
前記配向角度が前記所望の配向角度と等しくなるよう、前記無人航空機を制御してその配向を変えることと
をさらに含み、前記無人航空機の前記配向の制御が、前記無人航空機に搭載された運動コントローラ（１６２）によってもたらされる、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
無人航空機（２０）であって、
フレーム（２２）、
前記フレームに回転可能に取り付けられた複数のロータ（１２４ａ−ｄ）、
前記複数のロータの各ロータの駆動回転部にそれぞれ連結された複数のモータ（１４８）、
前記複数のモータの動作を制御するための複数のモータコントローラ（１６８）、
前記フレームに取り付けられたパン−チルト機構（１２０）、
前記パン−チルト機構に取り付けられたカメラ（１３０）、
前記パン−チルト機構に取り付けられたレーザ距離計（１３８）、
前記モータコントローラに指令を送信し、前記パン−チルト機構の動作を制御し、且つ前記カメラ及び前記レーザ距離計を選択的に起動するように構成されたコンピュータシステム（１６２）、
前記フレームに取り付けられ、前記コンピュータシステムに直線加速度及び回転速度データを送信するように構成された慣性測定ユニット（１６６）、並びに
前記コンピュータシステムと制御ステーション（１５０）との間の通信を可能にするように構成された送受信機（１６０）
を備え、前記コンピュータシステムが、
前記カメラから画像データ、前記パン−チルト機構からパン角及びチルト角データ、前記レーザ距離計から距離データ、並びに前記慣性測定ユニットから直線加速度及び回転速度データを受信し、
構造体に対する前記無人航空機の第１の位置を決定し、
前記モータコントローラに第１の指令を送信し、前記無人航空機を、前記第１の位置から、前記カメラが目標オフセットだけ前記構造体の表面から隔てられている第２の位置まで飛行させるようにさらに構成されている、無人航空機（２０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、検査活動を行うためのシステム及び方法に関し、より具体的には、無人航空機による構造体又は物体の遠隔検査を可能にするシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造体及び様々な種類の物体を自分自身で人手によって検査することは、時間と費用がかかり、個人が行うには困難が伴う。検査が著しく困難であろう構造体の例には、橋、ダム、堤防、発電所、電力線又は電力網、水処理設備、製油所、化学処理工場、高層建築物、電車やモノレール支持構造に関連する基礎構造、及び空港における航空機構造体が含まれる。
【０００３】
無人航空機（ＵＡＶ）を利用すると、オペレータは、構造体から画像又はその他のセンサデータを安全に取得することができる。ＵＡＶオペレータは、危険地帯に配置されることなく、クレーン又はプラットフォームなどの荷厄介で高価な装備を必要とせずに、構造体の自動走査処理を開始することができる。しかしながら、典型的な無人航空機は、飛行中に遭遇するかもしれない物体上のポイント間の距離、又は、車載カメラが捕らえた物体の相対的寸法を表す正確なデータを取得する能力がない。例えば、ＧＰＳ搭載のＵＡＶは、視覚的検査で十分なおおよその位置推定値を出すことができるが、ＧＰＳ追跡は、他の非破壊検査方法で使用するには十分に正確ではない。
【０００４】
ＵＡＶなどの遠隔操作可動プラットフォームのユーザが現在利用可能な主な状況認識の手法は、車載カメラからのビデオを映すディスプレイモニターを観ることである。このアプローチの有用性に対する懸念のうちの１つには、オペレータが、スクリーン上に表示されている物体の寸法を判断する基準フレームをもたないということがあり、これにより、このようなプラットフォームを用いた検査用途の有用性が制限されてしまう。寸法情報を取得する別のアプローチは、シーンの中の物体を識別する画像処理アプリケーションを使用することであるが、このアプローチは、シーンの中の物体に関する情報があり、当該ソフトウェアがその物体を適切に認識することができるときにのみ機能する。さらなるアプローチは、ターゲット物体までの距離を測定する深さカメラを使用することであるが、深さカメラは、明るい光で飽和する場合があり、範囲が限られている。さらに別のアプローチは、可動プラットフォームに搭載された回転レーザスキャナ（ｓｐｉｎｎｉｎｇ  ｌａｓｅｒ  ｓｃａｎｎｅｒ）を使用して、距離データと共に点群を出力するアプローチであるが、この方法論は、より多くのデータを取得し、ターゲット物体までの距離を測定するためには、必要以上に複雑である。
【０００５】
したがって、ＵＡＶベースの非破壊検査の間に撮像された画像で現れる物体上の点と点の間の距離又は物体の大きさを判断する能力を提供することが望ましいであろう。
【発明の概要】
【０００６】
以下で幾らか詳細に開示されている主題は、ＵＡＶなどの遠隔操作飛行プラットフォームを使用して、非破壊検査を受けている物体のスケール及びポイント間距離情報を取得するためのシステム及び方法を対象としている。当該システムは、搭載センサ及び処理技法を使用して、ターゲット物体のポイント間距離及びターゲット物体のスケールの不連続又は連続測定を提供する。ＵＡＶ（又はその他の飛行プラットフォーム）に搭載型三次元（３Ｄ）測定能力を追加することにより、これらのシステムで現在欠落している客観的距離データを収集することが可能になる。この能力を有することにより、これらのシステムが、測量に関連するタスクを実施する中で、環境中の物体間の距離又は単一の物体上のポイント間の距離を取得すること（ＵＡＶが撮った画像内のアイテムの真のスケール係数を判断する等）が可能となり、結果的に、幾つかの種類の検査用途用飛行プラットフォームの有用性が著しく増大する。
【０００７】
航空非破壊検査用のシステムの幾つかの実施例によると、カメラ搭載ＵＡＶと検査される構造体とを隔てている距離は、ＵＡＶが構造体に向かって飛行する際に搭載機器によって反復的に測定され、離間距離が目標オフセットと等しくなると、ＵＡＶは構造体に向かって飛行するのを停止する。任意選択的に、ＵＡＶは、カメラの焦点軸が画像化されている構造体の表面に対して垂直になるように自らを配向させ、カメラは起動して、その後の表示のために画像を撮る。一実施例によると、表示画像と重ね合わされたスケールインジケータを生成するために距離情報が使用される。別の実施例によると、距離情報は、画像化されている構造体の表面の２つのポイント間の距離を測定するために使用され、ポイント間距離値は表示画像と重ね合わされる。
【０００８】
本明細書に記載された概念は、ＵＡＶ及び他の遠隔操作可動プラットフォームのための測定及び制御能力をもたらす。測定データの取得は、以下の３つの分類に分けられる。
【０００９】
実施例の一分類では、２つ以上のレーザポインター及びデジタルビデオカメラが使用されて、ターゲットまでの距離、ターゲットの視野の基準スケール、及び幾つかの実施例では、ターゲット上の対象のポイント間の距離を算定するための情報が取得される。この実施例の分類は、ターゲット表面が、比較的平坦であり、レーザポインター及びカメラの目標方向に対して垂直である状況において適用可能である。本明細書で使用される用語「レーザポインター」は、レーザビームを発し、戻ってきたレーザ光を検出しない装置のことを意味する。
【００１０】
この概念の実施例の別の分類は、ＵＡＶが、ターゲットまでの距離、基準スケール、並びにターゲットに対するＵＡＶの１つ又は複数の配向角度を直接的に測定することを可能にする２つ以上のレーザ距離計を含む構成である。非共線的に取り付けられた３つのレーザ距離計（ここでは図示せず）が使用された場合、配向角度を１つより多く（例えば、ヨー及びピッチ）測定することができる。本明細書で使用される用語「レーザ距離計」（レーザレンジファインダとしても知られている）は、レーザビームを発し、戻ってきたレーザ光を検出する装置のことを意味する。
【００１１】
実施例の３つ目の分類には、環境の中で可動プラットフォーム（例えば、ＵＡＶ）から物体までの距離及び目標方向情報を取得するために使用されるジンバル式レーザ距離計が含まれる。この概念では、プラットフォームの相対運動を判断するために、慣性測定ユニットなどのセンサを追加することと共に、米国特許第７，８５９，６５５号（本明細書において参照されることにより内容全体が本明細書に組み込まれる）で開示されたベクトルに基づいた測定アルゴリズムの幾つかの態様が活用される。このプラットフォーム運動データは、ジンバル式レーザ距離計からの目標方向及び距離データと共に、環境の中の物体の測定値の取得に使用することができる。
【００１２】
非破壊検査を受けている物体に対するスケール及びポイント間距離情報を取得するためにシステム及び方法の様々な実施例は、以下でより詳しく説明されるが、これらの実施例のうちの１つ又は複数は、以下の態様のうちの１つ又は複数によって特徴付けられ得る。
【００１３】
以下で詳細に開示される主題の一態様は、無人航空機を操作する方法であり、当該方法は、（ａ）無人航空機を構造体に向かって飛行するように制御することと、（ｂ）無人航空機が飛行している間、無人航空機に搭載された第１のレーザ距離計及び第２のレーザ距離計を使用して、構造体の表面上のそれぞれの第１のスポット及び第２のスポットから第１のレーザ距離計及び第２のレーザ距離計をそれぞれ隔てている第１の距離及び第２の距離を反復的に測定することと、（ｃ）少なくとも第１の距離及び第２の距離に基づいて、構造体から無人航空機を隔てている第１の離間距離を計算することと、（ｄ）第１の離間距離が目標オフセットに等しいか否かを判断することと、（ｅ）ステップ（ｄ）で離間距離が目標オフセットに等しいと判断されたことに応答して、無人航空機を、構造体から第１の離間距離だけ隔てられた第１の位置でホバリングするように制御することと、（ｆ）無人航空機が第１の位置でホバリングしている間、無人航空機に搭載されたカメラを使用して、構造体の画像を撮ることと、（ｇ）ディスプレイスクリーン上で当該画像を表示することとを含む。一実施例によると、当該方法は、第１の距離及び第２の距離に基づいて、構造体の表面上の第１のスポットと第２のスポットとを接続する線に対して、カメラの焦点軸の配向角度を算定することと、少なくとも部分的に離間距離及び配向角度に基づいて、第１の画像がディスプレイスクリーン上で表示されたときに第１の画像のためのスケール係数を計算することと、当該画像に重ね合わされたスケールインジケータを表示することであって、スケールインジケータの値又は長さがスケール係数を表す、スケールインジケータを表示することをさらに含む。
【００１４】
以下で詳細に開示される主題の別の態様は、無人航空機を操作する方法であり、当該方法は、（ａ）無人航空機を検査される構造体から隔てられた位置でホバリングするように制御することと、（ｂ）構造体の表面に向けて、平行状態で無人航空機上に枢動可能に取り付けられた第１のレーザポインター及び第２のレーザポインターを方向付けることであって、第１のレーザポインター及び第２のレーザポインターのそれぞれの枢動軸が固定距離だけ隔てられている、第１のレーザポインター及び第１のレーザポインターを方向付けることと、（ｃ）無人航空機が当該位置でホバリングしている間、互いに平行な第１のレーザポインター及び第２のレーザポインターを使用して、互いに平行な２つのレーザビームを第１のスポット及び第２のスポットそれぞれに送達することと、（ｄ）第１の時間で、無人航空機に搭載されたカメラを使用して、第１のスポット及び第２のスポットを含む構造体の表面の一部の第１の画像を撮ることと、（ｅ）第１のレーザポインターと第２のレーザポインターがもはや平行ではないように、無人航空機がホバリングしている間、第１のレーザポインター及び第２のレーザポインターを所定の角度だけ枢動させることと、（ｆ）無人航空機が当該位置でホバリングしている間、枢動した第１のレーザポインター及び第２のレーザポインターを使用して、非平行な２つのレーザビームを構造体の表面上の第３のスポット及び第４のスポットそれぞれに送達することと、（ｇ）第２の時間で、カメラを使用して、第３のスポット及び第４のスポットを含む構造体の表面の一部の第２の画像を撮ることと、（ｈ）画像内の第３のスポット及び第４のスポットの位置、所定角度、及びレーザポインター同士の枢動軸を隔てる固定距離に基づいて、構造体から無人航空機を隔てている第１の離間距離を計算するために、第１の画像及び第２の画像を処理することとを含む。一実施例によると、ステップ（ｈ）は、第３のスポット及び第４のスポットのそれぞれの中心を隔てている第２の離間距離を計算することをさらに含み、当該方法は、第２の離間距離に基づいて、地上ステーションにおいてコンピュータシステムのディスプレイスクリーン上で表示されたときに第１の画像及び第２の画像のためのスケール係数を計算することをさらに含む。
【００１５】
以下で詳細に開示される主題のさらなる態様は、カメラ及びレーザ距離計を支えるパン−チルト機構、並びに慣性測定ユニットを備えた無人航空機を使用して、構造体の特徴をサイズ測定する方法であり、当該方法は、（ａ）無人航空機を、検査される構造体に向かって飛行し、次いで、検査される構造体から隔てられた第１の位置でホバリングするように制御することと、（ｂ）無人航空機が、第１の位置でホバリングし、第１の距離測定値を取得している間、レーザ距離計を、構造体の表面上の第１の目視可能な特徴に対応する第１のポイントに向けることと、（ｃ）レーザ距離計が第１のポイントに向けられたときに、パン−チルト機構を使用して、レーザ距離計のそれぞれのパン角及びチルト角を測定することと、（ｄ）ステップ（ｂ）及び（ｃ）で取得した距離及び角度測定値を、第１の位置における無人航空機の基準フレーム内の第１のポイントの位置を表す第１のベクトルに変換することと、（ｅ）無人航空機が第２の位置でホバリングし、第２の距離測定値を取得している間、レーザ距離計を、構造体の表面上の第２の目視可能な特徴に対応する第２のポイントに向けることと、（ｆ）レーザ距離計を第２のポイントに向けている間、パン−チルト機構を使用して、レーザ距離計のそれぞれのパン角及びチルト角を測定することと、（ｇ）ステップ（ｅ）及び（ｆ）で取得した距離及び角度測定値を、第２の位置における無人航空機の基準フレーム内の第２のポイントの位置を表す第２のベクトルに変換することと、（ｈ）第１の位置から第２の位置への飛行の間、慣性測定ユニットを使用して、無人航空機の加速度及び回転速度を測定することと、（ｉ）ステップ（ｈ）で取得した情報に基づいて、無人航空機の第１の位置と第２の位置との間の位置差及び配向差を表す変換マトリクスを生成することと、（ｊ）変換マトリクスによって第２のベクトルを乗算して、第１の位置における無人航空機の基準フレーム内の第２のポイントの位置を表す第３のベクトルを形成することと、（ｋ）第１のベクトル及び第３のベクトルを使用して、第１のポイントと第２のポイントとの間の距離を計算することとを含む。
【００１６】
一実施例によると、先行段落で説明された方法は、（ｌ）無人航空機から、ステップ（ｂ）、（ｃ）、（ｅ）、（ｆ）、及び（ｈ）で取得した測定データを含む１つ又は複数のメッセージを送信することと、（ｍ）地上ステーションにおけるコンピュータシステムで１つ又は複数のメッセージを受信することと、（ｎ）当該メッセージから測定データを抽出することとをさらに含み、ステップ（ｄ）、（ｇ）、及び（ｉ）から（ｋ）は、地上ワークステーションにおけるコンピュータシステムによって実行される。本方法は、無人航空機が第１の位置でホバリングしている間、カメラを使用して、第１の目視可能な特徴及び第２の目視可能な特徴を含む構造体の表面の一部の画像を撮ることと、当該画像と、地上ワークステーションにおけるコンピュータシステムのディスプレイスクリーン上の画像に重ね合わされた、ステップ（ｋ）で計算された距離の値を表す記号とを表示することとをさらに含み得る。例えば、第１の目視可能な特徴及び第２の目視可能な特徴は、構造体における異常部分（ａｎｏｍａｌｙ）のそれぞれのエンドポイントであり得る。
【００１７】
本明細書に開示された主題のさらに別の態様は、無人航空機であり、無人航空機は、フレーム、フレームに回転可能に取り付けられた複数のロータ、複数のロータの各ロータの駆動回転部にそれぞれ連結された複数のモータ、複数のモータの動作を制御するための複数のモータコントローラ、フレームに取り付けられたパン−チルト機構、パン−チルト機構に取り付けられたカメラ、パン−チルト機構に取り付けられたレーザ距離計、モータコントローラに指令を送信し、パン−チルト機構の動作を制御し、且つカメラ及びレーザ距離計を選択的に起動するように構成されたコンピュータシステム、フレームに取り付けられ、コンピュータシステムに直線加速度及び回転速度データを送信するように構成された慣性測定ユニット、並びにコンピュータシステムと地上ステーションとの間の通信を可能にするように構成された送受信機を備えている。幾つかの実施例によると、コンピュータシステムは、カメラから画像データ、パン−チルト機構からパン角及びチルト角データ、レーザ距離計から距離データ、並びに慣性測定ユニットから直線加速度及び回転速度データを受信し、構造体に対する無人航空機の第１の位置を決定し、モータコントローラに第１の指令を送信し、無人航空機を、第１の位置から、カメラが目標オフセットだけ構造体の表面から隔てられている第２の位置まで飛行させ、モータコントローラに第２の指令を送信し、無人航空機を、第２の位置から、カメラが目標オフセットだけ構造体の表面から隔てられ、カメラの焦点軸が構造体の表面に対して垂直である第３の位置まで飛行させるように構成されている。
【００１８】
さらなる態様は、無人航空機であり、無人航空機は、フレーム、フレームに回転可能に取り付けられた複数のロータ、複数のロータの各ロータの駆動回転部にそれぞれ連結された複数のモータ、複数のモータの動作を制御するための複数のモータコントローラ、カメラ、第１、第２、及び第３のレーザポインター、モータコントローラに指令を送信し、カメラ及び第１から第３のレーザポインターを選択的に起動するように構成されたコンピュータシステム、並びにコンピュータシステムと制御ステーションとの間の通信を可能にするように構成された送受信機を備え、第１及び第２のレーザポインターは、互いに平行な関係でフレームに固定され、第３のレーザポインターは、フレームに枢動可能に連結されている。
【００１９】
遠隔操作飛行プラットフォームを使用して、環境の中で物体のスケール及びポイント間距離情報を取得するためのシステム及び方法の他の態様が、以下で開示される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
前述の特徴、機能、及び利点は、様々な実施例で個別に実現することが可能であり、又は、さらに別の実施例で組み合わせることが可能である。先述の態様及び他の態様を示すために、図面を参照して、様々な実施例が以下で説明される。この部分で簡略に記載された図面は、いずれも縮尺通り描かれていない。
【００２１】
【図１】幾つかの実施例に係る、一対のレーザ装置及び搭載カメラを有する航空ＵＡＶを使用して、橋を検査するシステムを示す図である。
【図２】一実施例に係る、ターゲット物体に方向付けられた一対の固定レーザポインターを有する航空ＵＡＶの上面図を示す図である。ＵＡＶに搭載されたカメラは示されていない。
【図３】２つ以上のレーザポインターを有する遠隔制御ＵＡＶを使用して、構造体の非破壊検査を実行するためのシステムの一部の構成要素を特定するブロック図である。レーザポインターの構成は、図２、図６、及び図８に示す代替例から選択され得る。
【図４Ａ】ビデオカメラ、及びターゲット物体から距離Ｄだけ隔てられた一対の固定レーザポインターを示す図であり、レーザポインターは、それぞれのレーザスポットを生成し、それぞれのレーザスポットは、ターゲット物体の表面上の距離ｄだけ隔てられている。
【図４Ｂ】図４Ａに示すビデオカメラが取得した画像を示す図であり、この画像は、ターゲット物体の表現を含む。
【図５】目視可能な異常部分を有し、その上に重ね合わされたスケールバーを有する、構造体の一部の表現を含む画像を示す図である。
【図６】別の実施例に係る、ターゲット物体に方向付けられた一対の枢動可能なレーザポインターを有する航空ＵＡＶの上面図を示す図である。ＵＡＶに搭載されたカメラは示されていない。
【図７Ａ】ビデオカメラ、及びターゲット物体から距離Ｄだけ隔てられた一対の枢動可能な固定レーザポインターを示す図であり、レーザポインターは、それぞれのレーザスポットを生成し、それぞれのレーザスポットは、ターゲット物体の表面上の距離ｄだけ隔てられている。
【図７Ｂ】図７Ａに示すビデオカメラが取得した画像を示す図であり、この画像は、ターゲット物体の表現を含む。
【図８】さらなる実施例に係る、ターゲット物体に方向付けられた、一対の固定レーザポインター（第１の色）、及び（単一軸の周りで）枢動可能な第３のレーザポインター（第２の色）を有する航空ＵＡＶの上面図を示す図である。ＵＡＶに搭載されたカメラは示されていない。
【図９Ａ】ビデオカメラ、及び図８で示されたように構成され且つターゲット物体から距離Ｄだけ隔てられた３つのレーザポインターを示す図であり、レーザポインターは、それぞれのレーザスポットを生成し、そのうちの最も離れたものは、ターゲット物体の表面上で距離ｄだけ隔てられている。
【図９Ｂ】図９Ａに示すビデオカメラが取得した画像を示す図であり、この画像は、ターゲット物体の表現を含む。
【図１０】一実施例に係る、ターゲット物体上のレーザスポット間の距離を画素で判断するために、画像を処理する方法のステップを示す図である。
【図１１】画像処理効率を改善するような態様で、ターゲット物体上のレーザスポット間の距離を画素で判断するために、画像を処理する方法のステップを示す図である。
【図１２】別の実施例に係る、ターゲット物体に方向付けられた一対の固定レーザ距離計を有する航空ＵＡＶの上面図を示す図である。ＵＡＶに搭載されたカメラは示されていない。
【図１３】一実施例に係る、ターゲット物体の非破壊検査の間、無人航空機を操作する方法のステップを特定するフロー図である。
【図１４】カメラ、及び構造ビームを目標とするレーザ距離計を含む搭載型局所的測位システムを有する遠隔制御航空ＵＡＶを示す図である。
【図１５】搭載型局所的測位システムを有する遠隔制御ＵＡＶを使用して、構造体の非破壊検査を実行するためのシステムの一部の構成要素を特定するブロック図である。
【図１６】ビデオカメラ、及びターゲット物体に方向付けられたジンバル式レーザ距離計を備えた局所的測位システムを有する航空ＵＡＶの上面図を示す図である。ＵＡＶに搭載された慣性測定ユニットは示されていない。
【図１７】局所的測位システムを運ぶＵＡＶを使用して、構造体の特徴をサイズ測定する方法のステップを特定するフロー図である。
【図１８】図１６で部分的に示したＵＡＶを使用して、ターゲット物体上の第１のポイントからターゲット物体上の第２のポイントへの距離及び方向を表すベクトルを生成する方法を示すベクトル図である。
【図１９】ＵＡＶに搭載された機器が取得した測定データに基づいて、ＵＡＶの運動を制御するためのフィードバック制御プロセスのステップを特定するブロック図である。
【００２２】
以下で図を参照するが、異なる図中の類似の要素には、同一の参照番号が付される。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
説明を目的として、ＵＡＶを使用して、航空非破壊検査を受けている物体に対するスケール及びポイント間距離情報を取得するためのシステム及び方法がこれより詳細に説明される。しかしながら、実際の実装のすべての特徴が本明細書に記載されているわけではない。当業者であれば、このような任意の実施例の開発においては、開発者の特定の目的を達成するためには、実装によって異なるシステム関連及びビジネス関連の制約の順守等、多数の個々の実装に応じた判断を行う必要があることを理解されたい。さらに、このような開発のための労力は複雑であり、時間がかかるものであるが、本開示の利点を有する当業者にとっては、取り組むべき所定の事柄であることを理解されたい。
【００２４】
図１は、橋１８を検査するための、幾つかの実施例に係るシステムを示す図である。当該システムは、定期検査を必要とする構造体の周りで移動（飛行）し得る無人航空機２０（以下、「ＵＡＶ２０」）を含む。この実施例では、ＵＡＶ２０は回転翼航空機である。検査される構造体は橋１８として示されているが、当該システムは、限定しないが、電力線、電力生成施設、電力網、ダム、堤防、スタジアム、大型建物、大型アンテナ及び望遠鏡、水処理設備、製油所、化学処理工場、高層建築物、並びに電車やモノレール支持構造に関連する基礎構造を含む、広範囲の他の構造体の検査に使用されるよう等しく適合される。当該システムは、特に、製造施設及び倉庫などの大型建物の内部で使用するのによく適している。事実上、検査装置を制御する人間又は検査装置を運ぶプラットフォームによる検査が困難であったり、コストがかかったり、又はあまりにも危険であるどんな構造体でも、図１に示すシステムを使用して潜在的に検査することができる。
【００２５】
検査用途には、非常に遅い速度でホバリング且つ移動する能力の故に回転翼航空機が好適である。遠隔制御無人回転翼航空機の垂直離陸及び着陸能力も、特に、構造体又は製造工場や倉庫などの施設の中で動作するとき、又は、密集している多くの背の高い構造体（例えば、煙突）を有し得る製油所や化学処理工場などの複雑な施設を検査するとき、多くの用途において非常に有利であり得る。垂直方向のみにホバリング且つ／又は移動する能力により、遠隔制御無人回転翼航空機が、橋の垂直支持ポスト、アンテナ、又はダムの垂直面などの大型垂直構造体の近くまで飛行し、それらを検査することが可能になる。
【００２６】
幾つかの実施例（以下でより詳細に開示される）によると、ＵＡＶ２０は、カメラ３０の両側に配置された一対のレーザ装置２４ａ及び２４ｂを支持するフレーム２２を備えている。カメラ３０は、静止画像を得るためのスチルカメラ（カラー及び／又は白黒）、カラー及び／又は白黒映像を得るためのビデオカメラ、又は橋１８の一部の赤外線静止画像又は赤外線映像を得るための赤外線カメラを備え得る。レーザ装置２４ａ及び２４ｂは、橋１８の一部に向けて方向付けられるそれぞれのレーザビーム２６ａ及び２６ｂを発する。以下で幾らか詳細に説明されるように、橋の表面上でのレーザビーム２６ａ及び２６ｂの衝突により、橋１８に対するＵＡＶ２０の位置に関する情報の取得が可能になる。
【００２７】
図１に示すシステムは、ＵＡＶ２０への／からの無線通信の送受信のための遠隔制御ステーション１０をさらに備えている。一実施例によると、遠隔制御ステーション１０は、ラップトップコンピュータ１２、送受信機１４、及びアンテナ１６を備えている。送受信機１４は、ラップトップコンピュータ１２とＵＡＶ２０との間の通信を可能にするアンテナ１６と通信状態にある。
【００２８】
ＵＡＶ２０の搭載システムは、非一過性の有形コンピュータ可読記憶媒体（図１に図示せず）内に記憶された飛行計画データによってデジタル的に表される１つ又は複数の、種々の、記憶された飛行計画を実装することが可能な誘導及び制御ハードウェア及びソフトウェアシステム（図１に図示せず）を備え得る。搭載システムは、ＵＡＶ２０の配向を制御し、メモリ内に記憶された予めプログラミングされた飛行計画の実行を支援する全地球測位システム／慣性航法システム（ＧＰＳ／ＩＮＳ）をさらに備え得る。無線送受信機及び搭載アンテナ（図１に図示せず）は、遠隔制御ステーション１０との双方向無線電磁波通信を可能にする。
【００２９】
図１に示された種類の無人航空機は、非破壊検査を受けている物体に対するスケール及びポイント間距離情報を取得する能力でアップグレードされ得る。ＵＡＶには、搭載センサ及び処理技法が備わっている場合がある。それにより、ターゲット物体のポイント間距離及びターゲット物体のスケールの不連続又は連続測定がもたらされる。このような強化能力ＵＡＶの様々な実施例がこれより幾らか詳細に説明される。
【００３０】
図２は、非破壊検査を受けている物体に対するスケール及びポイント間距離情報を取得することが可能な航空ＵＡＶ２０の一実施例の上面図を示す図である。ＵＡＶ２０は、平行構成で配置された一対のレーザポインター１３２ａ及び１３２ｂを備えている。レーザポインター１３２ａ及び１３２ｂは、それぞれの目標方向ベクトル１３４ａ及び１３４ｂによって示されたそれぞれの光路に沿って、それぞれのレーザビームを発する。ＵＡＶ２０は、デジタルビデオカメラ（図２では図示せず）をさらに備えている。レーザポインター１３２ａ及び１３２ｂ、並びにビデオカメラは、ターゲット物体１０２への距離及び基準スケールを計算するために使用される。この実施例は、ＵＡＶ２０がターゲット物体１０２に比較的近い状況で用いられる。
【００３１】
図２に示すＵＡＶ２０は、フレーム２２、及びフレーム２２に回転可能に取り付けられた４つのロータ１２４ａ〜１２４ｄを備えている。各ロータの回転は、フレーム２２に取り付けられたそれぞれのモータ（図２で図示せず）によって駆動される。互いに平行な軸を有する一対のレーザポインター１３２ａ及び１３２ｂは、フレーム２２に固定的に取り付けられる。起動時、レーザポインター１３２ａ及び１３２ｂは、それぞれ互いに平行なレーザビームをターゲット物体１０２の表面上の対応するレーザスポットに方向付ける。図２では示されていないが、ＵＡＶ２０は、フレーム２２に取り付けられたビデオカメラ１３０（図３参照）をさらに備えている。ビデオカメラ１３０の焦点軸、並びにレーザポインター１３２ａ及び１３２ｂの目標方向が互いに平行であることが好ましい。
【００３２】
ビデオカメラ１３０は、２つのレーザスポットが目視可能である画像を撮るように起動され得る。この画像データを（以下で幾らか詳細に説明されるように）処理して、画素情報を引き出すことができる。この画素情報は、２つのレーザポインター１３２ａ及び１３２ｂの軸を分離する周知の距離と共に、スケール係数を判断するために使用することができる。このスケール係数は、ＵＡＶが同じ位置でホバリングしている間、ビデオカメラ１３０が撮った任意の後続の画像上にスケールインジケータを表示するために使用され得る。より具体的には、１つの目的は、ポインター１３２ａ及び１３２ｂとターゲット物体１０２との間の距離Ｄを判断することであるが、これは、図４Ａ及び図４Ｂを参照して以下でより詳しく説明される。
【００３３】
図３は、２つ以上のレーザポインター１３２（例えば、図２に示す第１のレーザポインター１３２ａ及び第２のレーザポインター１３２ｂ）が取り付けられた遠隔制御ＵＡＶ２０を使用して、構造体の非破壊検査を実行するシステムの一部の構成要素を特定するブロック図である。この実施例では、ＵＡＶ２０及びＵＡＶ２０が運ぶ機器は、制御ステーション１５０が送信する無線周波数指令に応じて、搭載型コンピュータシステム１６２によって制御される。これらの無線周波数指令は、ＵＡＶ２０に搭載された送受信機１６０によって受信され、適切なデジタルフォーマットに変換され、次いでコンピュータシステム１６２に転送される。制御ステーション１５０は、コンピュータシステム１６２に指令を送信することによって、ＵＡＶ２０及びＵＡＶ２０に搭載された機器の操作を制御するようプログラミング設定された汎用コンピュータシステムを備え得る。例えば、制御ステーションは、ＵＡＶ２０の飛行を制御するための指令、及びレーザポインター１３２を起動するための指令を送信することができる。さらに、制御ステーション１５０におけるコンピュータシステムは、検査操作の間、ＵＡＶ２０から受信したデータを処理するようプログラミング設定されている。特に、制御ステーション１５０のコンピュータシステムは、ビデオカメラ１３０が取得した画像を表示するディスプレイモニター１５２を制御するソフトウェアで構成されたディスプレイプロセッサを備え得る。光学画像フィールドは、ビデオカメラ１３０で見たとおりに、ディスプレイモニター１５２で表示することができる。
【００３４】
制御ステーション１５０からの指令に応答して、ビデオカメラ１３０及びレーザポインター１３２は、コンピュータシステム１６２によって（例えば、電気ケーブルを介して）送信された制御信号によって起動され得る。ビデオカメラ１３０は、自動（遠隔制御）ズーム機能を有し得る。コンピュータシステム１６２は、指令をモータコントローラ１６８に送信することにより、ＵＡＶ２０の飛行をさらに制御する。モータコントローラ１６８は、ロータ１２４ａ〜１２４ｄ（図２を参照）の回転を駆動させるそれぞれのモータ１４８の回転を制御する。
【００３５】
図４Ａは、ビデオカメラ１３０、及びターゲット物体１０２から距離Ｄだけ隔てられた一対のレーザポインター１３２ａ及び１３２ｂを示す図であり、レーザポインターは、ターゲット物体１０２の表面上にそれぞれのレーザスポットを生成する。ターゲット物体表面上のこれらのレーザスポットは、距離ｄだけ隔てられている。図４Ｂは、図４Ａで示されたビデオカメラ１３０が取得した画像７０を示す図である。画像７０は、ターゲット物体１０２の表現１０２’を含み、レーザスポットのそれぞれの位置１０６及び１０８のそれぞれの表現を含む。
【００３６】
図４Ａ及び図４Ｂで示す状況に従って、周知の変数は、ビデオカメラ１３０の現在の視野（すなわち、図４Ａの「ＦｏＶ」）、画像７０の幅方向における最大画素数（すなわち、図４Ｂの「ｍａｘＰｘ」）、レーザポインター１３２ａ及び１３２ｂによって生成されたレーザスポットの位置１０６及び１０８を表すそれぞれの画素群間の画像７０の画素数（すなわち、図４Ｂの「ｎＰｘ」）、及びレーザポインター１３２ａ及び１３２ｂを隔てている距離（すなわち、図４Ａの「Ｌ１」）である。未周知の変数は、レーザスポット間の視野角α、並びに距離Ｄ及びｄである。
【００３７】
レーザスポット間の視野角αは、カメラの視野（ＦｏＶ）及び画像画素データを用いて算定することができる。
2019114234.tif 000003
ここで、ｎＰｘは、レーザスポット間の測定画素数であり、ｍａｘＰｘは、画素での画像幅である。距離ｄ及びＤは、以下の式を用いて算定することができる。
2019114234.tif 000004
2019114234.tif 000005
【００３８】
視野角αに式（１）を代入すると、以下が得られる：
2019114234.tif 000006
【００３９】
図２及び図４Ａで示す実施例（及び以下で説明される他の実施例）に従って、距離Ｄの値は継続的に更新される。
【００４０】
１つの可能な実装形態によると、距離ｄの値は、ディスプレイモニター（図３のアイテム１５２）上で表示された画像７０のどこにでも含まれ得る。別の可能な実装形態によると、スケール係数は、距離ｄと画素数ｎＰｘの比率に基づいて計算することができ、スケールバー又はスケール係数を示す他のスケールインジケータは、画像７０の一部として含まれ得る。ＵＡＶとターゲット物体との離間距離Ｄが最新である限り、このスケールインジケータは正確である。離間距離が変化するにつれて、上述の操作を反復して、更新されたスケール係数を生成することができる。経時的に、スケールインジケータは、ＵＡＶとターゲット物体とを隔てている変動距離の関数として繰り返し調節される。
【００４１】
非破壊検査のためには、検査される構造体の取得された画像は、レーザスポットの表現を含まないことが好ましい。したがって、ターゲット物体の画像化された表面領域の初期サイズ測定の後、レーザポインター１３２ａ及び１３２ｂが停止している間にビデオカメラ１３０を起動して、追加の画像（例えば、画像のビデオシーケンス）を撮ることができる。この場合、ビデオカメラ１３０は、好ましくは、離間距離Ｄが最新である間に画像を撮ることができる。
【００４２】
例えば、図５は、目視可能な異常部分７４及びスケールバー７６を有する表現を含むが、レーザスポットの表現を全く含まない画像７０を示す図である。制御ステーション１５０における技術者は、スケールバー７６が示した画像化領域の適用可能サイズを確認しながら、この画像を見ることができる。さらに、目視可能な異常部分は、異常部分の目視可能な寸法をディスプレイスクリーン上に現れたスケールインジケータの目視可能な寸法と比較することによって、大体（すなわち、おおまかに）サイズ測定することができる。
【００４３】
図６は、代替的な実施例に係る、航空ＵＡＶ２０の上面図を示す図である。図３で部分的に示された実施例のように、図６で部分的に示された実施例も、非破壊検査を受けている物体に対するスケール及びポイント間距離情報を取得することが可能である。図６で部分的に示すＵＡＶ２０は、一対の枢動可能なレーザポインター１３２ａ及び１３２ｂ、並びにビデオカメラ１３０（図６に図示せず）を備えている。起動時、レーザポインター１３２ａ及び１３２ｂは、それぞれのレーザビームをターゲット物体１０２の表面上の対応するレーザスポットに方向付ける。レーザポインター１３２ａ及び１３２ｂは、独立して枢動可能であってもよく、又は、レーザポインター１３２ａ及び１３２ｂがそれぞれの反対側に枢動可能であるようにそれらの枢動機構が連結されてもよい。本明細書に記載された「それぞれの反対側に枢動可能（ｏｐｐｏｓｉｔｅｌｙ  ｐｉｖｏｔａｂｌｅ）」という表現は、ビデオカメラ１３０の焦点軸（図６で図示せず）に対するレーザポインター１３２ａ及び１３２ｂの角度位置が、常に等しく、それぞれ反対側であることを意味する。
【００４４】
レーザポインター１３２ａ及び１３２ｂは、平行構成に対して周知の量だけＵＡＶ２０上で回転し得る。これにより、ターゲット物体１０２上のレーザスポット間にさらなる隔たりが生じる。この隔たりは、図２に示す実施例の場合よりもＵＡＶ２０がターゲット物体１０２からさらに離れている状況において有用である。例えば、最初は、レーザポインター１３２ａ及び１３２ｂは平行に位置付けされて、それぞれの目標方向ベクトル１３４ａ及び１３４ｂによって示された互いに平行な光路に沿って、それぞれのレーザビームを発する。次いで、レーザポインター１３２ａ及び１３２ｂは、周知の角度だけ回転し、次いで再度起動され、それぞれの目標方向ベクトル１３４ａ’及び１３４ｂ’によって示された光路に沿って、それぞれのレーザビームを発する。ターゲット物体１０２への距離は、搭載ビデオカメラ（図示せず）が撮った画像を使用して判断することができる。この画像は、レーザスポットを表す画素群を含む。より具体的には、この実施例は、図７Ａ及び図７Ｂを参照してより詳細に説明されるように、レーザポインター１３２ａ及び１３２ｂによってターゲット物体１０２上でそれぞれ生成されたレーザスポット間の距離ｄ、並びにポインター１３２ａ及び１３２ｂとターゲット物体１０２との間との間の距離Ｄを判断するように構成される。
【００４５】
図７Ａは、ビデオカメラ１３０、及びターゲット物体１０２から距離Ｄだけ隔てられた一対の枢動可能なレーザポインター１３２ａ及び１３２ｂを示す図であり、レーザポインターは、ターゲット物体１０２の表面上でそれぞれのレーザスポットを生成する。ターゲット物体表面上のこれらのレーザスポットは、距離ｄだけ隔てられている。図７Ｂは、図７Ａで示されたビデオカメラ１３０が取得した画像７０を示す図である。画像７０は、ターゲット物体１０２の表現１０２’を含み、レーザスポットのそれぞれの位置１０６及び１０８のそれぞれの画素群を含む。
【００４６】
図７Ａ及び図７Ｂで示す状況に従って、周知の変数は、ビデオカメラ１３０の視野（すなわち、図７Ａの「ＦｏＶ」）、画像７０の幅方向の最大画素数（すなわち、図７Ｂの「ｍａｘＰｘ」）、レーザポインター１３２ａ及び１３２ｂによって生成されたレーザスポットの位置１０６及び１０８を表すそれぞれの画素群間の画素数（すなわち、図７Ｂの「ｎＰｘ」）、レーザポインター１３２ａ及び１３２ｂによって送信されたレーザビーム間の角度（すなわち、図７Ａの「β」）、及びレーザポインター１３２ａ及び１３２ｂのそれぞれの枢動軸を隔てている距離（すなわち、図７Ａの「Ｌ１」）である。未周知の変数は、レーザスポット間の視野角α、並びに距離Ｄ及びｄである。
【００４７】
レーザスポット間の視野角αも式（１）を用いて算定することができる。次いで、距離ｄ及びＤは、以下の式を用いて算定することができる。
2019114234.tif 000007
2019114234.tif 000008
【００４８】
１つの可能な実装形態によると、スケール係数は、距離ｄと画素数ｎＰｘの比率に基づいて計算することができ、スケールバー又はスケール係数を示す他のスケールインジケータは、ＵＡＶ２０が同じ位置でホバリングしている間にビデオカメラ１３０によって撮った後続の画像に表示され得る。
【００４９】
図８は、ターゲット物体１０２に方向付けられた、一対の固定レーザポインター１３２ａ及び１３２ｂ、並びに（単一軸の周りで）枢動可能な第３のレーザポインター１３２ｃを有する航空ＵＡＶ２０の上面図を示す図である。ＵＡＶに搭載されたカメラは示されていない。この変動に従って、２つのレーザポインター１３２ａ及び１３２ｂは、互いに平行であり、第３のレーザポインター１３２ｃは、他の２つのポインターに対して固定角度又は制御可能な角度で回転する。第３のレーザポインター１３２ｃは、レーザポインター１３２ａ及び１３２ｂが発したレーザ光とは異なる光を有するレーザ光を発することができ、ターゲット物体１０２上でレーザスポット同士を互いから差別化することを助ける。（代替例では、同じ色の３つのレーザポインターを使用するためにこの算定方法を行ってもよい。）図８では、第３のレーザポインター１３２ｃが、目標方向ベクトル１３４ｃによって示された光路に沿ってレーザビームを発する間、レーザポインター１３４ａ及び１３４ｂは、それぞれの目標方向ベクトル１３４ａ及び１３４ｂによって示された互いに平行な光路に沿ってそれぞれのレーザビームを発する。
【００５０】
図９Ａは、ビデオカメラ１３０、及び図８で示されたように構成され且つターゲット物体１０２から距離Ｄだけ隔てられた３つのレーザポインター１３２ａ〜ｃを示す図であり、レーザポインター１３２ａ〜ｃは、それぞれのレーザスポットを生成し、そのうちの最も離れたものは、ターゲット物体１０２の表面上で距離ｄだけ隔てられている。互いに平行なレーザポインター１３２ａ及び１３２ｂによってターゲット物体の表面上に生成されたレーザスポットは、距離Ｌ１だけ隔てられる。この距離Ｌ１は、レーザポインター１３２ａ及び１３２ｂの軸を隔てる物理的距離でもある。レーザポインター１３２ａ及び１３２ｂによってターゲット物体の表面上に生成されたレーザスポットは、距離ｄだけ隔てられる。図９Ｂは、図９Ａで示されたビデオカメラ１３０が取得した画像７０を示す図である。画像７０は、ターゲット物体１０２の表現１０２’を含み、レーザスポットのそれぞれの位置１０６、１０７、及び１０８を表すそれぞれの画素群を含む。
【００５１】
図９Ａ及び図９Ｂで示す状況に従って、周知の変数は、ビデオカメラ１３０の視野（すなわち、図９Ａの「ＦｏＶ」）、画像７０の幅方向の最大画素数（すなわち、図９Ｂの「ｍａｘＰｘ」）、レーザポインター１３２ａ及び１３２ｂによって生成されたレーザスポットのそれぞれの位置１０６及び１０８を表すそれぞれの画素群間の画素数（すなわち、図９Ｂの「ｎＰｘ１」）、レーザポインター１３２ｂ及び１３２ｃによって生成されたレーザスポットのそれぞれの位置１０８及び１０７を表すそれぞれの画素群間の画素数（すなわち、図９Ｂの「ｎＰｘ２」）、レーザポインター１３２ｂ及び１３２ｃによって送信されたレーザビーム間の角度（すなわち、図９Ａの「β」）、及びレーザポインター１３２ａ及び１３２ｂのそれぞれの軸を隔てている距離（すなわち、図９Ａの「Ｌ１」）である。未周知の変数は、レーザスポット間の視野角α、並びに距離Ｄ及びｄである。
【００５２】
レーザポインター１３２ａ及び１３２ｂによって生成されたレーザスポット間の視野角αも式（１）を用いて算定することができる。次いで、距離ｄ及びＤは、以下の式を用いて算定することができる。
2019114234.tif 000009
2019114234.tif 000010
又は
2019114234.tif 000011
【００５３】
したがって、ｄを計算する方法が２つある。一方は角度βを用い、他方はｎＰｘ２を用いる。距離ｄの値の計算に２つの異なる方法があることにより、信頼性を改善するプロセスチェックが機能する。
【００５４】
１つの可能な実装形態によると、距離ｄと合計（ｎＰｘ１＋ｎＰｘ２）との比率に基づいてスケール係数を計算することができる。その後、スケールバー又はスケール係数を示す他のスケールインジケータは、ＵＡＶ２０が同じ位置でホバリングしている間にビデオカメラ１３０によって撮った後続の画像に表示され得る。
【００５５】
図４Ａ、図４Ｂ、図７Ａ、図７Ｂ、図９Ａ、及び図９Ｂで部分的に示す実施例によると、画像７０に表示されるレーザスポットの画像間の距離を画素で判断するために、画像処理方法が用いられる。画像処理ステップの主な目標は、ターゲット物体上のレーザスポット間の距離を画素で判断することである。このためには、画素色を使用するなどの幾つかの方法を用いてもよいが、このアプローチは、広範囲の照明条件があるような環境ではそれほど確実ではない。この用途のためには、連続画像が関わるプロセスが用いられる。この連続画像では、ある画像ではレーザスポットがオン状態となり、次の画像ではレーザスポットがオフ状態となっている。この方法には、ビデオカメラのフレームレートの半分の（又は他の整数除数で割った）レートでレーザポインターのオンとオフのサイクルをつくり、次いで、画像減算ステップを実行して、変化した互いに隣接するクラスタ画素を特定することが関わる。互いに隣接するクラスタの重心間の距離は、画素距離（ｎＰｉｘｅｌｓ）となる。スケール係数を計算してから、スケール係数を図示するスケールインジケータを表示するために、距離ｄと共に画素距離を使用することができる。
【００５６】
変化の検出は、２つ以上の画像間の差異を判断するために使用されるプロセスである。例えば、変化の領域はデジタル画像処理技術を用いて判断することができる。このようなプロセスの１つには、画像減算、ぼかしフィルタ、及び画像セグメント化工程が関わる場合がある。「デジタル画像処理」という用語は、１つの画像又は一連の画像をコンピュータに基づいて解析することを意味する。「画素（ｐｉｘｅｌ）」という用語は、２次元デジタル画像を構成する画像素子のことを指す。セグメント化とは、デジタル画像において類似の特性を有する画素を特定するプロセスである。
【００５７】
図１０は、一実施例に係る、ターゲット物体上のレーザスポット間の距離を画素で判断するために、画像を処理する方法のステップを示す図である。ビデオカメラ１３０は、それぞれのフレーム１４０ａ〜ｄを、時点Ｔ＝０．００、０．０１、０．０２、及び０．０３で撮る。レーザポインター１３２ａ及び１３２ｂは、フレーム１４０ａ及び１４０ｃを時点Ｔ＝０．００及び０．０２で撮ったときにオフであるが、フレーム１４０ｂ及び１４０ｄを時点Ｔ＝０．０１及び０．０３でと撮ったときにオンである。フレーム１４０ｂがフレーム１４０ａから減算されて、減算画像１４２ａが生成される。フレーム１４０ｄがフレーム１４０ｃから減算されて、減算画像１４２ｂが生成される。次いで、減算画像１４２ａと減算画像１４２ｂとの差異の位置が判断される。各領域の重心が検出され、画素座標（ｘ，ｙ）に変換される。カメラの光学系を補正するために、歪み補正が実施され、２次元画像修正が適用されて結果的に（ｘ’，ｙ’）となる。この修正は、例えば、レンズ光学系、ズーム、及び焦点レベルに依存し得る。修正は、一実施例では実験的に判断され、テーブルルックアップを用いて実行時に呼び出される。照明修正が適用された後、各減算画像で表れる差異（すなわち、レーザスポットの画像）が判断される。一実施例では、画素ごとの差分操作が実施され、次にぼかしフィルタ操作、さらに画像のセグメント化操作が実施される。Ｎ×Ｎぼかしフィルタ（例えば、５×５カーネル）は、画像に関連するほとんどの高周波ノイズを平滑化するために使用することができ、様々なサイズの領域を廃棄するように調整可能である。ぼかされた画像は次に、明確な非接触領域にセグメント化される。分割された各領域の重心が算定され、各画像ペアに関連するリストに保存される。次いで、２つのレーザスポットに対応する２つの重心を分ける画素数が計算される。
【００５８】
レーザスポットのそれぞれの位置１０６及び１０８を表す画素群は、各画像の同じ水平ストリップにあるため、画像処理にはその画像部分だけが必要である。図１１は、画像処理効率を改善するような態様で、ターゲット物体上のレーザスポット間の距離を画素で判断するために、画像を処理する方法のステップを示す図である。水平ストリップ１４４ａ及び１４４ｂは、例えば、フレーム１４０ａ及び１４０ｂそれぞれから生成され得る。次いで、水平ストリップ１４４ａから水平ストリップ１４４ｂが減算され、減算画像１４６が形成される。
【００５９】
この概念の実施例の別の分類は、ＵＡＶが、ターゲットまでの距離、基準スケール、並びにターゲットに対するＵＡＶの１つ又は複数の配向角度を測定することを可能にする２つ以上のレーザ距離計を含む構成である。非共線的に取り付けられた３つのレーザ距離計（ここでは図示せず）が使用された場合、配向角度を１つより多く（例えば、ヨー及びピッチ）測定することができる。
【００６０】
図１２は、非破壊検査を受けている物体に対するスケール情報を取得することが可能な航空ＵＡＶ２０の一実施例の上面図を示す図である。航空ＵＡＶ２０は、さらに、ＵＡＶ２０とターゲット物体１０２との間の離間距離Ｄ、及びターゲット物体１０２に対するＵＡＶ２０の配向角度を測定することが可能である。図１２に示すＵＡＶ２０の構成は、平行構成で配置された一対のレーザ距離計１３８ａ及び１３８ｂにレーザポインター１３２が取って代わっていること以外は、図３に示す構成と類似し得る。
【００６１】
図１２に示すＵＡＶ２０は、フレーム２２、及びフレーム２２に回転可能に取り付けられた４つのロータ１２４ａ〜１２４ｄを備えている。各ロータの回転は、フレーム２２に取り付けられたそれぞれのモータ（図１２で図示せず）によって駆動される。互いに平行な軸を有する一対のレーザ距離計１３８ａ及び１３８ｂは、フレーム２２に固定的に取り付けられる。起動時、レーザ距離計１３８ａ及び１３８ｂは、それぞれ互いに平行なレーザビームをターゲット物体１０２の表面上の対応するレーザスポットに方向付ける。図１２では示されていないが、ＵＡＶ２０は、フレーム２２に取り付けられたビデオカメラ１３０（図３参照）をさらに備えている。ビデオカメラ１３０の焦点軸、並びにレーザ距離計１３８ａ及び１３８ｂの目標方向が互いに平行であることが好ましい。
【００６２】
レーザ距離計１３８ａ及び１３８ｂの軸が、レーザビームが衝突するターゲット物体１０２の表面の部分に対して垂直ではない場合、その表面からレーザ距離計１３８ａ及び１３８ｂを隔てているそれぞれの距離は、均等ではなく、ＵＡＶ２０は、その表面に対して非ゼロ配向角度を有するようになる。レーザ距離計１３８ａ及び１３８ｂの軸が、レーザビームが衝突するターゲット物体１０２の表面の部分に対して垂直である場合、その表面からレーザ距離計１３８ａ及び１３８ｂを隔てているそれぞれの距離は、均等になり、配向角度はゼロになる。ターゲット物体１０２からレーザ距離計１３８ａ及び１３８ｂへのそれぞれの離間距離の測定値を使用して、ターゲット物体１０２からＵＡＶ２０への現在のオフセットと、現在の配向角度とを判断して、次いで、現在のオフセットの目標オフセットからの逸脱と、現在の配向角度のターゲット配向角度からの逸脱（例えば、ゼロ度の角度）の両方が減少するようにＵＡＶ２０を制御することができる。
【００６３】
ビデオカメラ１３０は、２つのレーザスポットが目視可能である画像を撮るように起動され得る。この画像データを（以下で幾らか詳細に説明されるように）処理して、画素情報を引き出すことができる。この画素情報は、２つのレーザ距離計１３８ａ及び１３８ｂの軸を分離する周知の距離と共に、スケール係数を判断するために使用することができる。このスケール係数は、ＵＡＶが同じ位置でホバリングしている間、ビデオカメラ１３０が撮った任意の後続の画像上にスケールインジケータを表示するために使用され得る。
【００６４】
複数のレーザ距離計の実施例については、それぞれのレーザ距離計からターゲット物体１０２への距離に関連する情報が測定され、ビデオカメラ１３０の視野が周知であるため、画像処理ステップを必要とすることなくスケール係数を判断することが可能である。画像処理ステップから使用可能な部分は、ｎＰｘであるが、これは、以下の式を用いて、Ｆｏｖ、平均距離Ｄ／ｎ、Ｌ１、及びｍａｘＰｘ（ここで、ｎはレーザ距離計の数である）の関数として算定され得る。
2019114234.tif 000012
（留意点：以上の算定は、画像歪み補正ステップ、より正確にはその逆がさらに必要である）。
【００６５】
制御ステーション１５０（図３参照）からの指令に応答して、ビデオカメラ１３０、並びにレーザ距離計１３８ａ及び１３８ｂは、コンピュータシステム１６２によって（例えば、電気ケーブルを介して）送信された制御信号によって起動され得る。コンピュータシステム１６２は、指令をモータコントローラ１６８に送信することにより、ＵＡＶ２０の飛行をさらに制御する。モータコントローラ１６８は、ロータ１２４ａ〜１２４ｄ（図２を参照）の回転を駆動させる対応するモータ１４８の回転をそれぞれ制御する。
【００６６】
代替例によると、ＵＡＶ２０は、１つより多いレーザ距離計を備えている。レーザ距離計は、ターゲット物体、並びに１つ又は複数の配向角度の測定を可能にする。２つのレーザ距離計を使用する場合（図１２で示す実施例のように）、１つの配向角度（例えば、ヨー）を測定することができる。非共線的に取り付けられた３つのレーザ距離計（図面では図示せず）が使用された場合、配向角度を１つより多く（例えば、ヨー及びピッチ）測定することができる。この情報により、ユーザに対してスケール係数を表示することができ、又はビークル制御のために動作抑制を適用することができる。
【００６７】
図１３は、非共線的に取り付けられた３つのレーザ距離計が使用され、ヨー及びピッチ配向角度が測定される一実施例に従って、構造体の非破壊検査の間に無人航空機を操作する方法４０のステップを特定するフロー図である。方法４０は、（ａ）無人航空機を検査される構造体に向かって飛行するように制御すること（ステップ４２）、（ｂ）無人航空機が飛行している間、無人航空機に搭載された３つのレーザ距離計を使用して、構造体の表面上のそれぞれのスポットからレーザ距離計をそれぞれ隔てている距離を反復的に測定（すなわち、計算）すること（ステップ４４）、（ｃ）少なくともステップ４４で計算された距離に基づいて、構造体から無人航空機を隔てている第１の離間距離を計算すること（ステップ４６）、（ｄ）構造体に対して（例えば、目標オフセットに等しい）特定された離間距離を維持するようにＵＡＶを制御すること（ステップ４８）、（ｅ）ステップ４４で計算された距離に基づいて、構造体の表面上で３つのレーザスポットと交差する平面に対するカメラの焦点軸のヨー及びピッチ配向角度を算定すること（ステップ５０）、（ｆ）カメラの焦点軸が構造体の表面に対して垂直となるように、無人航空機を制御して再配向させること（ステップ５２）、（ｇ）無人航空機が特定の離間距離でホバリングしている間、無人航空機に搭載されたカメラを使用して、構造体の画像を撮ること（ステップ５４）、（ｈ）少なくとも部分的に離間距離及びカメラの視野に基づいて、画像がディスプレイスクリーン上で表示されたときに画像のためのスケール係数を計算すること（ステップ５６）、（ｉ）画像に重ね合わされたスケールインジケータを有する画像を表示することであって、スケールインジケータの値又は長さがスケール係数を表す、画像を表示すること（ステップ５８）、及び（ｊ）フィードバック制御モードを継続するか否かを判断すること（ステップ６０）を含む。フィードバック制御モードを継続するべきであるとステップ６０で判断された場合、プロセスはステップ４４に戻る。フィードバック制御モードを継続すべきではないとステップ６０で判断された場合、前のＵＡＶ飛行モードが再開される（ステップ６２）。
【００６８】
図３に示す構成に従って、ＵＡＶ２０に搭載された機器が取得したデータ（すなわち、レーザ距離計１３８ａ及び１３８ｂが取得した測定データ、及びビデオカメラ１３０が取得した画像データ）が送受信機１６０によって送信される。このメッセージは、地上の制御ステーション１５０が受信する。制御ステーション１５０におけるコンピュータシステムは、画像を表す画像データをメッセージから抽出し、画像データに応じてディスプレイスクリーンの画素状態を制御することにより、画像データをディスプレイモニター１５２のスクリーンに表示させる。
【００６９】
運動制御機能の一態様によると、ＵＡＶ２０は、離間距離を維持しながら、第２の位置へと移動するように制御することができる。次いで、ビデオカメラ１３０は、無人航空機が第２の位置でホバリングしている間、構造体の第２の画像を撮るように起動される。第２の画像は、ディスプレイスクリーン上で表示され得る。場合によっては、第１の画像及び第２の画像は、それぞれ、構造体の表面上で部分的に重なり合う領域又は近接する領域を表す画像データの第１のセット及び第２のセットを含み得る。
【００７０】
運動制御機能の別の態様によると、コンピュータシステム１６２は、無人航空機が第１の位置から第２の位置へと移動した後、離間距離の目標オフセットからの逸脱を検出し、次いで、無人航空機が、離間距離が目標オフセットと等しくなって逸脱がゼロに減少する第３の位置まで飛行させるようにプログラミングされた運動コントローラを含み得る。運動コントローラは、第１の距離、第２の距離、及び第３の距離に基づいて、構造体の表面に対して、カメラの焦点軸の配向角度を算定する操作、無人航空機が第１の位置でホバリングしている間、所望の配向角度からの配向角度の逸脱を検出する操作、及び配向角度が所望の配向角度と等しくなるよう、無人航空機を制御してその配向を変える操作を実行するようにさらにプログラミングされ得る。
【００７１】
図１４は、代替例に従って構造体を検査するシステムを示す。図示のシステムは、定期検査を要する構造体の周りで移動し得る遠隔制御航空ＵＡＶ２０を含む。この実施例では、ＵＡＶ２０は、回転翼航空機であり、検査される構造体は、構造的Ｉ型ビーム１００である。ターゲット構造体はＩ型ビーム１００として示されているが、当該システムは、限定しないが、電力線、電力生成施設、電力網、ダム、堤防、スタジアム、大型建物、大型アンテナ及び望遠鏡、タンク、容器、水処理設備、製油所、化学処理工場、高層建築物、並びに電車やモノレール支持構造に関連する基礎構造を含む、広範囲の他の構造体の検査に使用されるよう等しく適合される。当該システムは、特に、製造施設及び倉庫などの大型建物の内部で使用するのによく適している。
【００７２】
幾つかの実施例では、ＵＡＶ２０は、搭載型システムを含み得る。この搭載型システムは、予めプログラミングされた飛行計画に従って、ＵＡＶ２０を航行させることができ、構造的Ｉ型ビーム１００の検査データの取得を可能にする。幾つかの実施例では、ＵＡＶ２０は、無線ＵＡＶ及びペイロードコントローラ１１０を使用するオペレータによって、飛行経路に沿って飛行することができる。ペイロードコントローラ１１０は、ハウジング１１２、制御ユーザインターフェース構成要素１１４、ビデオディスプレイ１１６、及びアンテナ１１８を備えている。取得された検査データは、ビデオカメラ１３０が取得した画像データ、及びＵＡＶ２０上で運ばれる１つ又は複数の他のセンサからのセンサデータを含む。ＵＡＶ２０が保持する予めプログラミングされた飛行計画は、ＵＡＶ２０が、飛行経路に従って、構造的Ｉ型ビーム１００に近接する位置に至ることを可能にする。幾つかの実施例では、１つより多くのＵＡＶ２０を使用して、ビークルの「群れ」を形成することができる。この群れは、単一のＵＡＶより短い時間で構造体の様々な領域の検査を可能にすることができる。
【００７３】
図１４に示すＵＡＶ２０は、フレーム２２、及びフレーム２２に回転可能に取り付けられた４つのロータ１２４ａ〜１２４ｄを備えている。各ロータの回転は、フレーム２２に取り付けられたそれぞれのモータ（図１４で図示せず）によって駆動される。ＵＡＶ２０は、フレーム２２に取り付けられた搭載型局所的測位システム３８をさらに備えている。局所的測位システム３８は、パン−チルト機構１２０、パン−チルト機構１２０に取り付けられたビデオカメラ１３０、及びビデオカメラ１３０の焦点軸と、レーザ距離計１３８の目標方向とが互いに平行であるように、カメラ１３０に付着したレーザ距離計１３８を備えている。図１４に示す実施例では、レーザ距離計１３８の目標方向ベクトル１３４は、破線によって示される。破線は、さらにレーザビームを表す。レーザビームは、レーザ距離計１３８によって送信され、構造的Ｉ型ビーム１００の表面上で衝突し、レーザスポット１０４を形成する。
【００７４】
ビデオカメラ１３０は、自動（遠隔制御）ズーム機能を有し得る。ビデオカメラ１３０は、パンチルト機構１２０上で支持される。パン−チルト機構１２０は、パンユニット１２６及びチルトユニット１２８を備えている。パンユニット１２６、チルトユニット１２８、ビデオカメラ１３０、及びレーザ距離計１３８は、搭載型コンピュータシステム（図１４では図示しない。図１５のコンピュータシステム１６２を参照）によって操作され得る。一方、コンピュータシステム１６２は、無線ＵＡＶ及びペイロードコントローラ１１０から指令を受信するように構成され得る。無線ＵＡＶ及びペイロードコントローラ１１０は、地上の技術者によって操作され得る。
【００７５】
図１５は、代替例に従って、遠隔制御ＵＡＶ２０を使用して、構造体の非破壊検査を実行するためのシステムの一部の構成要素を特定するブロック図である。この実施例では、ＵＡＶ２０及びＵＡＶ２０が運ぶ機器は、制御ステーション１５０が送信する無線周波数指令に応じて、コンピュータシステム１６２によって制御される。これらの無線周波数指令は、ＵＡＶ２０に搭載された送受信機１６０によって受信され、適切なデジタルフォーマットに変換され、次いでコンピュータシステム１６２に転送される。制御ステーション１５０は、ＵＡＶ２０及びＵＡＶ２０に搭載された機器の操作を制御するようプログラミング設定された汎用コンピュータシステムを備え得る。例えば、パン−チルト機構１２０のパン角とチルト角、ひいてはビデオカメラ１３０の配向は、制御ステーション１５０におけるコンピュータシステムのキーボード、マウス、タッチパッド、又はタッチスクリーン、或いはその他のユーザインターフェースハードウェア（例えば、ゲームパッド）を使用して制御することができる。さらに、制御ステーション１５０におけるコンピュータシステムは、検査操作の間、ＵＡＶ２０から受信したデータを処理するようプログラミング設定されている。特に、制御ステーション１５０のコンピュータシステムは、ビデオカメラ１３０が取得した画像を表示するディスプレイモニター１５２を制御するソフトウェアで構成されたディスプレイプロセッサを備え得る。光学画像フィールドは、ビデオカメラ１３０で見たとおりに、ディスプレイモニター１５２で表示することができる。
【００７６】
上述のように、ＵＡＶ２０に搭載された機器は、パン−チルト機構１２０、ビデオカメラ１３０、及びレーザ距離計１３８を備えている。これらすべては、コンピュータシステム１６２によって（例えば、電気ケーブルを介して）送信された制御信号によって起動され得る。コンピュータシステム１６２は、指令をモータコントローラ１６８に送信することにより、ＵＡＶ２０の飛行をさらに制御する。モータコントローラ１６８は、ロータ１２４ａ〜１２４ｄ（図１４を参照）の回転を駆動させるそれぞれのモータ１４８の回転を制御する。
【００７７】
一実施例によると、パン−チルト機構１２０は、コンピュータシステム１６２（図１５参照）から受信した制御信号に応答して、パン軸１２４の周りでカメラ１３０（及びそれに取り付けられたレーザ距離計１３８）を回転させるように構成されたパンユニット１２６（図１４を参照）と、パン軸に対して直交するチルト軸の周りでカメラ１３０（及びそれに取り付けられたレーザ距離計１３８）を回転させるように構成されたチルトユニット１２８（図１４を参照）を備えている。パン−チルト機構１２０におけるサーボモータなどのアクチュエータ（図示せず）は、コンピュータシステム１６２からの制御信号を受信し、パン角とチルト角の周りのカメラ１３０の角回転と、パン角とチルト角の周りのカメラ１３０／レーザ距離計１３８を回転する角速度とを調節することにより、制御信号に応答し得る。パン−チルト機構１２０は、パン及びチルト回転エンコーダ（図示せず）をさらに備えている。このエンコーダは、現在の角度位置データを表す信号をコンピュータシステム１６２信号に送り返す。パン−チルト機構１２０に適用された制御信号は、ユーザ指令（例えば、制御ステーション１５０の一部である入力装置の操作）又は自動経路生成器に応答して、コンピュータシステム１６２によって算定され得る。
【００７８】
パン−チルト機構１２０は、レーザ距離計１３８及びビデオカメラ１３０をパン角とチルト角まわりの選択された角度へと回転可能に調節するよう制御される。ＵＡＶ２０のフレーム２２の固定座標系に対するレーザ距離計１３８（及びビデオカメラ１３０の焦点軸）の配向を表現する目標方向ベクトル１３４は、レーザ距離計１３８が構造的Ｉ型ビーム１００の対象ポイントに向けられているときに、パン角とチルト角から判断される。
【００７９】
レーザ距離計１３８は、レーザビームを目標方向ベクトル１３４に沿って送達するように、ビデオカメラ１３０のハウジング内に組み込まれてもよく、又は、ビデオカメラ１３０の外部に取り付けられてもよい。レーザ距離計１３８は、構造的Ｉ型ビーム１００に付着した任意の目視可能な特徴又は任意のマーカーまでの距離を測定するように構成されている。幾つかの実施例によれば、レーザ距離計１３８は、構造的Ｉ型ビーム１００への距離を判断するためにレーザビームを使用する。レーザ距離計の最も一般的な形は、飛行時間原理で動作する。この原理では、構造的Ｉ型ビーム１００に向けて狭いビームのレーザパルスが送信され、パルスが、構造的Ｉ型ビーム１００から反射して、レーザ距離計１３８内に組み込まれた光検出機構に戻るまでにかかった時間が測定される。光の速度が周知であり、時間が正確に測定されることで、レーザ距離計１３８からレーザスポット１０４への距離を計算することができる。ＵＡＶ２０が所定位置でホバリングしており、平均的応答が最もよく用いられるとき、数多くのパルスが連続的に発射される。
【００８０】
再度図１５を参照すると、ＵＡＶ２０に搭載された機器は、慣性測定ユニット１６６（以下「ＩＭＵ１６６」）をさらに備えている。慣性測定ユニットは、１つ又は複数の加速度計を用いて直線加速度を検出し、１つ又は複数のジャイロスコープを用いて回転速度を検出するように作動する。典型的な構成では、慣性測定ユニットは、３つの垂直軸、ピッチ、ロール、及びヨーのそれぞれの軸ごとに１つの加速度計及び１つのジャイロスコープを備えている。コンピュータシステム１６２は、慣性航法ソフトウェアで構成された別個のプロセッサをさらに備え得る。慣性航法ソフトウェアは、生のＩＭＵ測定値を用いて、姿勢、角速度、直線速度、及びグローバル基準フレームに対する位置を計算する。ＩＭＵ１６６から収集されたデータにより、コンピュータシステム１６２が、推測航法（ｄｅａｄ  ｒｅｃｋｏｎｉｎｇ）として知られた方法を用いてＵＡＶの位置を追跡することが可能になる。
【００８１】
図１６は、ビデオカメラ１３０、及びターゲット物体１０２に方向付けられたレーザ距離計１３８を備えた局所的測位システム３８を有する航空ＵＡＶ２０の上面図を示す図である。レーザ距離計１３８によって送信されたレーザビームは、ターゲット１０２の表面上においてレーザスポット１０４で衝突する。ビデオカメラ１３０の（一対の破線によって示される）視野１３６の角度は、図１６の「ａｎｇ」という円弧によって示される。目標方向ベクトル１３４は、レーザ距離計１３８からレーザスポット１０４へと延在し、長さＤ（以下ではレーザ距離計１３８とターゲット物体１０２とを隔てている「距離Ｄ」とも言われる）を有する。
【００８２】
一実施例によると、視野１３６の角度は周知であるが、距離Ｄはレーザ距離計１３８によって測定される。ビデオカメラ１３０が撮った画像が表示されている際に、ディスプレイモニター１５２（図１５参照）のスクリーン上にサイズスケールインジケータを置くか又は重ね合わせるために、この情報を用いることができる。ターゲット物体１０２への距離Ｄが知られている場合、ディスプレイモニター１５２のスクリーン上の画像に表示されたスケール情報は、ユーザが表示画像内の物体のサイズを測ることを可能にする。スケールインジケータは、ディスプレイ上の画像の全体的な水平及び垂直寸法の形態、又は、スクリーンの一部にスケール係数データを示すオンスクリーンオーバーレイであり得る。これにより、ビデオカメラ１３０が撮ったシーンのサイズコンテキストが与えられ、ディスプレイモニター１５２のスクリーン上の画像に表示される。
【００８３】
周知のカメラの視野角は、以下の式によって与えられる。
ａｎｇ＝２＊ａｔａｎ（ＳＣＲｘ／（２Ｄ））
画像のＸ及びＹ値は、以下の式によって与えられる。
ＳＣＲｘ＝Ｄ＊ｔａｎ（ａｎｇ／２）
ＳＣＲｙ＝ｒａｔｉｏ＊ＳＣＲｘ
ここで、Ｄは、レーザ距離計１３８によって測定されたターゲット物体表面までの距離であり、「ｒａｔｉｏ」は、画像アスペクト比（周知）、すなわち、画像幅ｗと画像高ｈとの比である。
【００８４】
さらなる実施例に従って、完全にモータ化されたパン−チルト機構１２０を使用して、ＵＡＶ飛行制御とは独立してレーザ距離計１３８の狙いを定め、ターゲット物体１０２の表面上の２つのポイントを分ける距離の直接測定値を取得することができる。移動オフセットがゼロであるか又は測定可能であると推定すると、局所的測位システム３８のすべての基本特徴を使用することができる。
【００８５】
代替的な実施例によると、単一の動力付き且つ測定された軸ジンバル（チルト軸又はピッチ軸）のみを使用することが可能であり得る。ＵＡＶについては、ビークルの位置を変えずに、レーザ距離計１３８を方向付けるために、ビークルに関連する全体的なヨー（パン）も使用することができるが、ＵＡＶ２０のピッチを変えることは、ＵＡＶ２０の移動を引き起こす。このことに対処するため、レーザ距離計１３８用の別個のモータ化ピッチコントローラを使用してもよい。
【００８６】
図１７は、局所的測位システム３８を運ぶＵＡＶ２０を使用して、検査される構造体の表面上の特徴をサイズ測定（特徴のポイント間距離の測定）する方法１７０のステップを特定するフロー図である。方法１７０は、（ａ）ＵＡＶ２０を、検査される構造体に向かって飛行し、次いで、検査される構造体から隔てられた第１の位置でホバリングするように制御すること（ステップ１７２）、（ｂ）ＵＡＶ２０が、第１の位置でホバリングし、第１の距離測定値を取得している（ステップ１７６）間、レーザ距離計１３８を、構造体の表面上の第１の目視可能な特徴に対応する第１のポイントに向けること（ステップ１７４）、（ｃ）レーザ距離計１３８が第１のポイントに向けられたときに、パン−チルト機構１２０を使用して、レーザ距離計１３８のそれぞれのパン角及びチルト角を測定すること（ステップ１７８）、（ｄ）ステップ１７６及び１７８で取得した距離及び角度測定値を、第１の位置におけるＵＡＶ２０の基準フレーム内の第１のポイントの位置を表す第１のベクトルに変換すること（ステップ１８０）、（ｅ）ＵＡＶ２０が第２の位置でホバリングし、第２の距離測定値を取得している（ステップ１８４）間、レーザ距離計１３８を、構造体の表面上の第２の目視可能な特徴に対応する第２のポイントに向けること（ステップ１８２）、（ｆ）レーザ距離計１３８を第２のポイントに向けている間、パン−チルト機構を使用して、レーザ距離計１３８のそれぞれのパン角及びチルト角を測定すること（ステップ１８６）、（ｇ）ステップ１８４及び１８６で取得した距離及び角度測定値を、第２の位置におけるＵＡＶ２０の基準フレーム内の第２のポイントの位置を表す第２のベクトルに変換すること（ステップ１８８）、（ｈ）第１の位置から第２の位置への飛行の間、ＩＭＵ１８６を使用して、ＵＡＶの加速度及び回転速度を測定すること（ステップ１９０）、（ｉ）ステップ１９０で取得した情報に基づいて、ＵＡＶ２０の第１の位置と第２の位置との間の位置差及び配向差を表す変換マトリクスを生成すること（ステップ１９２）、（ｊ）変換マトリクスによって第２のベクトルを乗算して、第１の位置におけるＵＡＶ２０の基準フレーム内の第２のポイントの位置を表す第３のベクトルを形成すること（ステップ１９４）、及び（ｋ）第１のベクトル及び第３のベクトルを使用して、第１のポイントと第２のポイントとの間の距離を計算すること（ステップ１９６）を含む。
【００８７】
一実施例によると、先行段落で説明された方法は、（ｌ）ＵＡＶ２０から、ステップ１７６、１７８、１８４、１８６、及び１９０で取得した測定データを含む１つ又は複数のメッセージを送信すること、（ｍ）地上ステーション（例えば、制御ステーション１５０（図１５参照））におけるコンピュータシステムで１つ又は複数のメッセージを受信すること、及び（ｎ）当該メッセージから測定データを抽出することをさらに含み、ステップ１８０、１８８、１９２、及び１９６は、地上ワークステーションにおけるコンピュータシステムによって実行される。本方法は、ＵＡＶが第１の位置でホバリングしている間、ビデオカメラ１３０を使用して、第１の目視可能な特徴及び第２の目視可能な特徴を含む構造体の表面の一部の画像を撮ること、並びに当該画像と、地上ワークステーションにおけるコンピュータシステムのディスプレイスクリーン上の画像に重ね合わされた、ステップ１９６で計算された距離の値を表す記号とを表示することをさらに含み得る。例えば、第１の目視可能な特徴及び第２の目視可能な特徴は、構造体における異常部分（割れ目など）のそれぞれのエンドポイントであり得る。
【００８８】
図１８は、上述のＵＡＶ２０を使用して、ターゲット物体上の第１のポイントからターゲット物体上の第２のポイントへの距離及び方向を表すベクトルを生成する上述の方法を示すベクトル図である。２つのポイントの座標を直接測定するために単一のレーザ距離計が使用されるので、２つのポイントの間の距離を判断するために、共通基準位置が使用される。この状況では、ユーザは、局所的測位システム３８（及びＵＡＶ２０）の第１の基準フレーム内の第１のポイントの座標を取得する間のＵＡＶ２０の第１の位置と、第１の基準フレームからオフセットされる、局所的測位システムの第２の基準フレーム内の第２のポイントの座標を取得する間のＵＡＶ２０の第２の位置との間の差を判断する。取得した座標位置データを使用して、局所的測位システム３８の第１の基準フレームと第２の基準フレームとの間の位置差及び配向差を表す変換マトリクス（すなわち、第１の測定及び第２の測定が行われたときに、諸瞬間でのＵＡＶ２０の第１の位置と第２の位置との間の差）が生成される。
【００８９】
図１８に示すベクトル図は、先行段落で説明された構成を示す。それぞれの頂点で互いに直交する矢印の２つの対は、それぞれの基準フレームを図示する（各基準フレームの第３の互いに直交する軸は、図面を乱雑にしないよう示されない）。左側の矢印の対は、第１の位置のＵＡＶ２０の基準フレームＡを表し、右側の矢印の対は、第２の位置のＵＡＶ２０の基準フレームＢを表す。基準フレームＡに対する基準フレームＢの位置オフセットは、図１８で変換マトリックス
2019114234.tif 000013
によって表されている。これは、基準フレーム［Ａ］に対する基準フレーム［Ｂ］を表現する４×４均質変換マトリックスである。この状況では、基準フレーム［Ａ］に対する基準フレーム［Ｂ］の位置及び配向は、ＩＭＵ１６６が取得したデータから判断することができる。
【００９０】
ＵＡＶ２０が第１の位置にあるとき、レーザ距離計１３８（図１８に図示せず）からターゲット物体１０２の表面の第１のポイントＰ１への距離は、基準フレーム［Ａ］の原点から延びるベクトルＡＰ１の長さによって表される。ＵＡＶ２０が第２の位置にあるとき、レーザ距離計１３８からターゲット物体１０２の表面の第２のポイントＰ２への距離は、基準フレーム［Ｂ］の原点から第２のポイントＰ２へと延びるベクトルＢＰ２の長さによって表される。次いで、ベクトルＢＰ２は、変換マトリックス
2019114234.tif 000014
によって乗算され、基準フレーム［Ａ］で定義されたベクトルに変換される。結果として得られた積は以下のとおりである。
2019114234.tif 000015
【００９１】
ベクトルＡＰ２の大きさ（すなわち、長さ）は、ＵＡＶ２０が第１の位置にあるときに、レーザ距離計１３８から第２のポイントＰ２への距離を表す。距離ｄは、これら２つのベクトルの間の差から判断され、その演算は以下にように表すことができる。
2019114234.tif 000016
【００９２】
それと同じように、ポイントＰ１とＰ２との間の距離ｄは、２つのポイントを接続する三次元ベクトルの大きさ（すなわち、ユークリッドノルム）である。これは、測定されたポイントの座標の個々の成分の差の平方和の平方根として算定される（すなわち、ｘ、ｙ、及びｚ値）。この式の一般的な形は以下のとおりである。
2019114234.tif 000017
【００９３】
結果として得られた距離値は、ポイントＰ１とＰ２を含むターゲット物体１０２の表面の一部のカメラ画像と共に、ディスプレイモニター１５２のスクリーン上に（例えば、重ね合わされるか又は事実上オーバーレイされて）表示される。任意選択的に、コンテキストを示すために、２つのポイントの間に線を引いてもよい。
【００９４】
非破壊検査操作の間のＵＡＶ２０の飛行は、様々な動作抑制の対象となり得る。この動作抑制は、特定の種類のタスクのためにユーザがＵＡＶ２０を制御しやすくするように設定される。「動作抑制（ｍｏｔｉｏｎ  ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ）」という用語には、普通の運動学的な定義を与えるべきである。概して、動作抑制は、物体の運動から１つ又は複数の自由度（ＤｏＦ）を取り除く。例えば、自由空間において単一の剛性物体は、６つの自由度（すなわち、ｘ、ｙ、ｚ、ロール、ピッチ、及びヨー）を有するが、例えば、剛性物体を（重力ある位置で）テーブル上に置くなどして抑制すると、自由度の数は３つ（すなわち、ｘ、ｙ、及びヨー）に減少する。この実施例では、テーブルの平面は、システムから３つの自由度を取り除く動作抑制をもたらす。別の実施例では、回転（外巻き）ジョイントが、６ＤｏＦ物体と別の固定位置物体との間に取り付けられた場合、回転ジョイントは、システムから５自由度を取り除くことで、物体の運動を１自由度（すなわち、外巻きジョイントの軸周りの回転）に抑制する。これらの実施例は、物理的な動作抑制であるが、制御された運動から１つ又は複数の自由度を取り除くために、動作抑制をソフトウェアに適用することも可能であり、本開示ではこのことが提案されている。
【００９５】
ＵＡＶと、標準動作において自由空間で６自由度を制御し得るＵＡＶのオペレータとが関わるシステムでは、オペレータがＵＡＶの１つ又は複数の自由度を直接制御できないよう、ＵＡＶの運動を抑制するために距離測定情報が使用される。例えば、（レーザ距離計からのリアルタイム測定データを用いて）動作抑制がターゲット物体までの距離に適用される場合、システムは、ＵＡＶをその特定の距離で維持しようとする。これは、低レベルコントローラが、依然として６自由度を制御できないことを意味しない。そうではなく、オペレータの視点から、直接制御していない１つ（又はそれより多くの）軸があることを意味する。突風によってＵＡＶが動作抑制の方向に押しやられると、低レベルコントローラは、ユーザ入力を必要とせずに補正のための動作制御をもたらす。これは、ターゲット物体から特定のオフセットを維持するのが望ましい条件において有用である。さらにこれは、仮想境界を設けたり、又は衝突を回避したりすることにおいて有用である。
【００９６】
一旦測定データが取得されると、ユーザに表示される場合があり、又は、追加機能（ビークル制御に用いられ得る動作抑制をもたらす等）に使用される場合がある。この拡張により、センサからのデータ及び引き出された測定データからのフィードバックに基づいて、ＵＡＶ２０を動作制御する能力が可能となる。結果として、システムに半自動制御、並びにより直感的な手動制御をもたらす能力が備わる。
【００９７】
レーザポインターを利用する実施例では、制御システムに追加することができる唯一の動作抑制の種類は、位置に関連するものである。なぜなら、これらの実施例は、配向を測定しないからである。２つ以上のレーザ距離計を有する実施例は、距離を判断することに加えて、ターゲット物体１０２に対するＵＡＶ２０の配向を測定する能力を有する。これにより、１つより多いレーザ距離計を有する実施例が、ターゲット物体１０２に対するＵＡＶ２０の位置と配向の両方を制御することが可能となる。
【００９８】
図１９は、一実施例に係るビークル８８に搭載された機器が取得した測定データに基づいて、ビークル８８の運動を制御するためのフィードバック制御プロセス８０のステップを特定するブロック図である。まずは、ユーザ又はエージェントが、ビークル８８のターゲットへの距離及びその配向に関する指令を入力する（ステップ８２）。この入力は、加算ジャンクション８４によって受信される。加算ジャンクション８４は、距離及び配向を算定するように構成された距離及び配向算定ソフトウェアモジュールから、距離及び配向データをさらに受信する（ステップ９４）。加算ジャンクション８４は、指令距離から算定距離を減算し、指令配向から算定配向を減算する。結果として得られた逸脱値は、制御信号算定ソフトウェアモジュールに出力される（ステップ８６）。このソフトウェアは、逸脱を減らすように計算される制御信号を算定するように構成されている。加算ジャンクション８４からの出力に基づいて、制御信号算定ソフトウェアモジュールは、ビークル８０に搭載された運動アクチュエータ９０（例えば、ロータ及びモータコントローラ）に制御信号を出力する。ビークル８０の飛行の間、センサは、センサデータを取得する（ステップ９２）。センサデータは、距離及び配向を算定するために使用される（ステップ９４）。
【００９９】
幾つかの実施例によれば、コンピュータシステム１６２は、搭載された位置合わせ方法論を用いて、ターゲット物体１０２に対するビデオカメラ１３０の相対位置（位置及び配向）のオフセットを判断する。このプロセスでは、３つのレーザ距離計からの距離情報を用いて、リアルタイムで相対位置が算定される。次いで、コンピュータシステム１６２は、そのデータを用いて、フィードバックに基づいた所望のＵＡＶ２０の運動をもたらす。
【０１００】
このプロセルが可能にする制御の一形態は、ビデオカメラ１３０の焦点軸が、ターゲット物体の表面に対して常に垂直となるか、又は、常に表面から特定の距離を保つことを確実なものとするように、位置合わせの幾つかの態様（ビデオカメラ１３０の配向等）においてオペレータを支援する半自動制御である。
【０１０１】
より具体的には、コンピュータシステム１６２は、レーザ距離計から受信した距離情報に基づいて、ターゲット物体の表面に対して垂直なベクトルとビデオカメラ１３０の焦点軸を位置合わせするためにどの運動が必要かを判断するように設定（例えば、プログラミング）されている。コンピュータシステム１６２は、選択されたモータコントローラ１６８に制御信号を送信し、必要に応じてモータ１４８を起動して、ＵＡＶ２０を配向させることで、ビデオカメラ１３０の焦点軸を表面法線と位置合わせする。
【０１０２】
３つのレーザ距離計は、ターゲット物体への距離を判断するために使用する他に、ヨー及びピッチの配向角度（以下、「ヨー角」及び「ピッチ角」）を判断するためにも使用される。説明を目的として、３つのレーザ距離計が二等辺三角形の各頂点に配置されたと仮定して、二等辺三角形の底辺の頂点に配置された２つレーザ距離計を隔てている距離をａとし、第３のレーザ距離計と二等辺三角形の底辺の中間点を隔てている距離（すなわち、二等辺三角形の高さ）をｂとする。各レーザ距離計からターゲット物体の表面までのそれぞれ測定された距離をｄ１、ｄ２、及びｄ３と仮定する。ピッチ角及びヨー角を計算するために、式（２）及び（３）を用いることができる。
ＰｉｔｃｈＡｎｇｌｅ＝ａｔａｎ２（ｄ１−（ｄ２＋ｄ３）／２，ｂ）    （２）
ＹａｗＡｎｇｌｅ＝ａｔａｎ２（ｄ２−ｄ３，ａ）    （３）
ここで、ＰｉｔｃｈＡｎｇｌｅ及びＹａｗＡｎｇｌｅは、ターゲット物体の表面に対して現在算定された配向角度であり、ａｔａｎ２は、２引数アークタンジェント逆三角関数（ａｒｇｕｍｅｎｔ  ａｒｃｔａｎｇｅｎｔ  ｉｎｖｅｒｓｅ  ｔｒｉｇｏｎｏｍｅｔｒｉｃ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）である。現在の位置の表面法線に対して測定されるこれらの角度の目標はゼロに等しくなることであり、目標角度を達成するプロセスは以下で説明される。
【０１０３】
現在のヨー角及びピッチ角が計算されると、システムの運動コントローラは、制御される運動、すなわち、パン、チルト、及び距離に対して速度制御法を用いることができる。比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラなどのフィードバックコントローラを使用して、現在の角度と所望の角度との間の誤差をゼロにもっていくことができる。ピッチ及びヨー運動制御を計算するために、式（４）及び（５）を用いることができる。
ＰｉｔｃｈＲａｔｅ＝Ｋｐｐｉｔｃｈ＊（ＰｉｔｃｈＡｎｇｌｅ−ＰｉｔｃｈＡｎｇｌｅｇｏａｌ）    （４）
ＹａｗＲａｔｅ＝Ｋｐｙａｗ＊（ＹａｗＡｎｇｌｅ−ＹａｗＡｎｇｌｅｇｏａｌ）    （５）
ここで、ＰｉｔｃｈＲａｔｅ及びＹａｗＲａｔｅは、それぞれ、位置合わせ装置のピッチ角周りの角度回転率、及びベースのヨー軸を指し、Ｋｐｐｉｔｃｈ及びＫｐｙａｗは、それぞれピッチ軸及びヨー軸に関連する比例フィードバックゲインであり、ＰｉｔｃｈＡｎｇｌｅ及びＹａｗＡｎｇｌｅは、それぞれ式（２）及び（３）から計算された角度であり、ＰｉｔｃｈＡｎｇｌｅｇｏａｌ及びＹａｗＡｎｇｌｅｇｏａｌは、コントローラがシステムを誘導している所望の目標角度（上述のように、これらは、この実施例では両方ともゼロである）。積分及び微分フィードバックも用いてもよいが、ここでは示されない。
【０１０４】
さらに、本開示は、下記の条項に係る実施例を含む。
【０１０５】
条項１
無人航空機を操作する方法であって、（ａ）無人航空機を構造体に向かって飛行するように制御することと、（ｂ）前記無人航空機が飛行している間、前記無人航空機に搭載された第１のレーザ距離計及び第２のレーザ距離計を使用して、前記構造体の表面上のそれぞれの第１のスポット（１０６）及び第２のスポットから前記第１のレーザ距離計及び前記第２のレーザ距離計をそれぞれ隔てている第１の距離及び第２の距離を反復的に測定することと、（ｃ）少なくとも前記第１の距離及び前記第２の距離に基づいて、前記構造体から前記無人航空機を隔てている第１の離間距離を計算することと、（ｄ）前記第１の離間距離が目標オフセットに等しいか否かを判断することと、（ｅ）ステップ（ｄ）で前記離間距離が前記目標オフセットに等しいと判断されたことに応答して、前記無人航空機を、前記構造体から前記第１の離間距離だけ隔てられた第１の位置でホバリングするように制御することと、（ｆ）前記無人航空機が前記第１の位置でホバリングしている間、前記無人航空機に搭載されたカメラを使用して、前記構造体の第１の画像を撮ることと、（ｇ）ディスプレイスクリーン上で前記第１の画像を表示することとを含む方法。
【０１０６】
条項２
前記第１の距離及び前記第２の距離が前記目標オフセットと等しく、少なくとも部分的に前記離間距離及び前記カメラの視野に基づいて、前記第１の画像が前記ディスプレイスクリーン上で表示されたときに前記第１の画像のためのスケール係数を計算することと、前記ディスプレイスクリーン上で表示された前記第１の画像に重ね合わされたスケールインジケータを表示することであって、前記スケールインジケータの値又は長さが前記スケール係数を表す、スケールインジケータを表示すること
をさらに含む、条項１に記載の方法。
【０１０７】
条項３
前記ディスプレイスクリーンが前記無人航空機に搭載されず、前記無人航空機から前記第１の画像を表す画像データを含むメッセージを送信することと、前記メッセージを地上ステーションで受信することと、前記メッセージから前記第１の画像を表す前記画像データを抽出することとをさらに含み、前記ディスプレイスクリーン上で前記第１の画像を表示することが、前記画像データに従って、前記ディスプレイスクリーンの画素の状態を制御することを含む、条項１に記載の方法。
【０１０８】
条項４
前記離間距離を維持しながら、前記無人航空機を第２の位置へ移動するように制御することと、前記無人航空機が前記第２の位置でホバリングしている間、前記カメラを使用して、前記構造体の第２の画像を撮ることと、前記ディスプレイスクリーン上で前記第２の画像を表示することとをさらに含む、条項１に記載の方法。
【０１０９】
条項５
前記第１の画像及び前記第２の画像が、それぞれ、前記構造体の表面上で部分的に重なり合う領域又は近接する領域を表す画像データの第１のセット及び第２のセットを含む、条項４に記載の方法。
【０１１０】
条項６
前記第１の距離及び前記第２の距離に基づいて、前記構造体の前記表面上の前記第１のスポットと前記第２のスポットとを接続する線に対して、前記カメラの焦点軸の配向角度を算定することと、少なくとも部分的に前記離間距離及び前記配向角度に基づいて、前記第１の画像が前記ディスプレイスクリーン上で表示されたときに前記第１の画像のためのスケール係数を計算することと、前記第１の画像に重ね合わされたスケールインジケータを表示することであって、前記スケールインジケータの値又は長さが前記スケール係数を表す、スケールインジケータを表示することをさらに含む、条項１に記載の方法。
【０１１１】
条項７
前記無人航空機が飛行している間、前記無人航空機に搭載された第３のレーザ距離計を使用して、前記構造体の表面上の第３のスポットから前記第３のレーザ距離計を隔てている第３の距離を反復的に測定することをさらに含み、前記離間距離が、前記第１の距離、前記第２の距離、及び前記第３の距離に基づいて計算される、条項１に記載の方法。
【０１１２】
条項８
前記第１の距離、前記第２の距離、及び前記第３の距離に基づいて、前記構造体の前記表面上の前記第１のスポット、前記第２のスポット、及び前記第３のスポットによって画定された平面に対して、前記カメラの前記焦点軸の第１の配向角度及び第２の配向角を算定することと、前記離間距離、並びに前記第１の配向角度及び前記第２の配向角度に基づいて、前記第１の画像が前記ディスプレイスクリーン上で表示されたときに前記第１の画像のためのスケール係数を計算することと、前記第１の画像に重ね合わされたスケールインジケータを表示することであって、前記スケールインジケータの値又は長さが前記スケール係数を表す、スケールインジケータを表示することをさらに含む、条項７に記載の方法。
【０１１３】
条項９
前記無人航空機が前記第１の位置から第２の位置へと動いた後、前記目標オフセットからの前記離間距離の逸脱を検出することと、前記無人航空機を、前記離間距離が前記目標オフセットと等しい第３の位置に飛行するように制御し、それにより、前記逸脱をゼロに減少することとをさらに含み、前記第３の位置に向かう前記無人航空機の前記飛行の制御が、前記無人航空機に搭載された運動コントローラによってもたらされる、条項１に記載の方法。
【０１１４】
条項１０
前記第１の距離、前記第２の距離、及び前記第３の距離に基づいて、前記構造体の前記表面に対して、前記カメラの前記焦点軸の配向角度を算定することと、前記無人航空機が前記第１の位置でホバリングしている間、所望の配向角度からの前記配向角度の逸脱を検出することと、前記配向角度が前記所望の配向角度と等しくなるよう、前記無人航空機を制御してその配向を変えることとをさらに含み、前記無人航空機の前記配向の制御が、前記無人航空機に搭載された運動コントローラによってもたらされる、条項１に記載の方法。
【０１１５】
条項１１
無人航空機を操作する方法であって、（ａ）無人航空機を構造体から隔てられた位置でホバリングするように制御することと、（ｂ）前記構造体の表面に向けて、平行状態で前記無人航空機上に枢動可能に取り付けられた第１のレーザポインター及び第２のレーザポインターを方向付けることであって、前記第１のレーザポインター及び前記第２のレーザポインターのそれぞれの枢動軸が固定距離だけ隔てられている、第１のレーザポインター及び第１のレーザポインターを方向付けることと、（ｃ）前記無人航空機が前記位置でホバリングしている間、互いに平行な前記第１のレーザポインター及び前記第２のレーザポインターを使用して、互いに平行な２つのレーザビームを第１のスポット及び第２のスポットそれぞれに送達することと、（ｄ）第１の時間で、前記無人航空機に搭載されたカメラを使用して、前記第１のスポット及び前記第２のスポットを含む前記構造体の前記表面の一部の第１の画像を撮ることと、（ｅ）前記第１のレーザポインターと前記第２のレーザポインターがもはや平行ではないように、前記無人航空機がホバリングしている間、前記第１のレーザポインター及び前記第２のレーザポインターを所定の角度だけ枢動させることと、（ｆ）前記無人航空機が前記位置でホバリングしている間、枢動した前記第１のレーザポインター及び前記第２のレーザポインターを使用して、非平行な２つのレーザビームを前記構造体の前記表面上の第３のスポット及び第４のスポットそれぞれに送達することと、（ｇ）第２の時間で、前記カメラを使用して、前記第３のスポット及び前記第４のスポットを含む前記構造体の前記表面の前記一部の第２の画像を撮ることと、（ｈ）前記画像内の前記第３のスポット及び前記第４のスポットの位置、所定角度、及び前記レーザポインター同士の枢動軸を隔てる前記固定距離に基づいて、前記構造体から前記無人航空機を隔てている第１の離間距離を計算するために、前記第１の画像及び前記第２の画像を処理することとを含む方法。
【０１１６】
条項１２
ステップ（ｈ）が、前記第３のスポット及び前記第４のスポットのそれぞれの中心を隔てている第２の離間距離を計算することをさらに含み、前記方法が、前記第２の離間距離に基づいて、地上ステーションにおいてコンピュータシステムのディスプレイスクリーン上で表示されたときに前記第１の画像及び前記第２の画像のためのスケール係数を計算することをさらに含む、条項１１に記載の方法。
【０１１７】
条項１３
（ｉ）前記無人航空機から前記第１の画像及び第２の画像を表す画像データを含むメッセージを送信することと、（ｊ）前記地上ステーションにおける前記コンピュータシステムで前記メッセージを受信することと、（ｋ）前記メッセージから前記第１の画像を表す前記画像データを抽出することとをさらに含み、ステップ（ｋ）が、前記地上ステーションにおける前記コンピュータシステムによって実行される、条項１２に記載の方法。
【０１１８】
条項１４
前記カメラを使用して、前記構造体の前記表面の一部の第３の画像を撮ることと、前記ディスプレイスクリーン上で前記第３の画像に重ね合わされたスケールインジケータを表示することであって、前記スケールインジケータの値又は長さが前記スケール係数を表す、スケールインジケータを表示することとをさらに含む、条項１２に記載の方法。
【０１１９】
条項１５
カメラ及びレーザ距離計を支えるパン−チルト機構、並びに慣性測定ユニットを備えた無人航空機を使用して、構造体の特徴をサイズ測定する方法であって、（ａ）前記無人航空機を、検査される構造体に向かって飛行し、次いで、前記検査される構造体から隔てられた第１の位置でホバリングするように制御することと、（ｂ）前記無人航空機が、前記第１の位置でホバリングし、第１の距離測定値を取得している間、前記レーザ距離計を、前記構造体の前記表面上の第１の目視可能な特徴に対応する第１のポイントに向けることと、（ｃ）前記レーザ距離計が前記第１のポイントに向けられたときに、前記パン−チルト機構を使用して、前記レーザ距離計のそれぞれのパン角及びチルト角を測定することと、（ｄ）ステップ（ｂ）及び（ｃ）で取得した距離及び角度測定値を、前記第１の位置における前記無人航空機の基準フレーム内の前記第１のポイントの位置を表す第１のベクトルに変換することと、（ｅ）前記無人航空機が第２の位置でホバリングし、第２の距離測定値を取得している間、前記レーザ距離計を、前記構造体の前記表面上の第２の目視可能な特徴に対応する第２のポイントに向けることと、（ｆ）前記レーザ距離計を前記第２のポイントに向けている間、前記パン−チルト機構を使用して、前記レーザ距離計のそれぞれのパン角及びチルト角を測定することと、（ｇ）ステップ（ｅ）及び（ｆ）で取得した前記距離及び角度測定値を、前記第２の位置における前記無人航空機の基準フレーム内の前記第２のポイントの位置を表す第２のベクトルに変換することと、（ｈ）前記第１の位置から前記第２の位置への飛行の間、前記慣性測定ユニットを使用して、前記無人航空機の加速度及び回転速度を測定することと、（ｉ）ステップ（ｈ）で取得した情報に基づいて、前記無人航空機の前記第１の位置と前記第２の位置との間の位置差及び配向差を表す変換マトリクスを生成することと、（ｊ）前記変換マトリクスによって前記第２のベクトルを乗算して、前記第１の位置における前記無人航空機の基準フレーム内の前記第２のポイントの位置を表す第３のベクトルを形成することと、（ｋ）前記第１のベクトル及び前記第３のベクトルを使用して、前記第１のポイントと前記第２のポイントとの間の距離（ｄ）を計算することとを含む方法。
【０１２０】
条項１６
（ｌ）前記無人航空機から、ステップ（ｂ）、（ｃ）、（ｅ）、（ｆ）、及び（ｈ）で取得した測定データを含む１つ又は複数のメッセージを送信することと、（ｍ）地上ステーションにおけるコンピュータシステムで前記１つ又は複数のメッセージを受信することと、（ｎ）前記メッセージから前記測定データを抽出することとをさらに含み、ステップ（ｄ）、（ｇ）、及び（ｉ）から（ｋ）が、地上ワークステーションにおけるコンピュータシステムによって実行される、条項１５に記載の方法。
【０１２１】
条項１７
前記無人航空機が前記第１の位置でホバリングしている間、前記カメラを使用して、前記第１の目視可能な特徴及び前記第２の目視可能な特徴を含む前記構造体の前記表面の一部の画像を撮ることと、前記画像と、前記地上ワークステーションにおける前記コンピュータシステムのディスプレイスクリーン上の画像に重ね合わされた、ステップ（ｋ）で計算された距離の値を表す記号とを表示することとをさらに含む、条項１６に記載の方法。
【０１２２】
条項１８
前記第１の目視可能な特徴及び前記第２の目視可能な特徴が、前記構造体における異常部分のそれぞれのエンドポイントである、請求項１５に記載の方法。
【０１２３】
条項１９
無人航空機であって、フレーム、前記フレームに回転可能に取り付けられた複数のロータ、前記複数のロータの各ロータの駆動回転部にそれぞれ連結された複数のモータ、前記複数のモータの動作を制御するための複数のモータコントローラ、前記フレームに取り付けられたパン−チルト機構、前記パン−チルト機構に取り付けられたカメラ、前記パン−チルト機構に取り付けられたレーザ距離計、前記モータコントローラに指令を送信し、前記パン−チルト機構の動作を制御し、且つ前記カメラ及び前記レーザ距離計を選択的に起動するように構成されたコンピュータシステム、前記フレームに取り付けられ、前記コンピュータシステムに直線加速度及び回転速度データを送信するように構成された慣性測定ユニット、並びに前記コンピュータシステムと制御ステーションとの間の通信を可能にするように構成された送受信機を備え、前記コンピュータシステムが、前記カメラから画像データ、前記パン−チルト機構からパン角及びチルト角データ、前記レーザ距離計から距離データ、並びに前記慣性測定ユニットから直線加速度及び回転速度データを受信し、構造体に対する前記無人航空機の第１の位置を決定し、前記モータコントローラに第１の指令を送信し、前記無人航空機を、前記第１の位置から、前記カメラが目標オフセットだけ前記構造体の表面から隔てられている第２の位置まで飛行させるようにさらに構成されている、無人航空機。
【０１２４】
条項２０
無人航空機であって、フレーム、前記フレームに回転可能に取り付けられた複数のロータ、前記複数のロータの各ロータの駆動回転部にそれぞれ連結された複数のモータ、前記複数のモータの動作を制御するための複数のモータコントローラ、カメラ、第１、第２、及び第３のレーザポインター、前記モータコントローラに指令を送信し、前記カメラ及び前記第１から前記第３のレーザポインターを選択的に起動するように構成されたコンピュータシステム、並びに前記コンピュータシステムと制御ステーションとの間の通信を可能にするように構成された送受信機を備え、前記第１及び第２のレーザポインターが、互いに平行な関係で前記フレームに固定され、前記第３のレーザポインターが、前記フレームに枢動可能に連結されている、無人航空機。
【０１２５】
様々な実施形態を参照しながら、構造体の非破壊検査の間に無人航空機の操作を制御する方法が説明されてきたが、当業者であれば、本明細書の教示の範囲から逸脱しない限り、様々な変更が可能であることと、その要素を均等物に置換できることとを理解するだろう。さらに、その範囲から逸脱することなく、多数の修正を行い、本明細書の教示を特定の状況に適合させることができる。したがって、特許請求の範囲は、本明細書に開示された特定の実施例に限定されないことが意図される。
【０１２６】
特許請求の範囲で使用されるように、「位置（ｌｏｃａｔｉｏｎ）」という用語は、３次元座標系での位置及び当該座標系に対する配向を含む。
【０１２７】
本明細書に記載された方法は、限定するものではないが、記憶デバイス及び／又はメモリデバイスを含む非一過性の有形的なコンピュータ可読記憶媒体で具現化される実行可能な命令として符号化され得る。このような命令は、処理システム又はコンピュータシステムで実行された場合、システムデバイスに、本明細書に記載された方法の少なくとも一部を実施させる。
【０１２８】
請求項の文言が、請求項に列挙されているステップのうちの幾つか或いは全てが実施される特定の順序を示す条件を明確に特定又は宣言していない限り、これらのステップが、アルファベット順（本明細書中の任意のアルファベット順はあらかじめ列挙されているステップを参照する目的でのみ使用されている）又はこれらのステップが列挙されている順で実施されることを、以下に記載されるプロセスの請求項が要求していると解釈すべきではない。また、請求項の文言が、そのような解釈を除外する条件を明確に宣言していない限り、プロセスの請求項は、同時に又は交互に実施される２つ以上のステップの任意の部分を除外すると解釈すべきでない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
2019114234.tif 000030
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2019114234.tif 000033
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【外国語明細書】
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2019114234000002.pdf
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