(57)【要約】地面効果力を使用し、表面に対する車両の位置付けを制御するように設計された車両ならびにその使用方法が、説明される。一実施形態では、車両が、部分的楕円形状を有する第１の部分と、平坦であり、第１の部分と関連付けられる第２の部分とを含む車体を有する。車両はまた、車体の平坦な第２の部分がそれに向かって配向される好適な表面からの情報を感知するように構成される、１つまたはそれを上回るセンサを含む。さらに別の実施形態では、車両は、平坦部分を含む、車体と、車体の平坦部分と関連付けられる、少なくとも１つのスラスタとを有する。少なくとも１つのスラスタは、ある直径およびある推力容量を有する。
2018508413.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両であって、
車体であって、
部分的楕円形状を有する、第１の部分と、
平坦であり、前記第１の部分と関連付けられる、第２の部分と、
を含む、車体と、
前記車体の平坦な第２の部分がそれに向かって配向される表面からの情報を感知するように構成される、１つまたはそれを上回るセンサと、
を備える、車両。
【請求項２】
前記平坦な第２の部分の面積は、前記平坦な第２の部分に向かって配向される前記楕円の第１の部分の投影面積の１０％〜１００％の間である、または１０％および１００％に等しい、請求項１に記載の車両。
【請求項３】
前記車体の平坦部分の中心と関連付けられる中央スラスタをさらに備える、請求項１に記載の車両。
【請求項４】
前記車体の平坦部分とも関連付けられる複数のスラスタをさらに備える、請求項３に記載の車両。
【請求項５】
前記複数のスラスタは、前記車体の平坦部分の周辺に沿って均一に分散される、請求項４に記載の車両。
【請求項６】
前記複数のスラスタは、前記車体の平坦部分の中心を垂直に通過する軸に向かって内向きに角度付けられる、請求項４に記載の車両。
【請求項７】
前記複数のスラスタは、前記車体の平坦部分の中心を垂直に通過する軸から離れて外向きに側方に角度付けられる、請求項４に記載の車両。
【請求項８】
前記１つまたはそれを上回るセンサは、超音波センサ、渦電流検出器、磁気センサ、カメラ、光学センサ、温度センサ、圧力センサ、ＰＨセンサ、濁度センサ、酸素センサ、二酸化炭素センサ、線形センサアレイ、およびフェーズドセンサアレイのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の車両。
【請求項９】
車両であって、
平坦部分を含む、車体と、
前記車体の平坦部分がそれに向かって配向される表面からの情報を感知するように構成される、１つまたはそれを上回るセンサであって、前記センサは、前記車体の平坦部分から所望の感知範囲を有し、前記車体の平坦部分の弦長は、前記車両が前記表面に対して側方に移動されると、前記所望の感知範囲内の表面に対して少なくとも１つの安定した均衡位置をもたらす、１つまたはそれを上回るセンサと、
を備える、車両。
【請求項１０】
前記車体の平坦部分の面積は、前記車体の平坦部分に向かって配向される前記車体の投影面積の１０％〜１００％の間である、または１０％および１００％に等しい、請求項９に記載の車両。
【請求項１１】
前記車体の平坦部分の中心と関連付けられる中央スラスタをさらに備える、請求項９に記載の車両。
【請求項１２】
前記車体の別の部分と関連付けられる１つまたはそれを上回るスラスタをさらに備え、前記１つまたはそれを上回るスラスタは、前記車両に、前記車体の平坦部分に平行な方向において力を印加することが可能である、請求項９に記載の車両。
【請求項１３】
前記１つまたはそれを上回るスラスタによって提供される推力を調節し、前記車両を前記少なくとも１つの安定した平衡地面効果高さに維持するために十分な速度において前記車両を前記表面に対して移動させるように構成される、コントローラをさらに備える、請求項１２に記載の車両。
【請求項１４】
前記車体の別の部分と関連付けられる１つまたはそれを上回るスラスタをさらに備え、前記１つまたはそれを上回るスラスタは、前記車両に、前記車体の平坦部分に垂直な方向において力を印加することが可能である、請求項９に記載の車両。
【請求項１５】
前記車体の平坦部分と関連付けられる前記車体の部分的楕円部分をさらに備える、請求項９に記載の車両。
【請求項１６】
前記１つまたはそれを上回るセンサは、超音波センサ、渦電流検出器、磁気センサ、カメラ、光学センサ、温度センサ、圧力センサ、ＰＨセンサ、濁度センサ、酸素センサ、二酸化炭素センサ、線形センサアレイ、およびフェーズドセンサアレイのうちの少なくとも１つを含む、請求項９に記載の車両。
【請求項１７】
車両であって、
平坦部分を含む、車体と、
前記車体の平坦部分と関連付けられる、少なくとも１つのスラスタであって、前記少なくとも１つのスラスタは、ある直径およびある推力容量を有する、少なくとも１つのスラスタと、
前記車体の平坦部分がそれに向かって配向される表面からの情報を感知するように構成される、１つまたはそれを上回るセンサであって、前記センサは、前記車体の平坦部分から所望の感知範囲を有し、前記直径は、適切に定寸され、前記推力容量は、前記車両が前記表面に隣接して位置するとき、前記所望の感知範囲内の表面に対して少なくとも１つの安定した均衡位置を提供するために十分である、１つまたはそれを上回るセンサと、
を備える、車両。
【請求項１８】
前記少なくとも１つのスラスタは、前記車体の平坦部分の中心と関連付けられるスラスタを含む、請求項１７に記載の車両。
【請求項１９】
前記少なくとも１つのスラスタは、前記車体の平坦部分と関連付けられる複数のスラスタである、請求項１７に記載の車両。
【請求項２０】
前記複数のスラスタは、前記車体の平坦部分の周囲の周辺に沿って均一に分散される、請求項１９に記載の車両。
【請求項２１】
前記複数のスラスタは、前記車体の平坦部分の中心を垂直に通過する軸に向かって内向きに側方に角度付けられる、請求項１９に記載の車両。
【請求項２２】
前記複数のスラスタは、前記車体の平坦部分の中心を垂直に通過する軸から離れて外向きに側方に角度付けられる、請求項１９に記載の車両。
【請求項２３】
前記１つまたはそれを上回るセンサは、超音波センサ、渦電流検出器、磁気センサ、カメラ、光学センサ、温度センサ、圧力センサ、ＰＨセンサ、濁度センサ、酸素センサ、二酸化炭素センサ、線形センサアレイ、およびフェーズドセンサアレイのうちの少なくとも１つを含む、請求項１７に記載の車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（政府出資）
本発明は、米国科学財団によって助成された認可番号CMMI1363391の政府支援を用いてなされた。政府は、本発明に一定の権利を有する。
【０００２】
（関連出願の相互参照）
本願は、２０１５年３月３日に出願された米国仮出願第６２／１２７，５１０号および２０１５年３月３日に出願された米国仮出願第６２／１２７，４８９号の３５  Ｕ．Ｓ．Ｃ．  §  １１９（ｅ）のもとの優先権の利益を主張するものであり、これらの各々の開示は、参照によりその全体が本明細書中に援用される。
【０００３】
開示される実施形態は、水中車両設計および制御方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
海洋ロボット工学では、構造物の検査および保守のための高度なシステムを開発するために、多くの研究が、行われている。例えば、そのような車両に関する用途は、いくつか例を挙げると、水中インフラストラクチャ、パイプライン、ダム、油田掘削リグ、ならびに沸騰水型原子炉の内部システムの検査を含む。加えて、これらの検査は、外部および内部構造欠陥に関して試験するために、近接外観検査および接触検査の両方を要求する。港湾セキュリティ等の別の用途では、禁制品の密輸を防止するための船体の注意深い接触超音波走査および視覚映像化が、非常に着目される分野である。現在、人間のダイバーおよびイルカを採用する米国海軍の数百万ドル規模の海洋哺乳類プログラムが、多くの場合、そのような危険な任務を担うために要求される。しかしながら、これらのプログラムは、容易に拡張可能ではない。人間のダイバーへのリスクを低減させ、拡張可能な解決策を見出すために、相当な労力が、現在、海中ロボット工学に注がれている。しかしながら、典型的な浸水面検査ロボットは、浸水面を横断して移動するために、舵輪、磁石、および／または真空吸引の種々の組み合わせを使用する、大きく複雑なシステムである。これらのシステムを制御するために要求される労力は、膨大であり、これらのシステムは、多くの場合、繋留される。したがって、結果として生じる検査プロセスは、緩慢であり、種々のタイプの検出のために要求される離散性を有していない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態では、車両が、部分的楕円形状を有する第１の部分と、平坦であり、第１の部分と関連付けられる第２の部分とを含む、車体を有する。車両はまた、車体の平坦な第２の部分がそれに向かって配向される表面からの情報を感知するように構成される、１つまたはそれを上回るセンサを含む。
【０００６】
別の実施形態では、車両は、平坦部分を含む、車体と、車体の平坦部分がそれに向かって配向される表面からの情報を感知するように構成される、１つまたはそれを上回るセンサとを有する。センサは、車体の平坦部分から所望の感知範囲を有する。さらに、車体の平坦部分の弦長は、車両が表面に対して側方に移動されると、所望の感知範囲内の表面に対して少なくとも１つの安定した均衡位置をもたらす。
【０００７】
さらに別の実施形態では、車両は、平坦部分を含む、車体と、車体の平坦部分と関連付けられる、少なくとも１つのスラスタとを有する。少なくとも１つのスラスタは、ある直径およびある推力容量を有する。車両はまた、車体の平坦部分がそれに向かって配向される表面からの情報を感知するように構成される、１つまたはそれを上回るセンサを含む。センサは、車体の平坦部分から所望の感知範囲を有する。さらに、少なくとも１つのスラスタの直径は、適切に定寸され、推力容量は、車両が表面に隣接して位置するとき、所望の感知範囲内の少なくとも１つの安定した均衡位置を提供するために十分である。
【０００８】
別の実施形態では、流体中に浸漬された車両を制御する方法が、流体中に浸漬された車両を表面に対して第１の事前選択された距離に位置付けるステップと、車両を第１の事前選択された距離に維持するために、車両に地面効果力を印加するステップとを含む。
【０００９】
さらに別の実施形態では、流体中に浸漬された車両を制御する方法は、表面に対する地面効果力の第１の安定した均衡距離において車両に地面効果力を印加するステップを含み、したがって、車両が表面に対して変位されると、地面効果力は、これを第１の安定した均衡距離に向かって付勢する。
【００１０】
別の実施形態では、流体中に浸漬された車両を制御する方法は、車両の平坦部分を表面に向かって配向するステップと、車両を表面に向かって付勢する推力を車両に印加するステップと、表面に対して車両に地面効果力を印加するステップであって、車両の正味重量、車両を表面に向かって付勢する正味推力、および表面と関連付けられる地面効果力は、表面に向かって配向される方向において車両に印加される実質的に正味ゼロの力をもたらす、ステップとを含む。
【００１１】
前述の概念および以下に議論される付加的概念は、本開示がこの点に限定されないため、任意の好適な組み合わせにおいて配列され得ることを理解されたい。さらに、本開示の他の利点および新規の特徴が、付随の図と併せて考慮されたとき、以下の種々の非限定的実施形態の発明を実施するための形態から明白となるであろう。
【００１２】
本明細書および参照することによって組み込まれる文書が、矛盾する、および／または一貫性のない開示を含む場合では、本明細書が、優先されるものとする。参照することによって組み込まれる２つまたはそれを上回る文書が、相互に対して矛盾する、および／または一貫性のない開示を含む場合、より後の発効日を有する文書が、優先されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
付随の図面は、縮尺通りに描かれることを意図されない。図面では、種々の図において例証される、各同じまたはほぼ同じ構成要素は、同様の番号によって表され得る。明確化を目的として、全構成要素が、全図において標識化され得るわけではない。
【００１４】
【図１Ａ】図１Ａは、平坦底部がスラスタと、センサとを含む、部分的楕円車両の一実施形態の概略上面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａに示される車両の実施形態の側面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、図１Ａに示される車両の実施形態の底面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、平坦底部がスラスタと、センサとを含む、部分的楕円車両の一実施形態の概略上面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａに示される車両の実施形態の側面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、図２Ａに示される車両の実施形態の底面図である。
【図３】図３は、平坦底部が標識化された寸法を含む、部分的楕円車両の底面図である。
【図４】図４は、図３に示される車両の標識化された寸法を含む、側面図である。
【図５】図５は、平坦底部が標識化された寸法を含む、部分的楕円車両の側面図である。
【図６】図６は、１つまたはそれを上回る凹凸を伴う表面を横断する、楕円車両の概略表現である。
【図７】図７は、湾曲面を横断する、楕円車両の概略表現である。
【図８Ａ】図８Ａは、上向き地面効果力が存在する領域において、表面に対して側方に移動する車両の概略表現である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図８Ａの車両に作用する力の概略表現である。
【図９Ａ】図９Ａは、下向き吸引地面効果力が存在する領域において、表面に対して側方に移動する車両の概略表現である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図９Ａの車両に作用する力の概略表現である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、自由流条件における中央スラスタを含む、車両の概略表現である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、図１０Ａの車両に作用する力の概略表現である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、地面効果力が存在する表面の距離内の中央スラスタを含む、車両の概略表現である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１１Ａの車両に作用する力の概略表現である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、ポンプと、異なる方向に配向される複数のスラスタとを含む、車両の一実施形態の上面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、車両の異なる部分に沿ってスラスタの配列および配向を例証する、図１２Ａの車両の断面側面図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、ポンプと、異なる方向に配向される複数のスラスタとを含む、車両の一実施形態の上面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、車両の異なる部分に沿ってスラスタの配列および配向を例証する、図１３Ａの車両の断面側面図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、ポンプと、異なる方向に配向される複数のスラスタとを含む、車両の一実施形態の上面図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、車両の異なる部分に沿ってスラスタの配列および配向を例証する、図１４Ａの車両の断面側面図である。
【図１５】図１５−１８は、異なる角度に配向される表面に向かって車両の平坦部分を配向するために使用される可変重心を含む、車両の概略表現である。
【図１６】図１５−１８は、異なる角度に配向される表面に向かって車両の平坦部分を配向するために使用される可変重心を含む、車両の概略表現である。
【図１７】図１５−１８は、異なる角度に配向される表面に向かって車両の平坦部分を配向するために使用される可変重心を含む、車両の概略表現である。
【図１８】図１５−１８は、異なる角度に配向される表面に向かって車両の平坦部分を配向するために使用される可変重心を含む、車両の概略表現である。
【図１９】図１９は、車両が地面効果力を使用して、表面に対して所望の距離を維持するための制御方法の１つの可能な実施形態のフロー図である。
【図２０】図２０は、表面に対して側方に移動される非対称本体を含む車両に対する、力対間隙サイズのグラフである。
【図２１】図２１は、より小さい間隙サイズにおいて表面に対して側方に移動される非対称本体を含む車両に対する、力対間隙サイズのグラフである。
【図２２】図２２は、異なる間隙サイズに対して計算された揚力対速度のグラフである。
【図２３】図２３は、異なる間隙サイズに対して測定された揚力対速度のグラフである。
【図２４】図２４は、車両が最初に１ｍｍだけ変位されるときの、表面に対して安定した均衡位置の周囲の車両の変位および速度のグラフである。
【図２５】図２５は、表面に対して０．５ｍ／秒で移動される、異なるε値における異なるサイズの車両に対する揚力係数のグラフである。
【図２６】図２６は、表面に対して１．０ｍ／秒で移動される、異なるε値における異なるサイズの車両に対する揚力係数のグラフである。
【図２７】図２７は、抗力対速度のグラフである。
【図２８】図２８は、異なるε値に対する抗力係数のグラフである。
【図２９】図２９は、揚力係数対λのグラフである。
【図３０】図３０は、ポンプに対する自由流力対印加された電圧のグラフである。
【図３１】図３１は、表面に対して異なる間隙値における車両にスラスタによって印加された力のグラフである。
【図３２】図３２は、異なる印加されたスラスタ電圧に対して計算された、表面に対して異なる間隙値における車両にスラスタによって印加された力のグラフである。
【図３３】図３３は、異なる印加されたスラスタ電圧に対して、表面に対して異なる間隙値における車両にスラスタによって印加された実験的力のグラフである。
【図３４】図３４は、安定した均衡距離対異なる印加されたスラスタ電圧のグラフである。
【図３５】図３５は、正規化された反射力対印加されたスラスタ電力のグラフである。
【図３６】図３６−３７は、スラスタからの力の方向を示す、車両の上面図および側面図である。
【図３７】図３６−３７は、スラスタからの力の方向を示す、車両の上面図および側面図である。
【図３８】図３８−３９は、潜航可能車両の外部および内部写真である。
【図３９】図３８−３９は、潜航可能車両の外部および内部写真である。
【図４０】図４０−４１は、ノーズダウンピッチングモーメントを受ける車両の写真である。
【図４１】図４０−４１は、ノーズダウンピッチングモーメントを受ける車両の写真である。
【図４２】図４２および４３は、角度付けられた制御噴流を含む車両の写真である。
【図４３】図４２および４３は、角度付けられた制御噴流を含む車両の写真である。
【図４４】図４４は、開および閉ループ制御に関する車両軌跡のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
低速度および制御困難性等の接触検査車両の制限に照らして、本発明者らは、構造物内で、および／または着目表面に近接してのいずれかで、非接触モードにおいて動作することが可能な車両と関連付けられる利益を認識した。そのような車両は、検査される表面または面積の表面粗さ、凹凸、もしくは他の可変特性によって妨害されることなく、種々のタイプの検査等の用途のためにより速く、かつより信頼性のある動作を提供し得るが、本明細書に開示される車両が接触モードで動作される事例もまた、想定される。例えば、そのような車両は、港湾セキュリティだけではなく、いくつか例を挙げると、水中インフラストラクチャ、パイプライン、ダム、油田掘削リグ、ならびに沸騰水型原子炉の内部システムの検査および保守等、高速で正確な検査が有利であり得る用途において特に有益であり得る。具体的用途が上記に留意されるが、開示される車両は、任意の数の他の用途に適用され得る。
【００１６】
表面に対する車両の非接触制御を可能にするために、本発明者らは、表面に対する車両の制御された間隙を維持するための車両幾何学形状および制御方法を開発する必要性を認識した。水中環境において、間隙を調整するための厳密なフィードバック制御を実装することが可能であり得るが、そのような総当たり制御方法は、強力かつ極めて速い応答のアクチュエータを要求する可能性が高いであろう。したがって、使用される任意の適切なフィードバック制御ループに加えて、本発明者らは、車両と検査面との間の流体力学的効果を使用し、検査面に対する車両の移動を自動的に制御することと関連付けられる利益を認識した。すなわち、本発明者らは、以下にさらに詳述されるような種々の方法で車両を制御するために、表面に近接する流体挙動を変化させる、いわゆる「地面効果」力を活用する車両幾何学形状および制御方法を開発した。
【００１７】
地面効果という用語は、車両が表面に近接近するとき、これが被る力を生成する現象を説明するために使用されるが、地面効果という語句は、車両が地面に近接していることに起因して力を生成している状況のみに限定されないことを理解されたい。代わりに、地面効果、地面効果力という語句、または任意の関連する語句が、限定ではないが、いくつか例を挙げると、地面、海底、川底、船体、パイプの内部、ならびに浸漬構造物（例えば、ダムおよび油田掘削リグ支持）を含む、任意の表面に近接する車両の動作に適用可能である。
【００１８】
いくつかの実施形態では、種々の方法で車両に印加される地面効果力は、車両を表面に対して所望の距離に自己安定化させるために操作されることができる。例えば、本明細書に説明される実施形態および実施例は、地面効果と関連付けられる競合する吸引力および揚力が、車両に印加される他の力とともに、安定した正味ゼロの力または均衡位置を表面に対する１つまたはそれを上回る距離に生成するように平衡され得る方法を例証する。これらの安定した均衡位置における表面に対する距離による力の変化に起因して、車両が安定した正味ゼロの力の位置から離れて変位されるにつれて、正味の力は、変化し、車両を安定した位置に向かって戻すように付勢する。例えば、一実施形態では、安定した均衡位置より下では、揚力が、優勢になり始め、車両を表面から離れて上向きに、かつ安定した均衡位置に向かって付勢する。対応して、安定した均衡位置より上では、吸引力が、優勢になり始め、車両を表面および安定した均衡位置に向かって戻すように下向きに付勢する。したがって、地面効果力は、車両と着目表面との間の間隙を制御するために、他の制御方法の代わりに、またはそれと組み合わせて使用され得る、自己安定化制御方法を実装するために利用されることができる。この効果に照らして、いくつかの実施形態では、表面に対して車両に印加される正味の力は、表面への距離が増加するにつれて減少し得る（すなわち、吸引がより優勢になる）。当然ながら、距離に対するこの力の変化の絶対値は、いくつか例を挙げると、車両サイズ、速度、印加される推力、間隙距離、および所望の用途に依存するであろう。したがって、所望の用途のための任意の適切な範囲の値が、使用され得ることを理解されたい。
【００１９】
正味の力対間隙距離の負の変化が、上記の安定した均衡点に関して上記に留意されるが、車両は、正味の力対間隙距離の変化が正である領域において、動的および／または静的のいずれかで動作され得ることを理解されたい。そのような動作は、単純に、上記に説明されるような自己安定化ではないであろう。
【００２０】
種々のタイプの地面効果力が、車両に印加され、表面に対する車両の移動および位置付けを制御することに役立ち得る。さらに、特定の動作モードに応じて、これらのタイプの地面効果力のうちのいずれか１つが、単独で、または他のタイプの地面効果力ならびに車両に作用する他の力との組み合わせのいずれかにおいて使用され、車両の位置付けおよび運動を制御し得る。具体的タイプの地面効果力が、以下にさらに詳述される。
【００２１】
一実施形態では、車両は、表面に対する車両の側方運動に起因して、地面効果力を生成し得る。そのような実施形態では、理論によって拘束されるわけではないが、表面に対する車両の側方移動（すなわち、表面に略平行）は、車両の下の流体の流動を、流体を通した車両の速度と比較して加速させる。これは、第１の距離において吸引を引き起こし、チョーキングに起因して第２のより近接した距離において表面からの反発を引き起こし得る。いくつかの実施形態では、自己安定化均衡点が、これらの距離の間に位置し得る。
【００２２】
別の実施形態では、車両は、着目表面に向かって配向されるように構成される、１つまたはそれを上回るスラスタを含み得る。スラスタの直径、印加される推力、および表面からの距離に応じて、１つまたはそれを上回る噴流が、種々の地面効果を生成し得る。例えば、スラスタからの流体の噴流は、車両と表面との間に流体の側方流動を生成し、車両を表面に向かって吸引する低圧区域を引き起こす、壁面効果を生成し得る。噴流はまた、車両に対する吸引力もまた生成する、ベンチュリ効果としても公知である、渦を生成し得る。また、スラスタからの通常の推力に加えて、車両に向かって表面から反射される噴流に対応する観察される噴水効果に起因して、車両に印加される上向き力も存在する。これらの種々の効果が優勢である領域、およびそれらが車両を制御するためにともに使用され得る方法が、以下にさらに詳細に説明される。
【００２３】
任意の適切に成形および定寸された車両が、説明されるシステムおよび方法と併用され得るが、本発明者らは、特定の車両形状を使用することと関連付けられる利益を認識した。例えば、いくつかの実施形態では、内部が浸水していないとき、圧縮下の車両に印加される応力を低減させることが、望ましくあり得る。したがって、平滑な曲率の変化を伴う平滑な表面が、使用され得る。一実施例では、球体が、使用され得る。しかしながら、球体は、制御および安定性の問題をもたらし得る。したがって、別の実施形態では、５自由度を使用する移動のためにより好適である、楕円体が、使用され得る。加えて、球体および楕円体等の形状は、有益なこととして、特定のサイズの車両のために体積対表面積比を最大限にすることに役立つ。言及される楕円体は、限定ではないが、１：２、１．４：１．６５、もしくは任意の他の適切な比率の間である、またはそれらに等しい長軸対短軸の比率を含む、任意の所望の縦横比を有し得る。加えて、楕円体の一方の半分が第１の縦横比を有し、楕円体の他方の対向する半分が異なる縦横比を有し得る、非対称楕円体が、使用され得、これは、車両が被る地面効果を増進することに役立ち得る。種々の配列の球体および楕円体が上記に言及されたが、本開示が本方式に限定されないため、車両は、任意の所望の形状を有し得ることを理解されたい。
【００２４】
特定の用途に応じて、車両は、任意の所望の最大外寸を有し得る。例えば、一実施形態では、車両は、５インチ〜６０インチ、２４インチ〜４８インチ、もしくは所望の用途のための任意の他の適切なサイズ範囲間である、またはそれらに等しい最大外寸を有し得る。したがって、約数十ヤードまたはフィートの寸法を伴う大きい車両を含む、上記に留意されるものよりも小さいものおよび大きいものの両方である外寸を有する車両もまた、想定されることを理解されたい。
【００２５】
車両の全体的形状に加えて、本発明者らは、着目表面に向かって配向され得る車両車体上への平坦部分の追加を認識した。いくつかの実施形態では、車体のこの平坦部分は、観察される地面効果力を増進し、車両が流体を通して移動する際のその安定性を増進し、および／または表面検査を実行するために表面に対してセンサを位置付けることに役立つように定寸および成形され得る。特定の実施形態に応じて、車体の平坦部分は、車体の平坦部分に向かって配向される車体の投影面積の１０％〜１００％、２０％〜１００％、３０％〜１００％、５０％〜１００％、２０％〜８０％、もしくは任意の他の適切な範囲の割合の間である、またはそれらに等しい面積を有し得る。例えば、車体の関連付けられる楕円部分の投影面積に等しい面積を有する、平坦車体部分に対応する半分の楕円体形状は、マッピング用途において有用であり得るセンサのための比較的に広い面積を提供し得、車両は、地面効果力を使用して海底面に対して移動されながら、車体の平坦部分と関連付けられるより多い数のセンサを用いてその面積をマッピングする。
【００２６】
本明細書に説明される車両車体および種々の他の構成要素は、任意の適切な材料から作製され得ることを理解されたい。例えば、車体は、種々の金属、ポリマー、セラミック、および／またはこれらの材料の組み合わせから作製され得る。加えて、いくつかの実施形態では、着目表面に向かって配向されるように意図される車体の平坦部分は、エラストマ（例えば、ゴム、ポリイソプレン、ポリブタジエン、ポリイソブチレン、ポリウレタン等）等の弾性材料から作製され得る。理論によって拘束されるわけではないが、そのような表面は、車両が接触および／またはスタンドオフモードのいずれかにおいて、凹凸を含む表面を横断する際、その応答を平滑化することに役立ち得る。
【００２７】
表面に対する距離を維持することが可能な車両は、いくつかの用途において適用可能であり得るが、そのような車両は、種々のタイプの検査および／または保守を実行するために使用されるときに特に有益であり得る。例えば、上記に留意されるように、いくつかの実施形態では、車両は、船体、海底の底面、または任意の他の着目物体もしくは場所等の表面についての情報を感知するための１つまたはそれを上回るセンサを含み得る。使用され得る適切なタイプのセンサは、限定ではないが、超音波センサ、渦電流検出器、磁気センサ、カメラ、光学センサ、温度センサ、圧力センサ、ＰＨセンサ、濁度センサ、酸素センサ、二酸化炭素センサ、線形センサアレイ、フェーズドセンサアレイ、ならびに任意の他の適切なタイプおよび／または配列のセンサを含む。
【００２８】
いくつかの実施形態では、使用されるセンサのタイプに応じて、センサは、表面から情報を感知するとき、その中にセンサを維持するために望ましい所望の感知範囲を有し得る。１つのそのような実施形態では、超音波センサ等のセンサは、超音波の波長に関連する好ましい感知範囲を有する。具体的には、センサが、表面から離れて４分の１波長の奇数倍に配置されるとき、重複する波は、トランスデューサにおいて同相で加算され、信号最大値を生成する。対照的に、センサが、４分の１波長の偶数倍に配置されるとき、波は、打ち消し合い、信号は、その最小値である。したがって、いくつかの実施形態では、超音波センサに関する感知範囲は、４分の１波長の奇数倍±０．５であり得る。１つのそのような実施例では、３００ＫＨｚの超音波トランスデューサが、水中で４ｍｍの波長（ｃｗ＝１，５００ｍ／秒）を有し、これは、１ｍｍの４分の１波長に変換される。したがって、最大信号は、表面から１×ｎ  ｍｍにおいて取得され、式中、ｎは、奇数である。
【００２９】
前述の概念に基づいて、一実施形態では、流体中に浸漬された車両が、少なくとも部分的に、車両を船体または海底等の表面に対して事前選択された距離に位置付けることによって制御され得る。いくつかの事例では、事前選択された距離は、表面に対する車両の安定した均衡距離に対応し得る。いったん適切に位置付けられると、１つまたはそれを上回る地面効果力が、車両に印加され、着目表面に対する事前選択された距離において車両に印加される正味ゼロの力を生成することによって、車両を第１の事前選択された距離に維持し得る。例えば、車両に印加される種々のタイプの地面効果力、車両の正味重量（すなわち、実際の重量から浮力を差し引いたもの）が、関連付けられるスラスタ等の源から車両に印加される任意の他の力とともに、表面に向かって配向される方向において合計ゼロになり得る。車両が表面に対して事前選択された距離から離れて変位されると、地面効果力は、変化し、車両を表面に対する所望の事前選択された距離に向かって戻すように自動的に付勢し得る。以下により詳細に説明されるように、地面効果力は、表面に対する車両の側方移動、表面に衝突する噴流、および／またはその両方の組み合わせを使用して生成され得る。
【００３０】
ここで図に目を向けると、いくつかの非限定的実施形態が、さらに詳細に説明される。しかしながら、具体的実施形態が説明されるが、以下に説明される種々の特徴および概念は、本開示が本明細書に説明されるそれらの実施形態のみに限定されないため、任意の適切な組み合わせにおいて使用され得ることを理解されたい。
【００３１】
図１Ａ−２Ｃは、水等の流体中に潜行可能である車両２の実施形態の種々の概略図を描写する。車両は、第１の部分４と、第２の平坦部分６とを含む、車体を含む。図に例証されるように、車体の第１の部分は、部分的楕円体、球体、または車両の平坦底面を形成する平坦部分を伴う他の適切な形状等の緩やかに湾曲した構造であり得る。しかしながら、本開示がそのように限定されないため、緩やかに湾曲しない形状および特徴を含む形状もまた、想定される。加えて、特定の用途および／または設計基準に応じて、車両車体の平坦部分は、車体の対応する部分の投影面積の任意の適切な割合である面積を有し得る。
【００３２】
車両の操縦を制御するために、いくつかの実施形態では、複数のスラスタ８が、車体４の第１の部分の周囲に分散される。これらのスラスタは、任意の数の所望の方法において配向され、種々の方向における推力を提供し得る。例えば、スラスタは、車両の平坦底部部分６に対して垂直に下向きに、および／または側方に配向される方向において推力を提供するように位置付けられ、配向され得る。当然ながら、車両に垂直および側方の両方の推力成分を提供する角度に配向されるスラスタもまた、想定される。さらに、いくつかの事例では、これらのスラスタは、その推力を、車両の重心を通過する軸に沿って車両に印加し得る。理論によって拘束されるわけではないが、これは、操縦中に車両に印加される望ましくないモーメントを排除または低減させることに役立ち得る。
【００３３】
上記に留意される車体の楕円部分上に位置するスラスタに加えて、いくつかの実施形態では、１つまたはそれを上回るスラスタはまた、車両車体の平坦部分６と関連付けられ、車体の平坦底部部分に対して上向きに指向される推力を提供し得る。例えば、中央スラスタ１０が、平坦部分の略中心に位置し得、平坦面に垂直に配向される推力を印加し得る。加えて、複数のスラスタ１２も同様に、車両の平坦部分の周囲に分散され得る。いくつかの事例では、複数のスラスタは、車両の平坦部分の周囲に、および／または平坦部分の周辺の周囲に均一に分散される。図に描写されるように、１つのそのような実施形態では、複数のスラスタは、中央スラスタの対向する側上に位置する２つまたはそれを上回るスラスタを含む。理論によって拘束されるわけではないが、これは、動作中に車両に印加される推力を平衡させることに役立ち得る。しかしながら、スラスタが不均一な様式で、または他の場所に配列される実施形態もまた、想定される。さらに、以下により詳細に説明されるように、平坦底部車体部分と関連付けられるスラスタは、所望の車両制御に応じて、車体の平坦部分に対して垂直に配向されるか、または角度付けられるかのいずれかであり得る。
【００３４】
明確にするために、上記の説明に留意され、図に例証されるスラスタは、スラスタ出口に対応する。しかしながら、描写される構造は、スラスタ出口または入口のいずれかに対応し得、これは、再び、本開示がそのように限定されないため、車両の任意の適切な部分上に配置され得ることを理解されたい。例えば、一実施形態では、車両は、主要な進行方向に対して、車両の上部、底部、前部、および後部上に配置される複数のスラスタ出口を含み得る。対応して、関連付けられる１つまたはそれを上回るスラスタ入口が、車両の側上に配置され得る。但し、スラスタ入口および出口の両方の他の場所もまた、想定されることに留意されたい。さらに、車両の内部が使用中に浸水する事例では、車両は、車両の外部に形成される任意のスラスタ入口を含み得る、または含まない場合がある。
【００３５】
本明細書に説明される実施形態では、スラスタは、車両の運動を制御するために、車両に推力を印加することが可能な任意の適切なデバイスを指し得る。適切なタイプのスラスタは、限定ではないが、いくつか例を挙げると、圧力噴流、操縦噴流、トンネルスラスタ、ならびにプロペラを含む。噴流または他の類似するデバイスが使用される事例では、任意の適切な油圧動力源が、噴流に動力供給するために使用され、回転ポンプ、遠心ポンプ、ギヤポンプ、往復動ポンプ、タービン、ならびに任意の数の他のタイプのデバイスを含み得る。比較的に一定の、またはより制御された推力を提供することが望ましくあり得る事例では、アキュムレータ等の圧力リザーバが、油圧源と噴流からの出口との間に接続され得る。加えて、個々の弁および／または電源が、各スラスタと関連付けられ、スラスタの個々のおよび／または群化された制御を提供し得る。しかしながら、いくつかの実施形態では、１つまたはそれを上回る圧力分配システムが、圧力源を複数のスラスタと流体結合するために使用され得、これは、車両のサイズおよび複雑性を低減させることに役立ち得る。
【００３６】
先に言及されたように、車両は、１つまたはそれを上回るセンサを含み得る。加えて、平坦車体部分は、着目表面から情報を感知するためのセンサを位置付けるために、特に有益な場所であり得る。例えば、平坦面は、表面を検査するための種々のセンサを配置するためのより広い面積を提供し、より大きいセンサ、センサアレイ、および／またはより多くの数のセンサの使用を可能にする。図１Ｃおよび２Ｃに示されるように、個々のセンサ１４ａは、車体の平坦部分の周囲に分散され得る。代替として、または複数の個々のセンサに加えて、車両はまた、センサのアレイ１４ｂを含み得る。描写される実施形態では、センサのアレイは、少なくとも部分的に、平坦車体部分の幅を横断して延在する。センサが配置されるこの増加された面積および／または長さは、センサの検出可能な閾値、感知された信号の忠実度、および／または表面を検査するときの単一通過中にセンサによって走査される面積を増加させ得る。描写される実施形態では、センサアレイは、車両の主要な進行方向に略垂直である方向に延在するが、アレイが車両の主要な進行方向に略平行である方向に延在する実施形態もまた、想定される。センサを収容するためのより広い面積に加えて、平坦車体部分の使用は、表面を検査するとき、２つまたはそれを上回るセンサ、および／または送信機および関連付けられる受信機が、同一面に位置することを可能にする。これは、限定ではないが、平坦車体部分に対応する同一面に位置する３つの距離のセンサを使用して、表面上の特定の特徴までの距離を三角測量することを含む、種々の用途において有益であり得る。
【００３７】
図３−５は、部分的楕円形状を有する第１の部分４と、関連付けられる第２の平坦部分６とを含む、車両車体の底面図および側面図を示す。車体の部分的楕円部分は、原則的半径ａ１、ｂ１、およびｃ１を有する。図に見られるように、平坦車体部分は、楕円体の一部が除去され、原則的半径ａ２およびｂ２を伴う平坦楕円体を生成した箇所に対応する。図４および５によって例証されるように、車体の平坦部分は、平坦車体部分に平行な楕円形状の中心面の上方または下方のいずれかに位置し得る。したがって、特定の実施形態に応じて、平坦車体部分から楕円形状の対向する頂点までの距離ｃ２は、部分的楕円形状の原則的半径ｃ１を下回る、それを上回る、またはそれに等しくあり得る。対応して、図４ではπａ２ｂ２である、平坦部分の面積は、平坦車体部分に向かって配向される車体の第１の部分の投影面積を下回る、またはそれに等しくあり得、これは、再び、図４ではπａ１ｂ１に対応する。しかしながら、図５に示されるように、車体の平坦部分が、部分的楕円形状の中心面またはその上方に位置するとき、車体の第１の部分の投影面積は、平坦車体部分の面積に等しい。したがって、上記に留意される面積の関係に加えて、車体の第１の部分の対向する側と平坦車体部分との間の距離（すなわち、ｃ２）は、車体の第１の部分に対応する楕円体の対応する幅（すなわち、２ｃ１）の１０％〜８０％、１０％〜７０％、１０％〜６０％、１０％〜５０％、もしくは任意の他の適切な割合の間である、またはそれらに等しくあり得る。上記に留意される面積および距離は、楕円形状に関連したが、これらの概念は、本開示がそのように限定されないため、任意の他の適切な形状に適用され得る。
【００３８】
図６および７は、車両の真下に位置する表面１００の対向する部分に略平行である側方方向において表面を横断する、車両２を例証する。車両は、ある望ましい速度Ｖにおいて表面にわたって横断される。図に描写されるように、表面は、突起、物体、溶接シーム、およびその特定の表面と関連付けられる他の可能性として考えられる特徴等の任意の数の凹凸１０２を含み得る。代替として、車両が側方に横断している表面は、図７に示されるように、船体に関して予期され得るように湾曲し得る。そのような実施形態では、車両は、車両に対向する車体の湾曲部分に対して側方に、すなわち、略平行に移動すると見なされ得、これが横断している表面の曲率に従って非線形経路を継続し得る。いずれの場合も、表面の場所におけるこれらの変動および／または表面上に位置する凹凸は、車両の底面と車両が側方に横断している着目表面との間の距離ｈに影響を及ぼす。さらに、表面に対する情報を感知するためにセンサが使用されるとき等、いくつかの用途では、表面場所におけるこれらの変化および／または凹凸に遭遇されるとき、車両の底面と検査されている表面との間のこの距離を制御し、センサが表面からの情報を適切に感知することが可能であることを確実にすることが、望ましくあり得る。この距離を制御するための種々の方策および車両構成が、以下にさらに詳述される。
【００３９】
図６および７に描写される実施形態では、車両２は、テザーを含んでおらず、これは、多くの場合、検査中に遭遇されるもの等の混雑した環境において、車両が絡む機会を低減させることに役立ち得る。加えて、テザーの欠如はまた、検査面と接触する従来の繋留された車両と比較して、車両のより容易な操縦、および、粗いまたは不規則な表面に対する車両のより速い走査速度をもたらし得る。しかしながら、繋留された車両が使用される実施形態もまた、想定される。
【００４０】
先に留意されたように、表面に対する車両の側方移動は、地面力を生成するための１つの可能性として考えられる方法である。さらに、車両に印加される地面力の平衡は、車両と地面との間の距離ｈに関連する。例えば、理論によって拘束されるわけではないが、表面の存在に起因する車両に対する流体力は、特有の間隙比ε＝ｈ／ｃに依存し、式中、ｈは、着目表面から車両底面までの距離である。Ｃは、本体の弦長である。典型的には、約０．１に等しいε値は、吸引（ベンチュリ）力をもたらし、これは、多くの場合、被る下向きの力を増加させるために、レースカーにおいて使用される。しかしながら、０．０８を下回るε値に関して、境界層が合流し、代わりに、揚力が起こり、地面効果における翼として公知のものを提供することが見出され、これは、被る揚力を増加させるために、いくつかの車両において使用される。しかしながら、自己安定化に関して、一定の下向きまたは上向きの（ＷＩＧ）力の代わりに、いくつかの実施形態では、目標は、車両を表面に対して所望の位置に向かって戻すように付勢する、勾配を伴う正味ゼロの力領域を生成することである。
【００４１】
図８Ａ−９Ｂは、車体の平坦底部部分６が、速度Ｕにおいて、表面に対して側方に進行する、部分的楕円車両２の簡略化された２次元モデルを例証する。上記に留意されるように、表面１００に対する車両の高さに応じて、異なる流動形態が、遭遇される。例えば、理論によって拘束されるわけではないが、表面に極めて近接する領域に関して、車両は、多大な粘性効果を被り、この領域における流動は、境界層の相互作用を通して最も効果的に理解される。表面に近接するが、境界層厚さを上回る領域に関して、本体と表面との間に、流路が存在する。この領域における流動は、ベルヌーイ効果およびクエット流の組み合わせによって決定される。したがって、このチャネルにおいて増加された速度は、ベンチュリ効果と呼ばれる、より低い圧力（すなわち、吸引）をもたらす。加えて、地面の影響があまり顕著にならない、表面からより遠い領域に関して、流動は、制限のない媒体に遷移し、地面効果力は、存在する場合、完全に無視できる。これらの種々の領域および結果として生じる力が、以下にさらに説明される。領域が相互に離散的であるように説明されているが、種々の吸引力および揚力が、可変量で各領域に存在し、どのタイプの力がその特定の領域において優勢であり、どの程度その力が観察される車両挙動を支配するかが、より問題となることを理解されたい。
【００４２】
車両本体が表面に極めて近接するとき、被る揚力は、多くの理論を通して説明されることができる。例えば、０．０１に等しい、またはそれを下回るεを伴う間隙サイズに関して、２つの表面が相対運動において移動する際の境界層の相互作用に対処する、周知の潤滑理論が、使用されることができる。ここでの流動は、非常に粘性であり、低減されたレイノルズ数が、ε２Ｒｅによって与えられる。簡易化するために、車両の基部の真上の小さい領域が、図９Ａおよび９Ｂに図式的に示されるように、一定の速度Ｕにおいて表面に対して移動される可変高さの傾斜スライダとしてモデル化されることができる。流体は、車両の底面に対してｚ位置とともに変化するｖｘの速度を有する。結果として生じる流体速度および圧力を判定するための支配方程式は、非圧縮性流動に関する２Ｄナヴィエストークス方程式および潤滑理論に関するレイノルズ方程式である。定性的には、流体は、ｈｉの高さを伴う点Ａにおいて入口圧力Ｐｉに入る。流体流が、観察される効果を引き起こし得る理想化された形状を表す、ＡからＢへの楔を通過する際、最大圧力Ｐｏが、点Ｂにおける点ｈｏにおいて起こる。しかしながら、車両によって観察される反発および／または揚力はまた、間隙内で観察されるチョーキング効果によるものに多大に起因し得ることに留意されたい。圧力は、次いで、点ＢからＣまでに圧力の線形降下を受け、これは、これらの点の間の圧力の予期される線形降下を伴う平行板としてモデル化されることができる。概略モデルは、次いで、観察される挙動を引き起こし得る別の理想化された幾何学形状である、ＣからＤに拡大する楔区分を通過し、したがって、圧力をＰｉに戻す。本体の任意の点における圧力は、周囲圧力（すなわち、入口圧力）またはそれを上回るため、図８Ｂに示されるように、正味の正の揚力ＦＬが、車両に作用する。この現象はまた、合流し、チャネル内にチョーキングを引き起こし、観察される揚力をもたらし得る、２つの境界層間の相互作用からもたらされるものとして理解されることができる。増加された揚力に加えて、車両はまた、相互に対して移動する境界層間の粘性摩擦に起因して、増加された抗力を被り得る。
【００４３】
流動が非粘性であるが、依然として表面からわずかな間隙を空けて存在すると見なされ得る、境界層の組み合わせられた厚さの上方の領域では、流動は、図９Ａおよび９Ｂに示されるように、観察される現象をより深く理解するために、狭化縮径部を伴う理想化された幾何学形状のパイプに進入する流体としてモデル化されることができる。半径は、ｈｉで始まり、ｈｏまで低減し、次いで、ｈｉまで戻るように拡大する。ベルヌーイ方程式から、これは、狭い区分における速度の対応する増加を引き起こし、低減された圧力または吸引力Ｆｖをもたらし、これは、ベルヌーイ方程式を使用してモデル化されることができる。境界層は、移動する地面が流体を間隙中に引き込むにつれて、この効果を増進させる（すなわち、クエット流）。
【００４４】
上記に留意される揚力および吸引（すなわち、ベンチュリ）力は、相互に対向し、間隙が変動されるにつれて強度が変動し、揚力は、間隙距離が増加するにつれて、ベンチュリ力よりも速く減衰する。正味揚力を被るより小さい距離と正味吸引力を被るより大きい距離との間では、車両に作用する垂直ｚ方向における力が正味ゼロである、平衡点が存在する。言い換えると、ＦＬがＦｖに等しく、車両が中立的に浮遊していると仮定する点が存在する。例えば、本実施例により詳細に説明されるように、εの値は、ε＝ｈ／ｃを使用して、図２０および２１に示される以下の領域、すなわち、車両の側方移動からの正の揚力が起こる、ε≦０．０１に対応する領域ａ、負の揚力（すなわち、吸引力）が車両の側方移動から起こる、０．０１≦ε≦０．３に対応する領域ｂ、正味ゼロの地面効果力が約ε＝０．０１で起こる、領域ａとｂとの間、および地面効果力がもはや顕著ではない、ε≦０．３に対応する領域ｃに分類され得る。地面効果力の全体的大きさはまた、車両速度が増加するにつれて増加し得る。上記に加えて、揚力対間隙距離の負の傾きが、種々のεの値に関して存在し得る。さらに、任意の数の異なる比率が、いくつか例を挙げると、サイズ、形状、速度、および流動形態の変化からの影響に起因して、表面に対する車両の側方移動に起因する負の傾きを提供することが可能であり得ることを理解されたい。先に留意されたように、力対間隙距離におけるこの応答は、表面に対する車両の１つまたはそれを上回る安定した均衡位置を生成するために利用され得る。当然ながら、本開示がそのように限定されないため、他のタイプの地面効果力の使用に起因する、留意されるε範囲外の安定した均衡点において動作する車両もまた、想定される。
【００４５】
上記に照らして、車両は、任意の数の異なるεの値を伴う表面に対する車両の側方移動に起因して地面力を生成するために、表面に対してある距離において動作され得る。しかしながら、一実施形態では、車両は、約０．３、０．１、０．０５、０．０１、もしくは任意の他の適切な値を下回る、またはそれに等しい値のεにおいて動作され得る。対応して、車両は、約０．００１、０．００５、０．０１、０、０５、もしくは任意の他の適切な値を上回る、またはそれに等しい値のεにおいて動作され得る。限定ではないが、約０．００１〜０．３またはそれらに等しいものを含む、上記の組み合わせが、想定される。当然ながら、上記に留意されるものよりも大きいものおよびそれよりも小さいものの両方の異なる範囲内の車両の動作が、特に、異なるサイズの車両を使用する、異なる速度において動作する、および／または異なる形態の地面効果力を使用するときに想定される。
【００４６】
理論によって拘束されるわけではないが、表面に対する車両の側方移動を使用して生成される、地面効果力の大きさは、車両速度が増加するにつれて増加する。したがって、車両の速度を増加させることは、車両に印加される揚力および／または印加される吸引力を増加させるであろう。したがって、車両の速度は、車両に作用する１つまたはそれを上回る他の力を平衡させるように制御され得るか、または速度は、留意される地面効果力を生成する表面に向かう、もしくはそれから離れる所望の方向に車両を付勢するように制御され得るかのいずれかとなる。上記に加えて、車両が、間隙距離に対する地面効果力の変化が負である領域に位置する場合、車両の速度を改変することはまた、表面に対する車両の安定した均衡位置を第１の位置から第２の位置に変化させ得る。
【００４７】
一実施形態では、上記に留意される車両に関する制御パラメータは、平坦車体部分等の表面を含む車両と組み合わせられ得る。加えて、この表面は、先に留意されたような所望の感知範囲を伴う１つまたはそれを上回るセンサを含み得る。平坦車体部分は、所望の走査または移動方向において、適切な弦長および十分な量の推力を有し、車両が表面に対して側方に移動される際、センサの所望の感知範囲内に少なくとも１つの安定した均衡地面効果高さを生成し得る。当然ながら、弦長および推力容量が、表面に対する他の所望の位置に安定した均衡位置を提供するように選択される実施形態もまた、想定される。
【００４８】
別の実施形態では、地面効果力を使用して車両の位置付けを制御する方法は、車両が近接して位置する着目表面に向かって配向される、１つまたはそれを上回る噴流を用いて車両に対する地面効果力を生成するステップを含む。以下にさらに詳述されるように、理論によって拘束されるわけではないが、表面に衝突する１つまたはそれを上回る噴流と関連付けられる地面効果力は、小さい間隙における伝統的な潤滑理論の組み合わせである。しかしながら、地面までの距離が増加されるにつれて、地面に誘発された揚力損失（すなわち、吸引）が、優勢になり始め、これは、車両をより小さい間隙に向かって戻すように引動する。したがって、小さい距離から中間距離において、噴流に対する安定した均衡点が存在する。間隙がさらに増加されるにつれて、吹上からの揚力増進は、車両に印加される推力が自由流におけるものに等しくなるまで車両を離すように押動し、これはまた、地面に対する車両のための別の安定した均衡点を生成するために利用され得る。これらの個々の現象が、図を参照して以下にさらに説明される。
【００４９】
図１０Ａは、遠心分離機または他の適切なタイプのポンプもしくはタービン等の圧力源１６と流体連通する入口１８を含む、車両２の一実施形態を例証する。圧力源は、いくつかの実施形態では、車両の車体の平坦部分の中心に位置する、中央スラスタ１０との連通を含む。特に、スラスタは、平坦車体部分に対して垂直に下向きに配向される。車両の正味重量Ｗ（実際の重量から浮力を差し引いたもの）に加えて、車両に印加される上向き推力Ｔが、もたらされる。車両は、任意の関連付けられる表面から除去されるように描写され、したがって、これに作用する任意の地面効果を含まない。
【００５０】
図１１Ａは、表面の距離ｈ内に位置する車両を例証する。スラスタ１０の特定の距離および定寸に応じて、異なるタイプの地面効果力が、異なる間隔において優勢になり得る。図に示されるように、表面１００に向かうスラスタ１０からの噴流流は、３つの異なる種類の流体流によって優勢になる３つの異なる着目領域を生成する。どの特定のタイプの流体流および結果として生じる地面効果力が優勢になるかを特徴付けるために役立つ、２つのパラメータは、側方移動に関して上記に詳述されるように、特有の間隙長ε＝ｈ／ｃを含み、式中、ｈは、間隙高さであり、ｃは、特有の本体長または関連付けられる表面の弦長である。他のパラメータは、スラスタ直径ｄに対する地面までの距離ｈの比率であり、これは、η＝ｈ／ｄによって与えられる。図に示される異なる着目領域が、以下にさらに説明される。
【００５１】
最初に、第１の領域において、平坦底部車体部分６等の車両の底面が、表面１００と接触すると、スラスタ１０が、オンにされる。接触すると、流動は、外に出ようとするが、スラスタからの流動を遮断する表面に起因して、外に出ることができない。所与の開口部サイズに関する特定の圧力において、圧力は、圧力を解放するために十分な最小距離だけ本体を上昇させるために十分に大きい、揚力Ｌｆを生成する（図３１の領域１参照）。薄膜が、次いで、車両の真下に生成される。これは、エアベアリングスライダまたは平行円板を通した半径方向流に若干類似し、本体は、０．５ｍｍ〜４ｍｍ、１ｍｍ〜２ｍｍ、もしくは任意の他の適切な流体膜厚さである、またはそれらに等しい厚さを有する、低速度流体の薄膜上の表面に対して安定した均衡距離に留まる。さらに、上記に留意されるものよりも大きい厚さおよび小さい厚さの両方を有する流体膜もまた、スラスタ強度および定寸ならびに車両サイズに応じて想定される。この現象は、一般的に、流体膜形成に関する潤滑理論と呼ばれ、理論によって拘束されるわけではないが、この説明は、流動が低レイノルズ数層流として近似され得、慣性力が粘性応力よりも小さい限り、有効である。
【００５２】
間隙距離ｈが第２の領域まで増加されると（図３１の領域２参照）、車両は、揚力の急激な損失を被る、すなわち、増加する間隙距離に伴う揚力の変化は、負である。理論によって拘束されるわけではないが、これは、表面１００に衝突するスラスタ１０からの噴流が、表面に並行に流動し、放射する壁面噴流とともに、車両の下に低圧領域を生成することに起因する。この低圧領域は、強力な吸引力ＬＳをもたらす。この吸引効果は、地面までの近接度とノズル直径との比率η＝ｈ／ｄならびに噴流澱み圧と周囲圧力との間の比率である、ノズル圧力比（ＮＰＲ）に依存する。したがって、表面に近接近して、地面の存在が、付加的揚力を提供するであろうことが予期され得る一方、流体膜距離を上回る小さい距離において、強力な吸込力または負圧領域を被り得る。例えば、η≦０．３に関して、車両から放射する流動は、前縁において本体に付着したままであり、間隙内に小さい地面渦をもたらし、これは、高さが増加するとともに減少する負圧を生成することが分かる。η≧０．３における吸込力はまた、主要な噴流が、壁面噴流とともに車両本体の真下の流体を取り込み、それによって、車両の真下の水を加速させ、車両の上側と下側との間に負圧差を生成し、これが、車両の下の低圧区域および対応する揚力の急激な低減を引き起こすという事実からも理解されることができる。しかしながら、高さが地面に対して増加されるにつれて、渦は、消失し、圧力差は、ゼロに向かう。
領域
【００５３】
上記に留意されるηおよびＮＰＲに加えて、誘発される揚力（正または負）に影響を及ぼすと言われる他のパラメータは、噴流構造ならびに地面への噴流衝突角度である。
【００５４】
第３の領域に対応するより大きい間隙距離ｈに関して、吸込力は、低減され、表面に衝突する噴流からの噴水吹上が、地面力に優勢になり始める（図３１の領域３参照）。具体的には、表面に衝突する噴流は、地面から上向きに、車両底面に向かって反射される。概して、噴水効果と称されるこの効果は、車両の下面上に正圧を生産し、これは、表面に向かって配向される車両の車体の底部部分に作用する揚力Ｌｆを増加させる。しかしながら、噴水効果は、強力な吸引力に起因して、車両が地面により近接近させられると、比較的に急速に抑制される。加えて、噴水効果は、間隙が増加され、より大きい間隙距離において車両に印加される自由流推力をもたらすと、最終的にゼロまで減衰する。噴水効果は、表面に衝突する、単一および複数の両方の噴流に対して観察されることに留意されたい。加えて、噴水効果は、以下の実施例に例証されるように、より低速の噴流に関する吸込力を克服しない場合があることに留意されたい。したがって、この第３の領域における正の揚力の存在は、領域２における地面効果力に優勢である関連付けられる吸込効果を克服するために十分に大きい噴水効果を生成するために十分な推力容量を有するスラスタを条件とし得る。
【００５５】
上記に照らして、一実施形態では、圧力蓄積および薄流体膜に対応する領域１は、０．０８〜０．６またはそれらに等しいηを呈し得、吸込に対応する領域２は、０．６〜６４またはそれらに等しいηを呈し得、噴水吹上に対応する領域３は、６４〜２００またはそれらに等しいηを呈し得る。当然ながら、領域３は、いくつかの場合では、３２を上回る、またはそれに等しいηにまで及び得ることが予期される。対応する安定した均衡点が、約１ｍｍ、１００ｍｍ、および５００ｍｍにおいて観察された。再び、上記で判定された値は、特定の車両に関するものであり、領域毎に上記に留意されるものを上回る、および下回る両方の値もまた、異なる車両サイズ、スラスタ速度、設計、および動作パラメータに関して変化するこれらの領域と関連付けられるη値に起因して起こり得ることを理解されたい。
【００５６】
図１１Ｂは、噴流が隣接する表面に向かって配向されるときに車両に作用する種々の力を示す。図に示されるように、車両は、正味重量Ｗ（実際の重量から浮力を差し引いたもの）と、表面に向かって車両に下向きに作用する吸引力Ｌｓと、平坦底部車体部分６に対して上向きに配向される推力Ｔと、留意される噴水効果からの揚力Ｌｆとを含む。また、図３１ａに見られるように、車両に印加される推力および地面効果力を含む組み合わせられた力対間隙サイズ、すなわち、対応する表面からの距離の傾きは、２つの場所において力対間隙距離の負の変化を有し、表面に対する車両に関する２つの安定した均衡位置が存在することを示す。第１に、小さい間隙（すなわち、小さいη）に関して、吸込および車両の正味重量は、車両の推力および揚力に対して平衡され、車両を均衡位置に維持し得る。およそ車両のサイズである、またはそれよりも大きい、第２の安定した均衡位置において、車両の正味重量は、噴水吹上を加えて、かつ弱化した吸込力を差し引いて、推力に対して平衡される。上記と同様に、両方の安定した均衡位置では、間隙距離の上向き摂動は、揚力Ｌｆの寄与を減少させる一方、間隙距離の下向き摂動は、揚力Ｌｆを増加させる。したがって、地面力は、距離が変化するとともに改変し、車両を所望の均衡位置に向かって自動的に付勢する。しかしながら、この条件が起こる具体的距離は、スラスタ、または噴流、速度に依存する。したがって、スラスタ速度は、増加または減少され、各第２の安定した均衡位置の間隙距離を対応して増加または減少させ得る。但し、より大きい間隙サイズ（すなわち、より大きいη）に位置する第２の均衡位置は、より小さい傾きを有し、したがって、均衡位置において、表面により近接して位置する均衡位置よりも大きい変動を可能にすることに留意されたい。加えて、十分に低い速度に関して、第２の安定した条件は、噴水効果が吸引効果によって克服されることに起因して消失し得る。
【００５７】
先に留意されたように、スラスタ直径の相互作用に加えて、いくつかの実施形態では、比率ε＝ｈ／ｃもまた、車両が被る均衡距離に影響を及ぼし得る。例えば、安定した均衡距離は、いくつか例を挙げると、速度、推力、車両サイズ、および形状に基づいて変化し得るが、これらの地面効果力は、表面から、約０．５〜１．５の本体長に対応するε値を伴うより低い安定した均衡位置および約４〜１０の本体長に対応するε値を伴うより高い安定した均衡位置をもたらし得る。しかしながら、再び、車両の設計および／または動作の変化に起因して、より大きいものおよびより小さいものの両方のこれらの範囲に関する異なる値もまた、想定される。
【００５８】
種々のタイプの地面効果力を生成および制御するための２つの別個の方法が、上記に説明されたが、これらの方法は、本開示がそのように限定されないため、別個に、または組み合わせてのいずれかにおいて使用され得ることを理解されたい。例えば、表面に対する車両に関する１つまたはそれを上回る安定した均衡位置は、流体中に浸漬される車両の正味重量を、表面から離れて車両に印加される正味推力（推力方向および／または大きさに応じて正または負であり得る）、ならびに、表面に対する車両の側方移動、および／または、吸込および／または噴水吹上を生成する表面に向かって配向される１つもしくはそれを上回るスラスタからもたらされる地面効果力と平衡させることによって生成され得る。加えて、表面に対する車両の速度、推力の大きさ、および／または車両の浮力は、結果として生じる車両の安定した均衡位置を改変するために、改変され得る。
【００５９】
上記に照らして、車両の種々の実施形態は、任意の数の場所において、種々の方向に配向されるスラスタを含み得る。例えば、図１２Ａおよび１２Ｂは、車体の平坦底部部分６から離れて上向きに配向されるスラスタを含む、車両の一実施形態を例証する。車両はまた、１つまたはそれを上回る側方に配向されるスラスタ８ｂおよび８ｃを含み、これらは、推力を車両に、車体の平坦底部部分に平行な方向において印加するが、角度付けられた側方推力もまた、印加され得る。中央スラスタ１０および中央スラスタの対向する側上に位置する２つのスラスタ１２が、車体の平坦底部部分に対して垂直に下方に配向される。圧力が、描写されない入口に流体接続される、適切な圧力源１６を使用して、これらのスラスタに印加される。圧力源は、圧力源および種々の関連付けられるスラスタの動作を制御する、コントローラ２０と電気通信する。
【００６０】
図１３Ａおよび１３Ｂは、中央スラスタ１０に対して半径方向に外向きに位置する、車体の平坦底部部分６上に位置するスラスタを含む、車両２の代替実施形態を例証する。本実施形態では、中央スラスタを囲繞するスラスタは、車体の平坦底部部分の中心を垂直に通過する軸から離れて下方に、かつ側方に外向きに角度付けられる。そのような構成は、表面に対する車両の側方安定性に役立ち得る。さらに別の代替実施形態では（図１４Ａおよび１４Ｂ参照）、車体の平坦底部部分上に、中央スラスタ１０から半径方向に外向きに位置するスラスタは、車体の平坦底部部分の中心を垂直に通過する軸に向かって下方かつ内向きに角度付けられ、表面に衝突する、スラスタからもたらされる噴水効果を増進する。いくつかの実施形態では、車体の平坦部分上で、下方かつ側方に内向きに配向されるスラスタの１つまたはそれを上回るもの、およびいくつかの事例では、その全ては、点２０に向かって指向される。
【００６１】
種々のスラスタに接続される単純なポンプが、上記の図に例証されたが、圧力源１６は、本開示がこのように限定されないため、ポンプ、タービン、プロペラ、アキュムレータ、弁、分配マニホールド、および／または他の適切な油圧構成要素の任意の適切な組み合わせに対応し得ることを理解されたい。
【００６２】
図１５−１８に例証されるように、時として、車両２が隣接して位置する表面１００は、任意の数の検査プロセス中に起こり得るように、垂直に上向き以外の配向において配列される。例えば、海底に関して予期され得るように、垂直に上向きに配向されることに加えて、表面は、船体の底部に関して予期され得るように、垂直に下向きに、および／またはその間の任意の角度に配向され得る。したがって、いくつかの実施形態では、車体の平坦底部部分を含む車両は、車体６の平坦部分を対応する着目表面と整合させるために、任意の所望の配向において配向されることが可能であり得る。車両を配向する能力は、任意の適切な様式で遂行され得る。しかしながら、一実施形態では、車両は、車両の重心の位置を調節することによって配向される。この可変重心は、限定ではないが、車両内部に位置する、変位可能な重りまたはバラストを含む、任意の数の方法で提供され得る。代替として、車両内の浮心が、車両の配向を制御するために改変され得る。これは、限定ではないが、浸水した車両内部の種々の位置または選択的に浸水可能な区画内に位置する１つまたはそれを上回る選択的に膨張可能なブラダの使用を含む、任意の適切な様式で遂行され得る。
【００６３】
上記の実施形態では、車両は、最初に、着目表面に向かって配向され得る。次いで、表面に対する車両の位置をその配向に維持することが所望される場合、車両は、表面に対して側方に移動されるか、および／または推力が、表面に向かって指向されるかのいずれかである一方、対応する推力が、車両を着目表面に向かって付勢するように車両に印加される。対応して、実質的に正味ゼロの力が、表面に向かって配向される方向において車両に印加され、所望の場所に安定した均衡位置を生成し得る。例えば、車両の正味重量、表面に向かう、およびそれから離れる両方の推力、ならびに対応する地面効果の合計は、表面に向かって配向される方向において平衡され得る。当然ながら、車両に印加される地面効果力は、車両を表面に対して側方に移動させること、および／または表面に向かって配向される推力を印加することからの成分を含む。加えて、間隙サイズの増加とともに結果として生じる表面と整合される力の変化は、負であり、距離が改変されると、車両が所望の位置に向かって付勢されることを確実にし得る。しかしながら、力対間隙サイズの変化が正である動作モードもまた、想定される。
【００６４】
種々の制御方法および車両構成を説明したが、表面に対して車両を制御するための方法の一実施形態が、図１９に関連して説明される。本図では、２００において、車両は、表面に対して第１の事前選択された距離に操縦される、配向される、および／または別様に位置付けられる。２０２において、車両は、次いで、表面に対して側方に移動される、および／または推力が、表面に向かって印加され、続けて、車両の動力学に影響を及ぼす、１つまたはそれを上回る地面効果力を生成する。２０４において、車両の正味重量（すなわち、車両重量から浮力を差し引いたもの）が、結果として生じる地面効果力とともに、表面に向かって、および／またはそれから離れて配向される、車両に印加される推力と平衡される。先に留意されたように、表面に向かって配向される車両に印加される正味ゼロの力が起こる距離は、安定した均衡点であり得る。さらに、いくつかの実施形態では、表面に対する事前選択された距離は、安定した均衡位置に対応し、これは、上記に留意されるように、車両形状、表面に対する車両の側方速度、スラスタ直径、および表面に向かって配向されるスラスタから表面に衝突する噴流の大きさによって制御され得る。
【００６５】
いったん表面に対して適切に位置付けられると、制御ループが、実装される。２０６において、１つまたはそれを上回るセンサが、車両の底面と検査されている表面との間の距離を感知する。車両が表面に対して第１の事前選択された距離から閾値距離内にある場合、地面効果力に関連する種々のパラメータは、２０８および２１２において維持され、これは、既存の流体力学的力を使用して、安定した均衡位置を中心とする車両の自動制御を提供する。しかしながら、車両が表面に対して事前選択された距離から所望の閾値距離外にある場合、表面に対して車両に印加される推力および／または側方速度および／または表面に向かって配向される推力の大きさ等、地面効果力を制御する１つもしくはそれを上回るパラメータは、２１０において改変され得る。これらの改変された力は、次いで、表面に対して所望の第１の事前選択された距離に向かって車両を付勢する。適切な閾値距離は、特定の用途に依存するであろう。しかしながら、いくつかの実施形態では、適切な閾値距離は、絶対距離閾値または車両のサイズおよびこれが適用されている用途に基づく閾値に基づき得る。例えば、閾値は、センサを所望の感知範囲内に維持するように選択され得る。
【００６６】
いくつかの事例では、２１４において、異なる所望の感知範囲を伴う異なるセンサを使用する場合にあり得るように、表面に対して異なる第２の事前選択された距離に車両を変位させることが、望ましくあり得る。そのような調節が所望される場合、２１６において、表面に対して車両に印加される推力および／または関連する地面効果力は、車両を第２の事前選択された距離に移動させるように制御され得、これもまた、再び、安定した均衡位置に対応し得るが、この第２の位置がフィードバックループを使用して単純に制御される事例もまた、想定される。例えば、一実施形態では、表面に向かって配向される、印加される推力を改変し、車両を、近接範囲のセンサのために適切であり得る、表面により近接する安定した均衡点から、カメラまたは他のより広い範囲のセンサを使用する表面の外観検査のためにより適切である、より遠隔の安定した均衡点に向かって移動させることが、望ましくあり得る。いずれの場合も、２１８において、いったん車両が所望の感知範囲内に来ると、１つまたはそれを上回るセンサが、表面に関連する情報を感知し得る。２２０において、表面の検査が完了しない場合、制御ループは、継続される。代替として、いったん検査が完了すると、車両は、表面から離れるように操縦され、任意の他の適切な様式で制御され得る（２０２参照）。
【００６７】
車両と関連付けられる種々の推力および地面効果力を改変することに加えて、いくつかの実施形態では、流体中の車両の正味重量もまた、車両の位置を制御する際に補助するために改変され得る。例えば、車両は、１つもしくはそれを上回る膨張可能ブラダ、充填可能チャンバ、および／または流体中の車両の浮力を変動させることが可能な任意の他の適切な配列によって提供される、可変浮力を有し得る。
【００６８】
種々の制御方法およびそれらの方法を実装するためのコントローラを含むシステムの上記に説明される実施形態は、任意の数の方法で構成され得る。例えば、コントローラは、任意の適切なコンピューティングデバイスに対応し得、これは、単一コンピューティングデバイス内に提供されるか、または複数のコンピューティングデバイス間に分散されるかを問わず、メモリと関連付けられる任意の好適なプロセッサまたはプロセッサの集合として構成され得る。そのようなプロセッサは、ＣＰＵチップ、ＧＰＵチップ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、またはコプロセッサ等の名称によって当分野で公知の商業的に利用可能な集積回路コンポーネントを含む、集積回路コンポーネント内に１つまたはそれを上回るプロセッサを伴う集積回路として実装され得る。代替として、プロセッサは、ＡＳＩＣ等のカスタム回路またはプログラマブル論理デバイスを構成することからもたらされるセミカスタム回路内に実装されてもよい。またさらなる代替として、プロセッサは、商業的に利用可能、セミカスタム、またはカスタムを問わず、より大きい回路または半導体デバイスの一部であってもよい。具体的実施例として、いくつかの商業的に利用可能なマイクロプロセッサは、複数のコアを有し、したがって、それらのコアのうちの１つまたはサブセットが、プロセッサを構成し得る。但し、プロセッサは、任意の好適なフォーマットにおける回路を使用して実装され得る。さらに、コンピューティングデバイスは、限定ではないが、ラックマウント型コンピュータ、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、スマートフォン、別個のカスタム設計された制御デバイス、または任意の他の適切なコンピューティングデバイスを含む、テザーを通して、または無線で車両に接続されるコンピューティングデバイス等、いくつかの形態のいずれかにおいて具現化され得ることを理解されたい。加えて、コンピューティングデバイスは、車両と直接統合され得、その場合では、車両は、自律的であり得る、および／または無線で、もしくはテザーを通してのいずれかで受信されるコマンドを受信および実行するように構成され得る。
【００６９】
また、本明細書に概説される種々の方法またはプロセスは、種々のオペレーティングシステムまたはプラットフォームのうちのいずれか１つを採用する、１つまたはそれを上回るプロセッサ上で実行可能なソフトウェアとしてコード化され得る。加えて、そのようなソフトウェアは、いくつかの好適なプログラミング言語および／またはプログラミングもしくはスクリプトツールのいずれかを使用して書き込まれ得、また、フレームワークまたは仮想マシン上で実行される実行可能な機械言語コードもしくは中間コードとしてコンパイルされ得る。
【００７０】
この点で、開示される実施形態は、車両上で実行されると、上記に議論される種々の方法およびプロセスを実装する１つまたはそれを上回るプログラムを用いてエンコードされる、コンピュータ可読記憶媒体（または複数のコンピュータ可読媒体）（例えば、コンピュータメモリ、１つもしくはそれを上回るフロッピディスク、コンパクトディスク（ＣＤ）、光学ディスク、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）、磁気テープ、フラッシュメモリ、フィールドプログラマブルゲートアレイもしくは他の半導体デバイス内の回路構成、または他の有形コンピュータ記憶媒体）として具現化され得る。前述の実施例から明白であるように、コンピュータ可読記憶媒体は、コンピュータ実行可能命令を非一過性形態で提供するために十分な時間にわたって情報を留保し得る。そのようなコンピュータ可読記憶媒体または複数の媒体は、トランスポート可能であり得、したがって、その上に記憶されたプログラムまたは複数のプログラムは、１つもしくはそれを上回る異なるコンピュータまたは他のプロセッサ上にロードされ、上記に議論されるような本発明の種々の側面を実装することができる。本明細書で使用されるように、用語「コンピュータ可読記憶媒体」は、製品（すなわち、製造品）または機械であると見なされ得る、非一過性コンピュータ可読媒体のみを包含する。代替として、または加えて、本発明は、伝搬信号等、コンピュータ可読記憶媒体以外のコンピュータ可読媒体として具現化され得る。
【００７１】
用語「プログラム」または「ソフトウェア」は、コンピューティングデバイスまたは他のプロセッサをプログラムし、上記に議論されるような本発明の種々の側面を実装するために採用され得る、任意のタイプのコンピュータコードまたはコンピュータ実行可能命令のセットを指すように、一般的意味において本明細書で使用される。加えて、本実施形態の一側面によると、実行されると、開示される方法を実施する１つまたはそれを上回るコンピュータプログラムは、単一コンピュータまたはプロセッサ上に常駐する必要はなく、いくつかの異なるコンピュータまたはプロセッサ間にモジュール様式で分散され、本開示の種々の側面を実装し得ることを理解されたい。
【００７２】
コンピュータ実行可能命令は、１つまたはそれを上回るコンピュータもしくは他のデバイスによって実行される、プログラムモジュール等の多くの形態であり得る。概して、プログラムモジュールは、特定のタスクを実施する、または特定の抽象データタイプを実装する、ルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造等を含む。典型的には、プログラムモジュールの機能は、種々の実施形態において所望に応じて組み合わせられる、または分散され得る。
【００７３】
上記に説明される車両に関する制御方法および構造は、いくつかの異なる用途および環境状況において実装され得る。例えば、以下に説明される実施例は、理想化された条件および／または静水において実行されたが、本明細書に説明される方法および車両は、海洋において予期され得るような静止条件または乱流条件のいずれにおいても、適切な制御および／またはフィードバックループの使用を通して実装され得る。
【実施例】
【００７４】
実施例：側方移動が誘発した地面効果力のシミュレーション
どのように流体流が本明細書に説明される車両に影響を及ぼすかを探求するために、車両の周囲の流動が、ＡＮＳＹＳからの標準静的ＣＦＤソフトウェアである、標準ＣＦＸを使用してシミュレートされた。０．５ｍ／秒で移動するシミュレートされた車両に関して、レイノルズ数は、約４０，０００であり、それに基づいて、κε乱流モデルが、選定された。微細な（高密度）メッシュが、車両と対応する表面との間の間隙領域内に使用された。残りの体積は、標準的なデフォルト設定を使用してメッシュ化された。メッシュ品質が、密度（ノード数）が２倍になるまでメッシュ密度を増加させることによって試験され、１０％を下回る揚力および抗力の変化をもたらした。浮力は、含まれなかった。
【００７５】
シミュレーションが、５ｍｍにおいて実行され、表面にわたって側方に横断する車両と関連付けられる予期される流動および圧力パターンを確認した。具体的には、車両の下の高速度が、圧力の降下を引き起こした。しかしながら、ｙ方向における流動の漏出が、流速の大きさを出口に到達する前に急速に漸減させた。この不均一な流動および圧力分布は、前部よりも後部において高い圧力を引き起こし、ノーズダウンピッチングモーメントをもたらした。しかしながら、ゼロピッチが、アンダーボディの設計ならびに圧力噴流を通した能動的制御を通して達成されることができる。
【００７６】
流動パターンおよび動力学を確認することに加えて、予期される揚力および吸引力が、計算された。図２０および２１を参照すると、シミュレーション結果は、ε＝ｈ／ｃを使用して、３つの流動形態を識別した。
１）正の揚力を伴う領域（ａ）におけるε≦０．０１
２）負の揚力を伴う領域（ｂ）における０．０１≦ε≦０．３
【００７７】
３）地面効果力がもはや顕著ではない領域（ｃ）におけるε≧０．３
【００７８】
図２０および２１は、種々の間隙長において、０．５ｍ／秒の速度で移動する車両に関するシミュレーション結果を示す。表面に極めて近接し、２ｍｍを下回ると（領域ａ）、揚力が、車両に作用する。車両は、２ｍｍにおいて安定し、全ての力は、平衡する。２ｍｍを上回ると（領域ｂ）、ベンチュリ力が、車両を地面に向かって引動するが、５０ｍｍの周囲に第２の均衡点が存在する。しかしながら、これは、安定しない均衡点（すなわち、正の傾き）である。したがって、車両が均衡点から離れるように変位される場合、これは、これを戻すように付勢しない地面効果力に起因して、均衡点から離れ続けるであろう。５０ｍｍを上回ると、再び、正味揚力が存在し、これは、本体が自由流挙動に円滑に遷移するにつれて、大きい距離に及ぶ。
【００７９】
領域（ａ）Ｆｚ＞０（揚力）から領域（ｂ）Ｆｚ＜０（吸引力）への遷移は、Ｆｚ＝０である、２ｍｍ付近で起こる。この点における負の傾きは、これを安定した均衡位置にする。具体的には、正のｚ変位が、Ｆｚ＜０をもたらす一方、負の変位は、Ｆｚ＞０をもたらす。したがって、車両は、Ｆｚ＝０点に戻される。対照的に、５０ｍｍの周囲のＦｚ＝０点において、正のｚ変位は、正のＦｚをもたらし、車両をさらに離すように押動し、対応して、負のｚ変位は、負のＦｚをもたらし、これは、車両をさらに下方に吸引する。大きい負の勾配（すなわち、大きい復元力）と組み合わせられる、２ｍｍにおける力の消失は、これが、車両が流体力学のみを使用して小さい間隙において安定化することを可能にし得るため、特に有用である。
【００８０】
図２２は、０．４ｍ／秒〜１ｍ／秒に及ぶ速度での１ｍｍ、１．５ｍｍ、２ｍｍ、２．５ｍｍ、５ｍｍ、および６．５ｍｍにおける稼働に関するＣＦＤシミュレーションを示す。揚力は、乱流に関して予期されるように、ｖ２に従うことが観察される。抗力（図示せず）もまた、ｖ２として変動する。速度に依存しない抗力および揚力係数が、したがって、モデル化を目的として、力対速度の代わりに使用された。
実施例：安定性分析
【００８１】
車両は、その均衡点において安定するが、いくつかの事例では、車両が自己補正しながら耐え得る、ｚにおける最大摂動を把握することが、望ましい。図２４は、表面に対して側方に０．５ｍ／秒で移動する、２．２ｋｇの質量ｍを伴う車両に対して計算された速度および変位のグラフを提示する。モデルにおいて使用された復元力は、以下であった。
【数１】
2018508413.tif 000003
【００８２】
本システムは、復元力に等しいばね定数ｋを伴うばね質量系としてモデル化された。したがって、共振周波数が、以下のように計算された。
【数２】
2018508413.tif 000004
【００８３】
車両は、次いで、均衡から１ｍｍの変位を受けた。本図は、変位および速度が緩慢に減衰され、車両が均衡位置に自動的に戻される際に０付近で発振する、それらを示す。
【００８４】
車両が速度ｖｚを有するように摂動される場合、付与される運動エネルギー１／２ｍｖｚ２は、車両を距離ｈ’だけ移動させ、運動エネルギーは、貯蔵された位置エネルギー１／２ｋｈ’２に等しい。付与される運動エネルギーが、位置エネルギーを上回る場合、それは、間隙距離を越えることなく貯蔵されることができ、以下となる。
【数３】
2018508413.tif 000005
【００８５】
これは、能動的推力が車両に印加されない限り、車両が表面に接触することをもたらし得る。これは、車両が安定した均衡位置から摂動されるとき、いつこれを能動的に制御するかを判定するために使用され得る概念であり得る。例えば、上記の関係は、以下を提供するように再整理され得る。
【数４】
2018508413.tif 000006
【００８６】
したがって、表面に対して特定の場所における車両の自然周波数に間隙距離を乗算したものが、表面に対する車両の速度の大きさを下回る場合、能動的推力が、車両に印加され、所望の位置に向かって戻すように車両を付勢し、速度を弱め、座礁を回避し得る。代替として、高さの代わりに、本関係は、いつ能動的推力を車両に印加するかを判定し、車両を所望の場所の閾値距離内に維持するために使用されてもよい。
実施例：サイズ効果分析
【００８７】
次に、地面効果力を受ける車両の動力学に対するサイズの効果が、調査された。本シミュレーションに関して、全ての寸法は、通常の１倍サイズの車両と比較して、１／２および２の定数によってスケール変更された。図２５および２６は、０．５ｍ／秒および１．０ｍ／秒における異なるサイズの車両に対して計算された無次元揚力係数ＣＬを提示する。本図から、ＣＬは、εの関数であると考えられるが、サイズおよび速度とほぼ無関係である。より高い速度およびサイズにおけるＣＬの観察される逸脱は、間隙を通した層流から乱流への遷移に対応し得る。適切なスケール係数を使用すると、これは、サイズが増加するにつれて、車両の力対質量比が低下することを意味する。しかしながら、車両が受け得る最大速度摂動は、間隙も同様にスケール変更される場合、サイズとは無関係である。さらに、共振周波数は、より大きいサイズに関して低下し、制御システムが応答するより多くの時間を可能にする。加えて、地面効果力および関連付けられる傾きも同様に、サイズとともに増加すると考えられ、これは、車両の対応する均衡間隙も同様に増加させることが望ましくあり得ることを示唆する。
実施例：側方移動が誘発した地面効果力の試験
【００８８】
図２３は、水充填曳航水槽内のＡＴＩ力およびトルクセンサに接続された中空鋼ロッドを使用して懸下された車両に関する実験的揚力データを提示する。種々の試験は、台から１ｍｍ、１．５ｍｍ、２ｍｍ、５ｍｍ、および６．５ｍｍの間隙において、ならびに自由流において実行された。試験速度は、０．１ｍ／秒〜１ｍ／秒に変動され、加えて定常であった。抗力および揚力の両方が、測定され、図２２に示されるＣＦＤ結果と比較された。図２３は、対応するＣＦＤデータとの比較を促進するために、測定された揚力から自由流力を差し引いたものを提示する。可変速度および間隙から測定された実験データ点は、力対速度に関する二次適合がオーバーレイされた。図２３に示される最も顕著な特徴は、１ｍｍ間隙における、特に、１ｍ／秒速度における揚力である。しかしながら、力は、１．５ｍｍにおいて全ての速度に関して非常に小さい。１．５ｍｍを上回ると、負の揚力（ベンチュリ効果）が、起こる。６ｍｍを上回ると、この負の力は、消失し始める。図２７は、二次適合がオーバーレイされた異なる間隙および速度における抗力Ｆｘに関する対応する実験データを提示する。
【００８９】
図２８および２９は、良好に一致する、ＣＦＤおよび上記に留意される実験データから計算された抗力および揚力係数の比較を提示する。
実施例：噴流が誘発した地面効果力の試験のための車両
【００９０】
車両は、車両の中心底部に位置する、単一の５ｍｍ直径の円筒形ノズルを伴う楕円車体を有していた。０〜１２Ｖで給電される単純な遠心ポンプが、内側に搭載され、流動は、短い管（１５ｍｍ長）を通してノズルへと通過した。ポンプに関する電圧対流動特性が、図３０に示される。ポンプの有効作業領域は、３〜１２Ｖであり、１２Ｖにおいて３０ｋＰａの最大ヘッド圧を伴った。これらの実験に関して、車両は、水中で３ｇｆ（重量グラム）または０．０３Ｎの正味水中重量を有していた。自由流において、噴流は、０．０００７Ｎ（３Ｖにおいて）〜０．０３６Ｎ（１２Ｖにおいて）の力を生産した。したがって、噴流推力が単独で重量からの下向き力に厳密に対抗する、１つの設定が存在し、そして１つしか存在しない。これは、表面から離れた任意の深さに対する均衡条件である。本挙動は、ここでは、中立的浮遊体のものと類似する。したがって、推力におけるわずかな増加は、車両を上昇させ、わずかな減少は、これを沈下させる。したがって、これは、中立均衡状態にある。
実施例：噴流が誘発した地面効果力の試験
【００９１】
図３１は、１２Ｖ（すなわち、０．０３６Ｎ）において機能するポンプに関する表面からの揚力対間隙距離を提示する。本図に見られるように、車両は、領域１において圧力が車両の下で自由流推力を上回るレベルまで蓄積する流体膜ベースの挙動から、噴流が誘発した揚力損失が、これが最大吸込に到達するまで揚力を低減させるように優勢になり始める領域２に遷移する。噴水効果が、次いで、優勢になり始め、領域３において揚力を自由流推力を上回るまで増加させる。揚力は、次いで、自由流条件において、より長い距離において自由流推力まで減衰する。
実施例：噴流が誘発した地面効果力のシミュレーション
【００９２】
潤滑理論は、比較的に深く理解されているため、シミュレーションは、垂直および離着陸シミュレーションに若干類似する、水中環境における表面に向かって下向きに配向される噴流の乱流モデルに限定された。モデルは、ＡＮＳＹＳからの標準静的ＣＦＤソフトウェアである、ＣＦＸを使用して設定された。乱流は、κ−εモデルによってハンドリングされた。メッシュは、高度なサイズ関数のために「Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ  ａｎｄ  Ｃｕｒｖａｔｕｒｅ」を使用して生成され、特に、表面に近接するとき、車両底部の周囲に高密度なメッシュをもたらした。ポンプは、パイプの上部における入口によって表され、入口流率は、上記に留意されるポンプの測定された特性と一致するように設定される。シミュレーションは、それぞれ、１００ｍｍおよび２０ｍｍの間隙サイズにおいて全電力（１２Ｖ）に対応する流率に対する吸込現象を確認した。具体的には、予期される本体の下の下向き流動と、小さい間隙に関して、地面渦を形成する本体の真下の低圧領域との両方が、観察される。シミュレーションはまた、表面に衝突する噴流からの吹上が、方向を変化させ、車両の下面の縁から逃散し、噴水効果から観察される付加的揚力をもたらすことを確認した。
【００９３】
図３２は、ポンプに印加される異なる電圧および対応して異なる噴流速度に対して計算された、表面からの揚力対間隙距離を提示する。本図に見られるように、揚力曲線は、図３１に示されるものと類似する挙動を呈する。しかしながら、電圧が低下するにつれて、すなわち、噴流速度が低下するにつれて、ピーク噴水効果力は、着実に減少し、噴水効果が十分に低い電圧／速度における吸引によって圧倒されるまで、より小さい間隙サイズに移動する。図３２は、１Ｖの増分における５Ｖ〜１０Ｖに及ぶポンプに印加される異なる電圧に対して測定された、表面からの正味揚力対間隙距離に関する類似するデータを提示する。
【００９４】
図３２は、水中に浸漬される（ポンプ電力のための）可変ケーブル長に関する補正を含むことに留意されたい。しかしながら、ケーブルの剛度は、モデル内に含まれない。したがって、測定値との定質的一致が存在するが、モデルによって計算されるように、ポンプ電力とともに変動する距離における安定した均衡は、予期されるように、測定された安定した距離および対応する電圧と定量的に一致しない。
実施例：車両の安定点の測定
【００９５】
３ｇｍｆの正味重量を伴う車両が、２フィートの水中において水槽の床上に配置された。水よりも重いため、本体は、水槽底面と接触したままであった。底部噴流が３ボルトにおいて給電されても、車両は、依然として、表面と接触したままであった。電圧が上昇されるにつれて、車両は、揺動する傾向にあり、これは、２つの表面の不完全な噛合に起因するものとして解釈された。流体は、ノズルから浸出し、車両の下方に膜を形成した。これは、車両が軽く叩かれたときに明白であった。噴流をオフにすると、車両は、殆ど移動しないであろう。対照的に、噴流が給電されると、車両は、円滑かつ相当な距離にわたって移動し、潤滑流体および伝搬媒体の両方が水である潤滑理論の単純な実証を例証した。
【００９６】
次に、車両は、力センサに取り付けられ、５フィートの深い水槽の床の上方に懸下された。超音波距離計が、車両と床との間の距離を測定するために使用された。床の４．５フィート上方において、ポンプが１０Ｖにおいて給電されると、噴流の推力は、ロボットの重量を平衡させた、すなわち、力センサは、ゼロを読み取った。車両挙動が地面効果によって圧倒されているかどうかをチェックするために、車両は、ポンプを１０Ｖにおいて給電するように保ちながら、４フィートの深さまで下げられた。車両は、その高さにおいても同様に中立均衡を維持し、地面が支配的要因ではないことを示した。しかしながら、３．５フィートにおいて、車両は、これを４フィートまで戻すように押動する上向き力を被った。さらに、車両が再び４．５フィートに配置され、電圧が８ボルトに減少されると、車両は、予期されるように、沈下し始めたが、続けて３．５フィートにおいて安定した。電圧がさらに減少されるにつれて、車両は、表面に対する新しい安定した均衡点まで対応して沈下した。これは、４Ｖまで観察され、その設定において、車両は、表面から２フィートにおいて安定した。これらの測定は、５回にわたって繰り返された。測定された安定した均衡点対ポンプ電圧は、図３４に示される。加えて、図３５に示されるように、各電圧における自由流推力が、ポンプ特性を使用して計算され、これは、次いで、各安定点における対応する吹上力を計算するために使用され、これは、次いで、推力に正規化された。
実施例：制御スラスタ設計
【００９７】
図３６および３７は、平坦底部を伴う寸法２０３ｍｍ×１５２ｍｍの楕円車両に関するスラスタレイアウトを描写する。結果として生じる縦横比は、約４：３であり、これは、車両の制御性を改良し得る。当然ながら、サイズは、種々のタイプの電子機器およびセンサを収容するために、より小さく、またはより大きくのいずれかで、調節されることができる。本図に示されるように、車両は、６つのスラスタまたは噴流を有する。具体的には、４つの「推進噴流」（Ｊ１、Ｊ２、Ｊ５、Ｊ６）および２つの「圧力噴流」（Ｊ３、Ｊ４）が存在する。推進噴流は、ｘｙ面におけるγの内向き角に配向され、これは、本システムのヨー−スウェイ動力学を決定する。非ゼロのγが、摩擦がないときに本システムの制御性を改良することに役立ち得るが、ゼロの角度もまた、使用され得る。最初の試験事例であった水平面上の安定性に関して、車両の重心（ＣＧ）は、浮心の下方に位置した。これは、バラストをロボットの底部に配置することによって行われた。より複雑な場合（例えば、垂直壁を検査する、またはパイプの周囲を周回する）に関して、先に説明されたように、ＣＧ場所を調節することが、望ましくあり得る。噴流Ｊ１、Ｊ２、Ｊ５、およびＪ６は、それらが本システムのＣＧを通過するように、角度βにおいて配向され得ることに留意されたい。これは、推力が誘発する車両のピッチングを低減または排除することに役立ち得る。しかしながら、摩擦または表面曲率が、依然として、車両の能動的ピッチ制御を要求し得る。このピッチ制御は、図３７に示されるように、αの角度において垂直に上向きに配向される２つの圧力噴流Ｊ３およびＪ４を使用して提供され得る。
【００９８】
異なる噴流配列を伴う２つの車両が、接触モードにおいて、車両が表面と接触しながら表面にわたって横断される表面を用いて試験された。
【００９９】
２つの角度付けられない圧力噴流および４つの角度付けられない推進噴流を伴う第１の車両は、これを中立浮力よりもわずかに重くし、水中の水平面上に置くことによって試験された。図３８および３９は、車両の外部および内部の写真である。本写真では、車両は、平坦底部を伴う楕円車体を有し、角度付けられない噴流は、その表面の周囲に分散される。内部写真は、４つの推進噴流に動力供給するために使用されるポンプ、弁、および油圧接続の配置を示す。試験中、噴流Ｊ１およびＪ２がオンにされ、車両を水平方向に推進させると、車両は、前方に進む代わりに、ノーズダウンピッチを被り、円形に進んだ。図４０および４１では、車両がヨーイングする際、車両は、小さい角度θにおいてノーズダウンピッチングされた位置に見られることができる。理論によって拘束されるわけではないが、この第１の車両は、直進する噴流を有し、したがって、重心までのモーメントアームの長さは、ピッチダウンモーメントをもたらした。地面接点からの摩擦力もまた、ピッチダウンモーメントに寄与した。さらに、表面に対する車両の側方速度が小さいことに起因して、抗力は、この効果を補償し得なかった。したがって、ムンクモーメントが、偶発的な横滑り摂動と組み合わせて、一定のヨーレートをもたらし、車両は、円形に進むことが観察された。
【０１００】
試験された第２の車両もまた、上記に議論されるような推進および圧力噴流を含んだ。加えて、第１の車両において観察された推力が誘発したピッチングに対抗することに役立てるために、噴流は、角度βに配向され、ＣＧに対する推進噴流のモーメントアームを低減させた。簡易化するために、βが、選定され、したがって、力ベクトルは、車両の推定される重心を通過し、それによって、そうでなければ噴流を車両の上側半分に配置することによって引き起こされるピッチを最小限にした（図４２および４３参照）。試験中、車両は、噴流１および２がオンにされると、ピッチングしなかった。しかしながら、車両は、ムンクモーメントに起因して、ヨーイングした。この効果を補償することに役立てるために、単純なＰＤコントローラおよび閉ループ応答のチェックが、実装された。図４４は、低摩擦ガラス表面（μｋ＜０．３）上の車両の閉ループおよび開ループ軌跡の比較を示す。本図に見られるように、所与の摩擦に関して、単純なＰＤコントローラが、ヨー角を正常に制御することが可能であった。非常に高い摩擦に関して、ムンクモーメントは、ヨーレートを実質的に低減させるであろう制動トルクに直面するであろうことに留意されたい。
【０１０１】
本教示は、種々の実施形態および実施例と併せて説明されたが、本教示が、そのような実施形態または実施例に限定されることは意図されない。対照的に、本教示は、当業者によって理解されるであろうように、種々の代替、修正、および均等物を包含する。故に、前述の説明および図面は、実施例にすぎない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２−４３】
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【図４４】
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【国際調査報告】
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