(57)【要約】  構造物を較正する方法が提供される。この方法は、テザーの第１の端部を構造物の外面上の固定された位置にあるデバイスに固設することと、テザーの第２の端部に無人航空機を取り付けることと、無人航空機を、固定されたデバイスにつながれた状態で、構造物を周回する軌道で移動させることと、無人航空機を使用して軌道のコースにわたって構造物の外面を走査して、構造物の外面のマッピングを取得することと、固定されたデバイスに対する無人航空機の位置を判定することと、ｉ）固定されたデバイスに対する無人航空機の判定された位置、およびｉｉ）構造物の外面のマッピングに基づいて、構造物を較正することと、を含む。
2020531835.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物を較正する方法であって、
テザーの第１の端部を、前記構造物の外面上の固定された位置でデバイスに固設することと、
前記テザーの第２の端部に無人航空機を取り付けることと、
前記テザーが伸長され、かつ張力がかかった状態で、前記無人航空機を、前記構造物を周回する軌道で移動させることと、
前記無人航空機を使用して前記軌道のコースにわたって前記構造物の前記外面を走査して、前記構造物の前記外面のマッピングを取得することと、
前記固定されたデバイスに対する前記無人航空機の位置を判定することと、
ｉ）前記固定されたデバイスに対する前記無人航空機の判定された位置、およびｉｉ）前記構造物の外面の前記マッピングに基づいて、前記構造物を較正することと、を含む、方法。
【請求項２】
前記軌道が、前記構造物を周回する円形経路である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記固定されたデバイスが、レーザスキャナを含み、前記無人航空機が、装着された反射器を含み、前記レーザスキャナおよび装着された反射器がともに、前記固定されたデバイスに対する前記無人航空機の位置を確立する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記固定されたデバイスが、角度エンコーダを有するテザースプールと、歪みセンサと、を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記歪みセンサを使用して前記テザーの歪みを測定することと、
前記測定された歪みに基づいて、前記無人航空機が前記固定されたデバイスから十分に離れたかどうかを判定することと、
前記角度エンコーダを使用して、前記無人航空機および前記固定されたデバイスの角度位置を判定することと、をさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記固定されたデバイスが、前記構造物の上面上に位置する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記無人航空機が、走査中に前記構造物の前記外面の点群を作成するレーザ走査デバイスを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
無人航空機が、３つのスラスタを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
構造物を較正するためのシステムであって、
前記構造物の外面上の固定された位置にあるデバイスと、
第１の端部および第２の端部を有し、かつ前記固定されたデバイスに前記第１の端部で固設されたテザーと、
前記テザーの前記第２の端部に取り付けられた無人航空機であって、走査デバイスを含む無人航空機と、を備え、
前記無人航空機が、前記固定されたデバイスにつながれた状態で前記構造物を周回する軌道で移動し、かつ前記軌道のコースにわたって前記構造物の前記外面を走査して、前記構造物の前記外面のマッピングを取得するように動作し、
ｉ）前記固定されたデバイスに対する前記無人航空機の既知の位置、およびｉｉ）前記構造物の外面の前記マッピングに基づいて、前記構造物が較正される、システム。
【請求項１０】
前記無人航空機が、複数のスラスタを含み、前記スラスタを制御して、前記テザーの張力を低減させて非円形軌道で移動するように動作する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記固定されたデバイスが、レーザスキャナを含み、前記無人航空機が、装着された反射器を含み、前記レーザスキャナと装着された反射器とがともに、前記固定されたデバイスに対する前記無人航空機の位置を確立する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記固定されたデバイスが、テザースプールと、角度エンコーダと、歪みセンサと、を含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
前記歪みセンサが、前記テザー上の歪みを測定して、前記測定された歪みに基づいて前記テザーが最大張力にあるかどうかを判定するように動作する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記スプールが、モータ駆動され、前記テザーを自動的に巻き上げおよび巻き出し、前記無人航空機と前記固定されたデバイスとの間の距離を制御するように動作する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記スプールが、前記無人航空機を非円形軌道で移動させるために、前記無人航空機と前記固定されたデバイスとの間の距離を制御するように動作する、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記角度エンコーダが、前記固定されたデバイスに対する前記無人機の角度位置を提供する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１７】
前記固定されたデバイスが、前記構造物の上面上に位置する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１８】
前記無人航空機の前記走査デバイスが、ＬｉＤＡＲデバイスである、請求項９に記載のシステム。
【請求項１９】
無人航空機が、３つのスラスタを含む、請求項９に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造的較正およびマッピング方法に関し、特に、無人航空機（unmanned aerial vehicle、ＵＡＶ）を使用して３次元で大型の物体をマッピングする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油およびガス産業では、タンクに貯蔵されている燃料の量を正確に判定することができるように、貯蔵タンクの量が定期的に較正される。通常、タンク内の燃料の量を判定するためにレベルゲージが使用される。しかしながら、高い平均温度にさらされる環境にある貯蔵タンクは、不均一に膨張しやすい。膨張量を正確に測定することは困難な場合が多く、総容積にかなりの影響を与える可能性がある。タンクの容積が変化すると、タンクの静的容積に基づく標準ゲージの測定値の精度が低下する。燃料レベルの測定値が不正確であると、燃料資産が体系的に過小評価され、その結果、保管移送中に収益の損失につながる可能性がある。
【０００３】
タンク較正の頻度を増加させると、精度が向上し、経済的な利益が生み出され得る。しかしながら、一般的に使用される較正技術は、通常、実行するのに過度に長い時間、例えば、タンクあたり３〜８時間かかる。これらの長い時間を要する技術は、ほぼ継続的に製品移送が予定され得るタンクの作業にかなりの混乱を引き起こす。
【０００４】
したがって、必要とされるものは、非常に正確で、構造物の作業への影響が最小限である、貯蔵タンクなどの大型の構造物に適用可能な較正技術である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態は、構造物を較正する方法を提供する。この方法は、テザーの第１の端部を、構造物の外面上の固定された位置にあるデバイスに固設することと、テザーの第２の端部に無人航空機を取り付けることと、無人航空機を、固定されたデバイスにつながれた状態で、構造物を周回する軌道で移動させることと、無人航空機を使用して軌道のコースにわたって構造物の外面を走査して、構造物の外面のマッピングを取得することと、固定されたデバイスに対する無人航空機の位置を判定することと、ｉ）固定されたデバイスに対する無人航空機の判定された位置、およびｉｉ）構造物の外面のマッピングに基づいて、構造物を較正することと、を含む。
【０００６】
この方法のいくつかの実装形態では、構造物を周回する、無人航空機の軌道は、円形経路である。固定されたデバイスは、構造物の上面上に位置することができる。
【０００７】
いくつかの実施形態では、固定されたデバイスが、レーザスキャナを含み、無人航空機が、装着された反射器を含む。レーザスキャナおよび装着された反射器がともに、固定されたデバイスに対する無人航空機の位置を確立する。
【０００８】
他の実施形態では、固定されたデバイスは、角度エンコーダを有するテザースプールと、歪みセンサと、を含む。このような実施形態では、歪みセンサを使用してテザーの歪みが、歪みセンサを使用して測定され、無人航空機と固定されたデバイスとの間の距離が、測定された歪みに基づいて判定される。加えて、角度エンコーダを使用して、無人航空機および固定されたデバイスの角度位置が判定される。
【０００９】
いくつかの実装形態では、無人航空機は、走査中に構造物の外面の点群を作成するレーザ走査デバイスを含むことができる。無人航空機はまた、３つのスラスタを含み得る。
【００１０】
本発明の実施形態はまた、構造物を較正するためのシステムを提供する。このシステムは、構造物の外面上の固定された位置にあるデバイスと、第１の端部および第２の端部を有し、かつ固定されたデバイスに第１の端部で固設されたテザーと、テザーの第２の端部に取り付けられた無人航空機と、走査デバイスを含む無人航空機と、を含む。無人航空機は、固定されたデバイスにつながれた状態で、構造物を周回する軌道で移動し、かつ軌道のコースにわたって構造物の外面を走査して、構造物の外面のマッピングを取得するように動作する。構造物は、ｉ）固定されたデバイスに対する無人航空機の既知の位置、およびｉｉ）構造物の外面のマッピングに基づいて、較正される。
【００１１】
無人航空機は、複数のスラスタを含むことができ、円形軌道で移動するためにスラスタを制御してテザーの張力を維持するように動作し、いくつかの実装形態では、固定されたデバイスは構造物の上面上に位置する。
【００１２】
いくつかの実施形態では、固定されたデバイスは、レーザスキャナを含み、無人航空機は、装着された反射器を含み、レーザスキャナおよび装着された反射器はともに、固定されたデバイスに対する無人航空機の位置を確立する。
【００１３】
他の実施形態では、固定されたデバイスは、テザースプールと、角度エンコーダと、歪みセンサと、を含む。いくつかの実装形態では、歪みセンサは、テザーの歪みを測定するように動作し、無人航空機と固定されたデバイスとの間の距離は、測定された歪みに基づいて判定される。角度エンコーダを使用して、固定されたデバイスに対する無人機の角度位置を判定することができる。
【００１４】
無人航空機の走査デバイスは、ＬｉＤＡＲデバイスとして実装することができ、無人航空機は、３つのスラスタを備えるトリコプタとして実装することができる。
【００１５】
本明細書で開示される様々な実施形態および実装形態の任意の組み合わせを使用することができる。
【００１６】
これらおよび他の態様、特徴、ならびに利点は、本発明の特定の実施形態の以下の説明、ならびに添付の図面および特許請求の範囲から理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による、構造物を較正するためのシステムの例示的な実施形態の斜視図である。
【図２】本発明の実施形態による、固定されたデバイスの実施形態の概略斜視図である。
【図３】本発明の実施形態による、ＵＡＶとして使用することができるトリコプタの斜視図である。
【図４】本発明の実施形態による、構造物を較正するための制御システムの概略ブロック図である。
【図５】本発明による、構造物を周回する円形軌道でＵＡＶを推進するための方法の例示的な実施形態のフローチャートである。
【図６】本発明によるデータ較正方法の例示的な実施形態のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図面は例示であり、必ずしも縮尺通りではないことに留意されたい。
【００１９】
概要として、本開示は、燃料貯蔵タンクなどの構造物を較正するための方法およびシステムを記載する。無人航空機（ドローンと称されることもあるが、以降では「ＵＡＶ」と称する）は、構造物上の固定点につながれ、つながれた状態で構造物の周りの軌道を移動する。ＵＡＶは、軌道を往来しながら構造物の外面を走査する。固定点に対するＵＡＶの正確な位置は随時正確に測定することができるため、構造物を固定点につなぐと、座標基準系が作成される。したがって、構造物の表面の走査データは、基準系内の空間座標に自動的に変換され得る。ＵＡＶはその軌道中につながれているため、補助なしの安定性を維持する必要はなく、３スラスタ（トリコプタ）設計を含む、従来とは異なるＵＡＶ設計を採用することができる。
【００２０】
図１は、本発明による構造物を較正するためのシステムの例示的な実施形態の斜視図である。図１には、本例においては燃料貯蔵タンクである構造物１０５を較正するために使用される較正システム１００が示されている。この構造は、三脚もしくは他の安定した台を使用して、または固定具によって、固定されたデバイス１２０が固設される上面１１０を有する。固定されたデバイス１２０を、構造物１０５の他の部分に固設することもできる。固定されたデバイス１２０は、テザー１２５の第１の端部に結合されている。テザー１２５の第２の端部は、ＵＡＶ１３０に結合されている。テザー１２５は、好ましくは、軽量で、可撓性があり、伸長不可能であり、テザーを完全に伸びた引っ張り状態に維持するのに十分な力に耐えるのに十分に強い。図１に示すように、テザー１２５は伸長され、張力を受けている。固定されたデバイス１２０またはＵＡＶ１３０のいずれか（または両方）は、固定されたデバイスとＵＡＶとの間にテザーが懸垂されている際にテザーの張力を測定するように適合された歪みセンサを含むことができる。テザーは、固定されたデバイス１２０もしくはＵＡＶ１３０のいずれかに装着された格納式スプールに結合され得るか、または手動で巻き出され得る。
【００２１】
一般に、構造物の外面全体を走査することができるようにＵＡＶが構造物のエッジを十分にクリアするように、テザーが、較正される構造物の半径よりも大きい長さを有することが好ましい。ＵＡＶ１３０は、テザー１２５に取り付けられた状態で、構造物１０５を周回する軌道を飛行することが可能である。ＵＡＶ１３０はまた、構造物の寸法に関する正確な情報を捕捉するための走査デバイス（図１には図示せず）を含む。いくつかの実装形態では、走査デバイスは、レーザ（ＬｉＤＡＲ）スキャナであり、スキャナを使用して捕捉されたデータは、構造物１０５の高解像度点群またはマッピングを含む。群解像（点間）距離は、約１センチ（〜１ｃｍ）であり得、各点の精度は約１ミリメートル（〜１ｍｍ）であり得る。レーザスキャナは、走査平面と構造物との間の断面に沿って点のセットをマッピングするように適合された２次元ＬｉＤＡＲシステムであり得る。２次元断面を組み合わせて、３次元マッピングにすることができる。
【００２２】
いくつかの実施形態では、ＵＡＶ１３０は、外部に装着された反射器１３２を含む。このような実施形態では、固定されたデバイス１２０は、例えば、６自由度を有するライカアブソリュートトラッカＡＴ４０２、ＡＴ９３０、またはＡＴ９６０などのレーザトラッカとして実装され得る。トラッカ１２０は、干渉法を使用して、トラッカおよび反射器１３２に対する反射器の正確な位置を判定するように構成されている。ＵＡＶが走査のために配置されている間に、反射器１３２を強制してトラッカ１２０に向けるように、ＵＡＶ１３０をテザー１２５に結合することができる。
【００２３】
別の実施形態では、歪みセンサおよび角度エンコーダと組み合わせたテザー自体の動きを使用して、レーザトラッカの代わりにドローンの位置を追跡することができる。この原理に基づく固定されたデバイスの例示的な一実施形態を、図２に概略的に示す。図示のように、テザー２００は、スプール（図２には図示せず）に結合され得る固定されたデバイス２０５（「ステーション」と称する）に結合され、かつそこから伸長する。ステーション２０５は、方位方向（水平面）にステーションの回転自由度を提供する第１のベアリング２１０に装着されている。第２のベアリング２１５は、高度に関してステーションの配向を変える垂直平面内の回転自由度を提供する。回転可能なベアリングにより、テザーは、ＵＡＶが水平面内および垂直方向の両方のＵＡＶの軌道で移動する際に、ＵＡＶとともに回転することが可能になる。いくつかの実装形態では、ステーション２０５は、テザーがスプールから巻き出される際にテザーの長さを動的に測定する距離エンコーダおよび／または歪みセンサ（図示せず）を含む。比較的短い長さを有するテザーの場合、歪みセンサは、テザーの張力を測定して、テザーが全長またはその近くまで伸長されていることを示すことができる。大型のスプールを有するテザーの場合、距離エンコーダを使用して、巻き出された長さを直接測定することができ、クランプ機構を作動させてスプールのさらなる巻き出しを停止して、テザーを固定長に維持することができる。代替的に、テザーの長さを固定し、かつテザーをその最大長まで伸長させることにより、固定されたデバイスとＵＡＶとの間の距離を予め設定することができる。
【００２４】
加えて、ステーションは、ステーションが第１のベアリングに対して回転する際にテザーの方位角を測定する、第１のベアリング２１０に結合された第１のエンコーダ２２２を含むことができる。ステーション２０５はまた、ステーションが第２のベアリングに対して回転する際にテザーの高度角度を測定する、第２のベアリング２１５に結合された第２のエンコーダ２２４を含むことができる。代替的な実装形態では、ＵＡＶ１３０上のセンサは、エンコーダと組み合わせて、またはエンコーダの代わりに使用することができる。例えば、ステーションは、高度角度エンコーダではなく、構造物上のステーション自体の高度を示す高度センサを含むことができ、ＵＡＶは、同様の高度センサを含むことができる。ステーションとＵＡＶで測定された高度の差は、ステーションとＵＡＶとの間のテザーの角度を示す。さらに他の実装形態では、ステーションに対するＵＡＶの配向は、ＵＡＶに搭載の慣性測定ユニット（inertial measurement unit、ＩＭＵ）を使用して測定され得る。
【００２５】
ＵＡＶ１３０は、つながれているため、従来とは異なる簡易化されたロータ構成を使用して実装され得る。軌道上の安定性を維持するためには、ＵＡＶが、テザーの張力を維持し、軌道の角度方向（時計回りと反時計回りとの間で）を制御するために、固定されたデバイスから離れるように推進する能力を有する必要があるだけである。これらの条件は、３つのスラスタ（ロータ）を使用して実現され得る。図３は、本発明の実施形態におけるＵＡＶに使用され得るトリコプタ３００の斜視図を示す。トリコプタ３００は、垂直方向の推力を提供する第１の端部スラスタ３０２と、水平方向の推力を提供する中央スラスタ３０４と、垂直方向の推力を同様に提供する第２の端部スラスタ３０６と、を含む。中央スラスタ３０４は、トリコプタを構造物から離れるように水平方向に推進して、テザーの張力を維持するために、使用される。第１の端部スラスタ３０２および第２の端部スラスタ３０６を使用して、トリコプタの高度を調整し、また水平面に対するトリコプタ３００の角度方向を調整することができる（「姿勢」と称される）。例えば、姿勢は、第２の端部スラスタ３０６を使用する上方の推力と同時に、第１の端部スラスタ３０２を使用する下方の推力を提供することによって、調整され得る。
【００２６】
動作中、走査実行の前に、システム１００は初期化されるため、固定されたデバイスはＵＡＶを追跡することができる。初期化段階中、ＵＡＶは、まず初期の位置でテザー１２５に結合される。レーザトラッカを使用して、固定されたデバイス１２０が実装されると、ＵＡＶの反射器１３２が位置特定され、固定されたデバイス１２０に対するＵＡＶ１３０の配向が判定される。初期の位置は、トラッカのメモリに記憶された、予め割り当てられた「休止」位置とすることができる。この場合、ＵＡＶの位置は、トラッカによって自動的に突き止められる。しかしながら、予め割り当てられた位置を使用する必要はなく、むしろ、ＵＡＶの反射器がトラッカの視線内にある限り、ＵＡＶの配向を判定することができる。角度エンコーダを使用して、固定されたデバイスが実装されると、エンコーダが配向を判定する。ＵＡＶは、その後、休止位置から出発する地点から追跡が開始され得る。他の実装形態では、オペレータは、トラッカからのビームがＵＡＶの反射器に交差するように、ＵＡＶを、レーザトラッカに対して手動で、または遠隔制御により、配置することができる。交差後、オペレータは、ＵＡＶが離陸するようにコマンドを発行することができる。ＵＡＶは、浮揚すると、固定されたデバイスまたはＵＡＶのいずれかに配置された歪みセンサを介してしきい値張力が検出されるか、またはテザーの限界に到達してＵＡＶが固定されたデバイスからそれ以上遠ざかることができないかのどちらかの地点まで、固定されたデバイスから遠ざかるように構成され（すなわち、プログラムされ）得る。
【００２７】
加えて、固定されたデバイスとＵＡＶの間にテザーが懸架されるとき、テザーがたるみやすく、たるみの程度が、固定されたデバイスとＵＡＶとの間の距離に影響を与えるため、この要因を取り除くことが有利である。周知である懸垂線の物理によれば、たるみの量はテザーの張力の関数である。張力は歪みセンサを使用して測定することができ、歪みセンサは、前述のように、固定されたデバイス上またはＵＡＶ上のいずれか（または両方）に含めることができる。測定されると、たるみの量、および、たるみが固定されたデバイスとＵＡＶとの間の距離を低減する量が、判定される。たるみがしきい値の大きさを超えていると判定されると、ＵＡＶスラスタが作動してテザーの張力を増加させる。
【００２８】
初期化が行われると、ＵＡＶは、（他の走査モードおよび撮像モードを使用することができるが）好ましくはＬｉＤＡＲ走査を使用して、構造物を周回する軌道で移動し、構造物を走査する。多くの場合、ＵＡＶは、固定されたデバイスを中心として円形軌道で移動し、テザーの張力を一定またはほぼ一定に保ち、これにより、固定された中心から一定の距離を維持する。しかしながら、構造物に対する固定されたデバイスの正確な位置に応じて、軌道は真円度から変化し得るとともに、テザーの張力が、必要に応じて一定期間低減され得る。軌道を維持するために、ＵＡＶのスラスタが作動して、固定されたデバイスから離れるように絶えず推進されてテザーの張力を維持し、また上方に押し上げてＵＡＶを浮揚させ続ける。
【００２９】
図４は、本発明の実施形態による、構造物を較正するための制御システムの概略ブロック図である。示されるように、ＵＡＶ１３０は、制御ユニット４０５、センサ群４１０、スキャナ４１２、送受信機４１４、スラスタ４１６、およびオンボードメモリ４１８を含む。マイクロプロセッサ、プログラマブルロジックユニット、および／または特定用途向け回路を使用して実装され得る制御ユニット４０５は、プログラムモジュールで構成されている。プログラムモジュールは、軌道制御モジュール４２０、スキャナ制御モジュール４２２、通信モジュール４２４、および較正モジュールを含む。センサ４１０は、慣性測定ユニット、圧力／歪みセンサ、光センサ、高度センサ、遠隔制御センサなどを含むことができる。センサ４１０によって受信されたデータは、さらなる処理のために制御ユニット４０５に送信される。
【００３０】
動作中、制御ユニット４０５は、軌道制御モジュール４２２を利用して、自動的に、またはオペレータから（例えば、遠隔制御により）受信したコマンドに応答して、スラスタ４１６を制御する。軌道制御モジュール４２０は、つながれている間に特定の軌道にＵＡＶを維持するためにスラスタを制御するためのロジックを含む。スキャナ制御モジュール４２２は、スキャナ４１２の動作を制御するために使用され、スキャナ４１２は、ＵＡＶが構造物を周回する軌道を往来する際に、構造物の外面の一連の断面マッピングを取得する。このようにして、軌道制御モジュール４２０およびスキャナ制御モジュール４２２は、構造物の表面全体が確実に走査されるように連動して動作する。通信モジュール４２４は、Ｗｉ−ｆｉ、ブルートゥース（登録商標）、または他の適切な通信モードを介して無線で通信するように適合された送受信機４１４を動作させる。較正モジュール４２６は、走査データと固定されたデバイスから受信したデータとを使用して、構造物の外面の完全な３Ｄマッピングを生成する。
【００３１】
一実施形態によれば、軌道制御モジュール４２０は、構造物を周回する円形軌道でＵＡＶを推進するためのアルゴリズムを実行する。アルゴリズムの例示的な実施形態のフローチャートを、図５に示す。最初のステップ５０２で、スラスタモジュールは、固定されたデバイスに対するＵＡＶの現在位置（開始位置）に関するデータを受信する。次のステップ５０４で、ＵＡＶは、歪みセンサから受信した入力に基づいて、テザーに十分な張力があるかどうかを判定する。十分な張力がない場合、ステップ５０６で、スラスタモジュールは、スラスタ（トリコプタを使用する実装形態では中央スラスタ）を駆動して、ＵＡＶを固定されたデバイスから遠ざけて、テザーの張力を十分なレベルに増加させる。十分な張力があると判定された場合、またはステップ５０６の後、ステップ５０８で、スラスタモジュールは、オペレータコマンドまたは予め設定された指示に基づいて、時計回りと反時計回りで円形軌道を往来する方向を判定する。同時に、（スラスタモジュールとは独立して）走査モジュールを作動させて、構造物の走査を開始する。方向を判定した後、ステップ５１０で、スラスタモジュールは、オペレータによって予め設定または選択されたほぼ一定の周速度で移動するように、スラスタを作動させる。トリコプタの実装形態では、サイドスラスタを作動させてＵＡＶを加速することにより円周運動を開始させ、その後、力の量を低減して安定した速度を達成することができる。ＵＡＶが軌道に沿って移動している間、自身のセンサから、および固定されたデバイスから、ＵＡＶの位置に関するデータを継続的に受信する。このデータに基づいて、スラスタモジュールは、ステップ５１２で、ＵＡＶが初期位置に到達し、構造の全周を往来したかどうかを判定する。次に、スラスタモジュールは、オペレータコマンドまたは予め設定された指示に基づいて、スラスタを停止し（ステップ５１４）、ＵＡＶを表面上に停留させるか、または軌道を再開して（ステップ５１０に帰還する）別の走査実行を行うかを判定する。複数の走査実行を行って走査データの量を増加させ、起こり得るエラーを低減し、全体的な走査精度を増加させることができる。
【００３２】
ＵＡＶ１３０は、テザー１２５によって、固定されたデバイス１２０に結合される。次に、固定されたデバイス１２０は、制御ユニット４３０、センサ群４３２、送受信機４３４、およびメモリ４３６を含む。制御ユニット４３０は、プロセッサ、プログラミングロジックユニットを使用して実装され得るか、または、専用回路が、追跡モジュール４４２、配向／距離判定モジュール４４４、および通信モジュール４４６を含むプログラムモジュールで構成される。センサ４３２は、ＬｉＤＡＲトラッカ、角度エンコーダ、および歪みセンサ（利用される固定されたデバイスの実装形態に依存する）を含むことができるが、これらに限定されない。
【００３３】
動作中、レーザトラッカを利用する固定されたデバイスの実施形態の場合、制御ユニット４３０は追跡モジュール４４２を利用して、ＵＡＶ上の反射器を位置特定し、その後追跡する。配向／距離判定モジュールは、レーザトラッカにより、またはセンサ４３２から受信したデータを利用して、固定されたデバイスに対するＵＡＶの瞬時の配向および距離を判定する。この情報は、メモリ４３６に連続的に（小時間増分ごとに）記憶され、通信モジュール４４６および送受信機４３４を介してＵＡＶに送信される。
【００３４】
本発明の方法は、ＵＡＶにより取得された走査データと、固定されたデバイス（またはＵＡＶと固定されたデバイスとの組み合わせ）により取得された配向および距離データと、を相互参照することにより、構造物の高精度の較正を提供する。構造物を周回するＵＡＶの軌道中に、ＵＡＶ  １３０と固定されたデバイス１２０との間に、低遅延通信リンク４５０を確立することができる。通信リンク４５０により、固定されたデバイス１２０は、ＵＡＶが構造物を走査する間、情報を継続的にＵＡＶ１３０に送信することができる。ＵＡＶの較正モジュール４２６は、固定されたデバイスから受信した情報を使用して、基準系に変換される走査データをリアルタイムで相互参照する。
【００３５】
代替的な実施形態では、ＵＡＶおよび固定されたデバイスの通信モジュール４２４、４４４は、通信リンク４５０を介して時間同期を実行する。次に、固定されたデバイスは、ＵＡＶの軌道にわたってデータを蓄積し、データにタイムスタンプが付される。次に、蓄積されたデータは、ＵＡＶに送信される。ＵＡＶは、タイムスタンプに従って、蓄積された情報を走査データと相互参照し、それにより、特定の走査を、固定された基準系での、ＵＡＶの関連付けられた配向と相関させる。この情報を相互参照する機能により、登録プロセスで、走査された点セットをつなぎ合わせる必要がなくなる。配向情報と走査データとが完全に相互参照されると、構造物の正確な３Ｄマッピングをレンダリングすることができ、較正モジュールによる３Ｄマッピングを使用して構造物の容積を較正することができる。
【００３６】
較正モジュール４２６によって実行されるアルゴリズムの実施形態のフローチャートを、図６に示す。第１のステップ６０２において、較正モジュールは、各走査に関連付けられるための時間データを含む、走査モジュールから取得された画像データを受信する。第２のステップ６０４において、較正モジュールは、固定されたデバイスから受信したＵＡＶ位置情報を受信する。ＵＡＶ位置情報は、時間データも含めて、固定されたデバイスに対するＵＡＶの位置を示す。ステップ６０６において、較正モジュールは、時間データを一致させることにより画像データと位置データとを相互参照し、それにより、ステップ６０８において、固定されたデバイスの基準系での構造物の画像の正確なスケールおよび配向の両方を判定する。ステップ６１０において、較正モジュールは、スケールされたおよび参照された画像データを使用して、構造物の容積の推定値を決定する。
【００３７】
本明細書に開示されたシステムおよび方法は、石油およびガス産業で使用される貯蔵タンクの較正に特に適しているが、システムおよび方法は、例えば、大型機械、ランドマーク、大判アートワークなどの、他の構造物の較正に有益に適用され得ることを理解すべきであることに留意されたい。
【００３８】
本発明の方法およびシステムは、多くの利点を提供する。本発明の方法により、貯蔵タンクなどの大型構造物を約３０分で較正することができ、これは従来の較正時間よりもかなり短い。加えて、本発明の較正方法は、点集合登録を必要とせず、これにより、短時間で大型構造物の表面全体をより容易にマッピングすることが可能となる。より一般的には、本発明は、既存の構造マッピング技術の性能を超える単一の絶対基準系から大型構造物の３次元再構成を作成するための効率的かつ高精度の技術を提供する。
【００３９】
本明細書に開示されたいずれの構造および機能の細目も、システムおよび方法を限定するものとして解釈されるべきではなく、むしろ、当業者に、方法を実装するための１つ以上の方式を教示するための代表的な実施形態および／または構成として提供されていることを理解されたい。
【００４０】
図面中の類似の数字が、いくつかの図を通して類似の要素を表し、図に関連して説明され、例示された構成要素および／またはステップのすべてが、すべての実施形態または構成に必要とされるわけではないことをさらに理解されたい。
【００４１】
本明細書に使用されている専門用語は、特定の実施形態のみを説明する目的のものであり、本発明を限定することを意図しない。本明細書で使用される際、「a」、「an」、および「the」という単数形は、文脈上、他の意味を示すことが明らかな場合を除き、複数形も含むことを意図する。「comprises（備える）」および／または「comprising（備える）」という用語は、本明細書で使用される際、述べた特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を明示するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらの群の存在または追加を排除しないことがさらに理解されるであろう。
【００４２】
配向の用語は、本明細書では、単に慣例および参照の目的で使用され、限定するものとして解釈されるべきではない。しかしながら、これらの用語が見る人を基準にして使用されている可能性があることが分かる。したがって、限定が示唆されることもなく、推察されるべきでもない。
【００４３】
また、本明細書に使用されている表現および専門用語は、説明目的のものであり、限定するものと見なされるべきではない。本明細書における「including（含む）」、「comprising（備える）」、または「having（有する）」、「containing（含有する）」、「involving（伴う）」、およびそれらの変形の使用は、それ以降に挙げられた項目、およびその同等物、ならびに追加項目を包含することを意図している。
【００４４】
例示的な実施形態に関連して本発明が説明されてきたが、本発明の範囲から逸脱しない限り、様々な変更が行われてもよく、その要素を均等物に置き換えてもよいことが、当業者には理解されるであろう。さらに、本発明の基本的な範囲から逸脱せずに、特定の計器、状況、または材料を本発明の教示に適合させるための多くの修正形態が当業者には理解されるであろう。したがって、本発明が、本発明を実施するために考えられた最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されず、本発明が添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれるすべての実施形態を含むであろうことが意図されている。
【符号の説明】
【００４５】
１００  較正システム
１０５  構造物
１１０  上面
１２０  トラッカ（デバイス）
１２５  テザー
１３２  反射器
２００  テザー
２０５  デバイス（ステーション）
２１０  第１のベアリング
２１５  第２のベアリング
２２２  第１のエンコーダ
２２４  第２のエンコーダ
３００  トリコプタ
３０２  第１の端部スラスタ
３０４  中央スラスタ
３０６  第２の端部スラスタ
４０５  制御ユニット
４１０  センサ群
４１２  スキャナ
４１４  送受信機
４１６  スラスタ
４１８  オンボードメモリ
４２０  軌道制御モジュール
４２２  軌道制御モジュール（スキャナ制御モジュール）
４２４  通信モジュール
４２６  較正モジュール
４３０  制御ユニット
４３２  センサ群
４３４  送受信機
４３６  メモリ
４４２  追跡モジュール
４４４  通信モジュール（距離判定モジュール）
４４６  通信モジュール
４５０  低遅延通信リンク
【図１】
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【図２】
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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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【手続補正書】
【提出日】令和1年8月16日(2019.8.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物の容積を較正する方法であって、
テザーの第１の端部を、前記構造物の外面上の固定された位置でデバイスに固設することと、
前記テザーの第２の端部に無人航空機を取り付けることと、
前記テザーが伸長され、かつ張力がかかった状態で、前記無人航空機を、前記構造物を周回する軌道で移動させることと、
前記無人航空機を使用して前記軌道のコースにわたって前記構造物の外面を走査して、前記構造物の外面のマッピングを取得することと、
前記固定されたデバイスに対する前記無人航空機の位置を判定することと、
ｉ）前記固定されたデバイスに対する前記無人航空機の判定された位置、およびｉｉ）前記構造物の外面の前記マッピングに基づいて、前記構造物の容積を較正することと、を含む、方法。
【請求項２】
前記軌道が、前記構造物を周回する円形経路である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記固定されたデバイスが、レーザスキャナを含み、前記無人航空機が、装着された反射器を含み、前記レーザスキャナおよび装着された反射器がともに、前記固定されたデバイスに対する前記無人航空機の位置を確立する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記固定されたデバイスが、角度エンコーダを有するテザースプールと、歪みセンサと、を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記歪みセンサを使用して前記テザーの歪みを測定することと、
前記測定された歪みに基づいて、前記無人航空機が前記固定されたデバイスから十分に離れたかどうかを判定することと、
前記角度エンコーダを使用して、前記無人航空機および前記固定されたデバイスの角度位置を判定することと、をさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記固定されたデバイスが、前記構造物の上面上に位置する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記無人航空機が、走査中に前記構造物の外面の点群を作成するレーザ走査デバイスを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
無人航空機が、３つのスラスタを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
構造物の容積を較正するシステムであって、
前記構造物の外面上の固定された位置にあるデバイスと、
第１の端部および第２の端部を有し、かつ前記固定されたデバイスに前記第１の端部で固設されたテザーと、
前記テザーの前記第２の端部に取り付けられた無人航空機であって、走査デバイスを含む無人航空機と、を備え、
前記無人航空機は、前記テザー上に張力が維持されるように前記固定されたデバイスにつながれた状態で前記構造物を周回する軌道で移動し、かつ前記軌道のコースにわたって前記構造物の前記外面を走査して、前記構造物の前記外面のマッピングを取得するように動作し、
ｉ）前記固定されたデバイスに対する前記無人航空機の判定された位置、およびｉｉ）前記構造物の外面の前記マッピングに基づいて、前記構造物の容積が較正される、システム。
【請求項１０】
前記無人航空機が、複数のスラスタを含み、前記スラスタを制御して、前記テザーの張力を減少させて非円形軌道で移動するように動作する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記固定されたデバイスが、レーザスキャナを含み、前記無人航空機が、装着された反射器を含み、前記レーザスキャナおよび装着された反射器がともに、前記固定されたデバイスに対する前記無人航空機の位置を確立する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記固定されたデバイスが、テザースプールと、角度エンコーダと、歪みセンサと、を含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
前記歪みセンサが、前記テザー上の歪みを測定して、前記測定された歪みに基づいて前記テザーが最大張力にあるかどうかを判定するように動作する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記スプールが、モータ駆動され、前記テザーを自動的に巻き上げおよび巻き出し、前記無人航空機と前記固定されたデバイスとの間の距離を制御するように動作する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記スプールが、前記無人航空機を非円形軌道で移動させるために、前記無人航空機と前記固定されたデバイスとの間の距離を制御するように動作する、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記角度エンコーダが、前記固定されたデバイスに対する前記無人機の角度位置を提供する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１７】
前記固定されたデバイスが、前記構造物の上面上に位置する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１８】
前記無人航空機の前記走査デバイスが、ＬｉＤＡＲデバイスである、請求項９に記載のシステム。
【請求項１９】
無人航空機が、３つのスラスタを含む、請求項９に記載のシステム。
【国際調査報告】
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