(57)【要約】  構造物の表面上に着陸およびその上で移動するためのシステムは、複数の独立制御可能なスラスタを有する無人航空機と、隅角に車輪を有するフレームを含むアンダーキャリッジとを備える。アンダーキャリッジは、フレームにそれぞれの第１の端部で枢動可能に連結され、かつ無人航空機にそれぞれの第２の端部で連結された複数のバーさらに含み、無人航空機は、複数のスラスタを差動的に作動させ、アンダーキャリッジのフレームに対して傾斜し、構造物の表面上で移動するための正味合力をアンダーキャリッジにもたらすように動作する。
2020531355.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物の表面上に着陸およびその上で移動するためのシステムであって、
複数の独立制御可能なスラスタを有する無人航空機と、
フレーム、前記フレームに連結された車輪のセット、および前記フレームにそれぞれの第１の端部で枢動可能に連結され、かつ前記無人航空機にそれぞれの第２の端部で連結された複数のバーを含むアンダーキャリッジとを備え、
前記無人航空機は、前記複数のスラスタを差動的に作動させて、前記アンダーキャリッジの前記フレームに対して傾斜し、かつ前記アンダーキャリッジを前記構造物の前記表面上で移動させる正味合力を行使するように動作する、システム。
【請求項２】
前記複数のバーは、Ｘ字形配列に構成された４本のバーを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記無人航空機は、飛行モード、移動モード、および休止モードに従って前記無人航空機の運動挙動を制御するためのプログラムコードで構成されたプロセッサを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記車輪のセットは４つの車輪を含み、前記アンダーキャリッジは、前記車輪のセットと前記構造物の前記表面との間の接触力を示すように動作する圧力センサを含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記無人航空機は光学センサを含み、前記プロセッサは、画像処理および識別のためのプログラムコードで構成されている、請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
飛行モードにおいて、前記プロセッサは、前記無人航空機に対する前記構造物の前記表面の位置および配向を決定し、ａ）前記決定された位置および配向に基づいて、前記無人航空機を空中位置から前記構造物の前記表面上の目標位置に着陸させるための軌道と、ｂ）計算された軌道内を動くために前記スラスタを作動および停止させるシーケンスとを計算する、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
休止モードにおいて、前記プロセッサは、重力および前記構造物の前記表面に対する前記アンダーキャリッジの配向を決定し、前記アンダーキャリッジの前記車輪を前記構造物の前記表面に接触させて維持するように前記スラスタを作動させる、請求項４に記載のシステム。
【請求項８】
移動モードにおいて、前記プロセッサは、重力および前記構造物の前記表面に対する前記アンダーキャリッジの位置および配向を決定し、前記決定された位置および配向に基づいて、前記構造物の前記表面上で前記無人航空機を前記構造物上の目標位置に移動させるための軌道を計算する、請求項４に記載のシステム。
【請求項９】
前記アンダーキャリッジおよび前記無人航空機の少なくとも一方は、前記構造物の前記表面を検査するための機器を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記アンダーキャリッジの前記車輪は、オムニホイールおよびメカナムホイールのうちの一方である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
制御可能なスラスタを有する無人航空機を使用して、構造物の表面上に着陸およびその上で移動する方法であって、
フレーム、前記フレームに連結された車輪のセットおよび複数の枢動可能なバーを含むアンダーキャリッジを、前記無人航空機に連結することと、
前記無人航空機の前記スラスタを制御して、前記アンダーキャリッジの前記枢動可能なバーを前記フレームに対して傾斜させ、前記アンダーキャリッジを前記構造物の前記表面上で移動させる合力を前記アンダーキャリッジに行使することと、を含む方法。
【請求項１２】
前記無人航空機は複数のスラスタを含み、前記スラスタを制御することは、前記複数のスラスタを差動的に作動させて正味合力を得ることを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記アンダーキャリッジの前記複数の枢動可能なバーは、Ｘ字形配列に構成された４本のバーを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
飛行モード、移動モード、および休止モードのうちの１つからなる前記無人航空機の運動モードを決定することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記車輪のセットと前記構造物の前記表面との間の接触力を示す、前記アンダーキャリッジの前記車輪のセットにおける圧力を検出することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記構造物の表面を光学的に検出することと、この光学検出に基づいて、前記構造物の前記表面に対する前記無人航空機の位置を決定することと、をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
飛行モードにおいて、前記無人航空機に対する前記構造物の前記表面の位置および配向を決定することと、ａ）前記決定された位置および配向に基づいて、前記無人航空機を空中位置から前記構造物の前記表面上の目標位置に着陸させるための軌道、およびｂ）計算された軌道内を動くために前記スラスタを作動および停止させるシーケンスを計算することと、をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
休止モードにおいて、重力および前記構造物の前記表面に対する前記アンダーキャリッジの配向を決定することと、前記スラスタを作動させて、前記アンダーキャリッジの前記車輪を前記構造物の前記表面に接触させて維持することと、をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
移動モードにおいて、重力および前記構造物の前記表面に対する前記アンダーキャリッジの位置および配向を決定することと、前記決定された位置および配向に基づいて、前記構造物の前記表面上で前記無人航空機を前記構造物上の目標位置に移動させるための軌道を計算することと、をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
前記構造物の前記表面を検査することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項２１】
前記枢動可能なバーを前記アンダーキャリッジに対して特定の角度で固定することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無人航空機（ＵＡＶ）に関し、特に、ＵＡＶが、構造物の表面との接触を維持し、その上を動けるようにするための方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ドローンとも呼ばれる無人航空機（ＵＡＶ）は、多くの用途に使用される普遍的な技術になりつつある。ＵＡＶは現在、娯楽、趣味、レース、映画、写真、航空測量、マッピングなどに広く使用されている。より一般的なタイプのＵＡＶの１つは、複数のロータを使用し、ヘリコプタに似た方法で飛行およびホバリングする。特定の構成に応じて、ＵＡＶは、空中での優れた敏捷性と、別様にはアクセスが困難な場所にさまざまな機器やセンサを運ぶ能力とを提供できる。ＵＡＶのサイズは、バッテリ容量とペイロードとに関して、多少の制限を課す傾向にある。例えば、１時間以上飛行できる市販のＵＡＶはほとんどなく、搭載する機器が多いほど、飛行中に消費するエネルギーが増え、ペイロードと最大飛行時間とのトレードオフが生じる。
【０００３】
バッテリ容量を節約するために、表面に載置または休止している間に、ＵＡＶにできるだけ多くのタスクを実行させることは有利である。一旦休止したら表面上を移動する能力をＵＡＶに提供することによって、動き回るだけのデバイス（例えば、超音波パイプ検査）とは対照的に、場合によっては、ＵＡＶが別様には到達不可能な場所に到達し、接触ベースのセンサおよび機器に依存する用途から利益を得る可能性があるので、ドローンの適用範囲をかなり広げることができる。
【０００４】
多くの機関の研究所が、飛行、陸上移動および／または登坂の組み合わせを達成できるハイブリッド車両の分野で大きな進歩を遂げたが、今日まで、飛行する能力と、任意の配向（例えば、垂直、水平、傾斜または上下逆さま水平）の表面上を移動する能力との両方を提供する技術はない。
【０００５】
したがって、ＵＡＶが任意の配向の表面上を移動できるようにするためのシステムおよび方法を提供すること、特に標準的なＵＡＶで提供されるものを超える追加アクチュエータを必要としない解決策を提供することは有利である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態は、構造物の表面上に着陸およびその上で移動するためのシステムを含む。システムは、複数の独立制御可能なスラスタを有する無人航空機と、フレーム、フレームに連結された車輪のセット、およびフレームにそれぞれの第１の端部で枢動可能に連結され、かつ無人航空機にそれぞれの第２の端部で枢動可能に連結された複数のバーを含むアンダーキャリッジとを備える。無人航空機は、複数のスラスタを差動的に作動させて、アンダーキャリッジのフレームに対して傾斜し、かつアンダーキャリッジを構造物の表面上で移動させる正味合力を行使するように動作する。
【０００７】
いくつかの実装形態では、複数のバーは、Ｘ字形配列に構成された４本のバーを含む。いくつかの実装形態では、アンダーキャリッジの車輪のセットは４つの車輪を含み、アンダーキャリッジは、車輪のセットと構造物の表面との間の接触力を示すように動作する圧力センサを含む。無人航空機は光学センサを含み得、プロセッサは、画像処理および識別のためのプログラムコードで構成され得る。
【０００８】
無人航空機は、飛行モード、移動モード、および休止モードを含むさまざまな運動モードに従って無人航空機の運動挙動を制御するためのプログラムコードで構成され得るプロセッサを含む。飛行モードのいくつかの実装形態では、プロセッサは、無人航空機に対する構造物の表面の位置および配向を決定し、ａ）決定された位置および配向に基づいて、無人航空機を空中位置から構造物の表面上の目標位置に着陸させるための軌道と、ｂ）計算された軌道内を動くためにスラスタを作動および停止させるシーケンスとを計算する。休止モードのいくつかの実装形態では、プロセッサは、重力および構造物の表面に対するアンダーキャリッジの配向を決定し、アンダーキャリッジの車輪を構造物の表面に接触させて維持するようにスラスタを作動させる。移動モードのいくつかの実装形態では、プロセッサは、重力および構造物の表面に対するアンダーキャリッジの位置および配向を決定し、決定された位置および配向に基づいて、構造物の表面上で無人航空機を構造物上の目標位置に移動させるための軌道を計算する。
【０００９】
アンダーキャリッジおよび無人航空機の少なくとも一方は、構造物の表面を検査するための機器を含む。いくつかの実施形態では、移動を簡単にするため、アンダーキャリッジの車輪は、オムニホイールまたはメカナムホイールを含み得る。
【００１０】
本発明の実施形態はまた、制御可能なスラスタを有する無人航空機を使用して、構造物の表面上に着陸およびその上で移動する方法も含む。方法は、フレーム、フレームに連結された車輪のセットおよび複数の枢動可能なバーを含むアンダーキャリッジを、無人航空機に連結することと、無人航空機のスラスタを制御して、アンダーキャリッジの枢動可能なバーをフレームに対して傾斜させ、アンダーキャリッジを構造物の表面上で移動させる合力をアンダーキャリッジに行使することと、を含む。
【００１１】
本明細書で開示されるさまざま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。
【００１２】
これら、ならびに他の態様、特徴、および利点は、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】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に従う、移動のためのアンダーキャリッジ上に取り付けられたＵＡＶの斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に従う、アンダーキャリッジ上に取り付けられたＵＡＶの拡大概略図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態に従う、ＵＡＶおよびアンダーキャリッジシステムの移動シーケンスを示す図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態に従う、ＵＡＶおよびアンダーキャリッジシステムの移動シーケンスを示す図である。
【図３Ｃ】本発明の一実施形態に従う、ＵＡＶおよびアンダーキャリッジシステムの移動シーケンスを示す図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態に従う、ＵＡＶおよびアンダーキャリッジシステムが円筒形構造物の周りで周方向移動を実行するシーケンスを示す図である。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態に従う、ＵＡＶおよびアンダーキャリッジシステムが円筒形構造物の周りで周方向移動を実行するシーケンスを示す図である。
【図５】倒立振子システムの概略図である。
【図６】本発明の一実施形態に従う、水平パイプにおけるＵＡＶおよびアンダーキャリッジの例示的な接近および着陸シーケンスを示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に従う、垂直パイプにおけるＵＡＶおよびアンダーキャリッジの例示的な接近および着陸シーケンスを示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に従う、アンダーキャリッジが９０度の角度で取り付けられたＵＡＶを示す図である。
【図９Ａ】ＵＡＶがオムニホイールまたはメカナムホイールとばねサスペンション構成とに連結されている本発明の代替実施形態を示す図である。
【図９Ｂ】ＵＡＶがオムニホイールまたはメカナムホイールとばねサスペンション構成とに連結されている本発明の代替実施形態を示す図である。
【図９Ｃ】ＵＡＶがオムニホイールまたはメカナムホイールと可撓性連結構成とに連結されている本発明のさらに別の実施形態を示す図である。
【図９Ｄ】ＵＡＶがオムニホイールまたはメカナムホイールと可撓性連結構成とに連結されている本発明のさらに別の実施形態を示す図である。
【図１０Ａ】自動生成された境界基準線と一緒に構造物を示す、ＵＡＶによって取得された画像データを示す図である。
【図１０Ｂ】手動生成された境界基準線と一緒に構造物を示す、ＵＡＶによって取得された画像データを示す図である。
【図１１】本発明の一実施形態に従う、ＵＡＶおよびアンダーキャリッジシステムを動作させるための制御システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
本明細書で使用される際、「移動する」および「移動」という用語は、空中飛行とは対照的に、表面上および表面に沿った動きを指すことに最初に留意されたい。
【００１６】
概要として、本発明は、ＵＡＶの取り付けステーションとして軽量の受動的アンダーキャリッジを提供する。アンダーキャリッジに取り付けられると、ＵＡＶは、単にスラスタ（例えば、ロータ）を作動させるだけで、さまざまな配向において表面上で休止または移動するこができる。例えば、ＵＡＶ／アンダーキャリッジシステムは、上下逆さままたは垂直に休止および移動する。アンダーキャリッジは受動的デバイスであり、追加アクチュエータを含まないので、頑丈でしかも軽量な材料を使用することで、アンダーキャリッジの重量を最小限に維持することができる。このようにして、本発明により、ＵＡＶは、ペイロードを最小化し、飛行／動作時間を最大化しつつ、飛行、登坂、駆動および休止の任意の組み合わせを達成できる。いくつかの実施形態では、アンダーキャリッジは、受動的４輪キャリッジに連結された「Ｘ」字形の４バーリンケージを備える。キャリッジに取り付けられると、ＵＡＶは、アンダーキャリッジに対して傾斜することができ、スラスタによって印加される力の量を調整することにより、表面上を移動できる。
【００１７】
図１は、構造物１０５の表面上で休止および移動するためのアンダーキャリッジ付属装置１２０（「アンダーキャリッジ」）に連結されたＵＡＶ１１０を含む、構造物上に着陸およびその上を移動するためのシステム１００を示す。ＵＡＶ１１０は、多くの用途で使用できる遠隔制御可能な飛行デバイスであり、監視やタスク遂行のために、人がアクセスすることが難しい場所にアクセスするのに特に適している。一般的なＵＡＶは、ヘリコプタと同様に設計されているが、通常、１つの大型ロータではなく、複数のより小型のロータを含む。広く使用されている１つのモデルは、隅角に配置された４つのロータを含み、クワッドロータと呼ばれている。アンダーキャリッジ１２０は、車輪、例えば１２３、１２４が取り付けられる隅角を有する底部矩形フレーム１２２を含む。車輪１２３、１２４は、移動のために構造物の表面に直接接触するように意図されている。リンケージバー１３１、１３２、１３３、１３４は、それらの第１の端部でフレーム１２２のそれぞれの隅角の各々に枢動可能に取り付けられている。リンケージバー１３１〜１３４の第２の端部は、Ｘ字形構成でＵＡＶ１１０に連結されている。フレーム１２２およびリンケージバー１３１〜１３４を含むアンダーキャリッジ全体は、炭素繊維、アルミニウムまたは３Ｄ印刷および／もしくは射出成形プラスチックなどの頑丈で軽量な材料から作ることができる。多くの用途で、アンダーキャリッジは、１００〜６００グラムの範囲の重量を有し得る。アンダーキャリッジ１２０は、ＵＡＶ１１０に固定されるか、またはそれから取り外し可能に構成することができる。ほとんどの実施形態では、ＵＡＶ１１０は、アンダーキャリッジ１２０の上部に直接取り付けることができるが、特定の用途では、ＵＡＶは、アンダーキャリッジに対して９０度などの角度をつけて取り付けることができる。アンダーキャリッジは、検査、テレメトリ、環境センシング、映像取得などを含むさまざまな検査および診断の目的で、センサおよび機器を搭載することができる。当該分野で公知のそのようなセンサおよび機器の例には、超音波厚さおよび位相アレイプローブ、ＣＰプローブ、電磁音響トランスデューサ（ＥＭＡＴ）プローブ、パルス渦電流プローブ、位相調整カメラ、赤外線センサ、音響センサ、ガスセンサ、レーザー距離計、ＬｉＤＡＲ、静電容量センサ、誘導センサ、およびホール効果センサが含まれる。
【００１８】
アンダーキャリッジの態様は、アンダーキャリッジの４本のリンケージバーのうちの２本１３１、１３２を示す図２に、より明確に示されている。アンダーキャリッジのフレーム１２２は水平軸を画定する。図示されているように、リンケージバー１３１の第１の端部は、隅角１３６でフレーム１２２に枢動可能に連結されている。リンケージバー１３１は、図示の方向において、フレームに対して時計回りまたは反時計回りに自由に回転することができる。リンケージバー１３１の第２の端部は、隅角１３６とは水平方向で反対側の、ＵＡＶの取り付け要素１４２にしっかりと連結されている。同様に、リンケージバー１３２は、フレーム１２２の隅角１３７に枢動可能に連結され、やはり、フレームに対して時計回りまたは反時計回りに自由に回転することができる。リンケージバー１３２の第２の端部は、隅角１３７とは水平方向で反対側の、ＵＡＶの取り付け要素１４４にしっかりと連結されている。取り付け要素１４２、１４４は、ヒンジなどの枢動継ぎ手を使用して実装することができる。リンケージバー１３１、１３２の第２の端部は、事実上、ＵＡＶが着座するプラットフォーム軸１５０を画定する。リンケージバー１３１、１３２の端部を水平方向で反対側の位置に連結すると、バー１３１、１３２がＸ字形構成で互いに交差する。ユニットとして一緒に見たとき、リンケージ１３１〜１３４を本明細書では「４バーリンケージ」と呼ぶ。リンケージバー１３１〜１３４が第１の端部で枢動できることにより、図２に示すように、プラットフォーム１５０が水平軸に対して傾斜できるようにする自由度を、第２の端部に与える。いくつかの実施形態では、４バーリンケージは、ばねの力を使用してリンケージを中央位置に向かって偏倚させる単純なサスペンションシステムを用いて、ニュートラルな中央位置に置かれるように構成することができ、ＵＡＶは、傾斜を引き起こすよう意図された推力が無い状態で、安定して中央位置に置かれたままとなり得る。
【００１９】
アンダーキャリッジを使用して構造物の表面上で移動するために、ＵＡＶは、構造物上でのアンダーキャリッジの安定性を維持すること、すなわち重力を考慮してバランスをとることと、アンダーキャリッジを所望の方向に表面上で動かすために不均衡推力を提供することとの、２つの関連機能を実行する。以下でさらに説明するように、ＵＡＶの制御ユニットは、安定性と移動性との両方を達成するために、スラスタの各々によって印加される推力の量を決定する。
【００２０】
図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃは、本発明の一実施形態に従うＵＡＶおよびアンダーキャリッジシステムの移動シーケンスを示す。図３Ａに示されたシーケンスの開始時、ＵＡＶ３１０の後方スラスタ３０２および前方スラスタ３０４は、重力に反して、アンダーキャリッジをパイプなどの構造物３１５の表面上に維持するために、ほぼ等しい量の上向きの力を印加する。開始後、左（後方）スラスタによって印加される推力の量は、右（前方）スラスタによって印加される推力の量を超え始める。推力差により、ＵＡＶは水平面に対して時計回り方向に傾斜し、また、アンダーキャリッジを表面３１５に沿って長手方向右に移動させる正味合力が生じる。図３Ｂは、ＵＡＶが水平面に対して傾斜し、アンダーキャリッジが構造物に沿って右に、ある距離だけ動いたシーケンスの中間点を示す。図３Ｃは、ＵＡＶが水平面に対してさらに傾斜し、構造物に沿ってさらに右に動いたシーケンスの最後の部分を示す。
【００２１】
図４Ａおよび図４Ｂは、ＵＡＶ／アンダーキャリッジシステムが円筒形構造物の周りで周方向移動を実行するシーケンスを示す。図４Ａでは、４バーリンケージ４０２はほぼ中央にある。図４Ｂでは、前方スラスタ４０６に対する後方スラスタ４０４の力の相対的増加により、ＵＡＶはアンダーキャリッジに対して時計回りに傾斜し、また、アンダーキャリッジを構造物４１０の表面の周りで反時計回り方向に移動させる正味合力が生じる。
【００２２】
移動推力と付着推力とのバランスは、センサからのフィードバックのさまざまな組み合わせを使用して、閉ループ方式で制御することができる。センサには、とりわけ、１つ以上のホイールエンコーダ、４バーリンケージの枢動継ぎ手における角度（複数可）を測定する回転位置センサ、ＵＡＶおよびアンダーキャリッジの少なくとも一方の配向を検出する慣性測定ユニット（ＩＭＵ）、ならびに１つ以上のキャリッジ車輪上の圧力センサを含み得る。車輪圧力センサによって提供されるデータは、電力消費を最適化するためにも使用できる。例えば、車輪圧力センサから取得された測定データは、ＵＡＶスラスタによって印加されている力が、目標表面および／または所望の移動経路に付着したままでいるのに十分なレベルを超えていることを示し得る。
【００２３】
ＵＡＶを剛体として動作させるために、選択可能な時点でＸバーリンケージの角度を固定ことは有利であり得る。これにより、いかなる振子効果の乱れも最小限に抑え、推力を最適化できる。リンケージバーの角度を固定することにより、ＵＡＶは、空中着陸などの「積極的な」操縦をより容易に実行できる。そのような実装形態では、着陸に先立ち、ＵＡＶは、着陸時に休止しかつ構造物と自己整合するのに最適な特定の角度を固定し得る。また、４バーリンケージの角度を固定することにより、ＵＡＶは、検査、メンテナンスを実行するか、または測定値を収集する間、特定の圧力を印加するように、特定の配向の推力を最適化できることにも留意されたい。さらに、いくつかの実装形態では、取り付け要素は、（例えば、ばね要素を介して）ある程度の可撓性を含むことができ、角度が固定されているときは、より高レベルの衝撃吸収を提供することができる。いくつかの実施形態では、固定されたＸバーリンケージの角度は、例えば、複数のリンクを通るソレノイドアクチュエータ駆動ピン、クラッチ機構、複数のリンクを通るリニアアクチュエータ駆動ピンなどを使用して、アンダーキャリッジ内に複数のリンクを連結することにより設定することができる。
【００２４】
ＵＡＶによる電力消費は、構造物の構成と、構造物に対するＵＡＶおよびアンダーキャリッジの配向との両方によって決まる。例えば、図４Ａおよび図４Ｂに示されているようなＵＡＶのいくつかの配向では、ドローンが重力によって構造物から脱落するのを防ぐために、スラスタは継続的に作動されたままである。対照的に、ＵＡＶ／アンダーキャリッジが水平構造物の上部に「１２時」の位置で配置されている場合、スラスタは移動のためにのみ作動される必要がある。スチール管などの強磁性材料を含む構造物を伴う実装形態では、アンダーキャリッジの車輪は、車輪を構造物表面に付着させたままにするために、磁気接触点または電磁石を含むことができる。車輪にそのような材料および／またはデバイスを含めると、アンダーキャリッジの総重量が増加し、飛行中の電力消費が増加するが、一旦ＵＡＶ／アンダーキャリッジシステムが構造物上に休止すると、車輪と構造物との間の磁気吸引力がＵＡＶの重量の大部分またはすべてを支えることができるので、電力消費を大幅に低減させることもできる。これにより、そのような用途での移動のためのＵＡＶスラスタの使用が節約される。
【００２５】
ＵＡＶおよびアンダーキャリッジシステムは、よく知られている倒立振子システムと重要な点で類似しており、形状の違いを考慮して類似の方法でモデル化できる。倒立振子システムの概略図を図５に示す。質量（ｍ）の振子５０２は、質量（Ｍ）のカート５０４に逆さまに取り付けられている。倒立振子システムに関連する問題は、振子を直立位置に維持することである。この問題は、直立位置は本質的に不安定であるという事実により困難であり、振子は、直立位置からわずかな角度だけ傾くと、片側に倒れる傾向がある。ＵＡＶを、構造物に付着させたままで、アンダーキャリッジ上の中央位置に維持するという問題には、同様の課題がある。動的モデルに関して、倒立振子システムの運動エネルギーおよび位置エネルギーの方程式は次のとおりである。
【００２６】
【数１】
2020531355.tif 000003
【００２７】
ここで、ｘ¨はｘ方向におけるカート（質量Ｍ）および振子（質量ｍ）の加速度であり、ｌは振子の長さであり、θは振子の角度であり、Ｆは印加された力であり、ｆθは、振子がカートに取り付けられているリンクの摩擦係数である。
【００２８】
状態変数を選択することにより、１組の４つの非線形状態方程式を導出して、システムを次のように記述することができる。
【００２９】
【数２】
2020531355.tif 000004
【００３０】
上記に類似した状態方程式を、本発明に従うＵＡＶ／アンダーキャリッジシステムに適合させることができ、システムが構造物上で静止しているときと、それが移動しているときとの両方で、制御可能な変数、加速度を調整することにより、安定性をモデル化および維持するための閉ループ制御アルゴリズムに使用することができる。
【００３１】
さらなる態様では、ＵＡＶの制御システムにより、ＵＡＶ／アンダーキャリッジシステムは、異なる構成で、表面上に接近および着陸または休止することができる。場合によっては、接近は、遮るもののない水平パイプ上への着陸である。しかしながら他の場合では、ＵＡＶは、より複雑な接近および着陸操縦を実行するように制御される。図６は、水平パイプ上に休止するための例示的な接近および着陸シーケンスを示す。図示されているように、第１段階（Ａ）では、キャリッジが取り付けられたＵＡＶは飛行中であり、アンダーキャリッジが水平に配向された「１２時」の位置に配向されている。第２段階（Ｂ）では、ＵＡＶ１１０はスラスタを差動方式で作動させて、ＵＡＶを、反時計回りに１１時の位置まで傾斜させながら、パイプ６１０に向かって飛行させる。第３段階（Ｃ）で、ＵＡＶ１１０が水平パイプ６１０に接近すると、着陸に向けて減速するために、ＵＡＶは、スラスタを作動させて、反対方向である時計回り方向に１時の位置まで横に傾く。段階（Ｄ）では、ＵＡＶはスラスタを差動的に（後方よりも前方を大きく）作動させて時計回りの回転を２時の位置まで継続し、段階（Ｅ）の４時の位置に来ると、パイプ６１０の側面のわずかに下側に着陸する。この位置で、スラスタは、アンダーキャリッジがパイプから脱落しないように、作動したままである。
【００３２】
垂直パイプ上に接近および着陸するための同様の軌道を図７に示す。図示されているように、第１段階（Ａ）では、アンダーキャリッジが取り付けられたＵＡＶ１１０は飛行中であり、アンダーキャリッジが水平に配向された「１２時」の位置に配向されている。第２段階（Ｂ）では、ＵＡＶ１１０はスラスタを差動方式で作動させて、ＵＡＶを、時計回りに１時の位置まで傾斜させながら、パイプ７１０に向かって飛行させる。第３段階（Ｃ）で、ＵＡＶ１１０が水平パイプ７１０に接近すると、着陸に向けて減速するために、ＵＡＶはスラスタを作動させて、反時計回りに横に傾き、１２時の位置に戻る。段階（Ｄ）では、ＵＡＶはスラスタを差動的に（後方よりも前方を大きく）作動させて、反時計回りの回転を１１時の位置まで継続し、段階（Ｅ）で９時の位置に来ると、横向きに着陸する。この位置で、スラスタは、アンダーキャリッジが摺動したり、パイプから脱落しないように、作動したままである。
【００３３】
しかしながら、休止操縦に関して、アンダーキャリッジは、着陸誤差に対して比較的高い許容度で着陸時に構造物上で自己整合する何らかの能力を有することに留意されたい。これは、４輪キャリッジが、円筒形表面に置かれたときに整合する傾向があるという事実によるものである。着陸誤差に対する理論上の許容度は、キャリッジの形状と構造物のサイズとの関数である。車輪キャリッジのトラック幅は、特定の構造物サイズにおける最適なパフォーマンスのために現場で調整可能とすることができるか、またはトラック幅を特定の用途（例えば、公知の特定のサイズの構造物）に対して固定することができる。加えて、４輪アンダーキャリッジの自己整合特性により、方向感受性センサのプローブ正規化の取り付けが簡単になる。このようなセンサは、適切に機能するために特定の配向に整合する必要がある。例えば、４輪キャリッジを使用すると、壁の薄化および腐食を検出するために、超音波ドライカップル厚さプローブをキャリッジの中央に取り付けるのが簡単になり、プローブは、正確に整合させるために、パイプの曲率に対応するための線形ばね仕掛け自由度を必要とするだけである。
【００３４】
アンダーキャリッジが構造物と接触したときの衝撃を低減するために、アンダーキャリッジは、サスペンションと衝撃吸収要素とを含み得る。例えば、車輪を、衝撃吸収に適合させることができる。いくつかの実装形態では、アンダーキャリッジのリンケージバーの１つ以上は、ある程度の弾力性を有するように設計でき、例えば、リンケージは、伸縮自在で一方向に延長可能であり得るか、またはばねを含み得る。着陸の際、リンケージバー要素は、衝撃の最中に延伸し、次いで、衝撃後に収縮してニュートラルな位置に戻り得る。
【００３５】
いくつかの実施形態では、アンダーキャリッジは、特定の休止操縦を容易にするために、ドローンに対して角度を付けて取り付けられるように構成されている。例えば、アンダーキャリッジは、垂直構造物上で休止することを容易とし得る、ＵＡＶに対して９０度の角度で、または上下逆さまの休止を容易にするためにＵＡＶの上部に、取り付けることができる。図８は、アンダーキャリッジ８２０が９０度の角度で取り付けられたＵＡＶ８１０を示す。バランスを維持するために、釣り合いおもり８３０を使用して、ＵＡＶ８１０の反対側でアンダーキャリッジ８２０の重量とのバランスをとることができる。他の実装形態では、ＵＡＶの制御システムは、アンダーキャリッジの従来と異なる取り付けを考慮するように構成され得る。
【００３６】
図９Ａおよび図９Ｂは、４輪アンダーキャリッジの代わりに、ＵＡＶがオムニホイールまたはメカナムホイールに連結されている本発明の別の実施形態を示す。図示されているように、ＵＡＶ９１０は、自由度２の自在継ぎ手９２５とニュートラルな中央サスペンション構成９３０とを介してオムニホイール、例えば９２１、９２２に連結されている。図９Ａは、傾斜のない実施形態を示し、図９Ｂは、傾斜状態の実施形態を示す。図９Ｃおよび図９Ｄに示す別の関連実施形態では、ＵＡＶ９１０は、追加自由度も有する可撓性／圧縮可能カップリング９４０（例えば、エステルフォームのディスク）を介してオムニホイール９２１、９２２に連結されている。図９Ａ〜図９Ｄの実施形態では、オムニホイールと、ＵＡＶとホイールとの間の追加自由度との組み合わせにより、ＵＡＶは、構造物上で全方向移動、例えばらせんおよび他の軌道パターンを達成できる。
【００３７】
ＵＡＶおよびアンダーキャリッジの構造物への接近および着陸を最適化するために、ＵＡＶには、休止操縦のための軌道を設定するために、飛行中に目標の位置を特定する機能が装備されている。いくつかの実施形態では、ＵＡＶは、ビデオデータを取得するビデオカメラを含み、ビデオデータを処理して、構造物の縁部を自動的に検出する。他の実施形態では、ＵＡＶのカメラからのビデオ供給は、オペレータインターフェースへストリーミングされる。第１の実施形態では、識別ソフトウェアを使用して、リアルタイムの画像処理により、構造物の縁部を特徴付けて識別する。構造物の直径に関する事前設定データを使用して、ＵＡＶは、構造物の推定距離および位置を決定する。いくつかの実装形態では、レーザー距離計やＬｉＤＡＲなど、他のセンサを使用して構造物の位置を特定することができる。図１０Ａは、構造物１００５を示す、ＵＡＶによって取得された画像データを示す。公知の画像処理技術により、ＵＡＶは、基準線１０１０、１０１５で示される構造物１００５の境界を決定する。距離および位置が特定されると、ＵＡＶは、構造物の縁部に安全に到達するための軌道を自動的に決定できる。あるいは、距離および位置を決定すると、信号をオペレータインターフェースに送信して、休止操縦を開始することができる。
【００３８】
第２の実施形態では、オペレータインターフェースにおけるビデオストリームに、グラフィック処理により基準線を重ね合わせることができる。近似基準線１０２０、１０２５を含む構造物１００５のビデオ画像の例を図１０Ｂに示す。基準線１０２０、１０２５は、構造物１００５のおおよその境界を与える。オペレータは、ＵＡＶを手動で制御および安定化するためのガイドとして基準線を使用できる。一旦ＵＡＶが安定し、構造物１００５の縁部が視覚基準１０２０、１０２５と一直線になると、カメラに対するＵＡＶの配向が確立される。第１の実施形態のように、ＵＡＶは、カメラが取り付けられた角度に基づいて、構造物までの距離および方向を決定するようにプログラムされている。次いで、ＵＡＶは、構造物に着陸するための軌道を計算することができる。
【００３９】
図１１は、本発明の一実施形態に従うＵＡＶおよびアンダーキャリッジを制御するための制御システムを示す。制御システムは、ＵＡＶに搭載されたプロセッサ１１１０を備える。プロセッサ１１１０は、考え得るセンサのタイプの中でとりわけ、高度センサ、慣性測定センサ、レーザーセンサ、および超音波センサを含み得る搭載センサ１１１２から入力を受信する。プロセッサ１１１０はまた、圧力センサを含むアンダーキャリッジに取り付けられたセンサ１１１４からのデータ入力、オペレータ指示コマンド１１１６、および搭載メモリからの事前設定入力１１１８も受信する。事前設定入力１１１８は、これらに限定されないが、目標位置、軌道パターン、検査タスクパラメータ、ならびにＵＡＶおよびアンダーキャリッジの質量を含む基本情報を含み得る。
【００４０】
入力を使用して、プロセッサ１１１０は、ＵＡＶの現在の運動状態に関する第１のセットの計算を行う。第１に、プロセッサは、ＵＡＶおよびアンダーキャリッジの速度、運動量の位置および配向を含む現在の運動パラメータ１１２２を決定する。オペレータ入力により事前設定または指定され得る目標に基づいて、プロセッサ１１１０は、センサ入力を使用して、ＵＡＶからの目標の正確な位置（距離、配向）１１２４を決定する。ＵＡＶが飛行しているとき、目標は、目標構造物上の着陸位置であり得る。ＵＡＶおよびアンダーキャリッジが構造物上の特定の位置で休止しているとき、目標は、移動によりＵＡＶ／アンダーキャリッジが動いていく構造物の別の位置であり得る。運動パラメータおよび目標位置から、プロセッサ１１１０は、適切な運動モード１１２６も決定する。ＵＡＶが飛行している場合、運動モードは飛行モード１１３２である。ＵＡＶが構造物上で休止しているが構造物の表面上の目標位置に到達していない場合、運動モードは移動モード１１３４である。あるいは、ＵＡＶが目標位置で休止している場合、運動モードは休止モード１１３６である。
【００４１】
運動モードの各々は、運動パラメータに応じて、スラスタを制御するための特定のアルゴリズムを必要とする。飛行モード１１３２では、ＵＡＶは、図６および図７に示すように、接近のさまざまな段階で必要となる異なる速度および配向を含む、目標構造物に接近および着陸するための軌道を計算する必要がある。これには、ＵＡＶの配向および速度が接近のあらゆる時点で適切な範囲内にあることを保証するために、リアルタイムの継続的な計算が必要である。本発明の背景において特に重要である移動モード１１３４では、ＵＡＶは、適切な速度および方向でのアンダーキャリッジの運動を誘発するのに必要とされるＵＡＶのスラスタの差動的作動を計算する必要がある。移動モード１１３４は、アンダーキャリッジセンサ１１１４からの継続的な入力を使用して、キャリッジの車輪が適切な圧力で構造物の表面と接触していることをチェックして、付着を保証する。移動モード１１３４は、移動中にアンダーキャリッジが構造物に付着したままであることを保証するために、休止モード１１３６と提携して動作し得る（または同様のプログラムコードを含み得る）。アンダーキャリッジを構造物に対して配向し得る多くのさまざまな方法、例えば上部に、横向きに、上下逆さまに、があるとして、休止モードは、センサ入力および運動パラメータから、構造物および重力（絶対配向）に対するその配向に従って、アンダーキャリッジが構造物の表面上で安定しているかどうかを継続的に判定し、それに応じてスラスタ作動を更新して、継続的な安定性を維持する。したがって、さまざまなモードの出力は、ＵＡＶのスラスタの作動／停止１１４０を変更するためのデータの連続ストリームである。
【００４２】
本発明のシステムおよび方法は、多くの検査および監視プロセスに有利に適用することができる。例えば、ＵＡＶおよびアンダーキャリッジシステムを使用して、断熱パイプを検査する。検査は、近傍での目視検査に基づいて至近距離で行うことができ、かつ／またはＵＡＶもしくはアンダーキャリッジは、パルス渦電流技術もしくは電磁音響変換などのセンサを含むことができる。本発明の実施形態は、高架金属パイプの検査にも使用することができる。ＵＡＶは、障害物を超えた位置にあるパイプセグメントなど、他の検査装置が到達するのが困難な領域に到達する能力を有する。ＵＡＶおよびアンダーキャリッジシステムは、非金属パイプ検査用のフォトニックスマートコーティングの画像またはビデオを取得するために使用することもできる。
【００４３】
本明細書に記載のシステムは、産業環境において拡張および高度に自動化できる。例えば、産業施設は、中央指令センターから管理される保管基地（例えば、格納庫）に、ＵＡＶ小隊を維持できる。その隊は、検査タスクを特定の頻度で実行するようにスケジュールを組むか、またはオペレータのコマンドによって実行することができるように、施設のレイアウトおよびネットワークのマップを用いて構成することができる。次いで、事前設定またはオペレーターコマンドにより、ＵＡＶは自律的に保管域から飛び出し、施設内を移動し、目標の構造物上に休止し、関連タスクを実行し、そして保管基地に戻ることができる。
【００４４】
本明細書に開示されたいずれの構造および機能の詳細も、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つ以上のやり方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。
【００４５】
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。
【００４６】
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するものではない。本明細書で使用される際、単数形「a」、「an」、および「the」は、文脈上、他の意味を示すことが明らかな場合を除き、複数形も含むことが意図される。「comprises（備える）」および／または「comprising（備える）」という用語は、本明細書で使用する際、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。
【００４７】
向きの用語は、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。ただし、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、限定が暗に意味されることはなく、または推察されるべきではない。
【００４８】
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（含む）」、「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、およびその均等物、ならびに追加項目を包含することを意図している。
【００４９】
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、特定の機器、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、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ようになることが意図されている。
【符号の説明】
【００５０】
１００  システム
１０５  構造物
１２０  アンダーキャリッジ付属装置
１２２  底部矩形フレーム
１２３，１２４  車輪
１３１〜１３４  リンケージバー
１３６，１３７  隅角
１４２，１４４  要素
１５０  プラットフォーム軸
３０２  後方スラスタ
３０４  前方スラスタ
３１５  表面
４０４  後方スラスタ
４０６  前方スラスタ
４１０  構造物
５０２  振子
５０４  カート
６１０，７１０  水平パイプ
８２０  アンダーキャリッジ
９２１  オムニホイール
９２２  オムニホイール
９２５  手
９３０  中央サスペンション構成
９４０  圧縮可能カップリング
１００５  構造物
１０１０，１０１５  基準線
１０２０，１０２５  近似基準線
１１１０  プロセッサ
１１１２  搭載センサ
１１１４  アンダーキャリッジセンサ
１１１６  オペレータ指示コマンド
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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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７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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