JP7580377B2 - 解放可能なクローラを有するパーチするｕａｖ - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下、２０１８年１１月２９日に出願された「PERCHING UAV WITH RELEASABLE CRAWLER」と題する米国特許仮出願第６２／７７２，７００号の利益を主張し、かつ、米国特許法第１２０条の下、２０１９年１１月２０日に出願された「PERCHING UAV WITH RELEASABLE CRAWLER」と題する米国出願第１６／６８９，８６４号の利益を主張するものであり、参照によりそれぞれの全体を本明細書に引用する。
本開示は、概して、構造物の検査および保守に関し、具体的には、構造物を検査および維持するための解放可能かつ再ドッキング可能なクローラを有するパーチする無人航空機（unmanned aerial vehicle、UAV）に関する。
パイプ、貯蔵タンクなどの露出した金属資産の検査と保守は、環境によっては人間が実行するのが困難または非現実的となり得る。そのような状況では、自動化されたＵＡＶ（ドローン）の使用は、実行可能な代替手段を提供する補助となり得る。しかしながら、このような検査と保守のタスクは、多くの場合、資産から距離をおいてホバリングするのではなく、資産への直接的な接触を使用して、または、資産上でのＵＡＶの操縦を使用して実行するのが最良である。特に、ドローンを使用してパイプ（または他の資産）の完全な円周スキャンを実行することは困難なタスクである。
当技術分野におけるこれらおよび他の問題に関して、本開示は、構造物を検査または保守するための解放可能なクローラを有する効果的なパーチするＵＡＶのための技術的解決策を提供することを目的とする。
一実施形態によれば、無人航空機（ＵＡＶ）が提供される。ＵＡＶは、ＵＡＶが飛行することを可能にするように構築されている本体と、本体に接続されており、かつ湾曲強磁性面に飛行するＵＡＶを着陸およびパーチさせるように構成されている３本以上の脚部を含む。各脚部は、本体に接続された第１の部分と、磁石をそなえており、かつ着陸中に、脚部を強磁性面に磁着することと、パーチ中に、強磁性面への脚部の磁着を維持することと、を行うように構成されている、第２の部分と、第１の部分を第２の部分に接続しており、第２の部分が強磁性面へアプローチすることに応答して、着陸中に、第１の部分に対して第２の部分が受動的に関節接合するように構成されている、受動的な関節接合ジョイントを備える。ＵＡＶはさらに、解放可能なクローラを備え、解放可能なクローラは、パーチ中にクローラを本体から分離することと、分離後にクローラが強磁性面に磁着させる間に、強磁性面上でクローラを操縦することと、とを行うように構成された磁気ホイールを備える。
一実施形態では、クローラは、操縦中に強磁性面を検査または維持するように構成されたプローブまたはツールをさらに備える。
一実施形態では、クローラは、ＵＡＶまたは基地局と無線で通信するように構成された無線通信回路をさらに備える。
一実施形態では、磁気ホイールは、操縦後にクローラを本体に再ドッキングするようにさらに構成される。
一実施形態では、各磁石は永久磁石を備える。
一実施形態では、各磁石は、切り替え可能な永久磁石を備える。
一実施形態では、各磁石は、電永磁石を備える。
一実施形態では、ＵＡＶは、パーチしたＵＡＶの強磁性面から離陸中に、磁着した脚部のうちの１つ以上を強磁性面から磁気的に分離することを支援するために、強磁性面に磁着する脚部のうちの１つ以上の第２の部分に梃子を適用するように構成されている分離アクチュエータをさらに備える。
一実施形態では、ＵＡＶは、本体に接続されており、かつ、着陸時にＵＡＶを配向するための感知データを提供するように構成されたレーザスキャナをさらに備える。
一実施形態では、磁気ホイールは４つの磁気ホイールを備え、かつ、クローラは、４つの磁気ホイールのうちの２つを駆動するように各々構成された２つのモータをさらに備える。
一実施形態では、磁気ホイールは、オムニホイールまたはメカナムホイールを備える。
別の実施形態によれば、無人航空機（ＵＡＶ）が提供される。ＵＡＶは、ＵＡＶが飛行することを可能にするように構築されており、複数の第１の取り付け点を有する第１の本体および下部構造を含む。下部構造は、対応する複数の第２の取り付け点を有する第２の本体であって、第１および第２の装着点のうちの対応するペアで第１の本体に装着される第２の本体と、第２の本体に接続され、かつ、湾曲磁性面に飛行するＵＡＶを着陸およびパーチさせるように構成されている３本以上の脚部と、を備える。各脚部は、第２の本体に接続されている第１の部分と、磁石を備えており、かつ着陸中に、脚部を強磁性面へ磁着することと、パーチ中に、強磁性面への脚部が磁着を維持することと、、を行うように構成されている、第２の部分と、第１の部分を第２の部分に接続しており、第２の部分が強磁性面へアプローチすることに応答して、着陸中に、第１の部分に対して第２の部分が受動的に関節接合するように構成されている、受動的な関節接合ジョイントと、を備える。下部構造は、解放可能なクローラをさらに備え、解放可能なクローラは、パーチ中にクローラを第２の本体から分離すること、および、分離後にクローラを強磁性面に磁着させる間に、強磁性面上でクローラを操縦することを行うように構成されている磁気ホイールを備える。
一実施形態では、クローラは、操縦中に強磁性面を検査または維持するように構成されたプローブまたはツールをさらに備える。
一実施形態では、クローラは、ＵＡＶまたは基地局と無線で通信するように構成された無線通信回路をさらに備える。
一実施形態では、磁気ホイールは、操縦後にクローラを第２の本体に再ドッキングするようにさらに構成されている。
一実施形態では、各磁石は永久磁石を備える。
一実施形態では、各磁石は、切り替え可能な永久磁石を備える。
一実施形態では、各磁石は、電永磁石を備える。
一実施形態では、ＵＡＶは、パーチしたＵＡＶの強磁性面から離陸中に、磁着した脚部のうちの１つ以上を強磁性面から磁気的に分離することを支援するために、強磁性面に磁着する脚部のうちの１つ以上の第２の部分に梃子を適用するように構成されている分離アクチュエータをさらに備える。
一実施形態では、ＵＡＶは、第１の本体に接続されており、かつ、着陸時にＵＡＶを配向するための感知データを提供するように構成されているレーザスキャナをさらに備える。
一実施形態では、磁気ホイールは、４つの磁気ホイールを備え、クローラは、４つの磁気ホイールのうちの２つを駆動するように各々構成された２つのモータをさらに備える。
一実施形態では、磁気ホイールは、オムニホイールまたはメカナムホイールを備える。
一実施形態では、下部構造は、飛行中にクローラを第２の本体に固定するように構成されているドッキング機構および、パーチ中に、強磁性面に対して、クローラの高さを調整するように構成された高さ調整機構と、をさらに備える。
一実施形態では、第１の本体は、対応する複数の第３の取り付け点をさらに有しており、第２の本体は、第１の取り付け点で第１の本体から分離されることと、第３および第２の装着点の対応するペアで第１の本体に装着されること、とを行うように構成されている。
一実施形態では、第１の本体は、可動取り付け台を備え、可動取り付け台は、第１の取り付け点を有し、第１の本体の残りの部分に対して第１の取り付け点を移動させるように構成されている。
一実施形態では、ＵＡＶは、飛行中に取り付け台を移動させるように構成されたモータをさらに備える。
一実施形態では、可動取り付け台は、第１の本体の軸の周りで第１の取り付け点を回転させるようにさらに構成されている。
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。これらおよび他の態様および特徴は、添付の図面および特許請求の範囲とともに、特定の実施形態の以下の説明から理解することができる。
一実施形態による、構造物（例えば、パイプ）にパーチするＵＡＶの例の図であり、ＵＡＶは、構造物を検査または維持するための解放可能なクローラを有する。図１ＡはクローラがＵＡＶに取り付けられている様子を示す。 一実施形態による、構造物（例えば、パイプ）にパーチするＵＡＶの例の図であり、ＵＡＶは、構造物を検査または維持するための解放可能なクローラを有する。図１ＢはクローラがＵＡＶに取り付けられていない（例えば、構造物上をクロールする）様子を示す。 一実施形態による、例示的なＵＡＶまたはドローンの分解図および断面図であって、構造物にパーチするためのパーチする脚部を有する下部構造で構成されている図である。 一実施形態による、例示的なＵＡＶまたはドローンの分解図および断面図であって、構造物を検査または維持するために、構造物にパーチしたＵＡＶから解放するためのクローラを有する下部構造で構成されている図である。 一実施形態による、図２Ａおよび図２Ｂの下部構造を取り付けるためのモジュール式装着点を有する例示的なＵＡＶの断面図である。 一実施形態による、ＵＡＶに対して側方配向および上配向にそれぞれに取り付けられた下部構造を有するＵＡＶの断面図である。 一実施形態による、ＵＡＶに対して側方配向および上配向にそれぞれに取り付けられた下部構造を有するＵＡＶの断面図である。 一実施形態による、ＵＡＶに対して底配向、上配向、および側方配向にそれぞれに取り付けられた下部構造とともに、図２Ａ～３Ｃの下部構造を取り付けるための回転可能な装着点を有する例示的なＵＡＶの断面図である。 一実施形態による、ＵＡＶに対して底配向、上配向、および側方配向にそれぞれに取り付けられた下部構造とともに、図２Ａ～３Ｃの下部構造を取り付けるための回転可能な装着点を有する例示的なＵＡＶの断面図である。 一実施形態による、ＵＡＶに対して底配向、上配向、および側方配向にそれぞれに取り付けられた下部構造とともに、図２Ａ～３Ｃの下部構造を取り付けるための回転可能な装着点を有する例示的なＵＡＶの断面図である。
図面は説明的なものであり、必ずしも縮尺どおりである必要はなく、同じまたは類似の特徴は、全体を通して同じまたは類似の参照番号を有することに留意されたい。
様々な例示的な実施形態で、高所にあるか、そうでなければ接近し難いパイプまたは貯蔵タンクなどの構造を検査または維持するための解放可能なクローラを有する、パーチするＵＡＶが提供される。
ＵＡＶは、炭素鋼パイプ、貯蔵タンクおよび他の構造物などの、湾曲強磁性面上で接触検査作業を実行する高度な性能を有するハイブリッドＵＡＶである。ＵＡＶは、検査対象のパイプに向かって飛行して自律的に着陸し（一般にパーチするという）、解放可能な磁気クローラを展開して、パイプの周囲をクロールし、例えば、任意の配向角で込み入った検査作業を実行することができる。クローラは、パイプ上で保守を実行するように構成することもできる。以下の議論から理解されるように、ＵＡＶは、例えば、パイプまたは他の構造物の上、側方、または直下に着陸することができ、各々の例において、構造物に着陸したと言われる。
前述のように、パイプ、貯蔵タンクなどの露出した金属資産の検査と保守を人々が行うことは、困難または非現実的となり得る。例えば、石油およびガス業界の最大の課題の１つは、製油所、ガスプラント、海上プラットフォーム、および他のプラントおよび施設に見られる高架資産の定期検査である。これらの資産は、検査または保守作業中に接近することが困難である高所のパイプおよび構造物を含む。人々がそれらを検査または維持する唯一の方法が、足場を建てて、検査官またはエンジニアが資産に接近し、例えば、厚さ計測のために超音波検査（ＵＴ）センサを使用して手動検査を実行することであるときがある。このような足場は、高価であり、頻繁な検査に大きなコスト障壁をもたらすだけでなく、主に落下およびつまずきの危険という形で安全上の懸念を引き起こす。
したがって、例示的な実施形態では、解放可能なクローラを有するパーチするＵＡＶは、母子構成で２台のビークルを有することによって、前述の技術的問題に対する解決策を提供する。各ビークルは、最も適した性能を実行するように設計または最適化されている。ビークルには、パイプ上を飛行し、かつ、パイプに着陸できる、パーチするＵＡＶと、ＵＡＶによって運ばれ、着陸または止まった後にＵＡＶから解放される小型の磁気クローラが含まれる。クローラは、パイプ上をあちこち移動して、例えば、ＵＴセンサを使用した厚さ測定などの検査スキャンを実行できる。例えば、いくつかの実施形態では、ＵＡＶおよびクローラの両方が、検査または維持されているパイプまたは他の資産の曲面に磁着する。そのため、クローラは（重力に対して逆さまでも）アセットの完全な縦方向または円周方向のスキャンを実行できる。
これにより、ＵＡＶ全体をパイプの周りでクロールさせるよりも実現可能なアプローチが提供される。これには、より大きくて重いモータが必要であり、特にクリアランスの制約が限られている場合に、近くのパイプおよび資産との衝突のリスクがある。パーチしたＵＡＶは、パイプの近くにホバリングするのとは対照的に、パイプに（パイプの上などに）にパーチすることによってエネルギー（例えば、電気エネルギー、電池エネルギーなど）も節約する。パイプの面にＵＡＶをパーチすると、ＵＡＶがパイプの隣でホバリングしているときよりも容易に、解放可能なクローラをＵＡＶから解放することまたは、ＵＡＶに再ドッキングすることができるようにもなる。さらに、パーチすることにより、ホバリングと比較してより安定が増し、リスクが軽減される。
図１Ａおよび１Ｂは、一実施形態による、構造物５０（例えば、パイプ）上にパーチする例示的なＵＡＶ１００の図であり、ＵＡＶ１００は、構造物５０を検査または維持するための解放可能なクローラ１３０を有する。クローラ１３０は、図１ＡではＵＡＶ１００に取り付けられており、図１ＢではＵＡＶ１００に取り付けられていない（例えば、構造５０上をクロールする）ように示されている。説明を容易にするために、構造物５０は、ＵＡＶ１００よりも大きい（例えば、著しく大きい）と全体を通して想定されている。例えば、構造物５０は、ＵＡＶ１００よりもすべての次元で大きい。または、構造物５０が提供する着陸予定区域は、ＵＡＶ１００の着陸予定区域よりも大きい。さらに、説明を容易にするために、構造物５０（または本明細書に記載の任意の構造）は、直系８インチ以上のパイプなどのパイプであると想定されている。
図１Ａおよび１Ｂは、動作中の母子構成を示す。図１Ａは、クローラ１３０がまだドッキングされた状態の、パイプ５０に着陸した後のＵＡＶ１００を示す。図１Ｂは、検査作業を実行するためにＵＡＶ１００から解放された後のクローラ１３０を示す。解放可能なクローラ１３０によって提供されるクロール機能により、ＵＡＶ１００は、より容易な接近可用性などの検査および保守作業のための重要な機能を付与される（例えば、検査または保守が行われる正確なスポットに着陸する必要がない）。クロールにより、円周方向および縦方向のスキャンがさらに提供される。例えば、石油およびガス産業では、パイプ５０のフルスキャンを実行して、パイプ５０の特定の領域における最小鋼厚を見つけることが重要である。このようなスキャンには、円周スキャンと縦スキャンが含まれることがよくあり、クロールはこれによく適合する。クロールによって、さらに、複数の検査中に電力効率が提供される（例えば、同じパイプ上の複数の検査サイト間のクロールは、飛行よりも電力効率が高くなる）。
図１Ａおよび２Ｂでは、ＵＡＶ１００は、４つの関節接合された磁石１２０（永久磁石または切り替え可能な永久磁石など）を利用する。パイプ５０へのＵＡＶ１００の着陸に対応するために、各磁石１２０（またはより正確には、その磁場）は、ＵＡＶ１００がパイプ５０に着陸したとき、またはパーチしているときに、パイプ５０に対して垂直な向きで関節運動する。
いくつかの実施形態では、関節磁石１２０の磁場は、能動的にオンとオフを切り替えることができる（例えば、作業完了後の容易な取り外しを可能にするため）。リアルタイムフィードバックの形式として、自動着陸移動中のＵＡＶ１００に対するパイプの相対位置などを計測するために、レーザスキャナ１１０（例えば、光検出および測距、またはＬＩＤＡＲ）が含まれる。いくつかの実施形態では、ミニチュアクローラ１３０は、ワイヤによって接続され（例えば、電力および通信のために）、ＵＴセンサ、４つの磁気ホイール１４０、および対応するペア（例えば、前部および後部）でホイール１４０を駆動するための２つのモータを含む。ワイヤにより、検査または保守を実行するための残りの電子機器および電池をＵＡＶ本体１００内に配置することも可能になる。これにより、クローラ１３０のサイズ、重量、および複雑さが軽減される。
いくつかの他の実施形態では、クローラ１３０は、異なる数のホイール１４０（例えば、２つまたは３つのホイール、または４つ以上）およびそれらのタイプ（いくつか例を挙げると、オムニホイール、メカナムホイールなど）を含む。無人地上車両（unmanned ground vehicle、UGV）とは異なり、磁気クローラ１３０は、パイプの検査または保守の（全体に示されているように）様々な曲率および様々な方向と戦わなければならない。したがって、いくつかの実施形態では、磁気クローラ１３０は、パイプの曲率（または他の湾曲した構造または血管からの同様の曲率）を航行するための特別な移動システムを有する。
いくつかの実施形態では、クローラ１３０とＵＡＶ１００との間の通信は有線である。例えば、細いコードの小さなスプールを使用して、クローラ１３０は、電力および通信のためにＵＡＶ１００に接続することができる。これにより、例えば、クローラ１３０内にバッテリーおよび他の電子機器を保持する必要がなくなり、ＵＡＶ１００に既に存在するいくつかの構成要素を利用することによって、クローラをより小さくし、総重量を節約することができる。
他のいくつかの実施形態では、クローラ１３０とＵＡＶ１００との間の通信は無線である。ここで、クローラ１３０は、より独立した車両を提供するために、それ自体のバッテリーおよび電子機器を含む。これは、例えば、ＵＡＶ１００がクローラ１３０を地面から拾い上げ、パイプ５０に展開する際に有用な場合がある。その時点で、ＵＡＶ１００は飛行して何らかの他の検査作業を行い、次いで、クローラ１３０を拾い上げるために戻ることができる。これは、多数のクローラ１３０（例えば、クローラ１３０の群）が複数の資産を検査する場合にも有用である。ＵＡＶ１００は、それらを１つずつ、またはバッチで、地面から目的地に向けて拾い上げて、そして、作業完了時に回収する。異なる実施形態では、無線接続は、クローラ１３０とＵＡＶ１００または操作者の制御局のいずれか、もしくは、ＵＡＶ１００と操作者の制御局の両方との間であり得る。
一実施形態では、ＵＡＶ１００は、ＵＡＶ１００の飛行を可能にするように構築された本体を含む（例えば、ロータ、制御デバイスおよび誘導デバイスなどを有する）。ＵＡＶ１００はまた、本体に接続され、湾曲した強磁性表面５０に飛行するＵＡＶ１００を着陸させてパーチするように構成された３つ以上の脚を含む。各脚部は、本体に接続された上部（または主要な）部分と、永久磁石１２０を含む下部とを含む。底部は、着陸時に脚を強磁性面５０に磁着し、かつ、パーチする間、脚を強磁性面に磁着されたままであるように構成されている。さらに、受動的な関節ジョイント接続は、脚の上部と下部を接続し、着陸中に下部が強磁性表面５０に近づいていくことに応答して、上部に対して下部を受動的に関節運動（例えば、ピボット）する。ＵＡＶ１００は、磁気ホイール１４０を有する解放可能なクローラ１３０をさらに含む。磁気ホイール１４０によって、パーチする間にクローラ１３０をＵＡＶ１００から分離することが可能になり、分離後は、クローラ１３０を強磁性表面５０に磁着しながら、強磁性表面５０上でクローラ１３０を移動することが可能になる。
異なる実施形態では、ＵＡＶ１００の異なる着陸機構を使用することができる。これらは、磁性または非磁性などの様々なタイプの接着機構を含み得る。磁気的な着陸機構の例には、パイプ５０からの離陸中に機械的手段によって、遮断または克服することができる磁石が含まれる。このような磁石には、切り替え可能な永久磁石、離陸時の取り外しを支援する作動梃を備えた永久磁石、永電磁石、および電磁石が含まれる。しかしながら、連続的な電力消費は電磁石にとって不利になりうることに留意されたい。非磁性の接着機構は、ステンレス鋼、複合パイプ、コンクリート壁などの非強磁性の表面に使用できる。このような機構は、ヤモリに着想を得た乾燥接着剤（合成剛毛など）であるマイクロスパイン、吸盤、グリッパ、およびクロールを含む。
異なる実施形態では、異なるクローラ荷重または設計を使用される。単純化するために、これらの荷重または設計を、検査と保守という２つの基本的なカテゴリに分類する。検査荷重および設計は、パイプおよび構造物を検査するために石油およびガス業界でよく使用される様々なタイプのセンサを含む。例えば、いくつかの実施形態では、ＵＴセンサが厚さ計測に使用される。説明を簡単にするために、全体を通して厚さ計測用のＵＴセンサが、検査と保守のための例示的なデバイスとアプリケーションを表すために時々使用される。しかしながら、他の実施形態は、かかるデバイスまたはアプリケーションに限定されない。例えば、他の検査センサまたはプローブをＵＴセンサの代わりに、またはＵＴセンサに加えて作業に応じて使用することができ、それには渦電流センサおよび交流電流場計測（ＡＣＦＭ）センサなどを含む（しかし、この限りではない）。
さらに他の実施形態では、クローラ１３０は、１つ以上のツールで構成され、保守目的で使用される。例えば、クローラ１３０を、洗浄、表面処理、およびコーティング補修などの軽い保守作業を実行するために使用することができる。さらに他の実施形態では、クローラ１３０は、１つ以上のカメラで構成され、目視検査に使用される。例えば、いくつかの実施形態では、カメラは、単純な目視検査の作業に使用される。関心のある領域の動画または写真のみを取得する必要があるが、その領域をＵＡＶ１００によって直接的に検査することが困難であるような区域などの作業である。
いくつかの実施形態では、クローラ１３０は、マーカ（ペイントまたはＱＲコード（登録商標）など）を関心のある領域（センサの読み取り値が正常レベル外である場所、障害が検出される場所など）に残すように構成されている。例えば、これらの位置は、重要な厚さレベルを検出する場所である可能性がある。いくつかのかかる実施形態では、クローラ１３０が再ドッキングし、ＵＡＶ１００が飛び去った後に、ＵＡＶ１００がこれらのマーカをスキャンし、これらのマーカの正確な位置を示す環境の３Ｄ再構成を作成する。いくつかのかかる実施形態では、ＵＡＶ１００は、オンボードＲＧＢ－Ｄカメラを使用してマーカを検出し、ＵＡＶ１００に対するそれらの位置を計算する。ＵＡＶのＧＰＳの位置を使用して、マーカの絶対位置を計算または別様に判定することができる。ＵＡＶ１００がマーカをスキャンしている間、クローラ１３０は、例えば、パイプ５０上に留まるか、またはＵＡＶ１００と再ドッキングすることができることに留意されたい。
いくつかの実施形態では、クローラ１３０は、無線の位置特定を使用して、資産上の問題がある場所を、仮想マーカなどで識別する。言い換えれば、瑕疵の位置は、精度は低くなるが、物理的なマーカがなくても特定することできる。これは、ＵＡＶ１００に対するクローラの位置を、無線センサを使用して計算（または別様に判定）することができるためである。例えば、いくつかのかかる実施形態では、ＵＡＶ１００は、超広帯域（ultra-wide band、ＵＷＢ）センサアレイを運び、当該センサアレイはクローラ１３０に据え付きの別のＵＷＢ送信機の無線信号を受信する。そうすると、ＵＡＶ１００が飛行中であるか、パイプ５０に取り付けられているかに関係なく、クローラの相対位置を計測可能である。いくつかの実施形態では、操作者がクロール中に障害を発見するときはいつでも、ＵＡＶ１００に関するクローラの位置にタグが付けられ、キャプチャされる。ＵＡＶのＧＰＳセンサを使用すると、これらの瑕疵の絶対位置を特定できる。いくつかの実施形態では、ＧＰＳが利用できない場合、ＵＡＶの位置は、ＧＰＳを利用できるホームベースからの飛行軌道およびＩＭＵデータに基づいて推定される。
いくつかの実施形態では、前もって計算された（または決定された）検査位置が、ＵＡＶ１００から操作用コンピュータまたは地上局に転送される。次いで、検査位置が、例えば、検査対象のプラントのあらかじめ作成された３Ｄモデル上、またはＵＡＶのオンボードセンサ（例えば、深度カメラまたは３ＤのＬＩＤＡＲ）上から構築されることができる３Ｄモデルで視覚化される。さらに、いくつかのかかる実施形態では、視覚化された位置に、対応する計測厚（または他の検知された値または情報）の注釈が付けられる。
図２Ａおよび２Ｂは、一実施形態による、例示的なＵＡＶ２００またはドローンの分解図および断面図であって、それぞれ（１）構造物１５０（炭素鋼パイプまたは他の湾曲した強磁性面１５０）にパーチするためのパーチする脚部２８０を有する下部構造２２０で構成されている図、（２）構造物１５０を検査または維持するために、構造物１５０にパーチしたＵＡＶ２００から解放するためのクローラ２６０を有する下部構造で構成されている図、である。クローラ２６０は、（例えば、重力に対する配向に関係なく、逆さまでさえある）湾曲強磁性面１５０に接着する間に、操縦するための磁気ホイール２７０を有する。説明を容易にするために、湾曲強磁性面を有する構造例としてパイプが全体を通して使用されている。しかしながら、記載された実施形態は、湾曲強磁性面を有する円筒形または球形の貯蔵タンクなどの他のかかる構造に均等に適用可能である。ＵＡＶ２００またはドローンは、ロータ（４つもしくは６つのロータなど）および、ＵＡＶ２００の荷重のバランスをとり、またはＵＡＶ２００を所望の方向に移動させるために、個々のロータの回転速度を調整するための制御ユニットを含むことができる。
図２Ａおよび２Ｂを参照すると、ＵＡＶ２００は、下部構造２２０の類似の装着点２３０のセットと嵌合するための装着点２１０のセットを含む。このようにして、任意の互換性のあるＵＡＶ／下部構造の組み合わせ（例えば、互換性のある装着点および有効荷重容量／重量）を、所望の目的に合わせて組み立てることができ、この場合は、構造物１５０に展開し、構造物１５０を検査または維持するための解放可能なクローラ２６０である。この目的のために、下部構造２２０は、各々が関節接合された磁石２９０を有する、一組のパーチする脚部２８０（例えば、４つのかかる脚部２８０）を含む。関節接合された磁石２９０は、ＵＡＶ２００が面１５０にアプローチしてパーチするときに、湾曲強磁性面１５０の方へ配向可能であるように、そして湾曲強磁性面１５０に接着可能にするように、脚部２８０に装着されている。
したがって、図２Ａに示されるように、ジョイントがユニバーサルジョイントを含むときなどに、複数の軸内で、脚部２８０がちょうどパーチする面１５０に対して磁石２９０のハウジング内で、関節接合ジョイントは磁石２９０の旋回を可能にする。図示されるように、旋回は、脚部２８０またはジョイントの軸の周りで可能であり、軸に対する角度φおよび任意選択で追加の角度θなどに対する角度を想定することができる。ＵＡＶ２００および下部構造２２０は、主に、クローラ２６０を構造物の上（または上近く）へパーチして展開、または構造物の上（または上近く）から回収するように構成されている（例えば、ＵＡＶ２００のロータをパーチングの前、最中、後に適切なレベルに保つ）。
さらに、下部構造２２０は、クローラ２６０をパーチしたＵＡＶ２００から面１５０に下降させるため、またはクローラ２６０を面１５０からパーチしたＵＡＶ２００へ上昇させるための高さ調整機構２４０（例えば、モータまたは他のアクチュエータ）を含む。これを補助するために、ドッキング機構２５０は、ドッキングポートなどを用いて、高さ調整機構２４０をクローラ２６０に接続する。クローラ２６０は、面１５０に展開された後、ドッキングポートにより、パーチしたＵＡＶ２００から離脱する（例えば、撥ね飛ばされる）ことができるか、または、面１５０から離れる準備ができたとき、ドッキングポートにより、クローラ２６０はパーチしたＵＡＶ２００へ係合する（例えば、中にもしくは面上に走り込む）ことができ、それは例えば、ホームベースまたは、検査または維持されるべき他の構造または構成要素に戻るためである。ドッキング機構２５０はまた、ＵＡＶ２００とクローラ２６０との間の情報またはエネルギーの転送を可能にし得る。例えば、計装データをクローラ２６０からＵＡＶ２００にダウンロードするか、またはクローラ２６０の電池をＵＡＶ２００から再充電する。
さらに詳細には、いくつかの実施形態では、（例えば、面１５０での解放を成功させるために）高さ調整機構２４０を使用して、パイプ直径に基づいてクローラ２６０の高さを調整する。例えば、大型のパイプ（または平面）では、ドッキングされたクローラ２６０の面１５０までの高さは、小さな直径のパイプのときよりも高くなる。したがって、大型のパイプ（または平面）の場合、クローラ２６０は、面１５０に到達するためにより低い高さに展開されるが、小径のパイプでは、クローラ２６０は、より高い点で展開および解放される。さらに、いくつかの実施形態では、高さ調整機構２４０は、作業完了後にクローラ２６０を再ドッキングするために使用される。これにより、ドッキング機構２５０をクローラ２６０に対して正しい高さにすることができる。この場合も、パイプの直径が異なれば、対応する高さも異なる。いくつかの実施形態では、高さ調整機構２４０を使用して、クローラ２６０を引っ張り、強磁性面１５０へのその磁着を破壊する。
いくつかの実施形態では、高さ調整機構２４０は、モータなどで作動される。いくつかの実施形態では、高さ調整機構２４０は、クローラ２６０を分離するために使用されない場合は受動的である。例えば、かかる一実施形態では、高さ調整機構２４０はバネ式であるため、ＵＡＶ２００がパーチしてクローラ２６０を展開するとき、常に最大可能伸長の状態でパイプ１５０を押すことができる。
下部構造２２０を有するＵＡＶ２００では、真っ直ぐまたはほぼ真っ直ぐな角度でパイプ１５０の上面近く（例えば、１２時または１２時近くの位置）にアプローチして着陸することが望ましく、通常、脚部２８０の接着および適切なパーチを提供する。パーチする脚部２８０は、パイプ１５０へのパーチおよび接着を成功させるために有用な特徴を有する。例えば、パーチ機構の各脚部２８０は、関節接合された磁石２９０（永久磁石または切り替え可能な永久磁石など）を特徴とする。脚部２８０の関節接合は、関節接合された磁石２９０が、磁石２９０の磁気引力および強磁性面１５０に応答して、図２Ａに示される軸に対して関節接合するように設計されている点で、磁石２９０と強磁性面１５０の初期接触への応答など、ＵＡＶ２００（より正確には、取付けられた下部構造２２０）が対象となる強磁性面１５０のかなり近傍にある場合に、受動的である。下部構造２２０は好適な装着点（例えば、装着点２３０と嵌合するためのもの）と有効荷重容量（例えば、飛行中に下部構造２００を運搬および展開するためのもの）を有する任意のＵＡＶへ装着可能であることに留意されたい。
いくつかの実施形態では、展開および作業完了後、クローラ２６０は、ＵＡＶ２００と、またはより具体的には、ドッキング機構２５０と再ドッキングする。クローラ２６０を使用するＵＡＶ２００による強磁性面１５０からの再ドッキングおよび離陸のプロセスはまた、面１５０からクローラ２６０を磁気的に分離することを含む。いくつかのかかる実施形態では、ＵＡＶ２００は、高さ調整機構２４０を使用して、クローラ２６０の磁気ホイール２７０および強磁性面１５０の磁気引力からクローラ２６０を梃子で分離する。他のいくつかのかかる実施形態では、磁気ホイール２７０は、切り替え可能な磁石を使用して、再ドッキング後に強磁性面１５０への接着を無効にする。さらに他のいくつかのかかる実施形態では、ドッキング機構２５０は、パイプ１５０上にあり、かつ、ＵＡＶ２００に取り付けられている傾斜路を含む。かかる実施形態では、クローラ２６０は、（傾斜した車道への駐車するように）再ドッキングしながら傾斜路を登る。このようにして、クローラのホイールモータは、クローラ２６０の駆動トルクを使用して、磁気ホイール２７０の磁石を強制的に分離するために使用される。傾斜路は、重量、強度などの要因に応じて、金属材料（例えば、鋼）または非磁性材料で作ることができる。かかる各実施形態では、ＵＡＶ２００によって安全に保持される有効荷重としてのクローラ２６０とともに、ＵＡＶ２００が次の場所に飛ぶことを可能にするために、ＵＡＶ２００の磁気引力は達成される。
図３Ａは、一実施形態による、図２Ａおよび図２Ｂの下部構造２２０を取り付けるためのモジュール式装着点３１０を有する例示的なＵＡＶ３００の断面図である。一方、図３Ｂおよび図３Ｃは、一実施形態による、ＵＡＶ３００に対して側方配向および上配向にそれぞれに取り付けられた下部構造２２０を有するＵＡＶ３００の断面図である。このモジュール式アプローチにより、パイプ１５０の上、側方、または底にそれぞれパーチできるようにするために、例えば、ＵＡＶ３００の底、前、または上に下部構造２２０（有効荷重）を取り付けることが可能になる。
製油所でパイプを検査する際の最大の課題の１つは、ラック、構造物、他のパイプなどの障害物のために、パイプの多くに上からアクセス可能ではないことである。これらの場合、構造物の側方または底など、他の位置からそのような面にアクセスまたはパーチすることが望ましい。ＵＡＶ３００は、装着点３１０の好適なセットに取り付けられた下部構造２２０とともに、図３Ａ、３Ｂ、および３Ｃにそれぞれ示されるように、適応可能なパーチする脚部２８０を使用して、パイプ１５０の上、側方、または底にパーチすることができる。
さらに詳細には、各脚部２８０は、脚部２００を２つの別個の部分、下部構造２２０にしっかりと取り付けられた主要な本体と、可動の（または関節接合する）磁石２９０へと分割する、関節接合された磁石２９０を使って設計されている。これは、脚部２８０に少なくとも回転自由度を提供し、これにより、磁石２９０は、着陸中にパイプ１５０に向けてそれらの配向（例えば、垂直）を受動的に再調整して、完全またはほぼ完全な接着を可能にする。
２Ｄ側面図の説明を容易にするために、ＵＡＶ３００のロータのような特徴が、ＵＡＶ３００の他の部分（パーチする脚部２８０など）に接触するように示される場合があることに留意されたい。しかしながら、これは、深さ寸法（かかる特徴が重ならない）が示されていないためである。ＵＡＶ３００のロータは、下部構造２２０のいかなる構成された配向においても、下部構造２２０を妨害しない（例えば、下部構造２２０は、上から見たときにロータの間にある）。
下部構造２２０の場所を変更すると、ＵＡＶ３００の重心が変更されることも指摘されるべきである。そのため、ＵＡＶ３００はこの変更に対して補正する必要がある。いくつかの実施形態では、ＵＡＶ３００のオンボードフライトコントローラは、重量分布に関係なく、ＵＡＶ３００が安定したホバリングを保つように（例えば、論理回路、コードなどによって）構成される。例えば、ＵＡＶ３００の前方が重くなると、コントローラは、わずかな傾きを感知することと、ＵＡＶ３００を水平に保ち、安定させるために、重たい側の（ロータの）推力または回転速度を上げてその傾きを補正することを行うように構成される。（図４Ａから４Ｃに示されるような）いくつかの実施形態では、重心の変化の影響を低減するために、電池などの重い構成要素が、下部構造２２０とは反対の回転レール上に配置される。これにより、下部構造２２０がＵＡＶ２００の真下にない状況にある中でも、フライトコントローラがＵＡＶ２００を安定に保つことが容易になる。
図４Ａ、４Ｂ、および４Ｃは、一実施形態による、ＵＡＶ４００に対して底配向、上配向、および側方配向にそれぞれに取り付けられた下部構造２２０とともに、図２Ａ～図３Ｃの下部構造２２０を取り付けるための回転可能な装着点４１０を有する例示的なＵＡＶ４００の断面図である。いくつかの実施形態では、ＵＡＶ４００は、飛行中（例えば、動的回転）を含めて、装着点４１０を好適な配向に回転させるためのモータまたはアクチュエータを含む。いくつかの他の実施形態では、装着点４１０は、ミッションに先だって、手動で所望の配向に回転させることができる（例えば、静的回転）。
例示的な電動化された実施形態では、電動システム（例えば、電動装着点４１０と、ＵＡＶ４００の周りを回るように装着点４１０を回転するためのモータ）により、操作者は、ボタンを押すだけで下部構造２２０（有効荷重）の配向を変更することができる。別の実施形態では、ＵＡＶ４００は、パイプ１５０の周りで観察されたかまたは既知の障害などの要因に応じて、下部構造２２０の配向を（例えば、飛行中に）自動的に変更する。これらを念頭に置いて、図４Ａ、４Ｂ、および４Ｃは、電動システムが、パーチする脚部２８０の配向を変更して、パイプ１５０のそれぞれ上、底、または側方に着地する方法を示している。
例えば、一実施形態では、ＵＡＶは、パイプ１５０の上、側、または底、またはそれらの中間など、パーチするパイプ１５０上の最も安全な場所を計画するように（コンピュータコードなどによって）構成されたコントローラを有する。図４Ａから４Ｃに示される例示的な電動化された実施形態では、回転は、ＵＡＶの本体４００の周りの円形レールを介して達成される。したがって、回転中に適切な重心を維持するために、電池などの重い構成要素をレール上に（例えば、装着点４１０と反対の位置に）配置して、カウンタウェイトとして機能させることができる。
例示的なユーザが調整可能な（例えば、手動の）実施形態では、下部構造２２０の回転は、電動化される代わりに、ユーザによって手動で調整される。例えば、これは、重量、複雑さ、電力などを省くために行うことができる。この手動調整を達成するための例示的な技術は、手回しねじを緩めて、円形レールの周りの下部構造２２０の手動回転のロックを解除することによるものであり、その後、下部構造２２０が所望の位置になれば、再ロックすることができる。
本明細書に記載の方法は、有形の（例えば、非一時的な）記憶媒体上の機械可読形式のソフトウェアまたはファームウェアによって部分的または全体的に実行され得る。例えば、そのソフトウェアまたはファームウェアは、本明細書で説明した任意の方法の一部またはすべてのステップを実行するように適合されたコンピュータプログラムの形態であってもよく、プログラムがコンピュータまたは好適なハードウェアデバイス（例えば、ＦＰＧＡ）上で実行されるとき、コンピュータプログラムは、コンピュータ可読媒体上に実装されている可能性がある。有形の記憶媒体の例として、ディスク、サムドライブ、メモリなどのコンピュータ可読媒体を含むコンピュータ記憶デバイスが挙げられ、伝播される信号は含まれない。伝播される信号は有形の記憶媒体に存在する場合があるが、伝播される信号自体は有形の記憶媒体の例ではない。ソフトウェアは、方法ステップが任意の好適な順序で、または同時に実行され得るように、並列プロセッサまたは直列プロセッサ上での実行に好適であり得る。
図面中の類似の数字が、いくつかの図面を通して類似の要素を表し、図面に関連して説明され、示された構成要素および／またはステップの全てが、全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。
本明細書で使用される用語は、特定の実施形態のみを説明する目的のためであり、本開示を限定することを意図していない。本明細書において使用されるとき、単数形「ａ」、「an」、および「the」は、文脈が明らかに別のことを示している場合を除き、複数形も含むものと意図する。「comprises（備える）」および／または「comprising（備える）」という用語は、本明細書で使用する際、述べた特徴、整数、ステップ、作業、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、作業、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。
向きの用語は、本明細書においては、単に慣例および参照の目的で使用され、限定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る可能性があることが認識される。したがって、限定が含意されることもなく、推測されることもない。さらに、序数（例えば、第１、第２、第３）の使用は区別のためであり、カウントではない。例えば、「第３」は、対応する「第１」または「第２」があることを示唆していない。また、本明細書において使用される表現および専門用語は、説明目的のものであり、限定として見做されるべきではない。本明細書における「including（含む）」、「comprising（備える、含む）」、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、およびその等価物、ならびに追加項目を包含することを目的としている。
上述の主題は、単に例示として提供されており、限定されるものと解釈されるべきではない。例示的な実施形態ならびに説明および記載された用途に従うことなく、かつ、以降の特許請求の範囲に記載されている本開示の真の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な修正および変更が、本明細書に記載された主題に対して行われ得る。
５０ 湾曲強磁性面（構造物、パイプ）
１００ ＵＡＶ本体
１１０ レーザスキャナ
１２０ 関節磁石
１３０ 磁気クローラ（ミニチュアクローラ）
１４０ 磁気ホイール
１５０ 湾曲強磁性面
２００ 脚部
２１０ 装着点
２２０ 下部構造
２３０ 装着点
２４０ 調整機構
２５０ ドッキング機構
２６０ クローラ
２７０ 磁気ホイール
２８０ 脚部
２９０ 磁石
３１０ モジュール式装着点
４００ 本体
４１０ 電動装着点

Claims (1)

  1. 無人航空機（ＵＡＶ）であって、
    前記ＵＡＶが飛行することを可能にするように構築されている本体と、
    前記本体に接続されており、かつ湾曲強磁性面に前記飛行するＵＡＶを着陸およびパーチさせるように構成されている、３本以上の脚部であって、各脚部が、
    前記本体に接続されている第１の部分と、
    磁石を備えており、かつ前記着陸中に、前記脚部を前記強磁性面に磁着することと、前記パーチ中に、前記強磁性面への前記脚部の磁着を維持することと、を行うように構成されており、各磁石が、永久磁石を備える、第２の部分と、
    前記第１の部分を前記第２の部分に接続しており、前記第２の部分が前記強磁性面へアプローチすることに応答して、前記着陸中に、前記第１の部分に対して前記第２の部分が受動的に関節接合するように構成されている、受動的な関節接合ジョイントと、
    前記パーチしたＵＡＶの前記強磁性面からの離陸中に、前記磁着した脚部のうちの１つ以上を前記強磁性面から磁気的に分離することを支援するために、前記強磁性面に磁着する前記脚部のうちの前記１つ以上の前記第２の部分に梃子を適用するように構成されている分離アクチュエータと、
    を備える、３本以上の脚部と、
    磁気ホイールを備える解放可能なクローラであって、前記磁気ホイールが、
    前記パーチ中に、前記クローラを前記本体から分離することと、
    前記分離後、前記クローラを前記強磁性面に磁着させる間に、前記強磁性面上で前記クローラを操縦することと、とを行うように構成されている、解放可能なクローラと、を備える、
    ＵＡＶ。
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