栖息式无人飞行器的基于推进器的运动
阅读：517发布：2020-05-11
专利汇可以提供栖息式无人飞行器的基于推进器的运动专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种用于在结构表面上着陆和运动的系统包括具有多个可独立控制的 推进器 的无人 飞行器 ，以及 起落架 ，包括在拐 角 处具有轮子的 机架 。所述起落架还包括多根杆，所述多根杆在相应的第一端枢转联接至所述机架，并且在相应的第二端联接至所述 无人飞行器 ；其中所述无人飞行器可操作地以不同方式致动所述多个推进器，以便相对于所述起落架的机架倾斜，并在所述起落架上产生净合 力 以在所述结构的表面上运动。，下面是栖息式无人飞行器的基于推进器的运动专利的具体信息内容。
1.一种用于在结构表面上着陆和运动的系统，其包括：
具有多个可独立控制的推进器的无人飞行器；和
起落架，其包括机架、联接至所述机架的一组轮子以及多根杆，所述多根杆在相应的第一端枢转联接至所述机架并在相应的第二端联接至所述无人飞行器，
其中所述无人飞行器可操作地以不同方式致动所述多个推进器，以便相对于所述起落架的机架倾斜，并施加使所述起落架在所述结构的表面上运动的净合力。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述多根杆包括以X形排列配置的四根杆。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述无人飞行器包括配置有程序代码的处理器，所述程序代码用于根据飞行模式、运动模式和栖息模式来控制所述无人飞行器的动力学行为。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述一组轮子包括四个轮子，并且所述起落架包括可操作以指示所述一组轮子与所述结构表面之间的接触力的压力传感器。
5.根据权利要求3所述的系统，其中所述无人飞行器包括光学传感器，并且所述处理器配置有用于图像处理和识别的程序代码。
6.根据权利要求5所述的系统，其中在飞行模式下，所述处理器确定所述结构表面相对于所述无人飞行器的位置和定向，并且计算a)用于根据所确定的位置和定向使所述无人飞行器从机载位置着陆到所述结构表面上的目标位置的轨迹，以及b)为了按计算的轨迹移动而启动和停用所述推进器的顺序。
7.根据权利要求4所述的系统，其中在栖息模式下，所述处理器确定所述起落架相对于重力和所述结构表面的定向，并且启动所述推进器，以便保持所述起落架的轮子与所述结构表面接触。
8.根据权利要求4所述的系统，其中在运动模式下，所述处理器确定所述起落架相对于重力和所述结构表面的位置和定向，并计算用于根据所确定的位置和定向使所述无人飞行器在所述结构表面上运动到所述结构上的目标位置的轨迹。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述起落架和所述无人飞行器中的至少一个包括用于检查所述结构表面的设备。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述起落架的轮子是全向轮和麦克纳姆轮中的一种。
11.一种使用具有可控推进器的无人飞行器在结构表面上着陆和运动的方法，所述方法包括：
将起落架联接至所述无人飞行器，所述起落架包括机架、联接至所述机架的一组轮子以及多根枢转杆；并且
控制所述无人飞行器的推进器，以便使所述起落架的枢转杆相对于所述机架倾斜并在所述起落架上施加合力，所述合力使所述起落架在所述结构表面上运动。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述无人飞行器包括多个推进器，并且对所述推进器的控制包括以不同方式启动所述多个推进器以获得净合力。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述起落架的所述多个枢转杆包括呈X形排列配置的四根杆。
14.根据权利要求11所述的方法，其还包括确定所述无人飞行器的动力学模式，所述动力学模式由飞行模式、运动模式和栖息模式之一组成。
15.根据权利要求14所述的方法，其还包括检测所述起落架的所述一组轮子上的压力，所述压力指示所述一组轮子与所述结构表面之间的接触力。
16.根据权利要求14所述的方法，其还包括光学检测所述结构表面，并基于所述光学检测来确定所述无人飞行器相对于所述结构表面的位置。
17.根据权利要求16所述的方法，其还包括在飞行模式下，确定所述结构表面相对于所述无人飞行器的位置和定向，并且计算a)用于根据所确定的位置和定向使所述无人飞行器从机载位置着陆到所述结构表面上的目标位置的轨迹，以及b)为了按计算的轨迹移动而启动和停用所述推进器的顺序。
18.根据权利要求14所述的方法，其还包括在栖息模式下，确定所述起落架相对于重力和所述结构表面的定向，并且启动所述推进器，以便保持所述起落架的轮子与所述结构表面接触。
19.根据权利要求14所述的方法，其还包括在运动模式下，确定所述起落架相对于重力和所述结构表面的位置和定向，并计算用于根据所确定的位置和定向使所述无人飞行器在所述结构表面上运动到所述结构上的目标位置的轨迹。
20.根据权利要求11所述的方法，其还包括检查所述结构表面。
21.根据权利要求11所述的方法，其还包括相对于所述起落架成特定角度固定所述枢转杆。
栖息式无人飞行器的基于推进器的运动
技术领域
背景技术
[0002] 无人飞行器(UAV)，也称为无人机，正成为普适技术，这种技术已用于许多应用中。UAV现已广泛用于娱乐、业余爱好、竞赛、电影摄影、摄影、航空测量和制图等。一种较常见的UAV类型使用多个旋翼，并以类似于直升机的方式飞行和盘旋。根据其特定配置，UAV可以在半空中提供极高的敏捷性，并且能够将各种仪器和传感器带到原本难以到达的位置。UAV的尺寸往往会在电池容量和有效载荷方面施加一些限制。例如，很少市场上可买到的UAV可以保持飞行一小时以上，并且它们携带的仪器越多，它们在飞行中消耗的能量就越多，从而导致了在有效载荷和最大飞行时间之间的权衡。
[0003] 为了节省电池容量，使UAV在固定或栖息在表面上的同时执行尽可能多的任务是有利的。为UAV提供一旦栖息就可以在表面上运动的能力，可以大大拓宽无人机的应用范围，因为UAV可能会到达原本无法到达的地方，并受益于依赖于基于接触的传感器和仪器的应用，而不是只有远程设备(例如超声波管道检查)。
[0004] 虽然许多机构的研究实验室在混合动力汽车领域取得了重大进展，混合动力汽车可以实现飞行、陆地运动和/或爬升的组合，但是迄今为止，没有任何技术既提供飞行能力，又提供在任何定向(例如垂直、水平、倾斜或倒置水平)的表面上运动的能力。
[0005] 因此，有利的是提供一种用于使UAV能够在任何定向的表面上运动的系统和方法，尤其是提供一种除了标准UAV中提供的致动器以外不需要附加致动器的解决方案。
发明内容
[0006] 本发明的实施例包括一种用于在结构表面上着陆和运动的系统。该系统包括无人飞行器，该无人飞行器具有多个独立可控的推进器和起落架，起落架包括机架，联接至所述机架的一组轮子以及多根杆，所述多根杆在相应的第一端枢转联接至所述机架并在相应的第二端枢转联接至所述无人飞行器。无人飞行器可操作地以不同方式致动所述多个推进器，以便相对于所述起落架的机架倾斜，并在所述起落架上施加使所述起落架在所述结构的表面上运动的净合力。
[0007] 在一些实施方式中，所述多根杆包括以X形排列配置的四根杆。在一些实施方式中，所述起落架的所述一组轮子包括四个轮子，并且所述起落架包括可操作以指示所述一组轮子与所述结构表面之间的接触力的压力传感器。无人飞行器可以包括光学传感器，并且所述处理器配置有用于图像处理和识别的程序代码。
[0008] 所述无人飞行器包括可以配置有程序代码的处理器，所述程序代码用于根据各种动力学模式(包括飞行模式、运动模式和栖息模式)来控制所述无人飞行器的动力学行为。在飞行模式的一些实施方式中，所述处理器确定所述结构表面相对于所述无人飞行器的位置和定向，并且计算a)用于根据所确定的位置和定向使所述无人飞行器从机载位置着陆到所述结构表面上的目标位置的轨迹，以及b)为了按计算的轨迹移动而启动和停用所述推进器的顺序。在栖息模式的一些实施方式中，所述处理器确定所述起落架相对于重力和所述结构表面的定向，并且启动所述推进器，以便保持所述起落架的轮子与所述结构表面接触。
在运动模式的一些实施方式中，所述处理器确定所述起落架相对于重力和所述结构表面的位置和定向，并计算用于根据所确定的位置和定向使所述无人飞行器在所述结构表面上运动到所述结构上的目标位置的轨迹。
在运动模式的一些实施方式中，所述处理器确定所述起落架相对于重力和所述结构表面的位置和定向，并计算用于根据所确定的位置和定向使所述无人飞行器在所述结构表面上运动到所述结构上的目标位置的轨迹。
[0009] 所述起落架和所述无人飞行器中的至少一个包括用于检查所述结构表面的设备。在一些实施例中，为了简化运动，起落架的轮子可以包括全向轮或麦克纳姆轮。
[0010] 本发明的实施例还包括一种使用具有可控推进器的无人飞行器在结构表面上着陆和运动的方法。该方法包括：将起落架联接至所述无人飞行器，所述起落架包括机架，联接至所述机架的一组轮子以及多根枢转杆；并且控制所述无人飞行器的推进器，以便使所述起落架的枢转杆相对于所述机架倾斜并在所述起落架上施加合力，所述合力使所述起落架在所述结构表面上运动。
[0011] 可使用本文公开的各种实施例和实施方式的任何组合。
附图说明
[0013] 图1是根据本发明的实施例，安装在起落架上进行运动的UAV的透视图。
[0014] 图2是根据本发明的实施例，安装在起落架上的UAV的放大示意图。
[0015] 图3A、3B和3C描绘了根据本发明的实施例的UAV和起落架系统的运动顺序。
[0016] 图4A和4B描绘了根据本发明的实施例，UAV和起落架系统围绕圆柱形结构进行圆周运动的顺序。
[0017] 图5是倒立摆系统的示意图。
[0018] 图6描绘了根据本发明的实施例，UAV和起落架在水平管道上的示例进场和着陆顺序。
[0019] 图7描绘了根据本发明的实施例，UAV和起落架在垂直管道上的示例进场和着陆顺序。
[0020] 图8描绘了根据本发明的一个实施例，具有以90度角安装的起落架的UAV。
[0022] 图9C和9D说明了本发明的又一实施例，其中UAV联接到全向轮或麦克纳姆轮和挠性联接装置。
[0023] 图10A示出了由UAV获得的图像数据，其示出了结构以及自动生成的边界参考线。
[0024] 图10B示出了由UAV获得的图像数据，其示出了结构以及手动生成的边界参考线。
[0025] 图11是根据本发明的实施例，用于操作UAV和起落架系统的控制系统的示意图。
[0026] 注意，附图是说明性的并且不一定按比例绘制。
具体实施方式
[0027] 首先要注意的是，与空中飞行不同，如本文所用的术语“运动”是指在表面上沿着表面移动。
[0028] 总的来说，本发明提供了一种轻量型无源起落架作为UAV的安装台。当安装在起落架上时，仅通过启动推进器(例如，旋翼)，UAV就可以以多种定向在表面上栖息或运动。例如，UAV/起落架系统可以上下颠倒或垂直移动。由于起落架系统是无源设备，并且不包括其他致动器，因此可以通过使用坚固而轻质的材料将起落架系统的重量降至最低。以这种方式，本发明使UAV能够实现飞行、爬升、驾驶和栖息的任何组合，同时使有效载荷最小化并且使飞行/操作时间最大化。在一些实施例中，起落架包括“X”形的四杆连杆机构，联接至无源四轮支架。当安装在支架上时，UAV能够相对于起落架倾斜，并且可以通过调节推进器施加的力在表面上运动。
[0029] 图1示出了用于在结构上着陆和运动的系统100，该系统100包括联接至起落架附件120(“起落架”)以便在结构105的表面上栖息和运动的UAV110。UAV110是可以用于许多应用的远程可控飞行设备，并且特别适合于进入人员难以进入进行监测或执行任务的位置。常见UAV的设计类似于直升机，但通常包括多个较小的旋翼，而不是单个大型旋翼。普遍使用的一种模型包括布置在拐角处的四个旋翼，并且被称为四旋翼飞行器(quadrotor)。起落架120包括拐角上安装有轮子例如123、124的底部矩形机架122。为了运动，旨在使轮子123、
124直接接触结构的表面。连杆131、132、133、134在其第一端可枢转地附接到机架122的各个拐角。连杆131-134的第二端以X形排列联接至UAV110。包括机架122和连杆131-134的整个起落架可以由坚固、轻质的材料制成，例如碳纤维、铝或3D打印和/或注塑成型的塑料。对于许多应用而言，起落架的重量可以在100-600克的范围内。起落架120可配置为固定到UAV110上或可UAV110上拆卸。在大多数实施例中，UAV110可以直接安装在起落架120的顶部，但是对于某些应用而言，UAV可以相对于起落架成一定角度，例如成90度固定。起落架可携带用于各种检查和诊断目的，包括检查、遥测、环境感测、捕获镜头等的传感器和仪器。本领域已知的此类传感器和仪器的实例包括超声厚度和相控阵型探头、CP探头、电磁声换能器(EMAT)探头、脉冲涡流探头、相控相、红外传感器、声学传感器、气体传感器、激光测距仪、LiDAR、电容传感器、电感传感器和霍尔效应传感器。
124直接接触结构的表面。连杆131、132、133、134在其第一端可枢转地附接到机架122的各个拐角。连杆131-134的第二端以X形排列联接至UAV110。包括机架122和连杆131-134的整个起落架可以由坚固、轻质的材料制成，例如碳纤维、铝或3D打印和/或注塑成型的塑料。对于许多应用而言，起落架的重量可以在100-600克的范围内。起落架120可配置为固定到UAV110上或可UAV110上拆卸。在大多数实施例中，UAV110可以直接安装在起落架120的顶部，但是对于某些应用而言，UAV可以相对于起落架成一定角度，例如成90度固定。起落架可携带用于各种检查和诊断目的，包括检查、遥测、环境感测、捕获镜头等的传感器和仪器。本领域已知的此类传感器和仪器的实例包括超声厚度和相控阵型探头、CP探头、电磁声换能器(EMAT)探头、脉冲涡流探头、相控相、红外传感器、声学传感器、气体传感器、激光测距仪、LiDAR、电容传感器、电感传感器和霍尔效应传感器。
[0030] 在图2中更清楚地描绘了起落架的各方面，图2示出了起落架的四根连杆中的两根131、132。起落架的机架122限定水平轴。如图所示，连杆131的第一端在拐角136处枢转地联接至机架122。连杆131可相对于机架沿所示方向顺时针或逆时针自由旋转。连杆131的第二端牢牢地联接至UAV的安装元件142，该安装元件与拐角136水平相对。类似地，连杆132在拐角137处枢转地联接至机架122，并且也可以相对于机架顺时针或逆时针自由旋转。连杆132的第二端牢牢地联接至UAV的安装元件144，该安装元件与拐角137水平相对。可以使用诸如铰链的枢转接头来实现安装元件142、144。连杆131、132的第二端实际上限定了UAV处于其上的平台轴线150。连杆131、132的端部与水平相对位置的联接导致连杆131、132以X形构造彼此交叉。当作为一个整体来看时，连杆机构131-134在本文中称为“四杆连杆机构”。连杆
131-134在其第一端枢转的能力允许第二端具有一定的自由度，这使得平台150能够相对于水平轴倾斜，如图2所示。在一些实施例中，四杆连杆机构可以配置成通过简单的悬挂系统中性居中，该悬挂系统利用弹簧力使连杆机构偏向中心位置，使UAV能够在没有旨在引起倾斜的推力的情况下保持稳定居中。
131-134在其第一端枢转的能力允许第二端具有一定的自由度，这使得平台150能够相对于水平轴倾斜，如图2所示。在一些实施例中，四杆连杆机构可以配置成通过简单的悬挂系统中性居中，该悬挂系统利用弹簧力使连杆机构偏向中心位置，使UAV能够在没有旨在引起倾斜的推力的情况下保持稳定居中。
[0031] 为了利用起落架在结构的表面上运动，UAV执行两个相关功能：保持起落架在结构上的稳定性，即，考虑和平衡重力，以及提供不平衡的推力以使起落架沿所需方向在表面上前进。如以下进一步描述的，UAV的控制单元测定由每个推进器施加的推力的量，以便实现稳定性和运动性。
[0032] 图3A、3B和3C描绘了根据本发明的实施例的UAV和起落架系统的运动顺序。在图3A所描绘的顺序开始时，UAV310的后推进器302和前推进器304施加大致相等的向上力以抵抗重力而将起落架保持在诸如管道的结构315的表面上。开始后，左(后)推进器施加的推力的量开始超过右(前)推进器施加的推力的量。有差别的推力使UAV相对于水平面沿顺时针方向倾斜，并且还产生净合力，该净合力使起落架沿表面315在纵向上向右运动。图3B描绘了顺序的中点，其中UAV相对于水平面倾斜并且起落架已沿该结构向右移动一定距离。图3C描绘了该顺序的最后一部分，其中UAV相对于水平面进一步倾斜并且已沿该结构进一步向右移动。
[0033] 图4A和4B描绘了UAV/起落架系统围绕圆柱形结构进行圆周运动的顺序。在图在图4A中，四杆连杆机构402大致居中。在图4B中，后推进器404的力相对于前推进器406的相对增加导致UAV相对于起落架顺时针倾斜，并且还产生净合力，该净合力使起落架沿逆时针方向在结构表面410的周围运动。
[0034] 可以使用来自传感器的反馈的不同组合以闭环方式控制运动推力和附件推力之间的平衡。传感器可以包括以下一种或多种：轮编码器；旋转位置传感器，其测量四杆连杆机构的枢轴接头的角度；惯性测量单元(IMU)，其检测UAV和起落架中至少一个的定向；以及一个或多个支架轮子上的压力传感器等。轮压力传感器提供的数据还可用于优化功耗。例如，从轮子压力传感器获得的测量数据可以指示由UAV推进器施加的力超过足以实现保持附接到目标表面和/或预期运动轨迹的水平。
[0035] 在可选择的时间固定X形连杆的角度以使UAV表现为刚性主体可能是有利的。这样可以将任何钟摆效应干扰降至最低，并优化推力。通过固定连杆的角度，UAV可以更轻松地执行“侵略性”演习，例如空降。在这样的实施方式中，UAV可以在着陆之前固定特定的角度，该特定的角度对于在着陆时栖息并与结构自对准是最佳的。还应注意的是，固定四杆连杆机构的角度使UAV能够在执行检查、维护或收集测量值时优化特定方向的推力以施加一定压力。而且，在一些实施方式中，安装元件可以包括一些柔性(例如，通过弹簧元件)，并且当角度固定时，可以提供更高水平的减震。在一些实施例中，可以通过使用例如穿过多根连杆的螺线管致动器从动销、离合器机构、通过多根连杆的线性致动器从动销等将多根连杆联接在起落架中来设置固定的X-连杆角度。
[0036] UAV的功耗取决于结构配置以及UAV和起落架相对于该结构的定向。例如，在如图4A和图4B所示的UAV的一些实施方式中，推进器保持连续启动，以防止无人机由于重力而从结构上掉落。相反，当UAV/起落架位于水平结构顶部的“12点钟”位置时，只需要启动推进器即可进行运动。对于涉及具有铁磁材料的结构(例如钢管)的实施方式，起落架的轮子可以包括电磁触点或电磁体，以使轮子保持附接在结构表面上。将此类材料和/或装置包括在轮子中可增加起落架的总重量并增加飞行期间的功耗，但是一旦UAV/起落架栖息在结构上就可显著减少功耗，这是因为轮子和结构之间的磁引力可以承受UAV的很大一部分或全部重量。这样节省了用于此类应用的运动的UAV推进器。
[0037] UAV和起落架系统在重要的方面与众所周知的倒立摆系统相似，并且可以以类似的方式建模，然后只考虑几何形状的差异。倒立摆系统的示意图如图5示出。质量为(m)的摆502以倒立方式附接至质量为(M)的推车504。与倒立摆系统相关的问题是将摆保持在直立位置。由于直立的位置固有地不稳定，这一问题具有挑战性；如果摆从直立位置小角度倾斜，则其倾向于倒向一侧。将UAV保持在起落架上的居中位置同时仍保持附接在结构上的问题呈现出了类似的挑战。根据动力学模型，倒立摆系统的动能和势能方程为：
[0038] (M+m)x¨+mlθ¨cosθ-mlθ˙2sinθ＝F (1)
[0039] lθ¨+x¨cosθ-g sinθ＝-fθθ˙ (2)
[0041] 通过选择状态变量，可以得出一组用于描述系统的四个非线性状态方程，如下所示：
[0042]
[0044] 在另一方面，UAV的控制系统使UAV/起落架系统能够以不同的构造进场并着陆或栖息在表面上。在一些情况下，进场是在无障碍的水平管道上着陆。然而，在其他情况下，控制UAV执行更复杂的进场和着陆操作。图6描绘了在水平管道上栖息的示例进场和着陆顺序。如图所示，在第一阶段(A)，带有支架附件的UAV是机载的并定向在“12点钟”位置，在该位置起落架水平定向。在第二阶段(B)，UAV110以不同方式启动推进器，以使UAV朝向管道610飞行，同时逆时针倾斜至11点钟的位置。在第三阶段(C)，当UAV110接近水平管道610时，UAV启动推进器沿相反的顺时针方向倾斜至1点钟位置，以便减速着陆。在阶段(D)，UAV以不同方式启动推进器(前部比后部更多)，继续顺时针旋转至2点钟位置，在阶段(E)到达4点钟位置着陆至侧面并稍微低于管道610。在该位置，推进器保持启动状态，以防止起落架从管道上掉落。
[0045] 在图7中示出了进场并着陆在垂直管道上的类似轨迹。如图所示，在第一阶段(A)，带有起落架附件的UAV110是机载的并定向在“12点钟”位置，在该位置起落架水平定向。在第二阶段(B)，UAV110以不同方式启动推进器，以使UAV朝向管道710飞行，同时顺时针倾斜至1点钟的位置。在第三阶段(C)，当UAV110接近水平管道710时，UAV启动推进器逆时针向回倾斜至12点钟位置，以便减速着陆。在阶段(D)，UAV以不同方式启动推进器(前部比后部更多)，继续逆时针旋转至11点钟位置，在阶段(E)到达9点钟位置横向着陆。在该位置，推进器保持启动状态，以防止起落架从管道上滑动和掉落。
[0046] 然而，关于栖息操作应注意的是，起落架具有一定能力在着陆时在结构上自对准，并且具有相对较高的着陆误差容限。这是由于四轮支架在置于圆柱面上时往往会对准。着陆误差的理论容限是支架几何形状和结构尺寸的函数。轮支架的轨距可以是现场可调的，以在特定结构尺寸上获得最佳性能，也可以针对特定应用(例如，已知特定尺寸的结构)固定轨距。此外，四轮起落架的自对准特性简化了方向敏感型传感器的探头归一化安装。此类传感器需要在特定定向上对准才能正常运行。例如，使用四轮支架简化了在支架中间安装超声波干耦合测厚探头，以检测壁的变薄和腐蚀；探头只需要线性弹簧加载的自由度即可适应管道曲率，以便正确对准。
[0047] 为了减小起落架与结构接触时的冲击，起落架可包括悬挂和减震元件。例如，轮子可适于减震。在一些实施方式中，起落架的一根或多根连杆可以设计成具有一定弹性，例如，连杆可以在一个方向上伸缩和延伸，或者可以包括弹簧。着陆时，连杆元件可以在冲击过程中延伸，然后在冲击后收缩回到中间位置。
[0048] 在一些实施例中，起落架配置为相对于无人机成一定角度安装，以促进某些栖息操作。例如，起落架可以相对于UAV成90度角安装，这可以促进在垂直结构上的栖息，或安装在UAV顶部以促进上下颠倒的栖息。图8描绘了具有以90度角安装的起落架820的UAV810。为了保持平衡，平衡锤830可以用于平衡UAV810的相对侧上的起落架820的重量。在其他实施方式中，UAV的控制系统可以配置为解决起落架的非常规安装。
[0049] 图9A和9B说明了本发明的另一实施例，其中UAV联接到全向轮或麦克纳姆轮，而不是四轮起落架。如图所示，UAV910通过二自由度万向接头925和中性居中的悬挂装置930联接至全向轮，例如921、922。图9A示出了没有倾斜的实施例，而图9B示出了呈倾斜状态的实施例。在图9C和9D所示的另一个相关实施例中，UAV910经由也具有附加自由度的柔性/可压缩联接器940(例如，酯泡沫盘)联接至全向轮921、922。在图9A-9D的实施例中，全向轮和UAV与轮子之间的附加自由度的组合使UAV能够在结构上实现全向运动，例如螺旋形和其他轨迹模式。
[0050] 为了优化UAV和起落架在结构上的进场和着陆，UAV配备有在飞行途中定位目标的能力以设定栖息操作的轨迹。在一些实施例中，UAV包括摄像机以捕获视频数据并处理视频数据以自动检测结构的边缘。在其他实施例中，来自UAV摄像机的视频来源流式传输到操作员界面。在第一实施例中，识别软件用于通过实时图像处理来表征和识别结构的边缘。使用有关结构直径的预设数据，UAV确定结构的估计距离和位置。在一些实施方式中，可以使用其他传感器来识别结构的位置，例如激光测距仪或LiDAR。图10A示出了由UAV获得的图像数据，其示出了结构1005。通过已知的图像处理技术，UAV确定结构1005的边界，如参考线1010、1015所示。在确定距离和位置后，UAV可以自动确定安全到达结构边缘的轨迹。可替代地，在确定距离和位置后，可以将信号发送到操作员界面以开始栖息操作。
[0051] 在第二实施例中，操作员界面上的视频流可以与参考线图形覆盖。在图10B中示出了包括近似参考线1020、1025的结构1005的视频图像的实例。参考线1020、1025给出结构1005的近似边界。操作员可以将参考线用作手动控制和稳定UAV的指南。一旦UAV稳定并且结构1005的边缘与视觉参考1020、1025对齐，就可以确定UAV相对于摄像机的定向。如在第一实施例中一样，对UAV进行编程以基于摄像机安装的角度来确定相对于结构的距离和方向。然后，UAV可以计算出在结构上着陆的轨迹。
[0052] 图11说明了根据本发明的实施例，用于控制UAV和起落架的控制系统。该控制系统包括在UAV上的处理器1110。处理器1110接收来自机载传感器1112的输入，传感器可以包括高度、惯性测量、激光和超声传感器以及其他可能的传感器类型。处理器1110还接受来自安装在起落架上的传感器1114(包括压力传感器)的数据输入，操作员指令命令1116和来自机载存储器的预设输入1118。预设输入1118可以包括但不限于目标位置、轨迹模式、检查任务参数以及包括UAV和起落架的质量的基本信息。
[0053] 使用这些输入，处理器1110进行关于UAV的当前动力学状态的第一组计算。首先，处理器确定当前动力学参数1122，包括UAV和起落架的速度、动量位置以及定向。基于可以由操作员输入端预设或指定的目标，处理器1110使用传感器输入来确定目标与UAV的精确位置(距离、定向)1124。当UAV机载时，目标可以是在目标结构上的着陆位置。当UAV和起落架栖息在结构上的特定位置时，目标可以是结构上UAV/起落架将要通过运动而移动到的另一个位置。根据动力学参数和目标位置，处理器1110还确定适当的动力学模式1126。如果UAV是机载的，则动力学模式是飞行模式1132。如果UAV栖息在结构上但尚未到达结构表面上的目标位置，则动力学模式为运动模式1134。可替代地，如果UAV栖息在目标位置，则动力学模式是栖息模式1136。
[0054] 每个动力学模式都需要一种特定的算法来根据动力学参数控制推进器。飞行模式1132需要UAV计算进场和着陆在目标结构上的轨迹，包括这在进场的不同阶段期间所需的不同速度和方位，如图6和7所示。这需要实时连续计算，以确保UAV的定向和速度在进场时始终保持在适当的范围内。在本发明的上下文中特别重要的运动模式1134需要UAV计算促使起落架以合适的速度和方向运动所需的UAV的推进器的差异性致动。运动模式1134使用来自起落架传感器1114的连续输入来检查支架的轮子是否以适当的压力与结构表面接触以确保附接。运动模式1134可以与栖息模式1136串联工作(或包括类似的程序代码)，以确保在运动期间起落架保持附接到结构。考虑到起落架可以相对于结构进行定向的多种不同方式，例如在顶部、侧面、上下颠倒，栖息模式由传感器输入和动力学参数连续确定起落架在表面是否稳定，根据其相对于结构和重力的定向(绝对定向)，相应地更新推进器的启动状态，以维持持续稳定性。因此，各种模式的输出是用于修改UAV的推进器启动/停用1140的连续数据流。
[0055] 本发明的系统和方法可以有利地应用于许多检查和监测过程中。例如，UAV和起落架可用于检查绝缘管道。可以基于近距离的视觉检查来近距离地进行检查，和/或UAV或起落架可以包括诸如脉冲涡流技术或电磁声换能的传感器。本发明的实施例也可以用于检查高架金属管道。UAV能够到达其他检查设备难以到达的区域，例如位于障碍物上方的管段。UAV和起落架还可用于捕获光子智能涂层的图像或视频，以进行非金属管道检查。
[0056] 本文描述的系统可以在工业环境中展开和高度自动化。例如，工业设施可以在由中央指挥中心控制的存储基地(例如机库)中保存小支UAV机队。机队可以配置有设施布局和网络图，以便可以安排检查任务以特定频率运行或由操作员命令运行。然后，根据预设或操作员的命令，UAV可以自动从存储区域飞出，导航通过设施，栖息道目标结构上，执行相关任务，然后返回存储基地。
[0057] 应当理解，本文所公开的任何结构和功能细节不应被解释为限制所述系统和方法，而是作为用于教导本领域技术人员实施所述方法的一种或多种方式的代表性实施例和/或布置方式来提供。
[0058] 应当进一步理解，贯穿几个附图，在附图中相同的数字表示相同的元件，并且对于所有实施例或布置不是需要所有的参照附图描述和说明的部件和/或步骤
[0059] 本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并且不旨在限制本发明。如本文所用，除非上下文另外清楚地指明，否则单数形式“一(a/an)”和“所述(the)”意图还包括复数形式。将进一步理解，术语“包含(comprises)”和“包含(comprising)”在用于本说明书中时指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。
[0060] 本文所用的取向术语仅用于约定和参考的目的，而不应被解释为限制性的。然而，应认识到，这些术语可参考观看者使用。因此，不暗示或推断出任何限制。
[0061] 此外，本文所用的措词和术语是出于描述的目的并且不应被视为限制性的。本文“包含”、“包括”或“具有”、“含有”、“涉及”和其变化形式的使用意指涵盖在其后所列出的项目和其等效物以及附加项目。
[0062] 虽然已参考例示性实施例描述了本发明，但本领域的技术人员应了解，在不脱离本发明范围的情况下可以进行不同的改变并且其多种元素可以由多种等效物代替。此外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，所属领域的技术人员将理解许多修改以使特定仪器、情形或材料适于本发明的教示。因此，不希望本发明限于作为预期用于实施本发明的最佳模式来公开的具体实施例，但本发明将包括属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。
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