CN113439057A - 具有可释放爬行器的停落uav - Google Patents

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CN113439057A
CN113439057A CN201980077492.5A CN201980077492A CN113439057A CN 113439057 A CN113439057 A CN 113439057A CN 201980077492 A CN201980077492 A CN 201980077492A CN 113439057 A CN113439057 A CN 113439057A
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CN
China
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uav
crawler
ferromagnetic surface
landing
magnet
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Application number
CN201980077492.5A
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Inventor
F.阿布德尔拉蒂夫
J.S.尚马
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Saudi Arabian Oil Co
King Abdullah University of Science and Technology KAUST
Original Assignee
Saudi Arabian Oil Co
King Abdullah University of Science and Technology KAUST
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Publication date
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Abstract

一种无人驾驶飞行器(UAV)(100)包括：主体，其被构造为使所述UAV能够飞行；以及三个或更多个支腿，其连接到所述主体并且被配置成使所述UAV着陆并且停落在弯曲的铁磁表面(50)上。每个支腿包括连接到所述主体的第一部分、包括磁体(120)并且被配置成在所述着陆和停落期间将所述支腿磁性地附接到所述铁磁表面并且维持磁性附接的第二部分、以及连接所述第一部分和第二部分并且被配置成响应于所述第二部分接近所述铁磁表面而相对于所述第一部分被动地铰接所述第二部分的被动铰接接头。所述UAV还包括可释放爬行器(150)，所述可释放爬行器包括磁性轮，所述磁性轮在所述停落期间将所述爬行器从所述主体分离，并且在分离后在所述铁磁表面上操纵所述爬行器，同时将所述爬行器磁性地附接到所述铁磁表面。

Description

具有可释放爬行器的停落UAV
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.119(e)要求于2018年11月29日提交的标题为“具有可释放爬行器的停落UAV(PE
RCHING UAV WITH RELEASABLE CRAWLER)”的美国临时申请号62/772,700的权益，并且根据35U.S.C.120要求于2019年11月20日提交的标题为“具有可释放爬行器的停落UAV(PERCHING UAV WITH RELEASABLE CRAWLER)”的美国申请号16/689,864的权益，其相应的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及结构的检查和维护，并且具体地，涉及一种具有用于检查和维护结构的可释放且可重新对接的爬行器的停落无人驾驶飞行器(UAV)。
背景技术
在一些环境中，对暴露的金属资产(如管道、储罐等)的检查和维护可能很难或不切实际。在此类情况下，使用自动UAV(或无人机)可能有助于提供可行的替代方案。然而，此类检查和维护任务通常最好在资产上直接接触，而不是在离资产一定距离处悬停或在资产上操纵UAV。特别地，使用无人机执行管道(或其它资产)的完整周向扫描是具有挑战性的任务。
关于本领域中的这些和其它问题，本公开意图为具有用于检查或维护结构的可释放爬行器的有效停落UAV提供技术解决方案。
发明内容
根据实施例，提供一种无人驾驶飞行器(UAV)。所述UAV包含：主体，其被构造为使UAV能够飞行；以及三个或更多个支腿，其连接到主体并且被配置成使飞行的UAV着陆并且停落在弯曲的铁磁表面上。每个支腿包括：连接到主体的第一部分；第二部分，其包含磁体并且被配置成在着陆期间将所述支腿磁性地附接到所述铁磁表面，并且在所述停落期间维持所述支腿到所述铁磁表面的所述磁性附接；以及被动铰接接头，其将第一部分连接到第二部分，并且被配置成响应于在着陆期间第二部分接近铁磁表面而相对于第一部分被动地铰接第二部分。所述UAV还包含可释放爬行器，所述爬行器包含磁性轮，所述磁性轮被配置成：在停落期间将爬行器从主体分离；并且在分离之后，在铁磁表面上操纵爬行器，同时将爬行器磁性地附接到铁磁表面。
在实施例中，爬行器还包含探针或工具，所述探针或工具被配置成在操纵期间检查或维护铁磁表面。
在实施例中，爬行器还包含无线通信电路，所述无线通信电路被配置成与UAV或基站无线通信。
在实施例中，磁性轮还被配置成在操纵之后将爬行器与主体重新对接。
在实施例中，每个磁体包含永磁体。
在实施例中，每个磁体包含可切换的永磁体。
在实施例中，每个磁体包含电永磁体。
在实施例中，UAV还包含分离致动器，所述分离致动器被配置成向磁性地附接到铁磁表面的支腿中的一个或多个的第二部分施加杠杆作用，以便在停落的UAV从铁磁表面起飞期间辅助磁性地附接的支腿中的一个或多个从铁磁表面磁性地分离。
在实施例中，UAV还包含激光扫描仪，所述激光扫描仪连接到主体并且被配置成提供感测数据以在着陆期间定向UAV。
在实施例中，磁性轮包含四个磁性轮，并且爬行器还包含两个马达，每个马达被配置成驱动四个磁性轮中的两个。
在实施例中，磁性轮包含万向轮或麦克纳姆轮。
根据另一个实施例，提供一种无人驾驶飞行器(UAV)。所述UAV包含：第一主体，其被构造为使UAV能够飞行并且具有多个第一附接点；以及起落架。起落架包含：第二主体，其具有对应的多个第二附接点，并且在对应若干对的第一安装点和第二安装点处安装到第一主体；以及三个或更多个支腿，其连接到第二主体并且被配置成使飞行的UAV着陆并且停落在弯曲的铁磁表面上。每个支腿包括：连接到第二主体的第一部分；第二部分，其包含磁体并且被配置成在着陆期间将所述支腿磁性地附接到所述铁磁表面，并且在所述停落期间维持所述支腿到所述铁磁表面的所述磁性附接；以及被动铰接接头，其将第一部分连接到第二部分，并且被配置成响应于在着陆期间第二部分接近铁磁表面而相对于第一部分被动地铰接第二部分。起落架还包含可释放爬行器，所述爬行器包含磁性轮，所述磁性轮被配置成：在停落期间将爬行器从第二主体分离；并且在分离之后，在铁磁表面上操纵爬行器，同时将爬行器磁性地附接到铁磁表面。
在实施例中，爬行器还包含探针或工具，所述探针或工具被配置成在操纵期间检查或维护铁磁表面。
在实施例中，爬行器还包含无线通信电路，所述无线通信电路被配置成与UAV或基站无线通信。
在实施例中，磁性轮还被配置成在操纵之后将爬行器与第二主体重新对接。
在实施例中，每个磁体包含永磁体。
在实施例中，每个磁体包含可切换的永磁体。
在实施例中，每个磁体包含电永磁体。
在实施例中，UAV还包含分离致动器，所述分离致动器被配置成向磁性地附接到铁磁表面的支腿中的一个或多个的第二部分施加杠杆作用，以便在停落的UAV从铁磁表面起飞期间辅助磁性地附接的支腿中的一个或多个从铁磁表面磁性地分离。
在实施例中，UAV还包含激光扫描仪，其连接到第一主体并且被配置成提供感测数据以在着陆期间定向UAV。
在实施例中，磁性轮包含四个磁性轮，并且爬行器还包含两个马达，每个马达被配置成驱动四个磁性轮中的两个。
在实施例中，磁性轮包含万向轮或麦克纳姆轮。
在实施例中，起落架还包含：对接机构，其被配置成在飞行期间将爬行器固定到第二主体；以及高度调整机构，其被配置成在停落期间调整爬行器相对于铁磁表面的高度。
在实施例中：第一主体还具有对应的多个第三附接点，并且第二主体被配置成在第一附接点处从第一主体分离，并且在对应若干对的第三安装点和第二安装点处安装到第一主体。
在实施例中，第一主体包含可移动附接平台，所述可移动附接平台具有第一附接点并且被配置成相对于第一主体的其余部分移动第一附接点。
在实施例中，UAV还包含被配置成在飞行期间移动附接平台的马达。
在实施例中，可移动附接平台还被配置成使第一附接点围绕第一主体的轴线旋转。
可以使用本文公开的各种实施例和实施方案的任何组合。可以从以下特定实施例的描述连同附图和权利要求中理解这些和其它方面和特征。
附图说明
图1A和图1B是根据实施例的停落在结构(例如，管道)上的示范性UAV的图示，其中所述UAV具有用于检查或维护所述结构的可释放爬行器。在图1A中，爬行器被示出为附接到UAV，而在图1B中，没有附接到UAV(例如，在结构上爬行)。
图2A和图2B相应地是根据实施例的示范性UAV或无人机的分解图和侧视图，所述UAV或无人机被配置为具有起落架，所述起落架具有(1)用于停落在结构上的停落支腿和(2)用于从在结构上停落的UAV释放以检查或维护结构的爬行器。
图3A是根据实施例的示范性UAV的侧视图，所述UAV具有用于附接图2A和图2B的起落架的模块化安装点，而图3B和图3C是根据实施例的UAV的侧视图，其中附接的起落架相应地位于UAV的侧部和顶部定向。
图4A、图4B和图4C是根据实施例的示范性UAV的侧视图，所述UAV具有可旋转的安装点，用于将图2A至图3C的起落架与所附接的起落架一起相应地相对于UAV处于底部、顶部和侧部定向。
注意，附图是说明性的，并且不一定按比例绘制，并且相同或类似的特征始终具有相同或类似的附图标记。
具体实施方式
在各种示范性实施例中，提供一种停落UAV，其具有用于检查或维护如高架的或以其它方式难以接近的管道或储罐的结构的可释放爬行器。所述UAV是混合UAV，具有在弯曲的铁磁表面(如碳钢管、储罐和其它结构)上执行接触检查工作的先进能力。UAV可以飞向要检查的管道，自主地着陆在管道上(通常被为停落)，并且部署可释放的磁性爬行器围绕管道爬行，以便例如在任何定向的角度执行复杂的检查工作。爬行器也可以被配置成对管道执行维持。从下面的讨论中可以理解，UAV可以着陆在例如管道或其它结构的顶部、侧部或下面，并且在每种情况下都被称为已经着陆在所述结构上。
如前所述，由人来执行对暴露的金属资产(如管道、储罐等)的检查和维护有时很难或不切实际。例如，石油和天然气行业面临的最大挑战中的一个是对炼油厂、天然气厂、海上平台以及其它工厂和设施中的高架资产进行定期检查。这些资产包括在检查或维护工作期间难以接近的高海拔管道和结构。有时，人们检查或维护它们的唯一方法是搭建脚手架，以便检查员或工程师访问资产并且执行，例如，使用超声波检测(UT)传感器执行厚度测量的手动检查。此类脚手架不仅昂贵，而且为频繁检查带来了巨大的成本障碍，而且主要以坠落和绊倒危险的形式带来了安全问题。
因此，在示范性实施例中，具有可释放爬行器的停落UAV通过使两个车辆处于母/子配置来提供对前述技术问题的解决方案。每辆车都经过设计或优化，以执行其最适合的功能。这些车辆包括能够在管道上飞行和着陆的UAV，以及由UAV携载并且在着陆或停落后从UAV上释放的较小的磁性爬行器。爬行器可在管道上移动，并且执行例如检查扫描，如使用UT传感器测量厚度。例如，在一些实施例中，UAV和爬行器两者都磁性地附接到管道或被检查或维护的其它资产的弯曲表面。因此，爬行器可以对资产执行完整的纵向或周向扫描(甚至相对于重力上下颠倒)。
这提供比让整个UAV在管道周围爬行更可行的方法，这需要更大更重的马达，并且有与附近管道和资产碰撞的风险，特别是在有限的净空约束的情况下。与悬停在管道附近相反，停落的UAV通过停落在管道上(如管道的顶部上)也可以节省能量(例如，电能、电池能量)。将UAV停落在管道表面还可以使可释放爬行器比UAV停落在管道旁边更容易地从UAV上释放或与UAV重新对接。另外，与悬停相比，停落提供更大的稳定性并且降低了风险。
图1A和图1B是根据实施例的停落在结构50(例如，管道)上的示范性UAV 100的图示，其中UAV 100具有用于检查或维护结构50的可释放爬行器130。在图1A中，爬行器130被示出为附接到UAV 100，而在图1B中，没有附接到UAV 100(例如，在结构50上爬行)。为了便于描述，始终假设结构50比UAV 100更大(如明显更大)。例如，结构50在每个维度上都比UAV100大，或者结构50呈现出比UAV 100的覆盖区更大的着陆覆盖区。另外，为了便于描述，假设结构50(或本文所描述的任何结构)是管道，如八英寸或更大直径的管道。
图1A和图1B示出了起作用的母子配置。图1A示出了着陆在管道50上之后的UAV100，其中爬行器130仍然停靠在UAV中。图1B示出了从UAV 100释放后执行检查工作的爬行器130。由可释放爬行器130提供的爬行能力为UAV 100的检查和维护工作提供重要的特征，如更容易接近(例如，着陆不必在进行检查或维护的确切地点)。爬行还提供圆周和纵向扫描。例如，在石油和天然气工业中，对管道50执行全扫描以找到管道50的特定区域上的最小钢厚度是重要的。此类扫描通常包括周向扫描和纵向扫描，因此爬行非常适合。爬行还提供在多次检查期间的电力效率(例如，在同一管道上的多个检查点之间爬行比飞行更具电力效率)。
在图1A和图2B中，UAV 100利用四个铰接磁体120(如永磁体或可切换永磁体)。为了适应UAV 100在管道50上的着陆，当UAV 100已经停落或正停落在管道50上时，磁体120(或更准确地，其磁场)中的每一个相对于管道50以垂直定向铰接。
在一些实施例中，铰接磁体120的磁场可主动地切换开和关(例如，以允许在工作完成之后容易地分离)。包括激光扫描仪110(例如，光检测和测距，或LIDAR)，以便在自动着陆操纵期间测量例如管道相对于UAV 100的相对位置，作为实时反馈的形式。在一些实施例中，微型爬行器130通过电线连接(例如，用于电力和通信)，并且包括UT传感器、四个磁性轮140和两个马达，以驱动对应若干对(例如，前和后)的轮140。电线还允许用于执行检查或维护的其余电子装置和电池位于主UAV主体100中。这减小了爬行器130的大小、重量和复杂性。
在一些其它实施例中，爬行器130包括不同数量的轮140(例如，两个或三个轮，或者四个以上)以及它们的类型(例如，万向轮、麦克纳姆轮，仅举几例)。与无人地面车辆(UGV)不同，磁性爬行器130必须应对管道检查或维护的各种曲率和各种方向(如通篇所说明的)。因此，在一些实施例中，磁性爬行器130具有特殊的运动系统来导航管道曲率(或来自其它弯曲结构或血管的类似曲率)。
在一些实施例中，爬行器130和UAV 100之间的通信是有线的。例如，使用细绳的小线轴，爬行器130可以连接到UAV 100用于动力和通信。这可以消除例如在爬行器130内部容纳电池和其它电子装置的需要，通过利用UAV 100中已经存在的部件中的一些使其更小并且节省总重量。
在一些其它实施例中，爬行器130和UAV 100之间的通信是无线的。这里，爬行器130包括其自身的电池和电子装置，以提供更独立的车辆。这可能是有用的，例如，当UAV100从地面拾起爬行器130并且将其部署在管道50上时，此时UAV 100可以飞行以进行一些其它检查工作，并且然后返回以拾起爬行器130。这对于许多爬行器130(例如，一群爬行器130)来检查多个资产也是有用的，UAV 100一个接一个地或成批地从地面将它们运送到它们的目的地，并且在工作完成时取回它们。在不同的实施例中，无线连接可在(一个或多个)爬行器130和UAV 100或操作员的控制站之间，或者在UAV 100和操作员的控制站两者之间。
在实施例中，UAV 100包括被配置成使UAV 100能够飞行的主体(例如，具有旋翼、控制和导引装置等)。UAV 100还包括三个或更多个支腿，所述三个或更多个支腿连接到主体并且被配置成将飞行中的UAV 100着陆并且停落在弯曲的铁磁表面50上。每个支腿包括连接到主体的顶部(或主要)部分并且包括永磁体120的底部部分。底部部分被配置成在着陆期间将支腿磁性地附接到铁磁表面50，并且在停落期间维持支腿磁性地附接到铁磁表面。另外，被动铰接接头连接支腿的顶部部分和底部部分，并且在着陆期间响应于底部部分接近铁磁表面50而相对于顶部部分被动地铰接(例如枢转)底部部分。UAV 100还包括具有磁性轮140的可释放爬行器130。磁性轮140允许爬行器130在停落期间从UAV 100分离，并且在铁磁表面50上操纵爬行器130，同时在分离之后将爬行器130磁性地附接到铁磁表面50。
在不同的实施例中，可以使用UAV 100的不同着陆机制。这些可以包括不同类型的粘附机制，如磁性的或非磁性的。磁性着陆机制的实例包括磁体，所述磁体可在从管道50起飞期间被机械手段关闭或克服。此类磁体包括可切换永磁体、具有致动杠杆作用以在起飞期间帮助分离永磁体、电永磁体和电磁体。然而，应注意的是，持续的功耗对于电磁体来说可能是缺点。非磁性粘附机制可以用于非铁磁性表面，如不锈钢、复合管和混凝土墙。此类机制包括微刺、干燥的壁虎式粘合剂(例如合成刚毛)、吸盘、夹具和卡爪。
在不同的实施例中，使用不同的爬行器有效载荷或设计。为简单起见，这些有效载荷或设计分为两个基本类别：检查和维护。检查有效载荷和设计包括一系列不同类型的传感器，所述一系列不同类型的传感器通常用于石油和天然气行业，以检查管道和结构。例如，在一些实施例中，UT传感器用于厚度测量。为了便于描述，用于厚度测量的UT传感器有时会始终用于表示用于检查和维护的示范性装置和应用。然而，其它实施例不限于此类装置或应用。例如，取决于工作情况，可以使用其它检测传感器或探头来代替UT传感器，或除UT传感器之外，包括(但不限于)涡流传感器和交流场测量(ACFM)传感器。
在此外其它实施例中，爬行器130配置有一个或多个工具，并且用于维护目的。例如：爬行器130可以用于执行轻维护工作，如清洁、表面准备和涂层修复。在又一实施例中，爬行器130配置有一个或多个相机并且用于视觉检查。例如，在一些实现例中，相机用于简单的视觉检查工作，如仅需要获得感兴趣区域的视频或照片，但是所述区域难以由UAV 100直接检查。
在一些实施例中，爬行器130被配置成在感兴趣的区域(如传感器读数超出正常水平的位置或检测到故障的位置)上留下标记(如油漆或QR码)。例如，这些位置可以是检测到临界厚度水平的地方。在一些此类实施例中，在爬行器130重新对接并且UAV 100飞走之后，UAV 100扫描这些标记并且创建环境的3D重建，示出这些标记的确切位置。在一些此类实施例中，UAV 100使用机载RGB-D相机来检测标记并且计算它们相对于UAV 100的位置。使用UAV的GPS位置，可以计算或确定标记的绝对位置。应注意，当UAV 100正在扫描标记时，爬行器130可以例如停留在管道50上或与UAV 100重新对接。
在一些实施例中，爬行器130使用无线定位(如用虚拟标记)来识别资产上的问题位置。换句话说，即使没有物理标记，也可以确定故障的位置，尽管精确度较低。这是因为可以使用无线传感器来计算(或以其它方式确定)爬行器相对于UAV 100的位置。例如，在一些此类实施例中，UAV 100携载超宽带(UWB)传感器阵列，所述超宽带传感器阵列为安装在爬行器130上的另一个UWB发射器接收无线信号。然后，无论UAV 100是在飞行中还是附接到管道50，都可以测量爬行器的相对位置。在一些实施例中，每当操作员在爬行时发现故障，就标记并且捕获相对于UAV 100的爬行器位置。用UAV的GPS传感器，可以确定这些故障的绝对位置。在一些实施例中，当GPS不可用时，基于飞行轨迹和来自其本地基地(其中GPS可用)的IMU数据来估计UAV的位置。
在一些实施例中，先前计算的(或确定的)检查位置从UAV 100传送到操作员计算机或地面站。然后，检查位置被可视化在例如被检查工厂的先前建立的3D模型上，或者可由UAV的机载传感器(例如深度相机或3D LIDAR)构建的3D模型上。另外，在一些此类实施例中，用对应的测量厚度(或其它感测值或信息)来标注可视化位置。
图2A和图2B相应地是根据实施例的示范性UAV 200或无人机的分解图和侧视图，所述示范性UAV 200或无人机被配置为具有起落架220，所述起落架具有(1)用于停落在结构150(如碳钢管或其它弯曲的铁磁表面150)上的停落支腿280和(2)用于从在结构150上停落的UAV 200释放以检查或维护结构150的爬行器260。爬行器260具有磁性轮270，用于在附着于弯曲的铁磁表面150的同时操纵(例如，无论重力定向如何，甚至上下颠倒)。为了便于描述，在全文中使用管道作为具有弯曲的铁磁表面的示范性结构。然而，所描述的实施例同样适用于其它此类结构，如具有弯曲的铁磁表面的圆柱形或球形储罐。UAV 200或无人机可以包括：旋翼(如四个或六个旋翼)；以及控制单元，其用于调整各个旋翼的转速，以平衡UAV200的载荷或使得UAV 200在期望的方向上移动。
参考图2A和图2B，UAV 200包括一组安装点210，用于与起落架220的一组类似的安装点230配合。以这种方式，任何兼容的UAV/起落架组合(例如，兼容的安装点和有效载荷能力/重量)可以为了期望的目的而组装，在这种情况下，可释放爬行器260用于在结构150上部署并且检查或维护结构150。为此，起落架220包括一组停落支腿280(例如，四个此类支腿280)，每个停落支腿具有铰接的磁体290。铰接的磁体290安装到支腿280，以便当UAV 200接近并且停落在表面150上时，准许朝向弯曲的铁磁表面150定向并且附着到所述弯曲的铁磁表面。
因此，如图2A中示出的，铰接接头使得磁体290在其壳体中能够相对于支腿280将要停落的表面150枢转，所述枢转可以以多个轴线进行，如当接头包含万向接头时。如图中示出的，枢转可以围绕支腿280或接头的轴线，以相对于轴线并且任选地相对于另外的角度θ等呈现角度
Figure BDA0003082409010000081
UAV 200和起落架220主要被配置成将爬行器260停落在结构的顶部(或顶部附近)或从结构的顶部(或顶部附近)部署/收回所述爬行器(例如，在停落之前、在停落期间和在停落之后保持UAV 200的旋翼合理水平)。
另外，起落架220包括高度调整机构240(例如，马达或其它致动器)，所述高度调整机构用于将爬行器260从停落的UAV 200降低到表面150，或者用于将爬行器260从表面150升高到停落的UAV 200。为对此进行辅助，对接机构250如用对接端口将高度调整机构240连接到爬行器260。对接端口允许爬行器260一旦被部署在表面150上就脱离(例如，驱离)停落的UAV 200，或者当准备离开表面150时接合(例如，驶入或驶上)停落的UAV 200，如返回到待检查或维护的家庭基地或其它结构或部件。对接机构250还可以允许在UAV 200和爬行器260之间进行信息或能量传送，如从爬行器260下载仪器数据到UAV 200或从UAV 200给爬行器260的电池充电。
更详细地，在一些实施例中，高度调整机构240用于基于管道直径调整爬行器260的高度(例如，以确保在表面150上的成功释放)。例如，在大管道(或平坦表面)上，对接的爬行器260到表面150的高度大于在小直径管道上时的高度。因此，对于大管道(或平坦表面)，爬行器260被部署到较低高度以到达表面150，而在小直径管道上，爬行器260在较高点处被部署和释放。另外，在一些实施例中，高度调整机构240用于在工作完成之后重新对接爬行器260。这允许对接机构250相对于爬行器260处于正确的高度。同样，不同的管道直径可以具有对应的不同高度。在一些实施例中，高度调整机构240用于拉动爬行器260并且断开其与铁磁表面150的磁性附接。
在一些实施例中，高度调整机构240被致动，如用马达。在一些实施例中，高度调整机构240在不用于分离爬行器260时是被动的。例如，在一个此类实施例中，高度调整机构240是弹簧加载的，从而当UAV 200停落并且部署爬行器260时，高度调整机构可以总是始终处于最大可能的延伸以压靠管道150。
在具有起落架220的UAV 200中，期望以直的或接近直的角度接近和着陆到靠近管道150的顶部(例如，12点钟或接近12点钟的位置)，并且通常提供支腿280的附着和适当的停落。停落支腿280具有用于成功停落和附着到管道150的有用的特征。例如，停落机构中的每个支腿280具有铰接的磁体290(如永磁体或可切换的永磁体)。支腿280的铰接是被动的，因为铰接的磁体290被设计成当UAV 200(或更精确地，附接的起落架220)非常接近目标铁磁表面150时，响应于磁体290和铁磁表面150的磁引力，如响应于两者之间的初始接触，而围绕图2A中示出的轴线铰接。应注意，起落架220可以安装在具有合适的安装点(例如，与安装点230配合)和有效载荷能力(例如，在飞行中携载和部署起落架220)的任何UAV上。
在一些实施例中，在部署和工作完成之后，爬行器260与UAV 200重新对接，或者更具体地，与对接机构250重新对接。UAV 200与爬行器260重新对接并且从铁磁表面150起飞的过程还涉及将爬行器260从表面150磁性地分离。在一些此类实施例中，UAV 200使用高度调整机构240将爬行器260撬离爬行器260的磁性轮270和铁磁表面150的磁引力。在一些其它此类实施例中，磁性轮270使用可切换磁体来禁止在重新对接之后附着到铁磁表面150。在另外一些此类实施例中，对接机构250包括位于管道150上并且附接到UAV 200的坡道。在此类实施例中，爬行器260在重新对接时爬上坡道(如停在倾斜的车道上)。以这种方式，爬行器的轮马达用于使用爬行器260的驱动扭矩迫使磁性轮270的磁体分离。取决于如重量、强度等因素，坡道可由金属材料(例如，钢)或非磁性材料制成。在每个此类实施例中，实现UAV 200的磁性附接，以使UAV 200能够与作为由UAV 200安全地保持的有效载荷的爬行器260一起飞行到下一个位置。
图3A是根据实施例的示范性UAV 300的侧视图，所述UAV 300具有用于附接图2A和图2B的起落架220的模块化安装点310，而图3B和图3C是根据实施例的UAV 300的侧视图，其中附接的起落架220相应地处于侧部和顶部定向。所述模块化方法允许将起落架220(有效载荷)安装在例如UAV 300的底部、前部或顶部上，以便允许相应地停落在管道150的顶部、侧部或底部上。
在炼油厂检查管道的最大挑战中的一个是，由于如支架、结构和其它管道的障碍物，许多管道无法从顶部进入。在这些情况下，期望从其它位置(如从结构的侧部或底部)接近或停落在此类表面上。UAV 300与附接到一组合适的安装点310的起落架220一起，可以使用可适应的停落支腿280停落在管道150的顶部、侧部或底部，相应地如图3A、图3B和图3C所绘示。
更详细地，每个支腿280设计有铰接的磁体290，所述铰接的磁体将支腿200分成两个不同的部分，刚性地安装到起落架220的主体和移动(或铰接)磁体290。这为支腿280提供至少一个旋转自由度，这允许磁体290在着陆期间朝向管道150被动地重新对准它们的定向(例如，垂直)，以实现完美或接近完美的附着。
应注意的是，为了便于2D侧视图绘示，像UAV 300的旋翼此类特征有时被示出为接触UAV 300的其它部分(如停落支腿280)。然而，这是因为未绘示深度尺寸(其中这些特征将不重叠)。UAV 300的旋翼在起落架220的任何配置定向都不会阻碍起落架220(例如，当从上方观察时，起落架220在旋翼之间)。
还应指出，改变起落架220的位置确实改变了UAV 300的质心。因此，UAV 300必须补偿所述变化。在一些实施例中，用于UAV 300的机载飞行控制器被配置(例如，通过逻辑、代码等)成保持UAV 300稳定悬停，而不管重量分布如何。例如，如果UAV 300变得向前重，则控制器被配置成感测最轻微的倾斜，并且通过增加重侧的推力或转速(旋翼的转速)来补偿所述倾斜，以保持UAV 300水平和稳定。在一些实施例中(如图4A至图4C中所绘示的)，为了减小质心变化的影响，如电池的重部件被放置在与起落架220相对的旋转轨道上。这使得飞行控制器在起落架220不在UAV 200正下方的情况下的期间更容易保持UAV 200稳定。
图4A、图4B和图4C是根据实施例的示范性UAV 400的侧视图，所述UAV 400具有可旋转的安装点410，用于将图2A至图3C的起落架220与所附接的起落架220一起相应地相对于UAV 400处于底部、顶部和侧部定向。在一些实施例中，UAV 400包括马达或致动器，所述马达或致动器用于将安装点410旋转到合适的定向，包括在飞行期间(例如，动态旋转)。在一些其它实施例中，安装点410可在任务之前手动地旋转到期望的定向(例如，静态旋转)。
在示范性机动化实施例中，机动化系统(例如，机动化安装点410和用于使安装点410围绕着UAV 400周向旋转的马达)允许操作员通过按压按钮来改变起落架220(有效载荷)的定向。在另一个实施例中，UAV 400根据如围绕管道150观察到的或已知的障碍物等因素自动地改变起落架220的定向(例如，在飞行期间)。考虑到这些，图4A、图4B和图4C绘示了机动化系统如何改变停落支腿280的定向，以相应地着陆在管道150的顶部、底部或侧部上。
例如，在一个实施例中，UAV具有控制器，所述控制器被配置成(如通过计算机代码)规划管道150上最安全的位置，如管道150的顶部、侧部或底部，或者其间的某个位置。在图4A至图4C中示出的示范性机动化实施例中，旋转是通过围绕UAV的主体400的圆形轨道实现的。因此，为了在旋转期间维持合理的质心，如电池的重部件可以被放置在轨道上(例如，在与安装点410相对的位置处)以用作配重。
在示范性的用户可调整(例如，手动)实施例中，起落架220的旋转是由用户手动调整的，而不是被机动化的。例如，这样做可以节省重量、复杂性、电力等。用于实现所述手动调整的示范性技术是通过释放手动螺钉来解锁起落架220围绕圆形轨道的手动旋转，然后一旦起落架220处于期望的位置，就可以重新锁定起落架围绕圆形轨道的手动旋转。
本文所描述的方法可以部分或全部由有形(例如，非暂时性)存储介质上的机器可读形式的软件或固件来执行。例如，软件或固件可以是包括计算机程序代码的计算机程序的形式，当所述程序在计算机或合适的硬件装置(例如，FPGA)上运行时，所述计算机程序代码适于执行本文所描述的任一方法的步骤中的一些或全部，并且其中所述计算机程序可以在计算机可读介质上实施。有形存储介质的实例包括具有如磁盘、拇指驱动器、快闪存储器等计算机可读介质的计算机存储装置，并且不包括传播信号。传播信号可以存在于有形存储介质中，但是传播信号本身不是有形存储介质的实例。软件可适于在并行处理器或串行处理器上执行，使得可以以任何合适的顺序或同时进行所述方法步骤。
还应理解，附图中相同或类似的附图标记表示几幅图中相同或类似的元件，并且不是所有实施例或布置都需要参考附图描述和说明的所有部件或步骤。
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公开。如本文所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”也意图包括复数形式。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组。
本文使用的取向术语仅出于约定和参考的目的，而不应被理解为限制性的。然而，应认识到，这些术语可参考观看者使用。因此，没有暗示或推断任何限制。另外，序数的使用(例如，第一、第二、第三)是为了区分而不是计数。例如，使用“第三”并且不意味着存在对应的“第一”或“第二”。此外，本文使用的措词和术语是出于描述的目的，并且不应被视为限制。本文中使用的“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”及其变形意味着涵盖其后列出的项目及其等效物以及另外的项。
上面描述的主题仅以说明方式提供，并且不应被理解为具有限制性。在不遵循所绘示和所描述的示范性实施例和应用的情况下，并且在不脱离本公开所包含的本发明的真实精神和范围的情况下，可以对本文所描述的主题进行各种修改和改变，本公开由所附权利要求中的一组陈述以及等效于这些陈述的结构和功能或步骤来限定。

Claims (27)

1.一种无人驾驶飞行器(UAV)，其包含：
主体，其被构造为使所述UAV能够飞行；
三个或更多个支腿，其连接到所述主体，并且被配置成使飞行的UAV着陆并且停落在弯曲的铁磁表面上，每个支腿包括：
第一部分，其连接到所述主体；
第二部分，其包含磁体并且被配置成在所述着陆期间将所述支腿磁性地附接到所述铁磁表面，并且在所述停落期间维持所述支腿到所述铁磁表面的磁性附接；以及
被动铰接接头，其将所述第一部分连接到所述第二部分，并且被配置成响应于在所述着陆期间所述第二部分接近所述铁磁表面而相对于所述第一部分被动地铰接所述第二部分；以及
可释放爬行器，其包含磁性轮，所述磁性轮被配置成：
在所述停落期间将所述爬行器从所述主体分离；以及
在所述分离后，在所述铁磁表面上操纵所述爬行器，同时将所述爬行器磁性地附接到所述铁磁表面。
2.根据权利要求1所述的UAV，其中所述爬行器还包含探针或工具，所述探针或工具被配置成在所述操纵期间检查或维护所述铁磁表面。
3.根据权利要求1所述的UAV，其中所述爬行器还包含无线通信电路，所述无线通信电路被配置成与所述UAV或基站无线通信。
4.根据权利要求1所述的UAV，其中所述磁性轮还被配置成在所述操纵之后将所述爬行器与所述主体重新对接。
5.根据权利要求1所述的UAV，其中每个磁体包含永磁体。
6.根据权利要求5所述的UAV，其中每个磁体包含可切换的永磁体。
7.根据权利要求6所述的UAV，其中每个磁体包含电永磁体。
8.根据权利要求5所述的UAV，其还包含分离致动器，所述分离致动器被配置成向磁性地附接到所述铁磁表面的所述支腿中的一个或多个的所述第二部分施加杠杆作用，以便在停落的UAV从所述铁磁表面起飞期间，辅助磁性地附接的支腿中的所述一个或多个从所述铁磁表面磁性地分离。
9.根据权利要求1所述的UAV，其还包含激光扫描仪，所述激光扫描仪连接到所述主体并且被配置成提供感测数据以在所述着陆期间定向所述UAV。
10.根据权利要求1所述的UAV，其中所述磁性轮包含四个磁性轮，并且所述爬行器还包含两个马达，每个马达被配置成驱动所述四个磁性轮中的两个。
11.根据权利要求1所述的UAV，其中所述磁性轮包含万向轮或麦克纳姆轮。
12.一种无人驾驶飞行器(UAV)，其包含：
第一主体，其被构造为使所述UAV能够飞行并且具有多个第一附接点；以及
起落架，其包含：
第二主体，其具有对应的多个第二附接点，并且在对应若干对的所述第一安装点和第二安装点处安装到所述第一主体；
三个或更多个支腿，其连接到所述第二主体，并且被配置成使飞行的UAV着陆并且停落在弯曲的铁磁表面上，每个支腿包括：
第一部分，其连接到所述第二主体；
第二部分，其包含磁体并且被配置成在所述着陆期间将所述支腿磁性地附接到所述铁磁表面，并且在所述停落期间维持所述支腿到所述铁磁表面的磁性附接；以及
被动铰接接头，其将所述第一部分连接到所述第二部分，并且被配置成响应于在所述着陆期间所述第二部分接近所述铁磁表面而相对于所述第一部分被动地铰接所述第二部分；以及
可释放爬行器，其包含磁性轮，所述磁性轮被配置成：
在所述停落期间将所述爬行器从所述第二主体分离；以及
在所述分离后，在所述铁磁表面上操纵所述爬行器，同时将所述爬行器磁性地附接到所述铁磁表面。
13.根据权利要求12所述的UAV，其中所述爬行器还包含探针或工具，所述探针或工具被配置成在所述操纵期间检查或维护所述铁磁表面。
14.根据权利要求12所述的UAV，其中所述爬行器还包含无线通信电路，所述无线通信电路被配置成与所述UAV或基站无线通信。
15.根据权利要求12所述的UAV，其中所述磁性轮还被配置成在所述操纵之后将所述爬行器与所述第二主体重新对接。
16.根据权利要求12所述的UAV，其中每个磁体包含永磁体。
17.根据权利要求16所述的UAV，其中每个磁体包含可切换的永磁体。
18.根据权利要求17所述的UAV，其中每个磁体包含电永磁体。
19.根据权利要求16所述的UAV，其还包含分离致动器，所述分离致动器被配置成向磁性地附接到所述铁磁表面的所述支腿中的一个或多个的所述第二部分施加杠杆作用，以便在停落的UAV从所述铁磁表面起飞期间，辅助磁性地附接的支腿中的所述一个或多个从所述铁磁表面磁性地分离。
20.根据权利要求12所述的UAV，其还包含激光扫描仪，所述激光扫描仪连接到所述第一主体并且被配置成提供感测数据以在所述着陆期间定向所述UAV。
21.根据权利要求12所述的UAV，其中所述磁性轮包含四个磁性轮，并且所述爬行器还包含两个马达，每个马达被配置成驱动所述四个磁性轮中的两个。
22.根据权利要求12所述的UAV，其中所述磁性轮包含万向轮或麦克纳姆轮。
23.根据权利要求12所述的UAV，其中所述起落架还包含：
对接机构，其被配置成在所述飞行期间将所述爬行器固定到所述第二主体；以及
高度调整机构，其被配置成在所述停落期间调整所述爬行器相对于所述铁磁表面的高度。
24.根据权利要求12所述的UAV，其中：
所述第一主体还具有对应的多个第三附接点；且
所述第二主体被配置成在所述第一附接点处从所述第一主体分离，并且在对应若干对的第三安装点和第二安装点处安装到所述第一主体。
25.根据权利要求12所述的UAV，其中所述第一主体包含可移动附接平台，所述可移动附接平台具有所述第一附接点并且被配置成相对于所述第一主体的其余部分移动所述第一附接点。
26.根据权利要求25所述的UAV，其还包含马达，所述马达被配置成在所述飞行期间移动所述附接平台。
27.根据权利要求25所述的UAV，其中所述可移动附接平台还被配置成使所述第一附接点围绕所述第一主体的轴线旋转。
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