CN113453981A - 用于使uav着陆在弯曲的表面上的铰接的磁体承载支腿 - Google Patents

用于使uav着陆在弯曲的表面上的铰接的磁体承载支腿 Download PDF

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CN113453981A
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magnetic
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F.阿布德尔拉蒂夫
M.阿布德尔卡德
J.S.尚马
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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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Abstract

提供一种用于在弯曲的铁磁表面上着陆和停落的无人驾驶飞行器(UAV)(500)。所述UAV包括多个铰接的支腿(850)。每个铰接的支腿包括：磁体，其被配置成磁性地附接到所述弯曲的铁磁表面；以及磁性支脚，其用于容纳所述磁体，并且被配置成响应于所述UAV接近所述弯曲的铁磁表面，使用所述磁体在相对于所述弯曲的铁磁表面的垂直定向上朝向所述弯曲的铁磁表面磁性地铰接并且附接到所述弯曲的铁磁表面，以使所述UAV着陆在所述弯曲的铁磁表面上，并且使所述UAV在所述着陆后停落在所述弯曲的铁磁表面上。所述磁性支脚被配置成当所述UAV停落在所述弯曲的铁磁表面上时，保持磁性地附接到所述弯曲的铁磁表面。

Description

用于使UAV着陆在弯曲的表面上的铰接的磁体承载支腿
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“带有可释放爬行器的停落UAV(PERCHING 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19日提交的标题为“用于UAV在弯曲的表面上着陆的铰接的磁体承载支腿(ARTICULATED MAGNET-BEARING LEGS FOR UAVLANDING ON CURVED SURFACES)”的美国申请号16/688,706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的爬行器的停落无人驾驶飞行器(UAV)。另外，本公开总体上涉及弯曲的铁磁结构的检查和维护，并且具体地，涉及一种UAV，其具有用于着陆在此类结构的弯曲的表面上的铰接的磁体承载支腿。
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可能会提供可行的替代方案。然而，通常最好通过使用在资产上直接接触而不是悬停在距资产一定距离的地方来执行此类检查和维护。然而，UAV可能很难在资产上着陆、停落或操纵。此外，用UAV检查或维护管道(和其它弯曲的表面结构)可能会特别具有挑战性，因为这些资产呈现出用于着陆、停落或操纵的弯曲的表面。
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。还针对本领域中的这些和其它问题，本公开意图为具有用于在弯曲的表面上着陆或停落的铰接的磁体承载支腿的有效UAV提供技术解决方案。
发明内容
根据实施例，提供一种用于在弯曲的铁磁表面上着陆和停落的无人驾驶飞行器(UAV)。所述UAV包括多个铰接的支腿。每个铰接的支腿包括：磁体，其被配置成磁性地附接到所述弯曲的铁磁表面；以及磁性支脚，其用于容纳磁体，并且被配置成响应于所述UAV接近所述弯曲的铁磁表面，使用所述磁体在相对于所述弯曲的铁磁表面的垂直定向上朝向所述弯曲的铁磁表面磁性地铰接并且附接到所述弯曲的铁磁表面，以使所述UAV着陆在所述弯曲的铁磁表面上，并且使所述UAV在所述着陆后停落在所述弯曲的铁磁表面上。所述磁性支脚被配置成当所述UAV停落在所述弯曲的铁磁表面上时，保持磁性地附接到所述弯曲的铁磁表面。
在实施例中，多个铰接的支腿包含四个铰接的支腿。
在实施例中，每个铰接的支腿还包括：主体，其将铰接的支腿附接到UAV；以及被动铰接接头，其将主体联接到磁性支脚，并且被配置成相对于弯曲的铁磁表面以两个自由度被动地铰接磁性支脚。
在实施例中，磁体包括永磁体。
在实施例中，永磁体包括可调整数量的一个或多个永磁体。
在实施例中，磁性支脚包括磁体壳体，所述磁体壳体被配置成当UAV停落在弯曲的铁磁表面上时，在距弯曲的铁磁表面的可调整距离处将永磁体容纳在磁性支脚内。
在实施例中，磁体包括可切换磁体，并且磁性支脚包括马达或致动器，所述马达或致动器被配置成移动或致动所述可切换磁体的内部磁体，以便接通和关断所述可切换磁体。
在实施例中，磁体包括电永磁体，所述电永磁体被配置成响应于电流脉冲而在接通和关断之间切换。
在实施例中，每个铰接的支腿还包括分离马达，所述分离马达被配置成通过将磁性支脚倾斜远离弯曲的铁磁表面来将磁性支脚从弯曲的铁磁表面磁性地分离。
在实施例中，UAV还包括控制器，所述控制器被配置成在着陆在弯曲的铁磁表面上之前使用每个铰接的支腿的分离马达来调整铰接的支腿之间的间隔。
在实施例中，UAV还包括单分离马达，所述单分离马达被配置成通过将磁性支脚倾斜远离弯曲的铁磁表面来将铰接的支腿中的每一个的磁性支脚从弯曲的铁磁表面分离。
在实施例中，UAV还包括控制器，所述控制器被配置成在着陆在弯曲的铁磁表面上之前使用单分离马达来调整铰接的支腿之间的间隔。
根据另一个实施例，提供一种在弯曲的铁磁表面上着陆和停落无人驾驶飞行器(UAV)的自动化方法。所述UAV包括多个铰接的支腿。所述方法包括：用UAV接近铁磁弯曲的表面；铰接每个铰接的支腿的磁性支脚，以使所述磁性支脚的磁体相对于所述弯曲的铁磁表面垂直定向；通过使用所述磁性支脚的所述垂直定向磁体将每个磁性支脚磁性地附接到所述弯曲的铁磁表面，使所述UAV着陆在所述弯曲的铁磁表面上；并且在着陆后通过使每个磁性支脚保持磁性地附接到弯曲的铁磁表面来将UAV停落在弯曲的铁磁表面上。
在实施例中，多个铰接的支腿包括四个铰接的支腿。
在实施例中，每个铰接的支腿还包括主体，所述主体将铰接的支腿附接到UAV，并且铰接每个磁性支脚包括使用将主体联接到磁性支脚的被动铰接接头相对于弯曲的铁磁表面以两个自由度被动地铰接磁性支脚。
在实施例中，磁体包括永磁体。
在实施例中，永磁体包括可调整数量的一个或多个永磁体，并且所述方法还包括调整一个或多个永磁体的数量，以便调整磁性支脚的重量或磁性强度。
在实施例中，磁性支脚包括磁体壳体，所述磁体壳体被配置成当所述UAV停落在所述弯曲的铁磁表面上时，在距所述弯曲的铁磁表面的可调整距离处将所述永磁体容纳在所述磁性支脚内，并且所述方法还包括用所述磁性支脚调整所述永磁体的位置，以便调整所述磁性支脚的磁性强度。
在实施例中，磁体包括可切换磁体，并且所述方法还包括使用磁性支脚的马达或致动器来移动或致动可切换磁体的内部磁体，以便接通和关断可切换磁体。
在实施例中，磁体包括电永磁体，并且所述方法还包括使用电流脉冲使电永磁体在接通和关断之间切换。
在实施例中，每个铰接的支腿包括分离马达，并且所述方法还包括使用分离马达将每个铰接的支腿的磁性支脚倾斜远离弯曲的铁磁表面，以便将磁性支脚从弯曲的铁磁表面磁性地分离。
在实施例中，所述方法还包括在通过使用每个铰接的支腿的分离马达着陆在弯曲的铁磁表面上之前，由UAV的控制器调整铰接的支腿之间的间隔。
在实施例中，UAV还包括单分离马达，并且所述方法还包括使用分离马达将每个铰接的支腿的磁性支脚倾斜远离弯曲的铁磁表面，以便将磁性支脚从弯曲的铁磁表面磁性地分离。
在实施例中，所述方法还包括在通过使用单分离马达着陆在弯曲的铁磁表面上之前，由UAV的控制器调整铰接的支腿之间的间隔。
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用于使UAV着陆在弯曲的铁磁表面上的示范性被动地铰接的磁体承载支腿的轮廓图和分解图。
图3是根据实施例的用于图2A和图2B的铰接的支腿的示范性万向接头的横截面视图。
图4A和图4B是根据实施例的调整图2A和图2B的铰接的支腿的磁体保持器的磁性端(下部或支脚)的磁性强度的示范性技术的视图。
图5A、图5B和图5C是根据实施例的示范性可切换磁体的视图，所述可切换磁体与被动地铰接的磁体承载支腿一起使用，用于使UAV着陆或停靠在铁磁表面上。
图6A是根据实施例的具有可切换磁体的示范性被动地铰接的支腿的分解图，而图6B是图6A的可切换磁体的放大图。
图7是根据实施例的具有电永磁体的示范性被动地铰接的支腿的分解图。
图8是根据实施例的具有被动地铰接的支腿和对应的分离马达的示范性UAV的图示。
图9A和图9B是图8的UAV的铰接的支腿和分离马达的侧视图，绘示了相对于弯曲的铁磁表面相应地处于附接位置和分离位置的支腿。
图10是根据实施例的示范性UAV的图示，所述示范性UAV具有被动地铰接的支腿和统一的分离马达。
图11A和图11B是图10的UAV的俯视图，相应地绘示了处于附接位置和分离位置的支腿。
图12A和图12B是图10的UAV的铰接的支腿的侧视图，相应地绘示了相对于弯曲的铁磁表面处于附接位置和分离位置的支腿。
图13是根据实施例的将具有铰接的磁体承载支腿的UAV着陆在弯曲的铁磁表面上的示范性方法的流程图。
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难以接近的管道或储罐的结构的可释放爬行器。UAV是混合型UAV，其具有在铁磁表面(如碳钢管道和结构)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(通常称为停落)，并且部署可释放爬行器围绕管道爬行，以执行例如复杂的检查工作。
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停落的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。这提供比让整个UAV围绕管道爬行更可行的方法，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。
在其它的各种示范性实施例中，提供一种用于在弯曲的表面上着陆或停落的UAV。所述UAV包括铰接的磁体承载支腿，用于着陆或停落在如碳钢管道的弯曲的铁磁表面上。在一些此类实施例中，铰接的支腿是被动地铰接的，因为支腿通过其磁性端对铁磁表面的磁性吸引而被动地部署。UAV能够着陆或停落在石油和天然气设施(如管道、船只和结构)中的作业资产上。这些资产大多数是由碳钢制成的，因此磁性附接很好地起作用以使UAV着陆或停落。应注意，在这些实施例中的一些中，UAV还具有可释放爬行器，而在这些实施例中的其它一些中，UAV不具有可释放爬行器。
如前所述，用UAV检查或维护管道和其它弯曲的表面结构可能会特别具有挑战性，因为这些资产呈现出用于着陆和停落的弯曲的表面。另外，在检查工作期间可能很难访问这些资产。此外，至少通过人类操作员来搭建脚手架来访问资产的一些部分可能是不实际或不可行的。
因此，在示范性实施例中，通过允许无人机磁性地着陆或停落在资产上以执行检查和维护以及节省电池能量，铰接的磁体承载支腿为无人机提供针对此类技术问题的技术解决方案。更详细地，此类着陆或停落能力使UAV能够通过在管道上着陆来保持动力，而不是在需要长时间如监测或监测气体泄漏的任务期间进行悬停。另外，所述能力使得UAV能够执行需要与管道接触的工作，如检查(如超声波、磁性)或轻度维护(如涂层)。此外，所述能力使UAV能够向管道输送有效载荷(如小型传感装置和爬行器)，或检索腐蚀试样等样本。更详细地，示范性实施例提供一种UAV着陆或停落机构，所述UAV着陆或停落机构容许各种管道直径和由于着陆不完美而导致的未对准。示范性实施例还提供尽可能轻的用于UAV的着陆支腿，因为有效载荷重量是大多数UAV的重要限制。
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150。在图1A中，爬行器150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。
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150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150。由可释放爬行器150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上的停落，当UAV已经停落或正停落在管道50上时，磁体120(或更精确地，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的相对位置，作为实时反馈的形式。微型爬行器150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160和两个马达，以驱动对应对(例如，前和后)的轮160。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150的大小、重量和复杂性。在一些其它实施例中，爬行器150在轮的数量(也可以想到两个或三个轮)及其类型(例如，万向轮、麦克纳姆轮等)方面被设计成具有其它配置。
在一些实施例中，爬行器150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150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150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150和UAV 100之间的通信是无线的。这里，爬行器150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150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150。这对于许多爬行器150(例如，一群爬行器150)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150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。
在不同的实施例中，可以使用UAV 100的不同着陆机构。这些可以包括不同类型的附着机构，如磁性的或非磁性的。磁性着陆机构的实例包括磁体，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。非磁性附着机构可以用于非铁磁性表面，如不锈钢、复合管和混凝土墙。此类机构包括微刺、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，可以使用其它检查传感器来代替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。
在其它实施例中，爬行器用于维护目的。例如：爬行器可以用于执行轻度维护工作，如清洁、表面处理和涂层修复。在其它实施例中，爬行器被用于视觉检查。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直接检查。
图2A和图2B相应地是根据实施例的用于使UAV着陆在弯曲的铁磁表面(如管道)上的示范性被动地铰接的磁体承载支腿200的轮廓图和分解图。尽管图2A和图2B的铰接的支腿200使用永磁体230来使支腿200是磁性的，但是其它实施例不限于此。例如，在其它实施例中，使用如电磁体、电永磁体或可切换磁体的其它磁体以简化设计或减轻重量。这些其它实施例中的许多将在后面描述。另外，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。另外，应注意，在这些实施例中的一些中，UAV还具有可释放爬行器，而在这些实施例中的其它一些中，UAV不具有可释放爬行器。
参考图2A和图2B，用于UAV的停落机构基于四个相同的磁性着陆支腿200。例如，支腿200可以被设计、三维(3D)打印、组装并且安装在小型UAV上。在一些实施例中，UAV是简单的遥控无人机，其被手动飞行以评估停落系统的功效。例如，四个支腿200为四旋翼(这是UAV的常见旋翼数量)无人机的每个旋翼(旋转叶片或螺旋桨)提供对应的支腿。然而，其它实施例不限于此，并且可以包括不同数量的支腿，如两个、三个或六个。例如，三支腿设计也很有效。而且，在其它实施例中，在支腿和旋翼之间不需要任何对应关系。
在四支腿UAV中，期望以直的或接近直的角度接近和着陆到靠近管道的顶部(例如，12点钟或接近12点钟的位置)，并且通常提供所有四个支腿的附着和适当的停落。然而，试图以倾斜的角度(从竖直)着陆四支腿UAV通常会导致仅三个支腿的附着，而第四个支腿漂浮在空中。然而，这仍然可以导致可接受的停落和附着。
支腿200具有成功停落和附着到管道所需的特征。例如，停落机构中的每个支腿200具有被动铰接接头250(或万向接头)，如用于联接两个正交轴螺钉254和四个对应的衬套256的横轴252，使用两个对应的螺母258在铰接的支腿200的主体210(例如，上部)和磁体保持器220(例如，下部或支脚)之间提供两个旋转自由度。支腿200的铰接是被动的，因为铰接接头250被设计成当UAV非常接近目标铁磁表面时，响应于磁体230和铁磁表面的磁性引力而铰接。
为了适应UAV在管道上的着陆，当UAV已经着陆或停落在管道上时，铰接的支腿200中的每一个(或更特别地，磁体保持器220，具体地，它们对应的磁体的磁场)相对于管道(或其它弯曲的表面)以垂直定向铰接。在磁体保持器220中，三个磁体孔240容纳多达对应的三个圆柱形永磁体230，在着陆或停落期间所述对应的三个圆柱形永磁体向管道提供足够的附着。应注意，磁体230的数量，尺寸和形状仅是实例，并且其它实施例不限于此。在示范性实施例中，每个支腿200使用轻质设计，其中每个支腿200仅重30克(g)。图2A和图2B的支腿200的设计允许微调磁性拉力，使得其足够强以在着陆期间附着到表面，并且不太强以便于不至于由于与管道的强烈碰撞而导致任何损坏。
图3是根据实施例的用于图2A和图2B的铰接的支腿200的示范性万向接头(如被动铰接接头250)的横截面视图。
每个支腿200设计有嵌入式万向接头250，所述嵌入式万向接头将支腿200分成两个不同的部分，刚性地安装到无人机的主体210和移动磁体保持器220。万向接头250为磁体保持器220提供两个旋转自由度，这允许磁体230被动地朝向管道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。万向接头250是支腿200的嵌入和整体部分。例如，可以使用3D打印来制造万向接头250(或其一部分)。图3示出了接头250的横截面，绘示了其各个部分，包括横轴252、轴螺钉254、对应的衬套256和对应的螺母258，用于将主体210机械联接到磁体保持器220。因此，横轴252、轴螺钉254、衬套256和螺母258用作铰接的支腿200的旋翼，而主体210用作定子。
图4A和图4B是根据实施例的调整图2A和图2B的铰接的支腿200的磁体保持器220的磁性端(下部或支脚)的磁性强度的示范性技术的视图。
在磁体保持器220中，每个支腿200中可以安装多达三个永磁体230。每个圆柱形磁体230的直径和长度为例如1/4英寸。所述设计在调节期望的磁性拉力方面提供灵活性，如从最大或默认配置减小磁性拉力，所述默认配置包括延伸到磁体孔240或从所述磁体孔延伸出的三个此类磁体230(例如，与铁磁表面直接接触)。例如，可以通过减小磁体230的数量(如从三个减小到两个，如图4A中示出的，这也减小了磁体保持器220的重量)来减小所述最大磁性拉力。减小最大磁性拉力的另一个方法是在一个或多个磁体230和磁体保持器220的底部之间留下可调整的间隙245(如图4B中示出的)，以增加磁体230和铁磁表面之间的距离。例如，通过用塑料形成磁体端部220并且将磁体230压配合到支腿200的塑料本体中，磁体230被保持在适当的位置。
在其它实施例中，永磁体230的数量可以不同于三个(例如，一个、两个、四个或更多)。另外，在图2A至图4B中，每个支腿200中的两个自由度是使用万向接头实现的，但是所述设计可在其它实施例中变化。例如，在其它实施例中，可以使用其它类型的联接来实现这两个自由度，如球形接头。两个自由度准许支脚的定向(特别是支脚的定向)符合弯曲的表面表面。
图5A、图5B和图5C是根据实施例的示范性可切换磁体530的视图，所述可切换磁体与被动地铰接的磁体承载支腿一起使用，用于使UAV着陆或停靠在铁磁表面450上。这是图2A至图4B的铰接的支腿200的实施例的修改，并且使用可切换磁体530代替永磁体230。可切换磁体530可以选择性地接通或关断。通过关断磁体，这有利于在从管道取下期间容易分离。应注意，在其它实施例中，图5A中提供的示范性尺寸可以变化。
如图5A所绘示，制造可切换磁体530的一种方法是在彼此顶部使用两个盘状磁体，其中一个是静态的(例如，固定磁体534)，而另一个是可旋转的(例如，移动磁体532)。磁体容纳在磁通量集中器(如铁壳体536)中。可旋转磁体532可以被定向为抵消固定磁体534的磁场(如图5B所绘示)，从而关断总磁体530。替代地，可旋转磁体532可以被定向在与固定磁体534相同的方向上，以增强其磁场(如图5C所绘示)，从而接通总磁体530。例如，可以使用如马达的致动器来执行移动磁体532的旋转。
图6A是根据实施例的具有可切换磁体630的示范性被动地铰接的支腿600的分解图，而图6B是图6A的可切换磁体630的放大图。
图6A和图6B的实施例在每个着陆支腿600的磁体保持器620中使用可切换磁体630。使用致动器638(如伺服马达)来操作可切换磁体630，以切换磁体的状态。当接近着陆目标(例如，管道)时，使用从UAV的机载控制器发送到马达638的信号来接通磁体630，以允许UAV附着到管道。当起飞的时候，磁体630被关断，以使UAV螺旋桨的工作更容易，并且避免需要克服磁性拉力。图6A示出了含有容纳在磁体保持器620中的可切换磁体630的着陆支腿600的分解图。图6A的其它部件基本上类似于图2B的相同附图标记的部件，并且将不再重复对它们的描述。
图6B示出了用于铰接的支腿600的示范性可切换磁体630。磁体630包括旋转永磁体632，所述旋转永磁体相对于固定永磁体634旋转以接通和关断磁体630。马达或致动器638执行旋转磁体632相对于固定磁体634的旋转，以抵消或组合两个磁体632和634的磁性力。铁磁通集中器636容纳两个磁体632和634，并且帮助将它们的组合磁性力引导或分散到支腿600下方的铁磁表面。
图7是根据实施例的具有容纳在磁体保持器720中的电永磁体730的示范性被动地铰接的支腿700的分解图。支腿700的其它部件基本上相应地类似于图2B和图6A的支腿200和600的相同附图标记的部件。也就是说，支腿700可以具有与支腿200和600基本上相同的具有两个自由度(万向接头)的被动地铰接的支腿，但是利用电永磁体730代替电永磁体230或可切换磁体630。
电永磁体，如电永磁体730，与常规的电磁体显著不同，常规的电磁体可能不适合所述类型的应用。这是因为常规的电磁体需要恒定的电流来保持其线圈被磁化，这可能会在UAV停落在管道上时迅速耗尽UAV的电池。另一个方面，电永磁体(如电永磁体730)在不需要电力的情况下保持接通，并且仅需要电脉冲来在接通状态和断开状态之间切换。接通或断开时不需要电力，只需要电力在接通和关断之间转换，这是电永磁体在所述类型应用中的有吸引力的优点。
图7的实施例在每个着陆支腿700中利用了电永磁体730。当接近着陆目标(例如，管道)时，使用从UAV控制器发送到磁体的信号来接通磁体730，以允许UAV附着到管道。当起飞的时候，磁体被关断，以使螺旋桨的工作更容易，并且避免需要克服磁性拉力。
图8是根据实施例的具有被动地铰接的支腿800和对应的分离马达860的示范性UAV500的图示。
关于图8的UAV 500，应注意，通过倾斜磁体而不是直接将它们从磁性吸引拉开，将磁体从铁磁表面分离更容易。这是因为倾斜磁体形成放大分离力的力矩臂。更详细地，通过直接将磁体拉开铁磁表面来进行分离需要至少等于磁性力的力。另一个方面，通过倾斜的分离向磁体的顶部(或上部)施加横向力，这围绕磁体的底部拐角施加扭矩，围绕所述底部拐角将发生旋转。当施加的分离力(倾斜力)具有比磁性力更大的力臂并且提供更强的扭矩时，磁体分离。这通常是比直接拉开磁体所需的磁性力小得多的力。因此，通过倾斜比通过拉动分离磁体要显著地更容易。
考虑到这一点，UAV 500的每个被动地铰接的支腿800包括对应的分离马达860，以在万向接头850处向铰接的支腿800的磁体保持器820(下端)施加倾斜力。在万向接头850处施加力使磁体保持器220上的扭矩最大化，以脱离UAV 500已经着陆或停落在其上的铁磁表面。
图9A和图9B是图8的UAV的铰接的支腿800和分离马达860的侧视图，绘示了相对于弯曲的铁磁表面750相应地处于附接位置和分离位置的支腿800。
铰接的支腿800类似于前面描述的铰接的支腿200，只是它将分离马达或致动器860嵌入支腿800中，以使磁体保持器220从万向接头850倾斜。除了分离马达860及其与万向接头850的连接之外，铰接的支腿800类似于铰接的支腿200，如使用永磁体来停落。四个支腿800中的每一个支腿都具有其自己的马达860，所述马达使用四连杆机构865链接。类似于铰接的支腿200，磁体保持器220是被动的，并且使用万向接头850以两个自由度自由移动。图9A示出了支脚800，所述支脚磁性地附接到管道750，同时由于磁体保持器220的磁体被吸引到管道750，磁体保持器220(或“支脚”)被动地朝向管道750定向。当到了执行分离和起飞的时候，如图9B中示出的，马达860被驱动，并且支腿800通过分离马达连杆机构865在万向接头850处倾斜，导致容易分离。应注意，马达860应是自锁的，从而当马达860断电时，四连杆机构865被锁定并且不移动。
在一个实施例中，分离马达860还用于通过针对各种表面曲率(例如，管道直径)调整支腿800之间的间距来辅助附接到弯曲的铁磁表面750。例如，作为接近弯曲的铁磁表面750的一部分，UAV 500上的机载控制器可以被编程或以其它方式被配置成使用传感器(例如，LIDAR，如在激光扫描仪110中)来感测铁磁表面750的曲率，并且在附接之前使用分离马达860来适当地分开支腿800(例如，对于小曲率进一步分开，对于大曲率更靠近在一起)。
图10是根据实施例的示范性UAV 900的图示，所述示范性UAV 900具有被动地铰接的支腿1000和统一的分离马达1060。UAV 900类似于图8的UAV 500，仅使用统一的分离马达1060(在所有四个铰接的支腿1000之间共享)来代替每个铰接的支腿800的专用分离马达860。
图10的实施例建立在图8的实施例的思想上，但是不是每个支腿800使用一个马达860，而是使用单致动器1060来一次分离所有的支腿1000。所述设计通过消除对多个分离马达的需求来减小重量和尺寸。机械连杆机构1065将所有支腿1000连接到中央马达1060，所述中央马达在旋转向内拉动所有支腿1000，从而导致分离。应注意，在其它实施例中，可以使用其它机械联动设计将支腿1000链接到单致动器，所述单致动器可以是线性致动器而不是马达。
图11A和图11B是图10的UAV 900的俯视图，相应地绘示了处于附接位置和分离位置的支腿1000。图12A和图12B是图10的UAV 900的铰接的支腿1000的侧视图，绘示了支腿1000相对于弯曲的铁磁表面750相应地处于附接位置和分离位置。这些附图帮助说明UAV900的单致动器1060如何工作。
图11A和图12A绘示了支腿1000在着陆期间的配置，其中支腿1000指向下方，并且磁体被动地朝向管道750定向，以便正确附接。如图11B和图12B所绘示，当到了分离和起飞的时候，中央分离马达1060逆时针转动，使用机械连杆机构1065向内拉动支腿1000。这在磁性支腿220的顶部上施加倾斜力，迫使它们从管道750分离。马达1060应是自锁的，以防止当马达1060断电时意外分离。
如图8中的UAV 500，在一个实施例中，图10中的UAV 900也使用分离马达1060以通过针对各种表面曲率(例如，管道直径)调整支腿1000之间的间距来辅助附接到弯曲的铁磁表面750。例如，作为接近弯曲的铁磁表面750的一部分，UAV 900上的机载控制器可以被编程或以其它方式被配置成使用传感器(例如，LIDAR，如在激光扫描仪110中)来感测铁磁表面750的曲率，并且在附接之前使用分离马达1060来适当地分开支腿1000(例如，对于小曲率进一步分开，对于大曲率更靠近在一起)。
图13是根据实施例的将具有铰接的磁体承载支腿(如铰接的支腿120、200、600、700、800或1000)的UAV(如UAV 100、500或900)着陆在弯曲的铁磁表面(如管道50或弯曲的铁磁表面750)上的示范性方法1300的流程图。
可以使用图1至图12B所绘示的部件和技术来执行方法1300的一些或全部。本文公开的所述方法和其它方法的部分可在定制的或预编程的逻辑装置、电路或处理器(如可编程逻辑电路(PLC)、计算机、软件或由代码或逻辑配置以执行其分配的任务的其它电路(例如，ASIC、FPGA))上执行或使用所述定制的或预编程的逻辑装置、电路或处理器来执行。所述装置、电路或处理器可以是如专用或共享硬件装置(如膝上型电脑、工作站、平板电脑、智能手机、服务器的一部分、或专用硬件电路(如在FPGA或ASIC中)等)、或计算机服务器、或服务器或计算机系统的一部分。装置、电路或处理器可以包括存储指令的非暂时性计算机可读介质(CRM，如只读存储器(ROM)、快闪驱动器或磁盘驱动器)，当在一个或多个处理器上执行这些指令时，使得方法900(或其它公开的方法)的部分被执行。应注意，在其它实施例中，可以改变操作的顺序，并且可以省略一些操作。方法1300的一些或全部也可以使用位于被配置成执行方法1300的UAV上的逻辑、电路或处理器来执行。
在示范性方法1300中，处理开始于用UAV接近1310弯曲的铁磁表面的步骤。方法1300还包括铰接1320每个铰接的支腿的磁性支脚(如磁体保持器220、620或720)以相对于弯曲的铁磁表面垂直定向磁性支脚的磁体(如电永磁体230、可切换磁体530或630或电永磁体730)的步骤。举例来说，铰接步骤1320可以包括使用将铰接的支腿的主体(如主体210)联接到磁性支脚的被动铰接接头(如万向接头250或850)相对于弯曲的铁磁表面以两个自由度被动地铰接1320磁性支脚的步骤。
方法1300还包括步骤1330，通过使用磁性支脚的垂直定向磁体将每个磁性支脚磁性地附接到弯曲的铁磁表面，使UAV着陆在弯曲的铁磁表面上。方法1300还包括在着陆1330的步骤之后，通过使每个磁性支脚保持磁性地附接到弯曲的铁磁表面，将UAV停落1340在弯曲的铁磁表面上的步骤。方法1300还包括使用分离马达(如分离马达860或1060)将每个铰接的支腿的磁性支脚倾斜1350远离弯曲的铁磁表面的步骤，以便将磁性支脚从弯曲的铁磁表面磁性地分离。
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 (24)

1.一种用于在弯曲的铁磁表面上着陆和停落的无人驾驶飞行器(UAV)，所述UAV包括多个铰接的支腿，每个支腿包含：
磁体，其被配置成磁性地附接到所述弯曲的铁磁表面；以及
磁性支脚，其用于容纳所述磁体，并且被配置成响应于所述UAV接近所述弯曲的铁磁表面，使用所述磁体在相对于所述弯曲的铁磁表面的垂直定向上朝向所述弯曲的铁磁表面磁性地铰接并且附接到所述弯曲的铁磁表面，以使所述UAV着陆在所述弯曲的铁磁表面上，并且使所述UAV在所述着陆后停落在所述弯曲的铁磁表面上，
其中所述磁性支脚被配置成当所述UAV停落在所述弯曲的铁磁表面上时，保持磁性地附接到所述弯曲的铁磁表面。
2.根据权利要求1所述的UAV，其中所述多个铰接的支腿包含四个铰接的支腿。
3.根据权利要求1所述的UAV，其中每个铰接的支腿还包含：
主体，其将所述铰接的支腿附接到所述UAV；以及
被动铰接接头，其将所述主体联接到所述磁性支脚，并且被配置成相对于所述弯曲的铁磁表面以两个自由度被动地铰接所述磁性支脚。
4.根据权利要求3所述的UAV，其中所述磁体包含永磁体。
5.根据权利要求4所述的UAV，其中所述永磁体包含可调整数量的一个或多个永磁体。
6.根据权利要求4所述的UAV，其中所述磁性支脚包含磁体壳体，所述磁体壳体被配置成当所述UAV停落在所述弯曲的铁磁表面上时，在距所述弯曲的铁磁表面可调整距离处将所述永磁体容纳在所述磁性支脚内。
7.根据权利要求3所述的UAV，其中所述磁体包含可切换磁体，并且所述磁性支脚包含马达或致动器，所述马达或致动器被配置成移动或致动所述可切换磁体的内部磁体，以便接通和关断所述可切换磁体。
8.根据权利要求3所述的UAV，其中所述磁体包含电永磁体，所述电永磁体被配置成响应于电流脉冲而在接通和关断之间切换。
9.根据权利要求3所述的UAV，其中每个铰接的支腿还包含分离马达，所述分离马达被配置成通过将所述磁性支脚倾斜远离所述弯曲的铁磁表面来将所述磁性支脚从所述弯曲的铁磁表面磁性地分离。
10.根据权利要求9所述的UAV，其还包含控制器，所述控制器被配置成在着陆在所述弯曲的铁磁表面上之前使用每个铰接的支腿的所述分离马达来调整所述铰接的支腿之间的间隔。
11.根据权利要求3所述的UAV，其还包含单分离马达，所述单分离马达被配置成通过将所述磁性支脚倾斜远离所述弯曲的铁磁表面来将所述铰接的支腿中的每一个的所述磁性支脚从所述弯曲的铁磁表面分离。
12.根据权利要求11所述的UAV，其还包含控制器，所述控制器被配置成在着陆在所述弯曲的铁磁表面上之前使用所述单分离马达来调整所述铰接的支腿之间的间隔。
13.一种在弯曲的铁磁表面上着陆和停落无人驾驶飞行器(UAV)的自动化方法，所述UAV包括多个铰接的支腿，所述方法包含：
用所述UAV接近所述弯曲的铁磁表面；
铰接每个铰接的支腿的磁性支脚，以使所述磁性支脚的磁体相对于所述弯曲的铁磁表面垂直定向；
通过使用所述磁性支脚的垂直定向磁体将每个磁性支脚磁性地附接到所述弯曲的铁磁表面，使所述UAV着陆在所述弯曲的铁磁表面上；以及
在所述着陆后通过使每个磁性支脚保持磁性地附接到所述弯曲的铁磁表面来将所述UAV停落在所述弯曲的铁磁表面上。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述多个铰接的支腿包含四个铰接的支腿。
15.根据权利要求13所述的方法，其中每个铰接的支腿还包含主体，所述主体将所述铰接的支腿附接到所述UAV，并且铰接每个磁性支脚包含使用将所述主体联接到所述磁性支脚的被动铰接接头相对于所述弯曲的铁磁表面以两个自由度被动地铰接所述磁性支脚。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述磁体包含永磁体。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述永磁体包含可调整数量的一个或多个永磁体，并且所述方法还包含调整所述一个或多个永磁体的数量，以便调整所述磁性支脚的重量或磁性强度。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述磁性支脚包含磁体壳体，所述磁体壳体被配置成当所述UAV停落在所述弯曲的铁磁表面上时，在距所述弯曲的铁磁表面可调整距离处将所述永磁体容纳在所述磁性支脚内，并且所述方法还包含用所述磁性支脚调整所述永磁体的位置，以便调整所述磁性支脚的磁性强度。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述磁体包含可切换磁体，并且所述方法还包含使用所述磁性支脚的马达或致动器来移动或致动所述可切换磁体的内部磁体，以便接通和关断所述可切换磁体。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述磁体包含电永磁体，并且所述方法还包含使用电流脉冲使所述电永磁体在接通和关断之间切换。
21.根据权利要求15所述的方法，其中每个铰接的支腿包括分离马达，并且所述方法还包含使用所述分离马达将每个铰接的支腿的所述磁性支脚倾斜远离所述弯曲的铁磁表面，以便将所述磁性支脚从所述弯曲的铁磁表面磁性地分离。
22.根据权利要求21所述的方法，其还包含在通过使用每个铰接的支腿的所述分离马达着陆在所述弯曲的铁磁表面上之前，由所述UAV的控制器调整所述铰接的支腿之间的间隔。
23.根据权利要求15所述的方法，其中所述UAV还包括单分离马达，并且所述方法还包含使用所述分离马达将每个铰接的支腿的所述磁性支脚倾斜远离所述弯曲的铁磁表面，以便将所述磁性支脚从所述弯曲的铁磁表面磁性地分离。
24.根据权利要求23所述的方法，其还包含在通过使用所述单分离马达着陆在所述弯曲的铁磁表面上之前，由所述UAV的控制器调整所述铰接的支腿之间的间隔。
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