KR20200041894A - 높은 정확도의 원격 좌표 기계 - Google Patents

Abstract

구조물을 보정하는 방법이 제공된다. 본 방법은 구조물의 외부 표면 상의 고정된 위치에 있는 장치에 줄의 제1 단부를 고정시키는 단계, 줄의 제2 단부에 무인 항공기를 부착시키는 단계, 고정된 장치에 묶여있는 동안 구조물 주위의 궤적에서 무인 항공기를 이동시키는 단계, 구조물의 외부 표면의 맵핑을 얻기 위해 무인 항공기를 이용하여 궤적의 경로에 걸쳐 구조물의 외부 표면을 스캐닝하는 단계, 고정된 장치에 대한 무인 항공기의 위치를 결정하는 단계, 및 i) 고정된 장치에 대한 무인 항공기의 결정된 위치, 및 ii) 구조물의 외부 표면의 맵핑에 기초하여 구조물을 보정하는 단계를 포함한다.

Description

높은 정확도의 원격 좌표 기계

본 발명은 구조물의 보정 및 맵핑 방법에 관한 것이며, 특히, 대형 물체들을 3차원으로 맵핑하기 위해 무인 항공기(unmanned aerial vehicle, UAV)를 이용하는 기술에 관한 것이다.

석유 및 가스 산업에서, 저장 탱크의 부피는 탱크에 저장된 연료의 양을 정확하게 판단할 수 있도록 주기적으로 보정된다. 대개, 탱크 내의 연료의 양을 결정하기 위해 레벨 게이지(level gauge)가 사용된다. 그러나, 높은 평균 온도에 노출되는 환경에 위치한 저장 탱크는 불균일하게 확장하는 경향이 있다. 확장은 종종 정확하게 측정하기가 어렵고 전체 부피에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 탱크의 부피가 변하는 경우, 탱크의 고정 부피에 기초한 표준 게이지 판독치의 정확도가 감소된다. 부정확한 연료 레벨 판독은 자산 양도 중에 연료 자산의 체계적인 평가 절하 및 그에 따른 수익의 손실을 초래할 수 있다.

탱크 보정의 빈도를 증가시키는 것은 정확도를 향상시키고 재정적 이익을 산출할 수 있다. 그러나, 통상적으로 사용되는 보정 기술은 대개, 이를 수행하는 데에 지나치게 긴 시간(예를 들어 탱크당 3 내지 8시간)이 소요된다. 이렇게 긴 시간이 소요되는 기술은 거의 연속적으로 제품 전송을 위해 스케줄될 수 있는 탱크의 작동에 상당한 방해를 야기한다.

따라서 매우 정확하고도 작동에 최소한의 영향을 미치는, 저장 탱크와 같은 대형 구조물에 적용할 수 있는 보정 기술이 필요하다.

본 발명의 실시예들은 구조물을 보정하는 방법을 제공한다. 본 방법은 구조물의 외부 표면 상의 고정된 위치에 있는 장치에 줄의 제1 단부를 고정시키는 단계, 줄의 제2 단부에 무인 항공기를 부착시키는 단계, 고정된 장치에 묶여있는 동안 구조물 주위의 궤적에서 무인 항공기를 이동시키는 단계, 구조물의 외부 표면의 맵핑을 얻기 위해 무인 항공기를 이용하여 궤적의 경로에 걸쳐 구조물의 외부 표면을 스캐닝하는 단계, 고정된 장치에 대한 무인 항공기의 위치를 결정하는 단계, 및 i) 고정된 장치에 대한 무인 항공기의 결정된 위치, 및 ii) 구조물의 외부 표면의 맵핑에 기초하여 구조물을 보정하는 단계를 포함한다.

본 방법의 일부 구현예에서, 구조물 주위의 무인 항공기의 궤적은 원형 경로이다. 고정된 장치는 구조물의 상부 표면 상에 위치할 수 있다.

일부 실시예에서, 고정된 장치는 레이저 스캐너를 포함하고, 무인 항공기는 장착된 반사기를 포함한다. 레이저 스캐너 및 장착된 반사기는 함께, 고정된 장치에 대한 무인 항공기의 위치를 설정한다.

다른 실시예에서, 고정된 장치는 각도(angular) 인코더를 갖는 줄 스풀, 및 인장 센서를 포함한다. 이러한 실시예에서, 인장 센서를 사용하는 줄의 장력은 인장 센서를 사용하여 측정되고, 무인 항공기 및 고정된 장치 사이의 거리는 측정된 장력에 기초하여 결정된다. 또한, 무인 항공기 및 고정된 장치의 각도 위치는 각도 인코더를 사용하여 결정된다.

일부 구현예에서, 무인 항공기는 스캐닝 동안 구조물의 외부 표면의 포인트 클라우드를 생성하는 레이저 스캐닝 장치를 포함할 수 있다. 무인 항공기는 3개의 추진기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 또한 구조물을 보정하기 위한 시스템을 제공한다. 시스템은 구조물의 외부 표면 상의 고정된 위치에 위치된 장치, 제1 단부 및 제2 단부를 갖고 제1 단부에서 고정된 장치에 고정되는 줄, 및 줄의 제2 단부에 부착되고 스캐닝 장치를 포함하는 무인 항공기를 포함한다. 무인 항공기는 고정된 장치에 묶여있는 동안 구조물 주위의 궤적에서 이동하고, 구조물의 외부 표면의 맵핑을 얻기 위해 궤적의 경로에 걸쳐 구조물의 외부 표면을 스캔하도록 동작한다. 구조물은 i) 고정된 장치에 대한 무인 항공기의 알려진 위치, 및 ii) 구조물의 외부 표면의 맵핑에 기초하여 보정된다.

무인 항공기는 복수의 추진기들을 포함할 수 있고, 원형 궤적으로 이동하게 줄에 장력을 유지하기 위해 추진기를 제어하도록 동작하며, 일부 구현예에서, 고정된 장치는 구조물의 상부 표면 상에 위치된다.

일부 실시예에서, 고정된 장치는 레이저 스캐너를 포함하고, 무인 항공기는 장착된 반사기를 포함하며, 레이저 스캐너 및 장착된 반사기가 함께, 고정된 장치에 대한 무인 항공기의 위치를 설정한다.

다른 실시예에서, 고정된 장치는 줄 스풀(spool), 각도 인코더 및 인장 센서를 포함한다. 일부 구현예에서, 인장 센서는 줄의 장력을 측정하도록 동작하고, 무인 항공기 및 고정된 장치 사이의 거리는 측정된 장력에 기초하여 결정된다. 각도 인코더는 고정된 장치에 대한 무인 항공기의 각도 위치를 결정하는 데에 사용될 수 있다.

무인 항공기의 스캐닝 장치는 LiDAR 장치로서 구현될 수 있고, 무인 항공기는 3개의 추진기를 갖는 트라이콥터(tricopter)로서 구현될 수 있다.

본원에 개시된 다양한 실시예들 및 구현예들의 임의의 조합들이 사용될 수 있다.

이들 및 다른 측면, 특징 및 이점은 본 발명의 특정 실시예 및 첨부된 도면 및 청구의 다음의 설명으로부터 이해될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 구조물을 보정하기 위한 시스템의 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정된 장치의 일 실시예의 개략적인 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무인 항공기로서 사용될 수 있는 트라이콥터의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물을 보정하기 위한 제어 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 5는 본 발명에 따른 구조물 주위의 원형 궤적으로 무인 항공기를 추진시키기 위한 방법의 예시적인 실시예의 흐름도이다.
도 6은 본 발명에 따른 데이터 보정 방법의 예시적인 실시예의 흐름도이다.
도면들은 예시적인 것이며, 반드시 축척에 맞지는 않음을 유의해야 한다.

개요로써, 본 개시는 연료 저장 탱크와 같은 구조물을 보정하기 위한 방법 및 시스템을 설명한다. 무인 항공기(종종 드론이라고도 하지만, 이하 "UAV"로 지칭됨)는 구조물 상의 고정된 지점에 묶이고, 묶여있는 동안 특정 궤적으로 구조물 주위를 이동한다. UAV는 궤적을 가로지르는 동안 구조물의 외부 표면을 스캔한다. 고정된 지점에 대한 구조물의 묶임(tethering)은, 임의의 시간에 상기 고정된 지점에 대한 UAV의 정밀한 위치가 정확하게 측정될 수 있기 때문에, 좌표 기준 프레임을 생성한다. 따라서, 구조물 표면의 스캔된 데이터는 상기 기준 프레임 내의 공간 좌표로 자동 변환될 수 있다. UAV는 궤적 중에 묶여있기 때문에, 보조 없이 안정성을 유지할 필요가 없으며, 3-추진기(트라이콥터) 디자인을 포함하는 통상적이지 않은 UAV 디자인이 채용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 구조물을 보정하기 위한 시스템의 예시적인 실시예의 사시도이다. 도 1에서, 보정 시스템(100)은 본 예시에서는 연료 저장 탱크인 구조물(105)을 보정하는 데에 사용되는 것으로 도시되어 있다. 구조물은 고정된 장치(120)가 삼각대 또는 다른 안정된 플랫폼을 사용하여, 또는 고정구에 의해, 고정되는 상부 표면(110)을 가진다. 고정된 장치(120)는 또한 구조물(105)의 다른 부분들에 고정될 수 있다. 고정된 장치(120)는 줄(125)의 제1 단부에 연결된다. 줄(125)의 제2 단부는 UAV(130)에 연결된다. 줄(125)은 바람직하게는, 가볍고, 플렉시블하며, 완전히 신장된 장력 상태로 줄을 유지하기에 충분한 힘을 충분히 견디도록 더 이상 연장되지 않고 강하다. 도 1에 도시된 바와 같이, 줄(125)은 연장되어 장력을 받는다. 고정된 장치(120) 또는 UAV(130)(또는 둘 다)는 상기 고정된 장치 및 UAV 사이에 매달려 있어 줄의 장력을 측정하도록 구성된 인장 센서를 포함할 수 있다. 줄은 고정된 장치(120) 또는 무인 항공기(130)에 장착된 풀림가능한 스풀(spool)에 연결될 수 있거나 또는 수동으로 풀어질 수 있다.

일반적으로, UAV가 구조물 전체의 외부 표면을 스캔할 수 있게 구조물의 경계를 충분히 스캔하도록, 줄은 보정될 구조물의 반경보다 더 긴 길이를 갖는 것이 보다 바람직하다. UAV(130)는 줄(125)에 부착되어 있는 동안에 구조물(105) 주위의 궤적에서 공중으로 이동할 수 있다. UAV(130)는 구조물의 치수에 관한 정밀한 정보를 포착하기 위한 스캐닝 장치(도 1에는 도시되지 않음)를 더 포함한다. 일부 구현예에서, 스캐닝 장치는 레이저(LiDAR) 스캐너이고, 스캐너를 이용하여 포착된 데이터는 구조물(105)의 고해상도 포인트 클라우드 또는 맵핑을 포함한다. 클라우드 해상도(포인트들 사이의) 거리는 대략 1센티미터(~1 cm)일 수 있고, 각각의 포인트의 정밀도는 대략 1밀리미터(~1 mm)일 수 있다. 레이저 스캐너는 스캐닝 평면과 구조물 사이의 단면을 따라 포인트들의 세트들을 맵핑하도록 구성된 2차원 LiDAR 시스템일 수 있다. 2차원 단면은 3차원 맵핑으로 조합될 수 있다.

일부 실시예에서, UAV(130)는 외부에 장착된 반사기(132)를 포함한다. 이러한 실시예에서, 고정된 장치(120)는 레이저 추적기, 예를 들어, 라이카 레이저 추적기(Leica Absolute Tracker) AT402, AT930 또는 AT960과 같이, 6개의 자유도를 갖는 레이저 추적기로서 구현될 수 있다. 추적기(120)는 추적기 및 반사기(132)에 대한 반사기의 정밀한 위치를 간섭계법(interferometry)을 사용하여 결정하도록 구성된다. UAV(130)는 UAV가 스캐닝을 위해 배치되는 동안에 반사기(132)가 추적기(120) 쪽을 향하도록 줄(125)에 연결될 수 있다.

다른 실시예에서, 레이저 추적기 대신에, 줄 자체의 운동이 인장 센서 및 각도 인코더와 조합하여, 드론의 위치를 추적하는 데에 사용될 수 있다. 이러한 원리에 기초한 고정된 장치의 일 실시예가 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 줄(200)은 (도 2에 도시되지 않은) 스풀에 연결될 수 있는 고정된 장치(205)("스테이션"으로 지칭됨)에 연결되고 이로부터 연장된다. 스테이션(205)은 방위각 방향(수평 평면)으로 스테이션에 대한 회전의 자유도를 제공하는 제1 베어링(210)에 장착된다. 제2 베어링(215)은 스테이션의 방향을 고도의 측면에서 변화시키는, 수직 평면에서의 회전의 자유도를 제공한다. 회전가능한 베어링들은 UAV가 수평 평면에서 그리고 수직으로 궤적에서 이동할 때 줄이 UAV와 함께 회전할 수 있게 한다. 일부 구현예에서, 스테이션(205)은 스풀(spool)로부터 풀릴 때 줄의 길이를 동적으로 측정하는 거리 인코더 및/또는 인장 센서(도시되지 않음)를 포함한다. 비교적 짧은 길이를 갖는 줄의 경우, 인장 센서는 줄이 최대 길이까지 연장되었거나 또는 그에 가깝게 연장되었음을 나타내는 줄의 장력을 측정할 수 있다. 큰 스풀을 갖는 줄의 경우, 거리 인코더는 풀려진 길이를 직접 측정하는 데에 사용될 수 있고, 고정된 길이로 줄을 유지하도록 스풀의 추가적인 풀림을 정지시키기 위한 클램프 기구를 활성화시킬 수 있다. 대안적으로, 고정된 장치 및 UAV 사이의 거리는 줄의 길이를 고정하고 줄을 최대길이로 연장시킴으로써 미리 설정될 수 있다.

또한, 스테이션은 스테이션이 제1 베어링에 대해 회전함에 따라 줄의 방위각을 측정하는, 제1 베어링(210)에 연결된 제1 인코더(222)를 포함할 수 있다. 스테이션(205)은 스테이션이 제2 베어링에 대해 회전함에 따라 줄의 고도각을 측정하는, 제2 베어링(215)에 연결된 제2 인코더(224)를 더 포함할 수 있다. 다른 구현예에서, UAV(130) 상의 센서들은 인코더들에 대한 대체물로서 또는 그와 함께, 사용될 수 있다. 예를 들어, 고도각 인코더 대신에, 스테이션은 구조물 상에서 스테이션 자체의 고도를 나타내는 고도 센서를 포함할 수 있고, UAV는 유사한 고도 센서를 포함할 수 있다. 스테이션 및 UAV에서 측정된 고도들의 차이는 스테이션 및 UAV 사이의 줄의 각도를 나타낸다. 또 다른 구현예에서, 스테이션에 대한 UAV의 방향은 UAV에 탑재된 관성 측정 유닛(inertial measurement unit, IMU)을 이용하여 측정될 수 있다.

UAV(130)는 묶여있기 때문에, 통상적이지 않은 단순화된 회전자 구성을 이용하여 구현될 수 있다. 궤적에 대한 안정성을 유지하기 위해, UAV는 줄의 장력을 유지하고 궤적의 각도 방향(시계 방향 대 반시계 방향)을 제어하는 데에, 고정된 장치로부터 멀리 추진되는 능력만을 필요로 한다. 이러한 조건들은 3개의 추진기(회전자)를 사용하여 달성될 수 있다. 도 3은 본 발명의 실시예에서 UAV를 위해 사용될 수 있는 트라이콥터(tricopter)(300)의 사시도를 도시한다. 트라이콥터(300)는 수직 방향으로 추진력을 제공하는 제1 단부 추진기(302), 수평 방향으로 추진력을 제공하는 중앙 추진기(304), 및 수직 방향으로의 추진력을 더 제공하는 제2 단부 추진기(306)를 포함한다. 중앙 추진기(304)는 줄의 장력을 유지하기 위해 구조물로부터 수평 방향으로 트라이콥터를 멀리 추진시키는 데에 사용된다. 제1 및 제2 단부 추진기(302, 306)는 트라이콥터의 고도를 조절하고 또한 수평 평면에 대해 트라이콥터(300)의 각도 방향을 조절하는 데에 사용될 수 있다. ("자세"라고 지칭됨). 예를 들어, 이러한 자세는 제2 단부 추진기(306)를 사용하여 상향 추진력을 제공함과 동시에 제1 단부 추진기(302)를 사용하여 하향 추진력을 제공함으로써 조절될 수 있다.

동작 시, 스캐닝이 실행되기 전에, 시스템(100)은 고정된 장치가 UAV를 추적할 수 있도록 초기화된다. 초기화 단계 동안, UAV는 먼저 초기 위치에서 줄(125)에 연결된다. 고정된 장치(120)가 레이저 추적기를 사용하여 구현되는 경우, UAV의 반사기(132)가 위치되고, 고정된 장치(120)에 대한 UAV(130)의 방향이 결정된다. 초기 위치는 추적기의 메모리에 저장된, 미리 지정된 "퍼치(perch)" 위치일 수 있다. 이 경우에, UAV의 위치는 추적기에 의해 자동으로 설정된다. 그러나, 미리 지정된 위치를 사용하는 것이 필수적이지는 않으며, UAV의 반사기가 추적기의 시야에 있는 한, UAV의 방향이 결정될 수 있다. 고정된 장치가 각도 인코더들을 사용하여 구현되는 경우, 인코더들이 방향을 결정한다. 그 후, UAV는 퍼치 위치로부터 출발하는 지점에서부터 추적이 시작될 수 있다. 다른 구현예에서, 운영자는 추적기로부터의 빔이 UAV의 반사기에 도달하도록, 수동으로 또는 원격 제어에 의해, 레이저 추적기에 대해 UAV를 위치시킬 수 있다. 도달 이후에, 운영자는 UAV에 대한 명령을 발행할 수 있다. 일단 공중에 띄워지면, UAV는 고정된 장치 또는 UAV 상에 위치된 인장 센서를 통해 임계 장력이 검출되거나, 또는 줄의 한계에 도달하여 UAV가 더 이상 고정된 장치로부터 멀리 이동할 수 없는 지점까지, 고정된 장치로부터 멀리 이동하도록 구성(즉, 프로그래밍)될 수 있다.

부가적으로, 고정된 장치 및 UAV 사이에 매달려있기 때문에 줄은 늘어지는 경향이 있고, 늘어짐 정도는 고정된 장치 및 UAV 사이의 거리에 영향을 미치기 때문에, 이러한 요인을 보상하는 것이 유리하다. 잘 알려진 것처럼, 매달린 선의 물리법칙에 따르면, 늘어짐의 양은 줄의 장력의 함수이다. 장력은, 주지된 바와 같이, 고정된 장치 또는 UAV(또는 둘 모두) 상에 포함될 수 있는 인장 센서를 이용하여 측정될 수 있다. 일단 측정되면, 늘어짐의 양과, 늘어짐이 고정된 장치 및 UAV 사이의 거리를 감소시키는 양이 결정된다. 늘어짐이 임계 크기를 초과하는 것으로 결정되면, UAV 추진기가 활성화되어 줄의 장력을 증가시킨다.

일단 초기화가 일어나면, UAV는 구조물 주위의 궤적에서 이동하며, 바람직하게는 LiDAR 스캐닝(다른 스캐닝 및 이미징 모드가 사용될 수 있지만)을 사용하여 구조물을 스캔한다. 많은 경우에, UAV는 고정된 장치를 중심으로 원형 궤적으로 이동하여, 줄의 장력을 일정하게 또는 거의 일정하게 유지하고, 따라서 고정된 중심으로부터 일정한 거리를 유지한다. 그러나, 구조물에 대한 고정된 장치의 정확한 위치에 따라, 궤적이 원형으로부터 달라질 수 있고, 줄의 장력은 시간 주기 동안 필요에 따라 감소될 수 있다. 궤적을 유지하기 위해, UAV의 추진기들은 고정된 장치로부터 연속적으로 멀리 추진되도록 활성화되어, 줄의 장력을 유지시키고 또한 UAV를 공중에서 유지되도록 상향으로 추진시킨다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물을 보정하기 위한 제어 시스템의 개략적인 블록도이다. 도시된 바와 같이, UAV(130)는 컨트롤 유닛(405), 센서들(410)의 그룹, 스캐너(412), 송수신기(414), 추진기(416) 및 온-보드 메모리(418)를 포함한다. 마이크로프로세서, 프로그램가능한 로직 유닛 및/또는 주문형 반도체를 사용하여 구현될 수 있는 컨트롤 유닛(405)은 프로그램 모듈들을 갖도록 구성된다. 프로그램 모듈들은 궤적 제어 모듈(420), 스캐너 제어 모듈(422), 통신 모듈(424) 및 보정 모듈을 포함한다. 센서들(410)은 관성 측정 유닛들, 압력/인장 센서들, 광 센서들, 고도 센서들, 원격 제어 센서들 등을 포함할 수 있다. 센서(410)에 의해 수신되는 데이터는 부가적인 처리를 위해 컨트롤 유닛(405)으로 전송된다.

동작 시, 컨트롤 유닛(405)은 (예를 들어, 원격 제어에 의해) 운영자로부터 수신된 명령에 응답하여 또는 자동으로 추진기(416)를 제어하기 위해 궤적 제어 모듈(422)을 사용한다. 궤적 제어 모듈(420)은 묶여있는 동안 UAV를 특정 궤적으로 유지하도록 추진기를 제어하기 위한 로직을 포함한다. 스캐너 제어 모듈(422)은 UAV가 구조물 주위의 궤적을 이동할 때 구조물의 외부 표면의 일련의 단면 맵핑을 획득하는, 스캐너(412)의 동작을 제어하는 데에 사용된다. 이러한 방식으로, 궤적 제어 모듈(420) 및 스캐너 제어 모듈(422)은 구조물의 전체 표면이 스캔되도록 동시에 동작한다. 통신 모듈(424)은 Wi-fi, 블루투스 또는 다른 적절한 통신 모드를 통해 무선으로 통신하도록 구성되는 송수신기(414)를 동작시킨다. 보정 모듈(426)은 스캔된 데이터 및 고정된 장치로부터 수신된 데이터를 사용하여 구조물의 외부 표면의 완전한 3-D 맵핑을 생성한다.

일 실시예에 따르면, 궤적 제어 모듈(420)은 UAV를 구조물 주위의 원형 궤적으로 추진시키기 위한 알고리즘을 실행시킨다. 알고리즘의 예시적인 실시예의 흐름도가 도 5에 도시되어 있다. 초기 단계(502)에서, 추진기 모듈은 고정된 장치에 대한 UAV의 현재 위치(시작 위치)에 관한 데이터를 수신한다. 다음 단계(504)에서, UAV는 인장 센서로부터 수신된 입력에 기초하여 줄에 충분한 장력이 있는지 여부를 판단한다. 장력이 충분하지 않은 경우, 단계(506)에서 추진기 모듈은 충분한 수준으로 줄의 장력을 증가시키기 위해 UAV가 고정된 장치로부터 멀리 이동하도록 추진기(트라이콥터를 이용한 구현예의 경우, 중앙 추진기)를 구동시킨다. 장력이 충분한 것으로 판단되는 경우 또는 단계(506) 이후에, 단계(508)에서, 추진기 모듈은 운영자 명령 또는 미리 설정된 명령에 기초하여, 원형 궤적을 이동하는 방향 즉, 시계 방향 대 반시계 방향을 결정한다. 동시에, (추진기 모듈과 독립적으로) 구조물의 스캐닝을 시작하도록 스캐닝 모듈이 활성화된다. 방향을 결정한 후에, 단계(510)에서, 추진기 모듈은 운영자에 의해 미리 설정되거나 선택되는 대략 일정한 원주 방향 속도로 이동하도록 추진기를 활성화한다. 트라이콥터 구현예의 경우, 단부 추진기들은 원주 방향 운동을 개시하도록 UAV를 가속시키게 활성화된 다음, 정상(steady) 속도를 달성하도록 힘의 세기가 감소될 수 있다. UAV가 궤적을 따라 이동하는 동안, UAV는 자체 센서로부터 그리고 고정된 장치로부터 자신의 위치에 관한 데이터를 연속적으로 수신한다. 이러한 데이터에 기초하여, 단계(512)에서 추진기 모듈은 UAV가 초기 위치에 도달했는지 및 구조물의 전체 원주를 이동했는지 여부를 판단한다. 그 다음에, 추진기 모듈은 운영자 명령 또는 미리 설정된 명령에 기초하여, 추진기를 비활성화시키고(단계(514)) UAV를 특정 표면에 파킹시키거나 또는 궤적을 다시 시작(단계(510)로 다시 순환함)하여 또 다른 스캔을 수행할 것인지 여부를 결정한다. 가능한 에러를 감소시키고 전체 스캔 정확도를 증가시키도록 스캔 데이터의 양을 증가시키기 위해 스캔이 여러 번 실행될 수 있다.

UAV(130)는 줄(125)에 의해 고정된 장치(120)에 연결된다. 고정된 장치(120)는 컨트롤 유닛(430), 센서들(432)의 그룹, 송수신기(434) 및 메모리(436)를 차례로 포함한다. 컨트롤 유닛(430)은 프로세서, 프로그래밍 로직 유닛들 또는 특수 회로들을 사용하여 구현될 수 있고, 추적 모듈(442), 방향/거리 결정 모듈(444) 및 통신 모듈(446)을 포함하는 프로그램 모듈들을 갖도록 구성된다. 센서들(432)은 (고정된 장치의 구현예에 따라) LiDAR 추적기, 각도 인코더들 및 인장 센서를 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다.

동작 시, 레이저 추적기를 채용하는 고정된 장치의 실시예의 경우, 컨트롤 유닛(430)은 추적 모듈(442)을 사용하여 UAV 상의 반사기를 위치시키고 그 후에 추적한다. 방향/거리 결정 모듈은 레이저 추적기에 의해 수신된 또는 센서들(432)로부터 수신된 데이터를 이용하여 고정된 장치에 대한 UAV의 순간적 방향 및 거리를 결정한다. 이 정보는 연속적으로(매우 작은 시간 증분 동안) 메모리(436)에 저장되고, 통신 모듈(446) 및 송수신기(434)를 통해 UAV로 전송된다.

본 발명의 방법은 UAV에 의해 획득된 스캔된 데이터와, 고정된 장치(또는 UAV 및 고정된 장치의 조합)에 의해 획득된 방향 및 거리 데이터를 교차 참조함으로써, 구조물의 매우 정확한 보정을 제공한다. 구조물 주위의 UAV의 궤적 동안, UAV(130) 및 고정된 장치(120) 사이에 낮은 지연속도의 통신 링크(450)가 설정될 수 있다. 통신 링크(450)는 UAV가 구조물을 스캔하는 동안, 고정된 장치(120)가 UAV(130)에 정보를 연속적으로 전송할 수 있게 한다. UAV의 보정 모듈(426)은 고정된 장치로부터 수신된 정보를 사용하여, 스캔된 데이터를 기준 프레임으로 실시간으로 교차 참조한다.

대안적인 실시예에서, UAV 및 고정된 장치의 통신 모듈들(424, 444)은 통신 링크(450)를 통한 시간-동기화를 수행한다. 그 다음, 고정된 장치는 UAV의 궤적에 걸친 데이터를 축적하고, 해당 데이터가 타임스탬핑된다. 축적된 데이터는 그 후, UAV로 전송된다. UAV는 축적된 정보를 스캔된 데이터와 타임스탬프에 따라 교차 참조하고, 그에 의해서 특정 스캔을 고정된 기준 프레임 내의 UAV의 관련 방향과 상관시킨다. 이러한 정보를 교차 참조하는 기능은 등록 프로세스에서, 스캔된 포인트 세트를 일일이 함께 맞출 필요성을 제거한다. 방향 정보 및 스캔된 데이터가 완전히 교차-참조되면, 구조물의 정확한 3-D 맵핑이 렌더링될 수 있고, 보정 모듈에 의한 3-D 맵핑을 사용하여 구조물의 부피가 보정될 수 있다.

보정 모듈(426)에 의해 수행되는 알고리즘의 일 실시예의 흐름도는 도 6에 도시되어 있다. 제1 단계(602)에서, 보정 모듈은 각각의 스캔과 연관된 시간 데이터를 포함하여, 스캐닝 모듈로부터 획득된 이미지 데이터를 수신한다. 제2 단계(604)에서, 보정 모듈은 고정된 장치로부터 수신된 UAV 위치 정보를 수신한다. UAV 위치 정보는 고정된 장치에 대한 UAV의 위치를 나타내며, 또한 시간 데이터를 포함한다. 단계(606)에서, 보정 모듈은 시간 데이터를 매칭하여 이미지 데이터 및 위치 데이터를 교차-참조하고, 그에 의해, 단계(608)에서, 고정된 장치의 기준 프레임 내에서 구조물의 이미지들의 정확한 크기 및 방향을 결정한다. 단계(610)에서, 크기 조정되고 참조된 이미지 데이터를 사용하여, 보정 모듈은 구조물의 부피의 추정치를 결정한다.

본원에 개시된 시스템 및 방법은 석유 및 가스 산업에서 사용되는 저장 탱크를 보정하기에 특히 적합하지만, 상기 시스템 및 방법은 예를 들어 대형 기계, 랜드마크, 및 대형 작업물과 같은 다른 구조물을 보정하는 데에도 유용하게 적용될 수 있음을 이해해야 한다.

본 발명의 방법 및 시스템은 다수의 장점을 제공한다. 본 발명의 방법은 저장 탱크와 같은 대형 구조물이 통상적인 보정 시간보다 상당히 짧은, 대략 30분 내에 보정될 수 있게 한다. 또한, 본 발명의 보정 방법은, 포인트 세트 등록을 필요로 하지 않으며, 짧은 시간 내에 대형 구조물의 전체 표면을 맵핑하는 것을 보다 용이하게 한다. 보다 일반적으로, 본 발명은 기존의 구조물 맵핑 기술의 성능을 초과하는 단일한 절대적 기준 프레임으로부터, 대형 구조물의 3차원 복원을 생성하기 위한 효율적이고 매우 정확한 기술을 제공한다.

본 출원에 개시된 임의의 구조적 및 기능적 세부 사항은 시스템 및 방법을 제한하는 것으로 해석되지 않고, 방법을 구현하기 위한 하나 이상의 방법을 당업자에게 교시하기 위한 예시적인 실시예 및/또는 배열로서 제공되는 것으로 이해되어야 한다.

도면에서 같은 번호는 여러 도면을 통해 동일한 엘리먼트를 나타내고, 도면을 참조하여 설명되고 예시된 모든 컴포넌트 및/또는 단계는 모든 실시예 또는 배열에 필요한 것은 아니라는 것을 추가로 이해해야 한다.

본원에 사용된 용어는 단지 특정 실시예를 기술하기 위한 것이며 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 단수형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥상 달리 명확하게 나타내지 않는 한, 복수 형태를 또한 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 사용될 때 용어들 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은 언급된 특징, 정수, 단계, 작동, 요소 및/또는 성분의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 작동, 요소, 성분, 및/또는 이들의 군의 존재 또는 첨가를 배제하지는 않는 것으로 추가로 이해될 것이다.

방향의 용어들은 본 명세서에서 단지 관례 및 참조의 목적으로 사용되며 제한적인 것으로 해석되어서는 안된다. 그러나, 이들 용어들은 관찰자와 관련하여 사용될 수 있는 것으로 인식된다. 따라서, 어떠한 제한도 암시되거나 추론되지 않는다.

또한, 본 명세서에 사용된 어법 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이며 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다. 본 명세서에서 "포괄하는", "포함하는" 또는 "갖는", "함유하는", "관련하는" 및 그것의 변형의 사용은 그 이후에 열거된 항목 및 그것의 등가물뿐만 아니라 추가의 항목을 포괄하기 위한 것이다.

본 발명이 예시적인 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 통상의 기술자들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변화들이 이루어질 수 있고 등가물들이 그들의 구성 요소들을 대체할 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 범위를 벗어나지 않으면서 특정 기기, 상황 또는 물질을 본 발명의 교시에 적응시키기 위해 많은 변형이 당해 분야의 숙련가에게 인정될 것이다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해 고려된 최상의 방식으로 개시된 특정한 실시예에 제한되지 않고, 본 발명은 첨부된 청구항들의 범위 내에 속하는 모든 실시예를 포함할 것으로 의도된다.

Claims (19)

1. 구조물을 보정하는 방법으로서,
   줄(tether)의 제1 단부를 상기 구조물의 외부 표면 상의 고정된 위치에 있는 장치에 고정시키는 단계;
   무인 항공기를 상기 줄의 제2 단부에 부착시키는 단계;
   상기 줄이 연장되고 인장 상태에 있는 동안 상기 구조물 주위의 궤적에서 상기 무인 항공기를 이동시키는 단계;
   상기 구조물의 상기 외부 표면의 맵핑을 얻기 위해 상기 무인 항공기를 이용하여 상기 궤적의 경로에 걸쳐 상기 구조물의 상기 외부 표면을 스캐닝하는 단계;
   고정된 장치에 대한 상기 무인 항공기의 위치를 결정하는 단계; 및
   i) 상기 고정된 장치에 대한 상기 무인 항공기의 결정된 위치와, ii) 상기 구조물의 상기 외부 표면의 맵핑에 기초하여 상기 구조물을 보정하는 단계를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 궤적은 상기 구조물 주위의 원형 경로인, 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 고정된 장치는 레이저 스캐너를 포함하고, 상기 무인 항공기는 장착된 반사기를 포함하며, 상기 레이저 스캐너 및 장착된 반사기는 함께, 상기 고정된 장치에 대한 상기 무인 항공기의 위치를 설정하는, 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 고정된 장치는 각도 인코더를 가지는 줄 스풀, 및 인장 센서를 포함하는, 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 인장 센서를 사용하여 상기 줄의 장력을 측정하는 단계;
   측정된 장력에 기초하여 상기 무인 항공기가 상기 고정된 장치로부터 충분히 멀리 이동했는지 여부를 판단하는 단계; 및
   상기 각도 인코더를 사용하여 상기 무인 항공기 및 상기 고정된 장치의 각도 위치를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 고정된 장치는 상기 구조물의 상부 표면 상에 위치되는, 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 무인 항공기는 스캐닝 동안 상기 구조물의 상기 외부 표면의 포인트 클라우드를 생성하는 레이저 스캐닝 장치를 포함하는, 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 무인 항공기는 3개의 추진기를 포함하는, 방법.
9. 구조물을 보정하기 위한 시스템으로서,
   상기 구조물의 외부 표면 상의 고정된 위치에 위치하는 장치;
   제1 및 제2 단부를 갖고, 상기 제1 단부에서, 고정된 장치에 고정되는 줄; 및
   상기 줄의 상기 제2 단부에 부착되고, 스캐닝 장치를 포함하는 무인 항공기를 포함하고,
   상기 무인 항공기는 상기 고정된 장치에 묶여있는 동안 상기 구조물 주위의 궤적에서 이동하고, 상기 구조물의 상기 외부 표면의 맵핑을 얻기 위해 상기 궤적의 경로에 걸쳐 상기 구조물의 상기 외부 표면을 스캔하도록 동작하며,
   상기 구조물은 i) 상기 고정된 장치에 대한 상기 무인 항공기의 알려진 위치와, ii) 상기 구조물의 상기 외부 표면의 맵핑에 기초하여 보정되는, 시스템.
10. 제9항에 있어서, 상기 무인 항공기는, 복수의 추진기들을 포함하고, 상기 줄의 장력을 감소시켜 비-원형 궤적으로 이동하기 위해 상기 추진기들을 제어시키도록 동작하는, 시스템.
11. 제9항에 있어서, 상기 고정된 장치는 레이저 스캐너를 포함하고, 상기 무인 항공기는 장착된 반사기를 포함하며, 상기 레이저 스캐너 및 장착된 반사기는 함께, 상기 고정된 장치에 대한 상기 무인 항공기의 위치를 설정하는, 시스템.
12. 제9항에 있어서, 상기 고정된 장치는 줄 스풀, 각도 인코더 및 인장 센서를 포함하는, 시스템.
13. 제12항에 있어서, 상기 인장 센서는 줄의 장력을 측정하여, 상기 줄이 측정된 장력에 기초하여 완전히 신장된 상태에 있는지 여부를 판단하도록 동작하는, 시스템.
14. 제12항에 있어서, 상기 스풀은 모터식으로 동작하며, 상기 무인 항공기 및 상기 고정된 장치 사이의 거리를 제어하기 위해 상기 줄을 자동으로 감고 풀도록 동작하는, 시스템.
15. 제14항에 있어서, 상기 스풀은 상기 무인 항공기가 비-원형 궤적으로 이동하도록 상기 무인 항공기 및 상기 고정된 장치 사이의 거리를 제어하도록 동작하는, 시스템.
16. 제12항에 있어서, 상기 각도 인코더는 상기 고정된 장치에 대한 상기 무인 항공기의 각도 위치를 제공하는, 시스템.
17. 제9항에 있어서, 상기 고정된 장치는 상기 구조물의 상부 표면 상에 위치되는, 시스템.
18. 제9항에 있어서, 상기 무인 항공기의 상기 스캐닝 장치는 LiDAR 장치인, 시스템.
19. 제9항에 있어서, 상기 무인 항공기는 3개의 추진기를 포함하는, 시스템.

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