用于无损检测的独立完整追踪方法及设备技术

一种独立的完整运动追踪方案，该方案用于实现关于结构表面的检测信息的采集，从而通过由完整运动无损检测(NDI)传感器单元(例如NDI探针)手持式和自动式扫描而实时生成二维图像。所公开的系统和方法能够对完整运动NDI传感器单元(手持式或自动式)的位置和方向进行精确追踪，并且能够将所采集的追踪数据转换成编码器脉冲信号用于通过NDI扫描系统进行处理。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及用于在自动化工具（例如无损检测单元）在目标区域上移动时 对其完整运动进行追踪的系统和方法。
技术介绍
利用手持式传感器的便携式无损检测（NDI)工具通常用于执行复合结构的选定 区域的制造和使用检测。大多数飞行器结构的使用检测通过手持式传感器完成。有时，在 制造过程中也采用这种方法检查小型部件或区域。 虽然较之自动扫描系统，手持式传感器因成本低廉而被广泛使用，但仍然需要专 家解释产生的信号。此外，手动搜索损伤或缺陷的同时观察信号变化非常耗时，并且容易导 致操作人员误操作或疲劳。而由于需要进行逐点测量，因此量化损伤也费时间。同样众所 周知的是，许多手持式NDI传感器单元不能检测出较小的损伤/裂缝，这可能使用能够对包 含损伤的区域成像的扫描从而检测。这种基于图像的扫描依赖于传感器位置信息与传感器 数据本身之间的相关性。使得通过手持式传感器采集的单点NDI数据与位置具有相关性是 困难的。此外，通用手持式传感器单元的较高的损伤检测限制意味着检测周期比它们本应 该的检测周期更短（且成本更高）。 追踪手持式扫描设备的当前可用解决方案通常是在运行方向（即一维运动）上仅 追踪单个轴线。这种一维追踪通常使用轮式旋转编码器执行。但是，由于操作人员的手的自 由形式运动带动扫描设备的运动，没有任何导向设备保证传感器（例如线性换能器阵列） 以直线运行。其结果是轮式编码器的一维追踪可能对操作人员手部的实际运动提供非常差 的追踪。技术熟练的操作人员能够通过集中注意力保持直线运动而部分地弥补该问题，但 人不是很擅长做直线运动，尤其是长距离的直线运动。通常导致波纹状扫描，虽然这种波纹 状在扫描过程中对于操作人员来说不明显，这是因为一维扫描的输出因看似是直线而具有 一定误导性。 目前，可以利用多种不同类型的位置追踪方法执行手动扫描NDI数据的实时成 像，包括，单轴线旋转编码器、X-Y桥架、扫描臂、追踪球，以及超声波或光学三角测量是一些 最为常用的。单探头手动扫描的最大问题就是：数据定位（根据探头运动的方向或探头停 止时的位置发生的移位）以及获得足够多的路径以覆盖区域。漂移也是一个问题。利用自 由手部运动采集的二维图像通常不能非常精确表示采取的实际路径。对于像超声波以及涡 流等一些方法来说，线性阵列通过生成数据带改善图像，该数据带精确表示出每个带内的 数据的相对位置。然而，利用线性阵列进行手动扫描的最大问题就是保持或确定方向（如 果不受限制）。 当使用手持式设备进行NDI表面扫描应用时，通常需要操作人员保持扫描设备的 方向与行进方向一致，从而捕获扫描区域的精确表示。此外，操作人员还需要保证速度低于 最高速度，以避免丢失数据。如果没有能够给操作人员提供反馈的测量系统，则难以实现这 些要求。 位置测量不准确，加之缺乏方向和速度反馈，这给性能带来负面影响。手持式扫描 仪的操作人员可以通过更加缓慢的移动来补偿平移和旋转的不准确以及速度反馈的缺乏， 这能够导致需要更长时间采集有用的扫描成像数据。有时，为了处理扫描中错过的区域，这 能够导致返工。 为了能够从自由形式运动期间获取的数据中获得正确配准的NDI图像，需要用于 确定传感器位置和方向的方法。
技术实现思路
以下公开的主题涉及利用独立设备在表面扫描应用中进行实时、完整运动追踪的 方法。完整运动是指不受制于运动约束的移动，并且有时被称为自由形式运动。如本公开 所用，如果可控自由度等于全自由度，则车辆或设备被视为是完整的。完整运动追踪是指表 面上的位置和方向的测量，其中被追踪的设备（例如扫描传感器或传感器阵列）能够在任 意方向平移并同时旋转。能够追踪在表面上的扫描器的人类运动产生的自由形式运动类型 的独立设备能够实现扫描成像数据的精确登记，用于生成二维扫描图像。由于被追踪设备 的运动不受追踪系统的限制，因此此概念也适用于与自动化设备（例如表面爬行机器人） 集成。下文中公开详细公开的系统和方法能够对完整运动NDI传感器单元（手持式或自动 式）的位置和方向进行精确追踪，并且能够将所采集的追踪数据转化为编码器脉冲信号， 用于通过NDI扫描系统进行处理。 本文公开的主题的一个方面是一种用于追踪与多个全向轮耦合的设备的方法，该 方法包括：(a)将每一全向轮的旋转转换为相应编码器数据；(b)部分地基于编码器数据计 算表示该设备相对于表面坐标系的方向的绝对角度；(c)部分地基于编码器数据计算该设 备相对于表面坐标系的X位置和Y位置的相对变化；以及（d)部分地基于所计算的绝对角 度以及计算的X位置和Y位置的变化，计算该设备相对于表面坐标系的绝对位置。 本文公开的主题的另一个方面是一种设备，该设备包括：框架；可旋转地耦合到 框架的多个全向轮；分别耦合到多个全向轮的多个旋转编码器；和连接到框架的检测单 元。根据一个实施例，多个全向轮采用四个全向轮垂直、双差动配置进行布置。根据另一个 实施例，多个全向轮包括与公共中心点等距且旋转轴线相对于彼此成120度角的三个全向 轮。根据又一个实施例，多个全向轮采用四个全向轮转向架结构进行布置。 另一个方面是一种检测系统，该检测系统包括扫描设备、显示设备和计算机系统， 扫描设备和显示设备耦合以与计算机系统通信。扫描设备包括：框架；可旋转地耦合到框 架的多个全向轮；多个旋转编码器，其分别耦合到多个全向轮，用于将各全向轮的旋转转换 成相应编码器数据；以及连接到框架的检测单元。计算机系统被编程执行下列操作：(a)部 分地基于编码器数据计算表示该设备相对于表面坐标系的方向的绝对角度；(b)部分地基 于编码器数据计算该设备相对于表面坐标系的X位置和Y位置的相对变化；（c)部分地基 于所计算的绝对角度以及计算的X位置和Y位置的变化，计算该设备相对于表面坐标系的 绝对位置；（d)控制检测单元，以采集检测数据；(e)当采集了每一检测数据时，控制显示装 置以显示布置有所述检测数据的图像，其中检测数据基于所述设备的相应绝对角度和绝对 位置布置。 另一个方面是一种追踪系统，该追踪系统包括可移动设备和计算机系统，可移动 设备经耦合与计算机系统通信。可移动设备包括：框架；可旋转地耦合到框架的多个全向 轮；以及多个旋转编码器，其分别耦合到多个全向轮，用于将各全向轮的旋转转换成各编码 器数据以及某种形式的运动激励（例如驱动马达和轮）。计算机系统经编程以执行下列操 作：(a)部分地基于编码器数据计算表示该设备相对于表面坐标系的方向的绝对角度；(b) 部分地基于编码器数据计算该设备相对于表面坐标系的X位置和Y位置的相对变化；以及 (c)部分地基于所计算的绝对角度以及计算的X位置和Y位置的变化，计算该设备相对于表 面坐标系的绝对位置。在一些实施例中，计算机也可以用于控制运动激励。 下面公开独立完整运动追踪方法及设备的其它方面。【附图说明】 图1是表示根据一个实施例的配有编码器的完整运动设备的一些部件的俯视平 面图的示意图。该设备能够被连接到NDI传感器单元（未示出）。 图2A和图2B分别是表不手持式扫描设备的俯视平面图和正视图的不意图，所述 手持式扫描设备包括NDI传感器单元，该传感器单元连接到图1图示示出的类型的配有编 码器的完整运动设备。 图3和图4是表示根据本专利技术替代实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于追踪耦合到多个全向轮的设备的方法，所述方法包括：(a)将每一个全向轮的旋转转化成相应的编码器数据；(b)部分地基于所述编码器数据来计算表示所述设备相对于表面坐标系的方向的绝对角度；(c)部分地基于所述编码器数据来计算所述设备相对于所述表面坐标系的X位置和Y位置的相对变化；以及(d)部分地基于所述计算的绝对角度和所述计算的X位置和Y位置的变化来计算所述设备相对于所述表面坐标系的绝对位置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·J·特洛伊，S·W·李，G·E·乔格森，K·E·尼尔森，D·J·莱特，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：美国;US