DE102011003623A1

DE102011003623A1 - Apparatus and method for navigating a mobile device along a surface of a material structure

Info

Publication number: DE102011003623A1
Application number: DE102011003623A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Schwab
Original assignee: Raytheon Anschuetz GmbH
Current assignee: Raytheon Anschuetz GmbH
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2011-02-03
Publication date: 2012-08-09
Also published as: WO2012104109A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Navigation eines beweglichen Gerätes (10) entlang einer Oberfläche einer Materialstruktur, wobei charakteristische Eigenschaften der Materialstruktur lokal erfasst und entsprechend erste Messdaten (S) erzeugt werden. Das Besondere der Erfindung besteht darin, dass aus einer Verknüpfung der ersten Messdaten (S) mit für die Herstellung der Materialstruktur verwendeten Konstruktionsdaten (C), die zumindest von Abschnitten der Materialstruktur im Wesentlichen lokal unterschiedliche charakteristische Eigenschaften angeben, Navigationsdaten (N2) des beweglichen Gerätes (10) entlang der Oberfläche der Materialstruktur ermittelt werden.The invention relates to a device and a method for navigating a movable device (10) along a surface of a material structure, wherein characteristic properties of the material structure are recorded locally and first measurement data (S) are generated accordingly. The special feature of the invention consists in that navigation data (N2) of the mobile device are combined from a link between the first measurement data (S) and the construction data (C) used for the production of the material structure, which indicate at least portions of the material structure that are essentially locally different (10) can be determined along the surface of the material structure.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Navigation eines beweglichen Gerätes entlang einer Oberfläche einer Materialstruktur, mit einer ersten Messeinrichtung, die ausgebildet ist, charakteristische Eigenschaften der Materialstruktur lokal zu erfassen und entsprechend erste Messdaten zu erzeugen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Navigation eines beweglichen Gerätes entlang einer Oberfläche einer Materialstruktur, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung der zuvor erwähnten Art, wobei charakteristische Eigenschaften der Materialstruktur lokal erfasst und entsprechend erste Messdaten erzeugt werden.The invention relates to a device for navigating a mobile device along a surface of a material structure, having a first measuring device, which is designed to locally detect characteristic properties of the material structure and to generate corresponding first measurement data. Furthermore, the invention relates to a method for navigating a mobile device along a surface of a material structure, in particular using a device of the aforementioned type, wherein characteristic properties of the material structure are detected locally and correspondingly first measurement data are generated.

Eine solche Vorrichtung und ein solches Verfahren werden beispielsweise im Zusammenhang mit einer Steuerung verwendet, um ein Inspektions- und/oder Reinigungsgerät entlang der Hülle eines Fahrzeuges wie insbesondere eines Schiffsrumpfes zur Inspektion und/oder Reinigung gezielt zu verfahren.Such a device and such a method are used, for example, in the context of a control to specifically move an inspection and / or cleaning device along the hull of a vehicle, in particular a ship's hull, for inspection and / or cleaning.

Die WO 2007/010265 A1 beschreibt eine Robotereinheit zur Inspektion und Reinigung eines Schiffsrumpfes, wobei zur Positionsbestimmung ein Magnetsensor und ein optischer Sensor verwendet werden. Mit dem Magnetsensor werden Abweichungen in dem magnetischen Fluss durch die Oberfläche des Schiffsrumpfes oder durch eine Struktur unter der Oberfläche im Schiffsrumpf erfasst, wozu insbesondere die Spantenstruktur des Schiffes genutzt wird, während der optische Sensor der Bewegungsverfolgung der Robotereinheit auf der Rumpfoberfläche entlang dient. Zur Positionsbestimmung verwendet dieses bekannte System ausschließlich sog. Landmarken, die während einer Kartierungsfahrt von der Robotereinheit aufgefunden wurden und zur Navigation verwendet werden, indem zwischen diesen Landmarken die Robotereinheit positioniert wird. Das hierfür verwendete Verfahren zur Positionierung der Robotereinheit zwischen den Landmarken ist jedoch sehr aufwändig. Hinzu kommt, dass durch die Verwendung des Magnetsensors das bekannte System im Wesentlichen nur auf den Einsatz in metallischer Umgebung und die Verwendung eines optischen Sensors auf reflektierende Oberflächen beschränkt ist.The WO 2007/010265 A1 describes a robot unit for inspection and cleaning of a ship's hull, wherein a magnetic sensor and an optical sensor are used for position determination. With the magnetic sensor deviations in the magnetic flux through the surface of the ship's hull or through a structure below the surface in the ship's hull are detected, using in particular the frame structure of the ship while the optical sensor is used to track the movement of the robot unit along the hull surface. To determine the position of this known system uses only so-called. Landmarks that were found during a mapping trip of the robot unit and are used for navigation by positioning the robot unit between these landmarks. However, the method used for positioning the robot unit between the landmarks is very complex. In addition, due to the use of the magnetic sensor, the known system is essentially limited only to use in a metallic environment and the use of an optical sensor on reflective surfaces.

Die WO 86/00860 A1 beschreibt einen Inspektionsroboter für Schiffsrümpfe, der aber nur extern gesteuert wird und daher kabelgebunden ist. Zur Bestimmung einer Richtungsänderung bei der Bewegung des Roboters wird beispielsweise ein Gyroskop verwendet, wobei sich aus dem ermittelten Drehwinkel des Roboters unter anderem Informationen über dessen Bewegungsrichtung ableiten lassen. Navigiert wird der Roboter bei diesem bekannten System durch eine Fernsehkamera. Ferner ist ein Ultraschallsensor vorgesehen, der zu Inspektionszwecken verwendet wird.The WO 86/00860 A1 describes a ship's hull inspection robot, but it is only externally controlled and therefore wired. To determine a change in direction during the movement of the robot, for example, a gyroscope is used, wherein, among other things, information about its direction of motion can be derived from the determined angle of rotation of the robot. The robot is navigated in this known system by a television camera. Furthermore, an ultrasonic sensor is provided, which is used for inspection purposes.

Die US 2005/0015209 A1 offenbart eine Wirbelstromprüfeinheit, die mithilfe einer rein optischen Navigation auf der Oberfläche eines zu untersuchenden Objektes positioniert wird und Wirbelströme erzeugt, um die Oberflächenbeschaffenheit bzw. Oberflächendicke zu ermitteln.The US 2005/0015209 A1 discloses an eddy current testing unit which is positioned on the surface of an object to be examined by means of purely optical navigation and generates eddy currents in order to determine the surface quality or surface thickness.

Aus der WO 02/086474 A1 ist ein Gerät zur zerstörungsfreien Untersuchung von Oberflächen bekannt, wobei die Positions- und Rotationserfassung wiederum mittels optischer Messmethoden erfolgt und daher auf reflektierende Oberflächen beschränkt ist, jedoch die daraus gewonnenen Messwerte nicht für eine Regelung der Bewegung des Gerätes verwendet werden.From the WO 02/086474 A1 For example, a device for the nondestructive examination of surfaces is known, wherein the position and rotation detection is again carried out by means of optical measuring methods and is therefore limited to reflective surfaces, but the measured values obtained are not used for controlling the movement of the device.

Zwar zeichnen sich die zuvor beschriebenen Systeme dadurch aus, dass sie für die Navigation bzw. Positionsbestimmung eines beweglichen Gerätes auf der Oberfläche einer Materialstruktur ohne die Verwendung von externen Positionsinformationen wie beispielsweise durch das GPS-System (GPS = Global Positioning System), eine Radiotriangulation oder eine Funkverbindung zu einem Trägerfahrzeug auskommen und somit derartige externe Positionsinformationen nicht benötigen. Jedoch sind die bekannten Vorrichtungen und Verfahren recht ungenau und zum Teil aufwändig zu handhaben, insbesondere wenn Kartierungs- und/oder Kalibrationsfahrten vonnöten sind.Although the systems described above are characterized by the fact that they are used for the navigation or position determination of a mobile device on the surface of a material structure without the use of external position information such as by the GPS system (GPS = Global Positioning System), a Radiotriangulation or make a radio connection to a carrier vehicle and thus do not need such external position information. However, the known devices and methods are quite inaccurate and sometimes expensive to handle, especially when mapping and / or calibration trips are needed.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Genauigkeit einer Vorrichtung und eines Verfahrens der eingangs genannten Art zu erhöhen, ohne dass auf externe Positionsinformationen wie beispielsweise durch GPS, Radiotriangulation oder Funkverbindung zu einem Trägerfahrzeug zurückgegriffen werden muss und/oder Kartierungs- und/oder Kalibrationsfahrten erforderlich sind.It is an object of the present invention to increase the accuracy of a device and a method of the type mentioned, without having to resort to external position information such as GPS, Radiotriangulation or wireless connection to a host vehicle and / or mapping and / or calibration drives required are.

Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung gelöst durch eine Vorrichtung zur Navigation eines beweglichen Gerätes entlang einer Oberfläche einer Materialstruktur, mit einer ersten Messeinrichtung, die ausgebildet ist, charakteristische Eigenschaften der Materialstruktur lokal zu erfassen und entsprechend erste Messdaten zu erzeugen, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinrichtung, die ausgebildet ist, aus einer Verknüpfung der ersten Messdaten mit für die Herstellung der Materialstruktur verwendeten Konstruktionsdaten, die zumindest von Abschnitten der Materialstruktur im Wesentlichen lokal unterschiedliche charakteristische Eigenschaften angeben, Navigationsdaten des beweglichen Gerätes entlang der Oberfläche der Materialstruktur zu ermitteln.This object is achieved according to a first aspect of the present invention by a device for navigating a mobile device along a surface of a material structure, with a first measuring device, which is designed to locally detect characteristic properties of the material structure and to generate corresponding first measurement data, characterized by an evaluation device, which is designed to determine navigation data of the movable device along the surface of the material structure from a combination of the first measurement data with construction data used for producing the material structure, which indicate at least sections of the material structure substantially locally different characteristic properties.

Ferner wird diese Aufgabe gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Navigation eines beweglichen Gerätes entlang einer Oberfläche einer Materialstruktur, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem ersten Schritt,

– charakteristische Eigenschaften der Materialstruktur lokal zu erfassen und entsprechend erste Messdaten zu erzeugen,

gekennzeichnet durch einen zweiten Schritt,

– aus einer Verknüpfung der ersten Messdaten mit für die Herstellung der Materialstruktur verwendeten Konstruktionsdaten, die zumindest von Abschnitten der Materialstruktur im Wesentlichen lokal unterschiedliche charakteristische Eigenschaften angeben, Navigationsdaten des beweglichen Gerätes entlang der Oberfläche der Materialstruktur zu ermitteln.

Furthermore, this object is achieved according to a second aspect of the present invention by a method for navigating a mobile device along a surface of a material structure, in particular using a device according to at least one of the preceding claims, with a first step,

To locally record characteristic properties of the material structure and to generate first measurement data accordingly,

characterized by a second step,

From a combination of the first measurement data with design data used for the production of the material structure, which indicate at least sections of the material structure substantially locally different characteristic properties, to determine navigation data of the movable device along the surface of the material structure.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht demnach in der lokalen Erfassung der tatsächlich vorhandenen charakteristischen Eigenschaften der Materialstruktur, wozu insbesondere spezifische konstruktive Merkmale zählen, und der Verknüpfung der daraus gewonnenen Messdaten mit Konstruktionsdaten, die für die Herstellung der Materialstruktur verwendet worden sind. Diese Konstruktionsdaten, die die lokalen charakteristischen Eigenschaften der Materialstruktur wie beispielsweise Materialdicke, Schweißnäthe und/oder die Form von spezifischen Segmenten und/oder Substrukturen angeben und insbesondere auch Konstruktionspläne repräsentieren können, sind positionsabhängig und liegen heutzutage bevorzugt in Form von CAD-Daten vor. Die an einer bestimmten Stelle lokal gemessenen und in Form der ersten Messdaten vorliegenden charakteristischen Eigenschaften werden mit den in den Konstruktionsdaten enthaltenen positionsabhängigen charakteristischen Eigenschaften verglichen, und im Falle einer zumindest im Wesentlichen Übereinstimmung können dann die Positionsdaten, unter denen die übereinstimmenden lokalen charakteristischen Eigenschaften in den Konstruktionsdaten angegeben sind, für die Navigation des beweglichen Gerätes entlang der Oberfläche der Materialstruktur verwendet werden. Durch die Einbindung derartiger positionsabhängiger Konstruktionsdaten in die Navigation durch Verknüpfung mit den Messdaten wird die Genauigkeit der Navigation deutlich erhöht, ohne dass auf externe Positionsinformationen, wie sie beispielsweise durch GPS, Radiotriangulation und/oder Funkverbindung zu einem Trägerfahrzeug erzeugt werden, zurückgegriffen werden muss. Selbstverständlich funktioniert die Erfindung nur dann, wenn von der Materialstruktur Konstruktionsdaten vorliegen, die zu deren Herstellung verwendet wurden, was insbesondere dann der Fall ist, wenn die Konstruktionsdaten in einem Speichermedium abgelegt sind und von dort abgerufen werden können.The solution according to the invention therefore consists in the local detection of the actually existing characteristic properties of the material structure, including in particular specific design features, and the linking of the measurement data obtained therefrom with design data which have been used for the production of the material structure. These design data, which may indicate the local characteristics of the material structure, such as material thickness, welds and / or the shape of specific segments and / or substructures, and in particular also represent design plans, are location dependent and are presently preferably in the form of CAD data. The characteristic properties locally measured and present in the form of the first measurement data are compared with the position-dependent characteristic properties contained in the design data, and in the case of an at least substantially coincidence then the position data under which the matching local characteristic properties in the Design data are used for the navigation of the moving device along the surface of the material structure. The integration of such position-dependent design data in the navigation by linking with the measurement data, the accuracy of the navigation is significantly increased, without having to resort to external position information, such as those generated by GPS, Radiotriangulation and / or radio connection to a host vehicle. Of course, the invention only works if there are design data of the material structure which were used for their production, which is especially the case when the design data are stored in a storage medium and can be retrieved from there.

Die Erfindung bietet ein vollständig autarkes System, das ohne externe Positionssignale, ohne eine Kabelverbindung und ohne eine externe Steuerung arbeitet. Die erfindungsgemäße Navigation ist unabhängig von dem Werkstoff der Materialstruktur und ebenfalls unabhängig von Umgebungsbedingungen wie beispielsweise Beleuchtung und im Falle eines Schiffes Bewuchs. Aufwändige Kartierungs-, Kalibrierungs- und/oder Einrichtungsmaßnahmen sind ebenso wenig notwendig wie eine aufwändige Bildverarbeitung. Vielmehr erlaubt die Erfindung den Einsatz von kostengünstigen Sensoren wie beispielsweise Inertialsensoren, wobei die verwendete Sensorik bei Bedarf auch zu weiteren Diagnosezwecken eingesetzt werden kann. Insbesondere wenn sich die charakteristischen Eigenschaften der Materialstruktur konstruktiv bedingt in geringen Abständen ändern, was dann durch die Konstruktionsdaten entsprechend dokumentiert ist, und dadurch eine besonders genaue Identifikation der relevanten Position realisieren lässt, ist der Einsatz von kostengünstigeren und somit ungenaueren Sensoren nicht kritisch.The invention provides a completely self-sufficient system which operates without external position signals, without a cable connection and without external control. The inventive navigation is independent of the material of the material structure and also independent of environmental conditions such as lighting and in the case of a ship fouling. Elaborate mapping, calibration and / or installation measures are just as unnecessary as a complex image processing. Rather, the invention allows the use of low-cost sensors such as inertial sensors, the sensor used can be used if necessary for further diagnostic purposes. In particular, if the characteristic properties of the material structure due to the design change in small distances, which is then documented by the design data accordingly, and thereby realize a particularly accurate identification of the relevant position, the use of less expensive and thus inaccurate sensors is not critical.

Die Erfindung ist bevorzugt bei bewegten Fahrzeughüllen und insbesondere an Schiffsrümpfen einsetzbar. Allerdings ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt, sondern lässt sich grundsätzlich an Oberflächen beliebiger Materialstrukturen verwenden. Beispielsweise kann die Erfindung auch als Teil eines Pipeline-Inspektionssystems an Oberflächen von Pipelines zur Anwendung kommen.The invention is preferably used in moving vehicle casings and in particular on ship hulls. However, the invention is not limited to this, but can basically be used on surfaces of any material structures. For example, the invention may also be used as part of a pipeline inspection system on pipelines' surfaces.

Aus dem Stand der Technik lässt sich nirgends die erfindungsgemäße Verwendung von positionsabhängigen, bevorzugt Konstruktionspläne repräsentierenden, Konstruktionsdaten und deren Einbindung in die Navigation entnehmen. Dies trifft auch auf das in der WO 2007/010265 A1 beschriebene System zu; denn die Erfindung bietet eine höhere Genauigkeit als jenes bekannte System, da nicht selbst eingemessene kartografische Daten, sondern die für die Herstellung der Materialstruktur ursprünglich zugrunde liegenden Konstruktionsdaten verwendet werden.The use according to the invention of position-dependent design data which preferably represents construction plans and their integration into the navigation can nowhere be inferred from the prior art. This also applies to the in the WO 2007/010265 A1 described system to; because the invention provides a higher accuracy than that known system, since not self-measured cartographic data, but the design data originally used for the production of the material structure are used.

Bevorzugte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Preferred embodiments and further developments of the invention are specified in the dependent claims.

Bevorzugt repräsentieren die Navigationsdaten Position, Geschwindigkeit und/oder Kurs.The navigation data preferably represents position, speed and / or course.

Bei einer bevorzugten Ausführung wird eine relative Positionsveränderung des beweglichen Gerätes auf bzw. entlang der Oberfläche der Materialstruktur mithilfe einer zweiten Messeinrichtung erfasst, werden daraus entsprechend zweite Messdaten erzeugt und werden aus einer Verknüpfung dieser zweiten Messdaten mit den ersten Messdaten und den Konstruktionsdaten die Navigationsdaten des beweglichen Gerätes entlang der Oberfläche der Materialstruktur ermittelt. Mit dieser Ausführung lässt sich somit eine Koppelnavigation durchführen. Im Bereich der von den zweiten Messdaten angegebenen gekoppelten Position werden mithilfe der Konstruktionsdaten die an dieser Stelle zu erwartenden charakteristischen Eigenschaften der Materialstruktur ermittelt und mit den aktuell gemessenen lokalen charakteristischen Eigenschaften, die von den ersten Messdaten angegeben werden, verglichen. Bei Erfassung einer Änderung der charakteristischen Eigenschaften kann die Position entsprechend der Güte der Konstruktionsdaten in die Navigationsermittlung einfließen und die gekoppelte Position entsprechend korrigieren. Falls die Abstände zwischen den Änderungen der charakteristischen Eigenschaften der Materialstruktur gering sind, lassen sich häufig derartige Korrekturen durchführen, was zu einer Erhöhung der Genauigkeit der Navigation führt und insbesondere dadurch den Einsatz von kostengünstigen und somit ungenaueren Sensoren für die Koppelnavigation erlaubt.In a preferred embodiment, a relative change in position of the movable device is detected on or along the surface of the material structure by means of a second measuring device, are accordingly second Measurement data generated and are determined from a combination of these second measurement data with the first measurement data and the design data, the navigation data of the mobile device along the surface of the material structure. With this embodiment, a dead reckoning can thus be carried out. In the area of the coupled position indicated by the second measured data, the design data is used to determine the characteristic properties of the material structure to be expected at this point and compared with the currently measured local characteristic properties which are indicated by the first measured data. Upon detection of a change in the characteristic properties, the position can be included in the navigation determination according to the quality of the design data and correct the coupled position accordingly. If the distances between the changes in the characteristic properties of the material structure are small, such corrections can often be carried out, which leads to an increase in the accuracy of the navigation and in particular thereby allows the use of cost-effective and thus inaccurate sensors for dead-reckoning.

Zweckmäßigerweise wird die relative Positionsveränderung des beweglichen Gerätes auf der Oberfläche der Materialstruktur gegenüber einem festgelegten Bezugspunkt erfasst, der vorzugsweise einen Anfangspunkt einer Bewegung des beweglichen Gerätes bilden kann. Zum Koppeln und somit zur Erfassung der relativen Positionsveränderung des beweglichen Gerätes auf der Oberfläche der Materialstruktur können eine vom beweglichen Gerät zurückgelegte Strecke, insbesondere mithilfe einer Hodometereinheit, eine Drehbewegung des beweglichen Gerätes, insbesondere mithilfe einer Gyrometereinheit, und/oder auf das bewegliche Gerät wirkende translatorische und/oder rotatorische Beschleunigungskräfte, insbesondere mithilfe einer Inertialsensoreinheit, gemessen werden.Conveniently, the relative change in position of the movable device is detected on the surface of the material structure with respect to a fixed reference point, which may preferably form a starting point of movement of the movable device. For coupling and thus for detecting the relative change in position of the movable device on the surface of the material structure, a distance traveled by the movable device, in particular by means of a hodometer unit, a rotary movement of the movable device, in particular by means of a gyrometer unit, and / or acting on the movable device translational and / or rotational acceleration forces, in particular by means of an inertial sensor unit, are measured.

Die charakteristischen Eigenschaften der Materialstruktur umfassen beispielsweise Abmessungen (wie Materialdicke), Formgebung, Werkstoffeigenschaften und/oder Oberflächenbeschaffenheit.The characteristic properties of the material structure include, for example, dimensions (such as material thickness), shaping, material properties and / or surface properties.

Vorzugsweise kann als erste Messeinrichtung eine Wirbelstrommesseinheit und/oder eine Ultraschallmesseinheit zum Messen einer Oberflächenbeschaffenheit und/oder eine Materialdicke der Materialstruktur verwendet werden.Preferably, a vortex flow measuring unit and / or an ultrasonic measuring unit for measuring a surface condition and / or a material thickness of the material structure can be used as the first measuring device.

Vorzugsweise werden mithilfe einer in der Auswerteeinrichtung vorgesehenen Navigationsrechnereinheit aus den zweiten Messdaten vorläufige Navigationsdaten ermittelt und mithilfe einer in der Auswerteeinheit ebenfalls vorgesehenen Korrektureinheit durch Verknüpfung der vorläufigen Navigationsdaten mit den ersten Messdaten und den Konstruktionsdaten korrigierte endgültige Navigationsdaten ermittelt. Die Konstruktionsdaten werden demnach zur Korrektur der Navigation verwendet.Preferably, preliminary navigation data are determined from the second measured data by means of a navigation computer unit provided in the evaluation device and final navigation data corrected by linking the preliminary navigation data with the first measured data and the design data is determined by means of a correction unit likewise provided in the evaluation unit. The design data is therefore used to correct the navigation.

Zweckmäßigerweise sind die Konstruktionsdaten in einem Speicher gespeichert, der ebenfalls in der Auswerteeinrichtung enthalten ist.Conveniently, the design data is stored in a memory which is also included in the evaluation device.

Vorzugsweise wird die Verknüpfung mithilfe eines Datenfusionsverfahrens durchgeführt, wozu eine entsprechende Datenfusionseinheit verwendet wird, die ebenfalls in der Auswerteeinrichtung enthalten ist.The linkage is preferably carried out by means of a data fusion method, for which purpose a corresponding data fusion unit is used, which is likewise contained in the evaluation device.

Eine bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung ist die Reinigung der Oberfläche einer Materialstruktur, indem als bewegliches Gerät ein Reinigungsgerät verwendet wird, das entlang der Oberfläche der Materialstruktur bewegt wird.A preferred application of the solution according to the invention is the cleaning of the surface of a material structure by using as a mobile device a cleaning device which is moved along the surface of the material structure.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to a preferred embodiment. Show it:

1 schematisch den Rumpf eines Schiffes mit einem sich entlang der Außenhaut bewegenden Roboter; 1 schematically the hull of a ship with a robot moving along the outer skin;

1a schematisch im Querschnitt eine ausschnittsweise Darstellung des Schiffsrumpfes im Bereich seiner Außenhaut mit einem darauf angeordneten Roboter; und 1a schematically in cross section a fragmentary view of the hull in the region of its outer skin with a robot arranged thereon; and

2 schematisch ein Blockschaltbild eines im Roboter eingebauten Navigationssystems gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 2 schematically a block diagram of a built-in robot navigation system according to a preferred embodiment of the invention.

In 1 ist sehr schematisch ein Schiffsrumpf 2 dargestellt, welcher von einer Außenhaut 4 begrenzt wird, die in 1a ausschnittsweise im Querschnitt schematisch gezeigt ist. Der Schiffsrumpf 2 weist eine Vielzahl von spezifischen Konstruktionsdetails auf, zu denen beispielsweise auch die in 1 schematisch dargestellten im Wesentlichen vertikal angeordneten Schotten oder Rahmen 6, die winklig oder rechtwinklig an der Innenseite der Außenhaut 6 angeordnet sind (1a), und die an der Innenseite der Außenhaut 4 horizontal laufenden Stringer 8 gehören; obwohl 1 als Außenansicht auf den Schiffsrumpf 2 gedacht ist und deshalb in der Realität die Außenhaut 4 einen Blick in das Innere des Schiffsrumpfes 2 verhindert, ist zur besseren Erkennbarkeit der Anordnung aus Rahmen 6 und Stringern 8 in 1 für den Schiffsrumpf 2 sozusagen eine transparente Darstellung gewählt.In 1 is very schematically a ship's hull 2 represented, which of an outer skin 4 is limited in 1a Sectionally shown in cross-section schematically. The ship's hull 2 has a variety of specific construction details, including those in 1 schematically shown substantially vertically arranged bulkheads or frames 6 at an angle or at right angles to the inside of the outer skin 6 are arranged ( 1a ), and those on the inside of the outer skin 4 horizontally running stringer 8th belong; even though 1 as an exterior view of the ship's hull 2 is thought and therefore in reality the outer skin 4 a look inside the ship's hull 2 is prevented, for better visibility of the arrangement of frame 6 and stringers 8th in 1 for the hull 2 a transparent representation, so to speak.

Wie die 1 und 1a ferner schematisch erkennen lassen, ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Roboter 10 vorgesehen, der sich an der Außenhaut 4 des Schiffsrumpfes 2 (1a) entlang auf einem vorbestimmten Weg 12 bewegt. Bevorzugt befindet sich der Roboter 10 dabei in Kontakt mit der Außenseite der Außenhaut 4 und ist mit entsprechenden, in den Figuren nicht dargestellten Antriebsmitteln ausgestattet, die es dem Roboter 10 erlauben, auf der Außenhaut 4 des Schiffsrumpfes 2 entlangzulaufen.As the 1 and 1a can also be seen schematically, is shown in the Embodiment of a robot 10 provided on the outer skin 4 of the hull 2 ( 1a ) along a predetermined path 12 emotional. Preferably, the robot is located 10 while in contact with the outside of the outer skin 4 and is equipped with corresponding, not shown in the figures drive means, which is the robot 10 allow on the outer skin 4 of the hull 2 run along.

Bevorzugt wird der Roboter 10 im dargestellten Ausführungsbeispiel zur Inspektion der Außenhaut 4 und gegebenenfalls auch noch der an der Innenseite der Außenhaut 4 befindlichen Struktur des Schiffsrumpfes 2 und/oder zur Reinigung der Außenseite der Außenhaut 4 des Schiffsrumpfes 2 verwendet, wofür der Roboter 10 mit einer entsprechenden, in den Figuren nicht dargestellten Inspektionssensorik und/oder mit entsprechenden, ebenfalls in den Figuren nicht dargestellten Reinigungsgeräten ausgerüstet ist. Seine Bewegung bzw. Fahrt beginnt der Roboter 10 bevorzugt an einem vorbestimmten bzw. festgelegten Ausgangsort und bewegt sich entlang einer Bahn 12, deren Verlauf vorzugsweise ebenfalls vorbestimmt ist. Als Ausgangsort ist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Garage 14 vorgesehen, die bevorzugt auf Höhe der Reling 4a der Außenhaut 4 angeordnet ist und den Roboter 10 in seiner Ruhestellung bei Nichtgebrauch aufnimmt. Wie in 1 ferner skizziert ist, wird in einem definierten Koordinatensystem X/Z navigiert, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel der Ursprung bzw. Nullpunkt ”0” dieses Koordinatensystems X/Z in der Garage 14 liegt und außerdem gleichzeitig einen Anfangspunkt für den Weg 12 des Roboters 10 sowie einen Bezugspunkt für die Navigation, wie beispielsweise bei der in 1 dargestellten Betriebsweise für den Steuerkurs H, bildet.The robot is preferred 10 in the illustrated embodiment for inspection of the outer skin 4 and optionally also on the inside of the outer skin 4 structure of the ship's hull 2 and / or for cleaning the outside of the outer skin 4 of the hull 2 uses what the robot is for 10 is equipped with a corresponding, not shown in the figures inspection sensor and / or with corresponding, also not shown in the figures cleaning devices. His movement or drive begins the robot 10 preferably at a predetermined starting point and moves along a path 12 whose course is preferably also predetermined. The starting point is a garage in the illustrated embodiment 14 provided, preferably at the height of the railing 4a the outer skin 4 is arranged and the robot 10 in its rest position when not in use. As in 1 is further outlined, is navigated in a defined coordinate system X / Z, in the illustrated embodiment, the origin or zero point "0" of this coordinate system X / Z in the garage 14 and also a starting point for the way 12 of the robot 10 and a reference point for navigation, such as in the 1 illustrated operation for the heading H, forms.

2 zeigt schematisch ein Blockschaltbild von für die Navigation verwendeten Komponenten, die im Roboter 10 eingebaut sind. Bei den im Ausführungsbeispiel dargestellten Komponenten 20, 22 und 24 handelt es sich um Sensoreinheiten. Die Sensoreinheit 20 verkörpert im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Hodometer 20 zur Erfassung der durch den Roboter 10 zurückgelegten Strecke entlang des Weges 12 (1), so dass das Ausgangssignal P des Hodometers 20 Messwerte betreffend die zurückgelegte Strecke angibt. Die Sensoreinheit 22 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Inertialsensoreinheit auf, die aus einer Kombination aus Beschleunigungssensoren und Drehratensensoren besteht und bevorzugt drei Beschleunigungssensoren und drei Drehratensensoren enthält, um eine vom Roboter 10 durchgeführte Drehung sowie auf den Roboter 10 wirkende translatorische und/oder rotatorische Beschleunigungskräfte zu erfassen. Die Sensoreinheit 24 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Sensor zur Dickenmessung der Hülle bzw. Außenhaut 4 des Schiffsrumpfes 2 auf und kann hierfür beispielsweise einen Ultraschallsensor oder einen Wirbelstromsensor aufweisen, wobei das Ausgangssignal S dieser Sensoreinheit 24 im dargestellten Ausführungsbeispiel die Dicke der Hülle bzw. Außenhaut 4 des Schiffsrumpfes 2 angibt. 2 schematically shows a block diagram of components used for navigation in the robot 10 are installed. In the components shown in the embodiment 20 . 22 and 24 are sensor units. The sensor unit 20 embodies a hodometer in the illustrated embodiment 20 for capturing by the robot 10 covered route along the way 12 ( 1 ), so that the output signal P of the Hodometer 20 Indicates measured values concerning the distance covered. The sensor unit 22 has in the illustrated embodiment, an inertial sensor unit, which consists of a combination of acceleration sensors and yaw rate sensors and preferably contains three acceleration sensors and three yaw rate sensors to one from the robot 10 performed rotation as well as on the robot 10 to detect acting translational and / or rotational acceleration forces. The sensor unit 24 has in the illustrated embodiment, a sensor for measuring the thickness of the shell or outer skin 4 of the hull 2 and may for example comprise an ultrasonic sensor or an eddy current sensor, the output signal S of this sensor unit 24 in the illustrated embodiment, the thickness of the shell or outer skin 4 of the hull 2 indicates.

Die kombinierte Gyrometer- und Inertialsensoreinheit 22, die vorzugsweise eine MEMS-Sensorik enthält, ist im dargestellten Ausführungsbeispiel an eine Umrechnungseinheit 26 angeschlossen, die aus den Ausgangssignalen von der Sensoreinheit 22 ein Signal ermittelt, das den Steuerkurs H angibt. Dieses Steuerkurssignal H wird zusammen mit dem Ausgangssignal P vom Hodometer 20 an einen Navigationsrechner 28 übermittelt, der aus diesen Signalen die Position, die Geschwindigkeit und den Steuerkurs des Roboters 10 ermittelt, wobei diese Navigationswerte in einem gemeinsamen Signal N1 an eine Datenfusionseinheit 30 übermittelt werden. An diese Datenfusionseinheit 30 sind ferner im dargestellten Ausführungsbeispiel auch noch die Umrechnungseinheit 26 und die Sensoreinheit 24 angeschlossen, so dass das die Dicke angebende Signal S von der Sensoreinheit 24 ebenfalls an die Datenfusionseinheit 30 übermittelt wird. Schließlich ist an die Datenfusionseinheit 30 auch noch eine Datenbank 32 angeschlossen. In dieser Datenbank 32 sind die Konstruktionsdaten hinterlegt, die für die Herstellung des Schiffsrumpfes 2 oder zumindest dessen Außenhaut 4 verwendet wurden und bevorzugt Konstruktionszeichnungen vom Schiffsrumpf 2 und Karten von dessen Außenhaut 4 repräsentieren und deshalb üblicherweise als CAD-Daten vorliegen. Die aus der Datenbank 32 ausgelesenen Konstruktionsdaten werden als Signal C an die Datenfusionseinheit 30 übermittelt. In der Datenfusionseinheit 30 wird das Navigationssignal N1 mit dem die Dicke der Hülle bzw. Außenhaut 4 an der aktuell gemessenen Stelle angebenden Signal S von der Sensoreinheit 24, dem die zumindest an der Messstelle aktuell relevanten Konstruktionsdaten angebenden Signal C und dem Ausgangssignal von der Umrechnungseinheit 26 verknüpft und wird aus dieser Verknüpfung ein korrigiertes Navigationssignal N2 gebildet und ausgegeben. Bei diesem korrigierten Navigationssignal N2 handelt es sich um das endgültige Navigationssignal, das für die Navigation des Roboters 10 verwendet wird. Bevorzugt wird dieses Navigationssignal N2 an eine in den Figuren nicht dargestellte Steuerungseinrichtung übermittelt, welche die in den Figuren ebenfalls nicht dargestellten Antriebsmittel zur Fortbewegung des Roboters 10 entsprechend steuert.The combined gyrometer and inertial sensor unit 22 , which preferably contains a MEMS sensor, is in the illustrated embodiment to a conversion unit 26 connected from the output signals from the sensor unit 22 determines a signal indicating the heading H. This control signal H is used together with the output signal P from the Hodometer 20 to a navigation computer 28 from these signals the position, speed and heading of the robot 10 determined, these navigation values in a common signal N1 to a data fusion unit 30 be transmitted. To this data fusion unit 30 are also in the illustrated embodiment, even the conversion unit 26 and the sensor unit 24 connected so that the thickness indicative signal S from the sensor unit 24 also to the data fusion unit 30 is transmitted. Finally, to the data fusion unit 30 also a database 32 connected. In this database 32 are the design data deposited for the manufacture of the ship's hull 2 or at least its outer skin 4 were used and preferred design drawings from the ship's hull 2 and maps of its outer skin 4 represent and therefore usually present as CAD data. The from the database 32 The design data read out are sent as signal C to the data fusion unit 30 transmitted. In the data fusion unit 30 is the navigation signal N1 with the thickness of the shell or outer skin 4 signal S from the sensor unit that indicates the currently measured position 24 , the signal C indicative of the design data currently relevant to the measuring point and the output signal from the conversion unit 26 linked and from this link a corrected navigation signal N2 is formed and output. This corrected navigation signal N2 is the final navigation signal used for the navigation of the robot 10 is used. Preferably, this navigation signal N2 is transmitted to a control device, not shown in the figures, which the not shown in the figures drive means for locomotion of the robot 10 controls accordingly.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel bestimmt der Roboter 10 somit seine Position relativ zum Ursprungs- bzw. Nullpunkt 0 des Koordinatensystems X/Z mittels Koppelnavigation durch Integration der im Signal P von der Hodometereinheit 20 übermittelten Hodometerdaten und der von der Sensoreinheit 22 gemessenen Drehraten. Um eine eventuelle rotatorische Bewegung des Roboters 10 zu kompensieren, hält der Roboter 10 in definierten Intervallen an, damit die Sensoreinheit 22 seine Bewegungen messen kann, wobei die zuvor erwähnte Kompensation in der nachgeschalteten Umrechnungseinheit 26 stattfindet.In the illustrated embodiment, the robot determines 10 thus its position relative to the origin or zero point 0 of the coordinate system X / Z by means of dead reckoning integration of the signal P in the Hodometereinheit 20 transmitted odometer data and that of the sensor unit 22 measured rotation rates. To a possible rotational movement of the robot 10 to compensate, the robot stops 10 at defined intervals, so that the sensor unit 22 can measure its movements, with the aforementioned compensation in the downstream conversion unit 26 takes place.

Unter Verwendung der gekoppelten Position, die vom Navigationsrechner 28 ermittelt und im Signal N1 ausgegeben wird, werden aus der Datenbank 32 diejenigen Konstruktionsdaten ermittelt, die für den Bereich der aktuellen Messstelle relevant sind und insbesondere die dort erwartete Dicke der Außenhaut 4 angeben, und mit dem von der Sensoreinheit 24 aktuell gemessenen und im Signal S enthaltenen Wert für die Dicke der Außenhaut 4 in der Datenfusionseinheit 30 verglichen. Bei Feststellung einer Abweichung werden die Navigationsdaten und insbesondere die Koppelposition gemäß Signal N1 in der Datenfusionseinheit 30 unter Verwendung der Konstruktionsdaten gemäß Signal C entsprechend korrigiert und in Form des korrigierten Navigationssignals N2 ausgegeben. Falls konstruktiv bedingte Änderungen in der Konstruktion und insbesondere der Dicke der Außenhaut 4 in geringen Abständen voneinander auftreten, lässt sich das Navigationssignal N1 entsprechend häufig korrigieren bzw. anpassen, wodurch der Einsatz von kostengünstigeren und ungenaueren Sensoren für die Koppelnavigation möglich wird. Zusätzlich können mithilfe der in der Datenbank 32 abgespeicherten Konstruktionsdaten bestimmte Regionen der Außenhaut 4 des Schiffsrumpfes 2 und somit konstruktive Hindernisse erkannt werden.Using the coupled position, that of the navigation computer 28 determined and output in signal N1, are from the database 32 determines those design data that are relevant for the area of the current measuring point and in particular the expected thickness of the outer skin 4 and with that of the sensor unit 24 currently measured and contained in the signal S value for the thickness of the outer skin 4 in the data fusion unit 30 compared. If a deviation is detected, the navigation data and in particular the coupling position according to signal N1 in the data fusion unit 30 Correspondingly corrected using the design data according to signal C and output in the form of the corrected navigation signal N2. If constructive changes in the construction and in particular the thickness of the outer skin 4 occur at close intervals from each other, the navigation signal N1 can be frequently corrected or adapted, making the use of less expensive and less accurate sensors for dead reckoning possible. Additionally, using the in the database 32 stored design data certain regions of the outer skin 4 of the hull 2 and thus constructive obstacles are detected.

Abschließend sei noch angemerkt, dass für eine ordnungsgemäße Navigation gemäß dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel Konstruktionsdaten mit einer hinreichenden Genauigkeit sowie hinreichend feststellbare Dickenänderungen in der Außenhaut 4 des Schiffsrumpfes 2 vorliegen müssen.Finally, it should be noted that for a proper navigation according to the embodiment described above, design data with a sufficient accuracy as well as sufficiently detectable thickness changes in the outer skin 4 of the hull 2 must be present.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2007/010265 A1 [0003, 0014]
WO 86/00860 A1 [0004]
US 2005/0015209 A1 [0005]
WO 02/086474 A1 [0006]

Claims

Device for navigating a mobile device ( 10 ) along a surface of a material structure ( 4 ), with a first measuring device ( 24 ), which is formed, characteristic properties of the material structure ( 4 ) locally and correspondingly to generate first measurement data (S), characterized by an evaluation device ( 28 . 30 . 32 ), which is formed from a combination of the first measurement data (S) with design data (C) used for the production of the material structure, which at least of sections of the material structure ( 4 ) indicate locally different characteristic properties, navigation data (N2) of the mobile device ( 10 ) along the surface of the material structure ( 4 ) to investigate.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the navigation data indicate position, speed and / or course.

Apparatus according to claim 1 or 2, with a second measuring device ( 20 . 22 ), which is adapted to a relative change in position of the movable device ( 10 ) on or along the surface of the material structure ( 4 ) and correspondingly to generate second measured data (P, H), characterized in that the evaluation device ( 28 . 30 . 32 ) is formed, from a combination of the second measurement data (P, H) with the first measurement data and the design data (C) the navigation data (N2) of the mobile device ( 10 ) along the surface of the material structure ( 4 ) to investigate.

Apparatus according to claim 3, characterized in that the second measuring device ( 20 . 22 ) is formed, the relative change in position of the movable device ( 10 ) on the surface of the material structure ( 4 ) against a defined reference point (Ø).

Device according to claim 4, characterized in that the reference point (Ø) is a starting point of a movement of the mobile device ( 10 ) along the surface of the material structure ( 4 ).

Device according to at least one of claims 3 to 5, characterized in that the second measuring device is a hodometer unit ( 20 ) for detecting a mobile device ( 10 ) traveled distance ( 12 ), a gyrometer unit ( 22 ) for detecting a rotational movement of the movable device ( 10 ) and / or an inertial sensor unit ( 22 ) for detecting on the mobile device ( 10 ) acting translational and / or rotational acceleration forces.

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the characteristic properties of the material structure ( 4 ) Dimensions (eg, material thickness), shape, material properties, and / or surface finish.

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the first measuring device ( 24 ) an eddy-current measuring unit and / or an ultrasonic measuring unit for measuring a surface condition and / or a material thickness of the material structure ( 4 ) having.

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the evaluation device is a navigation computer unit ( 28 ), which is designed to determine preliminary navigation data (N1) from the second measurement data (P, H), and a correction unit ( 30 ) configured to output corrected final navigation data (N2) by linking the preliminary navigation data (N1) with the first measurement data (S) and the design data (C).

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the evaluation device a memory ( 32 ) in which the design data (C) is stored.

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the evaluation device a data fusion unit ( 30 ) configured to perform the linking.

Device according to at least one of the preceding claims, in which the material structure ( 4 ) is the shell of a vehicle, in particular a ship.

Device according to at least one of the preceding claims, in which the mobile device ( 10 ) is a cleaning device.

Cleaning device for cleaning the surface of a material structure ( 4 ), with a cleaning device ( 10 ) along the surface of the material structure ( 4 ) and for cleaning the surface of the material structure ( 4 ), and with a device according to claim 13.

Method for navigating a mobile device ( 10 ) along a surface of a material structure ( 4 ), in particular using a device according to at least one of the preceding claims, with a first step, - characteristic properties of the material structure ( 4 ) locally and accordingly to generate first measurement data (S), characterized by a second step, - from a combination of the first measurement data (S) with for the production of the material structure ( 4 ) used design data (C), at least from sections of the material structure ( 4 ) essentially specify locally different characteristic properties, navigation data (N2) of the mobile device ( 10 ) along the surface of the material structure ( 4 ) to investigate.

A method according to claim 15, characterized in that the navigation data indicate position, speed and / or course.

Method according to claim 15 or 16, wherein in the first step additionally a relative positional change of the movable device ( 18 ) on or along the surface of the material structure ( 4 ) and corresponding second measurement data (P, H) are generated, characterized in that in the second step from a combination of the second measurement data (P, H) with the first measurement data (S) and the design data (C) the navigation data ( N2) of the mobile device ( 10 ) along the surface of the material structure ( 4 ) be determined.

A method according to claim 17, characterized in that the relative change in position of the movable device ( 10 ) on the surface of the material structure ( 4 ) relative to a defined reference point (Ø).

A method according to claim 18, characterized in that as reference point (Ø) a starting point of a movement of the movable device ( 10 ) along the surface of the material structure ( 4 ).

Method according to at least one of claims 17 to 19, characterized in that for detecting the relative change in position of the movable device ( 10 ) on the surface of the material structure ( 4 ) one from the mobile device ( 10 ) covered track ( 12 ), a rotary movement of the movable device ( 10 ) and / or on the mobile device ( 10 ) acting translational and / or rotational acceleration forces are measured.

Method according to at least one of claims 15 to 20, characterized in that as characteristic properties of the material structure ( 4 ) Dimensions (for example, material thickness), shape, material properties and / or surface condition are detected.

Method according to at least one of claims 15 to 21, wherein in the second step provisional navigation data (N1) are determined from the second measurement data (P, H) and by linking the provisional navigation data (N1) with the first measurement data (S) and the design data ( C) corrected final navigation data (N2) are determined.

Method according to at least one of claims 15 to 22, characterized in that in the second step the linkage is performed by means of a data fusion method.

Method according to at least one of claims 15 to 23, wherein the material structure ( 4 ) is the shell of a vehicle, in particular a ship.

Method according to at least one of claims 15 to 24, wherein as a mobile device ( 10 ) a cleaning device is used.

Cleaning method for cleaning the surface of a material structure, in which a cleaning device ( 10 ) is moved along the surface of the material structure using a method according to claim 25.