CN105009012B - 用于无损检测的独立完整追踪方法及设备 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

用于无损检测的独立完整追踪方法及设备
技术领域
本发明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。
背景技术
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。
发明内容
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分别是表示手持式扫描设备的俯视平面图和正视图的示意图，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是表示根据本发明替代实施例的具有三个全向轮的相应手持式扫描设备的俯视平面图的示意图。
图5A和图5B分别是表示根据另一实施例的手持式追踪设备的俯视平面图和正视图的示意图，所述手持式追踪设备包括连接到配有编码器的完整运动设备的NDI传感器单元。在该替代实施例中，完整运动设备具有以转向架配置布置的四个全向轮。
图6是示出借助弹簧加载线性运动引导件而安装到框架的全向轮的示意图，所述引导件仅仅允许全向轮相对于框架的垂直位移。
图7是根据一个实施例的用于实时追踪完整运动NDI传感器单元的系统的主要部件的方框图。
图8是根据一个实施例的用于实时追踪完整运动NDI传感器单元的过程的流程图。
图9是示出彼此略微偏移的多条路径的扫描数据带的合并以使用小型扫描传感器阵列产生大型检测区域的精确连续表示的示意图。
在下文中将参考所述附图，其中不同附图中的相似元件具有相同的附图标记。
具体实施方式
下面详述公开的系统是多维差动、基于测距法的解决方案，该方案使用可旋转地安装到手持式或自动式完整追踪设备的框架的全向轮的若干方向中的一个，实现真正的完整表面追踪(即，同时进行多维位置和方向追踪)。全向轮是圆周周围具有小滚子的轮，这些滚子可围绕与主轮在滚动期间旋转所围绕的轴线(也称为主轮轴)垂直的轴线旋转且与主轮的外边缘相切。(这些滚子不是圆柱形的。相反，它们中部较大，具有与轮的总半径对应的形状。滚子的曲率半径位于较大的主轮的中心。)。其效果是通过在与表面接触的较小的滚子上滚动，全向轮将无阻力地围绕主轮轴向前滚动，而且也能非常容易地横向滑动。在本文所公开的一些实施例中，完整追踪设备被连接到NDI传感器阵列或其他维护工具。各编码器在完整运动期间测量每一全向轮的旋转。计算机系统编有例程，该例程把相关轮位置转换成传感器位置和方向。本文所公开的追踪方法能够应用到手持式和自动式NDI扫描中。公开的完整追踪设备还能够与NDI传感器单元以外的工具一起使用，例如标记设备(涂漆)、钻机、条形码扫描器、清洁设备、照明设备、可视和红外摄影机以及音频扬声器。
标准两轮差动测距法是众所周知的用于平面位置追踪的方法，但是它是非完整的，意味着它要服从将运动限制在一个或更多个方向中的运动约束。这限制了可能用于手持式扫描类型应用的自由形式运动。
相反，本文所公开的系统具有使用基于全向轮的差动测距法来追踪设备在表面上的完整运动的能力。根据一个实施例，数据采集设备从多个编码器接收编码器计数，每个全向轮对应一个编码器。然后数据采集设备处理那些编码器计数，以使用适于由NDI扫描软件处理的模拟编码器脉冲推导出编码器输入。
根据一些实施例，数据采集设备在运动控制软件的指示下生成与设备的X和Y运动的变化对应的正交脉冲。例如，在超声波检测的情况下，这些模拟编码器脉冲由数据采集设备发送到超声波脉冲器/接收器。脉冲器/接收器将模拟编码器脉冲发送到NDI扫描软件。NDI扫描软件应用程序把模拟编码器脉冲转换成当前X-Y坐标位置，该位置用于将扫描成像数据定位在其合适的位置。
图1示出根据垂直、双差动配置的四个全向轮的配有编码器的完整运动手持式追踪设备的一些部件的俯视平面图。该追踪设备能够被连接到NDI传感器单元(未示出)。图1所示的设备包括矩形框架4和借助各自的轮轴6a-6d和轮轴轴承(未示出)可旋转地安装到框架4的四个双列全向轮4a-4d。在该特定实施方式中，轮轴6a和6c是同轴的；轮轴6b和6d是同轴的；并且轮轴6a、6c垂直于轮轴6b、6d。各编码器8a-8d测量全向轮4a-4d的旋转。当全向轮在平面上滚动时，在每一全向轮的每次递增旋转后，编码器8a-8d将表示各编码器计数的编码器脉冲经编码器电缆(在图1中未示出，但参见图6中的项目36)发送到操作控制中心。这些编码器脉冲将由计算机系统(在图1中未示出)接收，该计算机系统推导出设备的X和Y坐标。该实施例示出了双列全向轮(在一些状况下其可以提高滚动的平滑度)，但是也可以使用单列全向轮。
图2A和图2B分别示出手持式扫描设备的俯视平面图和正视图，所述手持式扫描设备包括刚性连接到图1中图示示出类型的配有编码器的完整运动设备的NDI传感器单元10。完整运动设备由NDI传感器单元运载。NDI传感器单元10具有附着到其上的手柄12，借助该手柄，操作人员能够手动地旋转或没有旋转地在任意方向上移动扫描设备。一个或更多个全向轮/编码器组件可以以允许支撑框架和轮编码器组件之间顺应性(例如，使用线性引导件和弹簧)的方式安装。这允许轮在表面不是完全平坦的情况下保持与表面接触。在手动扫描期间，编码器8a将输出与全向轮4a的旋转角度成比例的编码器计数e0；编码器8b将输出与全向轮4b的旋转角度成比例的编码器计数e1；编码器8c将输出与全向轮4c的旋转角度成比例的编码器计数e2；以及编码器8d将输出与全向轮4d的旋转角度成比例的编码器计数e3。
现在将参考图1指示的维度，描述限定图1所示的垂直、双差动配置的四轮的方向和位置的运动的运动学公式。过程涉及在每一更新步骤计算绝对角度θ以及相对位置的变化ΔPx和ΔPy，然后使用绝对角度和相对位置的变化计算设备上的一点(例如，公共中心点)的绝对位置Px和Py，如下所示:
其中，R是全向轮的半径，ei是相对于起始位置的每一编码器计数(i＝0至3)，c是每次旋转的编码器计数的数量，W是宽度(即，一组全向轮之间的距离)，L是长度(另一组全向轮之间的距离)。
ΔPx＝πR(Δe1+Δe3)/c (2)
ΔPy＝πR(Δe0+Δe2)/c (3)
其中，Δei＝ei-ei-last。式(2)和(3)在每一更新周期被计算。然后利用θ、ΔPx和ΔPy，使用如下旋转矩阵公式能够计算绝对位置：
图3和图4示出根据替代实施例的具有三个双列全向轮4a-4c的相应手持式扫描设备的俯视平面图。图3所示的设备包括六面框架14，而图4所示的设备包括多面框架16。在两个实施例中，三个双列全向轮4a-4c借助各自的轮轴6a-6c和轮轴轴承(未示出)可旋转地安装到框架。在每一实施方式中，轮轴6a-6c的轴线设置成相对于彼此成120度。各编码器8a-8c对每一全向轮4a-4c的增量旋转进行编码。在两个实施例中，框架被连接到NDI传感器单元10，传感器单元10具有能够被操作人员抓握的手柄12，然后操作人员能够旋转或没有旋转地手动地在任意方向上移动扫描设备。如同四个轮的设计，如果需要，单列全向轮能够用来代替双列全向轮。虽然能够包括用于实现全向轮/编码器子组件和框架之间柔度的机构，但除非系统用在高度曲线型的表面上，否则在三轮结构中没那么必要。
按照与上面具有垂直、双差动配置的四个全向轮的设备类似的方式，可以为具有按如图3和4所示的圆切线结构布置的三个等间距全向轮的平台推导出运动学公式：
其中，变量d是从每个轮到公共中心点(见图3)的距离。
ΔPx＝πR(-2Δe0+Δe1+Δe2)/c (6)
使用式(4)计算三轮系统的绝对位置。
其他的轮结构是可能的，例如图5A和5B所示的转向架结构以及许多其他类似的结构。虽然用于方向和相对平移的方程会不同，但绝对位置的计算遵循与上面所示的两个结构相同的过程，包括相对位置和绝对角度的初始计算，然后使用式(4)计算绝对位置。
与图2A、图3和图4示出的使用双列全向轮的实施例形成对比，图5A和5B示出的实施例使用单列全向轮22a-22d。双列轮具有在相对平坦的表面上滚动更平滑的优点，但是在一些情况下，例如紧凑空间中或在高度弯曲的表面上时，增加的宽度能够是缺点。
图5A和图5B示出的实施例包括矩形框架2，在矩形框架2相对端具有一对轮轴安装支架20a、20b。这些安装支架20a、20b分别将每一转向架的枢轴24a、24b附接到框架2，框架2附接到NDI传感器单元10。各自的滑架18a、18b被固定到枢轴24a、24b的端部，这允许转向架(也称为滑架)18a、18b相对于框架2旋转。一对全向轮被安装到一个滑架；另一对全向轮被安装到另一个滑架。全向轮22a被附接到旋转编码器8a的轴，旋转编码器8a的轴被安装到滑架18a的一个臂，同时全向轮22b被附接到旋转编码器8b的轴，旋转编码器8b的轴被安装到滑架18a的另一个臂。当全向轮22a、22b驶过非平面表面时，滑架18a在必要时可以自由旋转，以保持全向轮22a、22b和非平面表面接触。对于可旋转的滑架18b也是如此，滑架18b的一个臂支撑旋转编码器8c和全向轮22c，同时另一个臂支撑旋转编码器8d和全向轮22d。优选地，全向轮22a、22b的旋转轴线是互相垂直的，同时全向轮22c、22d的旋转轴线分别与全向轮22a、22b的旋转轴线平行。
用于发送编码器输出到数据采集设备和发送传感器输出到NDI处理器的电连接件没有在图1、2A、2B、3、4、5A和5B的任何一个中示出。在替代实施例中，编码器数据能够被无线发送。
根据替代实施例，每个全向轮能够枢转安装到安装支架，该支架相对于框架垂直可滑动。图6示出全向轮22b，其枢转安装到安装支架26，该支架通过弹簧加载循环滚珠轴承线性运动引导件相对于框架28垂直可滑动，该引导件包括滑块30和导轨32。在此实施方式中，该安装支架26附接到滑块30，滑块30在导轨32上滑动，并且导轨32附接到框架28。这允许编码器/全向轮子组件(8b/22b)相对于框架28垂直移动。弹簧34附接在安装支架26和框架28之间，以促进全向轮22b向下与被扫描物体的上表面接触，该物体上表面可以是非平面的。编码器8b通过电缆36将编码器计数输出到数据采集设备(在图6中未示出)。
图7示出用于对完整运动设备进行实时追踪的系统的主要部件，其中该设备包括与多个全向轮4耦合的框架2。根据图7所示的实施例，框架2被连接到NDI传感器单元10。如上所述，通过各编码器8测量每个全向轮4的旋转。编码器数据(即计数)通过电信号电缆(图7中未示出)从编码器8输出到数据采集设备38。数据采集设备38电连接到运动处理器40。运动处理器40接收来自于数据采集设备38的编码器数据，并且根据上述运动学公式计算X和Y绝对位置数据(其被定义在被扫描部件的坐标系中)，从而推导出NDI传感器单元10的绝对位置。然后运动处理器40仅将X和Y绝对位置数据转化为正交脉冲形式(其包括高(1)或低(0)值的两个相移系列)。可选地，运动处理器40能够在显示屏42上显示位置和方向信息。在替代实施例中，运动处理器可以与数据采集设备集成。
数据采集设备38将来自于运动处理器40的正交脉冲指令转化为模拟编码器脉冲的电信号。模拟编码器脉冲通过信号线路发送到NDI处理器44。NDI处理器44接收到模拟编码器脉冲后，将该模拟编码器脉冲解码为位置数据，该位置数据表示NDI传感器单元10相对于被扫描部件的坐标系的位置。NDI处理器44还接收来自于NDI传感器10的NDI扫描成像数据。利用接收为模拟编码器脉冲的X-Y位置数据，将该NDI扫描成像数据配准公共坐标系。NDI处理器44还可以在显示屏46上显示扫描图像和/或将产生的配准的NDI扫描成像数据储存到数据存储设备48中。
图8是示出根据一个实施例的用于实时追踪完整运动NDI传感器单元的过程的流程图。此过程适用于手持式设备或自动式设备(例如机动履带车辆)产生的自由形式运动。步骤顺序涉及一个连续循环。首先，该NDI传感器单元由操作人员或自动化过程移动(步骤50)。当NDI传感器单元移动时，数据采集设备接收编码器数据(步骤52)。然后，运动处理器利用该编码器数据计算NDI传感器单元的位置和方向(54)。NDI传感器单元的位置和方向可以显示在显示屏上(步骤56)。之后，运动处理器计算与步骤54中计算的绝对位置数据相对应的X与Y位置编码器脉冲(步骤58)。数据采集设备然后将X-Y位置数据转化成NDI处理器可接受的模拟编码器脉冲(步骤60)。在此期间，NDI处理器在移动的同时收集来自于NDI传感器单元的扫描成像数据(步骤64)。NDI处理器运行NDI应用程序，其接收来自于数据采集设备以及扫描成像数据传感器系统的模拟编码器脉冲(步骤62)，并且利用模拟编码器脉冲携带的X-Y位置信息配准扫描成像数据(步骤64)。可选显示屏可以附接到传感器平台或操作人员能够访问的其他位置，以便在系统运行过程中通过显示NDI扫描图像提供位置和方向反馈(步骤68)。
现在将参考图7更详细地描述参考图8概述的过程。在一种实施方式中，数据采集设备38通过API函数调用将编码器数据发送到运动处理器40。根据一种实施方式，数据采集设备可以是能够从美国数码公司(US Digital)(温哥华、华盛顿)买到的USB4编码器数据采集USB设备。在这种实施方式中，数据采集设备38通过USB接口(经由USB电缆)发送数据，但其他数据采集设备可以使用其他通信接口(例如计算机内的PCI插槽、串行通信接口、运通卡、PCMCIA或以太网接口)。由数据采集设备38发送到运行于运动处理器40上的应用程序的信号被转换成编码器数据的形式。通常这意味着，转换成经由通信接口被发送到运动处理器40的数据包，并通过API被转换成整数或浮点数。运行在运动处理器40上的应用程序向数据采集设备38请求数据并取回整数或浮点数(例如对于编码器，该应用程序将请求特定编码器的当前计数的数量，并取回一个整数，该整数表示在数据采集设备38中的与该编码器相关联的存储器寄存器中计数的数量)。
运动处理器40也能够请求数据采集设备38产生电压形式的电信号。然后，这些电信号通过数据采集设备30被发送到NDI处理器44。因为NDI处理器是一种预期接收来自编码器的脉冲的类型，所以运行在运动处理器40上的应用程序经编程以计算所需脉冲的数量和频率，然后请求数据采集设备38发送高电压和低电压形式的模拟编码器脉冲。
NDI处理器44根据如下公式将模拟编码器脉冲转换为当前X位置、Y位置：
X位置＝接收到的x脉冲数*x的比例系数
Y位置＝接收到的y脉冲数*y的比例系数
其中，每一个比例系数为较小的数(例如类似于0.01英寸/脉冲)。该X位置、Y位置每秒可被更新许多次。
同时NDI传感器单元10正捕获检测数据(例如，扫描成像数据)。在利用超声波检测的情况下，能够采集来自超声波元件线性阵列的每个元素的数据。这些元素构成类似于计算机显示器上的像素行的阵列(其中通过定义第一像素的起始X位置、Y位置，每行都与下一行偏移，且当所有的行以恰当次序显示时，能够显示全图像)。超声元件的线性阵列每次被移动一个预定距离(距离长短取决于操作人员请求的分辨率)。NDI处理器44通过电缆(如图7所示的从NDI传感器10到NDI处理器44的带箭头的线)从NDI传感器单元10(表示像素数据“行”)接收新的数据扫描带。扫描带数据被存到存储器(即，数据存储设备48)中。NDI处理器执行程序，该程序使用从数据采集设备38接收的脉冲数据推到的当前X位置数据和Y位置数据，以便在图像中定位放置像素行的起始点。NDI处理器44将位置数据和扫描成像数据相关联，然后使用该关联数据以组合扫描的物体的二维图像用于在显示屏46上显示。
在追踪x以及y维度时，实现了在扫描过程中操作人员生成的更为精确的运动表示。如图9所示，这也允许扫描应用程序合并彼此略微偏移的多条路径的扫描数据带72，从而使用小型扫描传感器阵列产生大型检查区域的精确连续表示。
在NDI传感器单元10包含超声换能器阵列的情况下，NDI处理器44为超声换能器提供激活脉冲，在这种情况下，图7中的方框10和44之间的箭头将是双箭头，以指示在一个方向上是脉冲流以及在另一个方向上是采集的扫描成像数据。NDI处理器44将电脉冲发送到换能器，换能器将其转换成超声波脉冲。返回的超声波脉冲在阵列处被转换回电脉冲，其被发送回NDI处理器44以便测量。
上述模拟编码器脉冲方法允许将X-Y运动数据输入到任意接收编码器输入的NDI扫描应用程序中，而无需对NDI扫描应用程序进行修改。当用户或自动化系统在被扫描物体上方移动NDI传感器单元时，持续发生位置更新过程。
需要注意的是，在图1所示的四轮双差动配置中，如果该系统具有防止方向发生变化的物理限制，则可能利用两个相邻的编码器获得X与Y运动的近似值，而不是必须使用数据采集设备。如果车辆方向确实发生变化，则该方法将导致错误，并且该错误会随着方向的变化而积累。
任何定位方案(如，此处所描述的基于测距法的方案)将由于随着时间推移而积累的微小误差而导致测量不准确。设备的系统误差(例如一个全向轮没有完美对齐)或者环境非预期变化而导致的干扰能够引起这些测量不准确。系统能够与闭环校准过程一起使用以减少系统误差。另外，还能够在运行时向操作人员提供误差估计。例如，追踪设备被放置在起始位置，然后移开，再移动回到起始位置。如果系统计算出最终位置不同于起始位置，则能够利用该差值补偿追踪数据中的误差。利用外部参考测量值的附加校准能够用于改善绝对位置追踪。
NDI传感器单元能够是从结构的位置或区域采集检测数据的任意传感器。该传感器能够接触或几乎接触该结构(超声波、涡流、磁力、微波、X射线反向散射等)。该传感器能够是单个换能器或阵列(线性或多维度)。
上述公开的完整追踪设备还能够用于追踪除了NDI传感器单元以外的工具的完整运动，例如，标记设备(涂漆)、钻具、条形码扫描仪、清洁设备、照明设备、可视和红外照相机以及音频扬声器。
上述详细描述的完整运动追踪方法同样可以应用于自动化完整或非完整运动履带车辆。一种常用类型的完整车辆结构利用一种称为麦克纳姆轮(Mecanum wheel)的轮子驱动车辆。麦克纳姆轮是一种具有多个单独滚轮的轮子，当成对使用时，允许车辆在任何方向运动(即完整运动)。在一个已知的实施方式中，履带车辆包括具有四个麦克纳姆轮的框架，包括前面一对麦克纳姆轮，尾部一对麦克纳姆轮，各对麦克纳姆轮的各轮轴彼此平行。在其他实施例中，框架的轮子方向可以被配置为具有一定弯度(camber)，以解决非平面表面问题(在这种情况下，相对轮子的轮轴不平行)。根据本文的教导，履带车辆的框架可以具有一组四个全向轮用于追踪车辆运动，以及具有一组四个麦克纳姆轮用于在计算机控制下驱动车辆。
麦克纳姆轮式车辆在旋转的同时能够在任何方向移动。由于轮子形状的原因，这是可能的。麦克纳姆轮式车辆的标准结构具有四个麦克纳姆轮(两个类型“A”和两个类型“B”)。麦克纳姆轮布置为将“A”对布置在一条对角线上，将“B”对布置在另一条对角线上，两条对角线穿过车辆中心。位于“A”类型麦克纳姆轮上的滚轮的轮轴与位于“B”类型麦克纳姆轮上的滚轮的轮轴垂直。
这种类型的麦克纳姆轮式车辆能够被实现为在任何方向移动，并且可以通过改变每个轮子的旋转速度和方向来转弯。例如，以同样速度在同一方向旋转所有的四个轮子将引起前进或后退移动；以同样的速度旋转一侧的轮子，但对另一侧的轮子朝相反方向旋转，则引起车辆旋转；以同样的速度旋转“A”类型轮子，但朝相反方向旋转“B”类型轮子，则引起侧向移动。
当麦克纳姆轮式车辆被驱动在被扫描的表面上移动时，耦合到全向轮的旋转编码器提供编码器数据，该编码器数据能够用于以上述方式追踪车辆运动。
也能够使用基于全向轮的完整系统进行追踪其他类型车辆的位置和方向。这包括例如滑动转向车辆(坦克)和阿克曼转向车辆(汽车)的不完整设备。例如两足动物、四足动物、六足动物等的腿式系统也能够通过这种类型的系统进行追踪——至少在无大型障碍物的表面如此。
上文所公开的系统将完整全向轮追踪与NDI相结合。这些系统是独立的(即，不需要设置附加硬件)并且可以实时操作。该系统能够使用闭环技术进行自我校准。耦合到全向轮的旋转编码器提供角度测量数据，该数据能够被用于推导出完整运动设备的位置、方位和速度，其能够被提供至其他分析系统和操作人员。
上面所述的方法的优点是多方面的。同时定位与方位追踪提供了扫描单元所处位置的更精确的表示，其允许：(1)到接收X和Y数据的硬件的输入；(2)当用户错过被扫描表面上的一点时，用于警告用户的应用程序；以及(3)当用户并未保持正确的方向时，用于警告用户的应用程序。此外，具有共同坐标系的扫描数据的登记允许：(1)扫描带的对齐；以及(2)与二维或三维可视化显示器连用。
当X和Y维度被追踪时，实现了在扫描过程中操作人员生成的运动的更为精确的表示。这也允许扫描应用程序合并彼此略微偏移的多条路径的扫描数据带，从而使用小型扫描传感器阵列产生大型检查区域的精确连续表示。
虽然已经参考不同实施例描述了完整运动追踪方法，但是所属领域的技术人员将理解的是，在不偏离本发明教导的范围的情况下，可以进行各种变化且可以有替代其中元件的等同物。此外，在不背离本发明范围的特定情况下，可以做出许多修改以适应本文教导。因此，权利要求并不旨在局限于本文公开的具体实施例。
如在权利要求中所使用的，术语“计算机系统”应被广义理解为包括具有至少一台计算机或处理器的系统，上述系统可以具有多个通过网络或总线通信的计算机或处理器。如在先前的句子中所用的，术语“计算机”和“处理器”都指包括处理单元(例如，中央处理单元)和用于存储处理单元可读的程序的某种形式的存储器(即，计算机可读介质)的设备。
如在权利要求中使用的，术语“定位”包括在固定二维坐标系中的位置以及相对于坐标系的方向。
在下文中阐述的该方法权利要求不应当被解释为需要其中所述的步骤按照字母顺序进行(权利要求中的字母排序仅为了参照先前所述的步骤而使用)或按其被叙述的顺序进行。它们也不应该被理解为排除被同时或交替执行的两个或多个步骤的任何部分。
注意：以下段落进一步描述本公开的各方面：
A1.一种检测系统包括扫描设备、显示设备以及计算机系统，所述扫描设备和所述显示设备经耦合用于和所述计算机系统进行通信，
其中所述扫描设备包括：框架；可旋转地耦合到所述框架的多个全向轮；分别耦合到所述多个全向轮的多个旋转编码器，其用于将每个全向轮的旋转转换成相应编码器数据；以及连接到所述框架的检测单元，并且
其中所述的计算机系统被编程用于执行下述操作：
(a)部分地基于所述编码器数据，计算表示设备相对于表面坐标系的方向的绝对角度；
(b)部分地基于所述编码器数据，计算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；
(c)部分地基于所述计算的绝对角度以及所述计算的X位置和Y位置的变化，计算设备相对于所述表面坐标系的绝对位置；
(d)控制所述检测单元以采集检测数据；
(e)当采集了每一检测数据时，控制所述显示装置来显示布置有检测数据的图像，其中所述检测数据基于设备的相应绝对角度和绝对位置布置。
A2.如A1段中所述的检测系统，其中所述计算机系统被进一步编程来执行如下操作：
将所计算的绝对角度和绝对位置转化成模拟编码器脉冲；以及
将检测数据与模拟编码器脉冲相关联，
其中所述显示操作依照所述关联操作的结果布置检测数据。
A3.如段落A1中所述的检测系统，其中所述计算机系统经编程以每隔一定时间重复操作(a)至操作(c)，以提供设备在一段时间内的绝对角度和绝对位置。
A4.如段落A1所述的检测系统，其中所述检测单元包括传感器阵列。
A5.如段落A4所述的检测系统，其中所述传感器阵列包括多个超声换能器。
A6.一种追踪系统，其包括可移动设备和计算机系统，所述可移动设备经耦合与所述计算机系统通信，
其中所述可移动设备包括：框架；可旋转地耦合到所述框架的多个全向轮；以及分别耦合到所述多个全向轮的多个旋转编码器，其用于将每个全向轮的旋转转换成相应编码器数据，并且
其中所述计算机系统经编程以执行如下操作：
(a)部分地基于所述编码器数据，计算表示设备相对于表面坐标系的方向的绝对角度；
(b)部分地基于所述编码器数据，计算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
(c)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，计算设备相对于所述表面坐标系的绝对位置。
A7.如段落A6所述的追踪系统，其中所述多个全向轮被布置为垂直、双差动配置的四个全向轮。
A8.如段落A6所述的追踪系统，其中所述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。
A9.如段落A6所述的追踪系统，其中所述多个全向轮被布置为转向架配置的四个全向轮。

Claims (12)

1.一种用于追踪耦合到四个全向轮的检测单元的方法，所述四个全向轮以垂直、双差动配置进行布置，所述方法包括以下步骤：
(a)在所述全向轮与待检测部件的表面接触时移动所述检测单元；
(b)在所述检测单元的移动期间，将每个全向轮的旋转转化成相应的编码器数据；
(c)利用所述检测单元采集检测数据；
(d)部分地基于所述编码器数据来计算表示所述检测单元相对于所述表面的坐标系的方向的绝对角度θ；
(e)部分地基于所述编码器数据来计算所述检测单元上的点相对于所述表面的坐标系的X位置和Y位置的相对变化ΔPx和ΔPy；以及
(f)部分地基于所计算的绝对角度和所计算的X位置和Y位置的变化来计算所述检测单元上的点相对于所述表面的坐标系的绝对位置；以及
(g)显示其中布置有所述检测数据的图像，其中基于采集每个检测数据时所述检测单元上的点的相应绝对角度和绝对位置，布置所述检测数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在规则的时间间隔重复步骤(a)、(b)、以及步骤(d)至步骤(f)，以提供所述检测单元在一段时间内的绝对角度和绝对位置。
3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：使用所计算的绝对角度和绝对位置在虚拟环境中定位和定向所述检测单元的三维模型。
4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括以下步骤：
将所计算的绝对角度和绝对位置转化成模拟编码器脉冲；以及
将所述检测数据与所述模拟编码器脉冲相互关联，
其中所述显示步骤依照所述相互关联步骤的结果来布置所述检测数据。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述模拟编码器脉冲适合由检测扫描软件处理。
6.根据权利要求5所述的方法，其进一步包括将所述模拟编码器脉冲转换为X-Y坐标位置，其中所述相互关联步骤包括将所述检测数据和所述X-Y坐标位置相互关联。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述检测单元上的点的所述绝对位置是利用如下旋转矩阵公式计算的：
<mrow> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>P</mi> <mi>x</mi> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>P</mi> <mi>y</mi> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>x</mi> <mo>_</mo> <mi>l</mi> <mi>a</mi> <mi>s</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>y</mi> <mo>_</mo> <mi>l</mi> <mi>a</mi> <mi>s</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>+</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>cos</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mi>&amp;Delta;</mi> <msub> <mi>P</mi> <mi>x</mi> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;P</mi> <mi>y</mi> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
其中Px_last和Py_last表示所述检测单元上的点的最后绝对位置。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述绝对角度θ是利用以下关系计算的：
<mrow> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mi>R</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>e</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>e</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>e</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>e</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>c</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>W</mi> <mo>+</mo> <mi>L</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中R是每个全向轮的半径，ei是相对于起始位置的每一编码器计数，i＝0至3，c是每次旋转的编码器计数的数量，W是一对所述全向轮之间的距离，并且L是另一对所述全向轮之间的距离。
9.根据权利要求8所述的方法，其中在每个更新步骤的所述相对位置的变化ΔPx和ΔPy是利用以下函数计算的：
ΔPx＝πR(Δe1+Δe3)/c
ΔPy＝πR(Δe0+Δe2)/c
其中Δei＝ei-ei-last并且ei-last是最后的编码器计数。
10.一种设备，其包括：
框架；
可旋转地耦合到所述框架并且以四全向轮的垂直、双差动配置进行布置的多个全向轮；
分别耦合到所述多个全向轮的多个旋转编码器，用于产生表示所述全向轮的旋转角度的编码器计数；
连接到所述框架的检测单元；以及
数据采集设备，其被连接以从所述旋转编码器接收编码器计数，其中所述数据采集设备被配置为将所述编码器计数转化为适合检测扫描软件使用的模拟编码器脉冲。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述检测单元包括传感器阵列。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述传感器阵列包括多个超声换能器。
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