DE112013006826T5

DE112013006826T5 - In sich geschlossene(s) holonome(s) Nachverfolgungsverfahren und -vorrichtung zur zerstörungsfreien Inspektion

Info

Publication number: DE112013006826T5
Application number: DE112013006826.5T
Authority: DE
Inventors: James J. Troy; Scott W. Lea; Gary E. Georgeson; Karl F. Nelson; Daniel James Wright
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2015-12-10
Also published as: WO2014143315A1; KR20150129701A; US20140278221A1; BR112015022328A2; GB2526041A; KR102022750B1; US9470658B2; GB201516560D0; BR112015022328B1; JP2016516187A; CN105009012A; GB2526041B; CN105009012B; JP6456346B2

Abstract

In sich geschlossene Lösung zum Nachverfolgen von holonomen Bewegungen, und zwar zum Unterstützen der Erfassung von Inspektionsinformation an der Oberfläche einer Struktur, wodurch die Echtzeit-Erzeugung von zweidimensionalen Bildern aus mit Hand durchgeführten und automatisierten Scanvorgängen ermöglicht wird, und zwar durch eine holonome Bewegung einer Sensoreinheit zur zerstörungsfreien Inspektion (NDI) (z. B. NDI-Fühler). Die offenbarten Systeme und Verfahren ermöglichen das präzise Nachverfolgen der Position und der Orientierung einer (in der Hand gehaltenen oder automatisierten) holonom bewegbaren NDI-Sensoreinheit, sowie die Umwandlung der erfassten Nachverfolgungsdaten in Codiererimpulssignale zur Verarbeitung durch ein NDI-Scansystem.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich generell auf Systeme und Verfahren zum Nachverfolgen der holonomen Bewegung eines automatisierten Werkzeuges (wie einer zerstörungsfreien Inspektionseinheit), wenn dieses sich über einen Zielbereich bewegt.
Portable zerstörungsfreie Inspektionsinstrumente (nicht-destruktive Inspektionsinstrumente bzw. NDI-Instrumente), die in der Hand zu haltende Sensoren verwenden, sind gebräuchlich zum Durchführen von Herstellungs- und Wartungs(”in-service”)-Inspektionen von ausgewählten Bereichen von Verbundstrukturen. Die Wartungsinspektion einer Luftfahrzeugstruktur wird überwiegend unter Verwendung von Handsensoren vollzogen. Kleine Teile oder Bereiche werden auf diese Weise auch während der Herstellung inspiziert.
Während Handsensoren üblicherweise verwendet werden, da sie kostengünstiger sind verglichen mit automatisierten Scansystemen, ist ein Experte notwendig, um das resultierende Signal zu interpretieren. Zusätzlich ist eine Suche nach Schäden oder Defekten von Hand unter Beobachtung einer Signaländerung zeitaufwendig und ist anfällig gegenüber Bedienpersonenfehlern oder -müdigkeit. Ein Quantifizieren des Schadens nimmt auch Zeit in Anspruch, da eine Punkt-zu-Punkt-Messung vorgenommen wird. Es ist auch allgemein bekannt, dass viele NDI-Handsensoreinheiten kleinere Schäden bzw. Mängel nicht erfassen, die unter Verwendung eines Scanvorganges erfasst werden könnten, der Bilder des Bereiches erzeugen kann, der den Schaden enthält. Dieses bildbasierte Scannen beruht auf einer Korrelation der Positionsinformation des Sensors relativ zu den Sensordaten selbst. Eine Korrelation von NDI-Einzeldaten (”singlepoint NDI data”), die von einem Handsensor erfasst werden, mit der Position ist schwierig. Ferner bedeuten höhere Schadenerfassungsfähigkeitsgrenzen von gewöhnlichen Handsensoreinheiten, dass die Inspektionszyklen kürzer (und kostenaufwendiger) sind, als sie sein könnten.
Derzeit verfügbare Lösungen zum Nachverfolgen (”tracking”) von in der Hand zu haltenden Scanvorrichtungen verfolgen gewöhnlich nur eine einzelne Achse in der Verfahrrichtung (d. h. eine eindimensionale Bewegung). Dieses eindimensionale Nachverfolgen wird typischerweise unter Verwendung eines mit einem Rad ausgestatteten Drehcodierers durchgeführt. Da jedoch die Bewegung für die Scanvorrichtung durch die freie Bewegung der Hand der Bedienperson bereitgestellt wird, gibt es keine Führungen bzw. Orientierungshilfen, um zu gewährleisten, dass der Sensor (z. B. ein linearer Wandler-Array) entlang einer geraden Linie verfährt. Das Resultat besteht darin, dass die eindimensionale Nachverfolgung des mit einem Rad ausgestatteten Codierers möglicherweise eine sehr schlechte Nachverfolgung der tatsächlichen Bewegung der Hand der Bedienperson bereitstellen kann. Eine geübte Bedienperson mag dazu in der Lage sein, dies teilweise zu kompensieren, indem sie sich darauf konzentriert, geradlinige Bewegungen durchzuführen, menschliche Wesen sind jedoch nicht besonders gut darin, geradlinige Bewegungen durchzuführen, insbesondere über längere Distanzen. Das Ergebnis sind häufig wellenförmige Scans – obgleich diese Welligkeit für die Bedienperson während des Scanprozesses nicht ersichtlich ist, da der Ausgang aus dem eindimensionalen Scanvorgang insofern fehlleitet, als er geradlinig erscheint.
Ein Echtzeit-Bildgebungsverfahren aus mit der Hand gescannten NDI-Daten wird derzeit unter Verwendung von einigen unterschiedlichen Arten von Positions-Nachverfolgungsverfahren durchgeführt, einschließlich: einachsige Drehcodierer, X-Y-Brücken, Scan-Arme, Trackballs bzw. Nachverfolgungskugeln und ultraschallbasierte oder optische Triangulation sind einige der gebräuchlichsten. Die größten Probleme beim Hand-Scannen eines einzelnen Fühlers (”probe”) bestehen in Folgendem: Datenpositionierung (Verschiebungen treten auf in Abhängigkeit von der Richtung der Fühlerbewegung oder dort, wo der Fühler stoppt) und das Erlangen von einer hinreichenden Anzahl von Durchläufen, um einen Bereich abzudecken. Auch Drift ist ein Problem. Die zweidimensionalen Bilder, die unter Verwendung einer freihändigen Bewegung erfasst sind, sind gewöhnlich keine sehr genauen Darstellungen des tatsächlich genommenen Pfades. Ein linearer Array, bei manchen Verfahren wie ein Ultraschallarray oder ein Wirbelstromarray, verbessert das Bild, indem Bänder von Daten erzeugt werden, die die relativen Positionen der Daten innerhalb jedes Bandes genau darstellen. Das größte Problem beim Handscannen unter Verwendung von linearen Arrays besteht jedoch darin, eine Orientierung aufrechtzuerhalten oder zu bestimmen (sofern diese Bewegung nicht begrenzt bzw. eingeschränkt ist).
Während NDI-Oberflächenscanvorgängen bzw. -anwendungen unter Verwendung von in der Hand zu haltenden Vorrichtungen muss die Bedienperson gewöhnlich eine konsistente Orientierung der Scanvorrichtung in Bezug auf die Verfahrrichtung aufrechterhalten, um eine genaue Darstellung des Scanbereiches einzufangen bzw. zu erfassen. Zusätzlich hierzu muss die Bedienperson die Geschwindigkeit unterhalb einer Maximalgeschwindigkeit halten, um zu vermeiden, dass Daten ausgelassen bzw. verfehlt werden. Diese Erfordernisse können ohne ein Messsystem schwierig zu erreichen sein, das dazu in der Lage ist, der Bedienperson eine Rückkopplung bzw. ein Feedback bereitzustellen.
Diese Ungenauigkeiten bei der Positionsmessung, zusammen mit dem Fehlen einer Orientierung und einer Geschwindigkeitsrückmeldung bzw. -feedback, haben einen negativen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit bzw. Performance. Bedienpersonen von in der Hand zu haltenden Scanvorrichtungen können die Ungenauigkeiten hinsichtlich Translation und Rotation möglicherweise kompensieren, wie auch das Fehlen einer Geschwindigkeitsrückmeldung, indem die Bewegung langsamer erfolgt, was dazu führen kann, dass längere Zeitspannen erforderlich sind, um brauchbare Scan-Bilddaten zu erlangen. Dies kann manchmal dazu führen, dass Nacharbeiten erforderlich sind, um Bereiche abzudecken, die während des Scans verfehlt wurden.
Es besteht eine Notwendigkeit nach Verfahren, die eine Sensorposition und -orientierung bestimmen, um genau ausgerichtete NDI-Bilder aus Daten heraus zu erhalten, die während einer freihändigen bzw. Freiformbewegung erfasst worden sind.
ÜBERBLICK
Der vorliegend offenbarte Gegenstand ist gerichtet auf Verfahren zur holonomen Echtzeit-Bewegungsnachverfolgung bei Oberflächen-Scananwendungen unter Verwendung einer in sich abgeschlossenen Vorrichtung. Eine holonome Bewegung ist eine Bewegung, die keinen Bewegungsbeschränkungen bzw. -grenzen ausgesetzt ist, und die manchmal als freie bzw. freihändige bzw. Freiformbewegung bezeichnet wird. So, wie der Begriff in der vorliegenden Offenbarung verwendet wird, wird ein Fahrzeug oder eine Vorrichtung als holonom angesehen, wenn die steuerbaren Freiheitsgrade gleich der Gesamtzahl der Freiheitsgrade sind. Eine holonome Bewegungsnachverfolgung bezieht sich auf eine Positions- und Orientierungsmessung an einer Oberfläche, wobei die nachverfolgte Vorrichtung (z. B. ein Scansensor oder ein Sensorarray) sich in jeder beliebigen Richtung translatorisch bewegen und gleichzeitig drehen kann. Das Bereitstellen einer in sich abgeschlossenen (”self-contained”) Vorrichtung, die ein Nachverfolgen jener Art von freihändiger Bewegung ermöglicht, wie sie von einer menschlichen Bewegung eines Scanners über eine Oberfläche erzeugt wird, ermöglicht eine genaue Registrierung von Scan-Bilddaten für die Erzeugung von zweidimensionalen Scan-Bildern. Da die Bewegung der nachverfolgten Vorrichtung nicht durch das Nachverfolgungssystem begrenzt bzw. beschränkt ist, ist das Konzept auch auf die Integration mit automatisierten Vorrichtungen anwendbar, wie Robotern, die über Oberflächen kriechen (”surfacecrawling robots”). Die nachstehend im Detail offenbarten Systeme und Verfahren ermöglichen ein genaues Nachverfolgen der Position und der Orientierung einer holonom-bewegten NDI-Sensoreinheit (handgehalten oder automatisiert) und die Umwandlung der erfassten Nachverfolgungsdaten in Codierer-Impulssignale zur Verarbeitung durch ein NDI-Scansystem.
Ein Aspekt des vorliegend offenbarten Gegenstandes ist ein Verfahren zum Nachverfolgen einer Vorrichtung, die mit einer Vielzahl von Omni-Rädern (”omni wheels”) gekoppelt ist, mit den Schritten: (a) Konvertieren einer Drehung von jedem Omni-Rad in jeweilige Codiererdaten; (b) Berechnen eines absoluten Winkels, der eine Orientierung der Vorrichtung relativ zu einem Koordinatensystem der Oberfläche darstellt, und zwar basierend zum Teil auf den Codiererdaten; (c) Berechnen von relativen Änderungen einer X- und einer Y-Position der Vorrichtung relativ zu dem Koordinatensystem der Oberfläche, und zwar basierend zum Teil auf den Codiererdaten; und (d) Berechnen einer absoluten Position der Vorrichtung relativ zu dem Koordinatensystem der Oberfläche, und zwar basierend zum Teil auf dem berechneten absoluten Winkel und den berechneten Änderungen der X- und der Y-Position.
Ein weiterer Aspekt des vorliegend offenbarten Gegenstandes ist eine Vorrichtung, die aufweist: einen Rahmen; eine Vielzahl von Omni-Rädern, die drehbar mit dem Rahmen gekoppelt sind; eine Vielzahl von Drehcodierern, die mit jeweiligen der Vielzahl von Omni-Rädern gekoppelt sind; und eine Inspektionseinheit, die mit dem Rahmen verbunden ist. Gemäß einer Ausführungsform sind die Vielzahl von Omni-Rädern in einer rechtwinkligen Vier-Omni-Rad-Doppeldifferenzial-Konfiguration angeordnet. Gemäß einer zweiten Ausführungsform beinhaltet die Vielzahl von Omni-Rädern drei Omni-Räder, die gegenüber einem gemeinsamen Mittelpunkt äquidistant angeordnet sind, mit Drehachsen, die unter Winkeln von 120 Grad zueinander angeordnet sind. Gemäß einer dritten Ausführungsform sind die Vielzahl von Omni-Rädern in einer Vier-Omni-Rad-Drehgestell-Konfiguration angeordnet.
Ein weiterer Aspekt ist ein Inspektionssystem, das eine Scanvorrichtung, eine Anzeigevorrichtung und ein Computersystem aufweist, wobei die Scanvorrichtung und die Anzeigevorrichtung gekoppelt sind, um mit dem Computersystem zu kommunizieren. Die Scanvorrichtung beinhaltet: einen Rahmen, eine Vielzahl von Omni-Rädern, die drehbar mit dem Rahmen gekoppelt sind; eine Vielzahl von Drehcodierern, die mit jeweiligen der Vielzahl von Omni-Rädern gekoppelt sind, um eine Rotation von jedem Omni-Rad in jeweilige Codiererdaten zu wandeln; und eine Inspektionseinheit, die mit dem Rahmen verbunden ist. Das Computersystem ist dazu programmiert, um die folgenden Schritte auszuführen: (a) Berechnen eines absoluten Winkels, der eine Orientierung der Vorrichtung relativ zu einem Koordinatensystem der Oberfläche darstellt, und zwar basierend zum Teil auf den Codiererdaten; (b) Berechnen von relativen Änderungen einer X- und einer Y-Position der Vorrichtung relativ zu dem Koordinatensystem der Oberfläche, und zwar basierend zum Teil auf den Codiererdaten; (c) Berechnen einer absoluten Position der Vorrichtung relativ zu dem Koordinatensystem der Oberfläche, und zwar basierend zum Teil auf dem berechneten absoluten Winkel und den berechneten Änderungen der X- und der Y-Position; (d) Steuern der Inspektionseinheit, um Inspektionsdaten zu erfassen; (e) Steuern der Anzeigevorrichtung, um ein Bild anzuzeigen, bei dem die Inspektionsdaten basierend auf dem jeweiligen absoluten Winkel und der absoluten Position der Vorrichtung angeordnet sind, und zwar dann bzw. für den Zeitpunkt, wenn bzw. als das jeweilige Inspektionsdatum erfasst wurde.
Ein weiterer Aspekt ist ein Nachverfolgungssystem, das eine bewegbare Vorrichtung und ein Computersystem aufweist, wobei die bewegbare Vorrichtung gekoppelt ist, um mit dem Computersystem zu kommunizieren. Die bewegbare Vorrichtung beinhaltet: einen Rahmen; eine Vielzahl von Omni-Rädern, die drehbar mit dem Rahmen gekoppelt sind; und eine Vielzahl von Drehcodierern, die mit jeweiligen der Vielzahl von Omni-Rädern gekoppelt sind, und zwar zum Umwandeln einer Drehung von jedem Omni-Rad in jeweilige Codiererdaten, und eine gewisse Form von Bewegungsaktuierung (wie Antriebsmotoren und Räder). Das Computersystem ist dazu programmiert, um die folgenden Schritte bzw. Operationen auszuführen: (a) Berechnen eines absoluten Winkels, der eine Orientierung der Vorrichtung relativ zu einem Koordinatensystem der Oberfläche darstellt, und zwar basierend zum Teil auf den Codiererdaten; (b) Berechnen von relativen Änderungen der X- und der Y-Position der Vorrichtung relativ zu dem Koordinatensystem der Oberfläche, und zwar basierend zum Teil auf den Codiererdaten; und (c) Berechnen einer absoluten Position der Vorrichtung relativ zu dem Koordinatensystem der Oberfläche, und zwar basierend zum Teil auf dem berechneten absoluten Winkel und den berechneten Änderungen der X- und der Y-Position. In einigen Ausführungsformen kann der Computer auch dazu verwendet werden, um die Bewegungsaktuierung zu steuern.
Weitere Aspekte von in sich abgeschlossenen holonomen Bewegungs-Nachverfolgungsverfahren und -Vorrichtungen sind nachstehend offenbart.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine Darstellung, die eine Draufsicht auf einige Komponenten einer mit einem Codierer ausgestatteten, holonom-bewegbaren Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform darstellt. Diese Vorrichtung kann mit einer NDI-Sensoreinheit (nicht gezeigt) verbunden sein.
2A und 2B sind Darstellungen, die eine Draufsicht bzw. eine Vorderansicht einer mit der Hand zu haltenden Scanvorrichtung darstellen, die eine NDI-Sensoreinheit aufweist, die mit einer mit einem Codierer ausgestatteten, holonom-bewegbaren Vorrichtung von einem Typ verbunden ist, wie er grafisch in 1 dargestellt ist.
3 und 4 sind Darstellungen, die jeweilige Draufsichten auf in der Hand zu haltende Scanvorrichtungen darstellen, die drei Omni-Räder gemäß alternativen Ausführungsformen besitzen;
5A und 5B sind Darstellungen, die eine Draufsicht bzw. eine Vorderansicht einer in einer Hand zu haltenden Nachverfolgungsvorrichtung darstellen, die eine NDI-Sensoreinheit aufweist, die mit einer mit einem Codierer ausgestatteten, holonom-bewegbaren Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform verbunden ist. Bei dieser alternativen Ausführungsform weist die Holonombewegungs-Vorrichtung vier Omni-Räder auf, die in einer Fahrgestellkonfiguration (”bogie configuration”) angeordnet sind.
6 ist ein Diagramm, das ein Omni-Rad zeigt, das mittels einer federbelasteten Linearbewegungsführung an einem Rahmen montiert ist, wobei die Führung lediglich einen vertikalen Versatz des Omni-Rades relativ zu dem Rahmen erlaubt;
7 ist ein Blockdiagramm, das Hauptkomponenten eines Systems zum Nachverfolgen einer holonom-bewegbaren NDI-Sensoreinheit in Echtzeit gemäß einer Ausführungsform zeigt.
8 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess zum Nachverfolgen einer holonom-bewegbaren NDI-Sensoreinheit in Echtzeit gemäß einer Ausführungsform zeigt.
9 ist ein Diagramm, das ein Zusammenführen (”merger”) von Streifen von Scandaten aus mehrfachen Durchläufen zeigt, die leicht gegeneinander versetzt sind, um eine genaue, fortlaufende Darstellung von großen inspizierten Bereichen unter Verwendung eines kleinen Scan-Sensorarrays zu erzeugen.
Nachfolgend wird Bezug auf die Figuren genommen, wobei ähnliche Elemente in unterschiedlichen Figuren die gleichen Bezugszeichen tragen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Das nachstehend im Detail offenbarte System ist eine mehrdimensionale differenzielle Odometrie-basierte bzw. Wegstreckenzählungs-basierte Lösung, die eine wahre bzw. echte holonome Oberflächennachverfolgung (d. h. gleichzeitige mehrdimensionale Positions- und Orientierungsnachverfolgung) unter Verwendung von einer von mehreren Orientierungen von Omni-Rädern ermöglicht, die drehbar an dem Rahmen einer in der Hand zu haltenden oder automatisierten holonomen Nachverfolgungsvorrichtung montiert sind. Omni-Räder sind Räder mit kleinen Rollen um den Umfang herum, wobei die Rollen um Achsen drehbar sind, die senkrecht zu der Achse ausgerichtet sind, um die das Hauptrad während des Abwälzens bzw. Rollens dreht (auch als die Hauptradachse bekannt), und die tangential zu der äußeren Kante des Hauptrades angeordnet sind (diese Rollen sind nicht zylindrisch. Vielmehr sind sie in ihrer Mitte größer bzw. dicker, mit einer Form, die dem Gesamtradius des Rades entspricht. Der Radius der Krümmung der Rollen befindet sich auf der Mitte des größeren Hauptrades). Der Effekt liegt darin, dass das Omni-Rad um die Hauptradachse herum vorwärts rollt, und zwar ohne Widerstand, und dass das Omni-Rad auch mit großer Leichtigkeit seitlich gleiten kann, indem ein Rollen an den kleineren Rollen stattfindet, die sich in Kontakt mit einer Oberfläche befinden. In einigen hier offenbarten Ausführungsformen ist die holonome Nachverfolgungsvorrichtung mit einem NDI-Sensorarray oder einem anderen Wartungswerkzeug verbunden. Ein jeweiliger Codierer misst die Drehung von jedem Omni-Rad während der holonomen Bewegung. Ein Computersystem ist mit Routinen programmiert, die relative Radpositionen in eine Sensorposition und -orientierung konvertieren. Die hier offenbarten Nachverfolgungsverfahren bzw. Trackingverfahren können sowohl auf ein mit der Hand durchgeführtes als auch ein automatisiertes NDI-Scannen angewendet werden. Die offenbarte holonome Nachverfolgungsvorrichtung kann auch in Verbindung mit anderen Werkzeugen als NDI-Sensoreinheiten verwendet werden, wie Markierungsausrüstung (Malen), Bohrer, Barcode-Scanner, Reinigungsausrüstung, Beleuchtungsausrüstung, visuelle Ausrüstung und IR-Kameras sowie Audio-Lautsprecher.
Die differenzielle Standard-Odometrie bzw. -Weglängenmessung bzw. -Weglängenzählung unter Verwendung von zwei Rädern ist ein allgemein bekanntes Verfahren zum Nachverfolgen von Positionen in einer Ebene (”planar position tracking”), ist jedoch nicht holonom, was bedeutet, dass das Verfahren Bewegungsbeschränkungen unterworfen ist, die eine Bewegung in einer oder mehreren Richtungen begrenzen. Dies schränkt Freihand- bzw. Freiform-Bewegungen ein, die bei Anwendungen vom Typ mit in der Hand zu haltenden Scannern verwendet würden.
Im Gegensatz hierzu haben die hier offenbarten Systeme die Fähigkeit, eine holonome Bewegung der Vorrichtung an bzw. auf einer Oberfläche nachzuverfolgen, und zwar unter Verwendung einer differenziellen Odo- bzw. Hodometrie auf der Basis von Omni-Rädern. Gemäß einer Ausführungsform führt ein Empfängercodierer einer Datenerfassungsvorrichtung Zählungen von einer Vielzahl von Codierern durch, und zwar eine für jedes Omni-Rad. Die Datenerfassungsvorrichtung verarbeitet diese Codiererzählstände dann, um Codierereingänge hiervon abzuleiten, und zwar unter Verwendung von simulierten Codiererimpulsen, die geeignet sind zur Verarbeitung durch eine NDI-Scan-Software.
Gemäß einigen Ausführungsformen wird die Datenerfassungsvorrichtung von einer Bewegungssteuerungssoftware dazu instruiert, Quadraturimpulse bzw. quadratische Impulse in Entsprechung zu Änderungen der X- und der Y-Bewegung der Vorrichtung zu erzeugen. Für den Fall einer Ultraschallinspektion werden diese simulierten Codiererimpulse von der Datenerfassungsvorrichtung beispielsweise an einen Ultraschall-Impulsgeber/Empfänger gesendet. Der Impulsgeber/Empfänger (”pulser/receiver”) sendet die simulierten Codiererimpulse an die NDI-Scan-Software. Die NDI-scannende Softwareanwendung wandelt die simulierten Codiererimpulse in eine aktuelle X-Y-Koordinatenposition, die dazu verwendet wird, um die Scan-Bilddaten an ihren geeigneten Orten zu positionieren.
1 zeigt eine ebene Draufsicht auf einige Komponenten einer mit einem Codierer ausgestatteten, mit der Hand zu haltenden bzw. zu führenden Holonombewegungs-Nachverfolgungsvorrichtung gemäß einer rechtwinkligen Vier-Omni-Rad-Doppeldifferenzial-Konfiguration. Diese Nachverfolgungsvorrichtung kann mit einer (nicht gezeigten) NDI-Sensoreinheit verbunden sein. Die in 1 gezeigte Vorrichtung weist einen Rahmen 2 und vier doppelreihige Omni-Räder 4a–4d auf, die drehbar an dem Rahmen 2 montiert sind, und zwar mittels jeweiliger Achsen 6a–6d und Achslagern (nicht gezeigt). Bei dieser besonderen Implementierung sind die Achsen 6a und 6c koaxial; die Achsen 6b und 6d sind koaxial; und die Achsen 6a, 6c sind rechtwinklig ausgerichtet zu den Achsen 6b, 6d. Jeweilige Codierer 8a–8d messen Drehungen der Omni-Räder 4a–4d. Wenn die Omni-Räder auf einer Oberfläche rollen bzw. abwälzen, sendet der Codierer 8a–8d Codiererimpulse, die jeweilige Codiererzählstände darstellen, an ein Betriebssteuerzentrum, und zwar über ein Codiererkabel (in 1 nicht gezeigt, siehe jedoch 36 in 6), und zwar nach jeder inkrementellen Drehung von jedem Omni-Rad. Diese Codiererimpulse werden von einem Computersystem (in 1 nicht gezeigt) empfangen, das hieraus die X- und die Y-Koordinate der Vorrichtung ableitet. Diese Ausführungsform zeigt doppelreihige Omni-Räder (die die Abroll- bzw. Roll-Laufruhe unter einigen Umständen verbessern können), stattdessen können jedoch auch einreihige Omni-Räder verwendet werden.
Die 2A und 2B zeigen eine planare Draufsicht bzw. eine Vorderansicht einer in der Hand zu haltenden Scanvorrichtung, die eine NDI-Sensoreinheit 10 aufweist, die starr an einer mit einem Codierer ausgestatteten holonom bewegbaren Vorrichtung von jenem Typ starr verbunden ist, der in 1 grafisch dargestellt ist. Die holonom bewegbare Vorrichtung wird von der NDI-Sensoreinheit getragen. Die NDI-Sensoreinheit 10 weist einen Handgriff 12 auf, der daran angebracht ist und mittels dessen die Bedienperson die Scanvorrichtung manuell in jeder beliebigen Richtung mit oder ohne Drehung bewegen kann. Eine oder mehrere der Omni-Räder/Codiereranordnungen können auf eine derartige Weise montiert sein, dass sie eine Nachgiebigkeit bzw. Relativbeweglichkeit (”compliance”) zwischen dem Trägerrahmen und der Rad/Codiereranordnung zulassen (z. B. unter Verwendung von Linearführungen und Federn). Dies ermöglicht es den Rädern, dass sie in Kontakt mit der Oberfläche bleiben, selbst für den Fall, dass die Oberfläche nicht perfekt flach ist. Während des manuellen Scannens wird der Codierer 8a einen Codiererzählstand e₀ ausgeben, der proportional zu dem Drehwinkel des Omni-Rades 4a ist; der Codierer 8b wird einen Codierzählstand e₁ ausgeben, der proportional zu dem Drehwinkel des Omni-Rades 4b ist; der Codierer 8c wird einen Codiererzählstand e₂ ausgeben, der proportional zu dem Drehwinkel des Omni-Rades 4c ist; und der Codierer 8d wird einen Codiererzählstand e₃ ausgeben, der proportional zu dem Drehwinkel des Omni-Rades 4d ist.
Die kinematischen Bewegungsgleichungen, die die Orientierung und Position der vierrädrigen rechtwinkligen Doppeldifferenzial-Konfiguration definieren, die in 1 gezeigt ist, werden nunmehr unter Bezugnahme auf die in 1 angegebenen Abmessungen beschrieben. Der Prozess beinhaltet das Berechnen des absoluten Winkels θ und der Änderungen in den relativen Positionen ΔP_X und ΔP_Y, und zwar bei jedem Aktualisierungsschritt, wobei anschließend der absolute Winkel und die Änderungen in den Relativpositionen dazu verwendet werden, um die absolute Position P_x und P_y an einem Punkt der Vorrichtung (z. B. einem gemeinsamen Mittelpunkt) zu berechnen, und zwar wie nachstehend angegeben:
wobei R der Radius des Omni-Rades ist, wobei e_i der jeweilige Codiererzählstand (i = 0 bis 3) relativ zu dem Startort ist, wobei c die Anzahl der Codiererzählungen bzw. Zählstände pro Rotation ist, wobei W die Breite (d. h. der Abstand zwischen einem Satz von Omni-Rädern) ist und wobei L die Länge (der Abstand zwischen dem anderen Satz von Omni-Rädern) ist. ΔP_x = πR(Δe₁ + Δe₃)/c (2) ΔP_y = πR(Δe₀ + Δe₂)/c (3) wobei Δe_i = e_i – e_{i_last}. Die Gleichungen (2) und (3) werden bei jedem Aktualisierungszyklus berechnet. Anschließend kann unter Verwendung von θ, ΔP_x und ΔP_y die absolute Position unter Verwendung der folgenden Rotationsmatrixformel berechnet werden:
Die 3 und 4 zeigen ebene Draufsichten auf jeweilige in der Hand zu haltende Scanvorrichtungen mit drei doppelreihigen Omni-Rädern 4a–4c gemäß alternativen Ausführungsformen. Die in 3 gezeigte Vorrichtung weist einen sechs-seitigen Rahmen 14 auf, wohingegen die Vorrichtung, die in 4 gezeigt ist, einen mehrseitigen Rahmen 16 aufweist. In beiden Ausführungsformen sind drei doppelreihige Omni-Räder 4a–4c drehbar an dem Rahmen montiert, und zwar mittels jeweiliger Radachsen 6a–6c und Achslager (nicht gezeigt). Bei jeder dieser Implementierungen sind die Achsen der Radachsen 6a–6c in Winkeln von 120° zueinander angeordnet. Jeweilige Codierer 8a–8c codieren inkrementelle Drehungen von jedem Omni-Rad 4a–4c. In beiden Ausführungsformen ist der Rahmen mit einer NDI-Sensoreinheit 10 verbunden, die einen Handgriff 12 aufweist, der von einer Bedienperson ergriffen werden kann, die wiederum die Scanvorrichtung manuell in jede beliebige Richtung mit oder ohne Drehung bewegen kann. Wie bei den Konstruktionen mit vier Rädern können einreihige Omni-Räder anstelle der doppelreihigen Räder verwendet werden, wenn dies notwendig sein sollte. Obgleich ein Mechanismus zum Ermöglichen einer Nachgiebigkeit bzw. eines Ausgleichs zwischen den Omni-Rad/Codierer-Unteranordnungen und dem Rahmen enthalten sein kann, ist dies bei einer dreirädrigen Konfiguration weniger notwendig, es sei denn, das System wird auf stark konturierten Oberflächen verwendet.
Auf eine ähnliche Art und Weise, wie es oben für die Vorrichtung mit einer vierrädrigen rechtwinkligen Doppeldifferenzial-Konfiguration erfolgt ist, lassen sich die Bewegungsgleichungen für eine Plattform mit drei gleichmäßig voneinander beabstandeten Omni-Rädern, die in einer kreisförmigen Tangentenkonfiguration angeordnet sind, wie es in den 3 und 4 gezeigt ist, wie folgt ableiten:
wobei die Variable d der Distanz von jedem Rad zu dem gemeinsamen Mittelpunkt (siehe 3) ist.
Die absolute Position für das dreirädrige System wird berechnet unter Verwendung von Gleichung (4).
Es sind andere Radkonfigurationen möglich, wie die in den 5A und 5B gezeigte Drehgestell-Konfiguration (”bogie configuration”), als auch viele andere ähnliche Konfigurationen. Obgleich die Gleichungen für die Orientierung und die relative Translation unterschiedlich sein werden, folgt die Berechnung der absoluten Position dem gleichen Prozess wie bei den zwei oben gezeigten Konfigurationen, was die anfängliche Berechnung der relativen Positionen und des absoluten Winkels beinhaltet, und wobei anschließend Gleichung (4) verwendet wird, um die absolute Position zu berechnen.
Im Gegensatz zu den in den 2A, 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen, die doppelreihige Omni-Räder verwenden, verwendet die in den 5A und 5B gezeigte Ausführungsform einreihige Omni-Räder 22a–22d. Die doppelreihigen Räder haben den Vorteil eines ruhigeren Abrollens über relativ flachen Oberflächen, die zusätzliche Breite kann jedoch in einigen Situationen ein Nachteil sein, wie bei engen Räumen oder auf stark gekrümmten Oberflächen.
Die in den 5A und 5B gezeigte Ausführungsform weist einen rechteckigen Rahmen 2 mit einem Paar von Radachsen-Montagehaltern 20a, 20b an gegenüberliegenden Enden auf. Diese Montagehalter 20a, 20b bringen jeweilige Schwenkachsen 24a, 24b von jedem Drehgestell an dem Rahmen 2 an, der wiederum mit der NDI-Sensoreinheit 10 verbunden ist bzw. daran angebracht ist. An den Enden der Schwenkachsen 24a, 24b sind jeweilige Böcke 18a, 18b angebracht, die es den Drehgestellen (auch als Böcke bekannt) 18a, 18b ermöglichen, sich relativ zu dem Rahmen 2 zu drehen. Ein Paar von Omni-Rädern ist an einem Drehgestell montiert; das andere Paar von Omni-Rädern ist an dem anderen Drehgestell bzw. Bock montiert. Das Omni-Rad 22a ist an einer Welle eines Drehcodierers 8a angebracht, der an einem Arm des Drehgestells 18a montiert ist, wohingegen das Omni-Rad 22b an einer Welle eines Drehcodierers 8b angebracht ist, der an dem anderen Arm des Drehgestells 18a montiert ist. Wenn die Omni-Räder 22a, 22b über eine nicht-ebene Oberfläche fahren, kann das Drehgestell 18a sich nach Notwendigkeit frei drehen, um die Omni-Räder 22a, 22b in Kontakt mit der nicht-ebenen Oberfläche zu halten. Das Gleiche gilt für das drehbare Drehgestell 18b, das an einem Arm einen Drehcodierer 8c und ein Omni-Rad 22c lagert, wohingegen dessen anderer Arm den Drehcodierer 8d und das Omni-Rad 22d lagert. Vorzugsweise sind die Drehachsen der Omni-Räder 22a, 22b wechselseitig rechtwinklig, wohingegen die Drehachsen der Omni-Räder 22c, 22d wechselseitig parallel zu den Drehachsen der Omni-Räder 22a, 22b sind.
In keiner der 1, 2A, 2B, 3, 4, 5A und 5B sind elektrische Verbindungen zum Senden von Codiererausgängen an eine Datenerfassungsvorrichtung oder von Sensorausgängen an einen NDI-Prozessor gezeigt. In einer Alternative können die Codiererdaten drahtlos gesendet werden.
Gemäß alternativer Ausführungsformen kann jedes Omni-Rad verschwenkbar an einem Montagehalter montiert sein, der vertikal verschieblich bzw. gleitbar relativ zu dem Rahmen ist. 6 zeigt ein Omni-Rad 22b, das schwenkbar an einem Montagehalter 26 montiert ist, der vertikal relativ zu einem Rahmen 28 verschieblich ist, und zwar mittels einer federbelasteten Kugelumlauf-Linearbewegungsführung, die einen Schieber 30 und eine Schiene 32 beinhaltet. Bei dieser Implementierung ist der Montagehalter 26 an dem Schieber 30 angebracht, wohingegen die Schiene 32, an der der Schieber 30 verschieblich gelagert ist, an dem Rahmen 28 festgelegt ist. Dies ermöglicht es der Codierer/Omni-Rad-Unteranordnung (8b/22b), vertikal relativ zu dem Rahmen 28 versetzt zu werden. Eine Feder 34 ist zwischen dem Montagehalter 26 und dem Rahmen 28 angebracht, um das Omni-Rad 22b nach unten in Kontakt mit der oberen Oberfläche des gescannten Objektes zu drücken, wobei die obere Oberfläche uneben sein kann. Der Codierer 8b gibt Codiererzählstände an eine Datenerfassungsvorrichtung (in 6 nicht gezeigt) über elektrische Kabel 36 aus.
7 zeigt Hauptkomponenten eines Systems zur Echtzeit-Nachverfolgung einer holonom beweglichen Vorrichtung, die einen Rahmen 2 aufweist, der mit einer Vielzahl von Omni-Rädern 4 gekoppelt ist. Gemäß der in 7 gezeigten Ausführungsform ist der Rahmen 2 mit einer NDI-Sensoreinheit 10 verbunden. Wie zuvor beschrieben, wird die Drehung von jedem Omni-Rad 4 mittels eines jeweiligen Codierers 8 gemessen. Die Codiererdaten (d. h. Zählstände) werden von den Codierern 8 an eine Datenerfassungsvorrichtung 38 ausgegeben, und zwar über elektrische Signalkabel (in 7 nicht gezeigt). Die Datenerfassungsvorrichtung 38 ist elektrisch mit einem Bewegungsprozessor 40 verbunden. Der Bewegungsprozessor 40 empfängt die Codiererdaten von der Datenerfassungsvorrichtung 38 und berechnet absolute X- und Y-Positionsdaten (die in dem Koordinatensystem jenes Teils definiert sind, das gescannt wird), und zwar unter Verwendung der oben ausgeführten Bewegungsgleichungen, woraus die absolute Position der NDI-Sensoreinheit 10 abgeleitet wird. Der Bewegungsprozessor 40 wandelt dann die absoluten X- und Y-Positionsdaten in eine Quadraturimpulsform bzw. Rechteckimpulsform um (die zwei phasenverschobene Serien von hohen (1)- oder niedrigen (0)-Werten aufweist). Optional kann der Bewegungsprozessor 40 die Positions- und Orientierungsinformation auf einem Anzeigeschirm 42 anzeigen. In alternativen Ausführungsformen kann der Bewegungsprozessor mit der Datenerfassungsvorrichtung integriert sein.
Die Datenerfassungsvorrichtung 38 konvertiert die Quadraturimpuls-Instruktionen von dem Bewegungsprozessor 40 in elektrische Signale, die Codiererimpulse simulieren. Die simulierten Codiererimpulse werden über Signalverdrahtungen an einen NDI-Prozessor 44 gesendet. Die simulierten Codiererimpulse werden von dem NDI-Prozessor 44 empfangen, der die simulierten Codiererimpulse in Positionsdaten decodiert, die die Position der NDI-Sensoreinheit 10 relativ zu dem Koordinatensystem jenes Teils darstellen, das gescannt wird. Der NDI-Prozessor 44 empfängt auch NDI-Scan-Bildgebungsdaten von dem NDI-Sensor 10. Diese NDI-Scan-Bildgebungsdaten werden in einem gemeinsamen Koordinatensystem ausgerichtet, und zwar unter Verwendung der X-Y-Positionsdaten, die als simulierte Codiererimpulse empfangen sind. Der NDI-Prozessor 44 kann auch ein Scan-Bild auf einem Anzeigeschirm 46 anzeigen und/oder die resultierenden ausgerichteten NDI-Scan-Bildgebungsdaten in einer Datenspeichervorrichtung 48 speichern.
8 ist ein Flussdiagramm, das Schritte eines Prozesses zum Nachverfolgen einer holonom beweglichen NDI-Sensoreinheit in Echtzeit gemäß einer Ausführungsform zeigt. Dieser Prozess ist auf eine Freiformbewegung anwendbar, die entweder von einer in der Hand zu haltenden Vorrichtung oder von einer automatisierten Vorrichtung erzeugt wird, wie einem motorisierten Kriechfahrzeug. Die Sequenz bzw. Abfolge der Schritte beinhaltet eine kontinuierliche Schleife. Zunächst wird die NDI-Sensoreinheit mittels der Bedienperson oder mittels eines automatisierten Prozesses bewegt (Schritt 50). Wenn sich die NDI-Sensoreinheit bewegt, werden Codiererdaten von der Datenerfassungsvorrichtung empfangen (Schritt 52). Dann verwendet der Bewegungsprozessor diese Codiererdaten, um die Position und die Orientierung der NDI-Sensoreinheit zu berechnen (54). Die Position und die Orientierung der NDI-Sensoreinheit kann auf einem Anzeigeschirm angezeigt werden (Schritt 56). Anschließend berechnet der Bewegungsprozessor die X- und Y-Position-Codiererimpulse entsprechend den absoluten Positionsdaten, die im Schritt 54 berechnet wurden (Schritt 58). Die Datenerfassungsvorrichtung konvertiert jene X-Y-Positionsdaten in simulierte Codiererimpulse, die für den NDI-Prozessor annehmbar sind (Schritt 60). Zwischenzeitlich sammelt der NDI-Prozessor bildgebende Scandaten von der NDI-Sensoreinheit, während diese bewegt wird (Schritt 64). Auf dem NDI-Prozessor läuft eine NDI-Anwendung, die die simulierten Codiererimpulse von der Datenerfassungsvorrichtung empfängt und von dem bildgebende Scandaten abgebenden Sensorsystem (Schritt 62), und richtet dann die bildgebenden Scandaten unter Verwendung der X-Y-Positionsinformation aus, die von den simulierten Codiererimpulsen getragen bzw. vermittelt wird (Schritt 64). An der Sensorplattform oder an einem anderen Ort kann ein optionaler Anzeigeschirm angebracht sein, der für die Bedienperson zugreifbar ist, um während des Betriebs des Systems eine Rückkopplung hinsichtlich Position und Orientierung bereitzustellen, indem das NDI-Scanbild angezeigt wird (Schritt 68).
Der oben unter Bezugnahme auf 8 allgemein beschriebene Prozess wird nunmehr in größerer Genauigkeit unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. In einer Implementierung sendet die Datenerfassungsvorrichtung 38 die Codiererdaten an den Bewegungsprozessor 40, und zwar über API-Funktionsaufrufe (”API function calls”). Gemäß einer Implementierung kann die Datenerfassungvorrichtung eine USB-Datenerfassungsvorrichtung für Codiererdaten vom Typ USB4 sein, wie sie kommerziell von US Digital, Vancouver, Washington, verfügbar ist. Bei dieser Implementierung sendet die Datenerfassungsvorrichtung 38 die Daten über eine USB-Schnittstelle (über ein USB-Kabel), andere Datenerfassungsvorrichtungen können jedoch auch andere Kommunikationsschnittstellen verwenden (z. B. ein PCI-Steckplatz im Inneren des Computers, eine serielle Kommunikationsschnittstelle, eine Express Card, PCMCIA, oder eine Ethernet-Schnittstelle). Die Signale, die die Datenerfassungsvorrichtung 38 an die Anwendung sendet, die auf dem Bewegungsprozessor 40 läuft, werden in der Form von Codiererdaten konvertiert. Typischerweise bedeutet dies eine Konvertierung in Datenpakete, die über die Kommunikationsschnittstelle an den Bewegungsprozessor 40 gesendet werden und von der API in Integerzahlen oder Fließkommazahlen konvertiert werden. Die auf dem Bewegungsprozessor 40 laufende Anwendung fordert Daten von der Datenerfassungsvorrichtung 38 an und erhält Integer-Zahlen oder Fließkommazahlen zurück (für einen Codierer würde die Anwendung beispielsweise die aktuelle Zahl von Zählständen für einen bestimmten Codierer anfordern und eine Integerzahl zurückerhalten, die die Anzahl der Zählstände in dem Speicherregister in der Datenerfassungsvorrichtung 38 darstellt, die jenem Codierer zugeordnet ist).
Der Bewegungsprozessor 40 kann auch anfordern, dass die Datenerfassungsvorrichtung 38 elektrische Signale in der Form von Spannungen erzeugt. Diese elektrischen Signale werden dann von der Datenerfassungsvorrichtung 38 an den NDI-Prozessor 44 gesendet. Da der NDI-Prozessor von einem Typ ist, der Impulse von einem Codierer erwartet, ist die auf dem Bewegungsprozessor 40 laufende Anwendung dazu programmiert, die Anzahl und Frequenz der erforderlichen Impulse zu berechnen, und dann anzufordern, dass die Datenerfassungsvorrichtung 38 simulierte Codiererimpulse in Form von hohen und niedrigen Spannungen heraussendet.
Der NDI-Prozessor 44 wandelt die simulierten Codiererimpulse in eine aktuelle X, Y-Position gemäß den folgenden Formeln um: X_pos = num_of_x_pulses_received·x_scale_factor Y_pos = num_of_y_pulses_received·y_scale_factor wobei num_of_x_pulses_received bzw. num_of_y_pulses_received die Anzahl der empfangenen X- bzw. Y-Impulse ist und wobei x_scale_factor bzw. y_scale_factor der jeweilige X- bzw. Y-Skalierungsfaktor ist und wobei jeder Skalierungsfaktor eine kleine Zahl ist (z. B. in der Größenordnung von 0,01 Zoll pro Impuls). Diese X, Y-Position wird viele Male pro Sekunde aktualisiert.
Zur gleichen Zeit erfasst bzw. sammelt bzw. fängt die NDI-Sensoreinheit 10 Inspektionsdaten (z. B. Scan-Bilddaten). Für den Fall, dass eine Ultraschallerfassung verwendet wird, können Daten von jedem Element eines linearen Arrays von Ultraschallelementen erfasst werden. Diese Elemente bilden einen Array, der analog ist zu einer Reihe von Pixeln auf einem Computermonitor (wobei jede Reihe gegenüber der nächsten versetzt ist, indem die startende X, Y-Position des ersten Pixels definiert wird und wobei, wenn sämtliche Reihen bzw. Zeilen in geeigneter Reihenfolge bzw. Ordnung angezeigt werden, ein vollständiges Bild angezeigt werden kann). Jedes Mal, wenn der lineare Array von Ultraschallelementen über eine vordefinierte Distanz bewegt wird (wie weit, kann von der von der Bedienperson angeforderten Auflösung abhängen), empfängt der NDI-Prozessor 44 einen neuen Scanstreifen aus Daten von der NDI-Sensoreinheit 10 (eine ”Zeile” von Pixeldaten darstellend), und zwar über ein elektrisches Kabel (das als eine Linie mit einem Pfeil von dem NDI-Sensor 10 zu dem NDI-Prozessor 44 in 7 dargestellt ist). Die Scanstreifen-Daten werden in einem Speicher gesichert bzw. gespeichert (d. h. Datenspeichervorrichtung 48). Der NDI-Prozessor führt ein Programm aus, das die aktuellen X_pos- und Y_pos-Daten verwendet, die aus den Impulsdaten abgeleitet sind, die von der Datenerfassungsvorrichtung 38 empfangen sind, und zwar um den Startpunkt in dem Bild zu lokalisieren, also dort, wo die Zeile von Pixeln anzuordnen ist. Der NDI-Prozessor 44 setzt die Positionsdaten und die Scan-Bilddaten in Bezug zueinander, und verwendet dann die in Bezug zueinander stehenden bzw. assoziierten Daten, um ein zweidimensionales Bild des gescannten Objektes zusammenzusetzen (”assemble”), und zwar zur Anzeige auf einem Anzeigeschirm 46.
Wenn die X- und die Y-Dimension bzw. -Abmessung nachverfolgt werden, lässt sich eine genauere Darstellung der Bewegung erzielen, die die Bedienperson während des Scans erzeugt hat. Wie es in 9 dargestellt ist, ermöglicht dies der Scan-Anwendung auch, Streifen 72 von Scan-Daten aus mehrfachen Durchgängen bzw. Verläufen zusammenzusetzen, die leicht voneinander versetzt sind, um eine genaue fortlaufende (”contiguous”) Darstellung von großen inspizierten Bereichen unter Verwendung eines kleinen Scan-Sensorarrays zu erzeugen.
Für den Fall, bei dem die NDI-Sensoreinheit 10 einen Array aus Ultraschallwandlern aufweist, stellt der NDI-Prozessor 44 Aktivierungsimpulse für die Ultraschallwandler bereit, für welchen Fall der Pfeil zwischen den Blöcken 10 und 44 in 7 mit zwei Pfeilspitzen zu versehen wäre, um den Strom von Impulsen in einer Richtung und von erfassten Scan-Bilddaten in der anderen Richtung anzuzeigen. Der NDI-Prozessor 44 sendet elektrische Impulse an die Wandler, die diese in Ultraschallimpulse umwandeln. Die zurückkehrenden Ultraschallimpulse werden an dem Array zurück in elektrische Impulse gewandelt, die zurück an den NDI-Prozessor 44 gesendet werden, und zwar zum Zwecke der Messung.
Das oben beschriebene Verfahren mit simulierten Codiererimpulsen ermöglicht es, dass die X-Y-Bewegungsdaten in eine beliebige NDI-Scananwendung eingegeben werden, die Codierereingänge akzeptiert, und zwar ohne die NDI-Scananwendung zu modifizieren. Der Positionsaktualisierungsprozess erfolgt kontinuierlich, wenn der Benutzer oder das automatisierte System die NDI-Sensoreinheit über das gescannte Objekt bewegt.
Es ist anzumerken, dass es bei der vierrädrigen Doppeldifferenzial-Konfiguration, die in 1 gezeigt ist, möglich ist, eine Annäherung der X- und der Y-Bewegung durch Verwendung von zwei benachbarten Codierern zu erlangen, ohne dass die Datenerfassungsvorrichtung zu verwenden ist, und zwar wenn das System physikalische Grenzen bzw. Begrenzungen aufweist, um zu verhindern, dass eine Orientierungsänderung auftritt. Wenn sich die Fahrzeugorientierung ändert, würde dieses Verfahren zu Fehlern führen, die sich aufbauen, wenn sich die Orientierung ändert.
Sämtliche Lösungen hinsichtlich der laufenden Ortsbestimmung (wie die Odometrie-basierten, hier beschriebenen Lösungen) werden Messungenauigkeiten beinhalten, und zwar aufgrund von kleinen Fehlern, die sich mit der Zeit aufbauen. Diese können durch systematische Fehler in der Vorrichtung verursacht sein (beispielsweise ein Omni-Rad, das nicht perfekt ausgerichtet ist), oder durch Störfälle bzw. Betriebs-Unterbrechungen (”disruptions”), die durch unerwartete Änderungen in der Umgebung hervorgerufen werden. Ein Kalibrierungsprozess mit geschlossener Schleife (”loop-closure calibration process”) kann in Verbindung mit diesem System verwendet werden, um systematische Fehler zu reduzieren. Ein solcher Prozess kann auch während der Laufzeit verwendet werden, um der Bedienperson eine Abschätzung des Fehlers zu vermitteln. Beispielsweise wird die Nachverfolgungsvorrichtung an einem Startort angeordnet und dann wegbewegt und erneut zurück zu dem Startort bewegt. Wenn das System berechnet, dass der letzte Ort sich von dem Startort unterscheidet, dann kann diese Differenz dazu verwendet werden, um den Fehler in den Nachverfolgungsdaten zu kompensieren. Eine zusätzliche Korrektur unter Verwendung von externen Referenzmessungen kann verwendet werden, um die Nachverfolgung der absoluten Position zu verbessern.
Die NDI-Sensoreinheit kann jeder beliebige Sensor sein, der Inspektionsdaten von einem Ort oder einem Bereich einer Struktur aufnimmt bzw. sammelt. Die Einheit kann die Struktur berühren oder nahezu berühren (Ultraschall, Wirbelstrom, magnetisch, Mikrowellen, Röntgenstrahlen-Rückstreuung, etc.). Es kann sich um einen einzelnen Wandler oder um einen Array handeln (mit einer linearen Erstreckung oder mit mehrfachen Erstreckungen bzw. Dimensionen).
Die holonome Nachverfolgungsvorrichtung, die oben offenbart ist, kann auch dazu verwendet werden, um die holonome Bewegung von anderen Werkzeugen als NDI-Sensoreinheiten nachzuverfolgen, wie Markierungsausrüstung (Malen), Bohrer, Barcode-Scanner, Reinigungsausrüstung, Beleuchtungsausrüstung, visuelle Ausrüstung und IR-Kameras, sowie Audio-Lautsprecher.
Die oben im Detail beschriebene Methodenlehre zur holonomen Bewegungsnachverfolgung findet in gleicher Weise Anwendung auf automatisierte, holonom bewegbare oder nicht holonom bewegbare Kriechfahrzeuge. Ein üblicher Typus einer holonomen Fahrzeugkonfiguration verwendet eine Art von Rad, das Mecanum-Rad genannt wird, um das Fahrzeug anzutreiben. Ein Mecanum-Rad ist eine Art von Rad mit mehrfachen individuellen Rollen, die dann, wenn sie als Paare verwendet werden, eine Fahrzeugbewegung in jeder beliebigen Richtung ermöglichen (d. h. eine holonome Bewegung). In einer bekannten Implementierung weist das Kriechfahrzeug einen Rahmen auf, der vier Mecanum-Räder beinhaltet, mit einem vorderen Paar von Mecanum-Rädern und einem hinteren Paar von Mecanum-Rädern, wobei die jeweiligen Achsen der jeweiligen Paare von Mecanum-Rädern parallel zueinander verlaufen. In weiteren Ausführungsformen können die Radorientierungen in Bezug auf den Rahmen so konfiguriert sein, dass sie eine Ausbauchung bzw. Balligkeit besitzen, um nicht-ebene Oberflächen zu ermöglichen (in welchem Fall die Achsen von gegenüberliegenden Rädern nicht parallel sein werden). Gemäß den vorliegenden Lehren kann ein Rahmen eines Kriechfahrzeugs (”crawler vehicle”) einen Satz von vier Omni-Rädern zur Nachverfolgung einer Fahrzeugbewegung haben, und einen Satz von vier Mecanum-Rädern zum Antreiben des Fahrzeugs unter Steuerung eines Computers.
Ein mit Mecanum-Rädern ausgestattetes Fahrzeug kann sich in jeder beliebigen Richtung bewegen, während es sich gleichzeitig dreht. Dies ist aufgrund der Form der Räder möglich. Die Standardkonfiguration für ein Fahrzeug mit Mecanum-Rädern beinhaltet vier Mecanum-Räder (zwei vom Typ ”A” und zwei vom Typ ”B”). Die Mecanum-Räder sind mit ihrem ”A”-Paar auf einer Diagonale und mit dem ”B”-Paar auf der anderen Diagonale angeordnet, wobei die Diagonalen durch die Mitte des Fahrzeugs verlaufen. Die Achsen der Rollen an den Mecanum-Rädern vom Typ ”A” sind unter rechten Winkeln zu den Achsen der Rollen an den Mecanum-Rädern vom Typ ”B” ausgerichtet.
Ein derartiges Mecanum-rädriges Fahrzeug kann dazu hergestellt sein, um sich in jeder beliebigen Richtung zu bewegen und zu drehen, und zwar indem die Drehzahl und Drehrichtung von jedem Rad variiert werden. Beispielsweise veranlasst ein Drehen sämtlicher vier Räder in der gleichen Richtung mit der gleichen Rate eine Vorwärts- oder Rückwärtsbewegung; ein Drehen der Räder auf einer Seite mit der gleichen Rate, jedoch in der entgegengesetzten Drehrichtung gegenüber den Rädern auf der anderen Seite, verursacht, dass sich das Fahrzeug dreht; und ein Drehen der Räder vom Typ ”A” mit der gleichen Rate jedoch in der entgegengesetzten Richtung zur Drehrichtung der Räder vom Typ ”B” ruft eine Seitwärtsbewegung hervor.
Während das mit Mecanum-Rädern ausgestattete Fahrzeug dazu angetrieben wird, sich über eine zu scannende Oberfläche zu bewegen, liefern die Drehcodierer, die mit den Omni-Rädern gekoppelt sind, Codiererdaten, die dazu verwendet werden können, um die Fahrzeugbewegung auf die oben beschriebene Art und Weise nachzuverfolgen.
Die Position und die Orientierung von anderen Typen von Fahrzeugen können ebenfalls unter Verwendung des holonomen, auf Omni-Rädern basierenden Systems nachverfolgt bzw. getracked werden. Diese beinhaltet nicht-holonome Vorrichtungen wie Kufen- bzw. Ketten-gesteuerte Fahrzeuge (Panzer) und Fahrzeuge mit Ackermann-Steuerung (Autos). Mit Beinen versehene Systeme wie Zweibeiner, Vierbeiner, Sechsbeiner, etc. können von dieser Art von System ebenfalls nachverfolgt werden – wenigstens auf Oberflächen ohne große Hindernisse.
Die oben offenbarten Systeme kombinieren eine holonome Omni-Rad-Nachverfolgung mit NDI. Diese Systeme sind in sich abgeschlossen (”self-contained”) (d. h. sie erfordern nicht den Aufbau zusätzlicher Hardware) und operieren in Echtzeit. Die Systeme können unter Verwendung einer Technik mit geschlossener Schleife selbstkalibriert sein. Drehcodierer, die mit Omni-Rädern gekoppelt sind, liefern Winkelmessdaten, die dazu verwendet werden können, um die Position, die Orientierung und die Geschwindigkeit einer holonom bewegten Vorrichtung abzuleiten und die anderen Analysesystemen und der Bedienperson bereitgestellt werden können.
Die Vorteile der Methodenlehre, die oben beschrieben ist, sind vielfältig. Eine gleichzeitige Nachverfolgung von Position und Orientierung stellt eine genauere Darstellung hinsichtlich dessen bereit, wo die Scan-Einheit angeordnet ist, was Folgendes ermöglicht: (1) Eingabe in Hardware, die X- und Y-Daten empfängt; (2) Anwendungen, die Bedienpersonen warnen, wenn sie einen Punkt auf der gescannten Oberfläche verfehlt bzw. ausgelassen haben; und (3) Anwendungen, die Bedienpersonen warnen, wenn sie nicht die geeignete Orientierung einhalten. Zusätzlich ermöglicht eine Registrierung von Scan-Daten mit einem herkömmlichen Koordinatensystem Folgendes: (1) Ausrichtung von Scan-Streifen; und (2) Verwendung von zwei- oder drei-dimensionalen Visualisierungsanzeigen.
Wenn X- und Y-Abmessungen bzw. -Dimensionen nachverfolgt werden, lässt sich eine genauere Darstellung der Bewegung erzielen, die die Bedienperson während des Scans erzeugt. Dies ermöglicht auch, dass die Scan-Anwendung Streifen von Scan-Daten aus mehrfachen Durchgängen miteinander zusammenführt (”merge”), die leicht voneinander versetzt sind, um eine genaue fortlaufende bzw. ununterbrochene Darstellung von großen Bereichen zu erzeugen, und zwar unter Verwendung eines Sensors mit einem kleinen Scan-Array.
Obgleich die Methodenlehre hinsichtlich einer holonomen Bewegungsnachverfolgung unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht sich für Fachleute, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und äquivalente Elemente hiervon ersetzen können, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Lehren zu verlassen. Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen werden, um die hiesigen Lehren auf eine bestimmte Situation anzupassen, ohne deren Schutzbereich zu verlassen. Die Ansprüche sollen nicht auf die vorliegend offenbarten speziellen Ausführungsformen beschränkt sein.
Der Begriff ”Computersystem”, so, wie er in den Ansprüchen verwendet wird, sollte breit ausgelegt werden, so dass er ein System umfasst, das wenigstens einen Computer oder Prozessor beinhaltet, und das mehrere Computer oder Prozessoren aufweisen kann, die über ein Netzwerk oder einen Bus miteinander kommunizieren. Die Begriffe ”Computer” und ”Prozessor”, so, wie sie in dem vorstehenden Satz verwendet werden, beziehen sich gleichermaßen auf Vorrichtungen, die eine Verarbeitungseinheit bzw. Prozessoreinheit aufweisen (z. B. eine zentrale Prozessoreinheit), sowie eine gewisse Art von Speicher (z. B. ein computerlesbares Medium) zum Speichern eines Programmes, das von der Prozessoreinheit lesbar ist.
Der Begriff ”Ort”, so, wie er in den Ansprüchen verwendet wird, beinhaltet eine Position in einem feststehenden zweidimensionalen Koordinatensystem und eine Orientierung relativ zu dem Koordinatensystem.
Die nachstehend angegebenen Verfahrensansprüche sollen nicht so ausgelegt werden, dass sie erfordern, dass die darin angegebenen Schritte in alphabetischer Reihenfolge durchgeführt werden (eine alphabetische Reihenfolge in den Ansprüchen wird ausschließlich zum Zwecke der Referenzierung von zuvor genannten Schritten verwendet), oder in der Reihenfolge, in der sie genannt sind. Gleichfalls sollten die Ansprüche nicht so ausgelegt werden, dass sie ausschließen, dass irgendwelche Abschnitte von zwei oder mehr Schritten gleichzeitig oder alternierend ausgeführt werden.
Anmerkung: Die folgenden Absätze beschreiben weitere Aspekte der Offenbarung:

A1. Inspektionssystem, das eine Scan-Vorrichtung, eine Anzeigevorrichtung und ein Computersystem aufweist, wobei die Scan-Vorrichtung und die Anzeigevorrichtung gekoppelt sind, um mit dem Computersystem zu kommunizieren, wobei die Scan-Vorrichtung aufweist: einen Rahmen; eine Vielzahl von Omni-Rädern, die drehbar mit dem Rahmen gekoppelt sind; eine Vielzahl von Drehcodierern, die mit jeweiligen der Vielzahl von Omni-Rädern gekoppelt sind, und zwar um eine Drehung von jedem Omni-Rad in jeweilige Codiererdaten zu konvertieren; und eine Inspektionseinheit, die mit dem Rahmen verbunden ist, und wobei das Computersystem dazu programmiert ist, um die folgenden Operationen bzw. Schritte auszuführen: (a) Berechnen eines absoluten Winkels, der eine Orientierung der Vorrichtung relativ zu einem Koordinatensystem einer Oberfläche darstellt, und zwar basierend zum Teil auf den Codiererdaten; (b) Berechnen von relativen Änderungen einer X- und einer Y-Position der Vorrichtung relativ zu dem Koordinatensystem der Oberfläche, und zwar basierend zum Teil auf den Codiererdaten; (c) Berechnen einer absoluten Position der Vorrichtung relativ zu dem Koordinatensystem der Oberfläche, und zwar basierend zum Teil auf dem berechneten absoluten Winkel und den berechneten Änderungen der X- und der Y-Position; (d) Steuern der Inspektionseinheit, um Inspektionsdaten zu erfassen; (e) Steuern der Anzeigevorrichtung, um ein Bild anzuzeigen, bei dem die Inspektionsdaten basierend auf dem jeweiligen absoluten Winkel und der absoluten Position der Vorrichtung angeordnet sind, und zwar dann bzw. für den Zeitpunkt, wenn bzw als das jeweilige Inspektionsdatum erfasst wurde.
A2. Inspektionssystem nach Absatz A1, wobei das Computersystem ferner dazu programmiert ist, um die folgenden Operationen auszuführen: Konvertieren der berechneten absoluten Winkel und der absoluten Positionen in simulierte Codiererimpulse; und Korrelieren der Inspektionsdaten mit den simulierten Codiererimpulsen, wobei die Anzeigeoperation bzw. der Anzeigeschritt die Inspektionsdaten gemäß den Ergebnissen der Korrelationsoperation anordnet.
A3. Inspektionssystem nach Absatz A1, wobei das Computersystem dazu programmiert ist, um die Operationen (a) bis (c) in regelmäßigen Zeitintervallen zu wiederholen, um absolute Winkel und absolute Positionen der Vorrichtung über einer Zeitspanne bereitzustellen.
A4. Inspektionssystem nach Absatz A1, wobei die Inspektionseinheit einen Sensorarray aufweist.
A5. Inspektionssystem nach Absatz A4, wobei der Sensorarray eine Mehrzahl von Ultraschallwandlern aufweist.
A6. Nachverfolgungssystem, das eine bewegbare Vorrichtung und ein Computersystem aufweist, wobei die bewegbare Vorrichtung gekoppelt ist, um mit dem Computersystem zu kommunizieren, wobei die bewegbare Vorrichtung aufweist: einen Rahmen; eine Vielzahl von Omni-Rädern, die drehbar mit dem Rahmen gekoppelt sind; und eine Vielzahl von Drehcodierern, die mit jeweiligen der Vielzahl von Omni-Rädern gekoppelt sind, und zwar zum Umwandeln einer Drehung von jedem Omni-Rad in jeweilige Codiererdaten, und wobei das Computersystem dazu programmiert ist, die folgenden Operationen auszuführen: (a) Berechnen eines absoluten Winkels, der eine Orientierung der Vorrichtung relativ zu einem Koordinatensystem einer Oberfläche darstellt, und zwar basierend zum Teil auf den Codiererdaten; (b) Berechnen von relativen Änderungen einer X- und einer Y-Position der Vorrichtung relativ zu dem Koordinatensystem der Vorrichtung, und zwar basierend zum Teil auf den Codiererdaten; und (c) Berechnen einer absoluten Position der Vorrichtung relativ zu dem Koordinatensystem der Fläche, und zwar basierend zum Teil auf dem berechneten absoluten Winkel und den berechneten Änderungen der X- und der Y-Position.
A7. Nachverfolgungssystem nach Absatz A6, wobei die Vielzahl von Omni-Rädern in einer rechtwinkligen Vier-Omni-Rad-Doppeldifferenzial-Konfiguration angeordnet sind.
A8. Nachverfolgungssystem nach Absastz A6, wobei die Vielzahl von Omni-Rädern drei Omni-Räder aufweisen, die gegenüber einem gemeinsamen Mittelpunkt äquidistant angeordnet sind, mit Drehachsen, die unter Winkeln von 120 Grad zueinander angeordnet sind.
A9. Nachverfolgungssystem nach Absatz A6, wobei die Vielzahl von Omni-Rädern in einer Vier-Omni-Rad-Drehgestell-Konfiguration angeordnet sind.

Claims

Verfahren zum Nachverfolgen einer Vorrichtung, die mit einer Vielzahl von Omni-Rädern gekoppelt ist, mit den Schritten: (a) Konvertieren einer Drehung von jedem Omni-Rad in jeweilige Codiererdaten; (b) Berechnen eines absoluten Winkels, der eine Orientierung der Vorrichtung relativ zu einem Koordinatensystem einer Oberfläche darstellt, und zwar basierend zum Teil auf den Codiererdaten; (c) Berechnen von relativen Änderungen einer X- und einer Y-Position der Vorrichtung relativ zu dem Koordinatensystem der Oberfläche, und zwar basierend zum Teil auf den Codiererdaten; und (d) Berechnen einer absoluten Position der Vorrichtung relativ zu dem Koordinatensystem der Oberfläche, und zwar basierend zum Teil auf dem berechneten absoluten Winkel und den berechneten Änderungen der X- und der Y-Position.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schritte (b) bis (d) in regelmäßigen Zeitintervallen wiederholt werden, um absolute Winkel und absolute Positionen der Vorrichtung über eine Zeitspanne bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt, den berechneten absoluten Winkel und die absolute Position zu verwenden, um ein dreidimensionales Modell der Vorrichtung in einer virtuellen Umgebung zu positionieren und zu orientieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Berechnungen der Schritte (b) bis (d) berücksichtigen, dass die Vorrichtung eine rechtwinklige Vier-Omni-Rad-Doppeldifferenzial-Konfiguration hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Berechnungen der Schritte (b) bis (d) berücksichtigen, dass die Vorrichtung drei Onmi-Räder aufweist, die äquidistant von einem gemeinsamen Mittelpunkt sind, mit Drehachsen, die sich in Winkeln von 120° in Bezug zueinander befinden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Berechnungen der Schritte (b) bis (d) berücksichtigen, dass die Vorrichtung eine Vier-Omni-Rad-Drehgestell-Konfiguration hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung eine Inspektionseinheit ist, wobei das Verfahren ferner beinhaltet: Erfassen von Inspektionsdaten; und Anzeigen eines Bildes, bei dem die Inspektionsdaten auf der Grundlage des jeweiligen absoluten Winkels und der absoluten Position der Vorrichtung angeordnet sind, und zwar dann bzw. für den Zeitpunkt, wenn bzw. als das jeweilige Inspektionsdatum erfasst wurde.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner mit den Schritten: Konvertieren der berechneten absoluten Winkel und absoluten Positionen in simulierte Codiererimpulse; und Korrelieren der Inspektionsdaten mit den simulierten Codiererimpulsen; wobei der Anzeigeschritt die Inspektionsdaten gemäß den Ergebnissen des Korrelationsschrittes anordnet.
Vorrichtung, die aufweist: einen Rahmen; eine Vielzahl von Omni-Rädern, die drehbar mit dem Rahmen gekoppelt sind; eine Vielzahl von Drehcodierern, die mit jeweiligen der Vielzahl von Omni-Rädern gekoppelt sind; und eine Inspektionseinheit, die mit dem Rahmen verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Vielzahl von Omni-Rädern in einer rechtwinkligen Vier-Omni-Rad-Doppeldifferenzial-Konfiguration angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Vielzahl von Omni-Rädern drei Omni-Räder beinhalten, die gegenüber einem gemeinsamen Mittelpunkt äquidistant angeordnet sind, mit Drehachsen, die unter Winkeln von 120° zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Vielzahl von Omni-Rädern in einer Vier-Omni-Rad-Drehgestell-Konfiguration angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Inspektionseinheit einen Sensor-Array aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Sensor-Array eine Mehrzahl von Ultraschallwandlern beinhaltet.