用于無損檢測的獨立完整追蹤方法及設備的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明總體上涉及用于在自動化工具（例如無損檢測單元）在目標區域上移動時 對其完整運動進行追蹤的系統和方法。
【背景技術】
[0002] 利用手持式傳感器的便攜式無損檢測（NDI)工具通常用于執行復合結構的選定 區域的制造和使用檢測。大多數飛行器結構的使用檢測通過手持式傳感器完成。有時，在 制造過程中也采用這種方法檢查小型部件或區域。
[0003] 雖然較之自動掃描系統，手持式傳感器因成本低廉而被廣泛使用，但仍然需要專 家解釋產生的信號。此外，手動搜索損傷或缺陷的同時觀察信號變化非常耗時，并且容易導 致操作人員誤操作或疲勞。而由于需要進行逐點測量，因此量化損傷也費時間。同樣眾所 周知的是，許多手持式NDI傳感器單元不能檢測出較小的損傷/裂縫，這可能使用能夠對包 含損傷的區域成像的掃描從而檢測。這種基于圖像的掃描依賴于傳感器位置信息與傳感器 數據本身之間的相關性。使得通過手持式傳感器采集的單點NDI數據與位置具有相關性是 困難的。此外，通用手持式傳感器單元的較高的損傷檢測限制意味著檢測周期比它們本應 該的檢測周期更短（且成本更高）。
[0004] 追蹤手持式掃描設備的當前可用解決方案通常是在運行方向（即一維運動）上僅 追蹤單個軸線。這種一維追蹤通常使用輪式旋轉編碼器執行。但是，由于操作人員的手的自 由形式運動帶動掃描設備的運動，沒有任何導向設備保證傳感器（例如線性換能器陣列） 以直線運行。其結果是輪式編碼器的一維追蹤可能對操作人員手部的實際運動提供非常差 的追蹤。技術熟練的操作人員能夠通過集中注意力保持直線運動而部分地彌補該問題，但 人不是很擅長做直線運動，尤其是長距離的直線運動。通常導致波紋狀掃描，雖然這種波紋 狀在掃描過程中對于操作人員來說不明顯，這是因為一維掃描的輸出因看似是直線而具有 一定誤導性。
[0005] 目前，可以利用多種不同類型的位置追蹤方法執行手動掃描NDI數據的實時成 像，包括，單軸線旋轉編碼器、X-Y橋架、掃描臂、追蹤球，以及超聲波或光學三角測量是一些 最為常用的。單探頭手動掃描的最大問題就是：數據定位（根據探頭運動的方向或探頭停 止時的位置發生的移位）以及獲得足夠多的路徑以覆蓋區域。漂移也是一個問題。利用自 由手部運動采集的二維圖像通常不能非常精確表示采取的實際路徑。對于像超聲波以及渦 流等一些方法來說，線性陣列通過生成數據帶改善圖像，該數據帶精確表示出每個帶內的 數據的相對位置。然而，利用線性陣列進行手動掃描的最大問題就是保持或確定方向（如 果不受限制）。
[0006] 當使用手持式設備進行NDI表面掃描應用時，通常需要操作人員保持掃描設備的 方向與行進方向一致，從而捕獲掃描區域的精確表示。此外，操作人員還需要保證速度低于 最高速度，以避免丟失數據。如果沒有能夠給操作人員提供反饋的測量系統，則難以實現這 些要求。
[0007] 位置測量不準確，加之缺乏方向和速度反饋，這給性能帶來負面影響。手持式掃描 儀的操作人員可以通過更加緩慢的移動來補償平移和旋轉的不準確以及速度反饋的缺乏， 這能夠導致需要更長時間采集有用的掃描成像數據。有時，為了處理掃描中錯過的區域，這 能夠導致返工。
[0008] 為了能夠從自由形式運動期間獲取的數據中獲得正確配準的NDI圖像，需要用于 確定傳感器位置和方向的方法。
【發明內容】
[0009] 以下公開的主題涉及利用獨立設備在表面掃描應用中進行實時、完整運動追蹤的 方法。完整運動是指不受制于運動約束的移動，并且有時被稱為自由形式運動。如本公開 所用，如果可控自由度等于全自由度，則車輛或設備被視為是完整的。完整運動追蹤是指表 面上的位置和方向的測量，其中被追蹤的設備（例如掃描傳感器或傳感器陣列）能夠在任 意方向平移并同時旋轉。能夠追蹤在表面上的掃描器的人類運動產生的自由形式運動類型 的獨立設備能夠實現掃描成像數據的精確登記，用于生成二維掃描圖像。由于被追蹤設備 的運動不受追蹤系統的限制，因此此概念也適用于與自動化設備（例如表面爬行機器人） 集成。下文中公開詳細公開的系統和方法能夠對完整運動NDI傳感器單元（手持式或自動 式）的位置和方向進行精確追蹤，并且能夠將所采集的追蹤數據轉化為編碼器脈沖信號， 用于通過NDI掃描系統進行處理。
[0010] 本文公開的主題的一個方面是一種用于追蹤與多個全向輪耦合的設備的方法，該 方法包括：(a)將每一全向輪的旋轉轉換為相應編碼器數據；(b)部分地基于編碼器數據計 算表示該設備相對于表面坐標系的方向的絕對角度；(c)部分地基于編碼器數據計算該設 備相對于表面坐標系的X位置和Y位置的相對變化；以及（d)部分地基于所計算的絕對角 度以及計算的X位置和Y位置的變化，計算該設備相對于表面坐標系的絕對位置。
[0011] 本文公開的主題的另一個方面是一種設備，該設備包括：框架；可旋轉地耦合到 框架的多個全向輪；分別耦合到多個全向輪的多個旋轉編碼器；和連接到框架的檢測單 元。根據一個實施例，多個全向輪采用四個全向輪垂直、雙差動配置進行布置。根據另一個 實施例，多個全向輪包括與公共中心點等距且旋轉軸線相對于彼此成120度角的三個全向 輪。根據又一個實施例，多個全向輪采用四個全向輪轉向架結構進行布置。
[0012] 另一個方面是一種檢測系統，該檢測系統包括掃描設備、顯示設備和計算機系統， 掃描設備和顯示設備耦合以與計算機系統通信。掃描設備包括：框架；可旋轉地耦合到框 架的多個全向輪；多個旋轉編碼器，其分別耦合到多個全向輪，用于將各全向輪的旋轉轉換 成相應編碼器數據；以及連接到框架的檢測單元。計算機系統被編程執行下列操作：(a)部 分地基于編碼器數據計算表示該設備相對于表面坐標系的方向的絕對角度；(b)部分地基 于編碼器數據計算該設備相對于表面坐標系的X位置和Y位置的相對變化；（c)部分地基 于所計算的絕對角度以及計算的X位置和Y位置的變化，計算該設備相對于表面坐標系的 絕對位置；（d)控制檢測單元，以采集檢測數據；(e)當采集了每一檢測數據時，控制顯示裝 置以顯示布置有所述檢測數據的圖像，其中檢測數據基于所述設備的相應絕對角度和絕對 位置布置。
[0013] 另一個方面是一種追蹤系統，該追蹤系統包括可移動設備和計算機系統，可移動 設備經耦合與計算機系統通信。可移動設備包括：框架；可旋轉地耦合到框架的多個全向 輪；以及多個旋轉編碼器，其分別耦合到多個全向輪，用于將各全向輪的旋轉轉換成各編碼 器數據以及某種形式的運動激勵（例如驅動馬達和輪）。計算機系統經編程以執行下列操 作：(a)部分地基于編碼器數據計算表示該設備相對于表面坐標系的方向的絕對角度；(b) 部分地基于編碼器數據計算該設備相對于表面坐標系的X位置和Y位置的相對變化；以及 (c)部分地基于所計算的絕對角度以及計算的X位置和Y位置的變化，計算該設備相對于表 面坐標系的絕對位置。在一些實施例中，計算機也可以用于控制運動激勵。
[0014] 下面公開獨立完整運動追蹤方法及設備的其它方面。
【附圖說明】
[0015] 圖1是表示根據一個實施例的配有編碼器的完整運動設備的一些部件的俯視平 面圖的示意圖。該設備能夠被連接到NDI傳感器單元（未示出）。
[0016] 圖2A和圖2B分別是表不手持式掃描設備的俯視平面圖和正視圖的不意圖，所述 手持式掃描設備包括NDI傳感器單元，該傳感器單元連接到圖1圖示示出的類型的配有編 碼器的完整運動設備。
[0017] 圖3和圖4是表示根據本發明替代實施例的具有三個全向輪的相應手持式掃描設 備的俯視平面圖的示意圖。
[0018] 圖5A和圖5B分別是表不根據另一實施例的手持式追蹤設備的俯視平面圖和正視 圖的示意圖，所述手持式追蹤設備包括連接到配有編碼器的完整運動設備的NDI傳感器單 元。在該替代實施例中，完整運動設備具有以轉向架配置布置的四個全向輪。
[0019] 圖6是示出借助彈簧加載線性運動引導件而安裝到框架的全向輪的示意圖，所述 引導件僅僅允許全向輪相對于框架的垂直位移。
[0020] 圖7是根據一個實施例的用于實時追蹤完整運動NDI傳感器單元的系統的主要部 件的方框圖。
[0021] 圖8是根據一個實施例的用于實時追蹤完整運動NDI傳感器單元的過程的流程 圖。
[0022] 圖9是示出彼此略微偏移的多條路徑的掃描數據帶的合并以使用小型掃描傳感 器陣列產生大型檢測區域的精確連續表示的示意圖。
[0023] 在下文中將參考所述附圖，其中不同附圖中的相似元件具有相同的附圖標記。
【具體實施方式】
[0024] 下面詳述公開的系統是多維差動、基于測距法的解決方案，該方案使用可旋轉地 安裝到手持式或自動式完整追蹤設備的框架的全向輪的若干方向中的一個，實現真正的完 整表面追蹤（即，同時進行多維位置和方向追蹤）。全向輪是圓周周圍具有小滾子的輪，這 些滾子可圍繞與主輪在滾動期間旋轉所圍繞的軸線（也稱為主輪軸）垂直的軸線旋轉且與 主輪的外邊緣相切。（這些滾子不是圓柱形的。相反，它們中部較大，具有與輪的總半徑對 應的形狀。滾子的曲率半徑位于較大的主輪的中心。）。其效果是通過在與表面接觸的較 小的滾子上滾動，全向輪將無阻力地圍繞主輪軸向前滾動，而且也能非常容易地橫向