[發明專利]用于無損檢測的獨立完整追蹤方法及設備

在審

• 申請號: 201380074622.2
• 申請日: 2013-12-19
• 公開（公告）號: CN105009012A
• 公開（公告）日: 2015-10-28
• 發明（設計）人: J·J·特洛伊;S·W·李;G·E·喬格森;K·E·尼爾森;D·J·萊特
• 申請（專利權）人: 波音公司
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02;G01N29/22;G01C22/02
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 趙蓉民;趙志剛

技術領域

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

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。

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)。

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。

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)。

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。

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。

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

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。

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。