用于計算裝置的取向的系統和方法
【專利摘要】提供了一種用于確定車輛的取向的系統和方法。所述方法包括這樣的步驟：提供一種車輛，該車輛具有鉸鏈接頭以使得底盤的各區段能夠相對于彼此旋轉。第一和第二輪分別被安裝到底盤區段的一個和另一個。分別限定了鉸鏈接頭和第一和第二輪的中心之間的距離以及輪的直徑的車輛幾何數據被提供。限定所述表面的曲率的表面幾何數據可被提供。圍繞鉸鏈接頭的旋轉角度被測量。基于車輛幾何數據、表面幾何數據以及測量到的旋轉角度，車輛相對于所述表面的取向可被確定。用于確定物體的取向的系統和方法也被提供。
【專利說明】
用于計算裝置的取向的系統和方法
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 該申請基于2013年11月30日提交的美國臨時專利申請序列號61/910,341并且要 求該美國臨時專利申請的優先權，其全部內容通過引用并入本文。
技術領域
[0003] 本發明涉及裝置的取向，特別地，涉及確定裝置相對于一表面的取向的系統和方 法。
【背景技術】
[0004] 在移動機器人中，定位數據被理解為確定物體相對于參照系的位置和取向的數 據。精確的定位數據對合適的導航、路徑規劃、繪圖以及在該領域中的其他任務是需要的。 通常，與定位有關的傳感技術可被分為絕對和相對參照技術。相對技術包括使用旋轉編碼 器以跟蹤車輛的驅動機構和輪的部件的旋轉。這些技術缺乏絕對參照系由此通常遭遇累積 誤差和漂移信號的問題。
[0005] 絕對參照技術的一些例子包括全球定位系統(GPS)和慣性測量單元（MU) APS非 常適于全球定位但是小規模的應用經常有時需要更高的分辨率/精度并且GPS不能提供取 向數據，僅定位。另一方面，IMU在取向數據方面是優秀的執行器但是它們對定位執行得不 好。最后，關鍵是，慣性測量單元的性能在當需要測量的取向角圍繞平行于圍繞所述裝置的 重力場方向的軸線時被顯著折衷。
[0006] 本發明致力于這些及其他問題。
【發明內容】
[0007] 根據本發明的一方面，用于確定車輛相對于一表面的取向的方法被提供。所述方 法包括以下步驟:提供一車輛，該車輛具有第一底盤區段，第二底盤區段，和連接第一和第 二底盤區段以使得第一和第二底盤區段能夠相對于彼此在至少第一方向上旋轉的鉸鏈接 頭。車輛進一步包括安裝到第一和第二底盤區段之一的第一輪和安裝到第一和第二底盤區 段中的另一個的第二輪。所述方法進一步包括提供至少限定分別在鉸鏈接頭與第一和第二 滑輪的中心之間的距離以及每個輪的直徑的車輛幾何數據。所述方法進一步包括提供限定 表面的曲率并測量圍繞鉸鏈接頭的旋轉角度的表面幾何數據。所述方法還包括基于車輛幾 何數據、表面幾何數據和測量到的旋轉角度，確定車輛相對于所述表面的取向。
[0008] 根據進一步的方面，第一輪是磁性驅動輪。
[0009] 根據進一步的方面，第二輪是磁性驅動輪。
[0010]根據進一步的方面，車輛能夠在螺旋路徑上橫越彎曲表面。
[0011]根據本發明的另一個方面，提供了用于確定車輛相對于一表面的取向的系統，其 中所述表面具有表示該表面的曲率的限定的幾何數據。所述系統包括一車輛，該車輛具有 第一底盤區段，第二底盤區段，和連接第一和第二底盤區段以使得第一和第二底盤區段能 夠相對于彼此在至少第一方向上旋轉的鉸鏈接頭。車輛進一步包括安裝到第一和第二底盤 區段之一的第一輪，安裝到第一和第二底盤區段中的另一個的第二輪，以及構造為測量圍 繞所述鉸鏈接頭的旋轉角度的傳感器。所述系統進一步包括處理器，該處理器構造為基于 限定的車輛幾何數據、表面幾何數據和圍繞所述鉸鏈接頭的測量到的旋轉角度，確定車輛 相對于所述表面的取向。
[0012] 根據進一步的方面，限定的車輛幾何數據至少包括分別在鉸鏈接頭與第一和第二 輪的中心之間的距離以及這些輪的直徑。
[0013] 根據進一步的方面，第一輪是磁性驅動輪。
[0014] 根據進一步的方面，第二輪是磁性驅動輪。
[0015] 根據進一步的方面，車輛能夠在螺旋路徑上橫越彎曲表面。
[0016] 根據本發明的另一個方面，用于確定設備相對于具有一表面的物體的取向的方法 被提供。該方法包括以下步驟:提供一設備，該設備至少具有能夠接觸物體的表面的第一和 第二元件以及能夠測量取決于設備相對于物體的表面的取向的至少一個變量的第三元件。 所述方法進一步包括以下步驟:提供限定設備的幾何形狀的幾何數據，提供限定表面的曲 率的表面幾何數據，以及測量所述變量。所述方法包括基于設備幾何數據、表面幾何數據和 測量到的變量，確定設備相對于物體的表面的取向。
[0017] 根據進一步的方面，第一和第二元件是第一和第二支腿。
[0018] 根據進一步的方面，第一和第二支腿包括構造為附著到物體的表面的夾持器元 件。
[0019] 根據進一步的方面，第三元件包括經由樞軸連接到所述設備的第三支腿以及構造 為測量第三支腿圍繞樞軸的旋轉的傳感器。
[0020] 根據進一步的方面，第三支腿包括構造為附著到物體的表面的第三夾持器元件。
[0021] 根據進一步的方面，所述變量是第三支腿圍繞樞軸的旋轉度。
[0022] 根據進一步的方面，第三元件包括將第一和第二支腿連接到所述設備的第一和第 二樞軸以及構造為分別測量第一和第二支腿的旋轉的第一和第二傳感器。
[0023] 根據進一步的方面，變量包括第一和第二支腿圍繞它們的相應樞軸的旋轉度。 [0024]根據進一步的方面，第三元件構造為相對于所述設備線性地平移以及進一步包括 構造為測量相對于所述設備的平移的傳感器。
[0025]根據進一步的方面，第三元件包括構造為附著到物體的表面的第三夾持器元件。 [0026]根據進一步的方面，變量是第三元件的線性平移量。
[0027]根據進一步的方面，第三元件是由所述設備支撐并構造為測量設備和物體的表面 之間的距離的無接觸距離傳感器。
[0028]根據進一步的方面，變量是傳感器和所述表面之間的距離。
[0029]根據本發明的另一個方面，提供了用于確定設備相對于具有一表面的物體的取向 的系統，其中所述表面具有表示該表面的曲率的限定的幾何數據。所述系統包括一設備，該 設備至少具有能夠接觸物體的表面的第一和第二元件以及能夠測量取決于設備相對于物 體的表面的取向的至少一個變量的第三元件。所述系統進一步包括處理器，該處理器構造 為基于限定的設備幾何數據、表面幾何數據和測量到的變量來確定設備相對于所述表面的 取向。
[0030] 根據進一步的方面，第一和第二元件是第一和第二支腿。
[0031] 根據進一步的方面，第一和第二支腿包括構造為附著到物體的表面的夾持器元 件。
[0032] 根據進一步的方面，第三元件包括經由樞軸連接到所述設備的第三支腿以及構造 為測量第三支腿圍繞樞軸的旋轉的傳感器。
[0033] 根據進一步的方面，第三支腿包括構造為附著到物體的表面的第三夾持器元件。 [0034]根據進一步的方面，變量是第三支腿圍繞樞軸的旋轉度。
[0035]根據進一步的方面，第三元件包括將第一和第二支腿連接到所述設備的第一和第 二樞軸以及構造為分別測量第一和第二支腿的旋轉的第一和第二傳感器。
[0036]根據進一步的方面，變量包括第一和第二支腿圍繞它們的相應樞軸的旋轉度。 [0037]根據進一步的方面，第三元件被構造為相對于所述設備線性地平移并且進一步包 括構造為測量相對于所述設備的平移的傳感器。
[0038]根據進一步的方面，第三元件包括構造為附著到物體的表面的第三夾持器元件。 [0039]根據進一步的方面，變量是第三元件的線性平移量。
[0040]根據進一步的方面，第三元件是由所述設備支撐并構造為測量設備和物體的表面 之間的距離的無接觸距離傳感器。
[0041] 根據進一步的方面，變量是傳感器和所述表面之間的距離。
【附圖說明】
[0042] 圖IA示出有關取向可被確定的車輛；
[0043]圖IB示出有關取向可被確定的車輛的附加特征；
[0044] 圖2A示出在一表面上的車輛的示意圖；
[0045] 圖2B示出在一表面上的車輛的示意圖；
[0046] 圖3示出在一表面上的車輛；
[0047] 圖4示出可用來確定取向的系統的示意圖；
[0048] 圖5A-5B示出在相對于一表面的取向處的車輛；
[0049] 圖6A-6C示出在相對于一表面的取向處的車輛；
[0050] 圖7示出在一表面上的車輛的圖示；
[0051] 圖8A-8B示出相對于一表面和相對于重力的車輛；以及
[0052] 圖9A-9H示出可用來確定物體相對于裝置的取向的該裝置。
【具體實施方式】
[0053]本發明涉及用于確定運動裝置例如機器人車輛、鉗狀件(pincer)等相對于具有已 知幾何形狀的表面的取向的系統和方法。對于接觸(例如驅動在其上）已知彎曲表面的機構 (例如，車輛)來說，所述機構的取向可基于機構的構造和機構的測量的變化進行確定。例 如，機構可被設置成以使得它的大體形狀可以以可測量的方式動態地變化(或主動或被動） 以便允許所述機構的主體自我調節正被接觸(或橫越)的表面的曲率。另外，所述機構在該 變化期間保持充分限定的結構(例如，部分的所述機構可相對于彼此旋轉，但是所述機構本 身的長度保持不變）。使用這樣的機構，測量的變化可通過數學模型運行以計算所述機構相 對于彎曲表面的特定特征的絕對取向。要指出的是，沒有保持充分限定的結構的機構可導 致數學模型的多重解并且因此車輛的計算取向會是不可能的。因此，機構可具有提供多余 限定的結構(例如多個鉸接機構，比如具有多個鉗狀件的夾持器，其可進一步用來確定位置 以及取向信息）。為了容易示出，根據一個實施例的系統和方法被描述為與機器人檢查車輛 有關。然而，所述系統和方法沒有被如此限制并且可應用到其他裝置。
[0054] 在移動機器人中，定位數據被理解為確定物體相對于參照系的位置和取向的數 據。精確的定位數據對于合適的導航、路徑規劃、繪圖以及在該領域中的其他任務是需要 的。本發明的系統和方法提供了用于確定車輛相對于該車輛在其上行進的表面的取向的設 備。該取向信息可與其他數據結合來確定車輛的精確位置，它已經行進了多遠，以及它的行 進的軌跡路徑，如在下面更詳細地論述。
[0055] 參照圖IA和3,根據本發明的實施例的機器人車輛10被示出。機器人車輛10包括第 一底盤區段12和第二底盤區段14。驅動輪16連接到第一底盤區段12,而全向輪18連接到第 二底盤區段14。輪16和18和/或底盤區段可包括提供車輛和鐵磁性/可磁導材料(例如在存 在磁場時產生吸引力的材料，比如鋼管)之間的吸引力的磁體。磁體可被選擇為以使得它們 提供足夠的吸引力以允許車輛在當沿著鐵磁性/可磁導的表面行進時在豎直和/或倒置位 置中行進。第一和第二底盤區段經由鉸鏈20連接在一起。鉸鏈20可以是若干不同類型的，例 如包括關節/銷鉸鏈、滾珠和棘爪鉸鏈）。其它類型的結構可用來提供兩個底盤區段之間的 自由度。例如，柔性材料(例如，柔性塑料)可用來將兩個底盤區段連接在一起同時提供兩個 底盤區段之間的自由度。鉸鏈20提供第一和第二底盤區段之間的運動的自由度以使得它們 可相對于彼此旋轉，如由箭頭"A"指示。運動的自由度，其允許第一和第二底盤區段12,14之 間的旋轉，為車輛提供運動的柔性以橫越彎曲表面同時驅動輪16和全向輪18保持接觸所述 彎曲表面1(例如鋼管)并且正交于彎曲表面1取向。
[0056] 現在參照圖1B，簡化圖示出了驅動輪16和全向輪18的取向，沒有示出鉸接的底盤。 在具有由箭頭"D"指示的行進的優選方向的機器人車輛的實施例中，機器人車輛10的驅動 輪16響應將車輛向前推進的馬達圍繞它的入口在由箭頭"R1"指示的方向上旋轉。全向輪18 的旋轉軸線標稱地垂直于驅動輪16取向（且這些輪處于正交平面內），如圖IB所示。全向輪 18包括圍繞全向輪18的周邊定位的多個輥22。輥22(例如經由銷或軸)被安裝在全向輪18 上，用于在與驅動輪16相同的方向上旋轉，如由箭頭"R2"指示（即，Rl是與R2相同的方向）。 因此，當驅動輪16被驅動時，全向輪18可用作沒有被驅動的從動輪。輥22在當驅動輪16被驅 動時被動地旋轉，從而允許車輛通過用于減少被動的全向輪18的摩擦的目的的輥在由箭頭 "D"指示的被驅動方向上行進，至少這是當車輛10沿著一定水平表面運動時的結果。
[0057]全向輪18提供操縱或旋轉來控制機器人車輛10。車輛10可使用如上所述的馬達， 或第二馬達(二者都沒有單獨示出）通過使用全向輪和馬達之間的傳統聯鎖，通過驅動所述 全向輪18而被操縱。全向輪在由箭頭"R3"指示的方向上旋轉。全向輪的旋轉引起車輛在由 箭頭"S"指示的方向上轉彎或操縱。控制全向輪18的旋轉允許車輛10的操縱。鉸鏈20被構造 為當全向輪在"S"方向上被驅動時具有最小的無屈服(yield)以使得車輛可在方向"S"上旋 轉，而沒有車輛本身折疊以及以使得在全向輪18的"S"方向上的運動可由于通過鉸鏈20轉 移到驅動輪的運動而與驅動輪16的再取向有關。
[0058]因此，驅動輪16可被控制以提供車輛的向前和向后運動同時全向輪18或是被動 的、低阻力的從動輪或用作車輛的主動的、操縱機構。輪16,18可被開動并被單獨或同時驅 動以影響車輛10的不同類型的操縱。
[0059] 車輛的輪的構造提供了優秀的可移動性和穩定性同時保持相對較小的足跡。這允 許機器人裝配到小的區域中并具有通過傳統布置比如四個輪的車輛實現會是困難的（如果 不是不可能的話）的機動性。例如，具有所述布置的車輛可建造為以使得它可在從直徑8英 寸的表面到完全平坦的表面上是有效的。驅動輪16提供穩定性給車輛。特別地，驅動輪包括 堅固的磁體，其建立了輪和車輛10可在其上運動的鐵磁性表面之間的拉力，以及該結構布 置有助于防止車輛的翻倒。另外，驅動輪可具有相對寬的和平坦的構造，其進一步提供穩定 性給車輛。
[0060] 參照圖3，車輛10被示出為橫越彎曲的鐵磁性表面1，其僅舉例來說可以是鋼管。驅 動輪16和全向輪18每個可包括一磁體。例如，磁體可被包括在這些輪的每個的輪轂中，或者 在雙全向輪的情況下（如圖3所示)在兩個輪轂之間。通過將驅動輪和全向輪連接到相應的 底盤區段，每個底盤區段(經由輪中的磁體)被吸引到鐵磁性/可磁導材料表面(例如，在存 在磁場時產生吸引力的材料，比如鋼管）。可替代地或另外，底盤區段它們自己可包括提供 每個底盤區段和鐵磁性表面之間的吸引力的磁體。因而，當車輛橫越彎曲的或不平坦表面 時，每個底盤區段可被磁性地被吸引到所述表面。同時，鉸鏈20能使底盤區段相對于彼此旋 轉。通過該布置，驅動輪16和全向輪18保持接觸與車輛10沿著其行進的表面并且正交于該 表面。彈簧24還可以在兩個底盤區段12,14之間延伸并且被連接以便提供促動力以有助于 所述區段回到這樣的位置:其中兩個輪位于相同的平面表面上，兩個底盤區段之間的旋轉 度近似為零。
[0061] 參照圖2A和2B，示出了機器人車輛在彎曲表面和平坦的平面表面上的示意圖。如 圖2A所示，底盤區段圍繞鉸鏈20旋轉以使得輪與彎曲表面2 (例如管)接觸。在沒有鉸鏈20的 情況下，底盤會保持筆直線性構造并且一個輪不會接觸所述彎曲表面或僅可部分地接觸所 述彎曲表面。輪中的一個或兩個沒有保持與行進表面接觸可導致在底盤和表面的磁體之間 的吸引力的顯著下降。這可具有災難的結果，例如當車輛橫越豎直的或倒置表面時，其中車 輛不能保持與所述表面的磁性緊束(purchase)并且從所述表面分離。車輛的分離會導致由 于下落遭受對車輛的損壞，給該區域中的工人帶來危險，和/或可導致車輛被卡住，其可提 供進一步的問題。如圖2B所示，車輛10設置在彎曲表面2上但是車輛平行于彎曲表面的軸線 取向（例如，平行于管的流動的方向。因為車輛位于彎曲表面的脊上，因此前后輪位于相 同的平面表面上。因而，圍繞鉸鏈的旋轉度是零。
[0062]鉸鏈20可包括旋轉停止部26和28。這些可以是在例如第一和第二底盤區段的每個 上的配合表面。旋轉停止部防止圍繞鉸鏈20的無意的旋轉，例如當車輛在平坦的表面上時。 例如，鉸鏈可防止車輛在處于平坦表面上時本身折疊使得鉸式接合在所述表面上被拖曳。
[0063]如圖2A所示，車輛垂直于管的軸線或流動方向取向。在該構造中，圍繞鉸鏈的旋轉 角或旋轉度退出，如由附圖標記30指示。當車輛垂直于彎曲表面的軸線時，鉸鏈之間的角度 處于它的最大值。如圖2B所示，車輛10位于彎曲表面上但是車輛平行于彎曲表面的軸線取 向（例如，平行于管的流動方向）。因為車輛位于彎曲表面的脊上，所以前后輪位于相同的平 面表面上。因而，圍繞鉸鏈的旋轉度是零。在該取向中，圍繞鉸鏈的角度處于它的最小值，即 零。當車輛從其中車輛垂直于表面的軸線的取向過渡到其中車輛平行于所述表面的軸線的 取向時，圍繞鉸鏈的角度從它的最大值減小到它的最小值。通過測量圍繞所述鉸鏈的角度 的值，車輛相對于所述彎曲表面的取向可被確定，如在下面更詳細地論述。
[0064] 該角度的度數的值是車輛的幾何形狀、車輛所在的彎曲表面(例如管）的直徑以及 車輛相對于彎曲表面的取向的函數。車輛的幾何形狀(其可包括輪的直徑及輪和鉸鏈之間 的距離)是可被測量和已知的并且在由機器人執行的檢查期間保持恒定的因素。另外，車輛 在其上將被部署以檢查的表面(例如彎管）的直徑是可被測量并且已知的以及在由機器人 執行的檢查期間保持恒定的因素。另外，圍繞所述鉸鏈的角度的度數可經由傳感器(例如， 使用電位計，編碼器，應變儀，在較短時期內2個慣性測量單元(一個慣性測量單元安裝在驅 動模塊上且另一個在操縱模塊上）之間的相對差，或其他合適的傳感器等)被測量。使用與 車輛和所述表面有關的已知的且恒定的因素，與測量到的圍繞所述鉸鏈的角度結合，可以 計算車輛的取向。
[0065] 下面的例子示出計算特定幾何形狀的車輛橫越特定幾何形狀的彎曲表面(在該例 子中為管）的取向的方法。使用示例性的計算，車輛的定位數據可被確定，其對于確定車輛 的位置以及識別檢查數據正在被收集的位置以便確定結構中的故障可能位于哪里是有用 的。所述定位方案允許車輛恒定地和精確地確定它相對于所述管的位置和取向。由此，則能 夠針對所述管幾何形狀精確地繪制所述檢查數據以允許操作者精確測定在引入的傳感器 信息中注意到的任何問題并且將它定位。精確地確定車輛的位置并且將該位置與檢查數據 結合的能力允許產生可靠的超聲波掃描，用于厚度測量和腐蝕繪圖。
[0066] 為了提供所述管的全掃描和周詳的腐蝕圖，車輛可自主地沿著圍繞所述管的螺旋 路徑。螺旋路徑相對于柵格化（曲折的）掃描路徑或圓形掃描路徑提供了顯著的優點。在圓 形掃描路徑中，一旦一個環被完成，典型的爬行器的縱向位置就必須沿著管軸線增加。完成 圓形掃描然后前進的該過程被重復直到蓋住管的所希望的長度。在柵格化掃描的縱向，一 旦希望的管長度已經被掃描，爬行器就必須增加它的角位置然后執行另一個線性掃描。該 過程在已經被蓋住的希望的區域中重復。大部分的這些爬行器不是很好地移動的而是替代 地使用提供靜平臺的支撐托架，爬行器可在該平臺上以X-Y運動（周向和縱向）移動以蓋住 希望的掃描區域。這意味著到進入希望的掃描區域是必要條件以便提供所述支撐托架。如 上所述的車輛10具有高移動性并且不需要靜支撐托架。相反，它可在沒有這樣的托架的情 況下在所述管上自由地漫步。因此，不需要進入希望的掃描區域因此車輛可布置在沿著所 述管的任何一點處然后它可被驅動到希望的位置。具有這樣的能力能使車輛執行較少的受 限運動和機動。進一步地，車輛的移動性允許車輛在它正執行超聲掃描時橫越螺旋路徑。
[0067] 與沿著X-Y掃描運動相比，沿著螺旋路徑簡化了車輛的操縱控制。在螺旋路徑中， 車輛被指令以便以給定速率向前驅動并且較少的操縱修正可被執行以實現希望的螺旋路 徑。這提供了比需要復雜的操縱機動性的X-Y掃描方法更有效的控制方法。螺旋掃描路徑可 導致用于車輛的更長的電池壽命。與螺旋掃描相比，使用X-Y掃描來掃描管會由于在每次掃 描行之后需要的復雜操縱而導致過度的電池消耗。此外，如果要求車輛在每次掃描行期間 克服重力運動，其對于線性掃描的相當大部分會發生，過度動力消耗可發生。爬行器在X-Y 掃描路徑中的定位更復雜且較小的誤差容忍。位置確定中的誤差很可能發生在在X-Y系統 中掃描每行之后需要的復雜的操縱機動期間。
[0068] 在螺旋掃描路徑中，定位可經由螺旋間距控制和螺旋環開始/結束控制得以實現。 螺旋間距控制保證螺旋的間距(每個環和下個環之間的空間）沿著整個螺旋路徑是恒定的。 螺旋環開始/結束控制保證車輛能夠確定何時螺旋環結束以及下一個開始。
[0069] 車輛可保證每個環和下一個環（螺旋間距）之間的空間是恒定的。因此，車輛可沿 著希望的螺旋路徑以將獲得的檢查數據繪制到正確的相應位置。當車輛沿著所述管前進 時，控制方法可被執行以控制螺旋間距并確保這些環彼此相似地間隔開。控制所述間距提 供了已知的、均勻的掃描路徑。
[0070] 車輛圍繞所述管的軌跡的間距可通過監視和控制車輛相對于所述管的取向（縱向 的，具有任何間距的螺旋的，或者圓形的)進行控制。通過測量所述取向角，控制環可確保角 度被維持并且由此螺旋間距被維持。車輛相對于所述管的取向可通過測量車輛的操縱和驅 動模塊之間的鉸鏈的角度(第一和第二底盤區段之間的角度)被確定。包括車輛區段之間的 鉸鏈提供了測量圍繞所述鉸鏈的角度的能力。鉸鏈還提供給車輛自調節特征，其允許車輛 在各種曲率和管徑的表面上操作。
[0071] 對于相對于所述管的車輛取向角度的測量慣例可被設定。圖5A和5B示出對于角度 (Θ)的示例性的測量慣例。根據該慣例，當車輛10垂直于管50取向時，其會導致車輛在圓周 (圓形的）路徑上行進，Θ是零度。當車輛在與管的流動相同的方向上取向時，其會導致車輛 沿著管的長度行進，Θ是90度。因此，當車輛相對于管的取向從垂直變為縱向時，Θ從零增加 到90度。在二維橫截平面上的數學模型由中心車輛平面產生。這是與角位移Θ相同的平面。 圖6A-6B示出對于不同的Θ值的管60相對于車輛10的橫截面。圖6A示出對于圓周路徑的橫截 面，其中Θ是零。如可在圖6B和6C中看到，增加 Θ使得管的橫截面變為其長軸隨Θ增加的橢圓。 [0072] 參照圖7,車輛70以線形式表示。車輛70包括第一底盤區段72,第二底盤區段74,驅 動輪76和相對于驅動輪76正交安裝的全向輪78。車輛位于管71上，該管對于具體的Θ值具有 橢圓橫截面。車輛和管的參數由以下數學符號代表，其中：
[0073] Φ:鉸鏈角度；
[0074] a:所述管的橢圓橫截面的長軸；
[0075] b:所述管的橢圓橫截面的短軸；
[0076] Rl:磁性驅動輪的半徑；
[0077] R2:全向輪的半徑；
[0078] L:所述驅動輪樞軸和鉸鏈之間的虛擬剛性鏈接的長度；
[0079] D:所述鉸鏈和第一輥組全向輪之間的距離；
[0080] W:全向輪的寬度(兩個輥組之間的距離）；
[0081 ] Xl，yl:全向輪和管之間的第一接觸點的坐標；
[0082 ] x2，y 2:全向輪和管之間的第二接觸點的坐標；
[0083] Xh，yh:鉸接點的坐標。
[0084]短軸b將等于管的半徑，不管機器人取向Θ如何。長軸a取決于所述取向并且可使用 以下等式確定：
[0086]兩個數學模型可被用于所述鉸鏈角度。"正演模型"允許對于給定的車輛取向角度 Θ的鉸鏈角度Φ的確定。"反演模型"允許對于給定的鉸鏈角度Φ的車輛取向角度Θ的確定。
[0087] 正演模型
[0088] 對于正演模型，a可從以上公式計算，因為Θ是已知的。為了計算鉸鏈角度Φ，六個 非線性方程組被構建以求解在該模型中的六個未知數(xl，y I，x2，y2，xh，yh)。這些求解的變 量可用來計算所述鉸鏈角度Φ。這六個方程使用以下關系進行編寫：
[0089] 1.在橢圓上的第一全向輪接觸點的位置
[0090] 2.在橢圓上的第二全向輪接觸點的位置
[0091] 3.鉸接點和驅動輪軸線之間的距離
[0092] 4.兩個接觸點之間的距離(全向輪寬度）
[0093] 5.鉸接點相對于兩個接觸點位置的X坐標
[0094] 6.鉸接點相對于兩個接觸點位置的Y坐標
[0095] 這些關系可用以下方程式表示：
[0102] 這六個方程可寫為如下的非線性方程組：
[0105] 求解這些方程可使用迭代的Newton-Raphson數值方法實現。在每個迭代中，新的 矢量X被計算如下：
[0107]其中Jf是所述方程組F(X)的雅可比矩陣：
[0109]求解以上方程涉及雅可比求逆，其是費時的并且導致高要求的計算資源。因此以 下的線性方程組可被用于更快速獲得計算結果：
對于首次迭代，矢量Xn為初始估計值Xo。用來確保朝向一解收斂的初始估計值是 其中鉸接點具有與驅動輪軸線相同的y坐標并且鉸鏈角度Φ是180度的情況。在該情況下， 初始估計值變為：
[0113]在求解所述非線性方程組之后，鉸鏈角度Φ然后根據X被計算如下：
[0115]用于正演模型中的計算順序的概括可表示為如下：
[0117]反演模型
[0118]在該反演模型中，鉸鏈角度Φ被給出（使用電位計或其他合適的傳感器測量)并且 車輛取向Θ要被計算。在該情況下，長軸a是未知數。為了計算Φ，七個非線性方程組可被構 建以求解該模型中的六個未知數(xl，yl ^2,72^11，711，3)。這些方程是與正演模型相同的 六個方程加上鉸鏈角度方程Φ。這些方程因此為：
[0127] 該方程組還可以使用Netwon-Raphson方法求解并且初始估計值為：
[0129]在求解該非線性方程組之后，車輛取向Θ可根據X計算如下：
[0131]用于正演模型中的計算順序的概括可表示為如下：
[0133] 為了確定何時螺旋路徑的每個環結束以及下一個環開始，傳感器讀數的組合可被 使用，包括輪編碼器和MU數據(加速度計，陀螺儀，和磁力儀）。所使用的定位方案依賴于相 對于地面的管取向，因為它影響哪個傳感器提供有用的讀數。如果管80是水平的，如圖8A所 示，則加速度計將在確定車輛10在管上的角位置方面提供有用的數據。重力方向以及由此 加速度計讀數將連續地變化同時車輛正在圍繞所述管行進。具有這樣的變化有助于控制器 知道何時機器人抵達例如12點鐘位置并且記錄螺旋環的結束和下一個的開始。如果管80是 豎直的，如圖8B所示，則加速度計將不是有用的，因為相對于車輛10的重力方向不會變化。 因此，加速度計數據不會變化同時機器人圍繞所述管移動，不管加速度計安裝在機器人上 的取向如何。這是因為當機器人圍繞豎直水平行進時機器人的相同的面總是面向地面。
[0134] 因此，在水平管的情況下，主微型控制器可根據加速度計值來確定螺旋環的結束 和開始。在傾斜的管上，加速度計值可被采用，只要傾斜不是接近豎直的；因為如果所述管 是豎直的或者接近豎直，則加速度計值將保持恒定或者它們的變化將對于有意義的確定是 不足夠的。在該情況下，其他方式可被采用，包括磁力計讀數，使用輪編碼器值的航位推測 法，和/或監視外部可見參照。卡爾曼濾波器或其他合適的傳感器融合算法可用來融合這些 數據用于豎直管的情況。
[0135] 因此，以上方程提供了一示例性的方法，用于確定車輛在彎曲表面上的取向/鉸鏈 角度。該方法可適合于能夠以可測量的方式(例如，具有被測量的鉸鏈）自動調節到已知的 曲率的不同結構的車輛/機構。
[0136] 用于確定車輛的取向的方法可通過具有帶存儲器的用于執行代碼的處理器的計 算機得以執行。如圖4所示，信息處理器102的功能元件被示出，以及優選地包括用來執行軟 件編碼以便控制信息處理器102的操作的一個或多個中央處理單元(CPU)202,只讀存儲器 (R0M)204,隨機存取存儲器(RAM)206,通過通信網絡發送數據到其他計算裝置以及從該計 算裝置接收數據的一個或多個網絡接口 208,存儲裝置210例如硬盤驅動器、閃速存儲器、用 于存儲程序代碼、數據庫和應用編碼的CD-ROM或DVD驅動器，一個或多個輸入裝置212例如 鍵盤、鼠標、跟蹤球等，以及顯示器214。信息處理器102的各種部件不必物理地容納在相同 的底盤內或者甚至位于單個位置中。例如，如以上關于可保存在存儲裝置210上的數據庫所 解釋的，存儲裝置210可位于遠離信息處理器102的保持元件的位置處，并且甚至可經由網 絡接口208通過通信網絡106連接到CPU 202。例如，數據處理可使用機器人機載的處理器執 行并且被傳送到遠程計算機終端。
[0137] 優選地，圖4中示出（由附圖標記202-214表示）的功能元件是優選地存在于用戶計 算裝置104中的相同類型的功能元件。然而，例如不是所有元件需要存在，在TOA的情況下的 存儲裝置以及各種元件的容量被布置成適應期待的用戶需求。例如，在用戶計算裝置104中 的CPU 202可以具有比如在信息處理器102中提供的CPU 202更小的容量。相似地，很可能信 息處理器102將包括比在工作站104中提供的存儲裝置210的容量大得多的存儲裝置210。當 然，本領域內的技術人員將理解到，功能元件的容量可根據需要進行調節。
[0138] 例如，測量所述鉸鏈的角度的傳感器可提供電氣輸入信號到處理器。這樣的信號 可在輸入到處理器202之前，例如通過作為計算機編碼執行的預處理模塊，經歷模擬或數字 信號處理。這樣的模塊可從模-數轉換器接收輸出，其反過來從傳感器例如應變儀接收信 號。用來確定車輛的取向的計算可通過位于機器人車輛機載的處理器執行。可替代地或另 外，傳感數據可(例如通過無線通信)被傳送到遠程處理器(例如，現場的便攜式計算機，智 能手機，圖形輸入裝置等）以執行所述處理以確定車輛的取向和位置。
[0139] 確定車輛的取向在機器人檢查應用中是特別地有用的。例如，取向信息可用來計 算車輛在沿著所述表面行進時其的軌跡。這可用來確定車輛的絕對位置。例如，取向信息可 與由車輛(例如，通過計算驅動輪的旋轉)行進的測量距離組合以確定沿著所述表面所述車 輛所在的位置。另外，取向信息可在當車輛正在用來檢查表面本身并且車輛需要越過所述 表面以檢查它時是特別地有用的。取向信息可用來確定希望的掃掠圖案（sweep pattern) 是否已經通過機器人得以實現。例如，距離和取向信息可被收集作為數據點并且被組合以 建立車輛的行進圖。該圖可以是三維圖（例如，使用柱面坐標系）或可通過將柱形表面變換 為平坦的平面表面被顯示為二維圖。進一步，因為機器人的軌跡可被繪制即位置信息可與 收集到的檢查數據組合，以產生其中所述結構的圖與所述檢查數據重疊的詳細圖。由此，可 產生包括位置信息和檢查信息（例如，在該位置的表面的狀況）的數據點。數據點可用來產 生管道的詳細圖，其中腐蝕的區域在圖上被顯著示出。在沒有本發明的系統和方法的情況 下，需要制作這樣的圖的定位數據會相對參照漂移誤差得以建立，所述漂移誤差會隨著時 間推移積累。
[0140] 將本發明的系統和方法結合到機器人車輛10中例如可提供顯著的優點。該系統和 方法可用于測量鉸鏈的角度，因為管上的機器人機動允許機器人相對于所述管的中心線 (或流動）的絕對取向被精確地計算。該方法可推廣到其他機構，車輛和彎曲表面。該方法是 唯一的在于它在其中圍繞車輛的重力的方向與車輛正圍繞其樞轉的旋轉軸線對準的特定 情況下優于IMU。重力和旋轉軸線之間的該對準可發生在例如其中機器人位于水平管上在 12點鐘位置和機器人正在成圓圈地樞轉/操縱就位的情況下。
[0141] 如以上所論述，該方法在機器人檢查車輛的控制下具有特別的應用。例如，如果機 器人要沿著柱形管前進，則鉸鏈角度的特定的測量可對應于機器人相對于管中心線或流動 的四個可能的取向。然而，如果機器人的原始取向是已知的，則所述系統可被構造為儲存日 期以及進一步儲存指示所有進一步取向變化的數據。因而，所述系統可跟蹤鉸鏈角度的前 述測量并且基于開始取向和前述的取向變化很容易地推斷那四個可能的當前取向中的哪 一個是真的取向。
[0142] 另外，如果機器人的幾何形狀是已知的并且機器人相對于管的取向是已知的，則 圍繞鉸鏈測量的角度可用來確定管的直徑。進一步地，機器人可位于未知直徑的管上并且 然后被指令圍繞它自己的驅動輪樞轉181度并且給從測量圍繞所述鉸鏈的角度的傳感器獲 得的數據繪圖。當機器人旋轉時，所述系統可記錄最大角度，其發生在當機器人正交于管的 流動取向時（即，仿佛機器人即將開始圍繞管圓周成圓圈地驅動）。最大測量的角度，與機器 人的幾何數據結合，可用于確定機器人正在其上行進的管的直徑。所述方法可適合于能夠 以可測量的方式(例如，具有被測量的鉸鏈）自動調節到已知的曲率的不同結構的車輛/機 構。車輛可用來檢查船外殼，包括航空航天器外殼和艦船外殼。另外，如果這樣的檢查工具 被用在在它的圓周之上具有唯一的曲率的結構上，則工具位置可通過測量鉸鏈角度被確 定。例如，如果潛艇的曲率在其整個外殼上是唯一的并且是已知的（例如，可在圖形上表示 為拋物線），則測量的鉸鏈角度可用來計算車輛取向和位置。
[0143] 如上所論述，所描述的方法更一般地可用于車輛及其他機構。例如，鉸鏈鉗狀件可 采用所述方法，用于確定正由所述鉗狀件保持的物體的取向。
[0144] 如上所述的方法可提供有用的數據于其中頂U不會提供相似信息的應用上。例如， 在自動裝配線中的智能夾持器(例如，包括由鉸鏈連接的第一和第二叉狀物的鉗狀件)可根 據本發明的原理進行構造以抓取雜亂蔓延的物體(例如，在具有隨機取向的堆中的一堆物 體），自我調節到它們的形狀并使用在所述夾持器的主體中的測量的變化以確定所述物體 被抓取的方式。例如，圖9A-9H示出可用來確定物體的取向的夾持器的若干實施例。
[0145] 參照圖9A，夾持器910具有兩個支腿912和經由樞軸916連接到夾持器的第三支腿 914。支腿912和支腿914的端部包括接觸物體的表面的夾持元件918。所述物體可具有凹的、 凸的或平坦的表面，或者它們的組合。夾持元件918維持夾持器與所述物體接觸。夾持器元 件可經由磁力、吸力、非永久附著力或用于維持夾持器的端部與物體接觸的其他合適方式 而與所述物體保持接觸。夾持器910和它的支腿及夾持元件的幾何細節是已知的。物體的幾 何細節也是已知的。因此，通過根據如上所述的方法測量在樞軸916處的旋轉量，由夾持器 保持的物體的取向可被確定。如圖9E所示，夾持器910被示出為在各個取向沿著物體的表面 與物體對妾觸。根據以上論述的方法，物體X相對于夾持器的取向可被確定。
[0146] 參照圖9B，夾持器920具有兩個支腿920,每個支腿經由樞軸926連接到夾持器。支 腿922的端部包括接觸物體的表面的夾持元件928。物體可具有凹的、凸的，或平坦的表面， 或者它們的組合。夾持元件928維持夾持器與物體接觸。夾持器元件可經由磁力、吸力、非永 久附著力或用于維持夾持器的端部與物體接觸的其他合適方式而與所述物體保持接觸。夾 持器920和它的支腿及夾持元件的幾何細節是已知的。物體的幾何細節也是已知的。因此， 通過根據如上所述的方法測量在樞軸926處的旋轉量，由夾持器保持的物體的取向可被確 定。如圖9F所示，夾持器920被示出為在各個取向沿著物體的表面與物體對妾觸。根據以上論 述的方法，物體X相對于夾持器的取向可被確定。
[0147] 參照圖9C，夾持器930具有兩個支腿932,每個支腿932連接到夾持器，以及能夠線 性位移的元件934。支腿932的端部和元件934包括接觸物體的表面的夾持元件938。物體可 具有凹的、凸的或平坦的表面，或者它們的組合。夾持元件938維持所述夾持器與物體接觸。 夾持器元件可經由磁力、吸力、非永久附著力、或用于維持夾持器的端部與物體接觸的其他 合適方式來保持與物體接觸。夾持器930、它的支腿、平移元件以及夾持元件的幾何細節是 已知的。物體的幾何細節也是已知的。因此，通過根據如上所述的方法測量元件934的位移 量，其中樞軸的旋轉替代為線性位移，由夾持器保持的物體的取向可被確定。元件934的位 移可例如通過傳感器比如彈簧應變儀936被測量。如圖9G所示，夾持器930被示出為在各個 取向沿著它的表面與物體對妾觸。根據以上論述的方法，物體X相對于夾持器的取向可被確 定。
[0148] 參照圖9D，夾持器940具有兩個支腿942,每個支腿942連接到夾持器。支腿942的端 部包括接觸物體的表面的夾持元件948。物體可具有凹的、凸的或平坦的表面，或者它們的 組合。夾持元件948維持夾持器與物體接觸。夾持器元件可經由磁力、吸力、非永久附著力、 或用于維持夾持器的端部與物體接觸的其他合適方式保持與物體接觸。夾持器包括可測量 傳感器946和與該傳感器成一直線的物體的表面之間的距離的非接觸式傳感器946(例如， 超聲波，光，激光器等）。夾持器930、它的支腿的幾何細節和傳感器的位置是已知的。物體的 幾何細節也是已知的。因此，通過根據如上所述的方法測量傳感器946和物體的表面之間的 距離，其中樞軸的旋轉被傳感器測量的距離替代，由夾持器保持的物體的取向可被確定。如 圖9H所示，夾持器940被示出為在各個取向沿著物體的表面與物體對妾觸。根據以上論述的 方法，物體X相對于夾持器的取向可被確定。
[0149] 圖9A-H示出其中一設備（例如，夾持器910,920,930,或940)可用來確定與該設備 接觸的物體的取向的實施例。所述方法確定與所述設備有關的幾何數據，確定與物體有關 的幾何數據，以及至少一個變量(例如，單樞轉，雙樞轉，線性平移或距離）以確定物體相對 于設備的取向。
[0150] 應當理解到，本發明的各種組合、替代選擇和改型可被本領域內的技術人員想到。 本發明是用來包括落入所附權利要求的范圍內的所有這樣的替代選擇、改型和變化。
[0151] 盡管本發明已經參照它的優選實施例被特別地示出和描述，但是本領域內的技術 人員將理解到，可在此進行形式和細節的各種變化，而沒有背離本發明的精神和范圍。
【主權項】
1. 一種用于確定車輛相對于一表面的取向的方法，包括以下步驟： 提供一車輛，該車輛具有： 第一底盤區段； 第二底盤區段； 鉸鏈接頭，該鉸鏈接頭連接第一和第二底盤區段以使得第一和第二底盤區段能夠相對 于彼此在至少第一方向上旋轉； 安裝到第一和第二底盤區段之一的第一輪； 安裝到第一和第二底盤區段中的另一個的第二輪； 提供至少限定分別在所述鉸鏈接頭和第一和第二輪的中心之間的距離以及每個輪的 直徑的車輛幾何數據； 提供限定所述表面的曲率的表面幾何數據； 測量圍繞所述鉸鏈接頭的旋轉角度； 基于車輛幾何數據、表面幾何數據以及測量到的旋轉角度，確定車輛相對于表面的取 向。2. 如權利要求1所述的方法，其中所述第一輪是磁性驅動輪。3. 如權利要求1所述的方法，其中所述第二輪是磁性驅動輪。4. 如權利要求1所述的方法，其中所述車輛能夠在螺旋路徑上橫越一彎曲表面。5. -種用于確定車輛相對于具有限定的幾何數據的表面的取向的系統，所述幾何數據 表示所述表面的曲率，所述系統包括： 車輛，該車輛具有： 第一底盤區段； 第二底盤區段； 鉸鏈接頭，該鉸鏈接頭連接第一和第二底盤區段以使得第一和第二底盤區段能夠相對 于彼此在至少第一方向上旋轉； 安裝到第一和第二底盤區段之一的第一輪； 安裝到第一和第二底盤區段中的另一個的第二輪； 構造為測量圍繞所述鉸鏈接頭的旋轉角度的傳感器；以及 處理器，該處理器構造為基于限定的車輛幾何數據、表面幾何數據和測量到的圍繞所 述鉸鏈接頭的旋轉角度來確定車輛相對于表面的取向。6. 如權利要求5所述的系統，其中限定的車輛幾何數據至少包括分別在鉸鏈接頭與第 一和第二輪的中心之間的距離，以及輪的直徑。7. 如權利要求5所述的系統，其中第一輪是磁性驅動輪。8. 如權利要求5所述的系統，其中第二輪是磁性驅動輪。9. 如權利要求5所述的系統，其中車輛能夠在螺旋路徑上橫越一彎曲表面。10. -種用于確定設備相對于具有一表面的物體的取向的方法，包括以下步驟： 提供一設備，該設備具有： 能夠接觸物體的表面的至少第一和第二元件； 能夠測量取決于設備相對于物體的表面的取向的至少一個變量的第三元件； 提供限定所述設備的幾何形狀的幾何數據； 提供限定所述表面的曲率的表面幾何數據； 測量所述變量； 基于所述設備幾何數據、表面幾何數據和測量到的變量，確定所述設備相對于物體的 表面的取向。11. 如權利要求10所述的方法，其中第一和第二元件是第一和第二支腿。12. 如權利要求11所述的方法，其中第一和第二支腿包括構造為附著到物體的表面的 夾持器元件。13. 如權利要求12所述的方法，其中第三元件包括經由樞軸連接到所述設備的第三支 腿以及構造為測量第三支腿圍繞樞軸的旋轉的傳感器。14. 如權利要求13所述的方法，其中第三支腿包括構造為附著到物體的表面的第三夾 持器元件。15. 如權利要求14所述的方法，其中所述變量是第三支腿圍繞樞軸的旋轉度。16. 如權利要求12所述的方法，其中第三元件包括將第一和第二支腿連接到所述設備 的第一和第二樞軸以及構造為分別測量第一和第二支腿的旋轉的第一和第二傳感器。17. 如權利要求16所述的方法，其中所述變量包括第一和第二支腿圍繞它們的相應樞 軸的旋轉度。18. 如權利要求12所述的方法，其中第三元件被構造為相對于所述設備線性地平移以 及進一步包括被構造為測量相對于所述設備的平移的傳感器。19. 如權利要求18所述的方法，其中所述第三元件包括構造為附著到物體的表面的第 三夾持器元件。20. 如權利要求19所述的方法，其中所述變量是第三元件的線性平移量。21. 如權利要求12所述的方法，其中第三元件是由所述設備支撐并被構造為測量所述 設備和物體的表面之間的距離的無接觸距離傳感器。22. 如權利要求21所述的方法，其中所述變量是所述傳感器和所述表面之間的距離。23. -種用于確定設備相對于具有表面的物體的取向的系統，所述表面具有表示該表 面的曲率的限定的幾何數據，所述系統包括： 所述設備，其具有： 能夠接觸物體的表面的至少第一和第二元件； 第三元件，該第三元件能夠測量取決于所述設備相對于物體的表面的取向的至少一個 變量； 處理器，該處理器被構造為基于限定的設備幾何數據、表面幾何數據和測量的變量來 確定所述設備相對于表面的取向。24. 如權利要求23所述的系統，其中第一和第二元件是第一和第二支腿。25. 如權利要求24所述的系統，其中第一和第二支腿包括構造為附著到物體的表面的 夾持器元件。26. 如權利要求25所述的系統，其中第三元件包括經由樞軸連接到所述設備的第三支 腿以及構造為測量第三支腿圍繞樞軸的旋轉的傳感器。27. 如權利要求26所述的系統，其中第三支腿包括構造為附著到物體的表面的第三夾 持器元件。28. 如權利要求27所述的系統，其中所述變量是第三支腿圍繞樞軸的旋轉度。29. 如權利要求25所述的系統，其中第三元件包括將第一和第二支腿連接到所述設備 的第一和第二樞軸以及構造為分別測量第一和第二支腿的旋轉的第一和第二傳感器。30. 如權利要求29所述的系統，其中所述變量包括第一和第二支腿圍繞它們的相應樞 軸的旋轉度。31. 如權利要求25所述的系統，其中第三元件構造為相對于所述設備線性地平移以及 進一步包括構造為測量相對于所述設備平移的傳感器。32. 如權利要求31所述的系統，其中第三元件包括構造為附著到物體的表面的第三夾 持器元件。33. 如權利要求32所述的系統，其中所述變量是第三元件的線性平移量。34. 如權利要求25所述的系統，其中第三元件是由所述設備支撐并構造為測量所述設 備和物體的表面之間的距離的無接觸距離傳感器。35. 如權利要求34所述的系統，其中所述變量是所述傳感器和所述表面之間的距離。
【文檔編號】G05D1/02GK105992900SQ201480072951
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2014年11月25日
【發明人】P.E.C.Z.岡薩雷斯, F.A.拉蒂夫, A.奧塔
【申請人】沙特阿拉伯石油公司