用于计算装置的取向的系统和方法
【专利摘要】提供了一种用于确定车辆的取向的系统和方法。所述方法包括这样的步骤：提供一种车辆，该车辆具有铰链接头以使得底盘的各区段能够相对于彼此旋转。第一和第二轮分别被安装到底盘区段的一个和另一个。分别限定了铰链接头和第一和第二轮的中心之间的距离以及轮的直径的车辆几何数据被提供。限定所述表面的曲率的表面几何数据可被提供。围绕铰链接头的旋转角度被测量。基于车辆几何数据、表面几何数据以及测量到的旋转角度，车辆相对于所述表面的取向可被确定。用于确定物体的取向的系统和方法也被提供。
【专利说明】
用于计算装置的取向的系统和方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 该申请基于2013年11月30日提交的美国临时专利申请序列号61/910,341并且要 求该美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
[0003] 本发明涉及装置的取向，特别地，涉及确定装置相对于一表面的取向的系统和方 法。
【背景技术】
[0004] 在移动机器人中，定位数据被理解为确定物体相对于参照系的位置和取向的数 据。精确的定位数据对合适的导航、路径规划、绘图以及在该领域中的其他任务是需要的。 通常，与定位有关的传感技术可被分为绝对和相对参照技术。相对技术包括使用旋转编码 器以跟踪车辆的驱动机构和轮的部件的旋转。这些技术缺乏绝对参照系由此通常遭遇累积 误差和漂移信号的问题。
[0005] 绝对参照技术的一些例子包括全球定位系统(GPS)和惯性测量单元（MU) APS非 常适于全球定位但是小规模的应用经常有时需要更高的分辨率/精度并且GPS不能提供取 向数据，仅定位。另一方面，IMU在取向数据方面是优秀的执行器但是它们对定位执行得不 好。最后，关键是，惯性测量单元的性能在当需要测量的取向角围绕平行于围绕所述装置的 重力场方向的轴线时被显著折衷。
[0006] 本发明致力于这些及其他问题。
【发明内容】
[0007] 根据本发明的一方面，用于确定车辆相对于一表面的取向的方法被提供。所述方 法包括以下步骤:提供一车辆，该车辆具有第一底盘区段，第二底盘区段，和连接第一和第 二底盘区段以使得第一和第二底盘区段能够相对于彼此在至少第一方向上旋转的铰链接 头。车辆进一步包括安装到第一和第二底盘区段之一的第一轮和安装到第一和第二底盘区 段中的另一个的第二轮。所述方法进一步包括提供至少限定分别在铰链接头与第一和第二 滑轮的中心之间的距离以及每个轮的直径的车辆几何数据。所述方法进一步包括提供限定 表面的曲率并测量围绕铰链接头的旋转角度的表面几何数据。所述方法还包括基于车辆几 何数据、表面几何数据和测量到的旋转角度，确定车辆相对于所述表面的取向。
[0008] 根据进一步的方面，第一轮是磁性驱动轮。
[0009] 根据进一步的方面，第二轮是磁性驱动轮。
[0010]根据进一步的方面，车辆能够在螺旋路径上横越弯曲表面。
[0011]根据本发明的另一个方面，提供了用于确定车辆相对于一表面的取向的系统，其 中所述表面具有表示该表面的曲率的限定的几何数据。所述系统包括一车辆，该车辆具有 第一底盘区段，第二底盘区段，和连接第一和第二底盘区段以使得第一和第二底盘区段能 够相对于彼此在至少第一方向上旋转的铰链接头。车辆进一步包括安装到第一和第二底盘 区段之一的第一轮，安装到第一和第二底盘区段中的另一个的第二轮，以及构造为测量围 绕所述铰链接头的旋转角度的传感器。所述系统进一步包括处理器，该处理器构造为基于 限定的车辆几何数据、表面几何数据和围绕所述铰链接头的测量到的旋转角度，确定车辆 相对于所述表面的取向。
[0012] 根据进一步的方面，限定的车辆几何数据至少包括分别在铰链接头与第一和第二 轮的中心之间的距离以及这些轮的直径。
[0013] 根据进一步的方面，第一轮是磁性驱动轮。
[0014] 根据进一步的方面，第二轮是磁性驱动轮。
[0015] 根据进一步的方面，车辆能够在螺旋路径上横越弯曲表面。
[0016] 根据本发明的另一个方面，用于确定设备相对于具有一表面的物体的取向的方法 被提供。该方法包括以下步骤:提供一设备，该设备至少具有能够接触物体的表面的第一和 第二元件以及能够测量取决于设备相对于物体的表面的取向的至少一个变量的第三元件。 所述方法进一步包括以下步骤:提供限定设备的几何形状的几何数据，提供限定表面的曲 率的表面几何数据，以及测量所述变量。所述方法包括基于设备几何数据、表面几何数据和 测量到的变量，确定设备相对于物体的表面的取向。
[0017] 根据进一步的方面，第一和第二元件是第一和第二支腿。
[0018] 根据进一步的方面，第一和第二支腿包括构造为附着到物体的表面的夹持器元 件。
[0019] 根据进一步的方面，第三元件包括经由枢轴连接到所述设备的第三支腿以及构造 为测量第三支腿围绕枢轴的旋转的传感器。
[0020] 根据进一步的方面，第三支腿包括构造为附着到物体的表面的第三夹持器元件。
[0021] 根据进一步的方面，所述变量是第三支腿围绕枢轴的旋转度。
[0022] 根据进一步的方面，第三元件包括将第一和第二支腿连接到所述设备的第一和第 二枢轴以及构造为分别测量第一和第二支腿的旋转的第一和第二传感器。
[0023] 根据进一步的方面，变量包括第一和第二支腿围绕它们的相应枢轴的旋转度。 [0024]根据进一步的方面，第三元件构造为相对于所述设备线性地平移以及进一步包括 构造为测量相对于所述设备的平移的传感器。
[0025]根据进一步的方面，第三元件包括构造为附着到物体的表面的第三夹持器元件。 [0026]根据进一步的方面，变量是第三元件的线性平移量。
[0027]根据进一步的方面，第三元件是由所述设备支撑并构造为测量设备和物体的表面 之间的距离的无接触距离传感器。
[0028]根据进一步的方面，变量是传感器和所述表面之间的距离。
[0029]根据本发明的另一个方面，提供了用于确定设备相对于具有一表面的物体的取向 的系统，其中所述表面具有表示该表面的曲率的限定的几何数据。所述系统包括一设备，该 设备至少具有能够接触物体的表面的第一和第二元件以及能够测量取决于设备相对于物 体的表面的取向的至少一个变量的第三元件。所述系统进一步包括处理器，该处理器构造 为基于限定的设备几何数据、表面几何数据和测量到的变量来确定设备相对于所述表面的 取向。
[0030] 根据进一步的方面，第一和第二元件是第一和第二支腿。
[0031] 根据进一步的方面，第一和第二支腿包括构造为附着到物体的表面的夹持器元 件。
[0032] 根据进一步的方面，第三元件包括经由枢轴连接到所述设备的第三支腿以及构造 为测量第三支腿围绕枢轴的旋转的传感器。
[0033] 根据进一步的方面，第三支腿包括构造为附着到物体的表面的第三夹持器元件。 [0034]根据进一步的方面，变量是第三支腿围绕枢轴的旋转度。
[0035]根据进一步的方面，第三元件包括将第一和第二支腿连接到所述设备的第一和第 二枢轴以及构造为分别测量第一和第二支腿的旋转的第一和第二传感器。
[0036]根据进一步的方面，变量包括第一和第二支腿围绕它们的相应枢轴的旋转度。 [0037]根据进一步的方面，第三元件被构造为相对于所述设备线性地平移并且进一步包 括构造为测量相对于所述设备的平移的传感器。
[0038]根据进一步的方面，第三元件包括构造为附着到物体的表面的第三夹持器元件。 [0039]根据进一步的方面，变量是第三元件的线性平移量。
[0040]根据进一步的方面，第三元件是由所述设备支撑并构造为测量设备和物体的表面 之间的距离的无接触距离传感器。
[0041] 根据进一步的方面，变量是传感器和所述表面之间的距离。
【附图说明】
[0042] 图IA示出有关取向可被确定的车辆；
[0043]图IB示出有关取向可被确定的车辆的附加特征；
[0044] 图2A示出在一表面上的车辆的示意图；
[0045] 图2B示出在一表面上的车辆的示意图；
[0046] 图3示出在一表面上的车辆；
[0047] 图4示出可用来确定取向的系统的示意图；
[0048] 图5A-5B示出在相对于一表面的取向处的车辆；
[0049] 图6A-6C示出在相对于一表面的取向处的车辆；
[0050] 图7示出在一表面上的车辆的图示；
[0051] 图8A-8B示出相对于一表面和相对于重力的车辆；以及
[0052] 图9A-9H示出可用来确定物体相对于装置的取向的该装置。
【具体实施方式】
[0053]本发明涉及用于确定运动装置例如机器人车辆、钳状件(pincer)等相对于具有已 知几何形状的表面的取向的系统和方法。对于接触(例如驱动在其上）已知弯曲表面的机构 (例如，车辆)来说，所述机构的取向可基于机构的构造和机构的测量的变化进行确定。例 如，机构可被设置成以使得它的大体形状可以以可测量的方式动态地变化(或主动或被动） 以便允许所述机构的主体自我调节正被接触(或横越)的表面的曲率。另外，所述机构在该 变化期间保持充分限定的结构(例如，部分的所述机构可相对于彼此旋转，但是所述机构本 身的长度保持不变）。使用这样的机构，测量的变化可通过数学模型运行以计算所述机构相 对于弯曲表面的特定特征的绝对取向。要指出的是，没有保持充分限定的结构的机构可导 致数学模型的多重解并且因此车辆的计算取向会是不可能的。因此，机构可具有提供多余 限定的结构(例如多个铰接机构，比如具有多个钳状件的夹持器，其可进一步用来确定位置 以及取向信息）。为了容易示出，根据一个实施例的系统和方法被描述为与机器人检查车辆 有关。然而，所述系统和方法没有被如此限制并且可应用到其他装置。
[0054] 在移动机器人中，定位数据被理解为确定物体相对于参照系的位置和取向的数 据。精确的定位数据对于合适的导航、路径规划、绘图以及在该领域中的其他任务是需要 的。本发明的系统和方法提供了用于确定车辆相对于该车辆在其上行进的表面的取向的设 备。该取向信息可与其他数据结合来确定车辆的精确位置，它已经行进了多远，以及它的行 进的轨迹路径，如在下面更详细地论述。
[0055] 参照图IA和3,根据本发明的实施例的机器人车辆10被示出。机器人车辆10包括第 一底盘区段12和第二底盘区段14。驱动轮16连接到第一底盘区段12,而全向轮18连接到第 二底盘区段14。轮16和18和/或底盘区段可包括提供车辆和铁磁性/可磁导材料(例如在存 在磁场时产生吸引力的材料，比如钢管)之间的吸引力的磁体。磁体可被选择为以使得它们 提供足够的吸引力以允许车辆在当沿着铁磁性/可磁导的表面行进时在竖直和/或倒置位 置中行进。第一和第二底盘区段经由铰链20连接在一起。铰链20可以是若干不同类型的，例 如包括关节/销铰链、滚珠和棘爪铰链）。其它类型的结构可用来提供两个底盘区段之间的 自由度。例如，柔性材料(例如，柔性塑料)可用来将两个底盘区段连接在一起同时提供两个 底盘区段之间的自由度。铰链20提供第一和第二底盘区段之间的运动的自由度以使得它们 可相对于彼此旋转，如由箭头"A"指示。运动的自由度，其允许第一和第二底盘区段12,14之 间的旋转，为车辆提供运动的柔性以横越弯曲表面同时驱动轮16和全向轮18保持接触所述 弯曲表面1(例如钢管)并且正交于弯曲表面1取向。
[0056] 现在参照图1B，简化图示出了驱动轮16和全向轮18的取向，没有示出铰接的底盘。 在具有由箭头"D"指示的行进的优选方向的机器人车辆的实施例中，机器人车辆10的驱动 轮16响应将车辆向前推进的马达围绕它的入口在由箭头"R1"指示的方向上旋转。全向轮18 的旋转轴线标称地垂直于驱动轮16取向（且这些轮处于正交平面内），如图IB所示。全向轮 18包括围绕全向轮18的周边定位的多个辊22。辊22(例如经由销或轴)被安装在全向轮18 上，用于在与驱动轮16相同的方向上旋转，如由箭头"R2"指示（即，Rl是与R2相同的方向）。 因此，当驱动轮16被驱动时，全向轮18可用作没有被驱动的从动轮。辊22在当驱动轮16被驱 动时被动地旋转，从而允许车辆通过用于减少被动的全向轮18的摩擦的目的的辊在由箭头 "D"指示的被驱动方向上行进，至少这是当车辆10沿着一定水平表面运动时的结果。
[0057]全向轮18提供操纵或旋转来控制机器人车辆10。车辆10可使用如上所述的马达， 或第二马达(二者都没有单独示出）通过使用全向轮和马达之间的传统联锁，通过驱动所述 全向轮18而被操纵。全向轮在由箭头"R3"指示的方向上旋转。全向轮的旋转引起车辆在由 箭头"S"指示的方向上转弯或操纵。控制全向轮18的旋转允许车辆10的操纵。铰链20被构造 为当全向轮在"S"方向上被驱动时具有最小的无屈服(yield)以使得车辆可在方向"S"上旋 转，而没有车辆本身折叠以及以使得在全向轮18的"S"方向上的运动可由于通过铰链20转 移到驱动轮的运动而与驱动轮16的再取向有关。
[0058]因此，驱动轮16可被控制以提供车辆的向前和向后运动同时全向轮18或是被动 的、低阻力的从动轮或用作车辆的主动的、操纵机构。轮16,18可被开动并被单独或同时驱 动以影响车辆10的不同类型的操纵。
[0059] 车辆的轮的构造提供了优秀的可移动性和稳定性同时保持相对较小的足迹。这允 许机器人装配到小的区域中并具有通过传统布置比如四个轮的车辆实现会是困难的（如果 不是不可能的话）的机动性。例如，具有所述布置的车辆可建造为以使得它可在从直径8英 寸的表面到完全平坦的表面上是有效的。驱动轮16提供稳定性给车辆。特别地，驱动轮包括 坚固的磁体，其建立了轮和车辆10可在其上运动的铁磁性表面之间的拉力，以及该结构布 置有助于防止车辆的翻倒。另外，驱动轮可具有相对宽的和平坦的构造，其进一步提供稳定 性给车辆。
[0060] 参照图3，车辆10被示出为横越弯曲的铁磁性表面1，其仅举例来说可以是钢管。驱 动轮16和全向轮18每个可包括一磁体。例如，磁体可被包括在这些轮的每个的轮毂中，或者 在双全向轮的情况下（如图3所示)在两个轮毂之间。通过将驱动轮和全向轮连接到相应的 底盘区段，每个底盘区段(经由轮中的磁体)被吸引到铁磁性/可磁导材料表面(例如，在存 在磁场时产生吸引力的材料，比如钢管）。可替代地或另外，底盘区段它们自己可包括提供 每个底盘区段和铁磁性表面之间的吸引力的磁体。因而，当车辆横越弯曲的或不平坦表面 时，每个底盘区段可被磁性地被吸引到所述表面。同时，铰链20能使底盘区段相对于彼此旋 转。通过该布置，驱动轮16和全向轮18保持接触与车辆10沿着其行进的表面并且正交于该 表面。弹簧24还可以在两个底盘区段12,14之间延伸并且被连接以便提供促动力以有助于 所述区段回到这样的位置:其中两个轮位于相同的平面表面上，两个底盘区段之间的旋转 度近似为零。
[0061] 参照图2A和2B，示出了机器人车辆在弯曲表面和平坦的平面表面上的示意图。如 图2A所示，底盘区段围绕铰链20旋转以使得轮与弯曲表面2 (例如管)接触。在没有铰链20的 情况下，底盘会保持笔直线性构造并且一个轮不会接触所述弯曲表面或仅可部分地接触所 述弯曲表面。轮中的一个或两个没有保持与行进表面接触可导致在底盘和表面的磁体之间 的吸引力的显著下降。这可具有灾难的结果，例如当车辆横越竖直的或倒置表面时，其中车 辆不能保持与所述表面的磁性紧束(purchase)并且从所述表面分离。车辆的分离会导致由 于下落遭受对车辆的损坏，给该区域中的工人带来危险，和/或可导致车辆被卡住，其可提 供进一步的问题。如图2B所示，车辆10设置在弯曲表面2上但是车辆平行于弯曲表面的轴线 取向（例如，平行于管的流动的方向。因为车辆位于弯曲表面的脊上，因此前后轮位于相 同的平面表面上。因而，围绕铰链的旋转度是零。
[0062]铰链20可包括旋转停止部26和28。这些可以是在例如第一和第二底盘区段的每个 上的配合表面。旋转停止部防止围绕铰链20的无意的旋转，例如当车辆在平坦的表面上时。 例如，铰链可防止车辆在处于平坦表面上时本身折叠使得铰式接合在所述表面上被拖曳。
[0063]如图2A所示，车辆垂直于管的轴线或流动方向取向。在该构造中，围绕铰链的旋转 角或旋转度退出，如由附图标记30指示。当车辆垂直于弯曲表面的轴线时，铰链之间的角度 处于它的最大值。如图2B所示，车辆10位于弯曲表面上但是车辆平行于弯曲表面的轴线取 向（例如，平行于管的流动方向）。因为车辆位于弯曲表面的脊上，所以前后轮位于相同的平 面表面上。因而，围绕铰链的旋转度是零。在该取向中，围绕铰链的角度处于它的最小值，即 零。当车辆从其中车辆垂直于表面的轴线的取向过渡到其中车辆平行于所述表面的轴线的 取向时，围绕铰链的角度从它的最大值减小到它的最小值。通过测量围绕所述铰链的角度 的值，车辆相对于所述弯曲表面的取向可被确定，如在下面更详细地论述。
[0064] 该角度的度数的值是车辆的几何形状、车辆所在的弯曲表面(例如管）的直径以及 车辆相对于弯曲表面的取向的函数。车辆的几何形状(其可包括轮的直径及轮和铰链之间 的距离)是可被测量和已知的并且在由机器人执行的检查期间保持恒定的因素。另外，车辆 在其上将被部署以检查的表面(例如弯管）的直径是可被测量并且已知的以及在由机器人 执行的检查期间保持恒定的因素。另外，围绕所述铰链的角度的度数可经由传感器(例如， 使用电位计，编码器，应变仪，在较短时期内2个惯性测量单元(一个惯性测量单元安装在驱 动模块上且另一个在操纵模块上）之间的相对差，或其他合适的传感器等)被测量。使用与 车辆和所述表面有关的已知的且恒定的因素，与测量到的围绕所述铰链的角度结合，可以 计算车辆的取向。
[0065] 下面的例子示出计算特定几何形状的车辆横越特定几何形状的弯曲表面(在该例 子中为管）的取向的方法。使用示例性的计算，车辆的定位数据可被确定，其对于确定车辆 的位置以及识别检查数据正在被收集的位置以便确定结构中的故障可能位于哪里是有用 的。所述定位方案允许车辆恒定地和精确地确定它相对于所述管的位置和取向。由此，则能 够针对所述管几何形状精确地绘制所述检查数据以允许操作者精确测定在引入的传感器 信息中注意到的任何问题并且将它定位。精确地确定车辆的位置并且将该位置与检查数据 结合的能力允许产生可靠的超声波扫描，用于厚度测量和腐蚀绘图。
[0066] 为了提供所述管的全扫描和周详的腐蚀图，车辆可自主地沿着围绕所述管的螺旋 路径。螺旋路径相对于栅格化（曲折的）扫描路径或圆形扫描路径提供了显著的优点。在圆 形扫描路径中，一旦一个环被完成，典型的爬行器的纵向位置就必须沿着管轴线增加。完成 圆形扫描然后前进的该过程被重复直到盖住管的所希望的长度。在栅格化扫描的纵向，一 旦希望的管长度已经被扫描，爬行器就必须增加它的角位置然后执行另一个线性扫描。该 过程在已经被盖住的希望的区域中重复。大部分的这些爬行器不是很好地移动的而是替代 地使用提供静平台的支撑托架，爬行器可在该平台上以X-Y运动（周向和纵向）移动以盖住 希望的扫描区域。这意味着到进入希望的扫描区域是必要条件以便提供所述支撑托架。如 上所述的车辆10具有高移动性并且不需要静支撑托架。相反，它可在没有这样的托架的情 况下在所述管上自由地漫步。因此，不需要进入希望的扫描区域因此车辆可布置在沿着所 述管的任何一点处然后它可被驱动到希望的位置。具有这样的能力能使车辆执行较少的受 限运动和机动。进一步地，车辆的移动性允许车辆在它正执行超声扫描时横越螺旋路径。
[0067] 与沿着X-Y扫描运动相比，沿着螺旋路径简化了车辆的操纵控制。在螺旋路径中， 车辆被指令以便以给定速率向前驱动并且较少的操纵修正可被执行以实现希望的螺旋路 径。这提供了比需要复杂的操纵机动性的X-Y扫描方法更有效的控制方法。螺旋扫描路径可 导致用于车辆的更长的电池寿命。与螺旋扫描相比，使用X-Y扫描来扫描管会由于在每次扫 描行之后需要的复杂操纵而导致过度的电池消耗。此外，如果要求车辆在每次扫描行期间 克服重力运动，其对于线性扫描的相当大部分会发生，过度动力消耗可发生。爬行器在X-Y 扫描路径中的定位更复杂且较小的误差容忍。位置确定中的误差很可能发生在在X-Y系统 中扫描每行之后需要的复杂的操纵机动期间。
[0068] 在螺旋扫描路径中，定位可经由螺旋间距控制和螺旋环开始/结束控制得以实现。 螺旋间距控制保证螺旋的间距(每个环和下个环之间的空间）沿着整个螺旋路径是恒定的。 螺旋环开始/结束控制保证车辆能够确定何时螺旋环结束以及下一个开始。
[0069] 车辆可保证每个环和下一个环（螺旋间距）之间的空间是恒定的。因此，车辆可沿 着希望的螺旋路径以将获得的检查数据绘制到正确的相应位置。当车辆沿着所述管前进 时，控制方法可被执行以控制螺旋间距并确保这些环彼此相似地间隔开。控制所述间距提 供了已知的、均匀的扫描路径。
[0070] 车辆围绕所述管的轨迹的间距可通过监视和控制车辆相对于所述管的取向（纵向 的，具有任何间距的螺旋的，或者圆形的)进行控制。通过测量所述取向角，控制环可确保角 度被维持并且由此螺旋间距被维持。车辆相对于所述管的取向可通过测量车辆的操纵和驱 动模块之间的铰链的角度(第一和第二底盘区段之间的角度)被确定。包括车辆区段之间的 铰链提供了测量围绕所述铰链的角度的能力。铰链还提供给车辆自调节特征，其允许车辆 在各种曲率和管径的表面上操作。
[0071] 对于相对于所述管的车辆取向角度的测量惯例可被设定。图5A和5B示出对于角度 (Θ)的示例性的测量惯例。根据该惯例，当车辆10垂直于管50取向时，其会导致车辆在圆周 (圆形的）路径上行进，Θ是零度。当车辆在与管的流动相同的方向上取向时，其会导致车辆 沿着管的长度行进，Θ是90度。因此，当车辆相对于管的取向从垂直变为纵向时，Θ从零增加 到90度。在二维横截平面上的数学模型由中心车辆平面产生。这是与角位移Θ相同的平面。 图6A-6B示出对于不同的Θ值的管60相对于车辆10的横截面。图6A示出对于圆周路径的横截 面，其中Θ是零。如可在图6B和6C中看到，增加 Θ使得管的横截面变为其长轴随Θ增加的椭圆。 [0072] 参照图7,车辆70以线形式表示。车辆70包括第一底盘区段72,第二底盘区段74,驱 动轮76和相对于驱动轮76正交安装的全向轮78。车辆位于管71上，该管对于具体的Θ值具有 椭圆横截面。车辆和管的参数由以下数学符号代表，其中：
[0073] Φ:铰链角度；
[0074] a:所述管的椭圆横截面的长轴；
[0075] b:所述管的椭圆横截面的短轴；
[0076] Rl:磁性驱动轮的半径；
[0077] R2:全向轮的半径；
[0078] L:所述驱动轮枢轴和铰链之间的虚拟刚性链接的长度；
[0079] D:所述铰链和第一辊组全向轮之间的距离；
[0080] W:全向轮的宽度(两个辊组之间的距离）；
[0081 ] Xl，yl:全向轮和管之间的第一接触点的坐标；
[0082 ] x2，y 2:全向轮和管之间的第二接触点的坐标；
[0083] Xh，yh:铰接点的坐标。
[0084]短轴b将等于管的半径，不管机器人取向Θ如何。长轴a取决于所述取向并且可使用 以下等式确定：
[0086]两个数学模型可被用于所述铰链角度。"正演模型"允许对于给定的车辆取向角度 Θ的铰链角度Φ的确定。"反演模型"允许对于给定的铰链角度Φ的车辆取向角度Θ的确定。
[0087] 正演模型
[0088] 对于正演模型，a可从以上公式计算，因为Θ是已知的。为了计算铰链角度Φ，六个 非线性方程组被构建以求解在该模型中的六个未知数(xl，y I，x2，y2，xh，yh)。这些求解的变 量可用来计算所述铰链角度Φ。这六个方程使用以下关系进行编写：
[0089] 1.在椭圆上的第一全向轮接触点的位置
[0090] 2.在椭圆上的第二全向轮接触点的位置
[0091] 3.铰接点和驱动轮轴线之间的距离
[0092] 4.两个接触点之间的距离(全向轮宽度）
[0093] 5.铰接点相对于两个接触点位置的X坐标
[0094] 6.铰接点相对于两个接触点位置的Y坐标
[0095] 这些关系可用以下方程式表示：
[0102] 这六个方程可写为如下的非线性方程组：
[0105] 求解这些方程可使用迭代的Newton-Raphson数值方法实现。在每个迭代中，新的 矢量X被计算如下：
[0107]其中Jf是所述方程组F(X)的雅可比矩阵：
[0109]求解以上方程涉及雅可比求逆，其是费时的并且导致高要求的计算资源。因此以 下的线性方程组可被用于更快速获得计算结果：
对于首次迭代，矢量Xn为初始估计值Xo。用来确保朝向一解收敛的初始估计值是 其中铰接点具有与驱动轮轴线相同的y坐标并且铰链角度Φ是180度的情况。在该情况下， 初始估计值变为：
[0113]在求解所述非线性方程组之后，铰链角度Φ然后根据X被计算如下：
[0115]用于正演模型中的计算顺序的概括可表示为如下：
[0117]反演模型
[0118]在该反演模型中，铰链角度Φ被给出（使用电位计或其他合适的传感器测量)并且 车辆取向Θ要被计算。在该情况下，长轴a是未知数。为了计算Φ，七个非线性方程组可被构 建以求解该模型中的六个未知数(xl，yl ^2,72^11，711，3)。这些方程是与正演模型相同的 六个方程加上铰链角度方程Φ。这些方程因此为：
[0127] 该方程组还可以使用Netwon-Raphson方法求解并且初始估计值为：
[0129]在求解该非线性方程组之后，车辆取向Θ可根据X计算如下：
[0131]用于正演模型中的计算顺序的概括可表示为如下：
[0133] 为了确定何时螺旋路径的每个环结束以及下一个环开始，传感器读数的组合可被 使用，包括轮编码器和MU数据(加速度计，陀螺仪，和磁力仪）。所使用的定位方案依赖于相 对于地面的管取向，因为它影响哪个传感器提供有用的读数。如果管80是水平的，如图8A所 示，则加速度计将在确定车辆10在管上的角位置方面提供有用的数据。重力方向以及由此 加速度计读数将连续地变化同时车辆正在围绕所述管行进。具有这样的变化有助于控制器 知道何时机器人抵达例如12点钟位置并且记录螺旋环的结束和下一个的开始。如果管80是 竖直的，如图8B所示，则加速度计将不是有用的，因为相对于车辆10的重力方向不会变化。 因此，加速度计数据不会变化同时机器人围绕所述管移动，不管加速度计安装在机器人上 的取向如何。这是因为当机器人围绕竖直水平行进时机器人的相同的面总是面向地面。
[0134] 因此，在水平管的情况下，主微型控制器可根据加速度计值来确定螺旋环的结束 和开始。在倾斜的管上，加速度计值可被采用，只要倾斜不是接近竖直的；因为如果所述管 是竖直的或者接近竖直，则加速度计值将保持恒定或者它们的变化将对于有意义的确定是 不足够的。在该情况下，其他方式可被采用，包括磁力计读数，使用轮编码器值的航位推测 法，和/或监视外部可见参照。卡尔曼滤波器或其他合适的传感器融合算法可用来融合这些 数据用于竖直管的情况。
[0135] 因此，以上方程提供了一示例性的方法，用于确定车辆在弯曲表面上的取向/铰链 角度。该方法可适合于能够以可测量的方式(例如，具有被测量的铰链）自动调节到已知的 曲率的不同结构的车辆/机构。
[0136] 用于确定车辆的取向的方法可通过具有带存储器的用于执行代码的处理器的计 算机得以执行。如图4所示，信息处理器102的功能元件被示出，以及优选地包括用来执行软 件编码以便控制信息处理器102的操作的一个或多个中央处理单元(CPU)202,只读存储器 (R0M)204,随机存取存储器(RAM)206,通过通信网络发送数据到其他计算装置以及从该计 算装置接收数据的一个或多个网络接口 208,存储装置210例如硬盘驱动器、闪速存储器、用 于存储程序代码、数据库和应用编码的CD-ROM或DVD驱动器，一个或多个输入装置212例如 键盘、鼠标、跟踪球等，以及显示器214。信息处理器102的各种部件不必物理地容纳在相同 的底盘内或者甚至位于单个位置中。例如，如以上关于可保存在存储装置210上的数据库所 解释的，存储装置210可位于远离信息处理器102的保持元件的位置处，并且甚至可经由网 络接口208通过通信网络106连接到CPU 202。例如，数据处理可使用机器人机载的处理器执 行并且被传送到远程计算机终端。
[0137] 优选地，图4中示出（由附图标记202-214表示）的功能元件是优选地存在于用户计 算装置104中的相同类型的功能元件。然而，例如不是所有元件需要存在，在TOA的情况下的 存储装置以及各种元件的容量被布置成适应期待的用户需求。例如，在用户计算装置104中 的CPU 202可以具有比如在信息处理器102中提供的CPU 202更小的容量。相似地，很可能信 息处理器102将包括比在工作站104中提供的存储装置210的容量大得多的存储装置210。当 然，本领域内的技术人员将理解到，功能元件的容量可根据需要进行调节。
[0138] 例如，测量所述铰链的角度的传感器可提供电气输入信号到处理器。这样的信号 可在输入到处理器202之前，例如通过作为计算机编码执行的预处理模块，经历模拟或数字 信号处理。这样的模块可从模-数转换器接收输出，其反过来从传感器例如应变仪接收信 号。用来确定车辆的取向的计算可通过位于机器人车辆机载的处理器执行。可替代地或另 外，传感数据可(例如通过无线通信)被传送到远程处理器(例如，现场的便携式计算机，智 能手机，图形输入装置等）以执行所述处理以确定车辆的取向和位置。
[0139] 确定车辆的取向在机器人检查应用中是特别地有用的。例如，取向信息可用来计 算车辆在沿着所述表面行进时其的轨迹。这可用来确定车辆的绝对位置。例如，取向信息可 与由车辆(例如，通过计算驱动轮的旋转)行进的测量距离组合以确定沿着所述表面所述车 辆所在的位置。另外，取向信息可在当车辆正在用来检查表面本身并且车辆需要越过所述 表面以检查它时是特别地有用的。取向信息可用来确定希望的扫掠图案（sweep pattern) 是否已经通过机器人得以实现。例如，距离和取向信息可被收集作为数据点并且被组合以 建立车辆的行进图。该图可以是三维图（例如，使用柱面坐标系）或可通过将柱形表面变换 为平坦的平面表面被显示为二维图。进一步，因为机器人的轨迹可被绘制即位置信息可与 收集到的检查数据组合，以产生其中所述结构的图与所述检查数据重叠的详细图。由此，可 产生包括位置信息和检查信息（例如，在该位置的表面的状况）的数据点。数据点可用来产 生管道的详细图，其中腐蚀的区域在图上被显著示出。在没有本发明的系统和方法的情况 下，需要制作这样的图的定位数据会相对参照漂移误差得以建立，所述漂移误差会随着时 间推移积累。
[0140] 将本发明的系统和方法结合到机器人车辆10中例如可提供显著的优点。该系统和 方法可用于测量铰链的角度，因为管上的机器人机动允许机器人相对于所述管的中心线 (或流动）的绝对取向被精确地计算。该方法可推广到其他机构，车辆和弯曲表面。该方法是 唯一的在于它在其中围绕车辆的重力的方向与车辆正围绕其枢转的旋转轴线对准的特定 情况下优于IMU。重力和旋转轴线之间的该对准可发生在例如其中机器人位于水平管上在 12点钟位置和机器人正在成圆圈地枢转/操纵就位的情况下。
[0141] 如以上所论述，该方法在机器人检查车辆的控制下具有特别的应用。例如，如果机 器人要沿着柱形管前进，则铰链角度的特定的测量可对应于机器人相对于管中心线或流动 的四个可能的取向。然而，如果机器人的原始取向是已知的，则所述系统可被构造为储存日 期以及进一步储存指示所有进一步取向变化的数据。因而，所述系统可跟踪铰链角度的前 述测量并且基于开始取向和前述的取向变化很容易地推断那四个可能的当前取向中的哪 一个是真的取向。
[0142] 另外，如果机器人的几何形状是已知的并且机器人相对于管的取向是已知的，则 围绕铰链测量的角度可用来确定管的直径。进一步地，机器人可位于未知直径的管上并且 然后被指令围绕它自己的驱动轮枢转181度并且给从测量围绕所述铰链的角度的传感器获 得的数据绘图。当机器人旋转时，所述系统可记录最大角度，其发生在当机器人正交于管的 流动取向时（即，仿佛机器人即将开始围绕管圆周成圆圈地驱动）。最大测量的角度，与机器 人的几何数据结合，可用于确定机器人正在其上行进的管的直径。所述方法可适合于能够 以可测量的方式(例如，具有被测量的铰链）自动调节到已知的曲率的不同结构的车辆/机 构。车辆可用来检查船外壳，包括航空航天器外壳和舰船外壳。另外，如果这样的检查工具 被用在在它的圆周之上具有唯一的曲率的结构上，则工具位置可通过测量铰链角度被确 定。例如，如果潜艇的曲率在其整个外壳上是唯一的并且是已知的（例如，可在图形上表示 为抛物线），则测量的铰链角度可用来计算车辆取向和位置。
[0143] 如上所论述，所描述的方法更一般地可用于车辆及其他机构。例如，铰链钳状件可 采用所述方法，用于确定正由所述钳状件保持的物体的取向。
[0144] 如上所述的方法可提供有用的数据于其中頂U不会提供相似信息的应用上。例如， 在自动装配线中的智能夹持器(例如，包括由铰链连接的第一和第二叉状物的钳状件)可根 据本发明的原理进行构造以抓取杂乱蔓延的物体(例如，在具有随机取向的堆中的一堆物 体），自我调节到它们的形状并使用在所述夹持器的主体中的测量的变化以确定所述物体 被抓取的方式。例如，图9A-9H示出可用来确定物体的取向的夹持器的若干实施例。
[0145] 参照图9A，夹持器910具有两个支腿912和经由枢轴916连接到夹持器的第三支腿 914。支腿912和支腿914的端部包括接触物体的表面的夹持元件918。所述物体可具有凹的、 凸的或平坦的表面，或者它们的组合。夹持元件918维持夹持器与所述物体接触。夹持器元 件可经由磁力、吸力、非永久附着力或用于维持夹持器的端部与物体接触的其他合适方式 而与所述物体保持接触。夹持器910和它的支腿及夹持元件的几何细节是已知的。物体的几 何细节也是已知的。因此，通过根据如上所述的方法测量在枢轴916处的旋转量，由夹持器 保持的物体的取向可被确定。如图9E所示，夹持器910被示出为在各个取向沿着物体的表面 与物体对妾触。根据以上论述的方法，物体X相对于夹持器的取向可被确定。
[0146] 参照图9B，夹持器920具有两个支腿920,每个支腿经由枢轴926连接到夹持器。支 腿922的端部包括接触物体的表面的夹持元件928。物体可具有凹的、凸的，或平坦的表面， 或者它们的组合。夹持元件928维持夹持器与物体接触。夹持器元件可经由磁力、吸力、非永 久附着力或用于维持夹持器的端部与物体接触的其他合适方式而与所述物体保持接触。夹 持器920和它的支腿及夹持元件的几何细节是已知的。物体的几何细节也是已知的。因此， 通过根据如上所述的方法测量在枢轴926处的旋转量，由夹持器保持的物体的取向可被确 定。如图9F所示，夹持器920被示出为在各个取向沿着物体的表面与物体对妾触。根据以上论 述的方法，物体X相对于夹持器的取向可被确定。
[0147] 参照图9C，夹持器930具有两个支腿932,每个支腿932连接到夹持器，以及能够线 性位移的元件934。支腿932的端部和元件934包括接触物体的表面的夹持元件938。物体可 具有凹的、凸的或平坦的表面，或者它们的组合。夹持元件938维持所述夹持器与物体接触。 夹持器元件可经由磁力、吸力、非永久附着力、或用于维持夹持器的端部与物体接触的其他 合适方式来保持与物体接触。夹持器930、它的支腿、平移元件以及夹持元件的几何细节是 已知的。物体的几何细节也是已知的。因此，通过根据如上所述的方法测量元件934的位移 量，其中枢轴的旋转替代为线性位移，由夹持器保持的物体的取向可被确定。元件934的位 移可例如通过传感器比如弹簧应变仪936被测量。如图9G所示，夹持器930被示出为在各个 取向沿着它的表面与物体对妾触。根据以上论述的方法，物体X相对于夹持器的取向可被确 定。
[0148] 参照图9D，夹持器940具有两个支腿942,每个支腿942连接到夹持器。支腿942的端 部包括接触物体的表面的夹持元件948。物体可具有凹的、凸的或平坦的表面，或者它们的 组合。夹持元件948维持夹持器与物体接触。夹持器元件可经由磁力、吸力、非永久附着力、 或用于维持夹持器的端部与物体接触的其他合适方式保持与物体接触。夹持器包括可测量 传感器946和与该传感器成一直线的物体的表面之间的距离的非接触式传感器946(例如， 超声波，光，激光器等）。夹持器930、它的支腿的几何细节和传感器的位置是已知的。物体的 几何细节也是已知的。因此，通过根据如上所述的方法测量传感器946和物体的表面之间的 距离，其中枢轴的旋转被传感器测量的距离替代，由夹持器保持的物体的取向可被确定。如 图9H所示，夹持器940被示出为在各个取向沿着物体的表面与物体对妾触。根据以上论述的 方法，物体X相对于夹持器的取向可被确定。
[0149] 图9A-H示出其中一设备（例如，夹持器910,920,930,或940)可用来确定与该设备 接触的物体的取向的实施例。所述方法确定与所述设备有关的几何数据，确定与物体有关 的几何数据，以及至少一个变量(例如，单枢转，双枢转，线性平移或距离）以确定物体相对 于设备的取向。
[0150] 应当理解到，本发明的各种组合、替代选择和改型可被本领域内的技术人员想到。 本发明是用来包括落入所附权利要求的范围内的所有这样的替代选择、改型和变化。
[0151] 尽管本发明已经参照它的优选实施例被特别地示出和描述，但是本领域内的技术 人员将理解到，可在此进行形式和细节的各种变化，而没有背离本发明的精神和范围。
【主权项】
1. 一种用于确定车辆相对于一表面的取向的方法，包括以下步骤： 提供一车辆，该车辆具有： 第一底盘区段； 第二底盘区段； 铰链接头，该铰链接头连接第一和第二底盘区段以使得第一和第二底盘区段能够相对 于彼此在至少第一方向上旋转； 安装到第一和第二底盘区段之一的第一轮； 安装到第一和第二底盘区段中的另一个的第二轮； 提供至少限定分别在所述铰链接头和第一和第二轮的中心之间的距离以及每个轮的 直径的车辆几何数据； 提供限定所述表面的曲率的表面几何数据； 测量围绕所述铰链接头的旋转角度； 基于车辆几何数据、表面几何数据以及测量到的旋转角度，确定车辆相对于表面的取 向。2. 如权利要求1所述的方法，其中所述第一轮是磁性驱动轮。3. 如权利要求1所述的方法，其中所述第二轮是磁性驱动轮。4. 如权利要求1所述的方法，其中所述车辆能够在螺旋路径上横越一弯曲表面。5. -种用于确定车辆相对于具有限定的几何数据的表面的取向的系统，所述几何数据 表示所述表面的曲率，所述系统包括： 车辆，该车辆具有： 第一底盘区段； 第二底盘区段； 铰链接头，该铰链接头连接第一和第二底盘区段以使得第一和第二底盘区段能够相对 于彼此在至少第一方向上旋转； 安装到第一和第二底盘区段之一的第一轮； 安装到第一和第二底盘区段中的另一个的第二轮； 构造为测量围绕所述铰链接头的旋转角度的传感器；以及 处理器，该处理器构造为基于限定的车辆几何数据、表面几何数据和测量到的围绕所 述铰链接头的旋转角度来确定车辆相对于表面的取向。6. 如权利要求5所述的系统，其中限定的车辆几何数据至少包括分别在铰链接头与第 一和第二轮的中心之间的距离，以及轮的直径。7. 如权利要求5所述的系统，其中第一轮是磁性驱动轮。8. 如权利要求5所述的系统，其中第二轮是磁性驱动轮。9. 如权利要求5所述的系统，其中车辆能够在螺旋路径上横越一弯曲表面。10. -种用于确定设备相对于具有一表面的物体的取向的方法，包括以下步骤： 提供一设备，该设备具有： 能够接触物体的表面的至少第一和第二元件； 能够测量取决于设备相对于物体的表面的取向的至少一个变量的第三元件； 提供限定所述设备的几何形状的几何数据； 提供限定所述表面的曲率的表面几何数据； 测量所述变量； 基于所述设备几何数据、表面几何数据和测量到的变量，确定所述设备相对于物体的 表面的取向。11. 如权利要求10所述的方法，其中第一和第二元件是第一和第二支腿。12. 如权利要求11所述的方法，其中第一和第二支腿包括构造为附着到物体的表面的 夹持器元件。13. 如权利要求12所述的方法，其中第三元件包括经由枢轴连接到所述设备的第三支 腿以及构造为测量第三支腿围绕枢轴的旋转的传感器。14. 如权利要求13所述的方法，其中第三支腿包括构造为附着到物体的表面的第三夹 持器元件。15. 如权利要求14所述的方法，其中所述变量是第三支腿围绕枢轴的旋转度。16. 如权利要求12所述的方法，其中第三元件包括将第一和第二支腿连接到所述设备 的第一和第二枢轴以及构造为分别测量第一和第二支腿的旋转的第一和第二传感器。17. 如权利要求16所述的方法，其中所述变量包括第一和第二支腿围绕它们的相应枢 轴的旋转度。18. 如权利要求12所述的方法，其中第三元件被构造为相对于所述设备线性地平移以 及进一步包括被构造为测量相对于所述设备的平移的传感器。19. 如权利要求18所述的方法，其中所述第三元件包括构造为附着到物体的表面的第 三夹持器元件。20. 如权利要求19所述的方法，其中所述变量是第三元件的线性平移量。21. 如权利要求12所述的方法，其中第三元件是由所述设备支撑并被构造为测量所述 设备和物体的表面之间的距离的无接触距离传感器。22. 如权利要求21所述的方法，其中所述变量是所述传感器和所述表面之间的距离。23. -种用于确定设备相对于具有表面的物体的取向的系统，所述表面具有表示该表 面的曲率的限定的几何数据，所述系统包括： 所述设备，其具有： 能够接触物体的表面的至少第一和第二元件； 第三元件，该第三元件能够测量取决于所述设备相对于物体的表面的取向的至少一个 变量； 处理器，该处理器被构造为基于限定的设备几何数据、表面几何数据和测量的变量来 确定所述设备相对于表面的取向。24. 如权利要求23所述的系统，其中第一和第二元件是第一和第二支腿。25. 如权利要求24所述的系统，其中第一和第二支腿包括构造为附着到物体的表面的 夹持器元件。26. 如权利要求25所述的系统，其中第三元件包括经由枢轴连接到所述设备的第三支 腿以及构造为测量第三支腿围绕枢轴的旋转的传感器。27. 如权利要求26所述的系统，其中第三支腿包括构造为附着到物体的表面的第三夹 持器元件。28. 如权利要求27所述的系统，其中所述变量是第三支腿围绕枢轴的旋转度。29. 如权利要求25所述的系统，其中第三元件包括将第一和第二支腿连接到所述设备 的第一和第二枢轴以及构造为分别测量第一和第二支腿的旋转的第一和第二传感器。30. 如权利要求29所述的系统，其中所述变量包括第一和第二支腿围绕它们的相应枢 轴的旋转度。31. 如权利要求25所述的系统，其中第三元件构造为相对于所述设备线性地平移以及 进一步包括构造为测量相对于所述设备平移的传感器。32. 如权利要求31所述的系统，其中第三元件包括构造为附着到物体的表面的第三夹 持器元件。33. 如权利要求32所述的系统，其中所述变量是第三元件的线性平移量。34. 如权利要求25所述的系统，其中第三元件是由所述设备支撑并构造为测量所述设 备和物体的表面之间的距离的无接触距离传感器。35. 如权利要求34所述的系统，其中所述变量是所述传感器和所述表面之间的距离。
【文档编号】G05D1/02GK105992900SQ201480072951
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2014年11月25日
【发明人】P.E.C.Z.冈萨雷斯, F.A.拉蒂夫, A.奥塔
【申请人】沙特阿拉伯石油公司