阅读说明：本技术 倾角和距离轮廓测量车辆 (Vehicle for measuring inclination angle and distance profile ) 是由 S.帕特尔 F.阿卜杜拉蒂夫 B.帕罗特 于 2019-02-06 设计创作，主要内容包括：本文公开了用于对表面进行轮廓测量的系统和方法。在一些实施例中,所述系统和方法使用机器人车辆执行轮廓测量。所述车辆可以包含驱动系统、一个或多个车轮编码器和一个或多个距离传感器和/或惯性测量单元,所述一个或多个距离传感器和/或惯性测量单元用于捕获测量数据,如所述表面的斜率或所述机器人车辆相对于所述表面或重力矢量的角度。包含控制计算系统,所述控制计算系统具有一个或多个处理器,所述一个或多个处理器执行存储在软件模块中的指令以处理移动数据。在一些实施例中,经过处理的移动数据确定在所述机器人车辆横越所述表面时的不同时间和位置处所述表面的多个快照。组合这些快照以生成所述表面的轮廓。(Systems and methods for profiling a surface are disclosed herein. In some embodiments, the systems and methods perform profile measurements using a robotic vehicle. The vehicle may include a drive system, one or more wheel encoders and one or more distance sensors and/or inertial measurement units for capturing measurement data, such as the slope of the surface or the angle of the robotic vehicle relative to the surface or gravity vector. Including a control computing system having one or more processors executing instructions stored in software modules to process movement data. In some embodiments, the processed movement data determines a plurality of snapshots of the surface at different times and locations as the robotic vehicle traverses the surface. These snapshots are combined to generate a profile of the surface.)

倾角和距离轮廓测量车辆

相关申请的交叉引用

本申请基于于2018年9月5日提交的美国非临时专利申请序列号16/122,427和于2018年2月6日提交的美国临时专利申请序列号62/626,934，并且通过引用并入，所述美国非临时专利申请和所述美国临时专利申请的全部内容通过引用并入，如同在本文中整体阐述一样。

技术领域

本发明总体上涉及用于对表面进行轮廓测量的系统和方法。具体地，本发明涉及车辆以非破坏性方式对表面进行轮廓测量和测量。

背景技术

在油气行业中，用于原油和精炼产品的储罐在烃供应链中起着关键作用。在将产品转移到罐和/或从所述罐转移产品时，了解这些储存单元的准确容积起着至关重要的作用。由于外部和内部条件(即，温度)的变化和老化并且还由于液体产品的重量(即，静水压力)，罐容积可能发生多达+/-0.2％的变化。就250,000桶储罐而言，这种变化将导致+/-500桶容积的容积变化。

由于石油烃的高价值，因此对储罐的校正有强制性要求。必须对用于储存交接(custody transfer)的储罐进行校正，使得非常准确地了解所转移的容积(例如，误差小于0.1％)。执行此操作的最常用技术是：手动捆扎(manual strapping)(API MPMS 2.2A)；光学技术(光学参考线方法ORLM-API第2.2B章(Optical Reference Line Method ORLM–APIChapter 2.2B)、光学三角测量法(OTM)-API第2.2C章(Optical Triangulation Method(OTM)–API Chapter2.2C)、电子光学测距法(EODR)-API第2.2D章(Electro-OpticalDistance Ranging Method(EODR)–API Chapter 2.2D))和液体校正(API标准2555)。然而，已经发现这些测量会产生误差并且具有其它缺陷。在一些情况下，前述测试技术需要罐停机时间(例如，清空罐或以其它方式暂时停止罐操作)，这为所引起的损失带来了另外的成本。此外，许多前述测试技术具有侵入性，因为其需要进入罐的内部容积，并且还可能具有破坏性。

用于罐校正的现有方法存在显著缺点。例如，使用当前标准，执行校正可能耗费1-2天的工作。因此，很少对储罐进行校正，从而导致储存在罐内或转移到罐和从所述罐转移的实际容积的测量结果不准确，这可能产生很高的费用。例如，校正之间的传统时间段可能介于五年与十五年之间。

所需要的是用于对表面进行轮廓测量和检查以用于检查、校准和构造任务的系统和方法。另外，需要的是解决与使用现有系统执行校正的效率相关的限制的用于校正储罐容积的系统和方法。更具体地，需要的是可以以相对快速、低成本且非侵入性的方式进行部署和操作的用于精确执行罐校正的系统和方法。还需要的是可以快速且按需部署并且因此有助于更频繁地(例如，每天或在每次灌装时)检测罐容积的变化的系统。

正是关于这些和其它考虑因素而呈现了本文所公开的内容。

发明内容

根据本发明的一个广泛方面，提供了用于生成表面的轮廓的系统和方法。在一个或多个实施例中，使用机器人车辆来实现此轮廓测量。

根据本发明的一个方面，提供了一种根据一个或多个实施例的用于对表面进行轮廓测量的系统。在一个或多个实施例中，所述系统包含机器人车辆，所述机器人车辆具有驱动系统、至少一个车轮和一个或多个车轮编码器，所述一个或多个车轮编码器容纳在每个车轮内，所述一个或多个车轮编码器用于在所述机器人车辆由所述驱动系统驱动时测量所述机器人车辆的移动。进一步地，一个或多个距离传感器被耦接到所述机器人车辆以测量所述表面的斜率。例如，第一传感器可以安装在所述机器人车辆的前部部分，并且第二传感器可以安装在所述机器人车辆的后部部分。在一个或多个实施例中，所述一个或多个距离传感器沿着所述机器人车辆的纵轴纵向地线性布置，或沿着所述机器人车辆的车辆轴线的横轴而线性布置。所述一个或多个传感器还可以布置成彼此基本上等距。在一个或多个实施例中，所述传感器被布置在所述机器人车辆的外表面上。在一个或多个实施例中，所述传感器被布置在所述机器人车辆内。用于对表面进行轮廓测量的系统还可以包含一个或多个惯性测量单元。例如，所述惯性测量单元可以是加速度计或陀螺仪。所述一个或多个惯性测量单元可以容纳在所述车辆内或可以附接到所述车辆的外表面。

继续本发明的这个方面，所述系统另外包含控制计算系统。所述控制计算系统包含非暂时性计算机可读存储介质、一个或多个处理器和一个或多个软件模块，所述一个或多个处理器与所述一个或多个传感器、每个车轮编码器、所述机器人车辆和所述计算机可读存储介质电子通信，所述一个或多个软件模块包括存储在所述存储介质中的可执行指令。

所述一个或多个软件模块能够由处理器执行并且包含：移动模块，所述移动模块将所述处理器配置成从所述一个或多个车轮编码器接收移动数据以确定所述机器人车辆的位置；以及传感器控制模块，所述传感器控制模块将所述处理器配置成指示所述一个或多个距离传感器在相应脉冲时间朝所述表面发射一个或多个信号并检测所述一个或多个信号从所述表面反射的时间，并且从所述移动模块接收移动数据，其中所述传感器控制模块通过使用所述一个或多个信号反射的所述时间和所述移动数据计算所述表面的斜率来确定所述表面的快照。在一个或多个实施例中，所述移动数据包含所述机器人车辆的速度或所述机器人车辆的行进距离。在一个或多个实施例中，所述控制计算系统进一步包含轮廓分析模块，所述轮廓分析模块将所述处理器配置成计算在所述传感器与所述表面之间行进的所述一个或多个信号的相应飞行时间(TOF)，基于所述相应TOF和所述移动数据来确定在给定点处所述表面的相应斜率，并且将在所述给定点处所述表面的所述相应斜率存储在所述非暂时性计算机可读存储介质中。然后所述机器人车辆由所述驱动系统驱动以横越所述表面，同时所述控制计算系统在所述机器人车辆的所述位置改变时连续确定所述表面的多个快照以生成所述表面的轮廓。

在本发明的另一个方面，提供了一种根据一个或多个实施例的用于对表面进行轮廓测量的系统。在一个或多个实施例中，所述系统包含机器人车辆，所述机器人车辆具有驱动系统、至少一个车轮和一个或多个车轮编码器，所述一个或多个车轮编码器容纳在每个车轮内，所述一个或多个车轮编码器用于在所述机器人车辆由所述驱动系统驱动时测量所述机器人车辆的移动。所述系统进一步包含惯性测量单元，所述惯性测量单元耦接到所述机器人车辆，所述惯性测量单元用于测量所述机器人车辆相对于重力方向的角度。在一个或多个实施例中，所述系统包含一个或多个距离传感器，所述一个或多个距离传感器安装到所述机器人车辆或安装在所述机器人车辆内以测量所述表面的斜率。

继续本发明的这个方面，所述系统另外包含控制计算系统。所述控制计算系统包含非暂时性计算机可读存储介质、一个或多个处理器和一个或多个软件模块，所述一个或多个处理器与所述一个或多个传感器、每个车轮编码器、所述机器人车辆和所述计算机可读存储介质电子通信，所述一个或多个软件模块包括存储在所述存储介质中的可执行指令，其中所述一个或多个软件模块能够由所述处理器执行。

继续本发明的这个方面，所述一个或多个软件模块包含移动模块、传感器控制模块和轮廓分析模块。所述移动模块将所述处理器配置成从所述一个或多个车轮编码器接收移动数据以确定所述机器人车辆的变化位置。所述传感器控制模块将所述处理器配置成指示所述惯性测量单元确定在所述表面上的第一位置处相对于重力的第一角度并确定在所述表面上的第二位置处相对于重力的第二角度。在一个或多个实施例中，所述传感器控制模块将所述处理器配置成指示所述一个或多个距离传感器在相应脉冲时间朝所述表面发射一个或多个信号，其中所述传感器控制模块进一步将所述处理器配置成使用所述一个或多个距离传感器来检测所述一个或多个信号从所述表面的反射。所述轮廓分析模块将所述处理器配置成确定所述第一角度与所述第二角度之间的角度偏移并计算所述第一位置与所述第二位置之间的斜率变化，从所述移动模块接收所述移动数据，并且使用所计算的斜率变化和所述移动数据来确定在所述第一位置与所述第二位置之间所述表面的快照，并将所述快照存储在所述非暂时性计算机可读存储介质中。在一个或多个实施例中，所述轮廓分析模块通过计算所述第一角度和所述第二角度的平均值乘以所述一个或多个车轮编码器测量的在所述第一位置与所述第二位置之间的距离的正弦来确定偏移。然后所述机器人车辆由所述驱动系统驱动以横越所述表面，同时所述控制计算系统在所述机器人车辆的所述位置改变时连续确定所述表面的多个快照以生成所述表面的轮廓。

附图说明

在附图的图中展示了本发明，这些附图旨在是示例性而非限制性，其中相似的附图标记旨在指相似或对应的部分，并且其中：

图1呈现了展示根据一个或多个实施例的用于对示例性存储容器的表面进行轮廓测量的系统的示例性配置的高级图；

图2呈现了展示根据一个或多个实施例的控制计算系统的示例性配置的框图；

图3呈现了示意性地展示的根据一个实施例的用于对系统进行轮廓测量的示例性机器人车辆的侧视图；

图4是示出了例程的流程图，所述流程图展示了根据一个或多个实施例的用于对表面进行轮廓测量的系统和方法；

图5呈现了示意性地展示的根据另一个实施例的用于对系统进行轮廓测量的示例性机器人车辆的侧视图；

图6呈现了示意性地展示的根据另一个实施例的用于对系统进行轮廓测量的示例性机器人车辆的侧视图；并且

图7呈现了示意性地展示的根据另一个实施例的用于对系统进行轮廓测量的示例性机器人车辆的前视图。

具体实施方式

在整个说明书中，术语可以具有超出明确陈述的含义在上下文中表明或暗示的细微差别的含义。同样，本文所使用的短语“在一个实施方案中”不一定指同一实施方案，并且本文所使用的短语“在另一个实施方案中”不一定指不同的实施方案。类似地，本文所使用的短语“一个或多个实施方案”不一定指同一实施方案，并且本文所使用的短语“至少一个实施方案”不一定指不同的实施方案。意图例如是所要求保护的主题包含全部或部分地示例实施方案的组合。

本公开详述了用于生成表面的轮廓的系统和方法。由于表面轮廓测量技术领域中的当前方法在使用机器人检查装置而不用远程基站来处理所收集的数据进行表面轮廓测量方面不是高度有效的或有效的，因此本发明系统和方法采用硬件、软件和/或两者的组合提供不需要远程处理或基站的表面轮廓测量系统。具体地，本公开详述了一种改进的机器人系统，其中一个或多个传感器被布置在机器人上并且被配置成在机器人沿着表面移动时收集相对于所述表面的机器人朝向数据，以便生成所述表面的“快照”，换句话说，捕获并任选地进一步生成关于机器人在表面上给定定位处的朝向的数据。有利地，可以使用具有比光学捕获装置(如相机)更宽的响应频谱的传感器的装置来捕获和/或生成本文所公开的“快照”。机器人朝向数据包含在车辆沿着表面横越时车辆相对于重力方向的倾角的测量。然后，系统在经编程处理器的控制下合并这些快照，以提供表面的轮廓。虽然本文描述的系统和方法可以用于对任何类型的表面进行轮廓测量，但是在例如表面检查、储罐校准、构造和造船领域中具有特殊应用。

在一方面，本文公开的系统包含集成到机器人车辆中的加速度计或其它惯性测量单元，所述机器人车辆还包含用于在没有外部参考的情况下快速地对表面进行轮廓测量的一个或多个距离传感器。本文中的系统使用执行为所述目的配置处理器的代码的处理器来测量表面曲率并计算车辆位置相对于表面的绝对偏移。所测量的偏移可以用于计算表面变形的量值，并且从而对表面进行轮廓测量。虽然可以将外部参考添加到系统中以提高准确度，但是车辆可以仅使用板载传感器和重力牵引来生成表面轮廓。在一个或多个实施例中，机器人车辆包含车轮编码器，所述车轮编码器再次使用执行为所述目的配置处理器的代码的处理器来确定车辆在表面上的移动。

因此，在一些配置中，系统100可以包含一个或多个机器人车辆或“机器人”，所述一个或多个机器人车辆或机器人被配置成自动地和半自动地横越正在被轮廓测量的表面。例如，如图1所示，机器人110被部署在圆柱形容器105上。如机器人领域的技术人员将理解的，机器人110是移动机器人装置，所述移动机器人装置包含主体和用于在操作期间移动机器人的驱动系统。所述驱动系统包含至少一个车轮和用于为所述至少一个车轮供电的至少一个电动机。车轮可以是驱动轮、全向轮或本领域已知的其它类型的机器人车轮。机器人可以由例如太阳能电池单元、电池或任何其它合适的电源供电。机器人可以包含专门设计成促进执行操作任务的功能硬件组件，例如，用于检测机器人的高度、位置、朝向等的传感器。除了对表面进行轮廓测量之外，操作任务还可以包含例如执行表面检查(例如，壁厚测量、表面几何形状)或涂层孔隙度测量。机器人硬件还可以包含在表面轮廓测量过程中使用的板载传感器和加速度计/惯性测量单元，并且另外或可替代地，包含适合于运输和部署被配置成以独立方式操作的其它装置的组件。在一个或多个实施例中，机器人110包含一个或多个距离传感器120。例如，距离传感器可以是光学传感器、超声传感器、LIDAR或能够确定距离的其它传感器。机器人110可以包含主体内的电子电路系统，所述电子电路包含被配置成存储与机器人的操作相关的信息(如促进容器容积校正操作的执行的配置设置和一个或多个控制程序以及处理器)的存储器和/或计算机可读存储介质，如前所述。系统100还包含一个或多个软件模块，所述软件模块包括存储在所述存储介质中并且能够由所述处理器执行的可执行指令。

现在参考图2，描述了根据一个或多个实施例的控制计算系统200。如所示出的，控制计算机系统200可以布置有用于实现系统100的操作的各种硬件和软件组件，包含处理器210、存储器220、通信接口250和计算机可读存储介质290。在一个或多个实施例中，处理器210、存储器220和通信接口250被集成到单个电路板上。

处理器210用于执行可以存储在存储区290中并且加载到存储器220中的软件指令。处理器210可以是多个处理器、多处理器核或其它某种类型的处理器，这取决于特定实施方案。在一个或多个实施例中，处理器210与机器人车辆110的一个或多个距离传感器(例如，距离传感器120)、车轮编码器和其它组件电子通信。

优选地，存储器220和/或存储区290可由处理器210访问，由此使处理器210能够接收和执行存储在存储器220和/或存储区290上的指令。存储器220可以是例如随机存取存储器(RAM)或任何其它合适的易失性或非易失性计算机可读存储介质。另外，存储器220可以是固定的或可移除的。存储区290可以采取各种形式，这取决于所述实施方案。例如，存储区290可以含有一个或多个组件或装置，如硬盘驱动器、闪存、可重写光盘、可重写磁带或以上各项的某种组合。存储区290也可以是固定的或可移除的、本地存储区或远程存储区，如基于云的数据存储系统。

在一个或多个实施例中，控制计算系统200还包含显示器235和用户接口225。显示器可以显示在可操作地耦接到输入装置的触摸屏或其它显示器(未示出)上。例如，显示器可以定位于机器人(例如，机器人110)处，并且用于输出用户可以经由用户接口225与之交互的表面轮廓测量结果。

一个或多个软件模块230被编码在存储区290和/或存储器220中。软件模块230可以包括具有在处理器210中执行的计算机程序代码、脚本或可解译指令集的一个或多个软件程序或应用。用于执行操作和实施本文公开的系统和方法的各方面的这种计算机程序代码或指令可以用一种或多种编程语言或脚本的任何组合来编写。程序代码可以作为独立的软件包完全在控制计算系统200上执行，部分地在控制计算机上并且部分地在远程计算机/装置(例如，传感器、换能器和/或机器人)上执行或完全在这种远程计算机/装置上执行。在后一种场景中，远程计算机系统可以通过任何类型的电子数据连接或网络(包含局域网(LAN)或广域网(WAN))连接到控制计算系统200，或可以通过外部计算机(例如，通过互联网，使用互联网服务提供商(Internet Service Provider))进行连接。在那些场景中，控制计算系统200可以包含网卡或用于无线传输数据的其它装置，如本领域中已知的。

在一个或多个实施例中，包含在软件模块230之中的是由处理器210执行的传感器控制模块270、移动模块272和轮廓分析模块274。在执行软件模块230期间，处理器210被配置成执行与表面轮廓测量相关的各种操作，如以下将更详细描述的。

在一个或多个实施例中，传感器控制模块270将处理器210配置成指示一个或多个距离传感器(例如，距离传感器120)在相应的脉冲时间朝正在被横越的表面发射一个或多个信号。传感器控制模块270进一步将处理器配置成使用一个或多个距离传感器来检测所发射信号从横越表面反射回去时的到达。以此方式，测量所述信号反射所花费的时间，并且进而测量从车辆到表面的距离。在机器人车辆沿着表面行进时，距离测量发生改变，并且可以相应地确定表面的拓扑结构。例如，使用已知的距离公式：距离＝速度*时间，并且假设信号以光的速度行进，则传感器控制模块270可以通过测量信号反射所花费的时间而容易地计算距离。

在一个或多个实施例中，指示每个距离传感器同时发射信号。在其它实施例中，指示每个距离传感器以交替的间隔发射信号。例如，传感器控制模块270可以使距离传感器基于当前车辆速度和方向发射信号，使得在估计每个传感器正在通过特定定位时，可以将相应传感器数据进行比较以细化表面测量的准确度。

在一个或多个实施例中，传感器控制模块270将处理器配置成指示惯性测量单元确定在第一位置处相对于重力矢量的第一角度，并且一旦车辆已经从第一位置移动到第二位置，就确定在第二位置处相对于重力矢量的第二角度。以此方式，可以获得由表面引起的车辆相对于静止的相对倾角，并且进而可以获得关于表面的拓扑结构的另外信息。

移动模块272将处理器配置成从一个或多个车轮编码器接收移动数据以确定机器人车辆的位置。车轮编码器提供测量车辆的每个车轮转弯的量的能力，并且由此提供行进的车辆距离的指示器。移动模块从存储器接收关于车轮大小的信息，并且结合车辆的每个车轮已经转弯的量的确定，可以计算车辆行进的距离。

在一个或多个实施例中，轮廓分析模块274将处理器配置成计算在相应距离传感器与表面之间行进的一个或多个信号的相应飞行时间(TOF)。这可以与传感器控制模块270的操作结合。然后，轮廓分析模块274基于相应TOF和由移动模块272提供的移动数据来确定所述表面在给定点处的相应斜率。由此，可以将表面的拓扑结构缝合在一起。轮廓分析模块还可以将在给定点处所述表面的相应斜率存储在非暂时性计算机可读存储介质中(例如，在存储器中)。

在一个或多个实施例中，轮廓分析模块274与传感器控制模块270和/或惯性测量单元结合将处理器配置成确定第一角度与第二角度之间的角度偏移，其中第一角度和第二角度被测量为车辆相对于两个不同车辆位置处的重力矢量的相应位置。轮廓分析模块274可以将相对于在每个给定点处的表面所测量的相应角度存储在非暂时性计算机可读存储介质中(例如，在非易失性存储器装置中)。在一个或多个实施例中，所述偏移是相对于机器人车辆的纵轴确定的。

第一角度与第二角度之间的角度偏移可以用于确定表面的轮廓。由于相应角度指示机器人车辆相对于表面的倾角的测量，因此轮廓分析模块274可以使用此信息来确定表面的轮廓。例如，如果惯性测量单元被置于机器人车辆的中央，并且定位于车辆前部处的车轮开始沿斜坡向上移动，则惯性测量单元将测量相对于车辆其余部分的倾角角度。此后，轮廓分析模块274可以结合车轮编码器移动数据取得所述角度数据，并确定所述表面具有由移动数据提供的距离的所测量的角度的斜率。

也可以说，软件模块230的程序代码和非暂时性计算机可读存储装置中的一个或多个非暂时性计算机可读存储装置(如存储器220和/或存储区290)形成可以根据本公开制造和/或分配的计算机程序产品，如本领域普通技术人员已知的。

应当理解，在一些说明性实施例中，软件模块230中的一个或多个软件模块可以通过网络经由通信接口250从另一个装置或系统下载到存储区290以在系统内用于配置现场机器人110。

另外，应当注意，与本发明的系统和方法的操作相关的其它信息和/或数据(例如，在使用期间用于操作系统100(例如，传感器、编码器、换能器)和/或机器人的各种控制程序)也可以存储在存储区290上。

数据库285也可以存储在存储区290上。数据库285可以含有和/或保持在贯穿系统100的各种操作中使用的各种数据项和元素。存储在数据库285中的信息可以包含但不限于用于协调传感器的操作的软件和信息、用于在表面轮廓测量期间将传感器部署到其相应位置中的同时协调机器人的移动的软件和信息、用于执行轮廓测量和计算表面尺寸(例如，表面斜率、表面几何形状和表面尺寸)的已知特性。应当注意，尽管将数据库285描绘为与控制计算系统200的存储区本地配置，但是在某些实施方案中，数据库285和/或存储在其中的各种数据元素可以远程定位并且以本领域普通技术人员已知的方式通过网络连接到控制计算系统200。

尽管本文中的一个或多个实施例的优点在于控制计算系统200能够在不需要远程输入或处理的情况下执行表面轮廓测量，但是在其它实施例中，通信接口250还可操作地连接到处理器210。通信接口250可以是能够实现控制计算系统200与外部装置、机器和/或元件(如与轮廓测量操作结合使用的换能器、传感器和任何机器人)之间的通信的任何接口。优选地，通信接口250包含但不限于：调制解调器；网络接口卡(NIC)；集成网络接口；射频发射器/接收器(例如，蓝牙、蜂窝、NFC)；卫星通信发射器/接收器；红外端口；USB连接和/或用于将控制计算系统200连接到其它计算装置和/或如专用网络和互联网等通信网络的任何其它这种接口。尽管这种连接可以包含有线连接或无线连接(例如，使用IEEE 802.11标准)，但是应该理解，通信接口250实际上可以是实现来往于控制计算机的通信的任何接口。

现在参考图3，提供了根据一个或多个实施例的用于对表面305进行轮廓测量的系统300。系统300包含具有一组车轮315、距离传感器320和控制计算系统340的机器人车辆310。机器人车辆310包含驱动系统(未示出)，如用于为车辆供电并用于移动的板载电动机。所述一组车轮315可以包含一个或多个车轮编码器(未示出)，所述一个或多个车轮编码器收集关于车辆310的移动信息(如车辆速度和方向)，以便通知处理器210车辆移动，以便控制计算系统200限定车辆沿着表面305的移动。在一个或多个实施例中，所述一组车轮315包含一个或多个全向轮、驱动轮、胎面等。在一个或多个实施例中，所述一组车轮315包含磁体以改善对铁磁表面的粘附。机器人可以包含其它附接机构，如夹具、钩、弹簧、绳索、吸盘或本领域已知的其它附接机构。

在一个或多个实施例中，距离传感器320是单个光学传感器、超声传感器或LIDAR传感器。在其它实施例中，距离传感器320涵盖多个光学或超声传感器。距离传感器320可以安装在车辆310的前部、后部和/或其它限定的位置上，这取决于期望的构造，只要距离传感器可以朝表面305发射信号并接收随后的返回信号。在特定实施例中，将第一距离传感器安装在机器人车辆的前部，并且将第二距离传感器安装在机器人车辆的后部。

如示例性图3所示，距离传感器320安装到机器人车辆310的前部，并且被布置成将信号沿着距离330发射到表面305。由传感器测量的距离330确定表面的斜率相对于车辆在所述表面上的当前位置和倾角如何变化，并且由此计算表面的倾角变化。例如，在图3中，机器人车辆310首先沿着表面305位于位置A，并且测量距离330A。然后，驱动系统激活车轮315，并且使机器人车辆310沿着表面305移动到不同定位处的位置B中，其中车辆通过距离传感器320进行距离330B的第二次测量。车辆310的相应“位置”应当理解为是指表面上距离传感器320发射和/或接收信号的定位(例如，点或区域)。在一个或多个实施例中，车轮编码器还可在每个位置处进行定位测量(例如，通过测量车轮旋转)。

应当理解，机器人车辆310在测量之间(例如，从位置A到位置B)行进的距离应该非常小，并且应当进行许多表面测量以便使表面轮廓测量的准确度最大化。随着进行更多的测量，并且随着机器人车辆在每次测量之间的位置变化更小，结果是数据输出的分辨率更高(即，产生表面轮廓的数据整合更精细)。

系统300进一步包含控制计算系统340(例如，控制计算系统200)。控制计算系统340包含处理器、存储器、非暂时性计算机可读存储介质以及包括存储在存储介质中的可执行指令的一个或多个软件模块，其中所述一个或多个软件模块能够由所述处理器执行。

优选地，包含在软件模块之中的是传感器控制模块、移动模块和轮廓分析模块。所述传感器模块将所述处理器配置成指示所述一个或多个距离传感器在相应脉冲时间发射一个或多个信号，其中所述传感器控制模块进一步将所述处理器配置成使用所述一个或多个距离传感器来检测所述一个或多个信号的到达。所述移动模块将所述处理器配置成从所述一个或多个车轮编码器接收移动数据以确定机器人的位置。所述轮廓分析模块将所述处理器配置成计算在所述传感器与所述表面之间行进的所述一个或多个信号的相应飞行时间(TOF)，基于所述相应TOF和所述移动数据来确定在给定点处所述表面的相应斜率，并且将在所述给定点处所述表面的所述相应斜率存储在所述非暂时性计算机可读存储介质中。在机器人车辆在表面上从一个位置移动到另一个位置时，控制计算系统340执行上述模块以沿着表面的不同位置连续确定相应斜率。然后对所测量的斜率的变化进行积分，并且使用先前的读数来计算机器人的位置，以生成表面的轮廓。所述轮廓可以在机器人车辆操作期间或操作完成之后生成。生成轮廓可以包含通过找到将生成观察到的读数的轮廓来“求解”轮廓。在执行软件模块期间，处理器被配置成执行与表面轮廓相关的各种操作，如以下将更详细描述的。

将进一步参考图4理解图1和3中所展示的示例性表面轮廓测量系统100和300的操作。图4是根据本发明的一个或多个实施例的用于生成表面轮廓的例程400的高级流程图。

例程400开始于步骤405，在所述步骤中，将机器人车辆部署在待轮廓测量的表面上。此后，使用一个或多个距离传感器(如距离传感器320)生成一个或多个信号，并且将所述一个或多个信号朝车辆当前位置处的表面发射。在步骤415处，接收从表面返回到一个或多个传感器的一个或多个信号。此信息被传递到如计算控制系统200等计算控制系统，其中含有代码的一个或多个软件模块由处理器执行以执行轮廓计算。在一个或多个实施例中，步骤415和420由本文所描述的传感器控制模块执行。

在步骤420处，计算控制系统计算在距离传感器处接收的一个或多个信号的相应飞行时间(TOF)。在此步骤之后或同时，计算控制系统从车轮编码器接收移动数据(步骤425)。移动数据可以包含机器人车辆的当前速度和方向，并且用于确定机器人车辆定位在表面上的地方。在一个或多个实施例中，所述移动模块将所述处理器配置成从所述一个或多个车轮编码器接收移动数据以确定机器人的位置。

在接收到此信息之后，计算控制系统基于相应TOF计算在当前定位处的表面的相应斜率(步骤430)。例如，与第一位置的所测量TOF相比，第二位置处的所测量TOF更长表明，在第二位置处表面所处的高程低于在第一位置处表面所处的高程。在步骤430处，将所计算的当前机器人车辆位置的斜率数据和移动数据存储在存储介质中。此信息包括表面的“快照”。如果尚未完全捕获表面，即存在不足以确定整个表面的轮廓的快照，则将机器人车辆重新定位到新位置(步骤440)，并且例程400分支返回到步骤405。此过程可以根据需要重复许多次，以在规定的准确度的阈值内捕获期望的表面。

一旦机器人车辆已经沿着待轮廓测量的整个表面进行了测量，计算控制系统使用从每个位置收集的数据来对表面进行轮廓测量(步骤445)。轮廓测量可以包含基于接收到的TOF和移动数据求解方程式，以确定表面看起来如何。在一个或多个实施例中，步骤430、435和445可以由轮廓分析模块实施，所述轮廓分析模块包括在处理器210中可执行以便执行那些步骤的代码。

现在参考图5，提供了根据一个或多个实施例的用于对表面505进行轮廓测量的系统500。系统500包含机器人车辆510，所述机器人车辆具有沿着车辆的纵轴线性地纵向对齐的多个距离传感器520，每个传感器被配置成测量到表面505的距离530A、B、C等，如本文其它地方所描述的。车辆的纵轴可以与车辆510的中央框架共轴。以此方式，多个距离传感器520中的每个距离传感器生成单独的数据流。每个距离传感器520可以被校准成以不同的速率或不同的精度(如以规则的时间间隔)来测量距离。例如，一个传感器可以被配置成每0.001秒收集距离测量，而另一个传感器可以被配置成每0.01秒或0.1秒收集距离测量。类似地，每个距离传感器可以分别地被配置成将所测量的距离精确到厘米、毫米等。可以增加距离传感器520的数量以提供更精细的“快照”测量。在一个或多个实施例中，距离传感器520被布置成彼此基本上等距。在一个或多个实施例中，距离传感器520被布置在机器人车辆510的外表面上。在一个或多个实施例中，距离传感器520被布置在所述机器人车辆510内。

为了容纳多个距离传感器520，机器人车辆510相对于机器人车辆310被拉长。机器人车辆510还包含如本文其它地方所描述的控制计算系统540(例如，控制计算系统200、340)。在某些实施例中，可以优化数据收集的速率或精度以管理由多个距离传感器520生成的用于传递到控制计算系统540的数据量。

机器人车辆510还容纳用于捕获车辆朝向数据的加速度计550。尽管本文中设想了加速度计，但是可以实施其它惯性测量单元(例如，陀螺仪)。加速度计550相对于重力方向被校准，这意味着加速度计测量机器人车辆510在其横越表面时的水平和/或垂直偏移。这提供了超出距离测量530本身的另外数据，所述另外数据可以由轮廓分析模块274用于确定表面505的轮廓。以此方式，控制计算系统540可以调整所捕获的表面的“快照”以提高轮廓测量准确度。在一个或多个实施例中，加速度计550在x和y平面中基本上定位于机器人车辆510上的中央。

在一个或多个实施例中，多个加速度计550被布置在机器人车辆510上或内。在一个或多个实施例中，加速度计550被布置成彼此基本上等距。

现在参考图6，提供了根据一个或多个实施例的用于对表面605进行轮廓测量的系统600。系统600包含机器人车辆610，所述机器人车辆具有容纳车轮编码器的一组车轮和如本文其它地方所描述的控制计算系统640(例如，控制计算系统200、340)以及加速度计650。有利地，本实施例能够纯粹地通过加速度计和车轮编码器测量车辆倾角来对表面进行轮廓测量，并且因此，不必包含任何距离传感器来对表面进行轮廓测量(尽管如下所描述的，距离传感器可以进一步提高准确度)。

更具体地，控制计算系统640使用加速度计将当前车辆角度校准到第一位置(位置1)处的零点。优选地，零点与重力矢量的零点匹配，尽管这不是所需的。图6通过第一角度660展示了零点角度。然后，如图6所示，将机器人车辆610驱动第一距离665到第二位置(位置2)。由于表面的形状已经从位置1改变到位置2(例如，高程、朝向)，因此由机器人车辆610的加速度计650所测量的相对于零点的角度已经偏移第二角度670。然后，将机器人车辆610驱动第二距离675到第三位置(位置3)，其中由机器人车辆610的加速度计650所测量的相对于零点的角度已经偏移第三角度680。由加速度计650所测量的在位置1、2和3的每个位置处捕获的角度倾角数据被传递到控制计算系统640，并由执行一个或多个软件模块(例如，轮廓分析模块)的处理器处理。例如，使用此信息，系统600可以被配置成计算机器人车辆610已经沿着由两个位置之间的倾角读数的平均值限定的线移动，从而通过计算平均角度(位置1和位置2处的平均角度)乘以在车辆从位置1移动到位置2时从车轮上的编码器估计的行进距离的正弦来确定偏移(例如，位置1与位置2之间)的增量。然后对这些增量偏移进行求和，以估计相对于车辆的起始位置的绝对偏移。前述内容包括假设机器人车辆610已经沿着由两个位置之间的倾角读数的平均值限定的线移动的算法，可以采用其它算法来考虑更复杂的移动，并且前述内容仅是举例。

为了提高测量准确度，系统600优选地实施短的机器人车辆610以便在任何给定位置处对倾角进行局部测量，以准确确定车辆在x和y两个方向上移动了多远。类似地，在执行新测量时，系统600保持距离变化较小(例如，距离665、675可以相距0.1mm或0.1cm)是有利的。保持距离变化较小限制了系统600遗漏信息的机会，如如果表面在两个位置中类似，但是在那些位置之间变化，并且还向处理器210提供更多信息，以便创建更精细的详细表面轮廓。在提高准确度的另一种方式中，系统600可以通过代码配置，以便在机器人车辆610在向前行进方向上移动时生成轮廓，并且然后在反向行进方向上沿所述路线折回以生成两个轮廓。然后，融合每个轮廓中生成的信息，以提高整体生成的轮廓的准确度。如果两个生成的轮廓相差特定量，则车辆可以重新运行测量并将所生成的信息添加到数据融合中以继续提高准确度。

尽管设想系统600没有距离传感器作为主要焦点，但是在一个或多个实施例中，可以将距离传感器添加到系统以提高准确度。例如，距离传感器可以安装在机器人车辆610上以面向地面(例如，被动地安装到平行于重力牵引的点)来测量车辆在表面上方的高度。然后，通过将车轮编码器读数与相对于地面的此距离测量进行比较，使用此信息来确定车辆沿着什么角度移动。

现在转到图7，提供了根据一个或多个实施例的用于对表面705进行轮廓测量的系统700。图7展示了机器人车辆710的正面视图，所述机器人车辆具有沿着车辆的较短的横轴(例如，图7中的x轴)线性地间隔的多个距离传感器720。例如，多个距离传感器720可以是跨横轴彼此基本上等距。横轴可以与机器人车辆710的中央框架或车轴共轴。通过跨机器人车辆的窄轴而不是长轴上放置距离传感器，传感器可以在x和y两个方向上收集距离信息。系统700进一步包含本文中其它地方所描述的并且向处理器提供用于计算与产生表面轮廓相关的倾角和距离信息的信息的车轮编码器、控制计算系统740和加速度计750。通过在两个方向收集数据，控制计算系统740可以生成两个表面轮廓，每个方向一个表面轮廓，从而生成表面的2D轮廓。

在一个或多个实施例中，通过包含沿着机器人车辆710的纵轴而线性地布置的第一组距离传感器720和沿着机器人车辆的横轴而线性布置的并垂直于第一组距离传感器的第二组距离传感器720，可以进一步提高准确度。以此方式，多个距离传感器720中的每个距离传感器生成单独的数据流。每个距离传感器720可以被校准以不同的速率或不同的精度来测量距离。例如，一个传感器可以被配置成每0.001秒收集距离测量，而另一个传感器可以被配置成每0.01秒或0.1秒收集距离测量。类似地，每个距离传感器可以分别地被配置成将所测量的距离精确到厘米、毫米等。可以增加距离传感器720的数量以提供更精细的“快照”测量。在一个或多个实施例中，距离传感器720被布置成彼此等距。在一个或多个实施例中，距离传感器720被布置在机器人车辆710的外表面上。在一个或多个实施例中，距离传感器720被布置在所述机器人车辆710内。

在一个或多个实施例中，表面轮廓测量实施了同时定位和映射算法(SLAM)，以自动地并且以一定的准确度的公差映射出物体(例如，罐壁)的整个表面。SLAM算法是实时定位系统，所述实时定位系统实时获取在车辆处接收到的环境传感器数据并且将所述数据与先前已知的数据进行比较，以便在跟踪车辆在环境内的轨迹的同时近似估计当前环境的几何形状。根据本文公开的实施例，部署了机器人车辆，所述机器人车辆可访问SLAM技术，以便以高准确度自动产生表面的2D(“展开”)或3D轮廓。根据传感器和系统灵敏度，SLAM技术可以提供比LIDAR技术更高的准确度。以此方式，本文描述的系统和方法不限于与图7相关联的线性轮廓或2D轮廓。

另外，在一个或多个实施例中，本文的系统和方法包含机器人车辆外部的用于估计车辆位置的激光参考装置。激光参考装置优选地定位于距表面的已知定位(例如，表面的中央)已知距离处。在操作中，激光参考装置会发射垂直参考激光线(光束在水平方向上具有线性宽度)，而不是被朝向为平行于表面。在机器人装置沿着表面移动时，来自激光参考装置的光耦接到机器人装置的传感器(如光学传感器)不断地检测。表面上的任何突起、凹陷和不平坦将偏移传感器捕获和检测由激光参考装置发射的激光辐射的位置。所测量的偏移可以用于根据在表面处进行的参考计算来计算表面的变形的量值。由于计算取决于光学传感器检测激光的位置的准确读数，因此此方法在显著程度上依赖于光学传感器的设计。

图1到图7是允许解释本发明的概念图。本领域的技术人员应该理解，本发明的实施方案的各个方面可以在硬件、固件、软件或其组合中实施。在此类实施例中，各个组件和/或步骤将在硬件、固件和/或软件中实施以执行本发明的功能。也就是说，同一件硬件、固件或软件模块可以执行所展示块中的一个或多个块(例如，组件或步骤)。

在软件实施方案中，计算机软件(例如，程序或其它指令)和/或数据存储在机器可读介质上作为计算机程序产品的一部分，并且经由可移除存储驱动器、硬盘驱动器或通信接口加载到计算机系统或其它装置或机器中。计算机程序(也被称为计算机控制逻辑或计算机可读程序代码)存储在主存储器和/或辅助存储器中，并且由一个或多个处理器(控制器等)实施，以使所述一个或多个处理器执行如本文所描述的本发明的功能。在本文件中，术语“机器可读介质”、“计算机程序介质”以及“计算机可用介质”通常用于指如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可移除存储单元(例如，磁盘或光盘、闪存装置等)；硬盘；等介质。

值得注意地，以上附图和实例不意在将本发明的范围限制在单个实施方案中，因为其它实施方案通过互换所描述或所展示的元件中的一些或所有元件是有可能的。此外，在使用已知组件可以部分或完全实施本发明的某些元件的情况下，仅描述了对于理解本发明所必需的此类已知组件的那些部分，而将对此类已知组件的其它部分的详细描述省略以免使本发明模糊。在本说明书中，除非本文中另外明确声明，否则示出单数个组件的实施方案不应必需地被限制于包含多个同一组件的其它实施方案，并且反之亦然。此外，除非明确阐述之外，否则申请人不旨在将本说明书或权利要求书中的任何术语归为不常见的或特殊的含义。进一步地，本发明涵盖在本文中通过说明的方式提及的已知组件的目前和未来已知的等效物。

具体实施方案的前述描述将如此完全地揭示本发明的一般性质，使得在不需要过度实验、不背离本发明一般概念的情况下，通过应用相关领域技术范围内的知识(包含通过参考引用并结合在本文中的这些文件的内容)，其他人可以容易地对此类具体实施方案的各种应用进行修改和/或适配。因此，基于本文所呈现的教导和指导，此类适配和修改旨在处于所公开的实施方案的等效物的含义和范围内。应该理解，本文中的措辞或术语是出于描述而非限制性目的，使得本说明书的术语或措辞将由技术人员鉴于本文所呈现的教导和指导与相关领域技术人员的知识结合来解释。

虽然以上已经描述了本发明的各个实施方案，但是应该理解，所述实施方案通过举例而非限制的方式呈现。相关领域技术人员将清楚的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以做出形式上和细节上的各种改变。因此，本发明不应当受限于任何上述示例性实施方案，而是应当仅根据以下权利要求书及其等效物来限定。