CN101484360B - 用于监控结构部件的状态的方法以及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种监控结构部件的状态的方法，其中光学传感器连同计算单元从待监控的结构部件的连续图像中确定图像偏差，并且由此确定结构的形状改变。当使用两个或者更多个传感器时，可以对结构部件进行强劲的三维扫描。本发明还涉及一种用来监控结构部件的状态的具有光学传感器的装置，以及一种具有两个或者更多个传感器的装置。最后，本发明涉及一种飞行器，在所述飞行器中使用了根据本发明的方法或者装置。

Description

用于监控结构部件的状态的方法以及装置

技术领域

本申请涉及利用至少一个结构状态传感器来监控结构部件的状态的方法以及装置。

背景技术

通常，负载很重的设备复杂件的结构必需能够提供非常高等级的操作安全性，因此，例如必需对飞行器、尤其是客机的完整性或者它们的机械状态进行定期检查。这种检查通常是在预定数量的负载循环(例如飞行器的起飞和降落)或者在预定的时间段之后进行。继续以客机为例，为此，借助于非破坏性方法对飞行器进行关于其结构损坏——例如裂缝或者脱层现象——的检查。这种检查复杂、昂贵而且费时，并且另外需要飞行器在地面上停留一段很长的时间，这样通常来讲是不经济的。

目前，尤其关于军用飞行器，存在着能够探测结构部件中的损坏的多种其它方法。将传感器集成在待监控的结构部件上使得可以在常规飞行操作中测定结构部件的状态。这种传感器只能进行本地操作，也就是说它们仅能够监控那些直接与它们邻接的结构。如下类型的传感器，例如包括应变仪、纤维布拉格光栅、断丝(tearing wires)、真空传感器、光学纤维或者压电系统，已经成功地用于结构状态监控系统(下文中也称作“结构健康监控”系统或者SMH系统)，并且已经进行了深入的研究和开发。

当使用本地操作的SMH传感器时，大面积结构部件的监控需要在较大表面面积上集成传感器、需要各自的充分的电连接以及需要适当的测量值探测装置。取决于待监控的各个结构部件的尺寸，可能会导致极大的复杂性和相应的花费。

发明内容

因此本发明的目的在于减少或者完全消除上述的缺点。具体地，本发明的目的是利用单个结构状态传感器或者很少的结构状态传感器在尽可能大的面积上有效地并以较低的成本对结构部件进行监控，并且降低结构状态监控系统的复杂性。本发明的另一目的在于提供用于监控结构部件的状态的方法和装置；以及提供一种飞行器，尤其是客机，在所述飞行器中可以以尽可能低成本且有效的方式进行结构状态监控，并且同时利用所述飞行器能够以较低的复杂性实现结构状态监控系统。

上述目的通过一种监控飞行器结构部件的状态的方法得以实现，所述方法包括如下步骤：利用光学传感器产生结构部件的图像，将图像传递到至少一个计算单元，由所述至少一个计算单元从所述图像与至少一个参考图像的比较来确定图像偏差，由所述至少一个计算单元从所述图像偏差来确定结构部件的离散区域的几何偏差，以及由所述至少一个计算单元从所述几何偏差来确定结构部件的形状改变。

根据本发明的方法的主要优点在于，通过光学图像处理对待监控的结构部件进行无接触解析或绘图。在适当的位置处使用传感器使得可以产生待监控的结构的图像，所述图像被传送到一个或多个计算单元。基于已经存在于计算单元中的参考图像，可以确定关于当前记录图像的图像偏差。这些图像偏差可能是例如由于鸟类撞击、分离或裂缝的部件等所导致的结构改变所引起。因此，图像偏差以及参考结构的精确图像适合用来确定结构部件的离散区域的几何偏差。最后，利用存在的参考几何数据集，通过考虑结构部件的离散区域的几何偏差，借助于至少一个计算单元的操作可以从几何偏差来确定整个结构部件形状的弹性改变和塑性改变。形状的改变例如可以以三维几何数据的形式进行描述。

借助于以所述方式所确定的关于待监控结构部件的形状改变，可以容易地对损坏进行记录、量化以及分类。这在不使用本地操作传感器的情况下是可行的，本地操作传感器受限于体积较小的区域。根据本发明的方法提供了快速且有效地探测损坏、涵盖较大面积以及提供结构监控的可行方式。

有利地，所述光学传感器是照相机的形式。照相机，并且尤其是数码照相机，能够以低成本的方式适用于许多不同的设计构造。它们得到了广泛的开发，并且它们以数字方式高速地提供所产生的图像数据。

在本发明的具体实施方式中，光学传感器的视野通过枢转的镜子和/或物镜装置而得到扩大或者偏转。这样允许根据本发明的方法在没有附加的其它光学传感器的情况下适用于复杂曲面构造的待监控表面。

如果光学传感器在不可见波长的范围内进行操作，则是更加有利的。与利用可见光范围内的波长的情形不同，即使是在逆光的情况下也可以对表面进行绘图。因此，本方法的稳健性增加。另外，可以对条件、缺陷和期待的效果理想地进行适应。

本发明的目的还通过一种监控飞行器结构部件的状态的方法得以实现，所述方法包括如下步骤：利用两个或者更多个相互间隔开的光学传感器来产生结构部件的图像，将所述图像传送到至少一个计算单元，从所述图像来确定结构部件的监控区域的几何数据，以及从所确定的几何数据与参考几何数据集的比较来确定结构部件的离散区域的几何偏差。

使用彼此间隔开的两个或者更多个光学传感器使得形成了探测和处理三维图像的能力。如果两个相互间隔开的传感器朝向结构部件的区域定向，则该区域是从两个不同的视角进行探测。类似于利用立体摄影的情形，由多个传感器所产生的图像使得可以获得关于成像区域的深度信息。将所述图像从光学传感器传给至少一个计算单元，在计算单元中，从三维图像来确定几何数据。最终，通过所确定的几何数据与参考数据集的比较，可以确定关于待监控结构部件区域的几何偏差，以便能够由此来确定结构部件的损坏。

类似于前述方法的实施，还可以利用所探测的离散区域的几何偏差来对结构缺陷进行量化和分类。

如上文所阐述的原因，特别有利地，光学传感器是照相机的形式。在额外有利的实施方式中，光学传感器的视野通过至少一个枢转的镜子和/或物镜装置而得到扩大或者偏转，并且所述光学传感器优选地在不可见波长的范围内操作。

本发明的目的还通过一种用于监控飞行器结构部件的状态的装置得以实现，所述装置包括用于产生结构部件的图像的光学传感器以及至少一个计算单元，其中，所述计算单元适于接收所述图像、从所述图像中与至少一个参考图像的比较来确定图像偏差、从所述图像偏差来确定结构部件的离散区域的几何偏差以及从所述几何偏差来确定结构部件的形状改变。

本发明的目的另外还通过一种用于监控飞行器结构部件的状态的装置得以实现，所述装置包括用于产生结构部件的图像的两个或者更多个光学传感器以及至少一个计算单元，其中，所述计算单元适于接收所述图像、从所产生的图像来确定几何数据、从所确定的几何数据与参考几何数据集的比较来确定结构部件的离散区域的几何偏差以及从所述几何偏差来确定结构部件的形状改变。

最后，所述目的通过一种飞行器、尤其是通过一种客机得以实现，所述飞行器具有如权利要求9至10所述的用于监控飞行器结构部件的状态的装置。

附图说明

下文中，将参照实施方式通过示例来更加详细地描述本发明。在具体描述中，对相同或相似的元件使用相同的附图标记。

图1参考客机示出了第一实施方式的侧视图，

图2示出了用来说明利用光学传感器的根据本发明的方法的方块图，

图3参考客机示出了第二实施方式的侧视图，

图4示出了用来说明利用两个或者更多个光学传感器的根据本发明的方法的方块图，以及

图5是用来说明第三实施方式的示意图。

具体实施方式

图1示出了客机2，其包括机身4、方向舵组6、升降舵8和机翼10。为了根据本发明的方法的监控飞行器结构的目的，必需由一个或者更多个光学传感器来对结构部件进行监控。

在图1中，作为示例，光学传感器12布置在方向舵组6的前缘的上部，并且能够光学探测飞行器2上部的主要部分。由于方向舵组6的设计布置，使得光学传感器12无法看到一些较小的区域。但是，沿飞行方向位于方向舵组6前方的机身整个上部都处于光学传感器的可视范围内。

传感器12——其有利地是例如照相机等成像传感器的形式——能够以预定的定时间隔或者在外部所提供的信号的控制之下产生待监控的结构的即时图像。所产生的结构图像无需是在人类可视的波长范围内显示的照片，还可以想到红外记录以及其它波长范围的记录。

为了尽可能全面地探测飞行器2的结构，可以在机身4、方向舵组6、机翼10和起落架的其它位置安装另外的传感器。因此，例如在图1中，另一传感器14布置在机身-机翼的过渡区域处，而又一传感器16布置在飞行器的驾驶员座舱附近。可以想到所有的传感器位置，只要在关于传感器的实施和花费尽可能低的情况下允许尽可能全面地对结构进行监控。

图2用来描述根据本发明的方法，该方法从由传感器12产生图像开始。图2中的图示涉及用于确定待监控的区域内的即时结构变化的方法步骤的顺序。应该尽可能连续地重复实施该方法步骤的顺序，从而提供结构状态的连续监控。

如以22指出，在由传感器12产生图像之后，所述图像被传送到计算单元18。有利地，所述图像通过数字数据来表示，所述数字数据从传感器12通过数据线被传给计算单元18。

计算单元18存储了待监控区域的一系列参考图像，参考图像除了是从传感器12的观测方向进行记录的之外，也从其它的方向进行了记录。关于待监控区域的三维信息的项目可以从不同透视图的结合中得到，从而对单个传感器12进行校准。无法利用单个光学传感器对物体进行立体成像，而关于待监控区域的三维深度的缺失信息仅可由参考图像来提供。

从来自光学传感器12的观测方向的连续图像的改变中，可以借助于从其它的立体图得到的参考图像而得出关于结构变化的三维程度的结论。这是通过下面的方法步骤来实现，其开始于从传感器12的图像与至少一个参考图像——在该情况下为待监控区域的先前的图像——的比较来确定图像偏差的步骤24。借助于计算单元18来确定图像偏差的步骤可以通过目前的图像比较程序来执行，所述程序尤其在媒体技术、计算机辅助图形图像处理等中已知。这些程序应用例如颜色减法原理。

借助于从不同立体图所记录的参考图像，可以从所确定的图像偏差来确定结构部件的离散区域的几何偏差，如在上文中所描述，所述参考图像使得可以得到三维深度信息。这些几何偏差例如解释为结构的特定表面点的平移。因此，待监控的结构表面上的特定点可以在待监控结构图像的连续记录之间的空间中移动。在比较连续图像之后可以量化该移动。

最后，从所确定的几何偏差可以实现确定结构部件28的形状改变的步骤。待监控结构部件上的离散点的个别平移运动仅得出关于瞬间移动的结论。因此，这种位移必需以适当的方式加到关于待监控结构的完全的几何数据集中的点的位置上，所述几何数据集存在于计算单元中。因此，形状的改变可以以相对于初始形状来表示的方式进行描述。几何数据集可以是待监控结构的CAD模型，其中个别的离散点可以移动如下距离——即，移动的点在两张连续图像之间实际上覆盖的距离。

待监控结构的瞬间形状改变的程度以及所确定的相对于初始形状的形状改变的分类是关于结构损坏严重程度或者结构上的应力方面的测量。所述分类包括例如划分成期望的机翼偏转、不能容忍的弯曲或者凹痕等。取决于损坏的严重程度引发进一步的措施。因此，关于形状剧烈改变的数据可以存储在适当的位置，并且可以同时产生对飞行员发出的警报。在探测到形状的改变之后，根据通常的状态监控方法的具体需求可以采用进一步的程序。

现在将参照图3和图4来描述上述方法的改型。作为示例，两个传感器30和32代替了单个传感器12设置在图3中的方向舵组6的前缘处，所述两个传感器30和32彼此间隔开并且其中一个布置在另一个的上方。所述两个传感器30和32的定向使得它们涵盖了相同的结构区域。类似于具有一双眼睛的情况，这两个结合的传感器30和32能够产生单个物体的两张图像，所述图像仅在视角上彼此不同。基于两张图像彼此之间的偏差，可以从所记录的图像中获得三维深度信息。

如图4中所示的根据本发明的方法适于使用两个邻近的、相互间隔开的光学传感器30和32。首先，在34处，由传感器30和32产生图像，然后，如以36指出，所述图像被传送到计算单元18。

从两张图像中可以获得三维几何数据，通过叠加两张图像提供了待监控结构的三维图像。

通过三维图像的增强扫描以及产生三维模型的点或点云可以实现转换，其中所述模型是丝网模型或者类似的形式。

从所确定的几何数据与参考几何数据集的比较计算出监控结构的形状变化。将所确定的模型与参考模型之间的网格节点的位置偏差解释为形状的变化或者形状的偏差。

借助于两个相互间隔开的传感器来监控结构部件的方法在干扰和中断、错误记录的参考图像等方面非常稳健，这样使得可以以任何期望的精确度来确定三维几何尺寸。关于校准传感器30和32的复杂性和花费与使用单个传感器的情形相比得以降低，并且能够更好地识别结构位置向着传感器方向的平移。

通过使传感器连续定向在待监控结构上的不同且较小的子区域，可以使该方法得到进一步改进，从而使产生的图像具有高分辨率并尽可能地清晰，而且导致了测量精确度等级的提高。上述改进可以通过枢转设置的照相机、或者通过能够借助于可驱动的偏转的镜子来扩大它们的视角的固定照相机来实现。图5示意性地示出了这种系统。具有物镜46的照相机44以固定的方式布置在结构48上，并且向着镜子50的方向进行观测，其中镜子50可以绕一个或多个轴线以枢转的方式被驱动。

物镜的尺寸以及两个照相机44(30和32)的间距的结合可以根据所要求的待监控表面的尺寸以及所期望的精确度等级而相应地进行选择。如果仅监控较小的表面，则使用大体积(large-volume)的物镜镜头46是适当的，并且照相机44以关于彼此较小的间距进行布置。如果两个照相机44以如上方式改装，并且进而分别面朝各自的镜子50，则可以对待调查的整个结构表面进行连续扫描。在这种情况下，镜子50根据预定的模式以平行的关系枢转。在每个镜子的位置处，实现了关于所产生图像的高等级的记录精确度，并且因此实现了高度的测量精确度。当处理较大的待监控表面时，应当使用较小体积的物镜46，并且照相机44应当以关于彼此相对较大的间距进行布置。这样，可以探测较大的表面部分并且立刻全部数字化，同时通过镜子50的偏转可以进一步扩大探测表面。

对于只使用单个光学传感器12的所述第一种方法也可以使用图5中所示的照相机44、物镜46和镜子50的布置。因此，可以扩大光学传感器12的视角，从而用以探测先前不可见的区域或者可以节省额外的传感器12。

本发明提供一种以非接触的方式监控较大面积上的结构部件的方法，已经参考附图1-5借助于实施方式通过示例描述了本发明。但是本发明并不限制于所描述的实施方式，而是可以想到大量的附加和改型。通过使用多于两个的传感器可以额外地改善三维信息，通过使用更多的传感器可以实现结构状态监控传感器的冗余度从而提高了本方法的稳健性。

Claims (12)

1.一种监控飞行器结构部件的状态的方法，所述方法包括如下方法步骤：

利用两个或者更多个相互间隔开的照相机(44)产生所述结构部件的图像，

将所述图像传送到至少一个计算单元(18)，

从所述图像来确定所述结构部件的监控区域的几何数据，

从所确定的几何数据与参考几何数据集的比较来确定所述结构部件的离散区域的几何偏差，以及

由所述至少一个计算单元(18)从所述几何偏差来确定所述结构部件的形状改变，

其中两个所述相互间隔开的照相机(44)朝向所述结构部件的区域定向，使得该区域被从不同的视角进行探测以获得该区域的三维图像，

其中将所述三维图像从所述照相机传给至少一个计算单元(18)，在所述至少一个计算单元(18)中，从所述三维图像来确定几何数据，并且

通过所确定的几何数据与参考数据集的比较来确定关于监控结构部件区域的几何偏差，以便能够由此来确定所述结构部件的损坏。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述照相机(44)具有物镜(46)，并且所述物镜的尺寸以及所述照相机的间距的结合根据待监控的结构部件的监控区域的尺寸以及所期望的精确度等级进行选择。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，如果监控较小的区域，则选择具有大体积的物镜以及位于所述照相机之间的较小间距，如果监控较大的区域，则选择具有较小体积的物镜以及位于所述照相机之间的较大间距。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述照相机(44)在不可见波长的范围内操作。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，每个照相机面朝相应的枢转的镜子(50)，并且所述镜子(50)枢转以便连续扫描所述结构部件的表面。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所确定的形状改变根据损坏的严重程度或者所述结构部件上的应力进行分类。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，根据损坏的严重程度引发措施。

8.根据权利要求4所述的方法，其中，所述照相机(44)在红外波长的范围内操作。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，根据损坏的严重程度发送警报。

10.一种用于监控飞行器结构部件的状态的装置，包括

用于产生所述结构部件的图像的两个或者更多个相互间隔开的照相机(44)，以及

至少一个计算单元(18)，

其中，所述计算单元(18)适于接收所述图像、从所述图像来确定所述结构部件的监控区域的几何数据、从所确定的几何数据与参考几何数据集的比较来确定所述结构部件的离散区域的几何偏差、以及从所述几何偏差来确定所述结构部件的形状改变，

其中两个所述相互间隔开的照相机(44)朝向所述结构部件的区域定向，使得该区域被从不同的视角进行探测以获得该区域的三维图像，

其中将所述三维图像从所述照相机传给至少一个计算单元(18)，在所述至少一个计算单元(18)中，从所述三维图像来确定几何数据，并且

通过所确定的几何数据与参考数据集的比较来确定关于监控结构部件区域的几何偏差，以便能够由此来确定所述结构部件的损坏。

11.一种飞行器，包括根据权利要求10所述的用于监控飞行器结构部件的状态的装置。

12.根据权利要求11所述的飞行器，其中，所述飞行器是客机(2)。

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