CN106460548B - 用于离线工业燃气涡轮和其它发电机器的视觉检查的挠性绳位置跟踪摄像机检查系统 - Google Patents

用于离线工业燃气涡轮和其它发电机器的视觉检查的挠性绳位置跟踪摄像机检查系统 Download PDF

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Abstract

一种具有挠性绳安装的摄像机头的摄像机镜检查系统，该摄像机头能够在发电机器的受限内部腔中操纵。摄像机头位置感测系统通过推断来确定该摄像机头在被检查的机器内的三维(3D)位置。由控制器将摄像机头位置数据与摄像机图像数据相关联。以此方式，相关联的内部检查图象数据和对应的位置数据可用于未来的分析和图像跟踪。

Description

用于离线工业燃气涡轮和其它发电机器的视觉检查的挠性绳 位置跟踪摄像机检查系统
对相关申请的交叉引用
本申请通过引用合并以下共同未决美国专利申请中的每个申请的全部内容：
2013年8月21日提交的序列号为13/972,332、美国专利申请公开号为2014/0055596的“Flexible Linkage Camera System And Method For Visual Inspection OfOff Line Industrial Gas Turbines And Other Power Generation Machinery”；
2013年8月21日提交的序列号为13/97200、美国专利申请公开号为2013/0335530的“System And Method For Visual Inspection And 3D White Light Scanning OfOff-Line Industrial Gas Turbines And Other Power Generation Machinery”；以及
2012年1月31日提交的序列号为13/362,352、美国专利申请公开号为2013/0192353的“System And Method For Automated Optical Inspection Of IndustrialGas Turbines And Other Power Generation Machinery With Multi-Axis InspectionScope”。
技术领域
本发明涉及用于发电机器(包括但不局限于工业燃气和蒸汽涡轮以及发电机)的无损内部检查的光学摄像机系统。更具体地，本发明的方面涉及可见光或红外光学摄像机检查系统，其能够透过发动机的任何部分(包括压气机部、燃烧室喷嘴以及过渡和涡轮部)中的燃气涡轮检查口、入口或出口来定位摄像机视场(FOV)并捕捉发动机的内部结构的可视图像。一个或更多个摄像机安装在摄像机头内，通过挠性绳将所述摄像机头平移至涡轮或其它发电机器内的关注区域，使得它们各自的视场捕捉期望的图像。包括摄像机头位置系统，所述摄像机头位置系统通过推断来确定摄像机头的三维(3D)位置，以便将所捕捉到的图像及其位置相关联以用于未来的分析。以此方式，可以选择性地恢复来自机器内的任何检查位置的图像以用于再检查，或者可以将多个图像进行缝合以创建机器的被检查区域的合成图像。
背景技术
发电机器例如工业蒸汽或燃气涡轮常常按预定的检修期连续运转，在到检修期时，使涡轮进入离线状态并停机。举例来说，燃气涡轮常常要连续运转约4000小时进行发电，然后使其进入离线状态，以进行例行维护、检查、并对在检查过程中查出的任何部件进行修理。使燃气涡轮进入离线状态并最终完全停机以进行预定维护是一项需要数天的工作。一些涡轮部件例如涡轮转子部在超过1000℃(1832℉)的温度下运转。在完全停机前，需要经过48至72小时的冷却时间使涡轮达到环境温度，以降低部件翘曲或其它变形的可能性。在停机阶段中，涡轮转子转速以“盘车模式”从大约3600RPM的运转速度缓降至大约120RPM或更低的速度，在此过程中，转子由辅助驱动电机外部驱动，以降低转子翘曲的可能性。其它涡轮部件例如涡轮壳体也缓慢冷却至环境温度。
在涡轮经过长达约72小时的时间冷却至环境温度时，就可以用光学摄像机检查系统来检查静止涡轮的内部部件。已知的光学摄像机检查系统采用插入到涡轮周围的检查口中的刚性或挠性光学内窥镜。手动地定位内窥镜，使得其视场包围涡轮内的关注区域，例如一个或更多个叶片或轮叶、燃烧室火焰筒等。光耦合至内窥镜的摄像机捕捉视场内的关注对象的图像，以便由检查人员远程显像和存档(如果需要)。
如果需要某个涡轮检查口内的不同关注区域的一系列不同图像，则检查人员必须手动地重新定位摄像机检查系统的内窥镜，以实现所需的内部关注区域和视场的相对对准。可以通过物理地移动内窥镜以使其观察口位于静止的关注区域附近来实现相对对准。内窥镜和静止的涡轮部件的这种相对移动的示例通过如下来实现：以不同的取向将内窥镜插入到静止的燃烧室内，或者使内窥镜径向地进出压气机或涡轮部内的叶片和叶栅之间的空间。对于旋转轮叶的检查，还可以通过使内窥镜的观察口保持在静止位置并顺次地将叶栅轮叶转入摄像机静止视场中来实现相对对准。
先前引用的共同拥有的标题为“System And Method For Visual InspectionAnd 3D White Light Scanning Of Off-Line Industrial Gas Turbines And OtherPower Generation Machinery”的美国公开号2013/0335530和标题为“System And MethodFor Automated Optical Inspection Of Industrial Gas Turbines And Other PowerGeneration Machinery With Multi-Axis Inspection Scope”的美国专利申请公开号2013/0192353描述了能够在发电机器内自动操控或者在人工操作的控制下手动操控的机动化检查系统的实施例。由系统来监测驱动移动轴的相对取向坐标，使得通过参考那些轴的坐标而知道检查摄像机头位置和取向。
在其它类型的发电机器的内部光学检查程序中，期望在人工操作的控制下手动地定位安装在挠性绳上的摄像机头并且记录摄像机图像，如在先前引用的共同拥有的标题为“Flexible Linkage Camera System And Method For Visual Inspection Of Off LineIndustrial Gas Turbines And Other Power Generation Machinery”的美国公开号2014/0055596中所描述的。例如，在压气机或涡轮部内的非旋转静止叶片检查需要物理地将检查镜摄像机系统视场移动至各个叶片处。固定叶片周围的通道的狭窄空间常常使传统的检查镜系统难以通过。为了完成叶片的检查，需要拆下支撑结构例如叶片罩，以在叶片列的有限空间内为检查镜部件提供足够的可见外露区域和/或通道。
因此，为了用例如在美国公开号2014/0055596中所描述的挠性绳摄像机检查系统进行全面的涡轮检查，需要在摄像机检查系统的观察口与其它内部检查进入点之间进行多次的手动相对重新定位过程，以对涡轮内的所有关注区域进行全面的视觉检查。由于燃气涡轮中的部件之间的操控路径很复杂，并且常常是迂回曲折的，因此检查装置的定位具有挑战性。检查镜摄像机输送系统必须足够柔软，以穿过促狭的通道，但是又不能太柔软或软弱，以防止被卡在通道内。与前面提到的美国专利申请公开号2013/0192353中所描述的机动化多轴检查系统不同，挠性绳式摄像机检查系统不提供摄像机头位置/取向信息，可以将所述摄像机头位置/取向信息与光学图像信息有利地结合以用于未来分析或生成合成的图像。
发明内容
因此，本发明提出的目的是使挠性绳式摄像机检查系统的摄像机头位置与所捕捉到的图像相关联，例如可以用机动化的多轴摄像机检查系统。
该目的和其它目的是通过摄像机镜检查系统在本发明的一个或更多个实施例中实现的，所述摄像机镜检查系统具有挠性绳安装的摄像机头和摄像机头位置感测系统，所述摄像机头位置感测系统通过推断来确定摄像机头的三维(3D)位置。由控制器将摄像机头位置数据与摄像机图像数据相关联。以此方式，相关联的内部检查图象数据和对应的位置数据可用于未来的分析和图像跟踪，所述图像跟踪与用从多轴机动化的检查系统收集的数据执行的数据处理类似，其具有能够手动地操控绳的摄像机镜使其进入多轴系统不容易进入的有限空间中的优点。
本发明的一些实施例提供一种用于发电机器的内部检查的挠性位置跟踪摄像机镜检查系统。该系统包括具有挠性细长绳的摄像机镜，所述绳具有适于插入到旋转机器的盲腔中的远端。摄像机头耦接至绳的远端。光学摄像机具有视场、耦接至摄像机头、用于生成图像数据。摄像机头位置感测系统通过推断来确定摄像机头的三维(3D)位置并且生成所推断出的摄像机头位置数据。控制器耦接至摄像机镜的光学摄像机和摄像机头定位系统、用于将图像和位置数据相关联。定位系统的各种实施例包括：(i)惯性传感器，其用于将摄像机头移动与所推断出的摄像机头3D位置相关联；(ii)非接触式远程位置跟踪系统，其包括无线定位发射器和无线定位系统接收器，所述无线定位发射器耦接至摄像机头、用于发射位置信号，所述无线定位系统接收器用于接收位置信号、定位定位发射器的3D位置以及将定位发射器的定位位置与所推断出的摄像机头3D位置相关联；(iii)远程绳插入深度感测系统，其包括沿着绳长度排列的绳标记以及耦接于旋转机器腔附近的能够检测标记的收发器、用于将所检测到的标记与所推断出的摄像机头3D位置相关联；以及(iv)绳挠曲感测系统，绳挠曲感测系统用于将所感测到的绳挠曲与所推断出的摄像机头3D位置相关联。绳挠曲感测系统的一些实施例包括耦接至绳的、将阵列扭曲与绳挠曲相关联的感测阵列，例如基于磁或电容接近度传感器阵列。
本发明的其它实施例提供一种挠性位置跟踪摄像机镜装置，所述装置包括挠性细长绳，所述绳具有适于插入到旋转机器的盲腔中的远端。摄像机头耦接至绳的远端，其中包括具有视场的用于生成图像数据的光学摄像机。摄像机头位置感测系统通过推断来确定摄像机头的三维(3D)位置并且生成所推断出的摄像机头位置数据。
本发明的另外的实施例通过设置挠性位置跟踪摄像机镜检查系统来提供一种用于旋转机器的内部检查的方法。检查系统包括具有挠性细长绳的摄像机镜。绳具有适于插入到旋转机器的盲腔中的远端。摄像机头耦接至绳的远端，并且包括具有视场的耦接至摄像机头光学摄像机、用于生成图像数据。摄像机头位置感测系统通过推断来确定摄像机头的三维(3D)位置并且生成所推断出的摄像机头位置数据。控制器耦接至摄像机镜的光学摄像机和摄像机头定位系统、用于将图像和位置数据相关联。通过将摄像机镜插入到发电机器的盲腔中来执行所提供的方法。通过旋转机器腔来操控绳和摄像机头。摄像机和位置感测系统分别捕捉图像和位置数据。控制器将捕捉到的图像和位置数据相关联并且使用相关联的数据来生成检查数据集。检查数据集可用于分析和包括合成图像的生成的图像操作。
本领域技术人员可以以任意组合或子组合的方式共同或单独地应用本发明的各个目的和特征。
附图说明
通过结合附图考虑以下详细描述，能够容易理解本发明的教示，在附图中：
图1是燃气涡轮的局部截面示意图；用合并了本发明的实施例的两个示例性摄像机镜对其进行检查；
图2是示出本发明的示例性摄像机镜在连续叶片与叶栅之间的定位的燃气涡轮的涡轮部的部分平面图；
图3是用于在燃气涡轮壳体内执行检查的挠性位置跟踪摄像机镜检查系统实施例的示意图，其中，远程绳插入深度感测系统感测绳在壳体中的插入深度L；
图4是用于在燃气涡轮壳体内执行检查的挠性位置跟踪摄像机镜检查系统实施例的示意图，其中，使用通过光学摄像机视场观察到的被检查的发电机器中的指定路点(waypoint)标记或对象、通过与先前验证了的关联图像和位置数据集相比较来证实图像和摄像机位置数据的关联；
图5是本发明的示例性摄像机头的实施例的示意图；
图6是本发明的检查镜绳的实施例的示意性透视图，其包括围绕绳圆周轴向和径向地定向的传感器的绳挠曲感测系统阵列，用于将所感测到的绳挠曲与所推断出的摄像机头3D位置相关联；
图7是本发明的另一检查镜绳的实施例的示意性透视图，其包括传感器的绳挠曲感测系统的螺旋阵列，用于将所感测到的绳挠曲与所推断出的摄像机头3D位置相关联；
图8是图6的传感器阵列的实施例的示意图，其中，绳处于拉直的轴向延伸的取向；以及
图9是图6的传感器阵列的实施例的示意图，其中，绳是弯曲的。
为了便于理解，已经尽可能地使用了相同的附图标记来指代图中共有的相同元件。
具体实施方式
在考虑下面的描述后，本领域技术人员将清楚地认识到，在具有挠性绳安装的摄像机头的摄像机镜检查系统中可以容易地利用本发明的教示，所述摄像机头能够在发电机器的受限内部腔中操纵。摄像机头位置感测系统通过推断来确定摄像机头在被检查的机器内的三维(3D)位置。由控制器将摄像机头位置数据与摄像机图像数据相关联。以此方式，相关联的内部检查图像数据和对应的位置数据可用于未来的分析和图像跟踪。
参照图1至图3，本发明的实施例便利于燃气涡轮30内部部件的自动化离线远程视觉检查，所述内部部件包括压气机部32、燃烧室部34、涡轮部38的第1列和第2列固定叶片42、46、外接涡轮轴40的居前的第1列和第2列旋转轮叶44、48以及环段。本发明的挠性绳摄像机检查系统实施例使得能够通过将一个或更多个远程手动定位的和/或激励的光学摄像机检查镜60同时或依次引入至涡轮检查口36、50和52中的一个或更多个检查口中来对离线涡轮进行检查。在插入检查镜60时，其绳62选择性地由操作员手动地定位或者在插入驱动机构(未示出)的协助下定位。一个或更多个摄像机安装在摄像机头70中，并且每个摄像机的视场(FOV)中的图像数据被获取、捕捉并且在需要时存档以用于进一步分析。
检查镜60是位置跟踪检查系统80的一部分，所述位置跟踪检查系统80还包括用于通过推断来确定摄像机头70的三维(3D)位置和用于生成所推断出的摄像机头位置数据的摄像机头位置感测系统。图3示出了摄像机头定位系统的示例性实施例。检查系统控制器82耦接至摄像机镜光学摄像机以接收和处理图像数据，如在前面提到的美国专利申请公开号2013/0335530和2013/019235中所描述的。控制器82还耦接至摄像机头定位系统，用于接收和处理摄像机头70的位置数据和用于将例如检测数据集中的图像和位置数据相关联。
图3中所示的一个示例性的摄像机头位置感测系统是远程绳插入深度感测系统，其包括沿着绳长度排列的绳标记或传感器64以及耦接于旋转机器腔50/52附近的收发器84(例如，电磁电感式或电容式传感器线圈或RFID传感器)。收发器84检测与绳62在腔50/52内的插入长度L相关联的标记64。绳62的插入长度L成为由控制器用于将检测到的标记与所推断出的摄像机头3D位置相关联的一个参数。
图3中所示的另一示例性的摄像机头位置感测系统是非接触式远程位置跟踪系统，其包括无线定位发射器78和至少一个无线定位系统接收器/控制器，所述无线定位发射器78耦接至摄像机头70以用于发射位置信号，所述无线定位系统接收器/控制器耦接至控制器82以用于接收位置信号、定位定位发射器的3D位置以及将定位发射器的定位位置与所推断出的摄像机头3D位置相关联。图3所示的非接触式远程位置跟踪系统具有耦接至无线定位系统控制器86的三个接收器88A、88B和88C。接收器/控制器系统一起对发射器78在涡轮30的内部腔内的三维位置进行三角测量，并且生成摄像机头70的位置数据，控制器80又使用摄像机头70的位置数据以及图像数据来生成检查数据。虽然单独的检查系统的控制器80和位置跟踪系统的控制器86在图3中被示出为单独的装置，但是可以将它们的功能合并或者进一步分配给其它已知类型的工业控制器或诸如个人计算机或平板计算机等通用计算装置。
可选地，检查系统的控制器82与一个或更多个检查数据存储装置90或一个或更多个人机接口(HMI)92通信。可选地，控制器经由数据总线94或其它已知通信通道来与其它检查系统或远程数据存储系统通信。
图4的检查系统实施例还例如通过将由摄像机头70中的摄像机系统成像的标记49放置在发动机30内来合并指定路点标记识别能力。检查系统使用标记49在摄像机FOV捕捉到的图像中的取向和大小来推断摄像机头的取向、并且可选地证实从其它所推断出的摄像机头定位系统实施例获取的图像和摄像机位置数据的关联。由一个摄像机头定位系统实施例获取的检查数据集可以与通过路点标记取向/大小观察或者涡轮发动机30内的摄像机头位置的现有映射获得的已知的控制数据集相比较。
图5示出了示例性的摄像机头70，其包括具有视场(FOV)的第一和第二光学摄像机72、74。摄像机头70被配置成容纳摄像机头位置感测系统的部件，例如前述的无线位置发射器78。摄像机头位置感测系统的另一替选的实施例包括具有用于将摄像机头移动与所推断出的摄像机头3D位置相关联的惯性传感器的加速度计76。在前面提到的美国专利申请公开号2013/0335530和2013/0192353中示出并且描述了摄像机头70的各种构造。摄像机头70选择性地耦接至绳62，并且可以替换摄像机头的不同构造以用于不同类型的机器的检查。
在图6至图9中示出了其它摄像机头位置感测实施例，其包括用于将所感测到的绳挠曲与所推断出的摄像机头3D位置相关联的绳62挠曲感测系统。在图6和图8中，离散传感器64的感测阵列围绕绳62的外皮径向和轴向地定向或者被嵌入在绳62的外皮内。如图8所示，轴向和径向对准的数列传感器例如传感器6411至641N通过共同的传感器数据引线651来耦接，并且相对的等间隔的传感器对6421至642N通过共同的传感器数据引线652来耦接。沿着引线的传感器64XX以距离Ζx轴向隔开，其中，X是从1至N的整数。比较图8和图9，绳62的挠曲改变了传感器对之间的距离ΔΖ。所感测到的距离ΔΖ的变化与绳62的挠曲相关联，如角的标记θΝ所表示的。绳62的挠曲形状又与摄像机头70在涡轮发动机30的内部腔内的3D取向相关联。在图7中，摄像机镜60’中的传感器阵列64’/65’在绳62’内或围绕绳62’螺旋地定向。
在一些实施例中，绳传感器64/64’包括将传感器之间的接近度的变化与绳挠曲相关联的磁或电容接近度传感器，如图6至图9中所示。可替选地，传感器阵列64可包括确定多芯光纤的光学长度的变化的光学位置和/或形状感测系统，例如在美国专利申请公开号2011/0109898中所提及的。
虽然本文已示出并且详细描述了合并了本发明的教示的不同实施例，但是本领域技术人员可以容易想出许多其它不同的也合并了这些教示的实施例。在本申请中，本发明不限于在说明书中所阐述的或在附图中所示出的组件的构造和布置的示例性实施例的细节。本发明能够实现其它实施例并且能够以不同的方式来实施或者执行。此外，应理解，本文所使用的措辞和术语出于描述的目的而不应被认为是限制性的。本文中“包括”、“包含”或“具有”及其变型的使用意在包括其后所列出的项目及其等同物以及另外的项目。除非另有规定或限制，术语“安装”、“连接”、“支撑”和“耦接”及其变型被宽泛地使用并且包括直接和间接的安装、连接、支撑和耦接。此外，“连接”和“耦接”不限于物理或机械的连接或耦接。

Claims (9)

1.一种用于发电机器的内部检查的挠性位置跟踪摄像机镜检查系统，包括：
摄像机镜，所述摄像机镜包括：
挠性细长绳，所述绳能够沿着其绳轴向中心轴弯曲，所述绳具有轴向长度以及用于插入到发电机器的盲腔中的远端；
挠性线性传感器阵列，所述传感器阵列具有传感器阵列线性中心轴，耦接至所述绳并且沿着所述绳的轴向长度定向，用于基于所述传感器阵列沿着其传感器阵列线性中心轴的线性扭曲来感测所述绳沿着其轴向中心轴的轴向位置；
绳挠曲感测系统，所述绳挠曲感测系统耦接至所述挠性线性传感器阵列，用于基于由所述传感器阵列感测到的轴向位置来确定所述绳沿着其绳轴向中心轴的轮廓；
摄像机头，所述摄像机头耦接至所述绳的远端；
光学摄像机，所述光学摄像机具有视场，耦接至所述摄像机头，用于生成图像数据；
摄像机头位置感测系统，所述摄像机头位置感测系统耦接至所述绳挠曲感测系统，用于基于由所述绳挠曲感测系统确定的所述绳沿着其绳轴向中心轴的轮廓，通过推断来确定所述摄像机头的3D位置并且生成所推断出的摄像机头位置数据；以及
控制器，所述控制器耦接至所述摄像机镜的光学摄像机和所述摄像机头位置感测系统，用于将所述图像数据和所述摄像机头位置数据相关联，
所述摄像机头位置感测系统还包括由所述光学摄像机观察到的被检查的发电机器中的指定路点标记，所述控制器使用所述指定路点标记，通过与先前验证了的关联图像和摄像机头位置数据集相比较来证实所述图像数据和所述摄像机头位置数据的关联。
2.根据权利要求1所述的系统，所述摄像机头位置感测系统还包括惯性传感器，所述惯性传感器耦接至所述摄像机头，用于将摄像机头移动与所推断出的所述摄像机头位置数据相关联。
3.根据权利要求1所述的系统，所述摄像机头位置感测系统还包括非接触式远程位置跟踪系统，所述非接触式远程位置跟踪系统包括：无线定位发射器，所述无线定位发射器耦接至所述摄像机头，用于发射位置信号；以及无线定位系统接收器，所述无线定位系统接收器用于接收所述位置信号，定位所述无线定位发射器的3D位置，并且将所述无线定位发射器的定位位置与所推断出的所述摄像机头位置数据相关联。
4.根据权利要求1所述的系统，所述摄像机头位置感测系统还包括远程绳插入深度感测系统，所述远程绳插入深度感测系统包括沿着所述绳的长度排列的绳标记以及耦接于旋转机器腔附近的能够检测绳标记的收发器，用于将所检测到的绳标记与所推断出的所述摄像机头位置数据相关联。
5.根据权利要求1所述的系统，所述传感器阵列包括至少一个多芯光纤，所述至少一个多芯光纤基于所述多芯光纤中的一个或更多个单独的光纤的光学长度的变化来感测所述绳的轴向位置。
6.根据权利要求1所述的系统，耦接至所述绳的所述传感器阵列平行于所述绳轴向中心轴或者围绕所述绳轴向中心轴螺旋地定向，用于将阵列扭曲与绳挠曲弯曲相关联。
7.根据权利要求6所述的系统，所述传感器阵列包括接近度传感器，所述接近度传感器耦接至所述绳，用于将传感器之间的接近度的变化与绳挠曲弯曲相关联。
8.根据权利要求7所述的系统，所述接近度传感器包括磁接近度传感器。
9.根据权利要求7所述的系统，所述接近度传感器包括电容接近度传感器。
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