CN114945849A - 具有旋转头部的管道镜 - Google Patents

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CN114945849A CN202080092646.0A CN202080092646A CN114945849A CN 114945849 A CN114945849 A CN 114945849A CN 202080092646 A CN202080092646 A CN 202080092646A CN 114945849 A CN114945849 A CN 114945849A
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杨·奥克·彼得斯
迈克尔·蒂斯
托马斯·鲁格
泽伦·韦多
斯文·拉舍
延斯-彼得·图帕奇
松克·巴尔
卢卡斯·巴斯
索斯藤·舒普斯图尔
塔雷克·穆斯塔法
奥利弗·诺伊曼
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Abstract

本发明涉及一种管道镜(1)以及包括管道镜(1)的组件(31)，该管道镜特别地是用于航空器发动机(50)的燃料腔室(58)的管道镜检查。管道镜(1)包括具有至少一个图像采集传感器(22、23)的电子图像采集单元(20)，该图像采集传感器具有在轴(3)的第一端部(4)处的接收锥体，该轴具有轴轴线(3')，用于图像采集单元(20)的数据和供电线(21)被引导穿过该轴。图像采集单元(20)布置在旋转头部(10)上，该旋转头部围绕轴轴线(3')可旋转地固定到第一端部(4)，使得接收锥体的轴线(22'、23')与第一端部(4)上的轴轴线(3')不平行，并且通过旋转该旋转头部(10)可以采集全景图像。组件(30)包括根据本发明的管道镜(1)和控制和评估单元(31)，该控制和评估单元被设计成控制旋转头部(10)和图像采集单元(20)的旋转运动，并且将由至少一个图像采集传感器(22、23)采集的图像数据组合以形成全景图像。

Description

具有旋转头部的管道镜
技术领域
本发明涉及一种管道镜，特别是用于航空器发动机燃烧腔室的管道镜检查，并且涉及包括管道镜的组件。
背景技术
在现有技术中，已知使用管道镜检查非直接可见(immediately visible)的区域中的工业设备。管道镜可以通过小开口插入相关区域，并且直接或经由光学单元插入，也可以经由管道镜末端上的合适传感器采集的视频图像显示器(也称为视频管道镜)插入，从而深入了解以其它方式不可见的区域。
例如，在检查航空器发动机期间使用内窥镜检查，以便深入了解发动机内部，而无需为此付出大量努力将其拆开。在此，至少对于航空器发动机的各个区域，诸如例如燃烧腔室，需要或至少希望完整地分析和记录该区域。
目前，对于燃烧腔室内部的管道镜检查，使用带有柔性轴的视频管道镜，手动引导其通过燃烧腔室。为此，柔性管道镜沿燃烧腔室的整个内圆周被引导，然后缓慢拉出。在抽出期间，管道镜采集的图像被记录下来。在此过程中，试图确保采集通常为环形的燃烧腔室的整个圆周。如果识别出燃烧腔室中可能存在的问题位置，则可以使用适用于该目的的单独3D管道镜对相应的点进行手动3D采集。
然而，由于具有柔性轴的管道镜的手动引导，燃烧腔室状况的完整且可重复的记录几乎是不可能的。此外，特别是随后对可能的问题位置进行3D采集非常复杂且耗时。
发明内容
本发明的目的是设计一种管道镜，利用该管道镜可以简化和改善工业设备的检查，特别是航空器发动机燃烧腔室的检查。
该目的通过主权利要求中要求保护的管道镜和从属的权利要求12中要求保护的组件来实现。有利的发展是从属权利要求的主题。
因此，本发明涉及一种管道镜，特别是用于航空器发动机燃烧腔室的管道镜检查，包括电子图像采集单元，该电子图像采集单元具有至少一个图像采集传感器，该图像采集传感器具有在轴的第一端部处的接收锥体，该轴具有轴轴线(shaft axis)，用于图像采集单元的数据和供电线被引导穿过轴，其中图像采集单元布置在旋转头部上，该旋转头部固定到第一端部以便可围绕轴轴线旋转，使得接收锥体的轴线与第一端部处的轴轴线不平行，并且通过旋转该旋转头部能够采集全景图像。
此外，本发明涉及一种组件，其包括如前述权利要求中任一项所述的管道镜和控制和评估单元，其被设计为控制旋转头部和图像采集单元的旋转运动，并将至少一个图像采集传感器采集的图像数据组合为全景图像。
本发明已经认识到，对于工业设备的管道镜检查，特别是航空器发动机的燃烧腔室，如果所使用的管道镜被设计成产生全景图像，即360°全景图像，则将是有利的。一旦管道镜已经移动到期望位置，根据本发明，可以在不改变管道镜轴的位置或定位的情况下创建全景图像。
为此，图像采集单元的至少一个图像传感器设置在可以围绕轴轴线旋转的旋转头部上。这里“轴轴线”指的是轴的纵向轴线或对称轴线。如果轴轴线不是线性延伸的(例如在弯曲轴的情况下)和/或如果它是可变的(例如在柔性轴的情况下)，则焦点将集中在紧邻轴的第一端部处的轴轴线的部分，在该部分上布置有旋转头部并作为旋转头部的旋转轴线。
旋转头部的旋转范围可以小于或等于360°。通过对旋转范围的适当限制，在旋转头部的任何旋转期间可以防止数据线和电源线随旋转头部而可能从轴中引出并扭曲或缠绕。因为如果整个360°范围实际上由图像采集单元的接收锥体采集，则同时足以创建全景图像，因此小于360°的旋转范围也可能是足够的，因为接收锥体通常具有垂直于旋转头部的旋转轴线的平面中的范围，以便仍然可以创建完整的全景图像。
旋转头部优选地具有内齿轮，由驱动单元驱动的小齿轮接合在该内齿轮中，该驱动单元被固定为相对于轴轴线静止且偏心。由于驱动单元相对于轴的偏心布置，可以简化将轴上的数据和供电线引导到旋转头部中。驱动单元可以是电动马达，优选步进马达，其供电线和控制线同样可以通过轴引导。
旋转头部优选地包括具有至少一个透明窗口的同速旋转圆柱形外壳，其中图像采集单元以这样的方式布置，使得每个图像采集传感器的接收锥体分别通过透明窗口对准。图像采集单元由外壳保护，同时由于在其中提供同速旋转窗口，因此对于在旋转头部的任何期望角位置处的图像采集不会有任何限制。
另选地，可以提供相对于轴轴线在第一端部处静止、围绕旋转头部并具有至少一个透明环段的圆柱形外壳，其中每个图像采集单元的接收锥体分别通过透明环段瞄准，其中，对于每个单独的图像采集传感器(分别)可以提供单独的环段和/或多个图像采集传感器的接收锥体可以通过共同的环段瞄准。在这种情况下，尽管外壳是静止的，但是由于至少一个环段，图像采集传感器的图像采集在旋转头部的任何角位置都不会受到影响。
在这两种情况下，外壳均具有圆柱形形状。因此，外壳可以看作是轴的刚性延续，特别是可以简单地将根据本发明的管道镜插入管道镜开口中。外壳的外径可以优选地大致对应于轴的外径。
外壳(在上述两个实施例中均)优选地以液密方式封装。管道镜也可以用于充满液体的腔，而不会使图像采集单元或在其末端区域的管道镜的其它部件与液体直接接触并因此而损坏。
优选地，图像采集单元包括彼此间隔开的至少两个图像采集传感器，优选地在轴轴线的方向上，使得接收锥体至少部分相交和/或彼此平行瞄准，以用于通过三角测量确定3D信息。由于这对彼此间隔开的两个图像采集传感器采集共同的图像部分，借助三角测量可以确定关于两个图像采集传感器接收到的图像点的间距的3D信息，之后可以将它们组合起来，形成内窥镜区域的3D模型。合适的三角测量方法在现有技术中是已知的。
优选地，为三角测量设置的一对图像采集传感器以15mm至25mm的中心间距布置，优选地17mm至22mm，更优选地约20mm。另选地，优选5mm至15mm的中心间距，优选7mm至12mm、更优选10mm至11mm。“中心间距”表示两个传感器中心相对于彼此的间距。借助三角测量确定3D数据的准确性取决于两个图像采集单元的间距、有限的可用安装空间和光学畸变，因为采集平面与图像采集单元的通常只有很小的间距是限制因素。已证明上述间距是有利的，特别是对于使用根据本发明的管道镜检查航空器发动机而言。
图像采集传感器可以以这样的方式布置和/或配置，使得设置用于采集3D信息的一个或两个图像采集传感器的接收锥体以相对于图像采集单元的纵轴的预定视角布置。如果该视角为90°，则可以采集图像采集单元一侧处的区域。通过选择不同于90°的不同视角，位于管道镜插入方向前方的区域(角度范围为30°至90°)或位于更后方的区域(角度范围为90°至150°)可以被采集。然而，也可以在单个管道镜上提供为三角测量而设置的多个图像采集传感器或图像采集传感器对，它们各自具有不同的视角。特别地，可以提供两对图像采集传感器，其中与另一对的两个图像采集传感器的接收锥体相比，一对的两个图像采集传感器的接收锥体相对于轴轴线可以瞄准不同的视角。
图像采集单元可以包括至少一个图像采集传感器，用以采集彩色影像。由该至少一个图像采集传感器采集的彩色图像可以直接用作全景图像。然而，也可以对基于由一对图像采集传感器采集的灰度值图像确定的3D信息项补充来自彩色图像采集传感器的颜色信息，从而获得彩色3D信息或彩色3D模型。使用灰度值图像采集传感器来确定3D信息可能是有利的，因为与相同传感器尺寸的彩色图像采集传感器相比，灰度值图像采集传感器具有更高的分辨率。
图像采集传感器优选地是CCD传感器或CMOS传感器，优选地具有全局快门。图像采集传感器优选具有400x400像素到2400x2400像素的分辨率、高达240帧/秒的图像重复率和/或30°到120°、优选35°到65°，更优选40°、50°或60°的视角，在每种情况下±5°，优选在每种情况下±3°。通过使用适当的图像采集传感器，图像信息的连续采集尤其是可能的。
优选地，至少一个光源，优选LED，被布置在旋转头部上以照亮采集区域。由于将光源直接布置在旋转头部上，可以确保采集区域的良好照明和采光，而与旋转头部的角位置无关。取决于图像采集传感器设计用于的波长范围，至少一个光源可以发射可见光和/或红外辐射。当然也可以提供多个不同的光源，例如一个用于可见光范围和一个用于红外范围。使用LED作为光源是特别优选的，因为它产生热量低且能耗低。
管道镜的轴可以是刚性的、半柔性的或柔性的。如果轴是柔性的，则管道镜可以例如通过引导管被导向。引导管可以是管道镜的一部分或单独的引导装置的一部分。经由引导管，可以限定管道镜或其图像采集单元在要进行管道镜检查的区域内部的基本位置。轴也可以配备控制电缆，其准许控制轴。然而，也可以将具有柔性轴的管道镜松散地引导通过要记录的区域，并且特别是在管道镜抽出期间创建所需的记录。
在根据本发明的组件中，设置有连接到根据本发明的管道镜的控制和评估单元，通过该控制和评估单元控制旋转头部和至少一个图像采集单元的旋转运动，并且通过该控制和评估单元，由至少一个图像采集传感器采集的单个图像可以组合成全景图像。
该组件可以设计用于在旋转头部旋转期间由图像采集传感器连续采集。换言之，在很短的时间内——通常仅由图像采集传感器的速度预定义——图像在旋转头部旋转时被采集。适当的连续采集准许基于这些图像组合的全景图像获得高质量。
另选地，该组件可以被设计成通过图像采集单元在旋转头部旋转期间依次到达的角位置处采集单个图像。应当选择角位置，使得各个图像可以继续组合成全景图像。与通过图像采集传感器连续采集相比，该另选方案中要处理的数据量较小。
控制和评估单元优选地设计为组合两个部分重叠的全景图像。通过组合重叠的全景图像，可以创建放大的全景图像。控制和评估单元也可以用于控制旋转头部位置的变化，从每个位置处采集全景图像。用于此目的的合适的可控制引导设备在现有技术中是已知的。
将单个图像组合成全景图像或将单个全景图像组合成放大的全景图像包括相关联的3D信息的组合，如果这已经由管道镜或控制和评估单元确定的话。通过这种方式，生成管道镜区域的3D模型。
附图说明
本发明将参考附图通过使用有利的实施例以示例的方式进行描述，在附图中：
图1示出了根据本发明的管道镜的第一示例性实施例的管道镜末端的示意图；
图2示出了根据本发明的管道镜的第二示例性实施例的管道镜末端的示意图；以及
图3示出了根据本发明的包括根据图1或图2的管道镜的组件的示意图。
具体实施方式
图1示意性地示出了管道镜1的末端2，该末端插入到要检查的区域中。管道镜1包括可经由控制电缆控制的柔性轴3，其仅在图1中示出。在轴2的第一端部4处，靠近末端，布置有旋转头部10，旋转头部10经由轴承11安装，使得其能够围绕轴轴线3'旋转。轴轴线3'被指定为轴3的对称轴线，其中旋转头部10的旋转轴线10'在轴3的第一端部4处与轴轴线3'直接重合，使得柔性轴3的其余部分瞬时形状无关紧要。如果下文提及轴轴线3'，则指的是轴轴线3'的直接邻近轴3的第一端部4的部分。
在轴承11上，将步进马达相对于轴3及其轴轴线3'固定在固定位置，作为驱动单元12。驱动单元12相对于轴3偏心地布置，从而留有足够的空间用于将数据和供电线21从轴3引入到旋转头部10中。驱动单元12连接到控制和供电电缆13，其同样被导向通过轴3并且驱动单元12可以经由控制和供电电缆被控制。
驱动单元12与旋转头部10上的内齿轮15中的小齿轮14接合(两者均仅示意性地示出)，并且因此可以使旋转头部10围绕其旋转轴线10'和轴轴线3'旋转。旋转头部10的旋转范围被适当的止挡件限制为大约280°，以防止数据和供电线21与可能发热的驱动单元12接触或扭曲。
旋转头部10包括具有透明窗口17的同速旋转圆柱形外壳16。外壳16以液密方式封装。
布置在旋转头部10或其外壳16的内部的是图像采集单元20，其附接到数据和供电线21。
图像采集单元20包括两个灰度值图像采集传感器22，它们彼此间隔开并且其接收锥体以这样的方式相交，使得可以通过三角测量从来自两个图像采集传感器22的图像中得出重叠区域的3D信息。此外，还提供了彩色图像采集传感器23，其同样采集另外两个图像采集传感器22的重叠区域。来自图像采集传感器23的彩色图像信息可以用于用颜色信息增强经由其它两个图像采集传感器22获得的3D信息。用于此目的的适当方法在现有技术中是已知的。
图像采集单元20还包括两个LED作为光源24，利用它们可以充分地照亮各个图像采集传感器22、23的采集区域。
图像采集单元20布置于旋转头部10的外壳16内，使得图像采集传感器22、23均通过透明窗口17采集周围环境，而光源24也可以通过透明窗口17照亮周围。
图像采集传感器22、23也被布置成使得它们的接收锥体或它们的接收轴线22'、23'相对于轴轴线3'和旋转轴线10'以90°的预定视角取向。
由于图像采集单元20相对于外壳16固定在其位置上并且因此可围绕旋转轴线10'旋转280°，结果，连同图像采集传感器22、23的接收区域，可能仅由于旋转头部10的旋转而产生环形360°全景。由图像采集传感器22、23采集的图像数据和3D信息可以适当地组合成全景图像。
在图2中，示出了管道镜1的另选示例性实施例，其中与图1的示例性实施例有广泛的一致性。在下文中，因此将仅讨论另选示例性实施例的不同之处，否则将参考上述解释。
在根据图2的示例性实施例中，外壳16被设计成相对于轴3固定，并且旋转头部10的可围绕旋转轴线10'旋转的部分包括已经固定到外壳16内的内齿轮15的保持器18的图像采集单元20。不可见的轴承设置在内齿轮15和外壳16的内壁之间。轴3的第一端部4插入外壳16中并且牢固地连接到外壳16。
为了使从保持器18突出的图像采集单元20的图像采集传感器22、23可以在驱动单元12能被驱动到的每个角位置处采集周围环境，外壳具有完全透明的环段17'。环段17'以这样的方式连接到外壳16的其余非透明部分，使得外壳16作为整体是液密的；因此，旋转头部10以液密方式封装。
图3示意性地示出了穿过双轴发动机50的截面，其中风扇51和低压压缩机52经由第一轴53旋转地连接到低压涡轮54，而高压压缩机55经由第二轴56旋转地连接到高压涡轮57。环形燃烧腔室58布置在高压压缩机55和高压涡轮57之间。
除了根据图1或图2之一设计并因此包括旋转头部10的管道镜1之外，组件30还包括控制和评估单元31。由于控制和评估单元31还包括用于控制轴3的控制电缆，其在管道镜开口59的区域中直接固定到发动机50，管道镜1通过该开口插入燃烧腔室58中。
控制和评估单元31经由在管道镜1的轴3中延伸的数据、控制和供电线14、21连接到图像采集单元20和驱动单元12(参见图1和2)。此外，由于控制和评估单元31可以经由其控制电缆控制轴3，燃烧腔室58的全自动3D采集是可能的。
为此目的，控制和评估单元31控制轴3的控制电缆，使得旋转头部10可以依次接近燃烧腔室58内的预定位置。在这些位置中的每个处，通过旋转该旋转头部10并同时利用图像传感器22、23采集周围环境，然后收集3D信息和颜色信息，然后由控制和评估单元31通过使用已知的三角测量和采样方法将其组合成彩色3D全景图像。成像传感器22、23能够在旋转头部10旋转时连续采集图像，或者仅在旋转头部10的特定角度位置采集单个图像。在这两种情况下，图像信息可以组合成包括3D信息的彩色全景图像。
然后可以将在各个点采集的重叠彩色3D全景图像进一步组合成燃烧腔室58内部的3D模型，然后可以在用户终端(未示出)处对其进行评估和分析。

Claims (15)

1.一种管道镜(1)，具体地是用于航空器发动机(50)的燃烧腔室(58)的管道镜检查的管道镜，包括具有至少一个图像采集传感器(22、23)的电子图像采集单元(20)，所述图像采集传感器具有在轴(3)的第一端部(4)处的接收锥体，所述轴具有轴轴线(3')，用于所述图像采集单元(20)的数据和供电线(21)被引导穿过所述轴，其特征在于，
所述图像采集单元(20)布置在旋转头部(10)上，所述旋转头部固定到所述第一端部(4)以便能够围绕所述轴轴线(3)旋转，使得所述接收锥体的轴线(22'、23')与所述第一端部(4)处的所述轴轴线(3')不平行，并且通过旋转所述旋转头部(10)能够采集全景图像。
2.根据权利要求1所述的管道镜，其特征在于，
所述旋转头部(10)的旋转范围小于或等于360°。
3.根据前述权利要求中任一项所述的管道镜，其特征在于，
所述旋转头部(10)具有内齿轮(15)，由驱动单元(12)驱动的小齿轮(14)接合在所述内齿轮中，所述驱动单元被固定成相对于所述轴轴线静止且偏心。
4.根据前述权利要求中任一项所述的管道镜，其特征在于，
所述旋转头部(10)包括具有至少一个透明窗口(17)的同速旋转圆柱形外壳(16)，其中所述图像采集单元以这样的方式布置，使得每个图像采集传感器(22、23)的接收锥体相应地通过透明窗口(17)瞄准。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的管道镜，其特征在于，
设置有圆柱形外壳(16)，所述圆柱形外壳在所述第一端部(4)处相对于所述轴轴线(3')静止，围绕所述旋转头部(10)并具有至少一个透明环段(17')，其中每个图像采集单元(22、23)的接收锥体相应地通过透明环段(17')瞄准。
6.根据权利要求4或5所述的管道镜，其特征在于，
所述外壳(16)以液密方式封装。
7.根据前述权利要求中任一项所述的管道镜，其特征在于，
所述图像采集单元(20)包括：彼此间隔开的至少两个图像采集传感器(22)，使得接收锥体至少部分地相互交叉和/或彼此平行瞄准，以用于通过三角测量确定3D信息。
8.根据前述权利要求中任一项所述的管道镜，其特征在于，
所述至少一个图像采集传感器(22、23)被布置和/或配置成使得，为采集3D信息而设置的图像采集传感器(23)或一对图像采集传感器(22)的接收锥体在第一端部(4)处相对于所述轴轴线(3')以预定视角取向。
9.根据前述权利要求中任一项所述的管道镜，其特征在于，
至少一个图像采集传感器(23)的所述图像采集单元(22)设计成用于采集彩色图像。
10.根据前述权利要求中任一项所述的管道镜，其特征在于，
在所述旋转头部(10)上提供至少一个光源(24)，以照亮采集区域，该至少一个光源优选地为LED。
11.根据前述权利要求中任一项所述的管道镜，其特征在于，
所述轴(3)被配置为柔性轴。
12.一种包括根据前述权利要求中任一项所述的管道镜(1)和控制和评估单元(31)的组件(30)，所述控制和评估单元被设计成控制所述旋转头部(10)和所述图像采集单元(20)的旋转运动，以及将由所述至少一个图像采集传感器(22、23)采集的图像数据组合为全景图像。
13.根据权利要求12所述的组件，其特征在于，
所述组件(31)被设计成用于在所述旋转头部(10)旋转期间由所述图像采集单元(20)连续采集。
14.根据权利要求12所述的组件，其特征在于，
所述组件(31)被设计成由所述图像采集单元(20)在通过所述旋转头部(10)的旋转依次到达的角位置处采集单个图像。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的组件，其特征在于，
所述控制和评估单元(31)被设计成用于组合两个部分重叠的全景图像。
CN202080092646.0A 2019-11-15 2020-11-13 具有旋转头部的管道镜 Pending CN114945849A (zh)

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