JP2009541878A - 構造部品の状態を監視する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、構造部品の状態の監視方法に関する。本発明による方法は、コンピュータ処理ユニットと結合した光センサ(12, 14, 16)が、監視すべき構造部品の連続画像から、画像の偏差を確定し、画像の偏差から、構造部品の形状の変化を確定する。２つ又は３つ以上のセンサ(12, 14, 16)を用いると、構造部品の堅実な三次元走査が可能である。本発明は更に、光センサを備えた構造部品の状態を監視する装置、及び２つ又は３つ以上のセンサを備えた装置に関する。また、本発明は、上記本発明の方法又は装置が用いられる航空機(2)に関する。

Description

本発明は、構造部品の状態を少なくとも１つの構造状態センサにより監視する方法及び装置に関する。

例えば航空機、特に旅客機に非常に高い運行上の安全性レベルを与えなければならない日常的に大きな荷重が加わる複雑な機材から成る構造体は、これら構造体の無傷性又はこれらの機械的条件について一定間隔を置いて点検されなければならない。点検は、通常、荷重サイクル（例えば、航空機の離陸及び着陸）の所定回数後又は所定の期間後に行われる。この目的のため、旅客機を例として説明を続けると、旅客機は、その構造に損傷があるかどうか、例えば、亀裂又は剥離現象があるかどうかについて非破壊法によって検査される。かかる検査は、手間がかかり且つ費用が高くつき、しかも時間がかかり、加えて、かかる検査により、航空機は、長時間にわたって地上に静止しなければならず、これは、一般的に非経済的である。

現時点において、特に軍用航空機に関し、構造部品の損傷を検出することができる種々の別の方法が存在する。監視すべき構造部品にセンサを一体的に取り付けることにより、構造部品の状態を通常の飛行中に既に突き止めることができる。かかるセンサは、局所的に作動し、即ち、これらセンサは、かかるセンサのすぐ隣りに位置する構造体しか監視することができない。例えば歪み計、ファイバブラッグ格子（fibre Bragg grating ）、引き裂きワイヤ、真空センサ、光ファイバ又は圧電型システムを含むこの種のセンサは、構造状態監視システム（以下、「構造的健全性監視装置」又はＳＭＨシステムとも称する）に既に首尾良く用いられており、大々的に研究されて開発されたものである。

大面積構造部品の監視では、局所的に作動するＳＭＨセンサを用いた場合、広い表面領域上へのかかるＳＭＨセンサの一体的取付け又は実装、それぞれ対応した適当な電気的接続及び適当な測定値検出装置が必要である。監視すべきそれぞれの構造部品の寸法に応じて、結果的に、とてつもなく複雑になると共にこれに対応して莫大な費用がかかる。

したがって、本発明の目的は、上述した欠点を減少させ又は完全になくすことにある。特に、本発明の目的は、構造部品をできるだけ広い領域について単一の構造状態センサ又は数個の構造状態センサにより効率的且つ安価に監視し、この点に関し、構造状態監視システムの複雑さを低く保つことにある。本発明の別の目的は、できるだけ安価に且つ効率的な構造状態監視が行われると同時に構造状態監視システムに関する複雑さの低いレベルが達成される構造部品の状態を監視する方法及び装置並びに航空機、特に旅客機を提供することにある。

この目的は、航空機の構造部品の状態を監視する方法であって、構造部品の画像を光センサによって生成するステップと、画像を少なくとも１つのコンピュータ処理ユニットに送るステップと、少なくとも１つのコンピュータ処理ユニットによって、画像と少なくとも１つの基準画像とを比較して、画像の偏差を確定するステップと、少なくとも１つのコンピュータ処理ユニットによって、画像の偏差から、構造部品の離散的な領域の幾何学的形状の偏差を確定するステップと、少なくとも１つのコンピュータ処理ユニットによって、幾何学的形状の偏差から構造部品の形状の変化を確定するステップとを有することを特徴とする方法によって達成される。

本発明の方法により得られる本質的に重要な利点は、監視すべき構造部品の分析又はマッピングが光学撮像方法によって無接触で行われていることにある。センサを適当な場所に用いることにより、監視すべき構造体の画像を生成することができ、この画像は、１つ又は２つ以上のコンピュータ処理ユニットに送られる。コンピュータ処理ユニット内に既に存在する基準画像に基づいて、その時点で記録された画像に関する画像の偏差を確定することができる。これら画像の偏差は、例えば、鳥との衝突、部品の離脱又は亀裂発生等を理由とする構造の変化によって生じる場合がある。したがって、画像の偏差並びに基準構造の正確な画像は、構造部品の離散的な領域の幾何学的形状の偏差を確定するのに適している。最後に、基準幾何学的形状データセットが存在している場合、構造部品の離散的な領域の幾何学的形状の弾性変化及び塑性変化を少なくとも１つのコンピュータ処理ユニットの作動により幾何学的形状の偏差から確定することが可能である。かかる形状の変化は、例えば三次元幾何学的形状データの形態で説明できる。

監視すべき構造部品に関して、このように確定された形状の変化により、損傷を記録し、定量化し、そして分類することは容易に可能である。これは、容積が小さい領域に制限された局所的に作動するセンサを用いることなしに可能である。本発明の方法は、損傷を迅速且つ効率的に検出し、広い領域を取り扱い、構造的監視を可能にする可能性のある手法を提供する。

光センサがカメラの形態をしていれば有利である。カメラ、特にディジタルカメラが、多種多様な設計形態で安価に利用でき、これらカメラは、広く開発され、生成した画像データを高速でディジタル方式により提供する。

本発明の特定の実施形態では、光センサの視野は、枢動可能な鏡及び／又は対物レンズ装置によって拡大され又は偏向される。これにより、追加の別の光センサを用いないで、複雑な湾曲形態の監視すべき表面への本発明の方法の適応が可能である。

光センサは、非可視波長範囲、特に赤外波長範囲で作動すれば、更に有利である。可視範囲の波長を用いた状況とは異なり、表面のマッピングは、不利な光条件下においても可能である。この方法により、結果として堅実さが増大する。加えて、予想される状態、欠陥及び効果に対する理想的な適応が可能である。

この目的は又、航空機の構造部品の状態を監視する方法であって、２つ又は３つ以上の互いに間隔を隔てた光センサにより構造部品の画像を生成するステップと、画像を少なくとも１つのコンピュータ処理ユニットに送るステップと、画像から構造部品の被監視領域の幾何学的形状データを確定するステップと、確定した幾何学的形状データと基準幾何学的形状データセットとの比較から構造部品の離散的な領域の幾何学的形状の偏差を確定するステップと、少なくとも１つのコンピュータ処理ユニットによって、幾何学的形状の偏差から、構造部品の形状の変化を確定するステップとを有することを特徴とする方法によって達成される。

互いに間隔を隔てた２つ又は３つ以上の光センサを用いた結果として、三次元画像を検出してこれらを処理することができる。２つの互いに間隔を隔てたセンサが構造部品の一領域に差し向けられている場合、この領域は、２つの互いに異なる視野角から検出される。センサにより生成した画像により、立体写真法が利用される状況と同様、撮像された領域に関して深さ情報を得ることが可能である。画像は、光センサから少なくとも１つのコンピュータ処理ユニットに送られ、この少なくとも１つのコンピュータ処理ユニットにおいて幾何学的形状データがその三次元画像から確定される。最後に、確定した幾何学的形状データと基準幾何学的形状データセットの比較により、監視した構造部品領域に関して幾何学的形状の偏差を確定して、これら幾何学的形状の偏差から構造部品の損傷を確定することができる。

上述の方法による実施と同様、構造的欠陥を離散的な領域について検出した幾何学的形状の偏差により定量化して分類することも可能である。

上述した理由で光センサがカメラの形態をしているのが特に有利である。追加の有利な実施形態では、光センサの視野は、少なくとも１つの枢動可能な鏡及び／又は対物レンズユニットによって拡大され又は偏向され、光センサは、好ましくは、非可視波長範囲で作動することができる。

上述の目的は、更に、航空機の構造部品の状態を監視する装置であって、構造部品の画像を生成する光センサと、少なくとも１つのコンピュータ処理ユニットとを有し、コンピュータ処理ユニットは、生じた画像を受取り、画像から幾何学的形状データを確定し、確定した幾何学的形状データと基準幾何学的形状データセットとの比較から構造部品の離散的な領域の幾何学的形状の偏差を確定し、幾何学的形状の偏差から構造部品の形状の変化を確定するようになっていることを特徴とする装置によって達成される。

加えて、本発明の目的は、航空機の構造部品の状態を監視する装置であって、構造部品の画像を生成する２つ又は３つ以上の光センサと、少なくとも１つのコンピュータ処理ユニットとを有し、コンピュータ処理ユニットは、画像を受取り、画像と少なくとも１つの基準画像との比較から画像の偏差を確定し、画像の偏差から構造部品の離散的な領域の幾何学的形状の偏差を確定し、幾何学的形状の偏差から構造部品の形状の変化を確定するようになっていることを特徴とする装置によって達成される。

最後に、上述の目的は、請求項９又は請求項１０記載の航空機の構造部品の状態を監視する装置を有する航空機、特に旅客機によって達成される。

以下において、本発明を例示として実施形態を参照して詳細に説明する。特定の説明において、同一の参照符号は、同一又は類似の要素について用いられている。

図１は、旅客機２を示し、旅客機２は、胴体４、方向舵ユニット６、昇降舵８及び主翼１０を有している。本発明の方法に従って航空機構造体を監視する目的のために、１つ又は２つ以上の光センサによって構造部品を監視することが必要である。

図１では、例示として、光センサ１２が、方向舵ユニット６の前縁の頂側部に配置されており、この光センサは、航空機２の頂側部の大部分を光学的に検出することができる。いくつかの小さな領域の中は、方向舵ユニット６の設計上の構成に起因して、光センサ１２で見ることができない。しかしながら、飛行方向において方向舵ユニット６の前に位置する胴体の頂側部全体は、光センサの視野の範囲内にある。

センサ１２は、カメラ等の画像センサの形態をしているのが有利であり、センサ１２により、監視すべき構造体の瞬間的な画像を予め決められた規則的な間隔で又は外部から送られる信号の制御下で生成することができる。生成した構造体の画像は、必ずしも、人に見える波長範囲の表示を有する写真である必要はなく、赤外線記録及び他の波長範囲の記録を想定することも可能である。

航空機２の構造体をできるだけ完全に検出するため、更なるセンサを胴体４、方向舵ユニット６、主翼１０及び主脚の更なる箇所に設けるのがよい。かくして、例えば図１では、別のセンサ１４が、胴体と主翼の移行部のところに設けられ、別のセンサ１６が、航空機のコックピットの近くに配置されている。センサについて、手間及び費用を可能な限り最小にした状態で、構造体のできるだけ包括的な監視を可能にする任意のセンサ位置を想定するのがよい。

図２は、本発明の方法を説明するために役立ち、本発明の方法は、センサ１２による画像の生成で始まる。図２の記載は、監視対象の領域の瞬間的な構造的変化を確定する方法ステップの順序に関する。方法ステップのかかる順序は、構造的状態の連続監視を行うためにできるだけ連続的に繰り返して実行されるべきである。

画像は、センサ１２によって生成された後、符号２２で示すコンピュータ処理ユニット１８に送られる。この画像は、有利には、ディジタルデータで表され、かかるディジタルデータは、データラインを介してセンサ１２からコンピュータ処理ユニット１８に送られる。

コンピュータ処理ユニット１８は、監視対象の領域の一連の基準画像を記憶しており、かかる基準画像は、センサ１２の視野方向に加えて、他の方向からも記録されている。監視対象の領域に関する三次元情報の項目は、単一のセンサ１２の較正のための種々の視野の組合せから得られる。物体を単一の光センサで立体的に撮像することができず、監視すべき領域の三次元深さに関する欠落した情報は、基準画像によってのみ得られる。

光センサ１２の視野方向から見た連続画像の変化から、他の視野からの利用可能な基準画像により、構造的変化の三次元の広がりについての結論に達することが可能である。これは、次の方法ステップにより行われ、方法ステップは、センサ１２の画像と少なくとも１つの基準画像、この場合、監視すべき領域の先の画像の比較２４からの画像の偏差を確定するステップから始まる。コンピュータ処理ユニット１８によって画像の偏差を確定するステップは、特にメディア技術、コンピュータ支援図形画像処理等から知られている現行の画像比較手順によって実施できる。これら手順は、例えば色差演算原理に当てはまる。

構造部品の離散的な領域の幾何学的形状の偏差を、種々の視野から記録した基準画像によって、確定済みの画像の偏差から確定することができ、これら種々の視野は、上述したように、三次元深さ情報を利用可能にする。かかる幾何学的形状の偏差は、例えば構造体の所定の表面箇所の平行移動として解されるべきである。かくして、監視すべき構造体の表面上の所与の箇所は、監視すべき構造体の画像の連続記録の間で空間的に移動することができる。この移動は、連続画像の比較後に定量化できる。

最後に、構造部品の形状変化を確定するステップ２８を、確定した幾何学的形状の偏差から実施することができる。監視すべき構造部品上の離散的な箇所の個々の平行移動だけにより、瞬間的な移動に関する結論を可能にする。したがって、変位を、監視すべき構造体に関してコンピュータ処理ユニット内に存在する幾何学的形状データセット全体の箇所の位置に適切に追加する必要がある。その結果、形状の変化は、これを元々の開始形状との関係で表す仕方で記述される。幾何学的形状データセットは、監視すべき構造体のＣＡＤモデルであるのが良く、このＣＡＤモデルでは、離散的な箇所は、変位すべき複数の箇所が２つの連続した画像と画像の間で実際に覆っている距離だけ変位可能である。

監視すべき構造体の瞬間的な形状の変化の程度並びに元々の開始形状との関係における確定された形状変化の分類は、構造体の損傷の激しさ又は構造体に加わる応力で表された測定値である。分類は、例えば、主翼の予想歪み、許容できない座屈又は凹み等への区分を含む。別の措置が損傷の激しさに応じてトリガされる。かくして、激しい形状変化に関するデータを適当な記憶場所に記憶するのが良く、そしてそれと同時にかかるデータにより、警報がパイロットに与えられるのが良い。形状変化を検出した後の更なるプロセスは、通常条件における監視方法を顧慮する特定の要件に従って適応可能である。

次に、図３及び図４を参照して上述した方法の変形例について説明する。図３では、単一のセンサ１２の代わりに、例示として、２つのセンサ３０，３２が方向舵ユニット６の前縁のところに配置され、２つのセンサ３０，３２は、互いに間隔を置くと共に一方が他方の上に配置されている。２つのセンサ３０，３２は、これらが構造体の同一領域を受け持つよう差し向けられている。左右の目で見る状況と同様、これら２つのセンサ３０，３２は、組合せ状態で、単一の物体の２つの画像を生成することができ、これら画像は、視野角度だけが互いに異なる。２つの画像の互いに対する偏差に基づいて、三次元深さ情報を、記録された画像から得ることが可能である。

図４に示す本発明の方法は、隣接し且つ互いに間隔を隔てた２つの光センサ３０，３２の使用に適合している。最初に、符号３４のところの画像をセンサ３０，３２によって生成し、次に、これらの画像を符号３６で示すコンピュータ処理ユニットに送る。

三次元幾何学的形状データを、上記２つの画像から得ることができ、上記２つの画像は、重ね合わせにより、監視すべき構造体の三次元画像を構成する。変換は、三次元画像を増分式の走査及び三次元モデルの複数箇所又は箇所の雲のようなまとまり(point cloud)の生成によって行われ、この場合、三次元モデルは、ワイヤメッシュモデル等の形態をしている。

監視対象の構造体の形状の変化を、確定した幾何学的形状データと基準幾何学的形状データセットとの比較から計算する。確定したモデルと基準モデルとの間のメッシュ交差箇所における位置の偏差を、形状変化又は形状の偏差として解釈する。

２つの互いに間隔を隔てたセンサによって構造部品を監視する方法は、干渉や分裂、不正確に記録された基準画像等に関して、極めて堅実であり、それにより、三次元幾何学的形状が任意所望の正確さで確定される。センサ３０，３２を較正することの観点における複雑さ及び出費は、単一のセンサの使用と比較して少なく、センサの方向における構造体の場所の平行移動を良好に認識することができる。

高い解像力のものであり且つできるだけ鮮明であり、しかも測定精度の増大をもたらす画像を生成するためにセンサが監視すべき構造体の種々の且つ小さな小領域に連続して差し向けられることによりこの方法を一段と改良できる。これは、カメラが枢動可能に配置されていることにより又は固定されたカメラが駆動可能な偏向鏡によってこれらの視野角度を拡大できることによって達成できる。図５は、かかるシステムを概略的に示している。対物レンズ４６を備えたカメラ４４が、構造体４８に固定的に取り付けられており、鏡５０の方向を見ており、この場合、鏡５０を１つ又は２つ以上の軸線回りに枢動可能に駆動させるのがよい。

対物レンズの寸法及び２つのカメラ４４及び２つのカメラ３０，３２の間隔の組合せは、監視すべき表面の所要の寸法並びに所望の正確さのレベルに応じて選択できる。狭い表面だけが監視される場合、嵩の大きな対物レンズ４６を用いるのが適しており、カメラ４４は、互いに対して僅かな間隔を隔てた状態で配置されるべきである。２つのカメラ４４がそのように構成されて各々がそれぞれの鏡５０を見る場合、検討すべき構造体表面全体の連続走査が可能である。この場合、鏡５０は、所定のパターンに従って互いに平行な関係をなして枢動する。各鏡の位置で、得られた画像に関する非常に高い記録精度及びかくして非常に良好な測定精度が達成される。監視すべき広い表面を取扱う場合、嵩の小さな対物レンズ４６が用いられるべきであると共にカメラ４４は、互いに対して比較的広い間隔を置いて配置されるべきである。このように、広い表面部分を一度に検出してディジタル化することができ、他方、検出された表面は、鏡５０の偏向によって一段と拡大できる。

また、図５に示すカメラ４４、対物レンズ４６及び鏡５０の構成を、単一の光センサ１２を用いる上述の第１の方法にも利用することが可能である。その結果、以前においては見ることができなかった領域を検出するために、又は、場合によっては追加のセンサ１２を節約するために、光センサ１２の視野角度を拡げることも可能である。

本発明は、広い領域にわたる構造部品の非接触監視方法を提供し、かかる方法は、図１〜図５を参照して実施形態により例示的に説明した。しかしながら、本発明は、図示の実施形態には限定されず、多くの追加及び改造も又計画でき)。加えて、三次元情報を、３つ以上のセンサを用いることにより向上させてもよく、本発明の方法の堅牢さを高めるために、構造状態監視センサの冗長性を、多くのセンサを用いることにより達成できる。

旅客機を参照することによる第１の実施形態の側面図である。 １つの光センサを用いる本発明の方法を示すブロック図である。 旅客機を参照することによる第２の実施形態の側面図である。 ２つ又は３つ以上の光センサを用いる本発明の方法を示す図である。 第３の実施形態を示す概略図である。

Claims (11)

1. 航空機の構造部品の状態を監視する方法であって、
   前記構造部品の画像を、光センサ（１２）を用いて生成するステップと、
   前記画像を少なくとも１つのコンピュータ処理ユニット（１８）に送るステップと、
   前記少なくとも１つのコンピュータ処理ユニット（１８）によって、前記画像と少なくとも１つの基準画像とを比較して、画像の偏差を確定するステップと、
   前記少なくとも１つのコンピュータ処理ユニット（１８）によって、前記画像の偏差から、前記構造部品の離散的な領域の幾何学的形状の偏差を確定するステップと、
   前記少なくとも１つのコンピュータ処理ユニット（１８）によって、前記幾何学的形状の偏差から、前記構造部品の形状の変化を確定するステップと、を有する方法。
2. 前記光センサ（１２）は、カメラの形態をしている、請求項１記載の方法。
3. 前記光センサ（１２）の視野は、枢動可能な鏡（５０）及び／又は対物レンズ装置（４６）によって拡大され又は偏向される、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記光センサ（１２）は、非可視波長範囲、特に赤外波長範囲で作動する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 航空機の構造部品の状態を監視する方法であって、
   前記構造部品の画像を、互いに間隔を隔てた２つ又は３つ以上の光センサ（３０，３２）を用いて生成するステップと、
   前記画像を少なくとも１つのコンピュータ処理ユニット（１８）に送るステップと、
   前記画像から、前記構造部品の被監視領域の幾何学的形状データを確定するステップと、
   確定した前記幾何学的形状データと基準幾何学的形状データセットとを比較して、前記構造部品の離散的な領域の幾何学的形状の偏差を確定するステップと、
   前記幾何学的形状の偏差から、前記構造部品の形状の変化を前記少なくとも１つのコンピュータ処理ユニット（１８）によって確定するステップと、を有する方法。
6. 前記光センサ（３０，３２）は、カメラの形態をしている、請求項５に記載の方法。
7. 前記光センサ（３０，３２）の視野は、少なくとも１つの枢動可能な鏡（５０）及び／又は対物レンズ装置（４６）によって拡大され又は偏向される、請求項５又は６に記載の方法。
8. 前記光センサ（３０，３２）は、非可視波長範囲、特に赤外波長範囲で作動する、請求項５〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 航空機の構造部品の状態を監視する装置であって、
   前記構造部品の画像を生成する光センサ（１２）と、
   少なくとも１つのコンピュータ処理ユニット（１８）と、を有し、
   前記コンピュータ処理ユニット（１８）は、前記生成した画像を受取り、前記画像から幾何学的形状データを確定し、前記確定した幾何学的形状データと基準幾何学的形状データセットとの比較から前記構造部品の離散的な領域の幾何学的形状の偏差を確定し、前記幾何学的形状の偏差から前記構造部品の形状の変化を確定するように構成される、装置。
10. 航空機の構造部品の状態を監視する装置であって、
    前記構造部品の画像を生成する２つ又は３つ以上の光センサ（３０，３２）と、
    少なくとも１つのコンピュータ処理ユニット（１８）と、を有し、
    前記コンピュータ処理ユニット（１８）は、前記画像を受取り、前記画像と少なくとも１つの基準画像との比較から画像の偏差を確定し、前記画像の偏差から前記構造部品の離散的な領域の幾何学的形状の偏差を確定し、前記幾何学的形状の偏差から前記構造部品の形状の変化を確定するように構成される、装置。
11. 請求項９又は請求項１０記載の航空機の構造部品の状態を監視する装置を有する航空機、特に旅客機（２）。

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