專利名稱：用于監(jiān)控結構部件的狀態(tài)的方法以及裝置的制作方法
技術領域：
本申請涉及利用至少一個結構狀態(tài)傳感器來監(jiān)控結構部件的狀態(tài) 的方法以及裝置。
背景技術：
通常，負載很重的設備復雜件的結構必需能夠提供非常高等級的 操作安全性，因此，例如必需對飛行器、尤其是客機的完整性或者它 們的機械狀態(tài)進行定期檢查。這種檢查通常是在預定數(shù)量的負載循環(huán) (例如飛行器的起飛和降落)或者在預定的時間段之后進行。繼續(xù)以 客機為例，為此，借助于非破壞性方法對飛行器進行關于其結構損 壞一一例如裂縫或者脫層現(xiàn)象一一的檢查。這種檢查復雜、昂貴而且
費時，并且另外需要飛行器在地面上停留一段很長的時間，這樣通常 來講是不經(jīng)濟的。
目前，尤其關于軍用飛行器，存在著能夠探測結構部件中的損壞 的多種其它方法。將傳感器集成在待監(jiān)控的結構部件上使得可以在常 規(guī)飛行操作中測定結構部件的狀態(tài)。這種傳感器只能進行本地操作， 也就是說它們僅能夠監(jiān)控那些直接與它們鄰接的結構。如下類型的傳
感器，例如包括應變儀、纖維布拉格光柵、斷絲(tearing wires )、真 空傳感器、光學纖維或者壓電系統(tǒng)，已經(jīng)成功地用于結構狀態(tài)監(jiān)控系 統(tǒng)(下文中也稱作"結構健康監(jiān)控"系統(tǒng)或者SMH系統(tǒng))，并且已經(jīng) 進行了深入的研究和開發(fā)。
當使用本地操作的SMH傳感器時，大面積結構部件的監(jiān)控需要在 較大表面面積上集成傳感器、需要各自的充分的電連接以及需要適當 的測量值探測裝置。取決于待監(jiān)控的各個結構部件的尺寸，可能會導 致極大的復雜性和相應的花費。

發(fā)明內容
因此本發(fā)明的目的在于減少或者完全消除上述的缺點。具體地，本發(fā) 明的目的是利用單個結構狀態(tài)傳感器或者4艮少的結構狀態(tài)傳感器在盡可 能大的面積上有效地并以較低的成本對結構部件進行監(jiān)控，并且降低結 構狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的復雜性。本發(fā)明的另一目的在于提供用于監(jiān)控結構部
件的狀態(tài)的方法和裝置；以及提供一種飛行器，尤其是客機，在所述飛 行器中可以以盡可能低成本且有效的方式進行結構狀態(tài)監(jiān)控，并且同時 利用所述飛行器能夠以較低的復雜性實現(xiàn)結構狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。
上述目的通過一種監(jiān)控飛行器結構部件的狀態(tài)的方法得以實現(xiàn)，所述 方法包括如下步驟利用光學傳感器產(chǎn)生結構部件的圖^^,將圖4象傳遞 到至少一個計算單元，由所述至少一個計算單元從所述圖像與至少一個 參考圖像的比較來確定圖像偏差，由所述至少 一個計算單元從所述圖像 偏差來確定結構部件的離散區(qū)域的幾何偏差，以及由所述至少一個計算 單元從所述幾何偏差來確定結構部件的形狀改變.
根據(jù)本發(fā)明的方法的主要優(yōu)點在于，通過光學圖像處理對待監(jiān)控的結 構部件進行無接觸解析或繪圖。在適當?shù)奈恢锰幨褂脗鞲衅魇沟每梢援a(chǎn) 生待監(jiān)控的結構的圖# ，所述圖《象被傳送到一個或多個計算單元?；?已經(jīng)存在于計算單元中的參考圖像，可以確定關于當前記錄圖像的圖像 偏差。這些圖像偏差可能是例如由于鳥類撞擊、分離或裂縫的部件等所 導致的結構改變所引起。因此，圖像偏差以及參考結構的精確圖像適合 用來確定結構部件的離散區(qū)域的幾何偏差。最后，利用存在的參考幾何 數(shù)據(jù)集，通過考慮結構部件的離散區(qū)域的幾何偏差，借助于至少一個計 算單元的操作可以從幾何偏差來確定整個結構部件形狀的彈性改變和塑 性改變。形狀的改變例如可以以三維幾何數(shù)據(jù)的形式進行描述。
借助于以所述方式所確定的關于待監(jiān)控結構部件的形狀改變，可以容 易地對損壞進行記錄、量化以及分類。這在不使用本地操作傳感器的情 況下是可行的，本地操作傳感器受限于體積較小的區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明的 方法提供了快速且有效地探測損壞、涵蓋較大面積以及提供結構監(jiān)控的 可行方式。
有利地，所述光學傳感器是照相機的形式。照相機，并且尤其是數(shù)碼
5照相機，能夠以低成本的方式適用于許多不同的設計構造。它們得到了 廣泛的開發(fā)，并且它們以數(shù)字方式高速地提供所產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)。
在本發(fā)明的具體實施方式
中，光學傳感器的視野通過樞轉的鏡子和/ 或物鏡裝置而得到擴大或者偏轉。這樣允許根據(jù)本發(fā)明的方法在沒有附 加的其它光學傳感器的情況下適用于復雜曲面構造的待監(jiān)控表面。
如果光學傳感器在不可見波長的范圍內進行^Mt，則是更加有利的。 與利用可見光范圍內的波長的情形不同，即4吏是在逆光的情況下也可以 對表面進行繪圖。因此，本方法的穩(wěn)健性增加。另外，可以對條件、缺 陷和期待的效果理想地進行適應。
本發(fā)明的目的還通過一種監(jiān)控飛行器結構部件的狀態(tài)的方法得以實
現(xiàn)，所述方法包括如下步驟利用兩個或者更多個相互間隔開的光學傳
感器來產(chǎn)生結構部件的圖像，將所述圖像傳送到至少一個計算單元，從
所述圖像來確定結構部件的監(jiān)控區(qū)域的幾何數(shù)據(jù)，以及從所確定的幾何 數(shù)據(jù)與參考幾何數(shù)據(jù)集的比較來確定結構部件的離散區(qū)域的幾何偏差。
使用彼此間隔開的兩個或者更多個光學傳感器使得形成了探測和處 理三維圖像的能力。如果兩個相互間隔開的傳感器朝向結構部件的區(qū)域 定向，則該區(qū)域是從兩個不同的視角進行探測。類似于利用立體攝影的 情形，由多個傳感器所產(chǎn)生的圖像使得可以獲得關于成像區(qū)域的深度信 息。將所述圖像從光學傳感器傳給至少一個計算單元，在計算單元中， 從三維圖像來確定幾何數(shù)據(jù)。最終，通過所確定的幾何數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù) 集的比較，可以確定關于待監(jiān)控結構部件區(qū)域的幾何偏差，以便能夠由 此來確定結構部件的損壞。
類似于前述方法的實施，還可以利用所探測的離散區(qū)域的幾何偏差來 對結構缺陷進行量化和分類。
如上文所闡述的原因，特別有利地，光學傳感器是照相機的形式。在 額外有利的實施方式中，光學傳感器的視野通過至少一個樞轉的鏡子和/ 或物鏡裝置而得到擴大或者偏轉，并且所述光學傳感器優(yōu)選地在不可見 波長的范圍內操作。
本發(fā)明的目的還通過一種用于監(jiān)控飛行器結構部件的狀態(tài)的裝置得 以實現(xiàn)，所述裝置包括用于產(chǎn)生結構部件的圖像的光學傳感器以及至少 一個計算單元，其中，所述計算單元適于接收所述圖像、從所述圖像中與至少一個參考圖像的比較來確定圖像偏差、從所述圖像偏差來確定結 構部件的離散區(qū)域的幾何偏差以及從所述幾何偏差來確定結構部件的形 狀改變。
本發(fā)明的目的另外還通過一種用于監(jiān)控飛行器結構部件的狀態(tài)的 裝置得以實現(xiàn)，所述裝置包括用于產(chǎn)生結構部件的圖像的兩個或者更 多個光學傳感器以及至少一個計算單元，其中，所述計算單元適于接 收所述圖像、從所產(chǎn)生的圖像來確定幾何數(shù)據(jù)、從所確定的幾何數(shù)據(jù) 與參考幾何數(shù)據(jù)集的比較來確定結構部件的離散區(qū)域的幾何偏差以及 從所述幾何偏差來確定結構部件的形狀改變。
最后，所述目的通過一種飛行器、尤其是通過一種客機得以實現(xiàn)，
所述飛行器具有如權利要求9至10所述的用于監(jiān)控飛行器結構部件的 狀態(tài)的裝置。


下文中，將參照實施方式通過示例來更加詳細地描述本發(fā)明。在 具體描述中，對相同或相似的元件使用相同的附圖標記。
圖l參考客機示出了第一實施方式的側視圖，
圖2示出了用來說明利用光學傳感器的根據(jù)本發(fā)明的方法的方塊
圖，
圖3參考客機示出了第二實施方式的側視圖，
圖4示出了用來說明利用兩個或者更多個光學傳感器的根據(jù)本發(fā) 明的方法的方塊圖，以及
圖5是用來說明第三實施方式的示意圖。
具體實施例方式
圖1示出了客機2，其包括機身4、方向舵組6、升降舵8和機翼 10。為了根據(jù)本發(fā)明的方法的監(jiān)控飛行器結構的目的，必需由一個或 者更多個光學傳感器來對結構部件進行監(jiān)控。
在圖1中，作為示例，光學傳感器12布置在方向舵組6的前緣的上部，并且能夠光學探測飛行器2上部的主要部分。由于方向舵組6 的設計布置，使得光學傳感器12無法看到一些較小的區(qū)域。但是，沿 飛行方向位于方向舷組6前方的機身整個上部都處于光學傳感器的可 視范圍內。
傳感器12 — 一其有利地是例如照相機等成像傳感器的形式 一 一 能
的結構的即時圖像。所產(chǎn)生的結構圖像無需是在人類可視的波長范圍 內顯示的照片，還可以想到紅外記錄以及其它波長范圍的記錄。
為了盡可能全面地探測飛行器2的結構，可以在機身4、方向舵組 6、機翼10和起落架的其它位置安裝另外的傳感器。因此，例如在圖 l中，另一傳感器14布置在機身-機翼的過渡區(qū)域處，而又一傳感器 16布置在飛行器的駕駛員座艙附近?？梢韵氲剿械膫鞲衅魑恢?，只 要在關于傳感器的實施和花費盡可能低的情況下允許盡可能全面地對 結構進行監(jiān)控。
圖2用來描述根據(jù)本發(fā)明的方法，該方法從由傳感器12產(chǎn)生圖像 開始。圖2中的圖示涉及用于確定待監(jiān)控的區(qū)域內的即時結構變化的 方法步驟的順序。應該盡可能連續(xù)地重復實施該方法步驟的順序，從 而提供結構狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)控。
如以22指出，在由傳感器12產(chǎn)生圖《象之后，所述圖4象被傳送到 計算單元18。有利地，所述圖像通過數(shù)字數(shù)據(jù)來表示，所述數(shù)字數(shù)據(jù) 從傳感器12通過數(shù)據(jù)線被傳給計算單元18。
計算單元18存儲了待監(jiān)控區(qū)域的一系列參考圖像，參考圖像除了 是從傳感器12的觀測方向進行記錄的之外，也從其它的方向進行了記 錄。關于待監(jiān)控區(qū)域的三維信息的項目可以從不同透視圖的結合中得 到，從而對單個傳感器12進行校準。無法利用單個光學傳感器對物體 進行立體成像，而關于待監(jiān)控區(qū)域的三維深度的缺失信息僅可由參考 圖像來提供。
從來自光學傳感器12的觀測方向的連續(xù)圖像的改變中，可以借助 于從其它的立體圖得到的參考圖像而得出關于結構變化的三維程度的 結論。這是通過下面的方法步驟來實現(xiàn)，其開始于從傳感器12的圖像 與至少一個參考圖像一一在該情況下為待監(jiān)控區(qū)域的先前的圖像一一的比較來確定圖像偏差的步驟24。借助于計算單元18來確定圖像偏 差的步驟可以通過目前的圖像比較程序來執(zhí)行，所述程序尤其在媒體 技術、計算機輔助圖形圖像處理等中已知。這些程序應用例如顏色減 法原理。
借助于從不同立體圖所記錄的參考圖像，可以從所確定的圖像偏 差來確定結構部件的離散區(qū)域的幾何偏差，如在上文中所描述，所述 參考圖像使得可以得到三維深度信息。這些幾何偏差例如解釋為結構 的特定表面點的平移。因此，待監(jiān)控的結構表面上的特定點可以在待 監(jiān)控結構圖像的連續(xù)記錄之間的空間中移動。在比較連續(xù)圖像之后可 以量化該移動。
最后，從所確定的幾何偏差可以實現(xiàn)確定結構部件28的形狀改變 的步驟。待監(jiān)控結構部件上的離散點的個別平移運動僅得出關于瞬間 移動的結論。因此，這種位移必需以適當?shù)姆绞郊拥疥P于待監(jiān)控結構 的完全的幾何數(shù)據(jù)集中的點的位置上，所述幾何數(shù)據(jù)集存在于計算單 元中。因此，形狀的改變可以以相對于初始形狀來表示的方式進行描 述。幾何數(shù)據(jù)集可以是待監(jiān)控結構的CAD模型，其中個別的離散點可 以移動如下距離一一即，移動的點在兩張連續(xù)圖像之間實際上覆蓋的 距離。
待監(jiān)控結構的瞬間形狀改變的程度以及所確定的相對于初始形狀 的形狀改變的分類是關于結構損壞嚴重程度或者結構上的應力方面的 測量。所述分類包括例如劃分成期望的機翼偏轉、不能容忍的彎曲或 者凹痕等。取決于損壞的嚴重程度引發(fā)進一步的措施。因此，關于形 狀劇烈改變的數(shù)據(jù)可以存儲在適當?shù)奈恢?，并且可以同時產(chǎn)生對飛行 員發(fā)出的警報。在探測到形狀的改變之后，根據(jù)通常的狀態(tài)監(jiān)控方法 的具體需求可以采用進一步的程序。
現(xiàn)在將參照圖3和圖4來描述上述方法的改型。作為示例，兩個 傳感器30和32代替了單個傳感器12設置在圖3中的方向舵組6的前 緣處，所述兩個傳感器30和32彼此間隔開并且其中一個布置在另一 個的上方。所述兩個傳感器30和32的定向使得它們涵蓋了相同的結 構區(qū)域。類似于具有一雙眼睛的情況，這兩個結合的傳感器30和32 能夠產(chǎn)生單個物體的兩張圖像，所述圖像僅在視角上彼此不同。基于 兩張圖像彼此之間的偏差，可以從所記錄的圖像中獲得三維深度信息。如圖4中所示的根據(jù)本發(fā)明的方法適于使用兩個鄰近的、相互間 隔開的光學傳感器30和32。首先，在34處，由傳感器30和32產(chǎn)生 圖像，然后，如以36指出，所述圖像被傳送到計算單元18。
從兩張圖像中可以獲得三維幾何數(shù)據(jù)，通過疊加兩張圖像提供了 待監(jiān)控結構的三維圖像。
通過三維圖像的增強掃描以及產(chǎn)生三維模型的點或點云可以實現(xiàn) 轉換，其中所述模型是絲網(wǎng)模型或者類似的形式。
從所確定的幾何數(shù)據(jù)與參考幾何數(shù)據(jù)集的比較計算出監(jiān)控結構的 形狀變化。將所確定的模型與參考模型之間的網(wǎng)格節(jié)點的位置偏差解 釋為形狀的變化或者形狀的偏差。
借助于兩個相互間隔開的傳感器來監(jiān)控結構部件的方法在干擾和 中斷、錯誤記錄的參考圖像等方面非常穩(wěn)健，這樣使得可以以任何期 望的精確度來確定三維幾何尺寸。關于校準傳感器30和32的復雜性 和花費與使用單個傳感器的情形相比得以降低，并且能夠更好地識別 結構位置向著傳感器方向的平移。
通過使傳感器連續(xù)定向在待監(jiān)控結構上的不同且較小的子區(qū)域， 可以使該方法得到進一步改進，從而使產(chǎn)生的圖像具有高分辨率并盡 可能地清晰，而且導致了測量精確度等級的提高。上述改進可以通過 樞轉設置的照相機、或者通過能夠借助于可驅動的偏轉的鏡子來擴大 它們的視角的固定照相機來實現(xiàn)。圖5示意性地示出了這種系統(tǒng)。具 有物鏡46的照相機44以固定的方式布置在結構48上，并且向著鏡子 50的方向進行觀測，其中鏡子50可以繞一個或多個軸線以樞轉的方 式被驅動。
物鏡的尺寸以及兩個照相機44 ( 30和32 )的間距的結合可以根據(jù) 所要求的待監(jiān)控表面的尺寸以及所期望的精確度等級而相應地進行選 擇。如果僅監(jiān)控較小的表面，則使用大體積(large-volume)的物鏡鏡 頭46是適當?shù)模⑶艺障鄼C44以關于彼此較小的間距進行布置。如 果兩個照相機44以如上方式改裝，并且進而分別面朝各自的鏡子50， 則可以對待調查的整個結構表面進行連續(xù)掃描。在這種情況下，鏡子 50根據(jù)預定的模式以平行的關系樞轉。在每個鏡子的位置處，實現(xiàn)了 關于所產(chǎn)生圖像的高等級的記錄精確度，并且因此實現(xiàn)了高度的測量精確度。當處理較大的待監(jiān)控表面時，應當使用較小體積的物鏡46， 并且照相機44應當以關于彼此相對較大的間距進行布置。這樣，可以 探測較大的表面部分并且立刻全部數(shù)字化，同時通過鏡子50的偏轉可 以進一步擴大探測表面。
對于只使用單個光學傳感器12的所述第一種方法也可以使用圖5 中所示的照相機44、物鏡46和鏡子50的布置。因此，可以擴大光學 傳感器12的視角，從而用以探測先前不可見的區(qū)域或者可以節(jié)省額外 的傳感器12。
本發(fā)明提供一種以非接觸的方式監(jiān)控較大面積上的結構部件的方 法，已經(jīng)參考附圖1-5借助于實施方式通過示例描述了本發(fā)明。但是 本發(fā)明并不限制于所描述的實施方式，而是可以想到大量的附加和改 型。通過使用多于兩個的傳感器可以額外地改善三維信息，通過使用 更多的傳感器可以實現(xiàn)結構狀態(tài)監(jiān)控傳感器的冗余度從而提高了本方 法的穩(wěn)健性。
權利要求
1. 一種監(jiān)控飛行器結構部件的狀態(tài)的方法，所述方法包括如下方法步驟利用光學傳感器(12)產(chǎn)生所述結構部件的圖像，將所述圖像傳遞到至少一個計算單元(18)，由所述至少一個計算單元(18)從所述圖像與至少一個參考圖像的比較來確定圖像偏差，由所述至少一個計算單元(18)從所述圖像偏差來確定所述結構部件的離散區(qū)域的幾何偏差，以及由所述至少一個計算單元(18)從所述幾何偏差來確定所述結構部件的形狀改變。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述光學傳感器(12)為 照相機的形式。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其中，所述光學傳感器(12 ) 的視野通過樞轉的鏡子(50)和/或物鏡裝置(46)而得到擴大或者偏 轉。
4. 根據(jù)前述權利要求1至3中任一項所述的方法，其中，所述光 學傳感器(12)在不可見波長的范圍內操作，尤其是在紅外波長的范圍 內操作。
5. —種監(jiān)控飛行器結構部件的狀態(tài)的方法，所述方法包括如下方 法步驟利用兩個或者更多個相互間隔開的光學傳感器(30， 32)產(chǎn)生所述結構部件的圖像，將所述圖像傳送到至少一個計算單元(18)，從所述圖像來確定所述結構部件的監(jiān)控區(qū)域的幾何數(shù)據(jù)，從所確定的幾何數(shù)據(jù)與參考幾何數(shù)據(jù)集的比較來確定所述結構部件的離散區(qū)域的幾何偏差，以及由所述至少一個計算單元(18)從所述幾何偏差來確定所述結構部件的形狀改變。
6. 根據(jù)權利要求5所述方法，其中，所述光學傳感器(30， 32) 為照相機的形式。
7. 根據(jù)權利要求5或6所述的方法，其中，所述光學傳感器(30， 32)的視野通過至少一個樞轉的鏡子(50)和/或物鏡裝置(46)而得 到擴大或者偏轉。
8. 根據(jù)前述權利要求5至7中任一項所述的方法，其中，所述光 學傳感器(30, 32)在不可見波長的范圍內操作，尤其是在紅外波長的 范圍內操作。
9. 一種用于監(jiān)控飛行器結構部件的狀態(tài)的裝置，包括 用于產(chǎn)生所述結構部件的圖像的光學傳感器(12)，以及 至少一個計算單元(18)，其中，所述計算單元(18)適于接收所述圖像、從所產(chǎn)生的圖像來 確定幾何數(shù)據(jù)、從所確定的幾何數(shù)據(jù)與參考幾何數(shù)據(jù)集的比較來確定所 述結構部件的離散區(qū)域的幾何偏差、以及從所述幾何偏差來確定所述結構部件的形狀改變。
10. —種用于監(jiān)控飛行器結構部件的狀態(tài)的裝置，包括 用于產(chǎn)生所述結構部件的圖像的兩個或者更多個光學傳感器(30，32)，以及至少一個計算單元(18)，其中，所述計算單元(18)適于接收所述圖像、從所述圖像與至少 一個參考圖像的比較來確定圖像偏差、從所述圖像偏差來確定所述結構 部件的離散區(qū)域的幾何偏差、以及從所述幾何偏差來確定所述結構部件 的形狀改變。
11. 一種飛行器，尤其是客機(2),包括根據(jù)權利要求9或10所 述的用于監(jiān)控飛行器結構部件的狀態(tài)的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種監(jiān)控結構部件的狀態(tài)的方法，其中光學傳感器連同計算單元從待監(jiān)控的結構部件的連續(xù)圖像中確定圖像偏差，并且由此確定結構的形狀改變。當使用兩個或者更多個傳感器時，可以對結構部件進行強勁的三維掃描。本發(fā)明還涉及一種用來監(jiān)控結構部件的狀態(tài)的具有光學傳感器的裝置，以及一種具有兩個或者更多個傳感器的裝置。最后，本發(fā)明涉及一種飛行器，在所述飛行器中使用了根據(jù)本發(fā)明的方法或者裝置。
文檔編號B64D45/00GK101484360SQ200780025159
公開日2009年7月15日 申請日期2007年5月9日 優(yōu)先權日2006年7月5日
發(fā)明者克萊門斯·博肯海默, 沃爾夫岡·恩特爾曼, 皮特·韋爾肯, 霍爾格·施佩克曼 申請人:空中客車德國有限公司