專利名稱：結構光系統(tǒng)用于光學形狀和位置測量的精確圖象獲取的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及測量復合材料的非破壞性技術領域。更具體地說，本發(fā)明涉及測 量三維復合材料制品的改進技術。
背景技術：
近年來，在航空航天等行業(yè)中，復合材料的使用不斷增長。復合材料使性能顯著提 高，然而它們制造困難，因此在制造過程中需要嚴格的質量控制程序。此外，復合材料本身 良好地適合于制造具有不規(guī)則形狀的部件。已經開發(fā)出非破壞性評價(“NDE”)技術，作為 鑒定復合結構中的缺陷的方法，例如用于檢測夾雜物、分層及孔隙度。常規(guī)的NDE方法通常 實施緩慢、勞動密集，成本高昂。因此，測試程序不利地增加了與復合結構相關的制造成本。對于具有不規(guī)則表面的部件來說，優(yōu)選使測量數據與位置性的三維數據相關聯(lián)。 對于這些部件來說，確定部件的形狀對將測量與部件上的位置相關聯(lián)是關鍵的?，F(xiàn)有技術 中掃描具有不規(guī)則形狀的復合材料部件的方法要求將被掃描的部件定位在臺面上并固定 于已知的位置，從而提供用于掃描的起始參考點。對于大的和/或不規(guī)則形狀的物體來說， 定位部件所需的臺面或其它裝置是昂貴的，并且經常是只針對一種部件。根據現(xiàn)有技術的方法，掃描復雜形狀的部件以確定所述部件的三維形狀需要從若 干不同的位置或角度進行多次掃描。這些掃描在確定物體的三維形狀時經常是緩慢的。因 此需要能夠快速獲取三維位置數據的方法及裝置。
發(fā)明內容
本發(fā)明提供用于確定物體三維形狀的非接觸方法及裝置。在本發(fā)明的一個方面中描述分析制品和提供三維結構的方法。該方法包括以下 步驟(a)定位用于評價的制品；(b)用光束掃描該制品；(c)用攝像機檢測該制品上的光 束；(d)執(zhí)行第一個計算機實施的流程以捕獲并處理由攝像機從該制品上檢測到的光；以 及(e)執(zhí)行第二個計算機實施的流程以獲得有關該制品形狀的三維數據，其中制品的掃描 和光束的檢測同時發(fā)生于掃描制品時。在某些實施例中，所述光具有已知的波長和模式。在某些實施例中，所述攝像機包 括CCD圖象傳感器。在某些實施例中，掃描所述制品包括操作云臺(pan-and-tilt)單元， 其中所述云臺單元包括光束源和光檢測攝像機。在某些實施例中，第三個計算機實施的流 程指示攝像機檢測預選位置處的制品上的光束，其中該第三個計算機實施的流程控制云臺 單元。在某些實施例中，第三個計算機實施的流程記錄云臺單元的位置，并且將云臺單元的 位置與有關該制品形狀的三維數據相關聯(lián)。在某些實施例中，所述方法還包括在用光束掃 描該制品之前校準光源和攝像機。在另一方面提供一種用于測量物體三維表示的裝置。該裝置包括光束源；光檢 測攝像機；用于控制光束源和光檢測攝像機移動的裝置；中央處理單元；和移動控制系統(tǒng)； 其中光束源與光檢測裝置彼此連接。
在某些實施例中，該裝置還包括鉸接的機械臂，所述機械臂包括光束源、光檢測裝 置和用于控制光束源和光檢測攝像機移動的裝置。在某些實施例中，用于控制光束源和光 檢測攝像機移動的裝置包括云臺單元。在某些實施例中，該裝置還包括中央處理單元和用 戶界面，其中可操作中央處理單元以對用于控制光束源和光檢測攝像機移動的裝置進行控 制。在某些實施例中，中央處理單元被配置成記錄來自光檢測裝置的信息。在某些實施例 中，中央處理單元被配置成處理由光檢測裝置記錄的信息。在某些實施例中，中央處理單元 被配置成利用由攝像機獲得的信息產生物體的三維表示。
圖1提供根據本發(fā)明的一個實施例的邏輯流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明包括許多不同形式的實施例。具體的實施例有詳細的描述并顯示于附圖 中，并且需要理解的是，所公開的內容應被視為是本發(fā)明原則的例證，并不是為了將本發(fā)明 限制于本文中示出和描述的那些實施例。要充分認識到，為了產生所需的結果，可以單獨運 用或者任意合適地組合運用本文中論述的實施例的各種教導內容。本領域技術人員經閱讀 以下對實施例的詳細說明并參考附圖后，如上所述的各種特性以及下面更詳細描述的其它 特征及特性將是顯而易見的。本文中所述的是用于確定制品的形狀及三維坐標的非接觸方法及裝置。在已經確 定了制品的三維尺寸后，可以對部件進行掃描，并且可以將物理及光譜數據與制品上的具 體位置相關聯(lián)。結構光是用于對三維復合材料進行繪圖的示例性非接觸技術，其涉及按已知的角 度將光圖案(例如，平面、柵格或其它更復雜的形狀)投射到物體上面。這種技術適用于 對各種形狀的物體進行成像和獲取維度信息。通常情況下，通過將光束扇形展開或散射成 片光而產生光圖案。一種示例性光源是激光。當該片光與物體相交時，在物體表面上可以 看到亮光。按某種角度觀察光線，通常以不同于入射光角度的檢測角進行觀察，由此可以把 光線的畸變轉換為被觀察的物體上的高度變化。可以合并多次掃描的圖樣(常稱為畫張 (pose))，從而得到整個物體的形狀。用光掃描物體可以提供有關該物體形狀的三維信息。 這有時被稱為主動式三角測量。因為結構光可用于確定物體的形狀，所以它還可有助于對環(huán)境中的物體進行識別 和定位。這些特征使結構光成為一種適用于實施過程控制或質量控制的裝配線的技術?？?以掃描物體以得到制品的形狀，然后可將其與存檔的數據進行對比。這一優(yōu)點可使裝配線 能夠進一步自動化，從而普遍降低總成本。可以用諸如攝像機等光檢測裝置觀察投射到物體上面的光束。示例的光檢測裝置 包括CCD攝像機等?？梢允褂枚喾N不同的光源作為掃描源，但激光是優(yōu)選的，因為它具有精 確性和可靠性。結構光射束源把光圖案投射到被掃描的物體上，檢查測試體上的圖案變形，所述 變形對應于物體的表面變化。圖案可以是一維或二維的。一維圖案的一個例子是線。采用 LCD投射儀或掃描激光器將該線投射到測試體上面。諸如攝像機之類的檢測裝置檢查該線的形狀并利用類似于三角測量的技術來計算該線上的每個點的距離。在單線圖案的情況 下，使該線一次一條掃過視域以收集距離信息。結構光三維掃描儀的一個優(yōu)點在于掃描速度。不是一次掃描一個點，某些結構光 掃描儀能夠一次掃描許多點或全部的視域。這樣減少或消除了掃描移動帶來的變形問題。 一些現(xiàn)有的系統(tǒng)能夠實時掃描正在移動的物體。在某些實施例中，結構光系統(tǒng)的檢測攝像機包括設計成使只對應于指定波長(如 掃描激光器的波長)的光通過的濾光器?？刹僮鳈z測攝像機以檢測和記錄光圖象，并利用 各種算法確定對應于圖像的坐標值。在某些實施例中，激光器和檢測攝像機從不同的角度 觀察物體。在某些實施例中，結構光系統(tǒng)還可以包括已知為織構攝像機的第二攝像機，可對 其進行操作以得到物體的完整圖像。在一優(yōu)選的實施例中確定了掃描部件的最佳方式，包括優(yōu)化(即最小化)每次完 全掃描所需的圖樣或“畫張”的數目，從而有效地使重疊掃描最少化，并且還使對重新進行 后續(xù)掃描或進行補充掃描的要求最低化。在某些實施例中，可以根據測量的數據優(yōu)化畫張 的數目。在某些其它的實施例中，可以考慮到原有的CAD數據優(yōu)化畫張的數目。還在其它 實施例中，可以在掃描物體之前分析CAD數據以進行編程，并使對給定待掃描制品或部件 所必要的掃描次數最少化。在某些實施例中，結構光系統(tǒng)提供一系列的數據點，從而產生對應于物體形狀和 被掃描部件的具體圖樣的點云。然后可以合并每一圖樣或畫張的點云以組建整個部件的復 合點云。然后可以將單個點云數據轉換成具體的單元坐標系統(tǒng)。一旦各部件的所有測量的畫張均已組件而得到整個部件的復合點云，并且已經確 定了部件的相對坐標，于是可以記錄對應于該部件的數據集。記錄對應于部件的數據集得 到該部件的全套坐標點，并允許空間中的數據操作，從而使得在過后的掃描中容易識別出 相同的部件。一旦已經記錄了部件，則通過進行后續(xù)掃描與先前掃描的對比或由已經確認 的CAD數據可更容易地識別和確認類似的部件?？梢允占涗浀膾呙枰缘玫綌祿臁Ｔ谝环矫?，本發(fā)明提供一種用于獲取制品的三維位置數據的自動化非破壞性技術 及裝置。示例的結構光裝置實施例包括至少一個光源和至少一個用于檢測光的光學裝置。 在某些實施例中，該光學裝置可以包括光學掃描儀、攝像機、CCD陣列等。在一優(yōu)選的實施例中，結構光系統(tǒng)可以包括用于提供結構光信號的激光器，可選 的用于得到被掃描物體全景圖像的織構攝像機和具有CCD陣列的結構光攝像機。在某些實 施例中，結構光攝像機可以包括設計成能對除了由激光器產生的光的波長以外的任意波長 的光進行濾光的濾光器。在某些實施例中，該系統(tǒng)可連接于鉸接的機械臂，所述鉸接的機械臂具有繞所述 臂的轉動軸。在某些實施例中，該系統(tǒng)可以包括將結構光系統(tǒng)連接于機械臂的云臺單元。 該云臺單元使得能夠在機械臂保持固定的同時掃描部件。機械臂優(yōu)選包括使系統(tǒng)能了解臂 和連接的攝像機及光源位置的傳感器，從而提供自感型絕對定位系統(tǒng)，并且不需要對參考 工具臺上的被掃描部件進行定位。另外，自感型機械系統(tǒng)適合于掃描可能大到難以在工具 臺上分析的大物體。該系統(tǒng)可與計算機連接，所述計算機包括可操作控制各攝像機和收集 數據的軟件。在某些實施例中，該系統(tǒng)可以是固定的系統(tǒng)在某些其它的實施例中，該系統(tǒng)可連接于線形導軌。在某些其它的實施例中，可以把該系統(tǒng)安裝在活動的基座或運載工具上。 運載工具可有利地用于將該系統(tǒng)運送至不同的位置，以及用于評價諸如飛機之類的大型物 體。在某些實施例中，用于移動結構光系統(tǒng)的裝置(包括鉸接的機械臂或其它用于移 動該臂的裝置)還可以包括防止在一般區(qū)域(例如臺面等)上與物體發(fā)生碰撞的裝置?？?以通過多種方式避免碰撞，包括把所有安裝對象和物體的位置預先確定到機械臂的控制系 統(tǒng)里，或者通過使用放置在檢查制品或部件的一般區(qū)域中的物體上的各種傳感器。優(yōu)選的 是，禁止用于移動結構光裝置的裝置占用由被掃描部件占據的空間。現(xiàn)在參考圖1，提供的是掃描部件以獲得位置數據的示例方法的步驟。在第一步 102中，在預先確定的位置上定位用結構光系統(tǒng)進行掃描的部件。所述系統(tǒng)包括校準的結構 光系統(tǒng)和機械定位系統(tǒng)。一般來說，不一定如現(xiàn)有技術中所必須的那樣一定要將部件定位 在已知的位置上，但將部件定位在確定的位置上是有利的。在第二步104，用結構光系統(tǒng)掃 描部件。在某些實施例中，結構光系統(tǒng)按照預定的路徑來測量部件表面相對于結構光系統(tǒng) 的絕對位置。通常情況下，結構光攝像機包括只測量激光的濾光器。這可以通過濾出除了由 激光器產生的波長以外的所有波長來實施。移動該系統(tǒng)并進行重新定位以拍攝其余的部件 圖像，從而確保部件的整個表面被掃描。在步驟106，攝像機收集通過用激光掃描制品所產 生的信號。攝像機被配置成在掃描部件的同時在預定的位置進行光測量。在步驟108，把由 攝像機記錄的光數據提供給計算機進一步處理。以線檢測算法對在物體表面之上的每一單 獨的掃瞄確定坐標。另外，對計算機提供有關光源和光檢測器位置的數據。在步驟110，計 算機將用攝像機獲得的光數據與有關光源及攝像機位置的位置數據相關聯(lián)。在第六步112， 在已經掃描完部件的整個表面之后，對數據進行處理以得到掃描制品的三維圖像。在某些 實施例中，可以將該三維圖像與用織構攝像機獲得的圖像相關聯(lián)。在某些實施例中，CAD數據可供被分析的物體之用。在這些實施例中，可以把由結 構光系統(tǒng)產生的三維位置數據與CAD數據相對比，和/或用CAD數據覆蓋之。這可用作檢 驗制造過程的質量控制程序。在其它實施例中，可以用CAD數據覆蓋結構光數據以得到對 部件的確認。用結構光系統(tǒng)收集的數據可用于提供對應于物體三維結構的數據云?；谙?統(tǒng)所用的校準技術可以產生絕對數據云。然后可以把數據云導向CAD圖上面，從而得到結 構光數據與CAD數據之間的相關性。在某些實施例中，該裝置可以包括已知為織構攝像機的第二個攝像機。織構攝像 機通常獲取物體的圖像，并且可用于部件識別的目的。與結構光攝像機不同，不過濾織構攝 像機圖像以從圖像中刪除該物體。雖然結構光數據提供部件的虛擬表面，但織構攝像機可 以提供能夠與結構光配合使用的物體實際圖像。按此方式，結構光數據和CAD數據兩者均 可與由織構攝像機提供的可視圖像進行比較。另外，織構攝像機可以對操作員或者為備案 的目的提供被掃描部件的圖樣。優(yōu)選的是，在進行物體掃描之前校準結構光系統(tǒng)。校準是為確保與被掃描物體有 關的坐標數據的測量及準備精度所必要的。在某些實施例中，用結構光系統(tǒng)掃描具有已知 形狀的物體，收集數據并比較/校準結構光的測量，由此局部地(即相對于傾斜和樞軸裝 置)校準系統(tǒng)。本領域技術人員可以理解的是，掃描具有復雜形狀的部件可能需要進行多次掃描。在一個實施例中，掃描進行的方式是使掃描在部件的接縫或邊緣處搭接。在另一實施 例中，進行掃描。記錄結構光數據并與CAD數據或在先的類似掃描或相同部件的掃描進行比較可 有助于確保在最小搭接程度或在部件的臨界區(qū)搭接的情況下掃描100%的表面積。另外，記 錄功能容許掃描特征和/或缺陷并在多個部件之間進行比較。這樣可容許對存在問題的區(qū) 域進行分析并制訂解決方案以防止在將來出現(xiàn)缺陷。另外，數據存儲使得可以將經修理的 部件與“所構建的”數據集進行比較。對于具有復雜形狀的較小部件來說，可以使用包括釘和柱的工具臺為結構光系統(tǒng) 提供必要的對準記號。然而，使用工具臺作為被檢查部件的基座及支承體需要預先知道部 件的形狀以及部件的起始參考點。用在本文中的術語約和大約應解釋為包括與所列舉的數值相差在5%以內的任意 數值。此外，就數值范圍所用的術語約和大約應解釋為包括所列舉的范圍的上下兩端。雖然只就其中的一些實施例對本發(fā)明進行了展示或描述，但對本領域技術人員顯 而易見的是，本發(fā)明并不因此而受到限制，在不偏離本發(fā)明范圍的情況下很容易進行各種變化。
權利要求
1.一種分析制品的方法，包括以下步驟 將用于評價的制品定位；用光束掃描所述制品； 用攝像機檢測所述制品上的光束；執(zhí)行第一個計算機實施的流程以處理由所述攝像機從所述制品上檢測到的光；以及 執(zhí)行第二個計算機實施的流程以獲得有關所述制品形狀的三維數據； 其中所述制品的掃描和所述光束的檢測同時發(fā)生于掃描所述制品時。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述光具有已知的波長和模式。
3.根據權利要求1所述的方法，其中攝像機包括CCD圖象傳感器。
4.根據權利要求1所述的方法，其中掃描所述制品包括操作云臺(pan-and-tilt)單 元，所述云臺單元包括所述光束源和所述光檢測攝像機。
5.根據權利要求4所述的方法，其中第三個計算機實施的流程指示所述攝像機檢測預 選位置處的所述制品上的光束，所述第三個計算機實施的流程控制所述云臺單元。
6.根據權利要求5所述的方法，其中第三個計算機實施的流程記錄所述云臺單元的位 置，并將所述云臺單元的位置與有關所述制品形狀的三維數據相關聯(lián)。
7.根據權利要求1所述的方法，還包括在用所述光束掃描所述制品之前校準所述光源 和攝像機。
8.一種用于物體三維表示的裝置，其包括 光束源；光檢測攝像機；用于控制所述光束源和所述光檢測攝像機移動的裝置； 中央處理單元，和 移動控制系統(tǒng)；其中所述光束源與所述光檢測裝置彼此連接。
9.根據權利要求8所述的裝置，還包括鉸接的機械臂，所述機械臂包括所述光束源、光 檢測裝置和用于控制所述光束源和光檢測攝像機移動的裝置。
10.根據權利要求8所述的裝置，其中可操作所述光束源以將已知形狀和已知波長的 光圖案投射到所述物體上面。
11.根據權利要求8所述的裝置，其中所述光檢測裝置具有包括所述物體的反射圖案 的至少一部分的視域，其中可操作所述光檢測裝置以捕獲所述反射。
12.根據權利要求8所述的裝置，其中用于控制所述光束源和所述光檢測攝像機移動 的裝置包括云臺單元。
13.根據權利要求8所述的裝置，其中所述中央處理單元還包括用戶界面，其中可操作 所述中央處理單元以對用于控制所述光束源和光檢測攝像機移動的裝置進行控制。
14.根據權利要求13所述的裝置，其中所述中央處理單元被配置成記錄來自所述光檢 測裝置的信息。
15.根據權利要求8所述的裝置，其中所述中央處理單元被配置成處理由所述光檢測 裝置記錄的信息。
16.根據權利要求8所述的裝置，其中由所述物體攔截所述光束產生所述物體的結構光表面信息。
17.根據權利要求8所述的裝置，其中所述中央處理單元被配置成利用由所述攝像機 獲得的信息產生所述物體的三維表示。
全文摘要
一種用于分析復合材料的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明提供用于測量復合制品形狀和位置的改進技術，包括利用結構光提高掃描速率。
文檔編號G01B11/25GK102084214SQ200980125791
公開日2011年6月1日 申請日期2009年5月14日 優(yōu)先權日2008年5月16日
發(fā)明者戴維·L·凱澤, 托·X·杜, 托馬斯·E·小德雷克, 肯尼思·R·姚恩, 馬克·A·奧斯特坎普, 馬克·杜波依斯 申請人:洛伊馬汀公司