结构光系统用于光学形状和位置测量的精确图象获取的制作方法

专利名称：结构光系统用于光学形状和位置测量的精确图象获取的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及测量复合材料的非破坏性技术领域。更具体地说，本发明涉及测 量三维复合材料制品的改进技术。
背景技术：
近年来，在航空航天等行业中，复合材料的使用不断增长。复合材料使性能显著提 高，然而它们制造困难，因此在制造过程中需要严格的质量控制程序。此外，复合材料本身 良好地适合于制造具有不规则形状的部件。已经开发出非破坏性评价(“NDE”)技术，作为 鉴定复合结构中的缺陷的方法，例如用于检测夹杂物、分层及孔隙度。常规的NDE方法通常 实施缓慢、劳动密集，成本高昂。因此，测试程序不利地增加了与复合结构相关的制造成本。对于具有不规则表面的部件来说，优选使测量数据与位置性的三维数据相关联。 对于这些部件来说，确定部件的形状对将测量与部件上的位置相关联是关键的。现有技术 中扫描具有不规则形状的复合材料部件的方法要求将被扫描的部件定位在台面上并固定 于已知的位置，从而提供用于扫描的起始参考点。对于大的和/或不规则形状的物体来说， 定位部件所需的台面或其它装置是昂贵的，并且经常是只针对一种部件。根据现有技术的方法，扫描复杂形状的部件以确定所述部件的三维形状需要从若 干不同的位置或角度进行多次扫描。这些扫描在确定物体的三维形状时经常是缓慢的。因 此需要能够快速获取三维位置数据的方法及装置。

发明内容
本发明提供用于确定物体三维形状的非接触方法及装置。在本发明的一个方面中描述分析制品和提供三维结构的方法。该方法包括以下 步骤(a)定位用于评价的制品；(b)用光束扫描该制品；(c)用摄像机检测该制品上的光 束；(d)执行第一个计算机实施的流程以捕获并处理由摄像机从该制品上检测到的光；以 及(e)执行第二个计算机实施的流程以获得有关该制品形状的三维数据，其中制品的扫描 和光束的检测同时发生于扫描制品时。在某些实施例中，所述光具有已知的波长和模式。在某些实施例中，所述摄像机包 括CCD图象传感器。在某些实施例中，扫描所述制品包括操作云台(pan-and-tilt)单元， 其中所述云台单元包括光束源和光检测摄像机。在某些实施例中，第三个计算机实施的流 程指示摄像机检测预选位置处的制品上的光束，其中该第三个计算机实施的流程控制云台 单元。在某些实施例中，第三个计算机实施的流程记录云台单元的位置，并且将云台单元的 位置与有关该制品形状的三维数据相关联。在某些实施例中，所述方法还包括在用光束扫 描该制品之前校准光源和摄像机。在另一方面提供一种用于测量物体三维表示的装置。该装置包括光束源；光检 测摄像机；用于控制光束源和光检测摄像机移动的装置；中央处理单元；和移动控制系统； 其中光束源与光检测装置彼此连接。
在某些实施例中，该装置还包括铰接的机械臂，所述机械臂包括光束源、光检测装 置和用于控制光束源和光检测摄像机移动的装置。在某些实施例中，用于控制光束源和光 检测摄像机移动的装置包括云台单元。在某些实施例中，该装置还包括中央处理单元和用 户界面，其中可操作中央处理单元以对用于控制光束源和光检测摄像机移动的装置进行控 制。在某些实施例中，中央处理单元被配置成记录来自光检测装置的信息。在某些实施例 中，中央处理单元被配置成处理由光检测装置记录的信息。在某些实施例中，中央处理单元 被配置成利用由摄像机获得的信息产生物体的三维表示。


图1提供根据本发明的一个实施例的逻辑流程图。
具体实施例方式本发明包括许多不同形式的实施例。具体的实施例有详细的描述并显示于附图 中，并且需要理解的是，所公开的内容应被视为是本发明原则的例证，并不是为了将本发明 限制于本文中示出和描述的那些实施例。要充分认识到，为了产生所需的结果，可以单独运 用或者任意合适地组合运用本文中论述的实施例的各种教导内容。本领域技术人员经阅读 以下对实施例的详细说明并参考附图后，如上所述的各种特性以及下面更详细描述的其它 特征及特性将是显而易见的。本文中所述的是用于确定制品的形状及三维坐标的非接触方法及装置。在已经确 定了制品的三维尺寸后，可以对部件进行扫描，并且可以将物理及光谱数据与制品上的具 体位置相关联。结构光是用于对三维复合材料进行绘图的示例性非接触技术，其涉及按已知的角 度将光图案(例如，平面、栅格或其它更复杂的形状)投射到物体上面。这种技术适用于 对各种形状的物体进行成像和获取维度信息。通常情况下，通过将光束扇形展开或散射成 片光而产生光图案。一种示例性光源是激光。当该片光与物体相交时，在物体表面上可以 看到亮光。按某种角度观察光线，通常以不同于入射光角度的检测角进行观察，由此可以把 光线的畸变转换为被观察的物体上的高度变化。可以合并多次扫描的图样(常称为画张 (pose))，从而得到整个物体的形状。用光扫描物体可以提供有关该物体形状的三维信息。 这有时被称为主动式三角测量。因为结构光可用于确定物体的形状，所以它还可有助于对环境中的物体进行识别 和定位。这些特征使结构光成为一种适用于实施过程控制或质量控制的装配线的技术。可 以扫描物体以得到制品的形状，然后可将其与存档的数据进行对比。这一优点可使装配线 能够进一步自动化，从而普遍降低总成本。可以用诸如摄像机等光检测装置观察投射到物体上面的光束。示例的光检测装置 包括CCD摄像机等。可以使用多种不同的光源作为扫描源，但激光是优选的，因为它具有精 确性和可靠性。结构光射束源把光图案投射到被扫描的物体上，检查测试体上的图案变形，所述 变形对应于物体的表面变化。图案可以是一维或二维的。一维图案的一个例子是线。采用 LCD投射仪或扫描激光器将该线投射到测试体上面。诸如摄像机之类的检测装置检查该线的形状并利用类似于三角测量的技术来计算该线上的每个点的距离。在单线图案的情况 下，使该线一次一条扫过视域以收集距离信息。结构光三维扫描仪的一个优点在于扫描速度。不是一次扫描一个点，某些结构光 扫描仪能够一次扫描许多点或全部的视域。这样减少或消除了扫描移动带来的变形问题。 一些现有的系统能够实时扫描正在移动的物体。在某些实施例中，结构光系统的检测摄像机包括设计成使只对应于指定波长(如 扫描激光器的波长)的光通过的滤光器。可操作检测摄像机以检测和记录光图象，并利用 各种算法确定对应于图像的坐标值。在某些实施例中，激光器和检测摄像机从不同的角度 观察物体。在某些实施例中，结构光系统还可以包括已知为织构摄像机的第二摄像机，可对 其进行操作以得到物体的完整图像。在一优选的实施例中确定了扫描部件的最佳方式，包括优化(即最小化)每次完 全扫描所需的图样或“画张”的数目，从而有效地使重叠扫描最少化，并且还使对重新进行 后续扫描或进行补充扫描的要求最低化。在某些实施例中，可以根据测量的数据优化画张 的数目。在某些其它的实施例中，可以考虑到原有的CAD数据优化画张的数目。还在其它 实施例中，可以在扫描物体之前分析CAD数据以进行编程，并使对给定待扫描制品或部件 所必要的扫描次数最少化。在某些实施例中，结构光系统提供一系列的数据点，从而产生对应于物体形状和 被扫描部件的具体图样的点云。然后可以合并每一图样或画张的点云以组建整个部件的复 合点云。然后可以将单个点云数据转换成具体的单元坐标系统。一旦各部件的所有测量的画张均已组件而得到整个部件的复合点云，并且已经确 定了部件的相对坐标，于是可以记录对应于该部件的数据集。记录对应于部件的数据集得 到该部件的全套坐标点，并允许空间中的数据操作，从而使得在过后的扫描中容易识别出 相同的部件。一旦已经记录了部件，则通过进行后续扫描与先前扫描的对比或由已经确认 的CAD数据可更容易地识别和确认类似的部件。可以收集记录的扫描以得到数据库。在一方面，本发明提供一种用于获取制品的三维位置数据的自动化非破坏性技术 及装置。示例的结构光装置实施例包括至少一个光源和至少一个用于检测光的光学装置。 在某些实施例中，该光学装置可以包括光学扫描仪、摄像机、CCD阵列等。在一优选的实施例中，结构光系统可以包括用于提供结构光信号的激光器，可选 的用于得到被扫描物体全景图像的织构摄像机和具有CCD阵列的结构光摄像机。在某些实 施例中，结构光摄像机可以包括设计成能对除了由激光器产生的光的波长以外的任意波长 的光进行滤光的滤光器。在某些实施例中，该系统可连接于铰接的机械臂，所述铰接的机械臂具有绕所述 臂的转动轴。在某些实施例中，该系统可以包括将结构光系统连接于机械臂的云台单元。 该云台单元使得能够在机械臂保持固定的同时扫描部件。机械臂优选包括使系统能了解臂 和连接的摄像机及光源位置的传感器，从而提供自感型绝对定位系统，并且不需要对参考 工具台上的被扫描部件进行定位。另外，自感型机械系统适合于扫描可能大到难以在工具 台上分析的大物体。该系统可与计算机连接，所述计算机包括可操作控制各摄像机和收集 数据的软件。在某些实施例中，该系统可以是固定的系统在某些其它的实施例中，该系统可连接于线形导轨。在某些其它的实施例中，可以把该系统安装在活动的基座或运载工具上。 运载工具可有利地用于将该系统运送至不同的位置，以及用于评价诸如飞机之类的大型物 体。在某些实施例中，用于移动结构光系统的装置(包括铰接的机械臂或其它用于移 动该臂的装置)还可以包括防止在一般区域(例如台面等)上与物体发生碰撞的装置。可 以通过多种方式避免碰撞，包括把所有安装对象和物体的位置预先确定到机械臂的控制系 统里，或者通过使用放置在检查制品或部件的一般区域中的物体上的各种传感器。优选的 是，禁止用于移动结构光装置的装置占用由被扫描部件占据的空间。现在参考图1，提供的是扫描部件以获得位置数据的示例方法的步骤。在第一步 102中，在预先确定的位置上定位用结构光系统进行扫描的部件。所述系统包括校准的结构 光系统和机械定位系统。一般来说，不一定如现有技术中所必须的那样一定要将部件定位 在已知的位置上，但将部件定位在确定的位置上是有利的。在第二步104，用结构光系统扫 描部件。在某些实施例中，结构光系统按照预定的路径来测量部件表面相对于结构光系统 的绝对位置。通常情况下，结构光摄像机包括只测量激光的滤光器。这可以通过滤出除了由 激光器产生的波长以外的所有波长来实施。移动该系统并进行重新定位以拍摄其余的部件 图像，从而确保部件的整个表面被扫描。在步骤106，摄像机收集通过用激光扫描制品所产 生的信号。摄像机被配置成在扫描部件的同时在预定的位置进行光测量。在步骤108，把由 摄像机记录的光数据提供给计算机进一步处理。以线检测算法对在物体表面之上的每一单 独的扫瞄确定坐标。另外，对计算机提供有关光源和光检测器位置的数据。在步骤110，计 算机将用摄像机获得的光数据与有关光源及摄像机位置的位置数据相关联。在第六步112， 在已经扫描完部件的整个表面之后，对数据进行处理以得到扫描制品的三维图像。在某些 实施例中，可以将该三维图像与用织构摄像机获得的图像相关联。在某些实施例中，CAD数据可供被分析的物体之用。在这些实施例中，可以把由结 构光系统产生的三维位置数据与CAD数据相对比，和/或用CAD数据覆盖之。这可用作检 验制造过程的质量控制程序。在其它实施例中，可以用CAD数据覆盖结构光数据以得到对 部件的确认。用结构光系统收集的数据可用于提供对应于物体三维结构的数据云。基于系 统所用的校准技术可以产生绝对数据云。然后可以把数据云导向CAD图上面，从而得到结 构光数据与CAD数据之间的相关性。在某些实施例中，该装置可以包括已知为织构摄像机的第二个摄像机。织构摄像 机通常获取物体的图像，并且可用于部件识别的目的。与结构光摄像机不同，不过滤织构摄 像机图像以从图像中删除该物体。虽然结构光数据提供部件的虚拟表面，但织构摄像机可 以提供能够与结构光配合使用的物体实际图像。按此方式，结构光数据和CAD数据两者均 可与由织构摄像机提供的可视图像进行比较。另外，织构摄像机可以对操作员或者为备案 的目的提供被扫描部件的图样。优选的是，在进行物体扫描之前校准结构光系统。校准是为确保与被扫描物体有 关的坐标数据的测量及准备精度所必要的。在某些实施例中，用结构光系统扫描具有已知 形状的物体，收集数据并比较/校准结构光的测量，由此局部地(即相对于倾斜和枢轴装 置)校准系统。本领域技术人员可以理解的是，扫描具有复杂形状的部件可能需要进行多次扫描。在一个实施例中，扫描进行的方式是使扫描在部件的接缝或边缘处搭接。在另一实施 例中，进行扫描。记录结构光数据并与CAD数据或在先的类似扫描或相同部件的扫描进行比较可 有助于确保在最小搭接程度或在部件的临界区搭接的情况下扫描100%的表面积。另外，记 录功能容许扫描特征和/或缺陷并在多个部件之间进行比较。这样可容许对存在问题的区 域进行分析并制订解决方案以防止在将来出现缺陷。另外，数据存储使得可以将经修理的 部件与“所构建的”数据集进行比较。对于具有复杂形状的较小部件来说，可以使用包括钉和柱的工具台为结构光系统 提供必要的对准记号。然而，使用工具台作为被检查部件的基座及支承体需要预先知道部 件的形状以及部件的起始参考点。用在本文中的术语约和大约应解释为包括与所列举的数值相差在5%以内的任意 数值。此外，就数值范围所用的术语约和大约应解释为包括所列举的范围的上下两端。虽然只就其中的一些实施例对本发明进行了展示或描述，但对本领域技术人员显 而易见的是，本发明并不因此而受到限制，在不偏离本发明范围的情况下很容易进行各种变化。
权利要求
1.一种分析制品的方法，包括以下步骤 将用于评价的制品定位；用光束扫描所述制品； 用摄像机检测所述制品上的光束；执行第一个计算机实施的流程以处理由所述摄像机从所述制品上检测到的光；以及 执行第二个计算机实施的流程以获得有关所述制品形状的三维数据； 其中所述制品的扫描和所述光束的检测同时发生于扫描所述制品时。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述光具有已知的波长和模式。
3.根据权利要求1所述的方法，其中摄像机包括CCD图象传感器。
4.根据权利要求1所述的方法，其中扫描所述制品包括操作云台(pan-and-tilt)单 元，所述云台单元包括所述光束源和所述光检测摄像机。
5.根据权利要求4所述的方法，其中第三个计算机实施的流程指示所述摄像机检测预 选位置处的所述制品上的光束，所述第三个计算机实施的流程控制所述云台单元。
6.根据权利要求5所述的方法，其中第三个计算机实施的流程记录所述云台单元的位 置，并将所述云台单元的位置与有关所述制品形状的三维数据相关联。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括在用所述光束扫描所述制品之前校准所述光源 和摄像机。
8.一种用于物体三维表示的装置，其包括 光束源；光检测摄像机；用于控制所述光束源和所述光检测摄像机移动的装置； 中央处理单元，和 移动控制系统；其中所述光束源与所述光检测装置彼此连接。
9.根据权利要求8所述的装置，还包括铰接的机械臂，所述机械臂包括所述光束源、光 检测装置和用于控制所述光束源和光检测摄像机移动的装置。
10.根据权利要求8所述的装置，其中可操作所述光束源以将已知形状和已知波长的 光图案投射到所述物体上面。
11.根据权利要求8所述的装置，其中所述光检测装置具有包括所述物体的反射图案 的至少一部分的视域，其中可操作所述光检测装置以捕获所述反射。
12.根据权利要求8所述的装置，其中用于控制所述光束源和所述光检测摄像机移动 的装置包括云台单元。
13.根据权利要求8所述的装置，其中所述中央处理单元还包括用户界面，其中可操作 所述中央处理单元以对用于控制所述光束源和光检测摄像机移动的装置进行控制。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述中央处理单元被配置成记录来自所述光检 测装置的信息。
15.根据权利要求8所述的装置，其中所述中央处理单元被配置成处理由所述光检测 装置记录的信息。
16.根据权利要求8所述的装置，其中由所述物体拦截所述光束产生所述物体的结构光表面信息。
17.根据权利要求8所述的装置，其中所述中央处理单元被配置成利用由所述摄像机 获得的信息产生所述物体的三维表示。
全文摘要
一种用于分析复合材料的系统和方法。本发明提供用于测量复合制品形状和位置的改进技术，包括利用结构光提高扫描速率。
文档编号G01B11/25GK102084214SQ200980125791
公开日2011年6月1日 申请日期2009年5月14日 优先权日2008年5月16日
发明者戴维·L·凯泽, 托·X·杜, 托马斯·E·小德雷克, 肯尼思·R·姚恩, 马克·A·奥斯特坎普, 马克·杜波依斯 申请人:洛伊马汀公司