用于扫描对象的移动飞行器和用于对象的损坏分析的系统的制作方法

难以接近的技术对象、诸如飞机机身或船身或风力发电设施的转子叶片的检查通常被证明是非常耗费的。在船身的情况下，在较大的损坏的情况下，需要在船坞中的较长时间的停留，因为损坏分析通常以损坏几何形状的精确认识为前提。在风力发电设施的情况下，为了转子叶片的视觉检查，最近使用基于摄像机的无人机系统。但是，这样的视觉检查通常不足够精确用于以所需的确定性来识别或排除损坏。在有疑问的情况下，通常应以大的耗费拆卸转子叶片，以便在地面执行损坏几何形状的精确测量。这样的拆卸通常是非常成本密集的并且此外造成风力发电设施的暂时故障。

技术实现要素：

本发明的任务是，说明如下设备，借助所述设备可以更精确地检测尤其大的对象的状态或损坏。

所述任务通过一种具有专利权利要求1的特征的移动飞行器以及一种具有专利权利要求7的特征的系统来解决。

根据本发明的第一方面，设置一种用于扫描对象的移动飞行器。所述移动飞行器包括直升机无人机，通过能主动旋转的活节在所述直升机无人机上装配3d扫描仪。所述3d扫描仪具有至少一个高分辨率的摄像机用于从不同的记录位置和记录方向记录所述对象的多个重叠的图像，从而通过所述图像的比较能确定所述3d扫描仪相对于所述对象的位置和定向。此外，根据本发明的移动飞行器具有协调装置，用于以协调的方式来控制所述3d扫描仪、所述活节和所述直升机无人机。

根据本发明的另一方面，设置一种用于对象的损坏分析的系统。所述系统具有根据本发明的移动飞行器以及具有图像处理模块用于根据所记录的图像生成所述对象的表面轮廓的数据表示。此外，所述系统包括评价装置，用于检验所述表面轮廓以及用于根据所述检验输出损坏说明。所述检验可以例如通过所述表面轮廓与预给定的额定轮廓的比较来进行。

配备有3d扫描仪的直升机无人机的利用就以下方面是有利的：即直升机无人机通常能够悬停飞行并且也可以向后或向侧面飞行。这也允许大的对象、诸如风力发电设施的转子的精确的和完整的扫描，而无需耗费的拆卸。通过使用3d扫描仪可以非常精确地测量大的对象的表面并且创建精确的适合于损坏分析的几何模型。

本发明的有利的实施方式和扩展方案在从属权利要求中说明。

根据一种有利的实施方式，所述3d扫描仪可以是移动3d扫描系统，所述3d扫描系统具有多个在空间上错开的摄像机。3d扫描技术尤其可以被用于手持式3d扫描仪，例如借助白光/蓝光/闪光灯技术。当前可得到的移动3d扫描系统即使在适度的运动波动的情况下也可以达到毫米的分数的扫描精度，例如约1/30mm。这样的移动3d扫描系统允许也在通过直升机无人机运输的情况下的精确扫描，其中所述直升机无人机自然地经受通过阵风引起的一定的运动波动。

优选地，所述3d扫描仪可以具有投影仪用于投影经结构化的光到所述对象上。所述至少一个摄像机相应地被设计用于，分辨投影到所述对象上的光结构。投影到所述对象上的光结构的检测通常大大改善对三维的表面轮廓的检测。

根据本发明的一种有利的扩展方案，移动飞行器可以具有标记装置，所述标记装置，用于光学标记所述对象的表面的特定点。这样的标记例如可以通过喷上颜色到对象上来进行。这样的标记尤其可以在具有小的自身的视觉结构化的位置上大大改善三维的表面轮廓的检测。

此外，协调装置可以设置用于，根据所记录的图像来确定所述移动飞行器相对于所述对象的位置和/或定向并且据此将飞行指令传送给所述直升机无人机、将旋转指令传送给所述活节、将扫描指令传送给所述3d扫描仪、将记录指令传送给所述至少一个摄像机和/或将标记指令传送给所述标记装置。通过这种方式，可以通过合适的飞行指令来自主地或半自主地调节和/或稳定化移动飞行器和/或3d扫描仪相对于对象的位置、定向和/或优选的间距。此外，可以通过给活节的合适的旋转指令来自主地或半自主地调节和/或稳定化3d扫描仪的取向。由此，尤其可以以经协调的、自主的或半自主的方式来补偿移动飞行器的位置波动。此外，可以自主地或半自主地识别、接近和扫描对象的还未扫描的部分。这尤其使经移动的对象的扫描变得容易。

此外，移动飞行器可以具有待由所述直升机无人机和所述3d扫描仪共同利用的电池。电池的共同利用相比分开的电池利用在以下方面是有利的：可以避免，当另一电池还可能有能量储备的情况下，第一电池是空的并且因此可能结束任务。

按照根据本发明的用于损坏分析的系统的一种有利的实施方式，图像处理模块可以设置用于，在不同的重叠的图像中在所述重叠区域中检测共同的图像模式，关于所述共同的图像模式来将不同的图像相互分配，并且根据被相互分配的图像来确定跨图像的表面轮廓。尤其可以检测所述对象表面的几何结构和/或纹理和/或投影到所述对象上的光结构作为图像模式。对不同的图像的这样的符合图像模式的分配以及组合成跨图像的表面轮廓通常也称作“stitching（拼接）”。

根据本发明的一种有利的扩展方案，根据本发明的系统可以具有模拟装置，所述模拟装置用于根据所述表面轮廓模拟所述对象的静态的和/或动态的行为。所述评价装置于是可以设置用于，将所模拟的行为与所述对象的预给定的额定行为进行比较并且根据比较结果输出损坏说明。该模拟在此例如可以借助数值上的有限元方法来执行。模拟装置尤其可以设置用于，根据所述表面轮廓生成所述对象的体积模型并且根据所述体积模型模拟所述行为。借助该模拟，表面轮廓可以自动地在其对对象的功能的影响方面被检验。这使得自动的损坏评价显著变得容易。

附图说明

下面根据附图详细阐述本发明的实施例。在此，分别以示意图的方式：

图1a示出根据本发明的移动飞行器的前视图；

图1b示出根据本发明的移动飞行器的底面图；以及

图2示出根据本发明的用于对象的损坏分析的系统的框图。

具体实施方式

图1a和1b分别以示意图示出根据本发明的用于扫描对象的移动飞行器fm。图1a示出移动飞行器fm的前视图，而图1b示出同一移动飞行器fm的底面图。

移动飞行器fm包括能交互地远程控制的直升机无人机，通过能主动旋转的活节g在所述直升机无人机上装配3d扫描仪sc。直升机无人机示例性地具有四个上升力单元ae，所述上升力单元分别具有电动机，通过电动机驱动垂直作用的螺旋桨。替代地，也可以使用具有其他数目的上升力单元的直升机无人机，例如具有八个上升力单元的所谓的八旋翼无人机。直升机无人机此外具有四个支撑腿sb。

例如借助白光/蓝光/闪光灯技术来使用高度精确的移动3d扫描系统作为3d扫描仪sc。这样的移动3d扫描系统是最近才可用的并且通常应用在手持式3d扫描仪中。所述移动3d扫描系统也可以在适度的运动波动的情况下达到约1/30mm的扫描精度，这处于多个高度精确地制造的部件的绘图公差内。此外，移动3d扫描仪可以重量小于一千克并且在其最大的尺寸方面保持30cm以下。这样的紧凑的结构型式首先一般来说实现通过直升机无人机的运输。这样的3d扫描仪的扫描间距可以达到约一米，从而通常不难避免移动飞行器fm与待扫描的对象的碰撞。直升机无人机的通过阵风引起的在空间上的偏移可以借助合乎时代的移动3d扫描技术来校正，因为不仅可以使用所扫描的对象的几何形状信息与纹理信息而且可以使用经结构化的光的投影，用于将扫描区段合并在一起。移动3d扫描仪可以以三角测量法的形式，例如以所谓的stl格式输出所扫描的对象的表面的精确的几何形状描述。

活节g具有水平的和垂直的旋转轴线，所述旋转轴线分别能通过电动机旋转。由此，可以使3d扫描仪sc不仅绕水平的无人机轴线而且可以绕垂直的无人机轴线旋转，从而通过活节g的合适的操控也可以从上方扫描对象。

3d扫描仪sc包括多个高分辨率的（仅仅在1a中示出的）摄像机c。在该实施例中，3d扫描仪sc具有三个在空间上错开的高分辨率的摄像机c，所述摄像机具有不同的视向用于从不同的记录位置和记录方向记录待扫描的对象的多个重叠的图像。摄像机c具有如此高的分辨率，使得可以达到毫米的分数的扫描精度，例如约1/30mm，并且通过在不同的图像中包含的图像模式的识别和比较能够实现3d扫描仪sc相对于待扫描的对象的表面的位置和定向。

此外，3d扫描仪sc具有（仅仅在图1a中示出的）投影仪p用于投影经结构化的光到待扫描的对象上。投影仪p在本实施例中环形地布置在这三个摄像机c其中的中间的摄像机的周围。

此外，移动飞行器fm具有控制装置ctl，用于控制移动飞行器fm。为了保护免受降水和其他的天气影响，以壳体来包围控制装置ctl。

图2示出根据本发明的用于对象obj的损坏分析的系统的框图。该系统包括根据本发明的移动飞行器fm、远程控制装置rc以及分析装置an。移动飞行器fm如与图1a和1b相关联所描述的那样实施，并且用于对象obj的扫描和损坏分析。待分析的对象obj例如可以是风力发电设施的转子叶片。

移动飞行器fm包括直升机无人机hd，所述直升机无人机具有可再充电的电池bat，通过所述电池给直升机无人机的驱动装置供给能量。如在上面已经讲述的那样，在直升机无人机hd上通过活节g装配3d扫描仪sc。3d扫描仪sc和活节g如与图1a和1b相关联所描述的那样实施。

此外，移动飞行器fm具有标记装置m、存储器mem、无线的发送接收装置tx/rx以及具有控制装置ctl。通过电池bat给3d扫描仪sc以及控制装置ctl供给能量。电池bat的共同利用相比分开的电池的利用在以下方面是有利的：可以避免，当另一电池还可能有能量储备的情况下，第一电池是空的并且将因此结束任务。这尤其适用，因为直升机无人机hd和3d扫描仪sc通常相互独立地分别具有强烈波动的能量需求。

如在图2中通过点状的双向箭头示出的那样，3d扫描仪sc将经结构化的光投影到待分析的对象obj上并且同时通过摄像机c从不同的记录位置和记录方向记录对象obj的重叠的高分辨率的多个重叠的图像img。图像img尤其在空间上和在时间上错开地被记录。所记录的图像img通过3d扫描仪sc首先存储在存储器mem中，以便降低用于与远程控制装置rc或必要时与分析装置an的无线电通信的所需的带宽。

所述标记装置m用于光学标记所述对象obj的表面的特定点。因此，例如可以在对象obj的表面的特定地预给定的和/或暴露的位置上和/或在具有小的视觉结构化的位置上施加标记，例如通过喷上颜色。

发送接收装置tx/rx用于远程控制移动飞行器fm以及用于传输所记录的图像。优选地，由3d扫描仪sc所记录的高分辨率的图像img以减小的分辨率被传输或为此目的所设置的摄像机的较低分辨率的图像被传输，以便降低所需要的无线电传输带宽。优选地如此选择待传输的图像的分辨率，使得根据所传输的图像通过移动飞行器fm的操作者还能安全地远程控制移动飞行器fm。

远程控制装置rc相应地用于通过操作者来交互地远程控制移动飞行器fm并且用于接收以及显示所传输的图像。

控制装置ctl包括协调装置co，所述协调装置用于以协调的方式控制所述3d扫描仪sc、所述活节g和所述直升机无人机hd以及标记装置m。该协调尤其根据所记录的图像img来进行，为此目的，所述所记录的图像由3d扫描仪sc传送至协调装置co。根据所记录的图像img，协调装置co确定所述移动飞行器fm相对于所述对象obj的位置和定向。然后，据此，通过协调装置co以协调的方式将飞行指令fa传送给所述直升机无人机hd、将特定的用于活节g的旋转轴线的特定的旋转指令传送给所述活节g、将扫描指令sa传送给所述3d扫描仪sc和/或将标记指令ma传送给标记装置m。扫描指令sa在此可以包括给相应的摄像机c的记录指令。

分析装置an评估所记录的高分辨率的图像img，以便执行损坏分析。分析装置an可以实施为单独的系统或者完全地或部分地集成到移动飞行器fm或远程控制装置rc中。分析装置an包括一个或多个处理器proc，用于实施所有分析步骤。

为了实施损坏分析，从存储器mem读取所记录的高分辨率的图像img并且将所述图像传送给分析装置an的图像处理模块ip。通过图像处理模块ip根据所记录的图像img生成所扫描的对象obj的表面轮廓obv的数据表示。数据表示优选地在三维空间中描述对象obj的二维表面的轮廓，例如以三角测量法的形式。

这样的三角测量法尤其可以以所谓的stl格式表示。

为了生成表面轮廓obv，图像处理模块ip尝试借助模式识别方法在重叠的图像img中的不同图像中在重叠区域中识别和检测共同的图像模式。在此，尤其可以检测所述对象表面的几何结构和/或纹理和/或投影到所述对象obj上的光结构或施加到光结构上的标记作为图像模式。如果在不同的图像中识别共同的图像模式，则可以关于所述共同的图像模式来将不同图像相互分配，从而成像保真地（abbildungstreu）将这些图像的图像模式成像到彼此上。然后，可以根据被相互分配的图像来确定跨图像的表面轮廓。这样的以成像保真的方式或符合图像模式的方式来对不同图像的分配以及组合成跨图像的表面轮廓通常也称作“stitching（拼接）”。

根据被相互分配的图像也可以确定3d扫描仪sc相对于对象obj的位置和定向。

图像处理模块ip可以独立于分析装置an的其他组件单独地被集成在移动飞行器fm中或3d扫描仪sc中。这允许在移动飞行器fm中或3d扫描仪sc中预处理高分辨率的图像img。

图像处理模块ip传送表面轮廓obv的所生成的数据表示至模拟装置sim，用于根据表面轮廓obv来模拟对象obj的动态的或静态的行为v。在此，通过模拟装置sim根据表面轮廓obv首先生成对象obj的体积模型vm并且最终根据体积模型vm来模拟行为v。借助模拟可以自动地评价损坏的结构和流体力学的影响并且因此自动评价损坏的严重性。

所模拟的行为v以合适的数据表示的形式被从模拟模块sim传送至分析装置an的评价装置ev。此外，通过评价装置ev读取对象obj的预给定的额定行为sv。然后，后者将所模拟的行为v与预给定的额定行为sv进行比较并且根据比较结果输出损坏说明dam。在此，可以预给定用于在额定行为sv和所模拟的行为v之间的偏差的间距度量，该间距度量被与阈值比较。在超出阈值的情况下，那么可以通过相应的损坏说明dam来显示现有的或即将来临的损坏。基于此可以决定，是否应更换所涉及的部件。

通过模拟以及所模拟的行为v与额定行为sv的比较，表面轮廓obv在其对对象obj的功能的影响方面被检验。替代地或附加地，也可以将表面轮廓obv直接与预给定的额定轮廓进行比较，以便据此输出损坏说明dam。

借助本发明也可以在现场无耗费地拆卸的情况下检查例如风力发电设施的、船的或飞机的难以接近的部件。基于可见的损坏的影响的模拟，在许多情况下可以立即决定，损坏是否可接受。