专利名称：使用参考的体积分析传感器的物体检查的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及用体积分析传感器检查物体的定量非破坏性评估和试验的领域。·
背景技术：
非破坏性试验(NDT)和定量非破坏性评估(NDE)在过去20年间取得了巨大的发展，尤其是在新的感应系统和专门为物体检查而研发的程序中。防御与核能工业在NDT和NDE的出现中扮演了主要角色。在汽车制造业中看到的产品发展的不断增加的全球竞争也扮演了重要角色。同时，老化的基础设施，例如道路、桥梁、铁路或电厂，提出了新一轮的测量和监测挑战。测量系统已经改善并且研发了新的系统来进行表面下的测量或更普遍的体积测量。这些系统具有各种传感器形式，例如X射线、红外热成象法、涡电流和超声，这些是特性或裂缝的内体积测量形式的实例。此外，在过去数十年间，还研发了三维的非接触范围扫描器。那种类型的范围扫描器使检查物体外表面以评估其与参考模型的符合度或描绘一些裂缝成为可能。在更近的发展中，研发能够在物体截面上同时收集一组几个测量的紧凑传感器是非常重要的。为了在共同的坐标系中自动地配准测量的全部组，这些传感器安装在自动的机械臂或自动化系统上，以提供系统的位置和方向。即使在解决了准确性问题之后，仍然必须在固定的产业或实验室环境内对物体进行检查。此行业中一项当前挑战是使参考的检查系统便于携带，从而进行现场的物体检查。已研发便携式超声系统用于各行业，例如，油气、航空和发电，以及其他行业。例如，在油气行业，系统地运用对管道、焊接点、管线、地上储罐和许多其他物体的检查。这些物体通常交给NDE来检测各种特征，例如它们的表面材料的厚度。通常，超声换能器(探测器)连接到诊断机器并且在被检查的物体上方穿过。例如，检查被腐蚀的管道将需要在物体上方的多个传感器位置收集几个厚度测量。这些便携式超声系统需要解决的第一个难题是在共同的坐标系中将在不同的传感器位置收集的测量进行整合。具有安装在超声传感器上的集成编码器的轮允许人们在短距离上测量相对位移。使用这样的设备，可以沿着管道表面收集并且局部化厚度测量。这种类型的系统只测量沿着一条轴的相对位移并且迫使物体与轮之间进行不间断的接触。此夕卜，任何滑动都将影响所估计的位移。可使用机械定位器来沿着两条轴获取探测位置，以执行光栅扫描并且因此获得物体表面测量的2D参数表示。将扫描器固定到所检查的物体在人体工程、多功能性以及可用性方面出现了挑战。这些限制可通过使用具有编码器的机械臂来克服；这种装置在安装在其末端处的装置与相对于其基底的其自身的整体参考集之间测量6自由度(6D0F)。事先，必须校准超声传感器的坐标系与所述臂末端的坐标系之间的空间关系。这种类型的定位装置使得在工作体积上方任意地移动超声探测器成为可能。此夕卜，这种类型的定位装置是可运输的。尽管这些便携式超声系统的分辨率和准确度对于大多数的应用是可接受的，但是一个限制是球形工作体积的大小，直径通常小于2到4m，所述限制是由机械臂的长度施加的。可以运用跳步法(leapfrogging)来扩展体积。在所述臂的末端使用机械接触探测器，必须探测角落或球等物理特征以界定临时局部物体坐标系，所述临时局部物体坐标系将可以从机械臂的下一个位置测量(观察)。在用接触探测器完成这些测量之后，随后将机械臂移位到新位置，所述新位置使机械臂能够到达物体的新截面，并且随后将该臂安装在新位置。在下一步骤中，从新位置，将再一次探测相同的物理特征并且计算这些特征之间的空间关系，从而限定局部坐标系以及臂基底的新位置。最后，通过将限定这个新空间关系的变换和先前经探测的特征与臂基底的先前位置之间的先前变换进行链接，可以将所有测量的数据从一个坐标系变换到另一个坐标系。由于此操作必须使用能减少总准确度的额外人工程 序，所以跳步法应尽可能少用。此外，使用机械臂是相对麻烦的。对于较大的工作体积，可以在工业设置中使用位置跟踪器，或经改进的跟踪器可以使用6D0F提供传感器的位置和方位两者。这种类型的系统装置是昂贵的并且在跟踪时对于光线遮蔽是敏感的。此外，待测量物体固定并且几乎不能接近也是常见的。安装在杂乱环境中地面上方高位置处的管道很难接近。考虑到所追求的准确度水平，定位装置的定位方面的限制可能迫使将装置安装在不稳定的高架结构上。因此，需要在可达到数米的扩展的工作体积中测量6D0F，并且考虑到定位装置的起点、待测量物体与体积分析传感器之间的相对移动。不能一直认为定位装置与物体之间的相对位置是不变的。因此，除了定位体积分析传感器，必须解决的第二个挑战是获得体积分析传感器测量相对于外部物体的表面的参考。尽管在共同的坐标系中变换所有测量是有利的，但是例如管道腐蚀分析等一些应用将迫使测量外表面的几何形状以作为参考。当前，考虑超声传感器的实例，可以在传感器的给定位置和方位测量材料厚度。然而，不能确定表面腐蚀是否对内表面的影响大于外表面，并且更确切地说成多少比例。对于例如红外热成象法等其他体积分析传感器形式，会出现使用准确的连续参考的相同的难题。这后一种形式还可能提供材料的体积分析信息，但是以较低的分辨率。X射线是体积分析的另一种形式。
发明内容
本发明的一个目标是解决现有技术的至少一个缺点。根据本发明的一个宽泛的方面，提供用于物体的非破坏性检查的一种定位方法和一种系统。该方法包括提供至少一个具有传感器参考目标的体积分析传感器；提供至少一些传感器参考目标的图的传感器模型；在物体和物体环境的至少一者上提供物体参考目标；提供至少一些物体参考目标的图的物体模型；提供摄影测量系统，包括至少一个照相机并且在视场中捕获至少一个图像，在所述图像上传感器参考目标和物体参考目标的至少一部分是清晰的；确定传感器空间关系；确定物体空间关系；使用物体空间关系和传感器空间关系来确定至少一个体积分析传感器相对于物体的传感器-物体空间关系；重复这些步骤并且使用传感器-物体空间关系来跟踪体积分析传感器和物体中至少一者的位移。根据本发明的另一宽泛的方面，提供一种用于物体的非破坏性检查的定位方法，所述方法包括提供用于进行检查的至少一个体积分析传感器；在至少一个体积分析传感器上提供传感器参考目标；提供摄影测量系统，包括至少一个照相机以在视场中捕获图像；提供体积分析传感器的至少一些传感器参考目标的3D位置图的传感器模型；使用传感器模型和图像在摄影测量系统与传感器参考目标之间确定在整体坐标系中的传感器空间关系；使用摄影测量系统、图像和模式的传感器模型来跟踪体积分析传感器在整体坐标系中的位移。根据本发明的另一宽泛的方面，提供一种用于物体的非破坏性检查的定位系统，所述系统包括用于进行检查的至少一个体积分析传感器；在至少一个体积分析传感器上提供的传感器参考目标；摄影测量系统，包括至少一个照相机以在视场中捕获图像；位置 跟踪器，用于获得体积分析传感器的至少一些传感器参考目标的3D位置图的传感器模型；在整体坐标系中使用传感器模型在摄影测量系统与传感器参考目标之间确定传感器空间关系；在整体坐标系中使用摄影测量系统和模式的传感器模型来跟踪体积分析传感器的位移。根据本发明的另一宽泛的方面，提供一种用于物体的非破坏性检查的定位方法。该方法包括提供至少一个用于进行检查的体积分析传感器，该体积分析传感器具有传感器参考目标；提供体积分析传感器的至少一些传感器参考目标的3D位置图的传感器模型；在物体和物体环境的至少一者上提供物体参考目标；提供至少一些物体参考目标的3D位置图的物体模型；提供摄影测量系统，包括至少一个照相机以在视场中捕获至少一个图像；使用摄影测量系统在视场中捕获图像，在所述图像上传感器参考目标和物体参考目标的至少一部分是清晰的；使用传感器模型和所捕获的图像在摄影测量系统与传感器参考目标之间确定传感器空间关系；使用物体模型和所捕获的图像在摄影测量系统与物体参考目标之间确定物体空间关系；使用物体空间关系和传感器空间关系来确定至少一个体积分析传感器相对于物体的传感器-物体空间关系；重复捕获、确定传感器-物体空间关系，以及确定传感器空间关系和确定物体空间关系中的至少一个操作；使用传感器-物体空间关系来跟踪体积分析传感器和物体中的至少一者的位移。在一项实施方案中，该方法进一步包括使用至少一个体积分析传感器来提供关于物体的检查测量；以及使用传感器空间关系、物体空间关系和传感器-物体空间关系中的至少一者来参考这些检查测量并且在共同的坐标系中产生参考的检查数据。在一项实施方案中，提供物体模型和提供传感器模型中的至少一个操作包括在使用摄影测量系统来捕获图像期间，建立物体和传感器模型中的至少一者。在一项实施方案中，该方法进一步包括提供额外的传感器工具；使用额外的传感器工具来获得传感器信息；相对于物体来参考额外的传感器工具。在一项实施方案中，相对于物体来参考额外的传感器工具包括对额外的传感器工具使用独立的定位系统并且使用物体参考目标。在一项实施方案中，其中额外的传感器工具具有工具参考目标；并且该方法进一步包括提供额外的传感器工具的至少一些工具参考目标的3D位置图的工具模型；使用工具模型在摄影测量系统与工具参考目标之间确定工具空间关系；使用工具空间关系以及传感器-物体空间关系和物体空间关系中的至少一者来确定额外的传感器工具相对于物体的工具_物体空间关系；重复捕获、确定工具空间关系和确定工具-物体空间关系；使用工具-物体空间关系来跟踪额外的传感器工具的位移。在一项实施方案中，该方法进一步包括使用由体积分析传感器所获得的检查测量来建立物体内表面的模型。在一项实施方案中，该检查测量是厚度数据。在一项实施方案中，该方法进一步包括提供物体外表面的CAD模型；使用CAD模型和传感器-物体空间关系在共同的坐标系中对齐由体积分析传感器所获得的检查测量。
在一项实施方案中，该方法进一步包括提供物体外表面的CAD模型；使用额外的传感器工具来获取关于物体外表面特征的信息；使用CAD模型、关于特征的信息以及传感器-物体空间关系在共同的坐标系中对齐由体积分析传感器所获得的检查测量。在一项实施方案中，所述方法进一步包括将CAD模型与参考的检查数据进行对t匕，以在物体外表面中识别异常。在一项实施方案中，该方法进一步包括请求操作者确认以授权给由摄影测量系统对参考目标的识别。在一项实施方案中，该方法进一步包括为使用参考的检查测量对物体进行的检查提供检查报告。在一项实施方案中，该位移由未受控制的移动引起。 在一项实施方案中，该位移由环境振动引起。在一项实施方案中，摄影测量系统经移位以在另一视场内观察物体，捕获图像、确定传感器空间关系、确定物体空间关系、确定传感器-物体空间关系的步骤被重复进行。根据本发明的另一宽泛的方面，提供一种用于物体的非破坏性检查的定位系统。该系统包括至少一个用于进行检查的体积分析传感器，该体积分析传感器具有传感器参考目标并且被适配为移位；在物体和物体环境中的至少一者上提供的物体参考目标；摄影测量系统，包括至少一个照相机以在视场中捕获至少一个图像，在该图像上传感器参考目标和物体参考目标的至少一部分是清晰的；位置跟踪器，用于获得体积分析传感器的至少一些传感器参考目标的3D位置图的传感器模型；获得至少一些物体参考目标的3D位置图的物体模型；使用物体模型模式和所捕获的图像在摄影测量系统与物体参考目标之间确定物体空间关系；使用传感器模型和所捕获的图像在摄影测量系统与传感器参考目标之间确定传感器空间关系；使用物体空间关系和传感器空间关系来确定至少一个体积分析传感器相对于物体的传感器-物体空间关系；使用传感器-物体空间关系来跟踪体积分析传感器的位移。在一项实施方案中，体积分析传感器提供关于物体的检查测量并且其中该位置跟踪器进一步用于使用传感器空间关系、物体空间关系以及传感器-物体空间关系中的至少一者来参考检查测量并且产生参考的检查数据。在一项实施方案中，该系统进一步包括模型建立器，用于使用摄影测量系统来建立传感器模型和物体模型中的至少一者。
在一项实施方案中，该系统进一步包括额外的传感器工具，用于获得传感器信息。在一项实施方案中，额外的传感器工具被适配为被移位并且额外的传感器工具具有工具参考目标，并且其中位置跟踪器进一步用于使用摄影测量系统和额外的传感器工具上的工具参考目标模式的工具模型来跟踪额外的传感器工具的位移。在一项实施方案中，额外的传感器工具是3D范围扫描器和接触探测器中的至少一者O在一项实施方案中，参考目标是编码的参考目标和回射性目标中的至少一者。在一项实施方案中，该系统进一步包括操作者界面，用于请求操作者确认以授权给由摄影测量系统对目标的识别。在一项实施方案中，该系统进一步包括CAD界面，所述CAD界面接收物体外表面的CAD模型并且将CAD模型与参考的检查数据进行对比以对齐模型。 在一项实施方案中，该系统进一步包括报告发生器，用于为使用参考的检查测量对物体进行的检查提供检查报告。在一项实施方案中，该摄影测量系统具有两个照相机，其中这两个照相机中的每一个有光源，每个光源在与照相机的视线共轴的方向上在视场中提供光。在一项实施方案中，该体积分析传感器是厚度传感器、超声探测器、红外线传感器以及X射线传感器中的至少一者。在本说明书中，术语“体积分析传感器”旨在表示非破坏性试验传感器或非破坏性评估传感器，用于对体积的非破坏性检查，包括各种形式，例如X射线、红外热成象法、超声、润电流等。在本说明书中，术语“传感器工具”或“额外的传感器工具”旨在包括不同类型的工具，放射性的或非放射性的，例如，体积分析传感器、接触探测器、3D范围扫描器等。
已如此总体上描述了本发明的性质，现在将参考附图，附图以图示的方式展示了本发明的优选实施方案，并且在附图中图I所示为测量物体外表面与内表面之间厚度的超声探测器的现有技术代表图；图2描绘了根据本发明的包括用于三维检查的设备的工作环境的配置设置；图3图示了根据本发明的物体上的三维参考特征；图4图示了根据本发明的待测量的物体；图5呈现了根据本发明的诊断检查的窗口显示的实例；图6是用于根据本发明的用于检查物体的方法的步骤流程图；以及图7是用于根据本发明的用于自动跳步法的方法的步骤流程图。注意在所有图中，相同的特征由相同的参考数字标记。
具体实施例方式超声的检查是非常有用和多用途的NDT或NDE方法。超声检查的一些优势包括它对于表面和表面下的不连续性两者的敏感度，它穿透到材料中的较大深度以及在使用脉冲回波技术时只需要单侧的接近。参考图1，在200处总体上展示了测量物体厚度的现有技术超声探测器。此超声探测器是体积分析传感器的一项实例。它产生检查测量。描绘了待检查物体的纵向横截面。这样的物体可以是金属管道，检查该金属管道来寻找金属管道由于腐蚀(外部或内部)或内部流而导致的厚度异常。在图中，传感器头用202表示并且诊断机器用216表示。尽管管道横截面用206展示，但是管道的外表面用212表示，管道的内表面用214展示。传感器换能器与物体之间的耦合剂204通常是水或凝胶或提高传感器202与待测量物体之间信号传输的任何物质。在超声探测器的情况下，一个或几个信号从探测器发射并且在被反射回到传感器探测器之前传输通过耦合剂和物体的材料。在此反射(或脉冲回波)模式中，当“声”反射回到装置时，换能器执行发送和接收脉冲波。经反射的超声来自一个界面，例如物体的后壁，或来自物体内的缺陷。经检测的反射组成检查测量。经测量的距离可在计算发射与接收之间的延迟之后获得。当测量材料截面的厚度时，通常将有两个主要的延迟的反射。值得注意的是，材料内的裂缝也可产生反射。最后，在计算分别用208和210展示的两个经计算的距离dl和d2 之间的差异之后获得材料的厚度。给定传感器在整体参考坐标系中的位置，可以在这个整体坐标系中累加物体的材料的厚度ε。
ε(χ\\\Σ,θ,(ρ, )) = d2-dl超声探测器可以含有数个测量元件，在数十个元件的相位阵列中。将厚度测量整合在共同的整体坐标系中必须计算体积分析传感器的坐标系与在定位装置的坐标系中所测量的位置和方位之间刚性的空间关系，该定位装置的坐标系即是装置的外部坐标系。在所述情况下，可以使用已知几何形状的参考物体来对此进行测量和计算。具有三个正交面的立方体可用于此目的。随后，在三个正交面中的每个上收集测量，同时使用定位装置来记录传感器的位置。4x4变换矩阵τ2的6个参数(x、y、z、θ、φ、ω )以及三个正交平面中的每个的参数Ai= (an、ai2、ai3、ai4)，可以在以下目标函数的最小平方求最小值之后获得
min Σ (M T2Xij )2 w,r,t, \aa,aj2, al31| = I
A；, r*>
I j』在此等式中，是在第i个平的截面上收集的第j个测量；此测量是4D的齐次坐标点。矩阵^和τ2都描述齐次坐标中刚性的变换。矩阵T1对应于由定位装置提供的刚性变换。这两个矩阵为以下形式
)u rn rn tx
r2l rH rH 0，
,31 ,32 ,33 tZ 0 0 0 1
其中左上3x3子矩阵是归一化正交的(旋转矩阵)并且上面3x1矢量是平移矢量。如果预期在体积分析传感器移动的情况下收集测量，那么必须用体积分析传感器进一步校准定位装置。这通过使用触发输入信号而实现，该触发输入信号通常来自定位装置，但该信号可以是外部的或甚至来自体积分析传感器。这种方法是有效的，只要整体坐标系相对于物体保持刚性即可。在许多情况下，这可能很难保证。一种情况与未受控制的物体移动有关，或者相反，这发生在测量传感器在整体坐标系中位置的设备本身在移动，例如振动时。所需的准确度通常高于1_。
图2图示了所提出用来的解决此问题的定位系统，用100展示。在定位方法中，参考目标102粘贴到物体104,和/或如103处所示的周围环境上。这些是物体参考目标。这些目标的3D位置模型是使用所属领域的技术人员已知的摄影测量方法预先或联机建立。这称为至少一些物体参考目标的3D位置图的物体模型。图2中描绘的摄影测量系统118由两个照相机114组成，其中每个照相机包括环型光116用于照亮目标。这些目标可以是回射性的，以在由摄影测量系统在其视场内捕获的图像中提供强烈的信号。也可以使用只具有一个照相机的摄影测量系统。另外，摄影测量系统不需要使用环型光。实际上，在目标可回 射的情况下环型光是有用的。如果目标是LED或如果目标由对比材料制成，那么摄影测量系统可能在图像中定位目标，而不在照相机进行图像捕获的时候使用环型光。在使用环型光的情况下，结合回射性目标，将容易理解环型光不需要完全是圆形的和围绕照相机。环型光可以是LED的安排方案，与照相机的视线基本上共轴地引导光。图2还展示了本方法中涉及的三个坐标系。第一坐标系是& 112，基于摄影测量法而在定位系统的起点处描绘。第二坐标系R。106，表示物体的坐标系。最后Rt 108与体积分析传感器110，例如超声传感器关联。所有这些坐标系之间的6D0F空间关系-图2中图示的Tp。和Tpt可以连续被监测。同样值得注意的是，此配置可以保持系统与物体之间的空间关系的连续表示。物体空间关系是物体与摄影测量系统之间的空间关系。在图2所代表的情况下，当表示为4x4矩阵时，此空间关系在将两个空间关系I；。—1和Tpt相乘之后获得
rrt—
i — po pt当考虑物体、系统与另一结构(固定或不固定)之间的独立移动有效时，清楚的是可以保持额外的坐标系。在图中，例如，额外的坐标系可以附到参考目标上，这些参考目标粘贴在围绕物体的环境上。围绕待检查物体的环境可以是另一物体、壁等。如果参考目标粘贴到物体的周围环境，那么系统还可以跟踪环境。可以确定传感器-物体空间关系以跟踪体积分析传感器与物体之间的关系。物体空间关系和传感器空间关系用于确定传感器-物体空间关系。还是在图2中，一组参考目标粘贴到体积分析传感器110。这些是传感器参考目标。提供至少一些传感器参考目标的3D位置图的传感器模型。此模式作为一组3D位置T而预先被建模，所述一组3D位置T任选地随着相对于每个参考目标的法向矢量而扩大。此预先得知的模型配置可以使用至少一个照相机由定位系统118识别。因此，定位系统118可以独立并且同时识别和跟踪体积分析传感器和物体。可以获得摄影测量系统与传感器参考目标之间的传感器空间关系。也有可能在物体上或在传感器工具上使用经编码的目标。这样，它们的识别和区分可以简化。当系统118由一个以上照相机组成时，它们是同步的。设置电子快门以在短曝光时间内捕获图像，所述短曝光时间通常小于2毫秒。因此，系统的所有部件，由它们的坐标系在3D空间表示，相对地定位在每个帧中。因此，不需要使它们保持固定。所提出的系统的另一优势是在不需要现有技术人工程序的情况下运用跳步法的可能性。具有照相机的系统可以被移动以从不同的视点观察场景。该系统随后自动重新计算它相对于物体的位置，只要从先前视点可见的目标的一部分在新定向的视点中仍然可见。这本质上是由系统执行的，没有任何干预，因为参考目标的模式被识别。
改善的跳步法还可能扩展被目标覆盖的截面。可以使用摄影测量法预先在物体上为目标的整个组建模或使用现有技术方法联机扩大目标模型。图7是此改善的跳步法程序的一些步骤的流程图700。此系统最初在摄影测量定位装置的坐标系702中收集可见目标位置的组T，704。此组的可见目标可以是物体参考目标和传感器参考目标的整个组的一部分，即图上清晰的那些。然后系统在706处识别被建模的该组模式P 708，包括物体目标模式，并且作为输出产生一组新的可见目标T’712，以及物体坐标系与摄影测量定位装置之间的空间关系的710处的参数τ4。从新观察到的空间关系中，可见目标的新组712在产生716处所示的新可见目标的变换组T’t之前，在714处变换到最初物体的坐标系中。最后，目标模型随着新变换的可见目标而扩大，从而在物体的坐标系中产生720处的目标的扩大组T+。在这点上，可以从数个位置检查物体的表面厚度并且在相同的坐标系内变换这些测量。在单个坐标系中具有空间关系，还可以通过对在相同邻域内收集的测量求平均值而过滤噪声。使用传感器空间关系、物体空间关系和/或传感器-物体空间关系，由体积分析传 感器获得的检查测量可以在共同的坐标系中被参考并且成为参考的检查数据。为了在内部异常和外部异常之间进行辨别，提出以下方法。在图4中，管道的纵向横截面在400处描绘。理想的管道模型在402处以虚线展示。外表面在406处展示并且内表面在404处展示。当异常是由于腐蚀等时，有利的是识别改变的表面在内还是在外。在这种情况下，粘贴到物体的参考目标可能不够。也可以在本系统中提供额外的传感器工具，例如提供外表面模型的3D范围扫描器。尽管这种类型的传感器工具存在多个原理，使用的一个常见原理是光学三角测量。例如，扫描器使用结构化的光(激光或非相干光)来照亮表面并且至少一个例如照相机等光传感器聚集经反射的光并且通过三角测量来计算一组3D点，所述三角测量使用的是校准参数或隐式模型，所述隐式模型编码在描述照相机和结构化的投光器的几何配置的查找表中。此组3D点称为传感器信息。这些范围扫描器在附加的局部坐标系中提供几组3D点。使用校准程序，参考目标可以粘贴到扫描器。因此，它也可以由图2中118处所示的摄影测量定位系统进行跟踪。使用粘贴到额外的传感器工具的至少一些工具参考目标的3D位置图的工具模型，可以在摄影测量系统与工具参考目标之间确定工具空间关系。3D点组可以映射到相同的整体坐标系中，在这种情况下，所述相同的整体坐标系附到定位装置并且在此以112展示。另外可以从3D点组重新构建物体的连续表面模型。最后，可以利用定位装置的坐标系与物体的坐标系之间的空间关系，从而将表面模型变换到物体的坐标系中。在这种情况下，物体的坐标系将会保持真正固定的整体的或共同的坐标系。从工具空间关系和传感器-物体和/或物体空间关系中获得工具-物体空间关系。物体外表面的模型是沿着存储在相同的整体坐标系内的一些方向与一组厚度测量一起获得。从外表面模型Se(u，V) = {x，y，z}中，厚度测量首先转换成矢量V，矢量V被添加到表面点，随后在内表面Si上获得一个点，如图4中408处所示。因此,可以恢复内表面的轮廓。通常，使用超声，内表面模型的精确度小于外表面模型所达到的精确度。因此，在配准时，即在相同的坐标系中对齐时，可以选择是提供附到外表面模型的厚度测量，还是提供内和外两个表面模型。
为了完成表面检查，外表面模型用物体外表面的计算机辅助设计(CAD)模型来配准。当后一种模型是平滑的或包括直的横截面时，对齐的质量是高度可靠的。那种配准可能需要如图4中410处所示的凸缘等特征的扫描，以限制CAD模型与所扫描的表面之间的几何变换的6D0F。在一些情况下，物体上的物理特征，例如钻孔或几何实体，将用作物体上的显式参考。在图3中描绘的图画300中的302、304和308处所示为一些实例。在此图中，该物体展示为306。这些具体的特征可以使用接触探测器，比3D光学表面扫描器(即范围扫描器)更好地被测量。接触探测器是另一种类型的额外传感器工具。还可以用接触探测器来测量前一种类型的特性，比如凸缘。接触探测器基本上由在探测器的局部坐标系中参考的实心小球组成。使用图2中118处所示的定位系统，一种模式的参考目标(经编码或未经编码)被简单地固定到刚性部分，测量球安装在该刚性部分上。此探测器也由系统来定位。最后在内和外局部异常都被量化的情况下，可以提供检查报告。在腐蚀分析的情况下，内腐蚀与外腐蚀分开。这样的部分诊断的一项实例在图5中的500处展示。所示为所产生的参考物体检查数据。在显示器的右侧用数字显示的检查数据，使用箭头和文字来将检查数据与物体上 的具体位置相关联，而定位在物体的截面上。定位系统让使用一个、两个、三个或更多传感器工具成为可能。例如，体积分析传感器可以是与3D范围扫描器和触摸探测器无缝连接一起使用的厚度传感器。通过用户界面，用户可以指示何时添加或改变传感器工具。当在传感器工具上使用参考目标的位置的具体模式时，另一可选的方法是让摄影测量定位系统基于经编码的或未经编码的参考目标而识别传感器工具。图6图示了检查方法600的主要步骤。位置跟踪器用作定位系统和方法的一部分，以获得参考目标的模型并且确定空间关系。此位置跟踪器可以提供为摄影测量系统的一部分或独立地提供。它可以是由硬件和软件部件的组合组成的处理单元，该处理单元与摄影测量系统和体积分析传感器进行通信，为定位系统和方法获得所需数据。它被适配为结合该系统的其他部件来进行图6中的步骤，例如，结合模型建立器，该模型建立器使用摄影测量系统来建立传感器、物体或工具模型。一组可见的目标位置，606处的T，在摄影测量定位装置的坐标系602中被收集。608处提供的是由先前观察到的附到数个传感器工具的物体目标和模式组成的建模的目标模式的组P。该系统随后识别这些模式604并且在610处产生定位装置与每个体积分析传感器(如果不止一个)之间的空间关系的参数H。在这种情况下，整体坐标系附到定位装置。可选地，还提供定位装置和/或物体之间的空间关系的612处的参数τ4以及定位装置与表面范围扫描器之间的空间关系的614处的参数τ 3。还是参考图6，体积分析传感器组M和一组3D对应位置X，都在620处显示，在616处收集，之后在618处将这些位置X变换到由定位装置观察到的外部坐标系中。外部坐标系可以由定位装置观察，这与其内部坐标系不同。这两个坐标系之间的刚性变换的622处的参数12在校准后获得。在此操作之后，体积分析传感器组映射到体积分析传感器的外部坐标系中的位置，在626处导致M、Xt。然后，使用由定位装置提供的参数T1，位置&在624处变换到对应于定位装置的整体坐标系中。所得位置在630处展示。这些相同的测量和位置，在632处展示，可以直接用作最后检查的输入。当对附到目标(所述目标粘贴到物体)的坐标系进行测量时，位置Xt可以使用参数14在628处进一步变换到物体的坐标系中，从而在物体的坐标系中导致634处的位置的组X。。很清楚624和628处的这两个步骤可以组合成单个步骤。在相同的图中，在636处提供检查报告。此报告可以在至少单个坐标系内累加体积分析传感器测量，可选地将这些测量与642处的输入CAD模型进行对比并且在644处作为C被转移。输入CAD模型可以基于用接触探测器获得的特征的测量被对齐或从使用3D表面范围扫描器测量的660处所不的表面模型S中被提取。在一些应用,例如管道检查中，CAD模型只可以用于提供空间参考给所检查的截面。实际上，尽管具有定位特征，但是有可能当只对评估腐蚀的管道截面的局部厚度感兴趣时，理想的形状变形。表面模型可以是连续的或提供为点云。有趣的是，3D范围扫描器在646处从物体的外表面收集范围测量，并且随后将所测量的648处所示的表面点Z在650处变换到由定位装置观察到的范围扫描器的外部坐标系中。这样，利用了 3D范围扫描器的内部坐标系与由定位装置观察到的其外部坐标系之间的刚性变换的参数。651处的这些参数15是预先校准的。652处的经变换的3D表面点Zs随后使用定位装置与3D范围扫描器的外部坐标系之间的刚性变换的614处的参 数τ3，在654处变换到物体的坐标系中。所得的点组Z。用作输入，从而在658处建立3D表 面模型S。尽管这是优选实施方案的场景，但是很清楚3D扫描器可以利用定位目标或任何其他可用的装置，以在单个坐标系中累加3D点组并且随后可以将这些点映射到由定位装置确定的物体的坐标系中，只在末尾。在此场景中，3D范围扫描器不需要由定位装置连续地跟踪。
改善的跳步法，在图7中的700处所示，将通过使没有任何人工干预情况下移位定位装置成为可能而改善图6中的框602。跳步法技术还可以补偿物体、体积分析传感器或甚至是摄影测量系统的任何未受控制的移动。这样的未受控制的移动例如可以由振动引起。当在702处在定位装置的坐标系中收集可见的目标位置之后，704处的目标位置组T提供为输入用于在706处识别物体模式。为此，输入针对传感器工具以及针对先前帧中所示物体的每个目标模式的模型P 708。计算712处新观察到的目标组T’以及物体模式与定位装置之间刚性变换的710处和612处的参数τ4。随后可以在714处将组Τ’变换到最初的物体的坐标系中，从而导致716处的经变换的目标位置T’t。最初的目标模型最后在718处扩大到经扩大的物体目标模型T+720。测量厚度只是可以在用表面模型以及最后物体特征进行的配准中测量的一个特性。很清楚其他类型的测量可以使用相同的方法在用物体表面或特征进行的配准中检查。实际上，当体积分析传感器可以由摄影测量定位系统定位时，该方法自然地延伸到其他类型的测量。例如，可以使用安装有目标的红外传感器并且基于刺激后的内温度轮廓来检查物体的内体积中的缺陷。这种类型的检查通常运用于复合材料。例如，检查复合零件的内部结构是航空工业的一项实践，其中必须检查机翼截面以检测迭片裂缝。本文描述的方法使得在整个物体上或可选地，在小型或甚至大型物体的具有外表面的小的偶发的局部样本上精确地配准完整组的测量成为可能。X射线是可以用于测量体积特性同时在系统中用作传感器工具的形式的另一实例。因此，可以确定表面腐蚀是否对内表面的影响大于外表面，并且更确切地说成多少比例。实际上，可以在相同的坐标系中对外表面当前状态的连续模型以及在传感器不同位置和方位处的表面上方收集的厚度测量进行测量和组合，并且确定腐蚀状态。因此，可以添加外表面的密集且准确的模型作为参考，这肯定是一个优势，将提高定量NDE分析。完整的分析可以使用数个装置而不是具有太多损害的单个多功能的来执行。因此，此解决方案可以提供简单的方法以在相同的整体坐标系中，收集变换所有类型的测量，包括外表面几何形状。尽管在方框图中图示为经由不同的数据信号连接而互相通信的分离部件组，但是所属领域的技术人员将理解可由硬件和软件部件的组合提供，其中一些部件由硬件或软件系统的给定功能或操作实施，并且图示的许多数据路径由计算机应用或操作系统内的数据通信实施或可使用任何合适的已知的或之后发展的有线的和/或无线的方法和装置进行通信地链接。传感器、处理器和其他装置可位于一处或远离彼此的一个或多个。因此，提供图示的结构用于教示实例实施方案的效率。要理解所属领域的技术人员将明白其许多修改。因此，以上描述和附图应作为本 发明的说明并且不是以限制的方式。另外将理解它旨在涵盖本发明的任何改变、用途或改编，通常在本发明的原理之后，并且包括对本发明的这些背离在本发明涉及的技术内的已知或通常的实践内和可运用于在详述之前的本文的本质特征，以及遵照所附权利要求书的范围。
权利要求
1.一种用于物体的非破坏性检查的定位方法，包括 提供用于所述检查的至少ー个体积分析传感器，所述体积分析传感器具有多个传感器參考目标； 提供所述体积分析传感器的至少ー些所述传感器參考目标的3D位置图的ー个传感器模型； 在所述物体和所述物体的环境中的至少ー者上提供多个物体參考目标； 提供至少ー些所述物体參考目标的3D位置图的ー个物体模型； 提供一个摄影測量系统，该摄影測量系统包括至少ー个照相机以在ー个视场中捕获至少ー个图像； 使用所述摄影測量系统在所述视场中捕获ー个图像，在所述图像上所述传感器參考目标和所述物体參考目标的至少一部分是清晰的； 使用所述传感器模型和所述捕获的图像在该摄影測量系统与所述传感器參考目标之间确定一个传感器空间关系； 使用所述物体模型和所述捕获的图像在该摄影測量系统与所述物体參考目标之间确定一个物体空间关系； 使用所述物体空间关系和所述传感器空间关系来确定所述至少一个体积分析传感器相对于所述物体的一个传感器-物体空间关系； 重复所述捕获、所述确定所述传感器-物体空间关系，以及所述确定所述传感器空间关系和所述确定所述物体空间关系中的至少ー个操作； 使用所述传感器-物体空间关系来跟踪所述体积分析传感器和所述物体中的所述至少ー者的位移。
2.如权利要求I所述的定位方法，进ー步包括使用所述至少一个体积分析传感器来提供关于所述物体的检查测量；以及使用所述传感器空间关系、所述物体空间关系和所述传感器-物体空间关系中的至少ー者来參考所述检查測量并且在ー个共同的坐标系中产生參考的检查数据。
3.如权利要求I所述的定位方法，其中所述提供所述物体模型和提供所述传感器模型中的至少ー个操作包括使用所述摄影測量系统在所述捕获所述图像期间建立所述物体和传感器模型中的相应ー者。
4.如权利要求I到3中任意一项所述的定位方法，进ー步包括 提供ー个额外的传感器工具； 使用所述额外的传感器工具获得传感器信息； 相对于所述物体參考所述额外的传感器工具。
5.如权利要求4所述的定位方法，其中所述相对于所述物体參考所述额外的传感器エ具包括使用所述额外的传感器工具的ー个独立的定位系统和使用所述物体參考目标。
6.如权利要求4和5中任意一项所述的定位方法， 其中所述额外的传感器工具具有多个工具參考目标； 进ー步包括 提供所述额外的传感器工具的至少ー些所述工具參考目标的3D位置图的ー个工具模型；使用所述工具模型在该摄影測量系统与所述工具參考目标之间确定ー个工具空间关系; 使用所述工具空间关系以及所述传感器-物体空间关系和所述物体空间关系中的至少ー者来确定所述额外的传感器工具相对于所述物体的ー个工具-物体空间关系； 重复所述捕获、所述确定所述工具空间关系和所述确定所述工具-物体空间关系； 使用所述工具-物体空间关系来跟踪所述额外的传感器工具的位移。
7.如权利要求2所述的定位方法，进ー步包括使用由所述体积分析传感器所获得的所述检查测量来建立所述物体的ー个内表面的ー个模型。
8.如权利要求2所述的定位方法，其中所述检查测量是厚度数据。
9.如权利要求2所述的定位方法，进ー步包括 提供所述物体的ー个外表面的ー个CAD模型； 使用所述CAD模型和所述传感器-物体空间关系在所述共同的坐标系中对齐由所述体积分析传感器获得的所述检查測量。
10.如权利要求4所述的定位方法，进ー步包括 提供所述物体的ー个外表面的ー个CAD模型； 使用所述额外的传感器工具来获取所述物体的所述外表面的特征信息； 使用所述CAD模型、所述特征信息和所述传感器-物体空间关系在所述共同的坐标系中对齐由所述体积分析传感器获得的所述检查測量。
11.一种用于物体的非破坏性检查的定位系统，包括 用于所述检查的至少ー个体积分析传感器，所述体积分析传感器具有多个传感器參考目标并且被适配为被移位； 在所述物体和所述物体的环境中的至少ー者上提供的多个物体參考目标； 一个摄影測量系统，该摄影測量系统包括至少ー个照相机以在ー个视场中捕获至少一个图像，在所述图像上所述传感器參考目标和所述物体參考目标的至少一部分是清晰的；ー个位置跟踪器，用于 获得所述体积分析传感器的至少ー些所述传感器參考目标的3D位置图的ー个传感器模型； 获得至少ー些所述物体參考目标的3D位置图的ー个物体模型； 使用所述物体模型模式和所述捕获的图像在该摄影測量系统与所述物体參考目标之间确定ー个物体空间关系； 使用所述传感器模型和所述捕获的图像在该摄影測量系统与所述传感器參考目标之间确定一个传感器空间关系； 使用所述物体空间关系和所述传感器空间关系来确定所述至少一个体积分析传感器相对于所述物体的一个传感器-物体空间关系； 使用传感器-物体空间关系来跟踪所述体积分析传感器的位移。
12.如权利要求11所述的定位系统，其中所述体积分析传感器提供关于所述物体的检查测量并且其中所述位置跟踪器进ー步用于使用所述传感器空间关系、物体空间关系以及传感器-物体空间关系中的至少ー者来參考所述检查測量并且产生參考的检查数据。
13.如权利要求12所述的定位系统，进一歩包括ー个模型建立器，用于使用所述摄影測量系统来建立所述传感器模型和所述物体模型中的至少ー者。
14.如权利要求11到13中任意一项所述的定位系统，进一歩包括ー个额外的传感器エ具，用于获得传感器信息。
15.如权利要求14所述的定位系统，其中所述额外的传感器工具被适配为被移位并且所述额外的传感器工具具有多个工具參考目标，并且其中所述位置跟踪器进ー步用于使用所述摄影測量系统和所述额外的传感器工具上的工具參考目标图的ー个工具模型来跟踪所述额外的传感器工具的位移。
全文摘要
该方法包括提供至少一个具有多个传感器参考目标的体积分析传感器；提供这些传感器参考目标中的至少一些的一个图的一个传感器模型；在该物体和该物体的环境中的至少一者上提供多个物体参考目标；提供这些物体参考目标中的至少一些的一个图的一个物体模型；提供一个摄影测量系统，该摄影测量系统包括至少一个照相机，并且在一个视场中捕获至少一个图像，在该图像上这些传感器参考目标和这些物体参考目标的至少一部分是清晰的；确定一个传感器空间关系；确定一个物体空间关系；使用该物体空间关系和该传感器空间关系来确定该至少一个体积分析传感器相对于该物体的一个传感器-物体空间关系；重复这些步骤并且使用该传感器-物体空间关系来跟踪该体积分析传感器和该物体中的至少一者的位移。
文档编号G01B7/02GK102859317SQ201180018497
公开日2013年1月2日 申请日期2011年5月3日 优先权日2010年5月4日
发明者E·圣-皮埃尔, P·赫伯特, C·莫尼 申请人:形创有限公司