3D机器视觉在航空航天工业

军事/航空航天工业通常是许多技术发展的先驱，因为他们财力雄厚，并强调质量和安全。制造业应用中基于3d的机器视觉系统就是这种情况。虽然他们在这一领域没有支持太多的研究，但这个行业通常是这一技术的早期技术采纳者。

有趣的是，在这个行业已经部署了许多技术方法:一种或另一种类型的干涉方法，立体声通信，包括带有三个摄像机的版本，各种结构光方法，等等。今天，这些方法是车间工具，以保证装配和个别零件是正确的。
商业点云管理软件的可用性，以及基于硬件的计算能力的DMIS标准和进步，使得在近实时进行全面的3D测量。应用范围从翼型测量相对较小的零件，以测量飞机的完整尺寸。

本文的输入来自所有已知的用于航空/军事制造应用的基于3d机器视觉系统供应商。以下是对我们问题的善意回答:

• Dr. Bernd-Dietmar Becker, FARO Technologies, Inc. (Lake Mary, Florida)激光扫描仪营销和产品管理总监
• 詹姆斯加德纳，美国大批量计量，Metris（布莱顿，密歇根州）
• Neptec（Kanata，安大略省Kanata）
• Giles Gaskell, NVision, Inc. (South Lake, Texas)业务发展总监

1.您是否可以描述您在航空航天/国防制造业的应用程序中解决了应用的3D机器视觉产品系列，并讨论如何为您提供解决这些应用程序的产品，如果您提供多个？
[Bernd Becker - Faro Technologies, Inc.]我们没有专门的机器视觉产品线。客户使用我们的激光扫描仪ls420(20米范围)或880(80米范围)。它非常快——每秒120,000个3D点。

[James Gardner - Metris]我们为物体的单点或6D位置的3D位置提供了两个解决方案（配备多个跟踪传感器）：

• k系列——在这种情况下，一个配备3个线性阵列数码相机的“相机”观察红外led的位置，并基于三角测量计算它们的位置。虽然单台摄像机的测量体积限制在17m³，但跟踪频率可以达到1000hz，实现对物体的真实动态跟踪。
• IGPS（红外GPS） - Metris'IGPS是一个模块化系统，通过安装设施内的发射机网络，提供具有几乎无限的大小的支持室内GPS的环境。在该测量环境中，传感器从这些发射机接收信号，并且基于信号相关信息，计算这些传感器在3D空间中的精确位置。为了支撑飞机部件对准和组装，传感器安装在飞机部件上，以捕获这些部件的精确位置和方向。

这项技术的优点是:

• 通过在网络中增加更多的发射机，可以很容易地扩大测量体积
• 测量精度与测量体积无关
• 视线问题较少:在传感器的范围内有两个发射器就足够了，从而在网络中产生冗余。
• 由于每个传感器都是独立工作的，所以系统性能不依赖于使用的传感器数量。这意味着当一个房间启用了igps时，多个测量应用程序可以并行操作。

与k系列相比，iGPS的测量频率在1到40 Hz之间，这取决于所需的精度。这意味着iGPS仅限于伪静态应用程序。

IGPS是一个模块化的大容量跟踪系统，可实现具有计量精度的多个物体的出厂范围内，适用于制造和装配。IGPS主要由航空航天制造商使用，但也由汽车和工业制造商采用，用于定位和跟踪应用。

对于非接触式扫描，Metris提供了两个解决方案：

• 激光线扫描仪 - 在这种情况下，在表面上投射在表面上的激光线，同时通过CCD相机观察到该线的投影。通过三角测量，通过三角测量计算相对于扫描仪的线上的每个点的位置。扫描仪安装在“Localizer”中，该“Localizer”确定扫描仪的位置。该定位器可以是CMM，可以使用像K系列这样的动态跟踪系统来监测铰接臂或探头的位置。
  
  来自Metris的激光扫描器有多个版本:
  • LC15用于基于cmm的高精度扫描(例如涡轮叶片)
  • LC50用于通用的基于cmm的扫描
  • XC50交叉扫描仪加入三条激光线，用于高生产率检查金属板或复合零件等孔的特征
  • ModelMaker系列手持式扫描仪安装在铰接臂上
  • K-Scan手持式扫描仪，工作体积大，不需要机械定位器，如三坐标测量机或铰接臂(使用k系列光学跟踪)
  • K-Robot -这是K-Scan的工业版本，用于在机器人上进行自动扫描。

Metris不仅提供扫描仪，还提供三坐标测量机(CMM)、铰接臂(MCA)和点云采集和处理软件(Focus系列)。

激光线扫描仪的优点是它们在短时间内提供大量的测量点，例如，80,000分/秒。另一方面，线激光扫描仪必须相对靠近表面（通常在50到200mm脱扣之间）定位。

• 激光雷达 - 带激光雷达，在测量表面上投射红外激光束。通过将激光束的方位角和仰角与激光源和反射点之间的距离组合来计算测量点的坐标。与激光跟踪器不同，激光雷达仅需要反射的激光功率的一部分，以便计算与反射点的距离。由于没有所需的反射器，激光雷达测量不需要操作员在测量物体上爬上测量物体，并且可以全自动地进行测量以进行隔夜检查。

激光雷达具有高达60米半径的测量体积。与激光线扫描仪相比，激光雷达逐一测量点。这一新一代计量仪器精确测量了大规模的几何形状，无需摄影测量点，激光跟踪器球形上安装的复古捕蝇或探针。自动测量能力可节省测量时间和人力。

最后但常见并非最不重要的是，Metris集成服务协助客户成功地部署了能够将IGPS，激光雷达或光学CMM，第三方3D测量解决方案等内部解决方案的内部解决方案组装到内部解决方案，以及相关的硬件和软件，以提供完全自动化的系统大规模项目。

(唐沃特曼,Neptec)NEPTEC在空间视觉系统的设计，建立和运营支持方面拥有超过10年的经验，为美国宇航局航天飞机的航天航天班车服务和3D成像系统。在此期间，Neptec已经交付了两个主要视觉系统：空间视觉系统（SV）和激光照相机系统（LCS）。

SVS分析和处理来自一个或多个摄像机的物体的视频图像。这些对象通常是由空间站远程机械手系统（SSRMS）和班车远程机械手系统（SRMS）操纵的有效载荷。目标区域位于对象上的预定位置。通过了解场景中的每个对象上的目标阵列的几何形状，使用摄影测量过程的SV来计算每个物体相对于观看相机的位置，方向和运动速率。通过了解观察摄像机的位置和方向，SVS将导出相对于任何其他参考点的每个物体的位置和方向。

在角色和图形表示中将位置，方向和速率信息呈现给运营商。配置后，SVS连续运行，只要目标保留在相机视野中，就会跟踪对象。它实时运行，使用每个视频帧生成对象位置和方向的新测量。

LCS是一种红外、自动同步三角测量激光传感器，开发用于在轨道飞行器臂架传感器系统末端的严酷的空间中操作。该传感器提供航天飞机热保护系统(TPS)的2D图像和3D数据，用于TPS的在轨检查。LCS的软件包括netec开发的机器视觉算法和工具，用于融合2D和3D数据，以便在关键决策期间最大限度地为航天飞机飞行操作提供信息。

在过去的几年里，Neptec将其业务扩展到工业自动化市场，这导致了在线和离线短程和中等批量计量的3D非接触激光计量系统（LMS）的开发应用提供快速，高精度，三维计量的解决方案。LMS设计基于LCS技术，具有改进的性能特性 - 测量精度为0.002英寸或更好，同时扫描每秒20,000点。该系统采用红色，完全可操纵的激光，并且能够为30°到30°的视野。可操控的激光束允许用户在几秒钟内扫描整个视场，选择视场的一部分，在第一次扫描上重叠第二次更高密度的扫描。它还允许用户定义一个特定的波束轨迹，以捕获有关特征的数据。

随着LMS扫描感兴趣的对象，它产生独立的空间数据点云，该数据点在校准之后被转换为位于感兴趣对象的表面的点的3D空间坐标。LMS计算感兴趣对象的表面特征的高分辨率，三维（3D）地图或对象对象的离散目标点的位置。可以在可以转换为现实世界坐标的模型的点之间的测量或与设计模型（例如CAD）进行比较，提供高分辨率，复杂几何形状的详细检查能力和损坏区域。

LMS的其他差异化功能包括：

• 精度-在所有三个轴上提供25微米的精度。
• 大扫描区域- netec LMS系统可以扫描1.15米²区域。在市场上，netec LMS光学扫描仪在扫描相对较小的体积上，与竞争激烈的激光条纹扫描仪相比，具有显著的优势。
• 尺寸 - NEPTEC LMS系统小，重量轻（<5千克），紧凑，便携，以及许多其他激光条纹扫描仪相机。NEPTEC系统在激光条纹系统上享有竞争优势，其中扫描仪配置要求它固定到CMM或机器人臂。
• 易用性 - NEPTEC LMS系统易于设置且易于使用，单点激光和激光条纹系统。
• 消除硬工具- netec LMS计量系统不需要夹具或夹具来定位相机视野内的部件。通过软件将模型和设计更改合并到系统中。

[Giles Gaskell - Nvision]与大多数激光或白光点数据采集设备不同，我们的系统用于生产环境中的检测。它的多轴自动化和事实，它可以扫描非常闪亮甚至透明的物体，而不涂层他们标志着它。

2.与航空航天/国防制造业有关的基于特定的3D基础机器视觉应用，您的产品地址是多少？
(詹姆斯)

• 采用激光线扫描器对涡轮叶片的尺寸和自由形状复合材料零件的形状进行了检测。
• 激光雷达旨在大规模检查应用，例如，检查翅膀，机身段，发动机外壳，天线等
• iGPS在航空航天领域的主要应用是机身、机翼等大型部件的装配。通过在每一个待装配部件上放置传感器，可以高精度地评估它们的相对位置并自动校正，从而在装配前使两个部件完全对准。
• IGP和K系列还可用于精确定位和跟踪钻孔，铆接或涂装机器人或激光投影系统的制造工具。
• 基于K系列的自适应机器人控制可以在可变的装载条件下实现工业机器人的高精度定位。

[大学教师]正在开发LMS以解决以下应用领域：

• 零件识别(识别)智能-零件识别能够向用户提供被扫描零件的识别。该特性要求用户向LMS系统输入可用于识别零件的几何参数。几何参数可以是直径、深度、位置和数量、零件宽度和高度。
• 零件接受/拒绝能力 - 部分接受/拒绝能力包括将扫描部分的特征与预定义的公差要求进行比较。使用CAD工具开发的AS设计的3D模型中存在尺寸容差要求。
• 零件请求/交出能力 - 在线加工中心的生产线中的部件要求/交出能力。当部件完成了质量检查时，可以请求新的部分或者如果该部件未能出现质量检查，则可以将该部件交给另一个加工中心以进行返工操作。零件请求/交减功能的评估涉及使用CAD部件尺寸，接受或切换到加工中心的测量功能的比较，用于返工和通知给用户。
• 变形检测能力 - 通过测量表面的平面外位移（正或负）来检测飞机板组件的损坏来检测变形（冲击损伤，腐蚀等）。
• 间隙和冲洗测量能力 - 间隙和冲洗测量是一个装配质量检验。间隙和冲洗测量用于验证配合组件的配合组件，如门框，汽车仪表板到窗框，坐在内部车框架上。

[吉尔斯]需要100%检查的机加工部件，如飞机涡轮部件。

(Bernd)大型泵壳的质量保证（QA），大型锻造对象的中心线检测。曲柄轴，储存应用中的卷捕获，捕获机器视觉模拟和优化的任意环境。在港口的3D尺度桥梁面积，模具，起重机臂等的质量保证将有更多。

3.在航空航天/国防制造业中，您提到的最困难的基于3d的机器视觉应用是什么?为什么?有哪些具体的应用问题(吞吐量、外观变量、位置变量、线集成问题等)?
[吉尔斯]在燃气轮机喷嘴中测量紧密放置的叶片的轮廓。可以看到要测量的所有表面，但视线与表面具有非常锐角。我们的系统只需要10度角度到尺寸测量，这允许它解决这个极其要求的应用。

(Bernd)没有，真的，只要我们的准确性，噪音和环境质量是可以的。为了扩大我们的应用范围，我们进一步开发噪声和精度质量。

(詹姆斯)大多数航空航天应用程序的特点是，由于其规模、严格的制造进度、对深度自动化的需求和通常客户特定的集成，都面临着重要的挑战。Metris集成服务小组是专门成立的，通过与客户密切合作，顺利地将Metris技术集成到制造过程中，以克服这些挑战。

其中最具挑战性的项目之一是在大型飞机供应商组装整架飞机期间的计量指导。目标是在尽可能短的时间内准确地对齐要装配的部件，以减少总装配时间。这就要求在可能发生温度变化和振动的会场进行高精度测量。Metris集成服务开发了一个专门的解决方案来克服这些问题。

4.你能就你基于3d的机器视觉产品中嵌入的原理提供一些见解吗?
(Bernd)相移距离传感器。

[吉尔斯]该系统使用一个聚焦白光斑和一个安装在传感器上的摄像头，传感器最多可移动7个轴。

5.您能否就您基于3d的机器视觉产品的具体硬件/软件实现设计提供一些见解?
[大学教师]自动同步三角测量扫描。

(詹姆斯)Metris集成服务小组开发了一个以过程为中心的工作单元管理工具包，以简化、自动化和防错误的航空制造过程。最大的生产力来自于能够驱动这些以制造过程本身为中心的工具的软件。具有核心基础层架构、可编写脚本的流程引擎和con?通过用户界面，过程管理能够管理和指导所有的校准、检查、投影和机器自动化任务。无论是否需要半自动手动装配或通过激光引导的检测过程，自动化夹具检测程序，或同时跟踪和校准6自由度的配套组件，核心软件控制整个过程。空间分析器是激光雷达分析结果最常用的软件应用。

[吉尔斯]传感器安装在传统的CMM框架上。

6.您在过去的一年中推出了哪些新的基于3D的机器视觉产品或您现有产品的进步？他们是专门针对航空航天/国防制造业的产品吗？
(詹姆斯)Metris引入了Metris集成服务小组。正因如此，Metris回应了一个趋势，即主要航空航天制造商希望他们的供应商将他们的解决方案集成到他们的制造过程中，而不是自己做这些。
该团队成功实现了之前提到的飞机装配解决方案，或用于在铆接机下精确定位飞机蒙皮组件的自适应机器人控制解决方案。

[吉尔斯]MAXOS机器及其扫描高度抛光甚至透明表面的能力。

(Bernd)然而，没有，但2008年将具有更好的噪音和准确性水平。

7.在航空航天/国防制造业中采用基于3d的机器视觉系统的历史障碍是什么?今天在航空航天/国防制造业中更广泛地应用基于3d的机器视觉系统的障碍是什么?
(Bernd)测量质量，单位坚固性，价格，集成界面，传感器体积，传感器的重量。

[吉尔斯]从来没有接受的非接触式扫描装置校准ISO标准。可以根据10360-2校准MaxOS，因为它是基于CMM的并且可以测量闪亮的校准伪影。

(詹姆斯)

• 采用激光线扫描器的主要障碍是其原理与传统的触摸触发方式完全不同。这意味着测量方法必须适应，这在计量界是不明显的。此外，缺乏激光扫描精度标准也于事无补。
• 激光雷达和IGP等创新产品的障碍主要是由于缺乏工业参考。通过我们目前拥有的成功实现，这将迅速变化。
• 计量到制造过程中的计量需要在测量和生产工具之间平稳集成。这就是Metris建立了集成服务团队的原因。

8.您的基于3d的机器视觉产品的技术基础设施的哪些进步导致了您最新产品(光学、照明、视觉硬件、视觉软件、摄像机等)的更严格的性能(可靠性、重复性、准确性等)?在价格/性能方面，这些进步有什么特别的优势?
[吉尔斯]改进的光学器件可以提高准确性和软件改进以提高数据收集速度。价格/性能的好处是它可以替换的传统CMM数量的增加。

(詹姆斯)使用改进的光学，精确的自动测量编码器，优化的校准算法以保持恒定的质量，旨在将测量工具集成到制造过程的软件开发。

(Bernd)价格性能改善，因为我们提高性能的单位如上，并保持价格稳定。

9.基于底层的3D机器视觉技术（视觉发动机，照明，摄像机）在未来2 - 3年内，您预计会产生更好的性能和解决更多航空航天/国防制造业应用的能力还是
(詹姆斯)系统性能的改善将主要来自底层DSP和应用软件的改进。DSP软件将提高精度(噪声滤波，误差抑制，更详细的校准模型)，增加测量稳健性(测量设置自动适应材料和环境条件)和提高测量速度(更多的DSP功率)。

在应用方面，重点将在将测量工具集成到制造和装配过程中。

(Bernd)如上所述，减小尺寸，重量，噪音，价格，增长坚固，准确性和界面。

[吉尔斯]更快的数据收集。更好的点分辨率和准确性。

10.这些变化将如何影响航空航天/国防制造业?
[吉尔斯]加快制造商对复杂加工零件进行100％检查的能力，并删除许多情况下是昂贵的瓶颈。

(Bernd)一般不知道这一点，但它将影响传感器的密度和智能，从而使机械更独立，运行人员更少，以及更安全和更高效(如采矿)。

(詹姆斯)更快，更准确的生产和装配。通常，这将使熟练的人员从劳动密集型测量任务转向工程和分析任务。

11.航空航天/国防制造业的哪些市场/流程变化正在推动基于3d的机器视觉系统的采用?
(Bernd)将下端大众市场机械生产和工程移动到中国的趋势意味着西方国家高端的新产品开发。

(詹姆斯)

• 更高的飞机制造量与更短的生产时间相结合。这就需要进一步实现生产和检验过程的自动化。首次制造权的趋势将增加对计量驱动制造过程的需求。
• 位于不同位置的制造和装配，这意味着深入检查是在将组件运送到最终组装之前的关键要求
• 较大飞机的开发/制造
• 特殊材料(复合材料)的使用将需要对传统的检测过程进行回顾(例如，非接触式测量将变得更加重要)

[吉尔斯]需要从制造检验过程中降低成本（熟练人力）。