CN101865668B - 三维冰形检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维冰形检测仪，其包括有外部购入的激光器、CCD摄像头、步进电机、舵机等，以及用于安装外部构入器件的移动副平台和转动副平台。移动副平台用于支撑起转动副平台，并且使转动副平台在水平方向上移动，而转动副平台上的两根导轨则能够使激光器和CCD摄像头调节到满足采集的角度。本发明设计的三维冰形检测仪是基于视觉的冰形，能使结冰形状以图像的形式直观地显示，为研究人员准确识别三维冰形并获取冰形的尺寸数据提供了可视化的技术解决方案，对后期研究结冰对飞机气动性能的影响有重要意义和实用价值，并为计算所得出的三维冰形提供了试验验证检测手段。

Description

三维冰形检测仪

技术领域

本发明涉及一种识别冰形的检测器具，更特别地说，是指一种适用于飞机部件结冰地面试验中进行模型结冰试验用的三维冰形检测仪。

背景技术

飞机表面结冰探测技术，主要是在飞机表面易于结冰的位置安装结冰探测器，以确定飞机在飞行中表面是否结冰以及结冰厚度，并提供结冰信号，但并不包括对结冰冰形的测量，然而，飞机部件表面的结冰冰形对其气动、操稳等特性有重要影响。

飞机部件表面结冰冰形预测是飞机结冰研究的重要内容。对于飞机部件表面的三维结冰目前往往采用数值模拟的办法获得，但数值模拟结果的正确与否必须与试验结果进行核对，才能得到进一步的验证。对于地面结冰试验，目前尚无专用于三维冰形探测的专业检测设备。

目前，在进行飞机部件结冰地面试验时多采用切割法获得冰形的二维轮廓形状及尺寸数据，但由于切割时易造成冰的破损所以很难获得精度较高的冰形及其尺寸数据，并且，切割法无法获得三维冰形数据特征。

发明内容

为了实现在飞机部件结冰地面试验中能够采集到三维冰形，本发明设计了一种基于计算机视觉技术的三维冰形检测仪。该三维冰形检测仪包括有外部购入器件(激光器、CCD摄像头、步进电机、舵机等)，以及用于安装外部购入器件的移动副平台和转动副平台。移动副平台包括有C导轨、C滑块、丝杠、基座和支架。转动副平台包括有A导轨、A滑动组件、舵机座、角度调节座、B导轨、B滑动组件和角度调节组件。步进电机作为移动副平台的驱动源，在步进电机、丝杠和滑块的配合下，能够使转动副平台在水平方向上移动。舵机用于驱动转动副平台上的两根导轨之间的夹角(30°～180°)。两根导轨上分别安装有激光器和CCD摄像头。本发明设计的三维冰形检测仪避免了采用切割法获取二维冰形、及尺寸数据时对冰本身造成的损坏以及测量精度不高的缺陷；并可缩短试验周期，提高试验效率，有效防止了因时间拖延而造成的冰的融化。

所述的角度调节组件包括有第一半环齿轮、第二半环齿轮、第一齿轮轴、第二齿轮轴、联轴套、A带座轴承、B带座轴承、C带座轴承、D带座轴承；第一半环齿轮安装在B导轨的一端上，第二半环齿轮安装在C导轨的一端上，且第一半环齿轮上的齿与第二半环齿轮上的齿啮合；第一半环齿轮套接在第一齿轮轴上；第一齿轮轴的一端套接在A带座轴承上，所述A带座轴承的轴承座安装在角度调节座的A支板的B通孔处；第一齿轮轴的另一端套接在B带座轴承上，所述B带座轴承的轴承座安装在角度调节座的B支板的D通孔处；第二半环齿轮套接在第二齿轮轴上；第二齿轮轴的另一端套接在D带座轴承上，所述D带座轴承的轴承座安装在角度调节座的B支板的C通孔处；第二齿轮轴的一端套接有C带座轴承，且穿过C带座轴承后与联轴套的圆柱端连接，联轴套的圆盘端与舵机的舵盘连接，所述C带座轴承的轴承座安装在角度调节座的A支板的A通孔处。

本发明三维冰形检测仪的优点在于：

①将调节好导轨夹角的转动副平台在移动副平台上沿水平方向移动，实现了冰形图像的水平方向采集，为后续利用该冰形图像信息构建三维冰形提供原始数据支持。

②采用两个CCD摄像头形成一个双目视觉进行冰形表面上的光条曲线采集，避免了视觉盲区。

③在转动副平台的两根导轨上分别安装激光器和CCD摄像头，且两根导轨上的两个激光器出射的光束共面，有利于形成冰形的二维轮廓。

④采用舵机来驱动角度调节组件，使得与两根导轨端部连接的半环齿轮形成相反转动，有利于精确调整两导轨的夹角。

⑤角度调节组件采用导轨、齿轮以及轴的配合，可以以较小载荷的舵机实现转动副平台的转动。

⑥即插即用，当需要检测冰形时可以将CCD摄像头、步进电机上的接口与计算机相连，实时进行现场测量。地面冰形实验完毕后可以断开连接并拆卸各模块以便保养，使用方便，便于携带。整个探测仪结构简单，质量轻，能耗低。

附图说明

图1是本发明三维冰形检测仪的结构图。

图2是本发明三维冰形检测仪中转动副平台的结构图。

图2A是本发明转动副平台中角度调节座的结构图。

图2B是本发明转动副平台中舵机座的结构图。

图2C是本发明转动副平台中角度调节组件的结构图。

图2D是本发明转动副平台中A滑动组件的分解图。

图2E是本发明A滑动组件中A滑块的剖视图。

图2F是本发明转动副平台中B滑动组件的分解图。

图2G是本发明A滑动组件中B滑块的剖视图。

图3是本发明三维冰形检测仪中移动副平台的分解图。

图中：            1.A导轨             2.A滑动组件       21.A滑块           211.A紧顶螺钉

212.B紧顶螺钉     213.C紧顶螺钉       214.矩形通        215.A盲孔          216.B盲孔

217.A螺纹孔       218.B螺纹孔         219.C螺纹孔       22.A摄像头夹具

221.G通孔         222.圆柱连接头      23.A激光器夹具                       231.H通孔

232.接合处        24.A连接件          241.手柄          242.圆柱连接头     3.舵机座

31.A板面          32.B板面            33.E通孔          34.F通孔           35.矩形孔

4.角度调节座      41.A支板            42.B支板          43.A通孔           44.B通孔

45.C通孔          46.D通孔            47.连板           5.B导轨            6.B滑动组件

61.B滑块          611.D紧顶螺钉       612.E紧顶螺钉     613.F紧顶螺钉      614.矩形通孔

615.C盲孔         616.D盲孔           617.D螺纹孔       618.E螺纹孔        619.F螺纹孔

62.B摄像头夹具                        621.I 通孔          622.圆柱连接头   63.B激光器夹具

631.J通孔         632.接合处          64.B连接件        641.手柄           642.圆柱连接头

7.C导轨           7A.A止动开关        7B.B止动开关      7C.导轨座          7D.压片

8.C滑块           8A.矩形通孔         8B.丝杠螺纹孔     9.丝杠             9A.E带座轴承

9B.联轴套         10.基座             10A.A立板         10B.B立板          10C.矩形通孔

10D.K通孔         11.角度调节组件                       111.第一半环齿轮

112.第二半环齿轮                      113.第一齿轮轴    114.第二齿轮轴     115.联轴套

116.A带座轴承     117.B带座轴承       118.C带座轴承     119.D带座轴承      12.支架

1A.A激光器        1B.第一CCD摄像头                      1C.舵机            1C-1.舵盘

1D.B激光器        1E.第二CCD摄像头                      1F.步进电机

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明是一种适用于飞机部件结冰地面试验中进行模型结冰试验用的三维冰形检测仪，其包括有外部购入器件(激光器、CCD摄像头、步进电机、舵机等)，以及用于安装外部购入器件的移动副平台和转动副平台。

所述外部购入器件中的激光器用于提供有色线激光束(可以选用红色线激光)，该有色线激光束照射在结冰部件的结冰表面上，且形成光条曲线；当激光照射到形状复杂的冰形上时，由于受到冰形形状的调制，激光不在是一条直线，而是变成曲线，其弯曲的程度与冰形的形状有关，冰形形状不同，就得到不同形状的激光曲线，标定出这种对应的差别便可以准确将飞机部件上各个位置的不同冰形的二维轮廓提取出来，将各个位置的冰形二维轮廓放到同一个坐标系中，即可拟合出冰形的三维结构数学模型。

所述外部购入器件中的CCD摄像头用于拍摄激光器出射的激光照射在冰形表面形成的光条曲线，并将获得的图像传输PC机中进行存储。

移动副平台包括有C导轨7、C滑块8、丝杠9、基座10和支架12。

基座10的A立板10A上安装有E带座轴承9A和导轨座7C，基座10的B立板10B上设有矩形通孔10C和K通孔10D，该矩形通孔10C用于C导轨7的一端穿过，该K通孔10D用于步进电机1F的输出轴穿过，且步进电机1F的机壳安装在B立板10B外侧上。

C滑块8上设有矩形通孔8A和丝杠螺纹孔8B，该矩形通孔8A用于C导轨7的一端穿过，该丝杠螺纹孔8B用于丝杠9的一端穿过；

支架12安装在C滑块8的上部；

步进电机1F的输出轴套接在联轴套9B的一端，联轴套9B的另一端与丝杠9的另一端连接，丝杠9的一端穿过C滑块8上的丝杠螺纹孔8B后安装在E带座轴承9A上；

C导轨7的一端顺次穿过基座10的B立板10B上的矩形通孔10C、C滑块8上的矩形通孔8A后安装在导轨座7C上；C导轨7的另一端通过压片7D顶紧，且压片7D安装在B立板10B的外侧板面上；

在本发明中，为了对C导轨7的行程进行限定，在C导轨7的一端安装了A止动开关7A，C导轨7的另一端安装了B止动开关7B。

转动副平台包括有A导轨1、A滑动组件2、舵机座3、角度调节座4、B导轨5、B滑动组件6和角度调节组件11；

A滑动组件2包括有A滑块21、A摄像头夹具22、A激光器夹具23、A连接件24；A摄像头夹具22上设有G通孔221和圆柱连接头222；该G通孔221用于第一CCD摄像头1B的连接端穿过，且通过螺母安装在A摄像头夹具22上；该圆柱连接头222安装在A滑块21的A盲孔215内，且通过B紧顶螺钉212实现A摄像头夹具22与A滑块21的安装；A激光器夹具23采用软质材料(铝薄板、塑料等)弯曲形成一H通孔231(H通孔231内放置A激光器1A，软质材料包裹在A激光器1A外部)，且接合处232通过螺钉与螺母的配合连接在A连接件24的手柄241上；A连接件24的圆柱连接头242安装在A滑块21的B盲孔216内，且通过C紧顶螺钉213实现A连接件24与A滑块21的安装；

A滑块21在X轴方向上设有B盲孔216和A盲孔215，B盲孔216用于放置A连接件24的圆柱连接头242，A盲孔215用于放置A摄像头夹具22的圆柱连接头222；A滑块21在Y轴方向上设有C螺纹孔219、A螺纹孔217和B螺纹孔218，C螺纹孔219用于放置C紧顶螺钉213，A螺纹孔217用于放置A紧顶螺钉211，B螺纹孔218用于放置B紧顶螺钉212；A滑块21在Z轴方向上设有矩形通孔214，该矩形通孔214用于A导轨1通过。

舵机座3设计成空心长方体结构，舵机座3的A板面31上设有E通孔33和F通孔34，舵机座3的B板面32上设有矩形孔35；舵机座3的A板面31上安装有舵机1C，舵机座3的B板面32安装在角度调节座4的A支板41上。在本发明中，矩形孔35用于舵机1C的舵盘1C-1穿过。E通孔33处安装有C带座轴承118的轴承座，F通孔34处安装有A带座轴承116的轴承座。

角度调节座4设计成U形结构的一体成型件，角度调节座4的A支板41上设有A通孔43和B通孔44，角度调节座4的B支板42上设有C通孔45和D通孔46，角度调节座4的连板47安装在移动副平台的支架12上。在本发明中，A通孔43用于放置C带座轴承118；C通孔45用于放置D带座轴承119，且D带座轴承119的轴承座安装在角度调节座4的B支板42的外侧；B通孔44用于放置A带座轴承116；D通孔46用于放置B带座轴承117，且B带座轴承117的轴承座安装在角度调节座4的B支板42的外侧。

B滑动组件6包括有B滑块61、B摄像头夹具62、B激光器夹具63、B连接件64；B摄像头夹具62上设有I通孔621和圆柱连接头622；该I通孔621用于第二CCD摄像头1E的连接端穿过，且通过螺母安装在B摄像头夹具62上；该圆柱连接头622安装在B滑块61的C盲孔615内，且通过E紧顶螺钉612实现B摄像头夹具62与B滑块61的安装；B激光器夹具63采用软质材料(铝薄板、塑料等)弯曲形成一J通孔631(J通孔631内放置B激光器1C，软质材料包裹在B激光器1C外部)，且接合处632通过螺钉与螺母的配合连接在B连接件64的手柄641上；B连接件64的圆柱连接头642安装在B滑块61的D盲孔616内，且通过F紧顶螺钉613实现B连接件64与B滑块61的安装；

B滑块61在X轴方向上设有D盲孔616和C盲孔615，D盲孔616用于放置B连接件64的圆柱连接头642，C盲孔615用于放置B摄像头夹具62的圆柱连接头622；B滑块61在Y轴方向上设有D螺纹孔619、D螺纹孔617和E螺纹孔618，F螺纹孔619用于放置F紧顶螺钉613，D螺纹孔617用于放置D紧顶螺钉611，E螺纹孔618用于放置E紧顶螺钉612；B滑块61在Z轴方向上设有矩形通孔614，该矩形通孔614用于B导轨5通过。

角度调节组件11包括有第一半环齿轮111、第二半环齿轮112、第一齿轮轴113、第二齿轮轴114、联轴套115、A带座轴承116、B带座轴承117、C带座轴承118、D带座轴承119；

第一半环齿轮111安装在B导轨1的一端上，第二半环齿轮112安装在C导轨5的一端上，且第一半环齿轮111上的齿与第二半环齿轮112上的齿啮合；

第一半环齿轮111套接在第一齿轮轴113上；第一齿轮轴113的一端套接在A带座轴承116上，所述A带座轴承116的轴承座安装在角度调节座4的A支板41的B通孔44处；第一齿轮轴113的另一端套接在B带座轴承117上，所述B带座轴承117的轴承座安装在角度调节座4的B支板42的D通孔46处；

第二半环齿轮112套接在第二齿轮轴114上；第二齿轮轴114的另一端套接在D带座轴承119上，所述D带座轴承119的轴承座安装在角度调节座4的B支板42的C通孔45处；第二齿轮轴114的一端套接有C带座轴承118，且穿过C带座轴承118后与联轴套115的圆柱端连接，联轴套115的圆盘端与舵机1C的舵盘1C-1连接，所述C带座轴承118的轴承座安装在角度调节座4的A支板41的A通孔43处。

在本发明中，A导轨1与B导轨5之间的夹角为30°～180°，即在舵机1C的驱动下，第二齿轮轴1104沿顺时针方向转动，则B导轨5向下运动；由于B导轨5端部的第二半环齿轮1102与A导轨1端部的第一半环齿轮1101啮合，致使在第一齿轮轴1103为逆时针转动，则A导轨1向上运动；这一过程在本发明中称为两导轨的开，即两导轨的夹角最大能够达到180°。反之，当舵机1C驱动第二齿轮轴1104沿逆时针方向转动，则B导轨5向上运动；由于B导轨5端部的第二半环齿轮1102与A导轨1端部的第一半环齿轮1101啮合，致使在第一齿轮轴1103为顺时针转动，则A导轨1向下运动；这一过程在本发明中称为两导轨的合，即两导轨的夹角最小能够达到30°。

本发明设计的三维冰形检测仪，在步进电机1F的驱动下，丝杠9转动，丝杠9通过螺纹驱动滑块8沿导轨7移动，当移动至靠近A立板一端时，滑块8压下A止动开关7A，滑块8停止移动；当滑块8在丝杠的带动下移动至靠近B立板时，滑块8压下B止动开关7B，滑块8停止移动，A止动开关和B止动开关限定了滑块8的移动范围。

在舵机1C的驱动下，带动B导轨5端部的第二半环齿轮1102转动，通过第二半环齿轮1102与第一半环齿轮1101啮合，将转动传递给A导轨1末端的第一半环齿轮1101，致使两个导轨(A导轨1和B导轨5)沿相反的方向转动，从而实现两导轨之间夹角(30°～180°)的调节。

Claims (3)

1.一种三维冰形检测仪，其包括有外部购入器件，其特征在于：还包括有用于安装外部购入器件的移动副平台和转动副平台；

所述外部购入器件包括有A激光器(1A)、B激光器(1D)、第一CCD摄像头(1B)、第二CCD摄像头(1E)、步进电机(1F)、舵机(1C)；

所述移动副平台包括有C导轨(7)、C滑块(8)、丝杠(9)、基座(10)和支架(12)；

基座(10)的A立板(10A)上安装有E带座轴承(9A)和导轨座(7C)，基座(10)的B立板(10B)上设有矩形通孔(10C)和K通孔(10D)，该矩形通孔(10C)用于C导轨(7)的一端穿过，该K通孔(10D)用于步进电机(1F)的输出轴穿过，且步进电机(1F)的机壳安装在B立板(10B)外侧上；

C滑块(8)上设有矩形通孔(8A)和丝杠螺纹孔(8B)，该矩形通孔(8A)用于C导轨(7)的一端穿过，该丝杠螺纹孔(8B)用于丝杠(9)的一端穿过；

支架(12)安装在C滑块(8)的上部；

步进电机(1F)的输出轴套接在联轴套(9B)的一端，联轴套(9B)的另一端与丝杠(9)的另一端连接，丝杠(9)的一端穿过C滑块(8)上的丝杠螺纹孔(8B)后安装在E带座轴承(9A)上；

C导轨(7)的一端顺次穿过基座(10)的B立板(10B)上的矩形通孔(10C)、C滑块(8)上的矩形通孔(8A)后安装在导轨座(7C)上；C导轨(7)的另一端通过压片(7D)顶紧，且压片(7D)安装在B立板(10B)的外侧板面上；C导轨(7)的一端上安装有A止动开关(7A)，C导轨(7)的另一端上安装有B止动开关(7B)；

转动副平台包括有A导轨(1)、A滑动组件(2)、舵机座(3)、角度调节座(4)、B导轨(5)、B滑动组件(6)和角度调节组件(11)；

A滑动组件(2)包括有A滑块(21)、A摄像头夹具(22)、A激光器夹具(23)、A连接件(24)；A摄像头夹具(22)上设有G通孔(221)和圆柱连接头(222)；该G通孔(221)用于第一CCD摄像头(1B)的连接端穿过，且通过螺母安装在A摄像头夹具(22)上；该圆柱连接头(222)安装在A滑块(21)的A盲孔(215)内，且通过B紧顶螺钉(212)实现A摄像头夹具(22)与A滑块(21)的安装；A激光器夹具(23)采用软质材料弯曲形成一H通孔(231)，且接合处(232)通过螺钉与螺母的配合连接在A连接件(24)的手柄(241)上；A连接件(24)的圆柱连接头(242)安装在A滑块(21)的B盲孔(216)内，且通过C紧顶螺钉(213)实现A连接件(24)与A滑块(21)的安装；

A滑块(21)在X轴方向上设有B盲孔(216)和A盲孔(215)，B盲孔(216)用于放置A连接件(24)的圆柱连接头(242)，A盲孔(215)用于放置A摄像头夹具(22)的圆柱连接头(222)；A滑块(21)在Y轴方向上设有C螺纹孔(219)、A螺纹孔(217)和B螺纹孔(218)，C螺纹孔(219)用于放置C紧顶螺钉(213)，A螺纹孔(217)用于放置A紧顶螺钉(211)，B螺纹孔(218)用于放置B紧顶螺钉(212)；A滑块(21)在Z轴方向上设有矩形通孔(214)，该矩形通孔(214)用于A导轨(1)通过；

舵机座(3)设计成空心长方体结构，舵机座(3)的A板面(31)上设有E通孔(33)和F通孔(34)，舵机座(3)的B板面(32)上设有矩形孔(35)；舵机座(3)的A板面(31)上安装有舵机(1C)，舵机座(3)的B板面(32)安装在角度调节座(4)的A支板(41)上；

角度调节座(4)设计成U形结构的一体成型件，角度调节座(4)的A支板(41)上设有A通孔(43)和B通孔(44)，角度调节座(4)的B支板(42)上设有C通孔(45)和D通孔(46)，角度调节座(4)的连板(47)安装在移动副平台的支架(12)上；

B滑动组件(6)包括有B滑块(61)、B摄像头夹具(62)、B激光器夹具(63)、B连接件(64)；B摄像头夹具(62)上设有I通孔(621)和圆柱连接头(622)；该I通孔(621)用于第二CCD摄像头(1E)的连接端穿过，且通过螺母安装在B摄像头夹具(62)上；该圆柱连接头(622)安装在B滑块(61)的C盲孔(615)内，且通过E紧顶螺钉(612)实现B摄像头夹具(62)与B滑块(61)的安装；B激光器夹具(63)采用软质材料弯曲形成一J通孔(631)，且接合处(632)通过螺钉与螺母的配合连接在B连接件(64)的手柄(641)上；B连接件(64)的圆柱连接头(642)安装在B滑块(61)的D盲孔(616)内，且通过F紧顶螺钉(613)实现B连接件(64)与B滑块(61)的安装；

B滑块(61)在X轴方向上设有D盲孔(616)和C盲孔(615)，D盲孔(616)用于放置B连接件(64)的圆柱连接头(642)，C盲孔(615)用于放置B摄像头夹具(62)的圆柱连接头(622)；B滑块(61)在Y轴方向上设有D螺纹孔(619)、D螺纹孔(617)和E螺纹孔(618)，F螺纹孔(619)用于放置F紧顶螺钉(613)，D螺纹孔(617)用于放置D紧顶螺钉(611)，E螺纹孔(618)用于放置E紧顶螺钉(612)；B滑块(61)在Z轴方向上设有矩形通孔(614)，该矩形通孔(614)用于B导轨(5)通过；

角度调节组件(11)包括有第一半环齿轮(111)、第二半环齿轮(112)、第一齿轮轴(113)、第二齿轮轴(114)、联轴套(115)、A带座轴承(116)、B带座轴承(117)、C带座轴承(118)、D带座轴承(119)；

第一半环齿轮(111)安装在B导轨1的一端上，第二半环齿轮(112)安装在C导轨(5)的一端上，且第一半环齿轮(111)上的齿与第二半环齿轮(112)上的齿啮合；

第一半环齿轮(111)套接在第一齿轮轴(113)上；第一齿轮轴(113)的一端套接在A带座轴承(116)上，所述A带座轴承(116)的轴承座安装在角度调节座(4)的A支板(41)的B通孔(44)处；第一齿轮轴(113)的另一端套接在B带座轴承(117)上，所述B带座轴承(117)的轴承座安装在角度调节座(4)的B支板(42)的D通孔(46)处；

第二半环齿轮(112)套接在第二齿轮轴(114)上；第二齿轮轴(114)的另一端套接在D带座轴承(119)上，所述D带座轴承(119)的轴承座安装在角度调节座(4)的B支板(42)的C通孔(45)处；第二齿轮轴(114)的一端套接有C带座轴承(118)，且穿过C带座轴承(118)后与联轴套(115)的圆柱端连接，联轴套(115)的圆盘端与舵机(1C)的舵盘(1C-1)连接，所述C带座轴承(118)的轴承座安装在角度调节座(4)的A支板(41)的A通孔(43)处。

2.根据权利要求1所述的三维冰形检测仪，其特征在于：A导轨(1)与B导轨(5)之间的夹角为30°～180°。

3.根据权利要求1所述的三维冰形检测仪，其特征在于：激光器用于提供有色线激光束，该有色线激光束照射在结冰部件的结冰表面上，且形成光条曲线。

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