CN102313746A

CN102313746A - 一种基于数字散斑相关法的浮空器囊体检测系统

Info

Publication number: CN102313746A
Application number: CN201110273771A
Authority: CN
Inventors: 曹鹏涛; 赵攀峰; 苏润; 荣海春; 李劲松
Original assignee: CETC 38 Research Institute
Current assignee: CETC 38 Research Institute
Priority date: 2011-09-16
Filing date: 2011-09-16
Publication date: 2012-01-11

Abstract

本发明公开了一种基于数字散斑相关法的浮空器囊体检测系统，适用于检测浮空器囊体表面的缺陷和漏洞，属于航空器检测技术领域。本检测系统由主控平台、轨道装置、图像采集单元、加载设备和数据处理单元组成。检测时，首先利用装有摄像机的轨道装置实现对浮空器囊体的整体拍摄，接着通过控制囊体上的加载设备改变囊体内外压差使囊体发生变形，然后对变形后的囊体再次进行整体拍摄，最后针对两次拍摄的图像运用数字散斑相关技术得到囊体表面的位移和应变分布，进而实现对囊体缺陷和漏洞的检测。该系统具有无损检测、全场测量、精度高、定量化和自动化的特点，为浮空器囊体性能的检测提供了一套全新的解决方案。

Description

一种基于数字散斑相关法的浮空器囊体检测系统

技术领域

本发明涉及一种基于数字散斑相关法的浮空器囊体检测系统，适用于检测浮空器囊体表面的缺陷和漏洞，属于航空器检测技术领域。

背景技术

浮空器作为一种依靠浮力升空的飞行器，具有滞空时间长、安全性能好、效费比高等优点，在预警探测、对地观测、监控安保等领域有着广泛的应用和良好的前景。浮空器的浮力源自其囊体内装有氦气或氢气等轻质气体，囊体表面的缺陷和漏洞将会造成囊体异常的应力集中和气体泄露，极大地影响浮空器的使用寿命。这些缺陷和漏洞主要来自两个方面，一是生产过程中囊体材料本身存在的瑕疵和材料热合或胶结效果不好的情况，二是使用过程中囊体折叠、运输时出现的磨损和破裂现象。

为保证浮空器的安全运行，对浮空器囊体的性能检测是浮空器出厂试飞前和日常维护时的必要步骤。但目前没有一种囊体自动检测系统能够满足使用要求，当前对浮空器囊体的检测只能通过人工观察结合涂肥皂水的方式进行。即在外部光源的照射下，人员在囊体内部观察囊体上是否有亮点，如果有则在亮点上涂肥皂水以确定是否漏气，由此判断囊体上的缺陷和漏洞。这种方案属于定性检测，其检测结果较为粗略，同时由于囊体体型巨大，人工检测工作十分繁重。传统的贴应变片方式只能用于刚体应变测量，无法用于像浮空器囊体之类的膜结构变形检测。针对浮空器囊体的性能检测，现在尚无很好的解决方案。

光学检测是一种基于光学传播、干涉等特性和图像处理技术的无损检测方法。它包括散斑、全息、云纹、光弹等技术，适用于物体形貌、位移、应变、残余应力等检测领域。光学检测具有非接触、高灵敏度、高精度等优点，但一般对环境条件有要求。数字散斑相关法作为一种基于图像相关技术的光学检测方法，常用于检测物体形变。这种方法的核心思想是利用物体变形前后各区域特征点的相关程度确定其形变。该法对检测环境要求不高，适合现场检测。

发明内容

针对现有浮空器囊体人工检测方法检测结果粗略的不足，本发明提供了一套基于数字散斑相关技术的检测方案和系统。该方案能实现对浮空器囊体的整体检测，并得到定量的测量结果。基于数字散斑相关法的浮空器囊体检测系统具有无损检测、全场测量、精度高、定量化和自动化的特点。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于数字散斑相关法的浮空器囊体检测系统由主控平台、轨道装置、图像采集单元、加载设备和数据处理单元构成。该系统借助主控平台对轨道旋转、囊体加载、图像采集和数据处理全过程进行控制和显示，首先利用装有摄像机的轨道装置实现对浮空器囊体的整体拍摄，接着通过控制囊体上的加载设备改变囊体内外压差使囊体发生变形，然后对变形后的囊体再次进行整体拍摄，最后针对两次拍摄的图像运用数字散斑相关技术得到囊体表面的位移和应变分布，进而实现对囊体缺陷和漏洞的检测。

主控平台由控制单元和显示单元组成，它集成了轨道装置、图像采集单元、加载设备和数据处理单元四个部分的控制和显示模块。主控平台主要实现三个功能：一是设置控制参数，即根据囊体尺寸和实际需要，设定轨道旋转参数、图像采集参数、加载参数和数据处理参数；二是发出控制指令，驱使轨道装置中的电机控制器、图像采集单元中的摄像机和加载设备中的加载控制器按参数工作，使得数据处理单元依参数运算；三是显示控制过程和处理结果，给出轨道旋转位置、拍摄图像序号与囊体的对应关系以及囊体位移、应变分布图。

轨道装置由摄像机导轨、支撑框架、步进电机和电机控制器组成。摄像机导轨的形状呈流线形，与浮空器囊体表面母线同构。导轨两端与支撑框架相连，其上安装有摄像机。支撑框架连接着浮空器囊体的两端。有两种方式可以实现对囊体的整体拍摄，一种是固定囊体，旋转导轨，另一种是固定导轨，旋转囊体。导轨或囊体可借助步进电机围绕浮空器囊体的首尾连线旋转，其每次旋转角度由电机控制器决定。当导轨相对囊体旋转一周时，即完成了对囊体的整体拍摄。

图像采集单元包括摄像机、图像采集卡和存储计算机。摄像机可以是单台移动式摄像机或者固定式摄像机阵列。若摄像机导轨上是单台移动式摄像机，当导轨或囊体旋转到设定位置时，摄像机沿导轨步进移动，以完成此位置对应区域带上的拍摄。若摄像机导轨上是固定式摄像机阵列，则可一次性完成此区域带上的拍摄。针对不同尺寸的囊体，通过调节摄像机的位置、焦距和导轨的旋转角度，可以得到所需精度的拍摄图像。为了获得定量的结果，拍摄前使用游标卡尺对摄像机进行标定。在浮空器囊体变形前后，分别使用摄像机对其进行拍摄，将获得的图像经由图像采集卡存储到计算机。变形前后的图像对应编码存放，以备后续数据处理时使用。

加载装置由加载控制器、风机和阀门组成。为了获得浮空器囊体的变形信息，必须对其进行加载。出于使囊体发生均衡变形的目的，这里使用的加载方式是充放气变压法，包括充气增压和放气降压两种方式。充气增压的过程是：先将浮空器囊体通过风机充气到某一较低的气压，进行第一次拍摄，这对应变形前的情形；然后再次通过风机充气到较高的气压，进行第二次拍摄，这对应变形后的情形。放气降压的过程是：先将浮空器囊体通过风机充气到某一较高的气压，进行第一次拍摄，这对应变形前的情形；然后通过阀门放出少许的气体，再行拍摄，这对应变形后的情形。

数据处理单元包括数据处理软件和处理计算机。其功能是利用数字散斑相关法从采集图像中提取位移和应变信息，并根据应变分布情况，对浮空器囊体性能进行分析，判断出囊体表面的缺陷和漏洞。数据处理软件的核心方法是数字散斑相关法。其基本思想是在物体变形前的散斑场中选定一个样本子区,然后在物体变形后的散斑场中通过一定的搜索方法按预先定义的相关函数搜索与样本子区相对应的子区,相关系数最大或最小（取决于所选择的相关函数）的子区即为目标子区，由此便可确定样本子区中心的位移。推之全场，即得全场位移分布。然后对位移场进行拟合处理后，求导得到应变分布。一种判别囊体缺陷和漏洞的方法是根据囊体材料强度定义缺陷应变值，通过比较各处应变与缺陷应变值的关系实现判别。

本发明的积极效果在于：本发明提供的浮空器囊体检测系统具有无损检测、全场测量、精度高、定量化和自动化的特点，为浮空器囊体性能检测提供了一套全新的解决方案。

附图说明

图1为本发明基于数字散斑相关法的浮空器囊体检测系统框架示意图。

图2为本发明图1示意的轨道装置、图像采集单元和加载设备连接图。

图3为本发明图1示意的数据处理单元流程图。

图中：1、主控平台；2、轨道装置；3、图像采集单元；4、加载设备；5、数据处理单元；6、控制单元；7、显示单元；8、摄像机导轨；9、支撑框架；10、步进电机；11、电机控制器；12、摄像机；13、图像采集卡；14、存储计算机；15、风机；16、阀门；17、加载控制器；18、浮空器囊体。

具体实施方式

下面结合图1-图3对本发明做进一步说明。

如图1所示，基于数字散斑相关法的浮空器囊体检测系统由主控平台1、轨道装置2、图像采集单元3、加载设备4和数据处理单元5组成。其中主控平台1包括控制单元6和显示单元7。检测过程分为三个阶段，即一次采集、二次采集和数据处理。检测开始时，控制单元6首先向轨道装置2发出控制指令，使摄像机导轨相对浮空器囊体（既可以是旋转导轨也可以是旋转囊体）按照设定角度进行转动。每转动到一个位置时，控制单元6触发图像采集单元3进行拍摄。当导轨相对囊体旋转一周时，对囊体整体的拍摄完成，一次采集阶段结束。采集过程中，拍摄图像、导轨运行位置和囊体的对应关系以图形化的形式显示于显示单元7中。二次采集是在对囊体进行加载后，按一次采集的角度、位置和参数再行拍摄一次。首先由控制单元6发出加载指令，加载设备4具体执行。当加载达到预定数值时，停止加载。接着控制单元6分别向轨道装置2和图像采集单元3发出控制指令，使得二者按第一次采集的状态进行拍摄。显示单元7实时显示采集过程。二次采集完成后，进入数据处理阶段。控制单元6向数据处理单元5发出控制指令，数据处理单元5调入一次采集和二次采集相对应的图像数据，根据数字散斑相关法计算全场位移和应变，并由算法判断出囊体表面缺陷和漏洞的位置及大小。这些计算结果也将反馈到显示单元7并实时显示。

检测系统中轨道装置、图像采集单元和加载设备各组件的连接关系如图2所示。摄像机导轨8、支撑框架9、步进电机10和电机控制器11共同构成了轨道装置2。浮空器囊体18的两端分别与摄像机导轨8和支撑框架9的交点相连。电机控制器11接收到控制单元6发来的控制信号后，驱动步进电机10工作，摄像机导轨8（旋转导轨）或者浮空器囊体18（旋转囊体）以与支撑框架9的交点连线为轴进行定角度旋转。图2下部显示的是摄像机旋转拍摄时沿浮空器囊体18纵截面的剖视图。

摄像机12（单台移动式摄像机或者固定式摄像机阵列，图中显示的是摄像机阵列）安装在摄像机导轨8上，其与图像采集卡13和存储计算机14组成图像采集单元3。检测前，首先根据浮空器囊体尺寸，调整摄像机位置和焦距，以满足所需测量精度；接着在摄像机正下方的囊体表面放置游标卡尺，以对摄像机进行标定。摄像机导轨8带动摄像机12相对浮空器囊体18进行旋转时，每当摄像机导轨8旋转到设定位置时，控制单元6向摄像机12发出控制信号，触发其采集图像，拍摄结果经图像采集卡13进入存储计算机14。假设导轨相对囊体停止位置I依次为1到N，单台移动式摄像机移动位置或者摄像机阵列中摄像机编号I’依次为1’到N’，则一次采集和二次采集到的全场图像序列分别为（11’，12’，…，1N’，…，II’， …，NN’）和（[11’]，[12’]，…[1N’]，…，[II’]， …，[NN’]），二者一一对应。

加载设备4包括的风机15、阀门16和加载控制器17位于浮空器囊体18的下部，加载控制器17接受控制单元6的控制信号。若使用充气增压法，其加载步骤为：首先通过风机15将浮空器囊体充气到较低的气压P1，此时触发一次采集；接着再次通过风机15将浮空器囊体充气到较高的气压P2，此时触发二次采集。若使用放气降压法，其加载步骤为：首先通过风机15将浮空器囊体充气到较高的气压Q1，此时触发一次采集；接着借助阀门16放出部分气体使囊体内压降为Q2，此时触发二次采集。

如图3所示，基于数字散斑相关法的浮空器囊体检测系统的数据处理单元的工作流程如下：首先根据浮空器囊体材料强度定义缺陷应变值A，应变超过此值的地方认为是缺陷区域；接着输入变形前后的图像II’和[II’]，即一次采集和二次采集对应的图像；随后引入相关函数，经过相关运算得到浮空器囊体表面的位移分布；然后运用拟合差分的方法，进一步获得应变场；最后根据应变场的极值情况，判断出囊体表面的缺陷和漏洞，即如果应变B大于A，则此处为缺陷，如果应变B等于0，则此处为漏洞。

Claims

1.一种基于数字散斑相关法的浮空器囊体检测系统，其特征在于：所述基于数字散斑相关法的浮空器囊体检测系统由主控平台、轨道装置、图像采集单元、加载设备和数据处理单元构成，且使用数字散斑相关法作为检测浮空器囊体缺陷和漏洞的技术手段。

2.在检测过程中，借助主控平台对轨道旋转、囊体加载、图像采集和数据处理全过程进行控制和显示，首先利用装有摄像机的轨道装置实现对浮空器囊体的整体拍摄，接着通过控制囊体上的加载设备改变囊体内外压差使囊体发生变形，然后对变形后的囊体再次进行整体拍摄，最后针对两次拍摄的图像运用数字散斑相关技术得到囊体表面的位移和应变分布，进而实现对囊体缺陷和漏洞的检测。

3.根据权利要求1所述的一种基于数字散斑相关法的浮空器囊体检测系统，其特征在于通过轨道装置相对浮空器囊体的旋转实现对浮空器囊体的整体拍摄，旋转方案既可以是固定囊体，旋转导轨，也可以是固定导轨，旋转囊体。

4.根据权利要求1所述的一种基于数字散斑相关法的浮空器囊体检测系统，其特征在于图像处理单元中的摄像机可以是单台移动式摄像机，也可以是固定式摄像机阵列。

5.根据权利要求1所述的一种基于数字散斑相关法的浮空器囊体检测系统，其特征在于使用充放气变压法实现对浮空器囊体的加载，包括充气增压和放气降压两种方式。

6.根据权利要求1所述的一种基于数字散斑相关法的浮空器囊体检测系统，其特征在于利用数字散斑相关法从采集图像中提取位移和应变信息，并根据全场应变分布情况，对浮空器囊体性能进行分析。

7.根据权利要求1所述的一种基于数字散斑相关法的浮空器囊体检测系统，其特征在于提出一种判别囊体缺陷和漏洞的方法，即根据囊体材料强度定义缺陷应变值，通过比较各处应变与缺陷应变值的关系实现判别。