CN108827186A - 一种狭长腔体的内膛轮廓测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对狭长腔体内膛轮廓测量方法，该方法实现了快速、准确地在线自动测量。同时该方法提供了一种光学基准校对方法，和一种轴向测距方法。通过全局基准校对系统获取测量装置和平行光束的相对夹角和相对横向位移，最终为整个系统提供全局准直校对方案；通过轴向测距系统获取测量装置和锥形光发生器的轴向距离，最终为整个系统提供轴向位移信息。本发明腔体内膛轮廓测量方法适用于测量火炮身管，电磁发射器身管，狭长管道等不同口径大小的腔体内膛轮廓。本发明提出的腔体内膛轮廓扫描方法，解决了狭长腔体内膛轮廓检测问题，且提供了一种更有效的基准测量方法和轴向位移测量。

Description

一种狭长腔体的内膛轮廓测量方法

技术领域

本发明涉及一种狭长腔体的内膛轮廓测量系统，属于光电测量技术领域。

背景技术

电磁轨道发射过程中，脉冲大电流高速滑动电接触过程产生的各种损伤都会在轨道内膛留下不同的物理特征和现象，对轨道内膛形态的测量测试和研究分析，是分析各种损伤物理机理、解决损伤问题、评估发射器使用寿命的重要手段。同时狭长腔体内膛轮廓的测量研究对于火炮身管寿命评估、各种管道损伤探测等也具有重要的参考意义。

对于内膛轮廓扫描，就表面形态扫描而言，大致可以分为机械接触测量和光学测量两类。

(1)机械接触式。目前已有的接触机械式表面轮廓扫描仪采用的是接触式的压力传感器，通过对内膛表面的直接接触测量从而得到内膛的轮廓形状。其装置基于机械接触的可伸缩的探针，沿着被测物体表面移动，进而通过探针伸缩的相对位移测量得到物体表面形态信息。该方法操作和测量需要基准面，现有的商用表面轮廓测量仪器通常对被测试测量的尺寸有要求，结构复杂，使用时的限制条件较多。

(2)光学测量方法。光学测量内膛轮廓早期多利用激光三角测量法以二维位置传感器和激光器作为基本元器件，测量适于微细管道及深孔的三维重建系统。例如在管道测量、传统火炮内膛测量等场合，该种系统主要由管道机器人、形貌检测器和曲率检测器等部分组成。形貌检测器可以采集管道内壁截面信息，并计算出界面换上的点在局部坐标系中的位置。曲率检测器负责管孔中心轴线在检测器采样位置处的局部几何性质，并完成管道中轴线的构建，进而可以实现管道内表面的三维重建。

对于内膛表面形态的扫描目前还有一种基于环形光切图像法的管内壁测量系统。测量系统主要由半导体激光器、环形光发生器以及摄像机组成。来自光环发生器的环形光带投射于被测管内壁上并成像于摄像机。根据光散射和反射的理论，测量系统参数被选择以优化系统。

本发明中采用的激光光学三角法具有高精度、非接触的特点，并可提供定量检测结果和被检管道任意位置横截面显示图、轴向展开图、三维立体显示图等。随着光学和微电子学的发展，微小的光学三角探头己研制成功，并被用于管道内壁的无损检测。激光光学三角法测量系统由光学三角头、运动控制、定位系统、数据显示及其分析系统组成。激光三角法的测量原理如图1所示，管道内表面的缺陷可由内表面相对于基准线的高度变化来表示，当准直激光束照射到被测表面时，表面高度的变化致使成像点位置发生移动，透镜将照射点成像到光电探测器上，同时探测器的像平面上记录该点的位置。用于镜面反射表面的检测，利用光电探测器获取的反射光点的位置来判断表面缺陷；用于粗糙表面或有特殊反射的管道表面的检测，光电探测器从被测表面收集发散的反射光，激光垂直入射，成像透镜过对物体表面漫反射的光线成像，在像面上放置的横向光电效应传感器件用于接收成像光点，并将光信号转换成电信。由于成像点位置与内表面高度之间存在直接联系，故通过计算表面高度图可实现表面缺陷检测。

中国专利公开说明书CN202329405U公开了一种火炮身管内膛检测系统，其结构包括安装于轴杆上的定心机构和内径测量机构，所述定心机构包括固定于轴杆上的固定板、端部与所述固定板铰接并环布于固定板的若干伞骨以及安装于所述轴杆上的用于将伞骨撑开的弹性支撑机构。该装置虽然采用了准直定心，但其通过轴杆定心，适用身管身管口径大，应用于内膛100mm到155mm的身管。同时该装置通过轴杆推进量确定测量位置。

中国专利公开说明书CN105424724A公开了一种基于主动式全景视觉的火炮膛疵病检测装置,利用沿火炮膛爬行的主动式全景视觉传感器,采集火炮膛全景图像和火炮膛激光切片扫描全景图像。该装置虽然实现了主动测量，但其未涉及提到装置的准直方案，故对于测量结果会有一定偏差。同时该装置未涉及轴向位移量的测量，以往通过程序控制步进电机控制装置步进的方法精确较差，无法获得装置在身管的准确位置信息。

发明内容

基于以上分析，本发明目的是解决腔体内膛轮廓测量问题，并且解决测量装置在每次轮廓检测过程中更准确、更方便获得偏移信息和轴向位移信息。

为达到内膛轮廓测量的目的，本发明提供了一种狭长腔体的内膛轮廓测量方法，包括提出了由平行光发生器和图像传感器组成的全局基准校对系统和由锥形光发生器和图像传感器组成的轴向测距系统为测量装置提供测量偏移信息和轴向位移信息。

基于激光三角法如图1所示，图像传感器抓取环形激光发生器打在腔体内壁表面的环形光束，然后利用FPGA将数据将内壁轮廓数据进行存储，待测量完成后传输给PC机，绘制三维轮廓图形。全局基准校对系统通过抓取测量装置在不同位置时平行光发生器打在图像传感器上的光斑图形，进而确定测量装置在不同时刻下的位置偏移量和角度偏移量。轴向测距系统通过抓取测量装置在不同位置时锥形光发生器打在图像传感器的光斑图形，进而确定测量装置在不同时刻下的轴向位移量。

本发明腔体内膛轮廓测量方法适用于测量火炮身管，电磁发射器身管，狭长管道等不同口径大小的腔体内膛轮廓。

作为本发明内膛轮廓测量方法的一种改进，通过升级各部分图像传感器的像素可以获得更高的测量精度，更换不同焦距的镜头可以测量不同口径的腔体。

作为本发明内膛轮廓测量方法的另一种改进，其中全局基准校对系统和轴向测距系统还可以应用到其他需要准直测量和位移深度测量的情况中。

本发明提出的腔体内膛轮廓扫描方法，解决了狭长腔体内膛轮廓检测问题，且提供了一种更有效的基准测量方法和轴向位移测量方法。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明采用的激光三角法原理图；

图2为本发明提供的内膛轮廓测量系统示意图。

具体实施方式

本发明狭长腔体的内膛轮廓测量方法，该方法包括如下步骤：

步骤一、下达初始化指令、完成在线准直校对、电机初始化以及图像传感器初始化，并完成全局基准校对、图像传感测量和轴向测距系统装置的安装；

步骤二、通过图像传感器获取采集打在腔体轨道发射器内膛表面上的激光图像；

步骤三、利用全局基准校对系统获得图像传感器输出图像对应的测量时刻的装置姿态信息；

步骤四、利用轴向测距系统获得图像传感器输出图像对应的测量时刻的内膛轴向位移信息，其中轴向是狭长腔体一端开头至另一端开口的方向；

步骤五、整个测量图像传感测量系统装置前进一定距离，重复步骤二到四，依次获得一定范围内不同位置的内膛轮廓数据以及相应的姿态信息和轴向距离信息；

步骤六、轴向测距系统步进一定距离，重复步骤二到五，获得整个狭长腔体内膛轮廓；

步骤七、将存储的数据导出，并进行拟合还原，最终得到腔体内膛三维轮廓。

管道内表面的缺陷可由内表面反射环形激光发生器发出的激光来计算其缺陷深度信息，当环形激光束照射到被测表面时，表面高度的变化致使成像点位置发生移动，透镜将照射点成像到图像传感器上，在图像传感器的像平面上记录该点的位置。

本发明中测量装置在测量每一个内膛截面轮廓数据的同时，会获得由全局基准校对系统提供的测量装置位置偏移和角度偏移信息，轴向测距系统提供的轴向位移信息。

平行光发生器(1)位于狭长腔体端口外侧，其发射一束平行光穿透整个内腔。平行激光发生器(1)在整个测量过程中不移动，图像传感器(2)捕获的光斑为平行光束的截面，根据整个过程中图像传感器(2)捕获光斑的变化可以得到测量装置姿态变化情况。

轴向测距系统在轴向测距时，锥形激光发生器(5)不移动，图像传感器(6)固定在测量装置上并随之在腔体步进，测量一定距离后，测量装置不移动，且通过锥形光发生器的步进使锥形激光发生器(5)始终与测量装置保持在0～50cm的距离范围内。轴向测距时，锥形激光发生器(5)将一束已知形状的汇聚光束打在图像传感器(6)上，根据该图像传感器(6)上的变化情况，可以计算得到轴向距离。

本发明提供的狭长腔体内膛的轮廓扫描方法，实现的是实时在线快速测量，且配套地提出了一种全局基准校对方法和一种轴向测距方法；轮廓抓取采用的是激光三角法测量，是一种非接触式测量方式；测量快速方便，可自动输出内膛轮廓结果及内膛二维，三维形貌特征；基于图像传感芯片成像，实现三角法测量的数据处理；采用商用的低成本数字图像传感芯片，成本低，便于系统升级扩展。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行改进或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (15)

1.一种狭长腔体的内膛轮廓测量方法，该方法包括如下步骤：

步骤一、下达初始化指令、完成在线准直校对、电机初始化以及图像传感器初始化，并完成全局基准校对、图像传感测量和轴向测距系统的安装；

步骤二、通过图像传感器获取打在腔体内膛表面上的激光图像；

步骤三、利用全局基准校对系统获得图像传感器输出图像对应的装置姿态信息；

步骤四、利用轴向测距系统获得图像传感器输出图像对应的内膛轴向位移信息，其中轴向是狭长腔体一端开头至另一端开口的方向；

步骤五、图像传感测量系统前进一定距离，重复步骤二到四，依次获得一定范围内不同位置的内膛轮廓数据以及相应的姿态信息和轴向距离信息；

步骤六、轴向测距系统步进一定距离，重复步骤二到五，获得整个狭长腔体内膛轮廓；

步骤七、将存储的数据导出，并进行拟合还原，最终得到腔体内膛三维轮廓。

2.根据权利要求1所述异形狭长腔体的内膛轮廓测量方法，其特征在于：所述传感器初始化方式通过FPGA控制实现。

3.根据权利要求1所述异形狭长腔体的内膛轮廓测量方法，其特征在于：图像传感器(4)抓取环形激光发生器(3)打在腔体内壁的图形。

4.根据权利要求1所述异形狭长腔体的内膛轮廓测量方法，其特征在于：通过自身全局基准校对系统提供测量装置偏移信息。

5.根据权利要求1所述异形狭长腔体的内膛轮廓测量方法，其特征在于：通过轴向测距系统提供轴向位移信息。

6.根据权利要求1所述异形狭长腔体的内膛轮廓测量方法，其特征在于：所述步骤五装置前进及步骤六轴向测距系统前进方式通过步进电机进行。

7.根据权利要求1所述异形狭长腔体的内膛轮廓测量方法，其特征在于：所述步骤七中内膛截面数据和位置姿态数据导出到PC端，并通过拟合软件进行拟合还原。

8.一种用于实现权利要求1所述异形狭长腔体的内膛轮廓测量的全局基准校对方法，其特征在于：该方法是一种激光准直方法，通过计算激光发生器(1)在不同时刻打在图像传感器(2)上的光斑图形得到位置偏移信息和角度偏移信息。

9.根据权利要求8所述全局基准校对方法，其特征在于：基准校对过程中使用激光发生器(1)和图像传感器(2)。

10.根据权利要求8所述全局基准校对方法，其特征在于：激光发生器(1)产生光源为平行光，且平行光与图像传感器的夹角为0～90°，平行光截面为已知规则形状，如圆形、椭圆、环，作用距离大于10米，且全局基准校对系统安装后与被测腔体的空间相对位置始终保持固定。

11.根据权利要求8所述全局基准校对方法，其特征在于：激光发生器(1)相对于被测腔体不移动，图像传感器(2)固定在测量装置上并随之在腔体步进。

12.一种用于实现权利要求1所述异形狭长腔体的内膛轮廓测量的轴向测距方法，其特征在于：通过计算激光发生器(5)在不同时刻打在图像传感器上(6)的光斑图形得到轴向位移信息。

13.根据权利要求12所述轴向测距方法，其特征在于：轴向测距过程中使用的是激光发生器(5)和图像传感器(6)。

14.根据权利要求12所述轴向测距方法，其特征在于：激光发生器(5)光源为锥形光，且锥形光中心线与图像传感器的夹角为0～90°，锥形光截面为已知规则形状，如圆形、椭圆、环。

15.根据权利要求12所述轴向测距方法，其特征在于：轴向测距时锥形激光发生器(5)不移动，图像传感器(6)固定在测量装置上并随之在腔体步进，测量一定距离后通过锥形光发生器的步进使锥形激光发生器(5)始终与测量装置保持在0～50cm的距离范围内。