CN110207539A - 一种火炮膛内弹丸运动状态参数测量系统 - Google Patents

一种火炮膛内弹丸运动状态参数测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于火炮测量装置技术领域，尤其涉及一种火炮膛内弹丸运动状态参数测量系统，其特征是：至少包括推杆、第一相机、第一标定板、第二相机、第二标定板及计算单元；所述的推杆固定在弹丸的前方，并有一部分伸出火炮炮膛之外；所述的第一相机用于获取推杆的正视图，第二相机用于获取推杆的俯视图；第一标定板和第二标定板用于向第一相机和第二相机提供标定信息；第一相机和第二相机分别与计算单元接口电连接，向计算单元提供获取的图像信息，对图像信息进行存储和计算分析，获得弹丸的位置信息、位移、速度、加速度和弹丸在膛内运动时间。它提供一种结构简单、测量精度稳定、能够准确记录弹丸在三维空间中的位置信息的火炮膛内弹丸运动状态参数测量系统。

Description

一种火炮膛内弹丸运动状态参数测量系统
技术领域
本发明属于火炮测量装置技术领域，尤其涉及一种火炮膛内弹丸运动状态参数测量系统。
背景技术
火炮膛内弹丸的运动状态参数对于鉴定武器装药特性、火炮身管特性、武器系统寿命和可靠性具有重要的意义。但由于在弹丸发射过程内膛是一个高温高压的封闭狭小空间，而且弹丸正在急剧加速，这给炮弹膛内运动相关量的测试工作带来了极大的困难。
在现有技术中广泛采用的有硬线技术、微波干涉测量技术和激光干涉测量技术。
硬线技术是早期采用的膛内参数测试方法，硬线技术是指在弹丸发射过程中，将引线从弹丸头部引出，测试信号通过引线传输到记录系统，测试信号的记录直到引线被拉断为止，但这种方法存在测试时容易出现断线的现象，测试信号容易受到环境的影响等缺点。
微波干涉测量技术不需要对火炮进行改装，该技术通过微波干涉，产生包含弹丸运动信息的多普勒频移信号，根据多普勒频偏解算出弹丸在火炮膛内速度随时间的变化关系，进而确定弹丸在火炮内的行程、速度等参数。其有以下缺点：由于微波干涉测量技术受限于微波的波长，无法对口径小于波长的火炮进行测量，由于微波波长较长，导致其测试精度较低；由于火炮口径有限，能馈入的电磁信号有限，而另一方面火炮膛内环境复杂，这些因素会导致接收多普勒频移信号的信噪比降低，从而降低了测量精度。
激光干涉测量技术与微波干涉测量技术类似，它是通过激光的多普勒频偏来计算膛内弹丸速度,并且可以通过光学杠杆测量弹丸的倾角。然而由于膛内高压高温环境会造成气体折射率改变，激光路径在这一区域时会发生一定程度扭曲，从而造成实验精度下降。
综上所述，现有的技术手段还存在一定的局限性。硬线技术只能测量弹丸的速度、加速度等，无法获得弹丸在膛内的三维摆动情况。由于微波的波长较长，微波干涉测量的精度有限。激光干涉测速的精度较高，但是容易被炮膛内部浓烟阻断光路，造成无法测量的困难。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术方案中的不足，提供一种结构简单、测量精度稳定、能够准确记录弹丸在三维空间中的位置信息的火炮膛内弹丸运动状态参数测量系统。
本发明的技术方案是：一种火炮膛内弹丸运动状态测量系统，其特征是：至少包括推杆、第一相机、第一标定板、第二相机、第二标定板及计算单元；所述的推杆固定在弹丸的前方，并有一部分伸出火炮炮膛之外；所述的第一相机用于获取推杆的正视图，第二相机用于获取推杆的俯视图；第一标定板和第二标定板用于向第一相机和第二相机提供标定信息；第一相机和第二相机分别与计算单元接口电连接，向计算单元提供获取的图像信息，对图像信息进行存储和计算分析，获得弹丸的位置信息、位移、速度、加速度和弹丸在膛内运动时间。
所述的推杆的质量应远小于弹丸的质量，是弹丸的质量1％以下，以减小推杆对弹丸运动的影响。
所述第一相机和第二相机的帧率大于3000fps，在推杆运动时间段，第一相机和第二相机的取景范围内至少获取推杆十张以上的连续图像。
测量弹丸在膛内运动时间通过第一相机和第二相机的视频图像序列得到推杆的位置信息，由其在图像上的位置得到或像素坐标,再用第一标定板和第二标定板对第一相机和第二相机提供标定信息，对第一相机和第二相机进行标定，得到推杆的实际的位置信息，进一步可以获得弹丸的空间位置信息；根据空间位置信息通过得到弹丸尖端的位置坐标(x0-Lsinβ,y0-Lsinα,z0-Lcosαcosβ)，弹丸在三维空间中的倾斜角和推杆一致，弹丸与x轴和y轴的夹角分别为α和β；在t1,t2,t3,t4…时刻第一相机和第二相机分别记录两组图片，根据两组图片的角度参数确定推杆的空间方向，由于弹丸在膛内的方向和推杆的方向完全相同，得到弹丸在膛内的空间方向，从而可以分析弹丸在膛内的进动、章动以及随机摆动。
获取弹丸的位移、速度和加速度包括如下步骤：
给定：推杆的方向与z轴重合，从视频的图像序列中得到每一幅图片中的推杆前端位置zi,i＝1,2,3…；
结合每一幅图片的时间信息ti,i＝1,2,3…可以得到推杆101前端位置随时间变化的位移函数z(t)；
求z(t)对时间t的一阶差分可以得到推杆前端速度随时间的函数v(t)；
进一步求v(t)对时间t的一阶差分可以得到推杆前端加速度随时间的函数a(t)。
本发明将推杆固定在弹丸的前方，并有一部分伸出火炮炮膛之外；通过第一相机获取推杆的正视图，第二相机用于获取推杆的俯视图；第一标定板和第二标定板的用于向第一相机和第二相机提供标定信息；第一相机和第二相机分别与计算单元接口电连接，向计算单元提供获取的图像信息，由计算单元对图像信息进行存储和计算分析，获得弹丸的位置信息、位移、速度、加速度和弹丸在膛内运动时间。它具有结构简单、测量精度稳定、能够准确记录弹丸在三维空间中的位置信息和火炮膛内弹丸运动状态参数信息。
附图说明
下面结合附图对本发明作更进一步的说明:
图1是本发明实施例火炮膛内弹丸运动状态参数测量系统示意图；
图2是推杆与弹丸的空间位置关系示意图；
图3是同一时刻两台第一相机拍摄推杆照片示意图；
图4是两台第一相机记录推杆角度变化照片示意图；
图5是两台第一相机记录推杆前向位移照片示意图。
图中，101、推杆；102、第一相机；103、第一标定板；104、第二相机；105、第二标定板；106、计算单元；107、弹丸。
具体实施方式
参见附图1，一种火炮膛内弹丸运动状态测量系统，它包括推杆101、第一相机102、第一标定板103、第二相机104、第二标定板105及计算单元106；所述的推杆101固定在弹丸的前方，并有一部分伸出炮膛之外；所述的第一相机102的用于获取推杆101的正视图，第二相机104的用于获取推杆101的俯视图；第一标定板103和第二标定板105用于向第一相机102和第二相机104提供标定信息；第一相机102和第二相机104分别与计算单元106接口电连接，向计算单元106提供获取的图像信息，对图像信息进行存储和计算分析，获得弹丸的位置信息、位移、速度和加速度信息。
推杆的质量应远小于弹丸的质量，是弹丸的质量1％以下，以减小推杆对弹丸运动的影响。
火炮击发后，弹丸与推杆101一起向前运动，第一相机102获取推杆101的运动视频，弹丸运动时间一般持续数个毫秒，第一相机102获取记录十张以上的帧图像。例如对于口径30mm的火炮，炮膛长度约27cm,弹丸在膛内运动时间约3ms。所述第一相机102和第二相机104的帧率应大于3000fps，在推杆运动时间段，第一相机102和第二相机104的取景范围内至少获取推杆十张以上的连续图像。
第一相机和第二相机的帧率相同，如果相机的帧频为5000fps，两台相机各自可以得到15帧有效图像；如果帧频为10000fps，两台相机各自可以得到30帧有效图像，显然，帧率越高，可以获得更高的测量精度。
测量弹丸在膛内运动时间通过第一相机102和第二相机104的视频图像序列得到推杆101的位置信息，由其在图像上的位置得到或像素坐标,再用第一标定板103和第二标定板105对第一相机102和第二相机104提供标定信息，对第一相机102和第二相机104进行标定，得到推杆101的实际的位置信息。
下面结合附图进一步说明如何根据两个相机所拍摄图片得到弹丸的位置信息。
首先通过标定板对相机进行标定，这样我们就能得到拍摄图像中的一个像素所对应实际三维空间的尺寸，从而可以根据图像像素得到图像中成像物体的位置信息。
参见图2，推杆101的长度为L，固定在弹丸107的前方，为了便于讨论，以炮膛轴线为z轴建立空间直角坐标系，第一相机102的光轴沿x轴的负方向，第二相机104的光轴沿y轴的负方向。
如图3所示，第一相机102拍摄到的图像如图3(a)所示，从图中可以可得推杆101与y-o-z平面的夹角α和推杆101尖端的坐标值y0和z0，同一时刻，第二相机104拍摄到的图像如图3(b)所示，从该图中可以得到推杆101与x-o-z平面的夹角β以及推杆101尖端的坐标值x0。根据空间位置关系，可以得到弹丸107尖端的位置坐标(x0-Lsinβ,y0-Lsinα,z0-Lcosαcosβ)，弹丸107在三维空间中的倾斜角和推杆101一致，弹丸107与x轴和y轴的夹角分别为α和β。
如图4所示，在t1,t2,t3,t4…时刻第一相机102和第二相机104分别记录的图4a,图4b两组图片，根据图4a,图4b两组图片的角度参数可以完全确定推杆101的空间方向，由于弹丸107在膛内的方向和推杆101的方向完全相同，因此可以利用本方法得到弹丸107在膛内的空间方向，从而可以分析弹丸107在膛内的进动、章动以及随机摆动。
下面结合附图进一步说明如何根据测量结果计算弹丸107的位移、速度和加速度。
参见图5，给定：推杆101的方向与z轴重合，从视频的图像序列中可以得到每一幅图片中的推杆101前端位置zi,i＝1,2,3…；
结合每一幅图片的时间信息ti,i＝1,2,3…可以得到推杆101前端位置随时间变化的位移函数z(t)；
求z(t)对时间t的一阶差分可以得到推杆101前端速度随时间的函数v(t)；
进一步求v(t)对时间t的一阶差分可以得到推杆101前端加速度随时间的函数a(t)。
由于弹丸的速度和加速度与推杆相同，因此v(t)和a(t)分别是弹丸在膛内的速度和加速度。

Claims (5)

1.一种火炮膛内弹丸运动状态测量系统，其特征是：至少包括推杆(101)、第一相机(102)、第一标定板(103)、第二相机(104)、第二标定板(105)及计算单元(106)；所述的推杆(101)固定在弹丸的前方，并有一部分伸出火炮炮膛之外；所述的第一相机(102)用于获取推杆(101)的正视图，第二相机(104)用于获取推杆(101)的俯视图；第一标定板(103)和第二标定板(105)用于向第一相机(102)和第二相机(104)提供标定信息；第一相机(102)和第二相机(104)分别与计算单元(106)接口电连接，向计算单元(106)提供获取的图像信息，对图像信息进行存储和计算分析，获得弹丸的位置信息、位移、速度、加速度和弹丸(107)在膛内运动时间。
2.根据权利要求1所述的一种火炮膛内弹丸运动状态测量系统，其特征是：所述的推杆(101)的质量应远小于弹丸的质量，是弹丸的质量1％以下，以减小推杆对弹丸运动的影响。
3.根据权利要求1所述的一种火炮膛内弹丸运动状态测量系统，其特征是：所述第一相机(102)和第二相机(104)的帧率大于3000fps，在推杆运动时间段，第一相机(102)和第二相机(104)的取景范围内至少获取推杆十张以上的连续图像。
4.根据权利要求1所述的一种火炮膛内弹丸运动状态测量系统，其特征是：测量弹丸在膛内运动时间通过第一相机(102)和第二相机(104)的视频图像序列得到推杆(101)的位置信息，由其在图像上的位置得到或像素坐标,再用第一标定板(103)和第二标定板(105)对第一相机(102)和第二相机(104)提供标定信息，对第一相机(102)和第二相机(104)进行标定，得到推杆(101)的实际的位置信息，进一步可以获得弹丸的空间位置信息；根据空间位置信息通过得到弹丸(107)尖端的位置坐标x0-Lsinβ,y0-Lsinα,z0-Lcosαcosβ，弹丸(107)在三维空间中的倾斜角和推杆(101)一致，弹丸(107)与x轴和y轴的夹角分别为α和β；在t1,t2,t3,t4…时刻第一相机(102)和第二相机(104)分别记录两组图片，根据两组图片的角度参数确定推杆(101)的空间方向，由于弹丸(107)在膛内的方向和推杆(101)的方向完全相同，得到弹丸(107)在膛内的空间方向，从而可以分析弹丸(107)在膛内的进动、章动以及随机摆动。
5.根据权利要求1所述的一种火炮膛内弹丸运动状态测量系统，其特征是：获取弹丸的位移、速度和加速度包括如下步骤：
给定：推杆的方向与z轴重合，从视频的图像序列中得到每一幅图片中的推杆前端位置zi,i＝1,2,3…；
结合每一幅图片的时间信息ti,i＝1,2,3…可以得到推杆101前端位置随时间变化的位移函数z(t)；
求z(t)对时间t的一阶差分可以得到推杆前端速度随时间的函数v(t)；
进一步求v(t)对时间t的一阶差分可以得到推杆前端加速度随时间的函数a(t)。
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