CN113063365A - 一种基于激光扫描的等效靶板形变测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光扫描的等效靶板形变测试装置及测试方法，涉及兵器毁伤试验技术领域，由形变测试装置对等效靶板进行三维重建，获得等效靶板各部位的三维坐标信息，生成等效靶板的三维点云数据，并由数据自动处理程序处理这些数据，最终生成等效靶板图像及其形变信息。该方法采用激光扫描技术结合数据分析手段，可快速、准确、直观的获取等效靶板的形变信息，解决了现在测试方法测试步骤繁琐、主观因素影响明显、数据信息获得困难等操作工作量大，测试效率低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及兵器毁伤试验技术领域，特别涉及一种基于激光扫描的等效靶板形变测试装置及测试方法。
背景技术
毁伤效能是武器作战系统评估中最重要的性能指标，战斗部爆炸产生的威力是衡量毁伤效能的重要关键因素。战斗部毁伤的方式包括冲击波、破片等,目前对毁伤效能的评估多是对战斗部爆炸产生的破片参数进行分析，而忽略了冲击波对目标的毁伤程度。等效靶板形变信息能够较为全面地反映战斗部在空间某一位置的毁伤程度，因此高精度测量等效靶板的形变信息具有极高的研究意义，为目标毁伤评价体系提供有效的数据支撑。
针对等效靶板的形变信息测试，靶场主要采用人工测量的测试方法。在静爆后的等效靶板形变处填补填充物，根据填充物的厚度，形状等信息，进行人工的等效靶板形变测试。由于等效靶板形变形状不规则，导致该方法花费时间长，人工操作引入误差大，数据处理复杂，从而测量精度低，不能满足靶场测试要求。
综上所述，现有测试技术无法满足等效靶板形变信息的测试，迫切需要一种新型且能满足等效靶板形变信息测试要求的测试方法。针对此现象，本申请提供一种基于激光扫描的等效靶板形变测试装置及测试方法，采用激光扫描技术结合数据分析手段，可快速、准确、直观的获取等效靶板的形变信息，解决了现在测试方法测试步骤繁琐、主观因素影响明显、数据信息获得困难等操作工作量大，测试效率低的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于激光扫描的等效靶板形变测试装置及测试方法，采用激光扫描技术结合数据分析手段，可快速、准确、直观的获取等效靶板的形变信息，解决了现在测试方法测试步骤繁琐、主观因素影响明显、数据信息获得困难等操作工作量大，测试效率低的问题。
本发明提供了一种基于激光扫描的等效靶板形变测试装置，包括：控制台、激光成像扫描仪、标定靶架、上位机和等效靶板；
所述激光成像扫描仪安装在所述控制台的上方，所述控制台用于支撑调节所述激光成像扫描仪的高度；所述标定靶架放置在所述激光成像扫描仪的扫描区域内，所述激光成像扫描仪设置空间坐标系，用于获得扫描区域内的三维数据，所述激光成像扫描仪和标定靶架的外围设置等效靶板，所述等效靶板用于拦截爆炸后产生的碎片，利用最大类间方差法对等效靶板的图像进行图像分割，获取等效靶板所在区域的三维数据，进行形变曲率计算；所述激光成像扫描仪内部设置用于存储数据的存储模块，所述激光成像扫描仪与所述上位机相连接，用于将所述存储模块内部存储的数据发送至所述上位机中进行读取、处理并获得所述等效靶板的形变信息，根据所述等效靶板各部位的三维坐标信息，利用matlab的surf函数拟合成三维曲面，进行等效靶板形变效果的三维重建展示。
进一步地，所述控制台包括自动升降控制模块和三角支撑架，所述三角支撑架的顶部安装所述自动升降控制模块，所述自动升降控制模块的上方安装用于承接所述激光成像扫描仪的圆形平台。
进一步地，所述自动升降控制模块和圆形平台的中部均设置通孔，将螺杆垂直螺接在两个所述通孔内，所述自动升降控制模块侧表面设置与所述螺杆抵接的锁紧旋钮；
位于所述圆形平台上方的所述螺杆外部安装由电机控制转动的齿轮结构，所述螺杆外部安装减速器，所述螺杆顶部设置固定旋钮调节所述激光成像扫描仪；
位于所述自动升降控制模块下方的所述螺杆外部设置固定连接支架，通过所述固定连接支架与所述三角支撑架活动连接，所述螺杆底部设置固定块，所述三角支撑架的顶部嵌入安装所述控制单元，所述控制单元与所述电机、减速器控制连接。
进一步地，所述激光成像扫描仪内部设置激光测距仪。
进一步地，所述标定靶架结构包括标定板面、标定杆和支撑架，所述支撑架包括螺旋升降杆和底座，所述螺旋升降杆固定在所述底座上方，所述标定板面安装在两个所述支撑架上部，所述标定板面表面设有标尺，在所述标定板面表面通过滑轮滑动调整所述标定杆的位置，所述标定杆沿所述标尺移动，所述标定靶架表面设有调平水泡，所述标定靶架的底部安装四个调节平衡座。
进一步地，所述调节平衡座包括旋钮、底角、固定螺帽和螺柱，所述底座设置安装孔，所述底角顶部设置自下而上穿过所述安装孔的所述螺柱，位于所述安装孔下方的所述螺柱外部螺接所述旋钮，位于所述安装孔上方的所述螺柱外部螺接所述固定螺帽。
进一步地，应用一种基于激光扫描的等效靶板形变测试装置的测试方法，包括以下步骤：
S1：设置激光成像扫描仪与等效靶板的相对位置；
S2：通过激光成像扫描仪设置空间坐标系，获得扫描区域内的三维数据；
S3：利用最大类间方差法对等效靶板图像进行图像分割，获取等效靶板所在区域的三维数据；
S4：进行等效靶板形变曲率计算；
S5：根据等效靶板各部位的三维坐标信息，利用matlab的surf函数拟合成三维曲面，进行等效靶板形变效果的三维重建展示。
进一步地，所述步骤S1中调整三角支撑架的高度，根据激光成像扫描仪装置与等效靶板的距离确定激光成像扫描仪的扫描成像分辨率和质量。
进一步地，所述步骤S2中使用激光成像扫描仪扫描周围目标，进行静爆后的场景重建，设置标定靶架的标定杆相交点为坐标原点，xoy为大地水平面，等效靶板在静爆前设置垂直于xoy平面，获得扫描区域数据矩阵M行*N列，扫描区域内每点对应坐标(x,y,z)。
进一步地，所述步骤S4中计算等效靶板形变曲率的步骤为：
S41：建立以标定靶架的标定杆相交点为原点的三维直角坐标系，获取静爆后的等效靶板数据，依据自动处理程序获得等效靶板的形变信息，生成等效靶板的形变三维图形；
S42：由自动处理程序获取等效靶板每一行的坐标信息，将每一行每一点坐标的x,y拟合成一条曲线C：y＝f(x)；连接曲线两端坐标绘制出一条直线l：Ax+By+C＝0；
S43：由f′(xi)＝0求得拟合曲线的极值点Ai的坐标(xi,yi)，Ai点坐标到直线l的距离为
a＝|amax|+|amin|为等效靶板最大形变量；
S44：根据曲率公式
获得最大曲率处K点的坐标(xk,yk)和曲率值。
S45：根据等效靶板所有点的三维坐标信息，利用matlab的surf函数拟合成三维曲面，进行等效靶板形变效果的三维重建展示。
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
本发明提供了一种基于激光扫描的等效靶板形变测试装置及测试方法，采用激光扫描三维重构技术，结合数值分析软件的数据处理和分析手段，能够快速和准确地获取等效靶板及形变位置的三维坐标信息，然后利用自编软件对三维数据进行封装和处理，使等效靶板可以全方位、多视角的呈现形变状态，同时通过等效靶板上的三维坐标信息以及软件的数据采集与处理功能对等效靶板的形变信息进行采集、计算，将每一行的坐标信息进行曲线拟合，在连接出每一行两端绘制成一条直线，分析两条线的在同一投影面的距离，从而获得等效靶板的形变信息、形变极值趋势以及形变曲面模拟图，提供了一种全新的快速建立其三维影像模型提的技术手段。本发明提供的一种基于激光扫描的等效靶板形变测试装置及测试方法，采用激光扫描技术结合数据分析手段，可快速、准确、直观的获取等效靶板的形变信息，解决了现在测试方法测试步骤繁琐、主观因素影响明显、数据信息获得困难等操作工作量大，测试效率低的问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的测量系统布置示意图；
图2为本发明实施例提供的测试系统测试流程示意图；
图3为本发明实施例提供的控制台和激光成像扫描仪示意图；
图4为本发明实施例提供的标定靶架示意图；
图5为本发明实施例提供的基于激光扫描的等效靶板形变测试与测试方法计算示意图。
附图标记说明：1-控制台，2-激光成像扫描仪，3-标定靶架，4-上位机，5-等效靶板，6-激光测距仪，7-三脚支撑架，8-圆形平台，9-齿轮结构，10-固定旋钮，11-电机，12-锁紧旋钮，13-减速器，14-螺杆，15-控制单元，16-固定连接支架，17-固定块，18-标定靶面，19-标定杆，20-支撑架，21-螺旋升降杆，22-底座，23-标尺，24-滑轮，25-调平水泡，26-旋钮，27-底角，28-固定螺帽，29-螺柱，30-自动升降模块。
具体实施方式
下面结合本发明中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
参照图1-5，本发明提供了一种基于激光扫描的等效靶板形变测试装置，包括：控制台1、激光成像扫描仪2、标定靶架3、上位机4和等效靶板5；
所述激光成像扫描仪2安装在所述控制台1的上方，所述控制台1用于支撑调节所述激光成像扫描仪2的高度；所述标定靶架3放置在所述激光成像扫描仪2的扫描区域内，所述激光成像扫描仪2设置空间坐标系，用于获得扫描区域内的三维数据，所述激光成像扫描仪2和标定靶架3的外围设置等效靶板5，所述等效靶板5用于拦截爆炸后产生的碎片，利用最大类间方差法对等效靶板5的图像进行图像分割，获取等效靶板5所在区域的三维数据，进行形变曲率计算；所述激光成像扫描仪2内部设置用于存储数据的存储模块，所述激光成像扫描仪2与所述上位机4电连接，用于将所述存储模块内部存储的数据发送至所述上位机4中进行读取、处理并获得所述等效靶板5的形变信息，根据所述等效靶板5各部位的三维坐标信息，利用matlab的surf函数拟合成三维曲面，进行等效靶板5形变效果的三维重建展示。
其中，所述激光成像扫描仪2内部设置激光测距仪6，所述激光成像扫描仪2通过高速激光扫描的方法，大面积高分辨率地快速获取被测等效靶板5的三维数据，可以快速、大量的采集空间点位信息；根据所述激光测距仪6获得所述激光成像扫描仪2与等效靶板5的距离，自动设置激光成像扫描仪2扫描成像分辨率和质量，提高试验数据准确度。所述控制台1根据标定靶架3自动设置参数。所述等效靶板5用于拦截战斗部爆炸后分散的破片；所述上位机4设置数据自动处理程序用于处理激光成像扫描仪2装置获得的等效靶板5的上的三维数据，通过处理得到等效靶板及其形变的三维模型。
本方法数据精度高，不受人为因素影响，且获取数据丰富全面，方便保存，可供以后进一步研究，操作方便快捷，无需复杂操作。
实施例1
所述控制台(1)包括自动升降控制模块(30)和三角支撑架(7)，所述三角支撑架(7)的顶部安装所述自动升降控制模块(30)，所述自动升降控制模块(30)的上方安装用于承接所述激光成像扫描仪(2)的圆形平台(8)。所述自动升降控制模块(30)和圆形平台(8)的中部均设置通孔，将螺杆(14)垂直螺接在两个所述通孔内，所述自动升降控制模块(30)侧表面设置与所述螺杆(14)抵接的锁紧旋钮(12)；
位于所述圆形平台(8)上方的所述螺杆(14)外部安装由电机(11)控制转动的齿轮结构(9)，所述螺杆(14)外部安装减速器(13)，所述螺杆顶部设置固定旋钮(10)调节所述激光成像扫描仪(2)；
位于所述自动升降控制模块(30)下方的所述螺杆(14)外部设置固定连接支架(16)，通过所述固定连接支架(16)与所述三角支撑架(7)活动连接，所述螺杆(14)底部设置固定块(17)，所述三角支撑架(7)的顶部嵌入安装所述控制单元(15)，所述控制单元(15)与所述电机(11)、减速器(13)控制连接。
实施例2
所述标定靶架3结构包括标定板面18、标定杆19和支撑架20，所述支撑架包括螺旋升降杆21和底座22，所述螺旋升降杆21固定在所述底座22上方，所述标定板面18安装在两个所述支撑架20上部，所述标定板面18表面设置标尺23，在所述标定板面18表面通过滑轮24滑动调整所述标定杆19的位置，所述标定杆19沿所述标尺23移动，所述标定靶架3表面分别设置调平水泡25，所述标定靶架3的底部安装四个调节平衡座。所述调节平衡座包括旋钮(26)、底角(27)、固定螺帽(28)和螺柱(29)，所述底座设置安装孔，所述底角(27)顶部设置自下而上穿过所述安装孔的所述螺柱(29)，位于所述安装孔下方的所述螺柱(29)外部螺接所述旋钮(26)，位于所述安装孔上方的所述螺柱(29)外部螺接所述固定螺帽。
实施例3
一种基于激光扫描的等效靶板5形变测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设置激光成像扫描仪2与等效靶板5的相对位置；
S2：通过激光成像扫描仪2设置空间坐标系，获得扫描区域内的三维数据；
S3：利用最大类间方差法对等效靶板5图像进行图像分割，获取等效靶板5所在区域的三维数据；
S4：进行等效靶板5形变曲率计算；
S5：根据等效靶板5各部位的三维坐标信息，利用matlab的surf函数拟合成三维曲面，进行等效靶板5形变效果的三维重建展示。
其中，所述步骤S1中调整三角支撑架7的高度，将激光成像扫描仪2装置放置于战斗部静爆前所在的位置旁边，并设置标定靶架，观察激光成像扫描仪2的水平仪，调节三角支撑架7至其水平，根据激光成像扫描仪2装置与等效靶板5的距离确定激光成像扫描仪2的扫描成像分辨率和质量。
所述步骤S2中使用激光成像扫描仪2扫描周围目标，进行静爆后的场景重建，设置标定靶架3的标定杆19相交点为坐标原点，xoy为大地水平面，等效靶板5在静爆前设置垂直于xoy平面，获得扫描区域数据矩阵M行*N列，扫描区域内每点对应坐标(x,y,z)；数据格式如下表：
在步骤S3中，激光成像扫描仪2的扫描范围为水平0～360°，垂直-60°～90°，利用最大类间方差法对等效靶板5图像进行图像分割，获取等效靶板5所在特定区域，将等效靶板5对应数据坐标矩阵a行*b列，等效靶板5每点坐标为(x,y,z)，数据格式如下表：
所述步骤S4中计算等效靶板5形变曲率的步骤为：
S41：建立以标定靶架3的标定杆19相交点为原点的三维直角坐标系，获取静爆后的等效靶板5数据，依据自动处理程序获得等效靶板5的形变信息，生成等效靶板5的形变三维图形；
S42：由自动处理程序获取等效靶板5每一行的坐标信息，将每一行每一点坐标的x,y拟合成一条曲线C：y＝f(x)；连接曲线两端坐标绘制出一条直线l：Ax+By+C＝0；
S43：由f′(xi)＝0求得拟合曲线的极值点Ai的坐标(xi,yi)，Ai点坐标到直线l的距离为
a＝|amax|+|amin|为等效靶板5最大形变量；
S44：根据曲率公式
获得最大曲率处K点的坐标(xk,yk)和曲率值，曲率最大处为等效靶板5最大受损处。
S45：根据等效靶板(5)所有点的三维坐标信息，利用matlab的surf函数拟合成三维曲面，进行等效靶板(5)形变效果的三维重建展示。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于激光扫描的等效靶板形变测试装置，其特征在于，包括：控制台(1)、激光成像扫描仪(2)、标定靶架(3)、上位机(4)和等效靶板(5)；
所述激光成像扫描仪(2)安装在所述控制台(1)的上方，所述控制台(1)用于支撑调节所述激光成像扫描仪(2)的高度；所述标定靶架(3)放置在所述激光成像扫描仪(2)的扫描区域内，所述激光成像扫描仪(2)设置空间坐标系，用于获得扫描区域内的三维数据，所述激光成像扫描仪(2)和标定靶架(3)的外围设置等效靶板(5)，所述等效靶板(5)用于拦截爆炸后产生的碎片，利用最大类间方差法对等效靶板(5)的图像进行图像分割，获取等效靶板(5)所在区域的三维数据，进行形变曲率计算；所述激光成像扫描仪(2)内部设置用于存储数据的存储模块，所述激光成像扫描仪(2)与所述上位机(4)电连接，用于将所述存储模块内部存储的数据发送至所述上位机(4)中进行读取、处理并获得所述等效靶板(5)的形变信息，根据所述等效靶板(5)各部位的三维坐标信息，利用matlab的surf函数拟合成三维曲面，进行等效靶板(5)形变效果的三维重建展示。
2.如权利要求1所述的一种基于激光扫描的等效靶板形变测试装置，其特征在于，所述控制台(1)包括自动升降控制模块(30)和三角支撑架(7)，所述三角支撑架(7)的顶部安装所述自动升降控制模块(30)，所述自动升降控制模块(30)的上方安装用于承接所述激光成像扫描仪(2)的圆形平台(8)。
3.如权利要求2所述的一种基于激光扫描的等效靶板形变测试装置，其特征在于，所述自动升降控制模块(30)和圆形平台(8)的中部均设置通孔，将螺杆(14)垂直螺接在两个所述通孔内，所述自动升降控制模块(30)侧表面设置与所述螺杆(14)抵接的锁紧旋钮(12)；
位于所述圆形平台(8)上方的所述螺杆(14)外部安装由电机(11)控制转动的齿轮结构(9)，所述螺杆(14)外部安装减速器(13)，所述螺杆顶部设置固定旋钮(10)调节所述激光成像扫描仪(2)；
位于所述自动升降控制模块(30)下方的所述螺杆(14)外部设置固定连接支架(16)，通过所述固定连接支架(16)与所述三角支撑架(7)活动连接，所述螺杆(14)底部设置固定块(17)，所述三角支撑架(7)的顶部嵌入安装所述控制单元(15)，所述控制单元(15)与所述电机(11)、减速器(13)控制连接。
4.如权利要求1所述的一种基于激光扫描的等效靶板形变测试装置，其特征在于，所述激光成像扫描仪(2)内部设置激光测距仪(6)。
5.如权利要求1所述的一种基于激光扫描的等效靶板形变测试装置，其特征在于，所述标定靶架(3)结构包括标定板面(18)、标定杆(19)和支撑架(20)，所述支撑架(20)包括螺旋升降杆(21)和底座(22)，所述螺旋升降杆(21)固定在所述底座(22)上方，所述标定板面(18)安装在两个所述支撑架(20)上部，所述标定板面(18)表面设置标尺(23)，在所述标定板面(18)表面通过滑轮(24)滑动调整所述标定杆(19)的位置，所述标定杆(19)沿所述标尺移动，所述标定靶架(3)表面设有调平水泡(25)，所述标定靶架(3)的底部安装四个调节平衡座。
6.如权利要求1所述的一种基于激光扫描的等效靶板形变测试装置，其特征在于，所述调节平衡座包括旋钮(26)、底角(27)、固定螺帽(28)和螺柱(29)，所述底座设置安装孔，所述底角(27)顶部设置自下而上穿过所述安装孔的所述螺柱(29)，位于所述安装孔下方的所述螺柱(29)外部螺接所述旋钮(26)，位于所述安装孔上方的所述螺柱(29)外部螺接所述固定螺帽。
7.应用权利要求1所述的一种基于激光扫描的等效靶板形变测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设置激光成像扫描仪(2)与等效靶板(5)的相对位置；
S2：通过激光成像扫描仪(2)设置空间坐标系，获得扫描区域内的三维数据；
S3：利用最大类间方差法对等效靶板(5)图像进行图像分割，获取等效靶板(5)所在区域的三维数据；
S4：进行等效靶板(5)形变曲率计算；
S5：根据等效靶板(5)各部位的三维坐标信息，利用matlab的surf函数拟合成三维曲面，进行等效靶板(5)形变效果的三维重建展示。
8.如权利要求7所述的一种基于激光扫描的等效靶板形变测试装置的测试方法，其特征在于，所述步骤S1中调整三角支撑架(7)的高度，根据激光测距仪(6)获得激光成像扫描仪(2)装置与等效靶板(5)的距离确定激光成像扫描仪(2)的扫描成像分辨率和质量。
9.如权利要求7所述的一种基于激光扫描的等效靶板形变测试装置的测试方法，其特征在于，所述步骤S2中使用激光成像扫描仪(2)扫描周围目标，进行静爆后的场景重建，设置标定靶架(3)的标定杆(19)相交点为坐标原点，xoy为大地水平面，等效靶板(5)在静爆前设置垂直于xoy平面，获得扫描区域数据矩阵M行*N列，扫描区域内每点对应坐标(x,y,z)。
10.如权利要求7所述的一种基于激光扫描的等效靶板形变测试装置的测试方法，其特征在于，所述步骤S4中计算等效靶板(5)形变曲率的步骤为：
S41：建立以标定靶架(3)的标定杆(19)相交点为原点的三维直角坐标系，获取静爆后的等效靶板(5)数据，依据自动处理程序获得等效靶板(5)的形变信息，生成等效靶板(5)的形变三维图形；
S42：由上位机(4)的自动处理程序获取等效靶板(5)每一行的坐标信息，将每一行每一点坐标的x,y拟合成一条曲线C：y＝f(x)；连接曲线两端坐标绘制出一条直线l：Ax+By+C＝0；
S43：由f′(xi)＝0求得拟合曲线的极值点Ai的坐标(xi,yi)，Ai点坐标到直线l的距离为
a＝|amax|+|amin|为等效靶板(5)最大形变量；
S44：根据曲率公式
获得最大曲率处K点的坐标(xk,yk)和曲率值。
S45：根据等效靶板(5)所有点的三维坐标信息，利用matlab的surf函数拟合成三维曲面，进行等效靶板(5)形变效果的三维重建展示。
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| CN202110342857.1A CN113063365A (zh) | 2021-03-30 | 2021-03-30 | 一种基于激光扫描的等效靶板形变测试装置及测试方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115166966A (zh) * | 2022-06-06 | 2022-10-11 | 北京理工大学 | 一种靶板三维变形快速光学扫描系统 |
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-
2021
- 2021-03-30 CN CN202110342857.1A patent/CN113063365A/zh active Pending
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