CN113418445A - 基于激光点云的固体火箭发动机内腔体积测量方法及装置 - Google Patents

基于激光点云的固体火箭发动机内腔体积测量方法及装置 Download PDF

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CN113418445A CN202110593376.8A CN202110593376A CN113418445A CN 113418445 A CN113418445 A CN 113418445A CN 202110593376 A CN202110593376 A CN 202110593376A CN 113418445 A CN113418445 A CN 113418445A
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金永
刘静静
王召巴
吴其洲
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Abstract

本发明属于内腔体积测量技术领域，具体涉及基于激光点云的固体火箭发动机内腔体积测量方法。该方法包括以下步骤：(1)利用线激光位移传感器采集固体火箭发动机内腔内表面的位移值，利用D‑H矩阵将线激光位移传感器采集到的数据转换为固体火箭发动机内腔三维点云数据；(2)设待检测的固体火箭发动机内腔的设计半径为R，采用基于半径R的均值滤波方法对固体火箭发动机内腔三维点云数据进行精简；(3)对精简后的固体火箭发动机内腔三维点云数据利用基于点云切片的体积测量方法进行求取固体火箭发动机内腔体积。

Description

基于激光点云的固体火箭发动机内腔体积测量方法及装置
技术领域
本发明属于内腔体积测量技术领域，具体涉及基于激光点云的固体火箭发动机内腔体积测量方法。
背景技术
固体火箭发动机是以固体化学推进剂作为动力来源的推进装置，被广泛应用于国防军工、航天航空等领域。燃烧室作为固体火箭发动机结构中存储和燃烧推进剂的场所，其内腔体积直接决定着推进剂的装药量，从而影响固体火箭发动机的发射性能。为了在发射过程中对燃烧室进行保护，其内表面刮涂有耐烧蚀的绝热层和包覆层，这些保护层为软弹性物质且存在不可污染的要求，应选择非接触式测量方法进行内腔检测。此外，由于包覆层和绝热层为软弹性介质，因此在刮涂过程中无法完全保证形状厚度一致，从而在燃烧室内腔形成起伏，超过设计指标的起伏会造成燃烧室内腔体积的变化，从而影响装药量的精准程度，影响发动机性能，因此，对固体火箭发动机燃烧室体积进行精准测量对保证其发射性能具有重要意义。
固体火箭发动机燃烧室内腔体积的测量主要采用“称水法”，即利用燃烧室内腔注入水的前后质量差除以水的密度间接测得燃烧室内腔的容积。该方法虽测量精度高，但操作繁琐、效率低，适应不了现代军工生产的要求。因此迫切需要一种能对燃烧室内腔进行快速、简便、准确的智能化测量方法。
发明内容
针对上述问题本发明提供了基于激光点云的固体火箭发动机内腔体积测量方法。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
基于激光点云的固体火箭发动机内腔体积测量方法，包括以下步骤：
步骤1，利用线激光位移传感器采集固体火箭发动机内腔内表面的位移值，利用D-H矩阵将线激光位移传感器采集到的数据转换为固体火箭发动机内腔三维点云数据；
步骤2，设待检测的固体火箭发动机内腔的设计半径为R，采用基于半径R的均值滤波方法对固体火箭发动机内腔三维点云数据进行精简；
步骤3，对精简后的固体火箭发动机内腔三维点云数据利用基于点云切片的体积测量方法进行求取固体火箭发动机内腔体积，具体步骤为：
步骤3.1，利用基于空间格网划分的密度法确定切片宽度，根据切片宽度对精简后的点云数据进行剖切得到系列点云切片；
步骤3.2，选择XOY平面为投影面，将通过切片得到的各层点云进行投影得到投影轮廓线，其投影点个数为K，在投影轮廓线上任选一点作为初始点P1，其中下标1为该点的索引值，按照顺时针方向依次遍历投影轮廓线上所有的点直到PK；
步骤3.3，利用Delaunny三角网算法构建三角网，并保存每个三角形的顶点的索引值到矩阵tri[m,3]，其中m是三角形的个数；
步骤3.4，提取矩阵tri[m,3]的第一行，即第一个三角形的顶点的索引值，可得到三角形三个顶点坐标，由三角形面积计算公式可求出该三角形的面积并保存下来，三角形面积计算公式如式(1)：
Figure BDA0003090345230000021
其中，(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)是三角形的顶点坐标；
步骤3.5，重复步骤3.4，直到矩阵tri[m,3]的最后一行，所有三角形面积计算并保存完毕，累加所有三角形的面积如式(2)所示，得到每层点云切片的面积；
Figure BDA0003090345230000031
式中，si是第i个三角形的面积，Sj是第j层点云切片的面积，r是三角网中三角形的数量，t为点云切片的层数；
步骤3.6，利用点云切片的面积与切片宽度计算出每部分内腔体积，如式(3)所示，将各部分的体积进行累加，如式(4)所示，可得到固体火箭发动机燃烧室内腔的体积；
vj＝Sj*δ (3)
Figure BDA0003090345230000032
式中，vj是第j部分的体积，δ是切片宽度，V是燃烧室内腔体积。
进一步，所述步骤1中利用线激光位移传感器采集固体火箭发动机内腔内表面的位移值，利用D-H矩阵将线激光位移传感器采集到的数据转换为固体火箭发动机内腔三维点云数据，具体步骤为：
步骤1.1，结合线激光位移传感器沿固体火箭发动机轴线的运动以及固体火箭发动机自身的旋转运动，等间隔采集固体火箭发动机内腔表面的位移值，将线激光位移传感器采集到的数据进行D-H建模，可得D-H矩阵：
Figure BDA0003090345230000033
Figure BDA0003090345230000041
步骤1.2，将线激光位移传感器采集到的数据分别与D-H矩阵相乘，从而将线激光位移传感器采集到的数据转换成三维点云坐标，最终将线激光位移传感器采集到的数据转换为固体火箭发动机内腔三维点云数据。
进一步，所述步骤2中设待检测的固体火箭发动机内腔的设计半径为R，采用基于半径R的均值滤波方法对固体火箭发动机内腔三维点云数据进行精简，具体步骤为：
步骤2.1，对固体火箭发动机内腔三维点云数据进行矩阵分块，分块方法为：对y轴进行等间隔划分时，x轴的坐标不变；对x轴进行等间隔划分时，y轴的坐标不变；
步骤2.2，对划分好的每个数据小块都进行数据精简，精简方法为：设每个数据小块初始采集点的三维坐标为(xf，yf，zf)，其中f＝1,2......，表示第f个数据小块，设定x、y方向的分辨率为Δx、Δy，则在长、宽为yf+Δy、xf+Δx的数据小块范围内，对该范围内数据点的z值进行判断，将z值超过R±10mm的数据进行删除，将z值位于R±10mm之间的数据进行正负划分，求平均值
Figure BDA0003090345230000042
最后用三维坐标点
Figure BDA0003090345230000043
代替该数据小块中的所有数据，从而实现数据精简。
一种基于激光点云的固体火箭发动机燃烧室内腔体积测量装置，包括发动机基座、固定火箭发动机、简支梁基座，在所述发动机基座的上表面前后对称设置有至少两对支撑轮，所述固体火箭发动机水平放置在支撑轮上，且使支撑轮的支撑点与固体火箭发动机的定心部重合，在其中一个所述支撑轮上安装有编码器，以测量固体火箭发动机的旋转角度，在所述发动机基座的上表面设置有固定座，在所述固定座上设置有一号电机和夹紧装置，所述夹紧装置为手动三爪卡盘，用于夹紧固体火箭发动机的一侧，所述一号电机通过带传动带动夹紧装置旋转，所述简支梁基座与发动机基座相邻设置，在所述简支梁基座上沿固体火箭发动机轴线方向设置有导轨，在所述导轨内设置有移动小车，在所述移动小车上安装有二号电机，所述二号电机通过带传动带动移动小车移动，在所述移动小车的上表面设置有简支梁固定座，在所述简支梁固定座上安装有简支梁，且所述简支梁与固体火箭发动机的轴线重合，在所述简支梁的另一端设置有线激光位移传感器。
进一步，在所述简支梁基座的左侧设置有支撑杆，在所述支撑杆上设置有滚轮，以用于支撑简支梁。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
本发明采用线激光位移传感器对固体火箭发动机燃烧室内腔进行非接触的全面扫描，利用激光抗干扰性强、稳定性高、传播速度快的优点，实现了对固体火箭发动机燃烧室内腔高精度高效率的测量，再利用D-H模型可以为模型中的每个连杆固接一个坐标系，并严格定义每个坐标系的坐标轴，给定四个参数用以描述连杆和关节，同时可以表示在任何坐标的变换，灵活性高的优点，通过D-H矩阵建模，将线激光位移传感器测量到的数据转换为固体火箭发动机燃烧室内腔三维点云数据，然后通过基于均值滤波的精简算法对固体火箭发动机燃烧室内腔三维点云数据进行精简，降低了对固体火箭发动机燃烧室内腔三维点云数据进行后期处理的时间成本和储存成本，同时所采用的基于均值滤波的精简算法，相比于现有技术中的曲率精简法，降低了计算难度和计算时间，去除了冗余点，提高了精简后的数据的均匀性；最后为了提高固体火箭发动机燃烧室内腔体积计算精度，采用将点云切片与平面域Delaunay三角剖分算法相结合的体积计算方法，且相较于整体凸包法、投影法、体素模拟法，该算法简单易行、运行速度快、体积计算结果精度更高。
本发明的基于点云切片的固体火箭发动机内腔体积测量方法，具有快速、准确、非接触的优点，同时克服了燃烧室内腔浸湿需要后续烘干的缺点，用在生产线上可以实现对固体火箭发动机燃烧室内腔体积进行自动化逐件检测，大大提高生产效率和生产的自动化程度，以取代传统的“水称重”法。而且提出的固体火箭发动机燃烧室内腔体积测量的技术原理正确，方便易行，测量速度快，易于扩展、延伸到其它领域，具有重要的技术意义、国防意义和广阔的推广应用前景。
附图说明
图1为基于激光点云的固体火箭发动机燃烧室内腔体积测量装置示意图；
图2为实施例2仿真圆柱及其数据处理，图2a为点云圆柱体，图2b为投影轮廓图，图2c为平面域Delaunay三角网；
图3为实施例3内腔点云数据处理，图3a为原点云数据，图3b为精简后点云数据，图3c为投影轮廓图，图3d为面域Delaunay三角网；
图中标记：发动机基座-1、固定座-2、一号电机-3、夹紧装置-4、固体火箭发动机-5、支撑轮-6、简支梁基座-7、导轨-8、移动小车-9、二号电机-10、简支梁固定座-11、简支梁-12、滚轮-13、线激光位移传感器-14、支撑杆-15。
具体实施方式
实施例1
基于激光点云的固体火箭发动机内腔体积测量方法，包括以下步骤：
步骤1，利用线激光位移传感器采集固体火箭发动机内腔内表面的位移值，利用D-H矩阵将线激光位移传感器采集到的数据转换为固体火箭发动机内腔三维点云数据，具体步骤为：
步骤1.1，结合线激光位移传感器沿固体火箭发动机轴线的运动以及固体火箭发动机自身的旋转运动，等间隔采集固体火箭发动机内腔表面的位移值，将线激光位移传感器采集到的数据进行D-H建模，可得D-H矩阵：
Figure BDA0003090345230000071
步骤1.2，将线激光位移传感器采集到的数据分别与D-H矩阵相乘，从而将线激光位移传感器采集到的数据转换成三维点云坐标，最终将线激光位移传感器采集到的数据转换为固体火箭发动机内腔三维点云数据。
步骤2，设待检测的固体火箭发动机内腔的设计半径为R，采用基于半径R的均值滤波方法对固体火箭发动机内腔三维点云数据进行精简，具体步骤为：
步骤2.1，对固体火箭发动机内腔三维点云数据进行矩阵分块，分块方法为：对y轴进行等间隔划分时，x轴的坐标不变；对x轴进行等间隔划分时，y轴的坐标不变；
步骤2.2，对划分好的每个数据小块都进行数据精简，精简方法为：设每个数据小块初始采集点的三维坐标为(xf，yf，zf)，其中f＝1,2......，表示第f个数据小块，设定x、y方向的分辨率为Δx、Δy，则在长、宽为yf+Δy、xf+Δx的数据小块范围内，对该范围内数据点的z值进行判断，将z值超过R±10mm的数据进行删除，将z值位于R±10mm之间的数据进行正负划分，求平均值
Figure BDA0003090345230000081
最后用三维坐标点
Figure BDA0003090345230000082
代替该数据小块中的所有数据，从而实现数据精简。
步骤3，对精简后的固体火箭发动机内腔三维点云数据利用基于点云切片的体积测量方法进行求取固体火箭发动机内腔体积，具体步骤为：
步骤3.1，利用基于空间格网划分的密度法确定切片宽度，根据切片宽度对精简后的点云数据进行剖切得到系列点云切片；
步骤3.2，选择XOY平面为投影面，将通过切片得到的各层点云进行投影得到投影轮廓线，其投影点个数为K，在投影轮廓线上任选一点作为初始点P1，其中下标1为该点的索引值，按照顺时针方向依次遍历投影轮廓线上所有的点直到PK；
步骤3.3，利用Delaunny三角网算法构建三角网，并保存每个三角形的顶点的索引值到矩阵tri[m,3]，其中m是三角形的个数；
步骤3.4，提取矩阵tri[m,3]的第一行，即第一个三角形的顶点的索引值，可得到三角形三个顶点坐标，由三角形面积计算公式可求出该三角形的面积并保存下来，三角形面积计算公式如式(1)：
Figure BDA0003090345230000083
其中，(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)是三角形的顶点坐标；
步骤3.5，重复步骤3.4，直到矩阵tri[m,3]的最后一行，所有三角形面积计算并保存完毕，累加所有三角形的面积如式(2)所示，得到每层点云切片的面积；
Figure BDA0003090345230000091
式中，si是第i个三角形的面积，Sj是第j层点云切片的面积，r是三角网中三角形的数量，t为点云切片的层数；
步骤3.6，利用点云切片的面积与切片宽度计算出每部分内腔体积，如式(3)所示，将各部分的体积进行累加，如式(4)所示，可得到固体火箭发动机燃烧室内腔的体积；
vj＝Sj*δ (3)
Figure BDA0003090345230000092
式中，vj是第j部分的体积，δ是切片宽度，V是燃烧室内腔体积。
如图1所示，一种基于激光点云的固体火箭发动机燃烧室内腔体积测量装置，包括发动机基座1、固定火箭发动机5、简支梁基座7，在所述发动机基座1的上表面前后对称设置有至少两对支撑轮6，所述固体火箭发动机5水平放置在支撑轮6上，且使支撑轮6的支撑点与固体火箭发动机5的定心部重合，在其中一个所述支撑轮6上安装有编码器，以测量固体火箭发动机5的旋转角度，在所述发动机基座1的上表面设置有固定座2，在所述固定座2上设置有一号电机3和夹紧装置4，所述夹紧装置4用于夹紧固体火箭发动机5的一侧，所述一号电机3通过带传动带动夹紧装置4旋转，所述简支梁基座7与发动机基座1相邻设置，在所述简支梁基座7上沿固体火箭发动机5轴线方向设置有导轨8，在所述导轨8内设置有移动小车9，在所述移动小车9上安装有二号电机10，所述二号电机10通过带传动带动移动小车9移动，在所述移动小车9的上表面设置有简支梁固定座11，在所述简支梁固定座11上安装有简支梁12，且所述简支梁12与固体火箭发动机5的轴线重合，在所述简支梁12的另一端设置有线激光位移传感器14。在所述简支梁基座7的左侧设置有支撑杆15，在所述支撑杆15上设置有滚轮13。
实施例2
仿真圆柱测量
固体火箭发动机燃烧室内腔属于大长径比管状物体，其精确几何尺寸未知，为验证本发明提出的体积测量方法的准确度，使用MATLAB仿真了一个高为2000mm,半径为400mm的圆柱体(如图2)，并预先手动计算其真实体积，并将真实体积作为理论值。同时利用本发明算法与文献1的像素法测量该圆柱体积，通过计算相对误差(式5)来验证算法的有效性。实验结果如图2、表1所示。
相对误差计算公式
Figure BDA0003090345230000101
其中，V1是测量体积，V是理论值。
表1本文方法与像素法对仿真圆柱的体积测量结果比较
Figure BDA0003090345230000102
根据实验结果可知：因圆柱模型体积似真值(即公式计算值)与本发明提出的圆柱点云体积计算值(如表1所示)足够接近，相对误差仅为1.64e-6，同时再与文献1的像素法相比，准确度更高，测量出的体积更接近真实体积，可以认定本发明的体积测量算法可行、结果正确且高效。
实施例3
固体火箭发动机内腔体积测量
传统的“称水法”虽操作繁琐、效率低但测量精度高，因此这里以传统的“称水法”测得的体积为理论值，计算了本发明方法与像素法针对燃烧室内腔的体积测量的相对误差，以进一步判断和验证两种算法的效率优劣和适用情况。实验结果如图3、表2、表3所示。
表2每个点云切片的面积
点云切片数 面积(mm<sup>2</sup>)
第一个点云切片 488367.36
第二个点云切片 489071.38
第三个点云切片 489540.22
第四个点云切片 490009.99
第五个点云切片 490009.99
第六个点云切片 490952.27
第七个点云切片 491577.41
… …
表3.本发明方法与像素法对燃烧室内腔体积测量结果比较
Figure BDA0003090345230000111
从实验结果可以看出，由于固体火箭发动机精确尺寸未知，本发明以传统的“称水法”测得的固体火箭发动机内腔体积为理论值，利用本发明提出的固体火箭发动机内腔体积测量算法得到的计算结果更接近理论值，相对误差仅为1.63％，算法正确性和可靠性不仅与前述理论分析一致，相对于像素法提高体积计算精度，而且得到了试验数据的有效验证；
因此，计算正确、流程简洁、结果可靠、算法高效、精度可控的本发明提出的固体火箭发动机内腔容积测量方法不仅优于“像素法”，而且适用性更强，能够解决管状物体体积计算的难题，在管状物体体积测量将有更好的应用前景景。

Claims (5)

1.基于激光点云的固体火箭发动机内腔体积测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，利用线激光位移传感器采集固体火箭发动机内腔内表面的位移值，利用D-H矩阵将线激光位移传感器采集到的数据转换为固体火箭发动机内腔三维点云数据；
步骤2，设待检测的固体火箭发动机内腔的设计半径为R，采用基于半径R的均值滤波方法对固体火箭发动机内腔三维点云数据进行精简；
步骤3，对精简后的固体火箭发动机内腔三维点云数据利用基于点云切片的体积测量方法进行求取固体火箭发动机内腔体积，具体步骤为：
步骤3.1，利用基于空间格网划分的密度法确定切片宽度，根据切片宽度对精简后的点云数据进行剖切得到系列点云切片；
步骤3.2，选择XOY平面为投影面，将通过切片得到的各层点云进行投影得到投影轮廓线，其投影点个数为K，在投影轮廓线上任选一点作为初始点P1，其中下标1为该点的索引值，按照顺时针方向依次遍历投影轮廓线上所有的点直到PK；
步骤3.3，利用Delaunny三角网算法构建三角网，并保存每个三角形的顶点的索引值到矩阵tri[m,3]，其中m是三角形的个数；
步骤3.4，提取矩阵tri[m,3]的第一行，即第一个三角形的顶点的索引值，可得到三角形三个顶点坐标，由三角形面积计算公式可求出该三角形的面积并保存下来，三角形面积计算公式如式(1)：
Figure FDA0003090345220000011
其中，(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)是三角形的顶点坐标；
步骤3.5，重复步骤3.4，直到矩阵tri[m,3]的最后一行，所有三角形面积计算并保存完毕，累加所有三角形的面积如式(2)所示，得到每层点云切片的面积；
Figure FDA0003090345220000021
式中，si是第i个三角形的面积，Sj是第j层点云切片的面积，r是三角网中三角形的数量，t为点云切片的层数；
步骤3.6，利用点云切片的面积与切片宽度计算出每部分内腔体积，如式(3)所示，将各部分的体积进行累加，如式(4)所示，可得到固体火箭发动机燃烧室内腔的体积；
vj＝Sj*δ (3)
Figure FDA0003090345220000022
式中，vj是第j部分的体积，δ是切片宽度，V是燃烧室内腔体积。
2.根据权利要求1所述的基于激光点云的固体火箭发动机内腔体积测量方法，其特征在于，所述步骤1中利用线激光位移传感器采集固体火箭发动机内腔内表面的位移值，利用D-H矩阵将线激光位移传感器采集到的数据转换为固体火箭发动机内腔三维点云数据，具体步骤为：
步骤1.1，结合线激光位移传感器沿固体火箭发动机轴线的运动以及固体火箭发动机自身的旋转运动，等间隔采集固体火箭发动机内腔表面的位移值，将线激光位移传感器采集到的数据进行D-H建模，可得D-H矩阵：
αs as θs ds
Figure FDA0003090345220000031
步骤1.2，将线激光位移传感器采集到的数据分别与D-H矩阵相乘，从而将线激光位移传感器采集到的数据转换成三维点云坐标，最终将线激光位移传感器采集到的数据转换为固体火箭发动机内腔三维点云数据。
3.根据权利要求1所述的基于激光点云的固体火箭发动机内腔体积测量方法，其特征在于，所述步骤2中设待检测的固体火箭发动机内腔的设计半径为R，采用基于半径R的均值滤波方法对固体火箭发动机内腔三维点云数据进行精简，具体步骤为：
步骤2.1，对固体火箭发动机内腔三维点云数据进行矩阵分块，分块方法为：对y轴进行等间隔划分时，x轴的坐标不变；对x轴进行等间隔划分时，y轴的坐标不变；
步骤2.2，对划分好的每个数据小块都进行数据精简，精简方法为：设每个数据小块初始采集点的三维坐标为(xf，yf，zf)，其中f＝1,2......，表示第f个数据小块，设定x、y方向的分辨率为Δx、Δy，则在长、宽为yf+Δy、xf+Δx的数据小块范围内，对该范围内数据点的z值进行判断，将z值超过R±10mm的数据进行删除，将z值位于R±10mm之间的数据进行正负划分，求平均值
Figure FDA0003090345220000032
最后用三维坐标点
Figure FDA0003090345220000033
代替该数据小块中的所有数据，从而实现数据精简。
4.一种基于激光点云的固体火箭发动机内腔体积测量装置，其特征在于，包括发动机基座(1)、固定火箭发动机(5)、简支梁基座(7)，在所述发动机基座(1)的上表面前后对称设置有至少两对支撑轮(6)，所述固体火箭发动机(5)水平放置在支撑轮(6)上，且使支撑轮(6)的支撑点与固体火箭发动机(5)的定心部重合，在其中一个所述支撑轮(6)上安装有编码器，以测量固体火箭发动机(5)的旋转角度，在所述发动机基座(1)的上表面设置有固定座(2)，在所述固定座(2)上设置有一号电机(3)和夹紧装置(4)，所述夹紧装置(4)用于夹紧固体火箭发动机(5)的一侧，所述一号电机(3)通过带传动带动夹紧装置(4)旋转，所述简支梁基座(7)与发动机基座(1)相邻设置，在所述简支梁基座(7)上沿固体火箭发动机(5)轴线方向设置有导轨(8)，在所述导轨(8)内设置有移动小车(9)，在所述移动小车(9)上安装有二号电机(10)，所述二号电机(10)通过带传动带动移动小车(9)移动，在所述移动小车(9)的上表面设置有简支梁固定座(11)，在所述简支梁固定座(11)上安装有简支梁(12)，且所述简支梁(12)与固体火箭发动机(5)的轴线重合，在所述简支梁(12)的另一端设置有线激光位移传感器(14)。
5.根据权利要求4所述的一种基于激光点云的固体火箭发动机内腔体积测量装置，其特征在于，在所述简支梁基座(7)的左侧设置有支撑杆(15)，在所述支撑杆(15)上设置有滚轮(13)。
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