CN113586887B - 一种固体火箭发动机内腔表面图像采集装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及复杂曲面内腔表面图像采集领域，公开了一种固体火箭发动机内腔表面图像采集装置及方法，图像采集装置包括线阵相机，转动连接机构，舵机，基座和伺服电机，舵机通过转动连接机构控制线阵相机镜头的转动，伺服电机设于固体火箭发动机外部，驱动舵机沿固体火箭发动机内腔轴线方向移动，进而通过转动连接机构带动线阵相机移动；本发明一种固体火箭发动机内腔表面图像采集方法，可对固体火箭发动机壳体内腔表面进行全区域、无遗漏性图像采集，简化了图像采集装置的运动逻辑，提高了图像采集效率。

Description

一种固体火箭发动机内腔表面图像采集装置及方法
技术领域
本发明涉及复杂曲面内腔表面图像采集领域，具体为一种基于线阵相机的固体火箭发动机内腔表面图像采集装置及方法。
背景技术
固体火箭发动机作为导弹或航天飞行器的动力装置，对发动机壳体内壁隔热层-衬层-药柱结构具有特定要求。隔热层与发动机壳体内壁粘接有皱褶，或者存在隔热层不完整现象，或者发动机壳体内壁存在杂物，导致衬层与隔热层、药柱间粘接不牢靠，出现脱粘现象，都会影响隔热层-衬层-药柱结构的完整性和整体力学性能，从而在发动机工作时，可能造成壳体内部的过热失强，或者引起推进剂的燃面扩大，导致发动机发生故障。
在现有隔热层粘接和衬层成型技术下，发动机壳体内壁可能会存在杂物，从而影响衬层与隔热层间的粘接性能。另一方面，衬层表面可能会存在漏涂、流挂、气泡、堆积等缺陷，衬层表面完整性差，降低了衬层粘接性能，因此，需要对壳体内壁杂物和衬层表面完整性进行检测，且要求检测具有全区域性、高准确率和高效性。固体火箭发动机一般具有大长径比的特点，壳体内部光线较弱，目前通常采用的是人工打光照明的方式进行检测，由于衬层表面反光，通过肉眼难以分辨衬层表面是否存在缺陷，导致检测效果较差、准确率低。因此，探索新的发动机壳体内壁杂物和衬层表面完整性检测方法十分必要。利用计算机视觉和深度学习技术检测壳体内壁杂物和衬层表面完整性是一种新型的检测方法，通过建立内腔杂物或衬层缺陷的神经网络识别模型，可以自动识别内腔杂物或衬层缺陷，并定位杂物或缺陷位置。然而，固体火箭发动机一般具有复杂的曲面内腔，需要设计特定的装置完成内腔表面杂物或衬层的图像采集工作。
综上，现有的人工检测方式不能满足固体火箭发动机壳体内腔表面杂物或衬层检测的高准确率和高效性要求，探索新的固体火箭发动机壳体内腔杂物或衬层完整性检测方法、设计新的检测装置十分必要。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种固体火箭发动机内腔表面图像采集装置及方法，公开了一种固体火箭发动机内腔表面图像采集装置及方法，图像采集装置包括线阵相机，转动连接机构，舵机，基座和伺服电机，舵机通过转动连接机构控制线阵相机镜头的转动，伺服电机设于固体火箭发动机外部，驱动舵机沿固体火箭发动机内腔轴线方向移动，进而通过转动连接机构带动线阵相机移动；可对固体火箭发动机壳体内腔表面进行全区域、无遗漏性图像采集，简化了图像采集装置的运动逻辑，提高了图像采集效率，配合计算机视觉和深度学习技术解决了目前检测方法低效性、准确率低的问题，并且，图像采集装置能够适应固体火箭发动机的复杂曲面内腔。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种固体火箭发动机内腔表面图像采集装置，包括线阵相机，转动连接机构，舵机，基座和伺服电机；
所述转动连接机构包括夹板，摇杆，连杆和曲柄；所述转动连接机构为2组，分别设于线阵相机和舵机的两侧；所述舵机固定安装于基座上，所述基座与伺服电机输出轴固定连接；所述舵机通过转动连接机构控制线阵相机的转动，所述伺服电机设于固体火箭发动机外部，驱动舵机沿固体火箭发动机内腔轴线方向移动，进而通过转动连接机构带动线阵相机移动；
所述夹板固定安装于线阵相机外侧，曲柄与舵机输出轴固定连接；
摇杆第一端与夹板第一端转动连接，第二端与曲柄第一端转动连接；连杆第一端与夹板第二端转动连接，第二端与基座固定连接。
进一步的，摇杆与夹板的连接点A和摇杆与曲柄的连接点B之间的连线与线阵相机镜头轴线平行；所述摇杆、曲柄、连杆以及夹板位于所述连接点A和连接点B之间的部分构成平行四边形。
进一步的，夹板第一端和第二端、以及曲柄第一端开设圆柱孔，圆柱孔内设有轴承，所述摇杆第一端与夹板第一端、摇杆第二端与曲柄第一端以及连杆第一端与夹板第二端之间通过销与所述轴承同轴配合后，实现转动连接；
所述连杆第二端与基座之间通过螺栓固定连接。
进一步的，销与所述摇杆、所述连杆、所述轴承间均设有挡圈。
进一步的，基座依次通过钣金件和连接轴与伺服电机输出轴固定连接；所述钣金件第一端与基座固定连接，第二端与连接轴第一端连接，连接轴第二端与伺服电机输出轴固定连接。
进一步的，连接轴为方形薄壁管，所述方形薄壁管长度为1～4m，横截面为长方形，所述长方形边长之比为1:2。
一种固体火箭发动机内腔表面图像采集方法，采用上述一种固体火箭发动机内腔表面图像采集装置实现，包括以下步骤：
S1伺服电机驱动线阵相机由发动机壳体大口封口处进入到发动机壳体内腔并到达采样位置P1；
S2舵机控制位于采样位置P1时线阵相机镜头轴线与直线段内壁垂直，记此时线阵相机镜头轴线为L1；
S3伺服电机驱动线阵相机由采样位置P1逐步移动到采样位置P2，记录单步采样时间t1内每一步的图像数据并传输至外部计算机；
S4舵机控制线阵相机镜头向小口封头方向转动，使线阵相机镜头视野完全覆盖小口封头区域，记录采样时间t2内小口封头区域图像并传输至外部计算机，记此时线阵相机镜头轴线为L2；
S5伺服电机驱动线阵相机退回至采样位置P1；
S6舵机控制线阵相机镜头向大口封头方向转动，使线阵相机镜头视野完全覆盖大口封头区域，记录采样时间t3内大口封头区域图像并传输至外部计算机，记此时线阵相机镜头轴线为L3；
S7伺服电机驱动线阵相机退出发动机壳体内腔，等待下一次运动指令。
进一步的，采样位置P1为镜头轴线与直线段内壁垂直时，镜头边缘与直线段和大口封头连接位置重合时线阵相机所处位置；
所述采样位置P2分别为镜头轴线与直线段内壁垂直时，镜头边缘与直线段和小口封头连接位置重合时线阵相机所处位置。
进一步的，线阵相机镜头轴线L2与L1之间的夹角大于等于60°且小于等于90°；所述线阵相机镜头轴线L3与L2之间的夹角大于等于120°且小于等于180°。
进一步的，步骤S3中，单步采样时间t1大于等于发动机壳体转动一圈所用时间；
所述步骤S4中，采样时间t2大于等于发动机壳体转动一圈所用时间；
所述步骤S6中，采样时间t3大于等于发动机壳体转动一圈所用时间。
进一步的，步骤S3中，控制线阵相机工作距离和视野宽度不变。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明一种固体火箭发动机内腔表面图像采集装置，利用舵机转动的高精度特点，同时设计了曲柄、摇杆、夹板和连杆间构成的平行四边形转动连接机构，方便的实现了对线阵相机的高精度转动控制；
(2)本发明一种固体火箭发动机内腔表面图像采集装置，线阵相机在采集小口封头区域图像和大口封头区域图像时，镜头为确定方向，与小口封头端面和大口封头端面均呈固定角度，优选60度，既能完全覆盖各种不同型号的固体火箭发动机封头区域，又简化了对舵机的控制逻辑；
(3)本发明一种固体火箭发动机内腔表面图像采集方法，按照一定顺序逐段采集固体火箭发动机壳体内壁表面图像，先逐步采集壳体直线段区域，再采集壳体小口封头区域，最后再采集壳体大口封头区域，简化了图像采集装置的运动逻辑，提高了图像采集效率。
附图说明
图1为本发明一种固体火箭发动机内腔表面图像采集装置的整体示意图；
图2为本发明一种固体火箭发动机内腔表面图像采集装置的左视图；
图3为本发明一种固体火箭发动机内腔表面图像采集装置的俯视图；
图4为本发明的图像采集装置的转动连接机构示意图；
图5为本发明的图像采集装置的等轴测图。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
一种固体火箭发动机内腔表面图像采集装置，包括线阵相机2，转动连接机构，舵机10，基座11和伺服电机；
所述转动连接机构包括夹板3，摇杆4，连杆5和曲柄6；所述转动连接机构为2组，分别设于线阵相机2和舵机10的两侧；所述舵机10固定安装于基座11上，所述基座11与伺服电机输出轴固定连接；所述舵机10通过转动连接机构控制线阵相机2的转动，所述伺服电机设于固体火箭发动机外部，驱动舵机10沿固体火箭发动机内腔轴线方向移动，进而通过转动连接机构带动线阵相机2移动；
所述夹板3固定安装于线阵相机2外侧，曲柄6与舵机10输出轴固定连接；
摇杆4第一端与夹板3第一端转动连接，第二端与曲柄6第一端转动连接；连杆5第一端与夹板3第二端转动连接，第二端与基座11固定连接；
所述摇杆4与夹板3的连接点A和摇杆4与曲柄6的连接点B之间的连线与线阵相机2镜头轴线平行；所述摇杆4、曲柄6、连杆5以及夹板3位于所述连接点A和连接点B之间的部分构成平行四边形。
进一步的，夹板3第一端和第二端、以及曲柄6第一端开设圆柱孔，圆柱孔内设有轴承，所述摇杆4第一端与夹板3第一端、摇杆4第二端与曲柄6第一端以及连杆5第一端与夹板3第二端之间通过销与所述轴承同轴配合后，实现转动连接；
所述连杆5第二端与基座11之间通过螺栓固定连接。
进一步的，销与所述摇杆4、所述连杆5、所述轴承间均设有挡圈。
进一步的，基座11依次通过钣金件8和连接轴与伺服电机输出轴固定连接；所述钣金件8第一端与基座11固定连接，第二端与连接轴第一端连接，连接轴第二端与伺服电机输出轴固定连接。
进一步的，连接轴为方形薄壁管7，所述方形薄壁管7长度为1～4m，横截面为长方形，所述长方形边长之比为1:2。
一种固体火箭发动机内腔表面图像采集方法，采用上述一种固体火箭发动机内腔表面图像采集装置实现，包括以下步骤：
S1伺服电机驱动线阵相机2由发动机壳体大口封口处进入到发动机壳体内腔并到达采样位置P1；
S2舵机10控制位于采样位置P1时线阵相机2镜头轴线与直线段内壁垂直，记此时线阵相机2镜头轴线为L1；
S3伺服电机驱动线阵相机2由采样位置P1逐步移动到采样位置P2，记录单步采样时间t1内每一步的图像数据并传输至外部计算机；
S4舵机10控制线阵相机2镜头向小口封头方向转动，使线阵相机2镜头视野完全覆盖小口封头区域，记录采样时间t2内小口封头区域图像并传输至外部计算机，记此时线阵相机2镜头轴线为L2；
S5伺服电机驱动线阵相机2退回至采样位置P1；
S6舵机10控制线阵相机2镜头向大口封头方向转动，使线阵相机2镜头视野完全覆盖大口封头区域，记录采样时间t3内大口封头区域图像并传输至外部计算机，记此时线阵相机2镜头轴线为L3；
S7伺服电机驱动线阵相机2退出发动机壳体内腔，等待下一次运动指令。
进一步的，采样位置P1为镜头轴线与直线段内壁垂直时，镜头边缘与直线段和大口封头连接位置重合时线阵相机2所处位置；
所述采样位置P2分别为镜头轴线与直线段内壁垂直时，镜头边缘与直线段和小口封头连接位置重合时线阵相机2所处位置。
进一步的，线阵相机2镜头轴线L2与L1之间的夹角大于等于60°且小于等于90°；所述线阵相机2镜头轴线L3与L2之间的夹角为大于等于120°且小于等于180°。在一中优选的方式中，舵机通过所述平行四边形机构可以控制所述线阵相机的转动，线阵相机在所述发动机壳体中间直线段区域采集图像时需要处于垂直状态，线阵相机在所述大口封头、小口封头区域采集图像时相对于垂直状态需要分别转动60度角。
进一步的，步骤S3中，单步采样时间t1大于等于发动机壳体转动一圈所用时间；
所述步骤S4中，采样时间t2大于等于发动机壳体转动一圈所用时间；
所述步骤S6中，采样时间t3大于等于发动机壳体转动一圈所用时间。
进一步的，步骤S3中，控制线阵相机2工作距离和视野宽度不变。
实施例1
现有技术中，发动机壳体水平放置，并绕自身轴线旋转，所述发动机壳体后端为大口封头，前端为小口封头，中间为直线段，所述大口封头和小口封头一般由多段圆弧拼接而成。
如图1-5所示，1为发动机壳体；1_1为发动机壳体小口封头；1_2为发动机壳体直线段；1_3为发动机壳体大口封头；2为线阵相机；3为夹板；4为摇杆；5为连杆；6为曲柄；7为方形薄壁管；8为钣金件；9为镜头；10为舵机；11为基座；12为销；13为挡圈。
本实施例提供一种技术方案：基于线阵相机的固体火箭发动机内腔表面图像采集装置，包括发动机壳体1内腔设置的线阵相机2，所述线阵相机两侧各设有一个夹板3，所述夹板3上端外侧设有摇杆4，所述夹板3下端外侧设有连杆5，所述线阵相机2后端设有舵机10，所述舵机10固定在基座11上，所述基座11与所述连杆5一端通过螺栓固定连接，所述舵机10的输出轴固定连接于曲柄6，所述基座11通过钣金件8与方形薄壁管7固定连接，基于线阵相机的图像采集装置可对固体火箭发动机壳体内壁进行全区域、无遗漏性图像采集。
所述夹板和所述连杆为两个，并对称布置在所述线阵相机两侧。
进一步的，所述夹板3上下两端各开有圆柱孔，所述圆柱孔中均设有轴承，所述摇杆4和所述连杆5一端各通过销12与所述轴承同轴配合，所述销12与所述摇杆4、所述连杆5、所述轴承间均设有挡圈13，所述曲柄6上端开有圆柱孔，所述圆柱孔中设有轴承，所述摇杆4另一端通过销12与所述轴承同轴配合，所述销12与所述摇杆4，所述轴承间均设有挡圈13，销12-轴承-挡圈13结构可以保证摇杆4、连杆5与夹板3间转动灵活，也避免了摇杆4、连杆5与夹板3间发生脱离问题。
曲柄6、摇杆4、夹板3、连杆5构成平行四边形机构，所述曲柄6固连于所述舵机输出轴，所述连杆5一端固连于所述基座11，所述连杆5另一端与夹板3下端圆柱孔同轴配合连接，所述摇杆4一端与曲柄6上方圆柱孔同轴配合连接，所述摇杆4另一端与夹板3上端圆柱孔配合连接，夹板3和连杆5为两个，并对称布置在所述线阵相机2两侧，利用平行四边形机构方便舵机对线阵相机的转动控制。
舵机10通过所述平行四边形机构可以控制线阵相机2的转动，线阵相机2在大口封头1_3、小口封头1_1区域采集图像时需要分别转动60度角，相机转角固定在60度，简化了对舵机的控制逻辑，提高图像采集效率。
所述线阵相机2在发动机壳体中间直线段1_2区域采集图像时需要处于垂直状态。
方形薄壁管7由伺服电机通过齿轮齿条驱动步进，所述线阵相机2由大口封头1_3经所述直线段步进到所述小口封头1_1(即由采样位置P1经直线段步进到采样位置P2)，所述线阵相机2的镜头9在所述直线段1_2区域采集图像时需要垂直于所述直线段，假设为图1所示垂直直线段内壁且向下，所述线阵相机2步进到所述小口封头区域(采样位置P2)时，线阵相机2需要顺时针旋转60度角，进而带动镜头9转动60度角，所述线阵相机2倾斜拍摄所述小口封头区域一圈后，所述线阵相机2跟随所述方形薄壁管7由所述伺服电机驱动后退，所述线阵相机2后退到所述大口封头区域(采样位置P1)时，镜头9需要逆时针旋转120度角，所述线阵相机2倾斜拍摄所述大口封头区域一圈后，顺时针旋转60度角并随着所述方形薄壁管回到起始位置，图像采集装置由大口封头处进入，经直线段，运动到小口封头区域，之后返回，返回到大口封头处时再采集大口封头区域，简化了线阵相机的运动逻辑，有效提高图像采集效率。
综上可得，本发明的工作流程：固体火箭发动机绕自身轴线一直处于旋转状态，基于线阵相机的图像采集装置由发动机壳体大口封口处逐步进入到壳体内腔，控制线阵相机工作距离和视野宽度不变，首先在壳体直线段进行图像采集，壳体每转动一圈，线阵相机采集等量的图像并输出到计算机，之后，图像采集装置向前移动一个步长，停止前进，线阵相机采集等量的图像后，装置再次向前移动一个步长，如此反复，直达完成对壳体直线段区域的图像采集工作，此时，图像采集装置运动到小口封头位置，通过舵机控制线阵相机顺时针转动60度，倾斜拍摄小口封头区域一圈的图像，完成后，图像采集装置后退，后退至大口封头处时，再次通过舵机控制线阵相机逆时针转动120度角，倾斜拍摄大口封头区域一圈的图像，完成后，通过舵机控制线阵相机顺时针转动60度角，图像采集装置退回到初始位置，等待下一次运动指令。以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种固体火箭发动机内腔表面图像采集方法，其特征在于，采用固体火箭发动机内腔表面图像采集装置实现，固体火箭发动机内腔表面图像采集装置包括线阵相机（2），转动连接机构，舵机（10），基座（11）和伺服电机；
所述转动连接机构包括夹板（3），摇杆（4），连杆（5）和曲柄（6）；所述转动连接机构为2组，分别设于线阵相机（2）和舵机（10）的两侧；所述舵机（10）固定安装于基座（11）上，所述基座（11）与伺服电机输出轴固定连接；所述舵机（10）通过转动连接机构控制线阵相机（2）的转动，所述伺服电机设于固体火箭发动机外部，驱动舵机（10）沿固体火箭发动机内腔轴线方向移动，进而通过转动连接机构带动线阵相机（2）移动；
所述夹板（3）固定安装于线阵相机（2）外侧，曲柄（6）与舵机（10）输出轴固定连接；
摇杆（4）第一端与夹板（3）第一端转动连接，第二端与曲柄（6）第一端转动连接；连杆（5）第一端与夹板（3）第二端转动连接，第二端与基座（11）固定连接；
固体火箭发动机内腔表面图像采集方法包括以下步骤：
S1 伺服电机驱动线阵相机（2）由发动机壳体大口封口处进入到发动机壳体内腔并到达采样位置P1；
S2 舵机（10）控制位于采样位置P1时线阵相机（2）镜头轴线与直线段内壁垂直，记此时线阵相机（2）镜头轴线为L1；
S3 伺服电机驱动线阵相机（2）由采样位置P1逐步移动到采样位置P2，记录单步采样时间t1内每一步的图像数据并传输至外部计算机；
S4 舵机（10）控制线阵相机（2）镜头向小口封头方向转动，使线阵相机（2）镜头视野完全覆盖小口封头区域，记录采样时间t2内小口封头区域图像并传输至外部计算机，记此时线阵相机（2）镜头轴线为L2；
S5 伺服电机驱动线阵相机（2）退回至采样位置P1；
S6 舵机（10）控制线阵相机（2）镜头向大口封头方向转动，使线阵相机（2）镜头视野完全覆盖大口封头区域，记录采样时间t3内大口封头区域图像并传输至外部计算机，记此时线阵相机（2）镜头轴线为L3；
所述采样位置P1为镜头轴线与直线段内壁垂直时，镜头边缘与直线段和大口封头连接位置重合时线阵相机（2）所处位置；
所述采样位置P2分别为镜头轴线与直线段内壁垂直时，镜头边缘与直线段和小口封头连接位置重合时线阵相机（2）所处位置；
所述摇杆（4）与夹板（3）的连接点A和连杆（5）与夹板（3）的连接点B之间的连线与线阵相机（2）镜头轴线平行；所述摇杆（4）、曲柄（6）、连杆（5）以及夹板（3）位于所述连接点A和连接点B之间的部分构成平行四边形。
2.根据权利要求1所述的一种固体火箭发动机内腔表面图像采集方法，其特征在于，所述夹板（3）第一端和第二端、以及曲柄（6）第一端开设圆柱孔，圆柱孔内设有轴承，所述摇杆（4）第一端与夹板（3）第一端、摇杆（4）第二端与曲柄（6）第一端以及连杆（5）第一端与夹板（3）第二端之间通过销与所述轴承同轴配合后，实现转动连接；
所述连杆（5）第二端与基座（11）之间通过螺栓固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种固体火箭发动机内腔表面图像采集方法，其特征在于，所述销与所述摇杆（4）、所述连杆（5）、所述轴承间均设有挡圈。
4.根据权利要求1所述的一种固体火箭发动机内腔表面图像采集方法，其特征在于，所述基座（11）依次通过钣金件（8）和连接轴与伺服电机输出轴固定连接；所述钣金件（8）第一端与基座（11）固定连接，第二端与连接轴第一端连接，连接轴第二端与伺服电机输出轴固定连接。
5.根据权利要求4所述的一种固体火箭发动机内腔表面图像采集方法，其特征在于，所述连接轴为方形薄壁管（7），所述方形薄壁管（7）长度为1~4m，横截面为长方形，所述长方形边长之比为1:2。
6.根据权利要求1所述的一种固体火箭发动机内腔表面图像采集方法，其特征在于，所述采样位置P1为镜头轴线与直线段内壁垂直时，镜头边缘与直线段和大口封头连接位置重合时线阵相机（2）所处位置；
所述采样位置P2分别为镜头轴线与直线段内壁垂直时，镜头边缘与直线段和小口封头连接位置重合时线阵相机（2）所处位置。
7.根据权利要求1所述的一种固体火箭发动机内腔表面图像采集方法，其特征在于，所述线阵相机（2）镜头轴线L2与L1之间的夹角大于等于60°且小于等于90°；所述线阵相机（2）镜头轴线L3与L2之间的夹角大于等于120°且小于等于180°。
8.根据权利要求1所述的一种固体火箭发动机内腔表面图像采集方法，其特征在于，所述步骤S3中，单步采样时间t1大于等于发动机壳体转动一圈所用时间；
所述步骤S4中，采样时间t2大于等于发动机壳体转动一圈所用时间；
所述步骤S6中，采样时间t3大于等于发动机壳体转动一圈所用时间。
9.根据权利要求1所述的一种固体火箭发动机内腔表面图像采集方法，其特征在于，所述步骤S3中，控制线阵相机（2）工作距离和视野宽度不变。
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