CN115854973A - 一种高低角测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高低角测量系统及测量方法。所述测量系统包括刻度尺、激光位移传感器、云台、高速摄像头、分划镜和测试计算机；刻度尺设置在火炮的炮塔上，其尺面向下，身管的轴向纵垂面与尺身的长向一致；激光位移传感器设置在火炮的炮尾检查座的台面后端，用于向刻度尺发射定位激光，且定位激光的光斑打在刻度尺的刻度线区域；高速摄像头安装在云台上，用于拾取激光光斑在刻度尺上的刻度尺寸；分划镜安装在高速摄像头上，用以分辨激光光斑在刻度尺上的精确位置；测试计算机用于接收高速摄像头输入的定位激光光斑的图像信息，计算出火炮身管的高低角。本发明通过机器视觉的方法完成火炮高低角的自动测试，避免了人为因素对测量结果的影响。

Description

一种高低角测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及一种角度测量装置，具体地说是一种火炮的高低角测量系统及测量方法。

背景技术

许多工程机械都需要高精度地测量主梁和臂架的高低角变化，自行火炮的身管也有一个高低角变化的测量问题。目前此类高低角的测量，多是使用经纬仪进行高精度的测量。这种使用经纬仪进行高低角的测量方式虽然是可行的，但是存在的问题是工作效率不高，而且测试结果受人为因素的影响较大。

发明内容

本发明的目的就是提供一种高低角测量系统及测量方法，以解决使用经纬仪测量高低角存在的测试结果受人为因素影响大的问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种高低角测量系统，其系统构成包括：

刻度尺，设置在火炮的炮塔上，其尺面向下，身管的轴向纵垂面与尺身的长向一致；

激光位移传感器，设置在火炮的炮尾检查座的台面后端，用于向刻度尺发射定位激光，且定位激光的光斑打在刻度尺的刻度线区域；

云台，设置在炮尾检查座的台面上，并位于所述激光位移传感器的前部；

高速摄像头，安装在所述云台上，用于拾取激光光斑在刻度尺上的刻度尺寸；

分划镜，安装在所述高速摄像头上，用以分辨激光光斑在刻度尺上的精确位置；以及

测试计算机，通过信号线与高速摄像头相接，用于接收高速摄像头输入的定位激光光斑的图像信息，并计算出火炮身管此刻的高低角。

进一步地，所述激光位移传感器通过强磁吸附座吸附在炮尾检查座上。

进一步地，所述强磁吸附座有两种，一种是顶面与底面相互平行的平台型，另一种是三棱柱型；三棱柱型强磁吸附座上的三角形端面中包括一个90°的顶角和两个45°的边角，当该强磁吸附座的一个直角边端面吸附在炮尾检查座的顶面时，其斜边的端面朝向火炮的正前方。

进一步地，所述高速摄像头为黑白高速相机，在其上带有照明光源。

本发明的目的还可这样实现：

一种高低角测量方法，包括以下步骤：

S1、设置一套本发明高低角测量系统；如果火炮身管的高低角在0°～45°的范围内变化，则选用平台型的强磁吸附座吸附激光位移传感器；如果火炮身管的高低角在45°以上的范围内变化，则选用三棱柱型的强磁吸附座吸附激光位移传感器。

S2、调整云台，使激光位移传感器发射的激光光斑能够落在刻度尺的刻度线上，再调整高速摄像头的拍摄角度，使激光光斑处于高速摄像头的视野范围内，并使得分划镜上的分划线交点与激光光斑对正；然后设定高速摄像头拍摄图片的大小和拍照速率。

S3、将火炮的身管调整至水平态，激光位移传感器发射定位激光，该激光光斑位于刻度尺的A点，高速摄像头拍摄此刻激光光斑所处刻度尺位置的图像，并将图像信息传送到测试计算机中。

S4、当火炮的身管产生一个仰角θ的变化时，激光位移传感器发射定位激光，该激光光斑位于刻度尺的B点，高速摄像头拍摄此刻激光光斑所处刻度尺位置的图像，并将图像信息传送到测试计算机中。

S5、测试计算机根据两个图像中的激光光斑所处刻度尺的位置变化，计算出火炮身管的仰角θ，并输出该仰角的θ值。

影响本发明方法精度的主要因素是对激光光斑的判读误差。如果使用分化镜头刻线在刻度尺位置上作为参照，则判读误差主要取决于分化镜刻线宽度。由于分化镜的刻线宽度比激光光斑小很多，由此可进一步提高火炮高低角的测试精度。

本发明通过机器视觉的方法完成火炮高低角的自动测试，由此避免了人为因素对测量结果的影响，提高了测量精度。由于测试过程是由测试计算机自动完成，如果将时间参数计入后，还可计算出火炮身管运动的角速度。本发明的整个测量过程可自动完成，不需要反复调试，测试效率远高于使用经纬仪的高低角测量。

附图说明

图1是本发明高低角测量系统的结构示意图。

图2是高低角小于45°时的测量原理示意图。

图3是高低角大于45°时的测量原理示意图。

图4是分划镜的对焦示意图。

图中：1、激光位移传感器，2、高速摄像头，3、分划镜，4、云台，5、强磁座，6、测试计算机，7、炮塔，8、炮尾检查座，9、身管，10、激光光斑，11，分划线，12、刻度尺。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详述。

实施例1

如图1所示，本发明测量系统包括刻度尺12、激光位移传感器1、云台4、高速摄像头2、分划镜3和测试计算机6等部分。其中，刻度尺12设置在火炮的炮塔7的顶部底面，其尺面向下，可以利用背胶粘贴在炮塔底面。刻度尺12的尺身长向与火炮身管9的轴向纵垂面与保持一致。激光位移传感器1设置在火炮的炮尾检查座8的台面后端，并与炮尾检查座8的后端面相平齐。激光位移传感器1向刻度尺12发射定位激光，且定位激光的光斑应打在刻度尺12的刻度线区域(图4)。激光位移传感器1可以通过强磁吸附座5吸附在炮尾检查座8上，以便于安装和拆卸。当然，也可以通过其他的常规固定方式固定安装激光位移传感器1。

本发明中的强磁吸附座5有两种配置，一种是顶面与底面相互平行的平台型(图1)，另一种是顶面与底面为45°夹角的三棱柱型(图3)。如图3所示，三棱柱型强磁吸附座5上的三角形侧端面中包括一个90°的顶角和两个45°的边角，当该强磁吸附座5的一个直角边所在的端面吸附在炮尾检查座8的顶面时，其斜边所在的端面朝向火炮前方，而激光位移传感器1就吸附在强磁吸附座5的斜边所在的端面上。

云台4固定在炮尾检查座8的台面上，并位于激光位移传感器1的前部(图1)。云台4也可使用强磁云台，利用磁性吸附在炮尾检查座8上。高速摄像头2安装在云台4上，用于拾取激光光斑10在刻度尺12上的刻度尺寸。高速摄像头2为黑白高速相机，最好在其配置照明光源。分划镜3安装在高速摄像头2上，利用其上的分划线11分辨激光光斑10在刻度尺12上的精确位置(图4)。测试计算机6与高速摄像头2通过信号线相连接，用以接收高速摄像头2输入的定位激光光斑的图像信息，并计算出火炮身管此刻的高低角θ。

本发明测量系统的工作方式参照本发明测量方法。

实施例2

本发明高低角测量方法包括以下步骤：

S1、设置一套本发明高低角测量系统。如果火炮身管9的高低角在0°～45°的范围内变化，则选用平台型的强磁吸附座5吸附激光位移传感器1；如果火炮身管9的高低角在45°以上的范围内变化，则选用三棱柱型的强磁吸附座5吸附激光位移传感器1。

S2、调整云台4，使激光位移传感器1发射的激光光斑能够落在刻度尺12中最短的刻度线上，再调整高速摄像头2的拍摄角度，使激光光斑处于高速摄像头2的视野范围内，并调整分划镜3，使其上的分划线11的交点与激光光斑10对正(图4)；然后设定高速摄像头2拍摄图片的大小和拍照速率。

S3、将火炮的身管9调整至水平态，激光位移传感器1发射定位激光，该激光光斑位于刻度尺的A点，高速摄像头2拍摄此刻激光光斑所处刻度尺位置的图像，并将图像信息传送到测试计算机6中。

S4、当火炮的身管产生一个仰角θ的变化时，激光位移传感器1发射定位激光，该激光光斑位于刻度尺的B点，高速摄像头2拍摄此刻激光光斑所处刻度尺位置的图像，并将图像信息传送到测试计算机6中。

S5、测试计算机6根据两个图像中的激光光斑所处刻度尺的位置变化，计算出火炮身管9的仰角θ，并输出该仰角的θ值，该角度即为火炮此刻的高低角。

本发明测量系统和测量方法的原理说明。

图2中，火炮的身管9处于水平状态，此时，激光位移传感器1与身管俯仰耳轴的中心点o之间的垂直距离为a，水平距离为r1。激光位移传感器1发射定位激光，打在刻度尺12上的位置为A点，其反向延长线与身管轴线的平面交点为D₁。当火炮的身管9有一个高低角为θ的仰角时，激光位移传感器1发射的定位激光打在刻度尺12上的位置为B点，其延长线与身管轴线平面的交点为D₂。从D₂做垂线至顶部刻度尺，交点为C点，则∠CD₂B就等于仰角θ。线段BD₂的边长为：BD₂＝S3+a，线段CB的边长为：CB＝S2+m，线段CD₂的边长为：CD₂＝S1+a+r1×sinθ，而m＝r1-r1×cosθ，这样，通过三角函数的余弦定理就可以计算得到角度θ的数值：

/>

由于线段CB是影响θ测量误差的主要因素，而线段BD₂和线段CD₂对θ的测量误差影响极为微小，因此可以看作不变量处理。对(2)式进行微分处理，则有：

由(3)式可以看出，随着仰角θ的增大，误差Δ(cosθ)单调增加；当最大仰角为θ₀时，有最大测量误差。影响Δ(CB)的因素是线段CB的视觉判读误差ΔS2。若仰角为θ₀＝45°，则：

假如S1+a＝2r1，则：

若r1＝600mm，判读误差ΔS2＝±0.1mm，又因为Δ(cosθ₀)＝-sinθ₀Δθ，可以得到角度最大误差

而火炮高低运动的最高精度(复瞄精度)为小于0.7mil，可见，本发明测量方法的误差小于被测火炮精度的1/10，因此可以作为测量火炮高低角(仰角)变化的一种测量方法。

当火炮的身管高低角超过45°，激光光线投射区域有可能超过炮塔；测试这一区域时，就需要将强磁吸附座5换成三棱型强磁吸附座(参见图3)。此时，∠CD₂B就等于仰角θ，线段BD₂的边长为：BD₂＝S3-a+r1，线段CB的边长为:CB＝S2+m，线段CD₂的边长为：

而m＝r1-r1cos(45°+θ)。

通过三角函数的余弦定理可以计算得到角度θ的值为：

采用与前述相同方法分析：

又由于

因此式(7)改写为：

假如S1＝2r1，则：

可以看出，影响Δ(cosθ)的主要因素是ΔS2，随着仰角θ的增加，ΔS2的系数增大，误差也相应增加。当最大仰角为θ＝20时，有最大测量误差：

若r1＝600mm，δ_max＝±0.0000184，又因为Δ(cosθ₀)＝-sinθ₀Δθ，可以得到角度最大误差：

而火炮高低运动的最高精度(复瞄精度)为小于0.7mil，因此，此时本发明测量方法的误差同样小于被测火炮精度的1/10，即测量精度满足测试要求。

Claims (5)

1.一种高低角测量系统，其特征是，包括：

刻度尺，设置在火炮的炮塔上，其尺面向下，身管的轴向纵垂面与尺身的长向一致；

激光位移传感器，设置在火炮的炮尾检查座的台面后端，用于向刻度尺发射定位激光，且定位激光的光斑打在刻度尺的刻度线区域；

云台，设置在炮尾检查座的台面上，并位于所述激光位移传感器的前部；

高速摄像头，安装在所述云台上，用于拾取激光光斑在刻度尺上的刻度尺寸；

分划镜，安装在所述高速摄像头上，用以分辨激光光斑在刻度尺上的精确位置；以及

测试计算机，通过信号线与高速摄像头相接，用于接收高速摄像头输入的定位激光光斑的图像信息，并计算出火炮身管此刻的高低角。

2.根据权利要求1所述的高低角测量系统，其特征是，所述激光位移传感器通过强磁吸附座吸附在炮尾检查座上。

3.根据权利要求2所述的高低角测量系统，其特征是，所述强磁吸附座有两种，一种是顶面与底面相互平行的平台型，另一种是三棱柱型；三棱柱型强磁吸附座上的三角形端面中包括一个90°的顶角和两个45°的边角，当该强磁吸附座的一个直角边端面吸附在炮尾检查座的顶面时，其斜边的端面朝向火炮的正前方。

4.根据权利要求1、2或3所述的高低角测量系统，其特征是，所述高速摄像头为黑白高速相机，在其上带有照明光源。

5.一种高低角测量方法，其特征是，包括以下步骤：

S1、设置权利要求1~4任一权利要求所述的高低角测量系统；如果火炮身管的高低角在0°~ 45°的范围内变化，则选用平台型的强磁吸附座吸附激光位移传感器；如果火炮身管的高低角在45°以上的范围内变化，则选用三棱柱型的强磁吸附座吸附激光位移传感器；

S2、调整云台，使激光位移传感器发射的激光光斑能够落在刻度尺的刻度线上，再调整高速摄像头的拍摄角度，使激光光斑处于高速摄像头的视野范围内，并使得分划镜上的分划线交点与激光光斑对正；然后设定高速摄像头拍摄图片的大小和拍照速率；

S3、将火炮的身管调整至水平态，激光位移传感器发射定位激光，该激光光斑位于刻度尺的A点，高速摄像头拍摄此刻激光光斑所处刻度尺位置的图像，并将图像信息传送到测试计算机中；

S4、当火炮的身管产生一个仰角θ的变化时，激光位移传感器发射定位激光，该激光光斑位于刻度尺的B点，高速摄像头拍摄此刻激光光斑所处刻度尺位置的图像，并将图像信息传送到测试计算机中；

S5、测试计算机根据两个图像中的激光光斑所处刻度尺的位置变化，计算出火炮身管的仰角θ，并输出该仰角的θ值。

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