CN116908217B - 一种深孔测量与三维重建系统及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及深孔类零件检测领域，公开了一种深孔测量与三维重建系统及其使用方法，一种深孔测量与三维重建系统，包括驱动模块；测量仪器；支撑模块；仪器参数模块以及信息处理模块。所述驱动模块用于驱动测量仪器轴向移动，所述仪器参数模块用于获取测量仪器的空间坐标以及姿态角信息，所述支撑模块用于支撑测量仪器，所述轮廓参数模块用于获取被测深孔的内轮廓参数，所述信息处理模块用于数据存储、数据分析、三维重建与显示。本发明可以实现超长深孔类零件内壁的测量与三维重建。
Description
技术领域
本发明涉及深孔类零件检测领域，具体涉及一种深孔测量与三维重建系统及其使用方法。
背景技术
炮管经过多次发射任务后，炮管内的损伤、烧蚀、凹槽、磨损、锈迹以及火药残渣沉积等已成为弹丸发射安全亟待解决的问题。炮管属于深孔类零件，只有获取到炮管的内壁参数，才能够对炮管进行多种几何量的评估、身管损伤机理的分析以及在弹丸发射时炮管损伤对内弹道轨迹影响的分析。目前，深孔类零件的检测过度依赖于人工，测量工具一般采用杠杆式测径仪器，损伤检测工具一般采用内窥镜。这些方法效率低且无法根据检测结果进行量化分析。
随着光电技术的快速发展，研究人员采用光电技术分别将不同类型的结构光射向孔壁，使用相机采集结构光的图像用于深孔内壁测量，推动了深孔测量技术的发展。但这种利用相机与结构光的测量系统有一个严格的要求，即必须用连接件固定相机与结构光发生器之间的相对位置，并且结构光发生器的光需要穿过连接件才能被工业相机采集。目前常采用透明玻璃管作为连接件，透明玻璃管能够实现用于连接的同时又用于透光，但透明玻璃管难以做到材质、壁厚、透光均匀，会对光线造成折射，使测量结果存在较大误差。虽然高精度的玻璃管虽然能够减少这种误差，但这对玻璃管的精度要求过高，造价昂贵，不利于推广使用。另外，对于普通深孔零件的测量，测量仪器可以依托于机床、导轨等结构实现测量仪器沿某一理想轴线移动。但在超长深孔零件的检测中，测量仪器在深孔内壁的支撑下轴向移动，难以沿着理想轴线移动。深孔内壁存在损伤、烧蚀、凹槽、磨损、等缺陷，在移动过程中，测量仪器会发生径向偏移，空间内的姿态偏转等，导致测量的数据存在较大误差，虽然使用激光测距仪和陀螺仪等元器件可以获取测量仪器的轴向坐标以及姿态信息，但不同的元件拥有不同的采集频率、不同的采集精度，会对测量结果引入新的误差，且多种参数之间的数据难以实现无时差同步。
为了解决上述问题，实现超长深孔类零件内壁的测量与三维重建，本发明研发了一种深孔测量与三维重建系统及其使用方法。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于，提供一种深孔测量与三维重建系统及其使用方法，以解决上述背景技术中所指出的问题。
为了达到上述发明目的，进而采取的技术方案如下：
一种深孔测量与三维重建系统，包括：
驱动模块，包括固定在被测深孔一端外侧的驱动电机，所述驱动电机的输出端连接有牵引绳；
安装在被测深孔内的测量仪器，所述测量仪器包括阶梯管，所述阶梯管的小管径端安装有成像板，大管径端安装有相机安装板，所述相机安装板中部安装有相机，且所述相机位于阶梯管内，所述成像板的中部靠近阶梯管的一侧安装有环形激光发生器，环形激光发生器发出激光环光束，相机采集激光环光束形成的激光环图案；
固定在测量仪器两端的支撑模块，所述支撑模块用于支撑测量仪器并使测量仪器在被测深孔内能够沿轴向自由移动，靠近驱动模块一侧的支撑模块与所述牵引绳连接；
仪器参数模块，包括固定装置和十字激光发生器，所述固定装置固定安装在被测深孔内靠近驱动模块的一端，所述十字激光发生器安装在固定装置上，所述十字激光发生器发射出的十字激光光束照射在成像板上可以形成十字激光图案；所述固定装置为本领域技术人员现有的技术；
固定在被测深孔另一端外侧的信息处理模块，所述信息处理模块与测量仪器电连接，所述信息处理模块根据测量仪器的空间坐标、姿态角信息以及被测深孔的内壁轮廓信息建立被测深孔的内壁三维点云模型。
作为本发明的进一步改进，所述阶梯管包括小直径玻璃管、中间平面玻璃板以及大直径玻璃管，所述小直径玻璃管与大直径玻璃管通过中间平面玻璃板连接。
作为本发明的进一步改进，所述环形激光发生器发出的激光环光束穿过阶梯管的中间平面玻璃板进入相机视野。
作为本发明的进一步改进，其中一支撑模块与成像板连接，另一支撑模块与相机安装板连接。
作为本发明的进一步改进，所述支撑模块包括支撑架，所述支撑架上安装有滚轮，滚轮与被测深孔的内壁相接触。
作为本发明的进一步改进，所述成像板为半透明平板，十字激光光束从一侧射向成像板，在成像板的另一侧可以清晰的看到十字激光图案。
作为本发明的进一步改进，所述相机同时采集十字激光图案与激光环图案。
作为本发明的进一步改进，所述信息处理模块包括依次连接的储存单元、处理单元以及显示单元，所述信息处理模块与相机电相连，能够与相机进行数据传输，储存单元用于储存相机采集的图像，处理单元用于对储存单元的图像进行处理并输出轮廓参数，完成点云三维模型的重建，显示单元用于显示处理单元处理后的相机图像以及重建的点云三维模型。
一种深孔测量与三维重建系统的使用方法，包括以下步骤：
步骤1：前期准备
在被测深孔外部固定驱动模块以及信息处理模块，在被测深孔内靠近驱动模块的一端安装固定装置，在固定装置上安装十字激光发生器，将测量仪器深入被测深孔内部，将牵引绳与靠近驱动模块一侧的支撑模块连接，使用传输线连接相机与信息处理模块；
步骤2：数据采集
开启十字激光发生器，十字激光发生器发射出的十字激光光束射向成像板，在成像板上形成十字激光图案，开启环形激光发生器，环形激光发生器发出的激光环光束在被测深孔内壁形成激光环图案，开启驱动电机，在牵引绳的牵引下，测量仪器沿被测深孔的轴向移动，开启相机，以一定频率采集图像，采集的图像中包括十字激光图案与激光环图案；
步骤3：数据分析
信息处理模块通过图像处理技术对相机采集到的所有图像按照采集顺序进行激光环图案的轮廓识别与提取，并进行十字激光图案的大小与变形分析；
激光环图案会随被测深孔内壁的变化而发生变化，从而反映出被测深孔的内壁轮廓，通过图像处理，提取到激光环图案的轮廓线，根据相机的标定结果，将轮廓线参数转换至世界坐标系，表示真实的内壁轮廓信息；
十字激光发生器发出的十字激光光束具有一定的发散角，成像板离十字激光发生器越远，成像板上的十字激光图案的尺寸越大，根据十字激光图案的大小，可分析得到成像板距十字激光发生器的距离，从而确定测量仪器的轴向坐标，根据十字激光光束的中心点，可以确定测量仪器的径向坐标；
由于被测深孔的内壁存在磨损、凹坑、突起等缺陷，支撑模块撑在被测深孔的内壁，测量仪器移动过程中，会发生径向偏移、空间姿态变化，导致成像板与十字激光光束轴线不垂直，成像板上形成的十字激光图案发生变形，根据十字激光图案的变形，可以分析出成像板与十字激光光束轴线之间的夹角，从而确定测量仪器的姿态角信息；
步骤4：三维重建
将分析得到的每张图像中的真实的内孔截面轮廓参数，按照各截面轮廓参数对应的测量仪器的空间坐标以及姿态角信息，进行坐标平移与旋转转换，并按轴向坐标顺序进行拼接，得到三维点云模型。
本发明的有益效果是：
1、本发明利用阶梯管将环形激光发生器与相机连接，通过小直径玻璃管与大直径玻璃管的直径差，可使环形激光器产生的激光环穿过中间平面玻璃板被相机获取，中间平面玻璃板用高透有机玻璃材质，加工简单，平面度高，且透光率能够满足检测需求；不同于玻璃管连接，可降低对玻璃管精度的需求；不同于金属杆、半圆管等连接，可实现一次完成所有区域的数据获取；
2、本发明利用十字激光发生器在成像板上形成的十字激光图案反应测量仪器的空间位置以及姿态角度，在相机拍摄激光环图案时，相机可以同时获取到十字激光图案，不同于使用激光测距仪以及陀螺仪等其他元件获取仪器参数，基于十字激光光束的仪器参数模块，所获取的仪器的空间位置以及姿态信息与内孔轮廓参数之间没有时间差，内孔轮廓参数与仪器参数之间严格同步，完全排除了使用激光测距仪以及陀螺仪等其他元件获取仪器参数时，多种参数之间的时间差造成的测量误差。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一种深孔测量与三维重建系统的结构示意图；
图2为图1中的A-A剖视图。
图中：1、驱动模块；11、驱动电机；12、牵引绳；2、固定装置；3、十字激光发生器；31、十字激光光束；32、十字激光图案；4、支撑模块；5、成像板；6、环形激光发生器；61、激光环图案；62、激光环光束；7、阶梯管；71、小直径玻璃管；72、中间平面玻璃板；73、大直径玻璃管；8、相机；9、相机安装板；10、被测深孔。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
实施例1
如图1-2所示，一种深孔测量与三维重建系统，包括：
驱动模块1，包括固定在被测深孔10一端外侧的驱动电机11，所述驱动电机11的输出端连接有牵引绳12；
安装在被测深孔10内的测量仪器，所述测量仪器包括阶梯管7，所述阶梯管7的小管径端安装有成像板5，大管径端安装有相机安装板9，所述相机安装板9中部安装有相机8，且所述相机8位于阶梯管7内，所述成像板5的中部靠近阶梯管7的一侧安装有环形激光发生器6，环形激光发生器6发出激光环光束62，相机8采集激光环光束62形成的激光环图案61；
固定在测量仪器两端的支撑模块4，所述支撑模块4用于支撑测量仪器并使测量仪器在被测深孔10内能够沿轴向自由移动，靠近驱动模块1一侧的支撑模块4与所述牵引绳12连接；
仪器参数模块，包括固定装置2和十字激光发生器3，所述固定装置2固定安装在被测深孔10内靠近驱动模块1的一端，所述十字激光发生器3安装在固定装置2上，所述十字激光发生器3发射出的十字激光光束31照射在成像板5上可以形成十字激光图案32，所述固定装置2为本领域技术人员现有的技术；
固定在被测深孔10另一端外侧的信息处理模块，所述信息处理模块与测量仪器电连接，所述信息处理模块根据测量仪器的空间坐标、姿态角信息以及被测深孔10的内壁轮廓信息建立被测深孔10的内壁三维点云模型。
所述阶梯管7包括小直径玻璃管71、中间平面玻璃板72以及大直径玻璃管73，所述小直径玻璃管71与大直径玻璃管73通过中间平面玻璃板72连接。
所述环形激光发生器6产生的激光环光束62穿过阶梯管7的中间平面玻璃板72进入相机8视野。
其中一支撑模块4与成像板5连接，另一支撑模块4与相机安装板9连接。
所述支撑模块4包括支撑架，所述支撑架上安装有滚轮，滚轮与被测深孔10的内壁相接触。本发明中的支撑模块4为本领域技术人员的常规技术手段。
所述成像板5为半透明平板，十字激光光束31从一侧射向成像板5，在成像板5的另一侧可以清晰的看到十字激光图案32。
所述相机8同时采集十字激光图案32与激光环图案61。
所述信息处理模块包括依次连接的储存单元、处理单元以及显示单元，所述信息处理模块与相机8电相连，能够与相机8进行数据传输，储存单元用于储存相机8采集的图像，处理单元用于对储存单元的图像进行处理并输出轮廓参数，完成点云三维模型的重建，显示单元用于显示处理单元处理后的相机8图像以及重建的点云三维模型。
实施例2
一种深孔测量与三维重建系统的使用方法，包括以下步骤：
步骤1：前期准备
在被测深孔10外部固定驱动模块1以及信息处理模块，在被测深孔10内靠近驱动模块1的一端安装固定装置2，在固定装置2上安装十字激光发生器3，将测量仪器深入被测深孔10内部，将牵引绳12与靠近驱动模块1一侧的支撑模块4连接，使用传输线连接相机8与信息处理模块；
步骤2：数据采集
开启十字激光发生器3，十字激光发生器3发射出的十字激光光束31射向成像板5，在成像板5上形成十字激光图案32，开启环形激光发生器6，环形激光发生器6发出的激光环光束62在被测深孔10内壁形成激光环图案61，开启驱动电机11，在牵引绳12的牵引下，测量仪器沿被测深孔10的轴向移动，开启相机8，以一定频率采集图像，采集的图像中包括十字激光图案32与激光环图案61；
步骤3：数据分析
信息处理模块通过图像处理技术对相机8采集到的所有图像按照采集顺序进行激光环图案61的轮廓识别与提取，并进行十字激光图案32的大小与变形分析；
激光环图案61会随被测深孔10内壁的变化而发生变化，从而反映出被测深孔10的内壁轮廓，通过图像处理，提取到激光环图案61的轮廓线，根据相机8的标定结果，将轮廓线参数转换至世界坐标系，表示真实的内壁轮廓信息；
十字激光发生器3发出的十字激光光束31具有一定的发散角，成像板5离十字激光发生器3越远，成像板5上的十字激光图案32的尺寸越大，根据十字激光图案32的大小，可分析得到成像板5距十字激光发生器3的距离，从而确定测量仪器的轴向坐标，根据十字激光光束31的中心点，可以确定测量仪器的径向坐标；
由于被测深孔10的内壁存在磨损、凹坑、突起等缺陷，支撑模块4撑在被测深孔10的内壁，测量仪器移动过程中，会发生径向偏移、空间姿态变化，导致成像板5与十字激光光束31轴线不垂直，成像板5上形成的十字激光图案32发生变形，根据十字激光图案32的变形，可以分析出成像板5与十字激光光束31轴线之间的夹角，从而确定测量仪器的姿态角信息；
单目视觉标定过程为视觉成像中的常见方法，本实施例不再详细赘述。
步骤4：三维重建
将分析得到的每张图像中的真实的内孔截面轮廓参数，按照各截面轮廓参数对应的测量仪器的空间坐标以及姿态角信息，进行坐标平移与旋转转换，并按轴向坐标顺序进行拼接，得到三维点云模型。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进、部件拆分或组合等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种深孔测量与三维重建系统，其特征在于，包括：
驱动模块，包括固定在被测深孔一端外侧的驱动电机，所述驱动电机的输出端连接有牵引绳；
安装在被测深孔内的测量仪器，所述测量仪器包括阶梯管，所述阶梯管的小管径端安装有成像板，所述成像板为半透明平板，大管径端安装有相机安装板，所述相机安装板中部安装有相机，且所述相机位于阶梯管内，所述成像板的中部靠近阶梯管的一侧安装有环形激光发生器；所述阶梯管包括小直径玻璃管、中间平面玻璃板以及大直径玻璃管，所述小直径玻璃管与大直径玻璃管通过中间平面玻璃板连接；
固定在测量仪器两端的支撑模块，所述支撑模块用于支撑测量仪器，靠近驱动模块一侧的支撑模块与所述牵引绳连接；
仪器参数模块，包括固定装置和十字激光发生器，所述固定装置固定安装在被测深孔内靠近驱动模块的一端，所述十字激光发生器安装在固定装置上；
固定在被测深孔另一端外侧的信息处理模块，所述信息处理模块与测量仪器电连接，所述信息处理模块根据测量仪器的空间坐标、姿态角信息以及被测深孔的内壁轮廓信息建立被测深孔的内壁三维点云模型。
2.根据权利要求1所述的一种深孔测量与三维重建系统，其特征在于：所述环形激光发生器发出的激光环光束穿过阶梯管的中间平面玻璃板进入相机视野。
3.根据权利要求2所述的一种深孔测量与三维重建系统，其特征在于：其中一支撑模块与成像板连接，另一支撑模块与相机安装板连接。
4.根据权利要求3所述的一种深孔测量与三维重建系统，其特征在于：所述支撑模块包括支撑架，所述支撑架上安装有滚轮，滚轮与被测深孔的内壁相接触。
5.根据权利要求4所述的一种深孔测量与三维重建系统，其特征在于：所述信息处理模块包括依次连接的储存单元、处理单元以及显示单元，所述信息处理模块与相机电相连，能够与相机进行数据传输，储存单元用于储存相机采集的图像，处理单元用于对储存单元的图像进行处理并输出轮廓参数，完成点云三维模型的重建，显示单元用于显示处理单元处理后的相机图像以及重建的点云三维模型。
6.一种如权利要求5所述的深孔测量与三维重建系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：前期准备
在被测深孔外部固定驱动模块以及信息处理模块，在被测深孔内靠近驱动模块的一端安装固定装置，在固定装置上安装十字激光发生器，将测量仪器深入被测深孔内部，将牵引绳与靠近驱动模块一侧的支撑模块连接，使用传输线连接相机与信息处理模块；
步骤2：数据采集
开启十字激光发生器，十字激光发生器发射出的十字激光光束射向成像板，在成像板上形成十字激光图案，开启环形激光发生器，环形激光发生器发出的激光环光束在被测深孔内壁形成激光环图案，开启驱动电机，在牵引绳的牵引下，测量仪器沿被测深孔的轴向移动，开启相机，以一定频率采集图像，采集的图像中包括十字激光图案与激光环图案；
步骤3：数据分析
信息处理模块通过图像处理技术对相机采集到的所有图像按照采集顺序进行激光环图案的轮廓识别与提取，并进行十字激光图案的大小与变形分析；
激光环图案会随被测深孔内壁的变化而发生变化，从而反映出被测深孔的内壁轮廓，通过图像处理，提取到激光环图案的轮廓线，根据相机的标定结果，将轮廓线参数转换至世界坐标系，表示真实的内壁轮廓信息；
十字激光发生器发出的十字激光光束具有一定的发散角，成像板离十字激光发生器越远，成像板上的十字激光图案的尺寸越大，根据十字激光图案的大小，可分析得到成像板距十字激光发生器的距离，从而确定测量仪器的轴向坐标，根据十字激光光束的中心点，可以确定测量仪器的径向坐标；
由于被测深孔的内壁存在缺陷，支撑模块撑在被测深孔的内壁，测量仪器移动过程中，会发生偏斜，导致成像板与十字激光光束轴线不垂直，成像板上形成的十字激光图案发生变形，根据十字激光图案的变形，分析出成像板与十字激光光束轴线之间的夹角，从而确定测量仪器的姿态角信息；
步骤4：三维重建
将分析得到的每张图像中的真实的内孔截面轮廓参数，按照各截面轮廓参数对应的测量仪器的空间坐标以及姿态角信息，进行坐标平移与旋转转换，并按轴向坐标顺序进行拼接，得到三维点云模型。
Priority Applications (1)
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