CN117781907A - 一种炮管内膛口径测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种炮管内膛口径测量方法，具体过程为：基于标准环规内壁轮廓图像，获得标准环规的三维激光点云；在三维激光点云中任取一点P，制作多个包含P点的平面与三维激光点云相交；针对每一相交的椭圆状截面，从中选定与P点之间距离最大的点，多个被选定的点构成点集N；获取点集N中与点P之间最小距离的点，将最小距离作为标准环规的像素距离，并求取单像素对应的物理实际距离；基于炮管内膛图像，获得其三维激光点云，并获取炮管内膛图像中最小距离的点所在平面的点云进行曲线拟合，并计算曲线的内切圆直径；基于单像素对应的物理实际距离和内膛内切圆像素直径，计算炮管内膛口径的内径，从而实现内膛口径测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种炮管内膛口径测量方法，属于武器设计测量技术领域。
背景技术
随着电磁轨道技术的快速发展，当前针对电磁轨道发射器基于内膛表面结构尺寸的在线测量方法尚未深入讨论研究，电磁轨道发射器的异形无基准内腔结构横向口径和轴向直线度等特征参数等效评估方法函待发展以满足电磁轨道发射器身管的寿命评估和工程化的设计需要。
在狭长腔体损伤评估诊断中，内径测量是评价其结构误差的重要指标之一。内膛几何参数测量主要是测量身管的三维尺寸和结构，为出厂质量提供检测依据，在使用过程中，定期检测炮管的内膛口径可以评估身管的寿命，保证安全性。因此需要对电磁轨道发射炮这类长径比很大的狭长腔体内表面口径诊断评估进行研究，进而提出高效高精度且简便的狭长腔体内膛口径测量评估方法。
内径定量测量按照测量装置的探头是否与内腔直接发生接触可分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量主要测量应用于各类火炮的静态检测，代表性装置包括三坐标测量仪、机械星型测径仪等。非接触式测量主要基于光电原理，光学测量法有光学的星形测径仪法、光学三角测量法、双目交会测量法、光切法、相位测量法和数字全息法等。接触式测量总体上效率较低，而且可能对腔体内表面产生额外损伤。非接触式测量方法中光电技术的发展极大地丰富了传统内腔检测手段，CCD传感器被广泛地应用于内腔非接触测量领域。
中国专利申请号CN202010732339.6公开了一种火炮身管膛线内径测量方法及装置。测量方法利用图像采集装置采集沿身管轴向移动的指示光纤的发光光点的图像,通过图像处理及拟合算法得到炮管内径测量结果。相应地,测量装置主要包括测量车单元、控制计算机和测量控制箱,所述测量车单元安装在身管内侧,且能够在身管内移动,其上设置有图像采集装置以及光源、指示光纤,图像采集装置采集指示光纤的发光光点的图像。但是其采用机械式接触测量方法，会对身管内壁产生一定的损伤，测量误差较大。
中国专利申请公布号CN202310301696.0公开了一种炮管管径检测方法。该检测方法需要调整炮管角度使炮管水平布置，安装火炮内径检测仪，通过位移传感器以及倾角传感器采集顶柱的轴向位移长度并对轴向位移长度计算并处理后换算得出对应位置处的火炮内径，通过推杆沿火炮轴向推送检测仪,记录火炮内各位置处的内径并通过显示模块实时显示记录。但是该发明测量装置臃肿，测量方法复杂。
目前针对电磁轨道发射器身管内径测量的实用装置及成熟方法很少，现存方法操作繁琐且测量精度低，发射器身管内径测量亟需一种灵活、快速、高效的内膛口径测量方法。
发明内容
为达到上述目的，本发明提供了一种炮管内膛口径测量方法，该方法通过对点云平面选定后进行曲线拟合，最终实现内径的测量，该方法适用于电磁发射器身管、火炮身管以及狭长管道等各种长径比大的内膛腔体口径测量。
实现本发明的技术方案如下：
一种炮管内膛口径测量方法，具体过程为：
一、基于标准环规内壁轮廓图像，获得标准环规的三维激光点云；
二、在所述三维激光点云中任取一点P，制作多个包含所述P点的平面与所述三维激光点云相交；针对每一相交的椭圆状截面，从中选定与所述P点之间距离最大的点，多个被选定的点构成点集N；获取所述点集N中与所述点P之间最小距离的点，将所述最小距离作为标准环规的像素距离，并求取单像素对应的物理实际距离；
三、基于炮管内膛图像，获得其三维激光点云；
四、基于所述三维激光点云，按照步骤二的方式获取炮管内膛图像中最小距离的点，将所述最小距离点所在平面的点云进行曲线拟合，并计算所述曲线的内切圆直径；
五、基于所述单像素对应的物理实际距离和所述内膛内切圆像素直径，计算所述炮管内膛口径的内径，从而实现内膛口径测量。
进一步地，本发明所述标准环规内壁轮廓图像和所述炮管内膛图像采用高分辨率相机拍摄，先后将标准环规和炮管内膛固定于相机工作台的相同位置，拍摄时相机沿着相同的路径移动。
进一步地，本发明所述获得标准环规的三维激光点云的过程为：首先对相机拍摄的图像进行畸变校正，再进行降噪滤波和灰度二值化，然后进行像素阈值判定，即通过预设阈值进行受光区域点云提取，最后基于提取的点云进行三维点云建模。
进一步地，本发明所述步骤二的具体过程为：
201、在标准环规的三维激光点云中任取一点P，任意作一个包含该点的平面，与三维激光点云阵列相交得到一个椭圆状截面；
202、椭圆状截面上点选取与初始任选点P距离最大的点，作为子集备用；
203、多次重复进行步骤201和步骤202，将所有备用子集归纳得总集N；
204、在归纳总集N中，选取与初始任选点距离最小的点，最小距离作为所测标准环规内径的像素距离。
205、基于已知标准环规内径和其所测像素距离，求取单像素对应的物理实际距离。
进一步地，本发明设定总集N的大小，当备用子集的数量达到N时，停止重复步骤201和步骤202。
进一步地，本发明设定所述取单像素对应的物理实际距离d，所述计算所述炮管内膛口径的内径R为：
R＝Rp*d
其中，Rp为炮管内膛内切圆像素直径。
有益效果：
第一，本发明以标准环规作为参照，利用标准环规计算出单像素对应的实际物理距离，通过多次距离的计算，基于计算结果进行曲线拟合，计算出曲线的内切圆直径，进而实现内膛口径测量，该方法适用于电磁发射器身管、火炮身管以及狭长管道等各种长径比大的内膛腔体口径测量。
第二、本发明基于电磁轨道发射器内膛三维云点数据的模型，提出发射器异型腔体口径定义，给出发射器内腔口径测量新方法，该方法在三维激光点云中任取一点P，制作多个包含所述P点的平面与所述三维激光点云相交；针对每一相交的椭圆状截面，从中选定与所述P点之间距离最大的点，多个被选定的点构成点集N；获取所述点集N中与所述点P之间最小距离的点，将所述最小距离点所在的平面点云进行曲线拟合，并计算所述曲线的内切圆直径，该方法无需常规内径测量所要求的多轴精准重合即可实现在线的发射器内腔参数测量。
第三，本发明测量方法简单易行，测量过程灵活高效，实用性很强，应用前景广泛。
第四，基于电磁轨道发射器内膛三维云点数据的模型，提出电磁轨道发射器异型腔体口径定义，给出发射器内腔口径测量新方法。可解决电磁轨道发射装置或传统火炮的身管内腔诊断测量方法中的多轴重合假设问题，在大中小和各类平台应用场合的电磁轨道发射器以及各类火炮装备中均有重大应用价值。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明提供的一种电磁轨道发射器内膛口径测量方法流程示意图。
图2为本发明提供的一种电磁轨道发射器内膛口径测量方法中，点云中任选一点P作平面与原点云阵列相交所得椭圆状截面示意图。
图3为本发明提供的一种电磁轨道发射器内膛口径测量方法中，电磁发射器内腔异型点云截面进行曲线拟合并内切圆示意图。
具体实施方式
为了更好地描述本发明的目的和优点，下面结合附图和实施过程对发明内容做进一步阐述。
本发明一种炮管内膛口径测量方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤一、基于标准环规内壁轮廓图像，获得标准环规的三维激光点云；
将高分辨率相机拍摄的已知内径标准环规的内壁轮廓图像作为处理对象，通过图像处理得到已知内径标准环规的三维激光点云，基于已知内径标准环规的三维点云模型，将其作为一个处理对象，执行后续的步骤。
上述三维点云模型生成过程为：将标准环规内壁轮廓图像进行相应的图像处理提取点云坐标模型，该图像处理方法成熟可靠，已经过大量试验验证。图像处理流程包括图像输入、畸变校正、降噪滤波、灰度二值化、像素阈值判定、三维点云建模，其中畸变校正采用张正友标定法，降噪滤波采用高斯滤波，灰度二值化通过将彩色图像转化为灰度图像实现，像素阈值判定通过预设阈值进行受光区域点云提取。
步骤二、在标准环规的三维激光点云中任取一点P(x,y)，任意作一个包含该点P的平面Ax+By+C＝0，与该标准环规三维激光点云阵列相交得到一个椭圆状截面，截面上所有点构成集合M，如图2所示。
步骤三、计算集合M内所有点与P点距离，在椭圆状截面上点选取与P点距离最大的点Qi(xi,yi)，计算最大距离Di，加入集合Ni，如图2所示。
本步骤中从集合M中选取与P点距离最大的点，其是为了求取过P点的任意点云椭圆状截面的长轴长，P点与集合M中距离P点距离最大的点间的距离为椭圆状截面的长轴长。长轴距离越大，所取椭圆状截面与理想截面(即内膛口径截面)夹角越大，长轴距离越小，所取椭圆状截面与理想截面(即内膛口径截面)夹角越小。当两者夹角趋近于0时，椭圆状截面长轴距离近似等于内膛口径截面直径。
步骤四、重复进行步骤二和步骤三，重复次数根据实际需求进行设置，循环次数越多最终结果精度越大，将所有子集Ni归纳得总集N。
本步骤中每重复一次步骤二和步骤三，相当于重新截取一个椭圆进行计算，进行了多次重复截取。
步骤五、在集合N中，选取与初始任选点P距离最小的点Qmin，其所对应的最小距离Dmin作为所测标准环规内径的像素距离。
步骤六、通过已知标准环规内径G和其所测像素距离Dmin，求取单像素对应的物理实际距离d。
d＝G/Dmin
步骤七、基于炮管内膛图像，获得其三维激光点云；
本实施例中所述炮管为电磁轨道发射器，将高分辨率相机拍摄的电磁轨道发射器内壁轮廓图像作为处理对象，通过已有技术进行相应的图像处理(包括畸变矫正、滤波降噪、灰度二值化、像素阈值判定、三维点云建模)得到电磁轨道发射器内腔的三维激光点云。将电磁轨道发射器内腔的三维激光点云作为本实施例的另一个处理对象。
步骤八、基于所述电磁轨道发射器三维激光点云，按照步骤二至步骤五的方式，得到电磁轨道发射器内膛图像中最小距离的点，即得到发射器内腔异型截面点云模型。
步骤九、对内腔异型截面点云进行曲线拟合，得到发射器内腔绝缘支撑及轨道的拟合曲线，并对其进行内切圆圆A，求取内切圆直径，即内切圆的像素直径Rp，如图3所示。
目前，在军用标准上，电磁轨道发射器内膛异型截面口径定义约定俗成为其截面所容下的最大内切圆直径。本发明采信这一说法，将内腔异型截面点云拟合的曲线最大内切圆直径作为发射器口径大小。
步骤十、通过步骤九所得电磁发射器内腔内切圆像素直径Rp以及步骤六所得单像素对应的物理实际距离d，可得电磁轨道发射器口径的真实物理距离R。
R＝Rp*d
本申请实施例一种基于电磁轨道发射器的内膛三维建模点云的内膛口径测量方法。结合图像处理技术以及三维点云提取技术，对已采集的内膛三维建模点云进行内径的像素距离求取，再针对已知口径的标准环规进行内径测量以得单像素对应物理距离，最终去拟合并内切圆计算电磁轨道发射器的内径。
作为本发明一种电磁轨道发射器的内膛口径测量方法的一种改进，采集的发射器内膛轮廓截面轴向距离越小，经处理得到的激光点云越密集，最终得到的内膛口径精度越高。还可以改善图像处理算法以得到更精确的点云模型，后续曲线拟合与内切圆拟合算法也可以迭代优化。
作为本发明一种电磁轨道发射器的内膛口径测量方法的另一种改进，本发明方法还可以利用数个已知不同内径的标准环规的三维点云模型，去反向进行电磁轨道发射器的内膛口径测量不确定度的评估。比较数个已知不同内径的标准环规点云模型中单像素对应的物理实际距离，将其测量值的标准差作为口径测量不确定度的评估量。
本发明提供的一种电磁轨道发射器内膛口径测量方法，能够基于内膛图像三维激光点云进行发射器内腔口径测量，该方法无需传统内径测量所要求的三轴重合假设，测量方法简单易行，能够有效地对电磁轨道发射器内膛口径的像素尺寸大小和实际物理尺寸进行测量，适用于图像获取设备所得到含有内膛腔体轮廓图像的后处理，对内膛腔体形态轮廓均无特定限制。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行改进或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种炮管内膛口径测量方法，其特征在于，具体过程为：
一、基于标准环规内壁轮廓图像，获得标准环规的三维激光点云；
二、在所述三维激光点云中任取一点P，制作多个包含所述P点的平面与所述三维激光点云相交；针对每一相交的椭圆状截面，从中选定与所述P点之间距离最大的点，多个被选定的点构成点集N；获取所述点集N中与所述点P之间最小距离的点，将所述最小距离作为标准环规的像素距离，并求取单像素对应的物理实际距离；
三、基于炮管内膛图像，获得其三维激光点云；
四、基于所述三维激光点云，按照步骤二的方式获取炮管内膛图像中最小距离的点，将所述最小距离点所在平面的点云进行曲线拟合，并计算所述曲线的内切圆直径；
五、基于所述单像素对应的物理实际距离和所述内膛内切圆像素直径，计算所述炮管内膛口径的内径，从而实现内膛口径测量。
2.根据权利要求1所述炮管内膛口径测量方法，其特征在于，所述标准环规内壁轮廓图像和所述炮管内膛图像采用高分辨率相机拍摄，先后将标准环规和炮管内膛固定于相机工作台的相同位置，拍摄时相机沿着相同的路径移动。
3.根据权利要求1所述炮管内膛口径测量方法，其特征在于，所述获得标准环规的三维激光点云的过程为：首先对相机拍摄的图像进行畸变校正，再进行降噪滤波和灰度二值化，然后进行像素阈值判定，即通过预设阈值进行受光区域点云提取，最后基于提取的点云进行三维点云建模。
4.根据权利要求1-3中任一项所述炮管内膛口径测量方法，其特征在于，所述步骤二的具体过程为：
201、在标准环规的三维激光点云中任取一点P，任意作一个包含该点的平面，与三维激光点云阵列相交得到一个椭圆状截面；
202、椭圆状截面上点选取与初始任选点P距离最大的点，作为子集备用；
203、多次重复进行步骤201和步骤202，将所有备用子集归纳得总集N；
204、在归纳总集N中，选取与初始任选点距离最小的点，最小距离作为所测标准环规内径的像素距离。
205、基于已知标准环规内径和其所测像素距离，求取单像素对应的物理实际距离。
5.根据权利要求4所述炮管内膛口径测量方法，其特征在于，设定总集N的大小，当备用子集的数量达到N时，停止重复步骤201和步骤202。
6.根据权利要求4所述炮管内膛口径测量方法，其特征在于，设定所述取单像素对应的物理实际距离d，所述计算所述炮管内膛口径的内径R为：
R＝Rp*d
其中，Rp为炮管内膛内切圆像素直径。
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