一种小口径火炮膛线测量仪及测量方法

摘要

本发明属于火炮膛线测量领域，并公开了一种小口径火炮膛线测量仪及测量方法。该测量仪包括测量仪本体、环形激光器和相机，测量仪本体呈圆柱状，环形激光器和相机相对设置并且分别固定在该测量仪本体的两端，环形激光器用于发射激光并在待测量火炮膛线内壁上形成环形激光光带，测量仪本体介于环形激光器和相机之间的侧面上设置有可视视窗，在待测量火炮膛线内壁上形成环形激光光带经待测量火炮膛线内壁反射，反射光从可视视窗中进入测量仪，并被所述相机捕捉成像。本发明还公开了该测量仪的测量方法。本发明的特点在于，结构简单，成本低廉，无复杂光学透镜，无微型传感器，可一次性测量整个截面，无旋转扫描运动，测量速度快，测量精度高。

权利要求

1.一种小口径火炮膛线测量仪进行火炮膛线测量的方法，其特征在于，

所述小口径火炮膛线测量仪包括测量仪本体、环形激光器（1）和相机（2），所述测量仪本体呈圆柱状，所述环形激光器（1）和相机（2）相对设置且分别设置在该测量仪本体内部的两端，所述环形激光器被设置在测量仪上的紧固螺钉夹持，用于发射激光并在待测量火炮膛线内壁上形成环形激光光带，所述测量仪本体介于所述环形激光器和相机之间的侧面上设置有可视视窗（4），在待测量火炮膛线内壁上形成环形激光光带经待测量火炮膛线内壁反射，反射光从所述可视视窗中进入测量仪，并被所述相机捕捉成像；

所述本体靠近所述相机的一端设置有接口（3），用于将测量仪与外界连接；所述环形激光器与相机之间的距离与待测量火炮口径的半径之比等于所述相机的焦距与该相机像元面的宽度之比；所述环形激光器包括扩束系统，用于调节在所述火炮膛线内壁上的环形激光的宽度；

所述测量仪适用于测量口径为37mm～67mm的小口径火炮膛线检测，测量精度为

0.020mm～0.035mm；

上述小口径火炮膛线测量仪进行火炮膛线测量的方法包括下列步骤：

（a）将测量仪放置在待测量火炮中，使得测量仪的中心轴线与火炮中心轴线重合，打开测量仪并调整环形激光器的扩束系统，使得待测量火炮膛线内壁上形成0.5mm～1mm宽度的环形激光带，该环形激光带在相机中成像，由此获得待测量火炮膛线截面图；

（b）将所述截面图进行图像处理获得由多个点形成的火炮膛线截面轮廓以及该截面轮廓的几何中心，将截面轮廓上各个点到所述几何中心的距离与点的数量关系绘制为曲线图，其中，该曲线图包括两个峰值，第一个峰值对应的点到几何中心的距离为待测的膛线阳线半径，第二个峰值对应的点到几何中心的距离为待测膛线阴线半径，至此完成火炮膛线口径的测量。

2.如权利要求1所述的一种小口径火炮膛线测量仪进行火炮膛线测量的方法，其特征在于，在步骤（b）中，获得所述截面轮廓几何中心采用欧式变换的方法。

3.如权利要求1所述的一种小口径火炮膛线测量仪进行火炮膛线测量的方法，其特征在于，在步骤（b）中，将截面轮廓上各个点到所述几何中心的距离与点的数量关系绘制为曲线图时，将截面轮廓上各个点到所述几何中心的距离与点的数量关系进行高斯四阶函数的拟合后形成曲线图。

说明书

一种小口径火炮膛线测量仪及测量方法

技术领域

[0001] 本发明属于火炮膛线测量领域，更具体地，涉及一种小口径火炮膛线测量仪及测量方法。

背景技术

[0002] 膛线是炮管、枪管的灵魂，它赋予弹头旋转的能力，保证了弹头的射程及精度，枪炮在使用过程中，膛线会发生磨损，达到一定程度后就会报废，因此，实现对膛线的便捷式实时测量就显得尤为重要。

[0003] 相比于过去老旧的专业人员利用内窥镜定性观察，内径百分表、长杆量规等接触式测量，在测量速度、测量精度等方面均有很大的局限性，目前国内外已经发展出比较成熟的火炮膛线光电检测技术，大多采用点测量(激光位移、电感、电容等位移传感器)加上步进电机的旋转扫描动，实现对整个截面参数的测量，测量速度较快，测量精度很高，但是这种光电检测方法由于传感器较大(一般都在40mm以上)，或者微型传感器造价昂贵(直径8mm的色散共焦传感器售价高达8W)，或者精度达标但量程有限(量程一般在5mm以内)，很难实现对小口径火炮膛线(40mm～70mm)的便捷式测量。

发明内容

[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种小口径火炮膛线测量仪及测量方法，通过采用激光器和相机的相互配合成像，从而获得待测量火炮膛线的图像，对该图像进行处理获得膛线的阴线半径和阳线半径，由此解决测量仪器昂贵及量程有限的技术问题。

[0005] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种小口径火炮膛线测量仪，该测量仪包括测量仪本体、环形测量器和相机，其特征在于，

[0006] 所述测量仪本体呈圆柱状，所述环形激光器和相机相对设置并且分别固定在该测量仪本体的两端，所述环形激光器被设置在测量仪上的紧固螺钉夹持，用于发射激光并在待测量火炮膛线内壁上形成环形激光光带，所述测量仪本体介于所述环形激光器和相机之间的侧面上设置有可视视窗，在待测量火炮膛线内壁上形成环形激光光带经待测量火炮膛线内壁反射，反射光从所述可视视窗中进入测量仪，并被所述相机捕捉成像。

[0007] 进一步优选地，所述本体靠近所述相机的一端设置有接口，用于将测量仪与外界连接。

[0008] 进一步优选地，所述环形激光器与相机之间的距离与待测量火炮口径的半径之比等于所述相机的焦距与该相机像元面的宽度之比。

[0009] 进一步优选地，所述待测量火炮的口径为37mm～67mm。

[0010] 进一步优选地，所述环形激光器包括扩束系统，用于调节在所述火炮膛线内壁上的环形激光的宽度。

[0011] 按照本发明的另一方面，提供了一种利用上述的小口径火炮膛线测量仪的测量方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

[0012] (a)将测量仪放置在待测量火炮中，使得测量仪的中心轴线与火炮中心轴线重合，打开测量仪并调整环形激光器的扩束系统，使得待测量火炮膛线内壁上形成环形激光带，该环形激光带在相机中成像，由此获得带测量火炮膛线截面图；

[0013] (b)将所述截面图进行图像处理获得由多个点形成的火炮膛线截面轮廓以及该截面轮廓的几何中心，将截面轮廓上各个点到所述几何中心的距离与点的数量关系绘制为曲线图，其中，该曲线图包括两个峰值，第一个峰值对应的点到几何中心的距离为待测的膛线阳线半径，第二个峰值对应的点到几何中心的距离为待测膛线阴线半径，至此完成火炮膛线口径的测量。

[0014] 进一步优选地，在步骤(b)中，获得所述截面轮廓几何中心优选采用欧式变换的方法。

[0015] 进一步优选地，在步骤(b)中，将截面轮廓上各个点到所述几何中心的距离与点的数量关系绘制为曲线图时，优选将将截面轮廓上各个点到所述几何中心的距离与点的数量关系进行高斯四阶函数的拟合后形成曲线图。

[0016] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

[0017] 1、本发明提供的测量仪适用于口径37mm～67mm的小口径火炮膛线检测，其测量量程达30mm，测量精度可达0.020mm～0.035mm，该测量仪无复杂光学透镜，无微型传感器，结构简单，成本低廉；

[0018] 2、本发明采用的环形激光器发射激光后仪，实现一次性测量整个截面，无旋转扫描运动，测量速度快，测量精度高，可重复率高，环形激光器中的扩束系统，使得测量量程根据实际火炮膛线内径可调；

[0019] 3、本发明通过采用紧固螺钉将环形激光器夹持，通过加持在环形激光在环形激光器的不同部位，可实现其位置上的前后移动，从而改变环形激光器与相机的距离，进而实现量程的可调。

附图说明

[0020] 图1是按照本发明的优选实施例所构建的测量仪的测量方法示意图；

[0021] 图2是按照本发明的优选实施例所构建的测量仪结构示意图；

[0022] 图3是按照本发明的优选实施例所构建的环形激光器与相机之间距离的示意图；

[0023] 图4是按照本发明的优选实施例所构建的环形激光投射在火炮炮膛上的截面图；

[0024] 图5是按照本发明的优选实施例所构建的截面图图像处理后获得的待测量火炮膛线轮廓及其几何中心的图；

[0025] 图6是按照本发明的优选实施例所构建的膛线截面轮廓各点到其几何中心的距离统计直方图；

[0026] 图7是按照本发明的优选实施例所构建的对统计直方图进行高斯四阶曲线拟合所得的双峰曲线图。

[0027] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

[0028] 1-环形激光器2-相机3-接口4-可视视窗

具体实施方式

[0029] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0030] 图2是按照本发明的优选实施例所构建的测量仪结构示意图，如图2所示，本发明实施例的小口径火炮膛线测量仪，包括带扩束系统的环形激光发生器1、光学视窗4、小型CMOS相机2和接口3，带有光学视窗的连接体连接了环形激光发生器和CMOS相机，它们处于同一轴心。

[0031] 相机和环形激光器之间的距离与火炮口径的半径之比等于相机的焦距与相机的像元面的宽度；环形激光发生器为半导体激光器经扩束系统后射在圆锥形反射镜面上，形成有一定锥角的环形光。

[0032] 小型CMOS相机是像素500W，像元面2592*1944，像元大小1.4um*1.4um，帧率为15fps，其外形尺寸25mm*25mm。

[0033] 通过调节CMOS相机到所测截面的距离，可以保证在量程长达30mm的情况下充分利用相机的像元面，在口径为67mm时精度可达35um，口径为37mm时精度可达20um；在管道机器人的协同工作下，可以完成对整个炮膛的膛线测量及三维重建工作。

[0034] 图1是按照本发明的优选实施例所构建的测量仪的测量方法示意图，如图1所示，小口径火炮膛线的测量方法，包括以下步骤：

[0035] 1)连接体连接环形激光发生器和CMOS相机，同处于炮膛轴线上进行测量；

[0036] 2)依据所测火炮口径调整环形激光器发生器的扩束系统，使投射在火炮膛线上的环形激光光带宽度够窄，约为1mm，如图4所示为环形激光投射在火炮炮膛上的截面图；

[0037] 3)由CMOS相机采集火炮膛线截面图，取膛线附近环形区域为有效信息区域，对有效区域进行降噪、阈值处理，提取出膛线截面轮廓；

[0038] 4)对膛线截面轮廓进行欧式距离变换，提取其几何中心。如图5所示，为通过提取有效信息区域，进行降噪、阈值处理并进行欧式距离变换后得到的膛线轮廓及其几何中心图；

[0039] 环形激光发生器打出一束环形光照亮火炮炮膛的截面，由CMOS相机对这个截面进行拍照，由图3的激光三角法成像原理图可知：

[0040]

[0041]

[0042]

[0043] 式中，f为CMOS相机的焦距；u为物距；v为相距；物距u，焦距f，为已知的测量条件，通过求取所成图像中的r，可以得到实际的截面半径信息R。

[0044] 5)求膛线截面轮廓各点到其几何中心的距离，再对这些距离进行直方图统计，对所得直方图进行高斯四阶函数拟合，可以得到一个双峰曲线，第一个峰值即对应膛线阳线半径，第二个峰值即对应膛线阴线半径。如图6所示为膛线截面轮廓各点到其几何中心的距离统计直方图(该距离为像素点数)；如图7所示为对统计直方图进行高斯四阶曲线拟合所得的双峰曲线图。通过求取峰值点的位置(直方图数组标号)，可以在图6中找到对应的像素距离，再通过标定确认像素对应的实际距离，即可得到阳线和阴线的半径。

[0045] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。