专利名称：空间异面相位角激光检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种空间异面相位角激光检测系统，属于空间异面直
线夹角的测量仪器，适用于某型火箭弹85。空间异面相位角的测量。
背景技术：
某型火箭弹上的插拔机构孔轴线和定向钮轴线之间的空间距离 约7米，装配要求保证两轴线形成的相位角成85° (两条轴线的85° 空间异面夹角称为85°相位角)，其夹角是否准确是该类火箭弹能否 顺利装填发射的前提条件。该类弹药经过长期储存后，储存性能必然 发生变化，经过维修保养后该角度如何保证就成为弹药技术保障的一 项技术难题。
某型火箭弹上的85°相位角的测量属于空间异面直线大夹角的测 量，现有的测量方法是通过固定在同一专用工作台上的两个机械式定 位夹具来保证该角度精度要求的，所以工作台必然是大型、高刚度的 重型设备。这种测量方法所控制的相位角精度还会受到温度、变形等 因素的影响，测量精度不能溯源，标定也十分困难。因此，更换完控 制舱的火箭弹其85。相位角还需要在另一个专用大型设备(全弹合膛 器，真实的发射炮管)上进行定性检测，验证其是否合格。这些专用 的大型设备功能单一、结构复杂、体积庞大，无法满足部队对该类火 箭弹85°相位角的实时在线定量测量需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术中的缺点，而提 供一种能够快速、准确测量的空间异面相位角激光检测系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案
本发明包括有检测装配平台、插拔机构标杆装置、定向钮标杆装 置、插拔机构标定板装置、定向钮标定板装置、第一、第二CCD图像 采集装置、第一、第二采集卡、激光器及其调整支架、安装有测量软 件的计算机；插拔机构标杆装置和定向钮标杆装置在测量时分别装在 火箭弹的插拔机构孔中和定向钮上，安装后所述插拔机构标杆装置中 的插拔机构标杆成像后的轴线方位与火箭弹的插拔机构孔的轴线方 位一致；安装后所述定向钮标杆装置中的定向钮标杆成像后的轴线方位与火箭弹的两个定向钮的公共轴线方位相一致；所述激光器及其调 整支架通过第一安装支架安装在检测装配平台的尾部；第一 CCD图像 采集装置通过第二安装支架安装在检测装配平台上且位于所述插拔
机构标杆的前方；第二 CCD图像采集装置通过第三安装支架安装在检 测装配平台上且位于所述定向钮标杆的前方；第一、第二CCD图像采
集装置的输出端分别经第一、第二采集卡接所述计算机的相应输入 端。
所述第一、第二 CCD图像采集装置分别由黑白高解析度特种用途 面阵CCD (以下简称CCD)及其调整支架组成，所述调整支架为三旋 转自由度工作台。
本发明的有益效果如下
(1) 能够迅速准确地完成火箭弹上85°空间异面相位角测量。
(2) 测量结果几乎不受火箭弹检测平台的刚度及其它因素的影 响，可大大减小对检测装配平台整体刚度的要求，保证了检测装配平 台的轻巧。
图l为本发明的原理框图
图2为本发明成像部分的结构示意图
图3-1为插拔机构标杆装置的结构示意图
图3-2为图3-l的左视图
图4-1为定向钮标杆装置的结构示意图
图4-2为图4-l的左视图
图4-3为图4-l的A向局部视图
图5-1为插拔机构标定板的结构示意图
图5-2为定向钮标定板的结构示意图
图5-3为两个标定板刻线的结构示意图
图6为激光器和CCD沿火箭弹径向分布图示意图
图7-1为第一 CCD采集图像的示意图
图7-2为第二 CCD采集图像的示意图
图8为定向钮标杆与插拔机构标杆夹角7的计算示意图
图9为本发明的测量软件流程图。
在图2-8中，1检测装配平台、2火箭弹、3插拔机构标杆、4插 拔机构标定板、5第一 CCD、 6三旋转自由度工作台、7第一专用支架、8定向钮标杆、9定向钮标定板、IO第二CCD、 11三^g转自由度工作 台、12第二专用支架、13激光器、14三旋转自由度工作台、15第三 专用支架、16线结构激光平面、17定向钮标杆背景板、18定位螺钉、 19拱形架、20 V型槽、21螺杆、22安装轴、23压簧、24定向轴、 25定向导管、26插拔机构标杆背景板、27向后伸的平台、28手提孔、 29插拔机构标定板上的纵向刻线、30插菝机构标定板上的倾斜刻线、 31定向钮标定板上的水平刻线、32定向钮标定板上的倾斜刻线、33 插拔机构标杆上的基准光线中心线、34插拔机构标杆的轴线、35定 向钮标杆上的基准光线中心线、36定向钮公共轴线、37提手。
具体实施例方式
由图1-6所示的实施例可知，它包括有检测装配平台l、插拔机 构标杆装置、定向钮标杆装置、插拔机构标定板装置、定向钮标定板 装置、第一、第二CCD图像采集装置、第一、第二采集卡、激光器及 其调整支架、安装有测量软件的计算机；插拔机构标杆装置和定向钮 标杆装置在测量时分别装在火箭弹2的插拔机构孔中和定向钮上，安
装后所述插拔机构标杆装置中的插拔机构标杆3成像后的轴线方位 与火箭弹2的插拔机构孔的轴线方位一致；安装后所述定向钮标杆装 置中的定向钮标杆8成像后的轴线方位与火箭弹2的两个定向钮的公 共轴线方位相一致；所述激光器13及其调整支架14通过第一安装支 架15安装在检测装配平台1的尾部；第一 CCD图像采集装置通过第 二安装支架7安装在检测装配平台1上且位于所述插拔机构标杆3的 前方；第二 CCD图像采集装置通过第三安装支架12安装在检测装配 平台1上且位于所述定向钮标杆8的前方；第一、第二 CCD图像采集 装置的输出端分别经第一、第二采集卡接所述计算机的相应输入端。
所述第一、第二 CCD图像采集装置分别由黑白高解析度特种用途 面阵CCD及其调整支架组成，所述调整支架为三旋转自由度工作台。
所述激光器13采用线结构激光器，其调整支架14为三旋转自由 度工作台。
在所述插拔机构标定板装置中的插拔机构标定板和定向钮标定 装置中的定向钮标定板上均设有夹角为47. 5°的刻线，在插拔机构标 定板上的一条刻线为纵向刻线，在定向扭标定板上的一条刻线为水平 刻线；
所述各条刻线的宽度b=6mm，在每条刻线的两边设有V型刻槽，V型刻槽的角度ci二140。 ； V型刻槽的深度a二0.5mm; V型刻槽的作用 是为了避免阴影对于刻线轮廓的影响。
所述两个标定板的底色为亚光黑灰色，所述每条刻线的颜色为高 亮白色；这种黑白色设计的方法主要是便于所夹角度的图像边缘的提 取。
所述两个标定板4、 9分别固定在磁性表座上，磁性表座分别通 过各自的安装支架固定在检测装配平台上。
所述第一、第二采集卡为所述面阵CCD的专用适配采集卡。
所述插拔机构标杆装置由插拔机构标杆3、插拔机构标杆背景板 26、弹簧定向机构组成；所述插拔机构标杆3的上部为平面型标杆， 其中部为向后伸的平台27，其下部设有与所述插拔机构孔相适配的 安装轴22，在所述安装轴22的轴线位置上设有可涨结构通孔，所述 安装轴22通过带锥形头的螺杆21安装在所述插拔机构孔中；插拔机 构标杆背景板26通过螺钉固定在插拔机构标杆的背面；
所述弹簧定向机构由定向轴24、定向导管25、压簧23组成；定 向轴24的一端通过螺钉固定在所述向后伸的平台27的下表面上，定 向导管25套在定向轴24的中部，定向导管25的一端与火箭弹2上 插拔机构孔处的导引槽侧壁相接触，定向导管25的另一端与压簧23 相接触，在定向轴24的另一端套有压簧23，压簧23的一端与定向 导管25相接触，压簧23的另一端由螺母定位；所述插拔机构标杆背 景板26通过螺钉固定在所述插拔机构标杆3的背面。弹簧定向机构 的作用是使插拔机构标杆的可涨通孔的外圆与火箭弹上的插拔机构 孔内壁可靠接触。
所述定向钮，杆装置由定向钮标杆8、定向钮标杆背景板17、拱 形架19组成；所f述拱形架19为半圆形，在所述拱形架19的两端设 有V型槽20，所述两个V型槽在测量时套在火箭弹2的两个定向钮 上，定向钮标杆8粘接在拱形架一端的V形槽20的侧壁上，所述定 向钮标杆8为平板形，定向钮标杆背景板17用螺钉固定在定向钮标 杆8的背面；在拱形架19的上端设有手提孔28;所述拱形架19的 顶部通过定位螺钉18固定在火箭弹2上。
本系统的测量软件包括以下几个模块(参见图9): (1)图像预处理
该模块的任务包括两部分(a)对采集到计算机中的原始图像进行滤波，排除图像中的噪 声污染，提高图像质量。实现方法采用一个具有奇数个点的滑动窗 口，用窗口局部区域中各灰度值的中值代替指定点(一般是窗口中心 点)的灰度值。这种去除噪声的方法，在有效控制图像噪声的同时， 能够保护图像的轮廓边界。(b)去除噪声后的图像进行反色处理。由 于白色前景及黑色背景的设计有利于消除测量中遇到的阴影及其他 杂乱背景，而不利于目标在图像中的突出，因此对图像进行反色处理， 从而突出我们感兴趣的目标前景。实现方法对于位图像中的各个点， 取255与该点灰度级的差值作为该点的灰度级，实现了反色。
(2) 图像分割
对图像进行二值化处理，将目标前景与背景分离开。实现方法
设定一个适合的阈值，将灰度级大于该阈值的各点灰度级置为255，
灰度级小于该阈值的各点灰度级置为o。
(3) 边缘提取
选择并记录所述标杆轮廓上的各点坐标，提取靶标的轮廓包络
线。实现方法考察经分割后的图像中与各点相邻的八个点的灰度级，
若该点的八个相邻点均为黑点，则认为该点不是轮廓上的点，将其置
为白点；若该点的八个相邻点不全是黑点，则认为该点是轮廓上的点，
给予保留。
(4) 轮廓跟踪
跟踪并记录刻线轮廓点，寻求到靶标外轮廓，并将各轮廓点的坐 标值存入预先定义好的计算数组中。实现方法根据矩形靶标本身的
最显著特征——代表轴线的两条边也平行，以两条平行边的间距作为 判据，找到图像中的靶标轮廓，并将各点坐标存入预先定义好的数组 中。
(5) 直线拟合
利用点坐标对所述标杆轴线进行拟合并计算靶标轴线的斜率，从
而间接实现角度测量的目的。实现方法首先求取靶标轮廓的一个端 点，以该点为首元素按顺时针方向重新排列数组中各点。其次考察靶
标轮廓中平行对边的间距D，将两平行边中的间距在[D-1,D+l]范围
内的各点坐标值分别存入对应于两轮廓边的数组。然后，分别利用最
小二乘原理拟合出两轮廓边的斜率kl、 k2，最后，由两轮廓边的斜 率间接求取靶标轴线的斜率。本系统的具体操作方法如下
经过储存性能检测试验，将需要进行控制舱更换维修的火箭弹放 置在检测装配平台的操作台上，拆下有问题的控制舱部件，更换为合 格的备件控制舱。为了提高测量精度，需要对两个视觉测量系统分别 进行标定和补偿，以减少由于各种原因所造成的系统测量误差。在更 换控制舱时，首先将插拔机构标定板4和定向钮标定板9分别安装在 检测装配平台的相应支架上。打开激光器，将线结构激光同时投射到
两个标定板4、 9上。调节两个CCD的光圈及焦距，使其能够得到清 晰的图像。启动本系统标定程序，本系统对标定板4、 9上的标准角 度(角度数据由国家计量部门检测给出)进行多次测量，将标准角度 与实际测量角度之差作为测量系统的误差补偿依据。然后拆下两块标 定板4、 9，将插拔机构标杆3插入备件控制舱上插拔机构孔内，将 定向钮标杆8装到火箭弹2的定向钮上。启动本系统测量程序，两个 CCD将所拍摄到的对应定向钮标杆8的基准光线的图像、对应插拔机 构标杆3的基准光线的图像、定向钮标杆8图像、插拔机构标杆3图 像分别传送到计算机后，计算机测量程序根据获得的图像数据，按照 预先编制好的程序进行图像处理和数据处理。在分别得到定向钮标杆 轴线36、插拔标杆轴线34、基准光线中心线35、 33后，即可计算出 定向钮标杆轴线36与基准光线35中心线之间的夹角a ，以及插拔机 构标杆轴线34与基准光线33中心线之间的夹角0 ，进而得到定向钮 标杆轴线36与插拔机构标杆轴线34之间的夹角Y =180°- ( a + 6 )， 将结果显示在计算机屏幕上。根据显示的实时测量角度，转动备件控 制舱，当定向钮标杆8与插拔机构标杆3轴线之间的角度达到85°时， 定位装配。
权利要求
1、空间异面相位角激光检测系统，其特征在于它包括有检测装配平台(1)、插拔机构标杆装置、定向钮标杆装置、插拔机构标定板装置、定向钮标定板装置、第一、第二CCD图像采集装置、第一、第二采集卡、激光器及其调整支架、安装有测量软件的计算机；插拔机构标杆装置和定向钮标杆装置在测量时分别装在火箭弹(2)的插拔机构孔中和定向钮上，安装后所述插拔机构标杆装置中的插拔机构标杆(3)成像后的轴线方位与火箭弹(2)的插拔机构孔的轴线方位一致；安装后所述定向钮标杆装置中的定向钮标杆(8)成像后的轴线方位与火箭弹(2)的两个定向钮的公共轴线方位相一致；所述激光器(13)及其调整支架(14)通过第一安装支架(15)安装在检测装配平台(1)的尾部；第一CCD图像采集装置通过第二安装支架(7)安装在检测装配平台(1)上且位于所述插拔机构标杆(3)的前方；第二CCD图像采集装置通过第三安装支架(12)安装在检测装配平台(1)上且位于所述定向钮标杆(8)的前方；第一、第二CCD图像采集装置的输出端分别经第一、第二采集卡接所述计算机的相应输入端。
2、 根据权利要求1所述的空间异面相位角激光检测系统，其特 征在于所述第一、第二 CCD图像采集装置分别由黑白高解析度特种用 途面阵CCD及其调整支架组成，所述调整支架为三旋转自由度工作 台°
3、 根据权利要求2所述的空间异面相位角激光检测系统，其特 征在于所述激光器(13)采用线结构激光器，其调整支架(14)为三旋转自由度工作台。
4、 根据权利要求3所述的空间异面相位角激光检测系统，其特 征在于在所述插拔机构标定板装置中的插拔机构标定板(4)和定向 钮标定装置中的定向钮标定板(9)上均设有夹角为47.5°的刻线， 在插拔机构标定板(4)上的一条刻线为纵向刻线(29)，在定向扭标 定板(9)上的一条刻线为水平刻线(31);所述各条刻线的宽度b二6mm，在每条刻线的两边设有V型刻槽， V型刻槽的角度a二140。 ； V型刻槽的深度a=0. 5mm;所述两个标定板的底色为亚光黑灰色，所述每条刻线的颜色为高亮白色；所^^两个标定板(4、 9)分别固定在磁性表座上，磁性表座分别 通过各自的安装支架固定在检测装配平台上。
5、 根据权利要求4所述的空间异面相位角激光检测系统，其特 征在于所述第一、第二采集卡为所述面阵CCD的专用适配采集卡。
6、 根据权利要求5所述的空间异面相位角激光检测系统，其特 征在于所述插拔机构标杆装置由插拔机构标杆(3)、插拔机构标杆背 景板(26)、弹簧定向机构组成；所述插拔机构标杆(3)的上部为平 面型标杆，其中部为向后伸的平台(27)，其下部设有与所述插拔机 构孔相适配的安装轴(22)，在所述安装轴(22)的轴线位置上设有 可涨结构通孔，所述安装轴(22)通过带锥形头的螺杆(21)安装在 所述插拔机构孔中；插拔机构标杆背景板(26)通过螺钉固定在插拔 机构标杆的背面；所述弹簧定向机构由定向轴(24)、定向导管(25)、压簧(23) 组成；定向轴(24)的一端通过螺钉固定在所述向后伸的平台(27) 的下表面上，定向导管(25)套在定向轴(24)的中部，定向导管(25) 的一端与火箭弹(2)上插拔机构孔处的导引槽侧壁相接触，定向导 管(25)的另一端与压簧(23)相接触，在定向轴(24)的另一端套 有压簧(23)，压簧(23)的一端与定向导管(25)相接触，压簧(23) 的另一端由螺母定位；所述插拔机构标杆背景板(26)通过螺钉固定 在所述插拔机构标杆(3)的背面。
7、 根据权利要求6所述的空间异面相位角激光检测系统，其特 征在于所述定向钮标杆装置由定向钮标杆(8)、定向钮标杆背景板(17)、拱形架(19)组成；所述拱形架(19)为半圆形，在所述拱 形架(19)的两端设有V型槽(20)，所述两个V型槽在测量时套在 火箭弹(2)的两个定向钮上，定向钮标杆(8)粘接在拱形架一端的 V型槽(20)的侧壁上，所述定向钮标杆(8)为平板形，定向钮标 杆背景板(17)用螺钉固定在定向钮标杆(8)的背面；在拱形架(19) 的上端设有手提孔(28);所述拱形架(19)的顶部通过定位螺钉(18) 固定在火箭弹(2)上。
全文摘要
本发明涉及一种空间异面相位角激光检测系统。本发明包括有检测装配平台、插拔机构标杆装置、定向钮标杆装置、插拔机构标定板装置、定向钮标定板装置、第一、第二CCD图像采集装置、第一、第二采集卡、激光器及其调整支架、安装有测量软件的计算机。本发明的有益效果如下(1)能够迅速准确地完成火箭弹85°空间异面相位角测量。(2)测量结果几乎不受火箭弹检测装配平台的刚度及其它因素的影响，可大大减小对检测装配平台整体刚度的要求，保证了检测装配平台的轻巧。
文档编号G01B11/26GK101545763SQ20091007380
公开日2009年9月30日 申请日期2009年2月20日 优先权日2009年2月20日
发明者姜志保, 李照勇, 裘祖荣, 许爱国, 陈振有 申请人:中国人民解放军总装备部军械技术研究所;天津大学