本发明是一种基于图像的高精度筒弹角测量装置，属于武器装备生产中几何量检测领域，可直接测量弹体在带有螺旋线轨道的发射筒内沿螺纹轨道旋转的角度。
背景技术：
带螺旋线的弹体发射轨道需要长期放置后才可使用，这要求惯导组件具有极低的零偏率。受零偏因素的影响，长期放置的光纤陀螺类定向导航器件的精度并不尽人意。在武器出厂前，从系统的角度出发，在定向导航器件精度一定的条件下，通过合理的建立加速度计和陀螺仪的误差模型，设计有效的滤波器，使定向导航器件的各项误差得到精确的辨识，并在导航过程中加以补偿以减少零偏的影响。此方法经验证，是一种能够有效提高惯导系统导航精度的方法。武器出厂后，对每一个即将发射的导弹，通过测出弹体在发射筒内旋转的角度作为定向导航器件初始角，将测出的初始角与出厂前标定的旋转角比对，将比较的差值作为补偿值对长期放置的导弹的导航器件进行零偏补偿，现有的一些武器便采用此方案。
带螺旋线轨道发射筒的弹体发射时先由发射筒内部的导向螺纹进行引导，，点火后弹体如果能够沿筒体内螺纹滑轨所旋转的角度进行精确标定，该值将作为弹体导航器件(光纤陀螺仪)的初值对发射后弹体导航器件的零漂进行自动补偿，从而确保弹体脱离发射筒后的导航精度。因此筒体内螺纹滑轨所旋转角度标定的准确与否直接关系到弹体的航行及命中精度。每一枚弹体在装配后都要对该角度进行精确测量并记录到弹体中。弹体在经过远途运输或长期放置后，该值能否保持稳定，这是亟需解决的问题。因此在弹体靶场及弹体后期维护期间均需要一套导航器件的现场快速标定系统来对定向导航器件初始角进行快速检测。目前并没有可行的技术方案或设备实现快速精确测量导航器件初始角即弹体在筒体内沿螺纹轨道所旋转的角度这一功能。。
技术实现要素：
本发明的目的是：为解决快速精确测量导航器件初始角的问题，本发明提出了一种基于图像的高精度筒弹角测量装置。
本发明的技术方案是：一种基于图像的高精度筒弹角测量装置，其特征在于：通过在弹体末端的锁弹器上安装末端基准引出装置，将装配后弹体上的不可测量的导向钮的基准引出；弹筒基准引出装置通过其上的双销钉安装在弹筒前端的双螺旋导轨的内侧面上，从而将弹筒内不可见的弹筒基准引出；单目ccd通过变焦镜头依次对焦在末端基准引出装置及弹筒基准引出装置上，通过提取大、小测量码盘上的编码线识别角度，提取角点坐标并进行消畸变等处理，通过最佳拟合的方法求出角点靶标旋转前后旋转矩阵，通过旋转矩阵即可精确求出导弹定向导航器件初始角。
末端基准引出装置上设有定位销孔及安装的小摄影测量码盘，末端基准引出装置通过与末端锁弹器上引出销配合安装在锁弹器上；弹体上的两个导向钮连线与末端锁弹器上引出销的中心线的夹角采用三坐标测出后，采用摄影测量方法获得末端基准引出装置的角度位置，即获得弹体上的两个导向钮的角度，将两个弹体上的在导向钮装配后不可测量的基准引出。
弹筒基准引出装置包括大摄影测量码盘、大摄影测量码盘安装架、弹筒基准引出盘、弹筒基准引出销、大摄影测量码盘和小摄影测量码盘对齐用销；弹筒基准引出盘上设有突出法兰式定位基准面，与双螺旋导轨的端面接触，配合弹筒基准引出装置上安装的双销钉靠紧在双螺旋导轨的内侧面上，大摄影测量码盘与弹筒基准引出销角度位置固定；大摄影测量码盘和小摄影测量码盘安装在弹筒上零刻线的夹角为弹筒内双螺旋导轨的旋转角度。
通过摄影测量法获得大摄影测量码盘和小摄影测量码盘安装后相对角度；通过定位销孔将末端基准引出装置安装到弹筒基准引出盘端面上，大摄影测量码盘和小摄影测量码盘通过弹筒两端的对齐销钉进行定位；利用摄影测量法确定大摄影测量码盘和小摄影码盘的初始位置，大摄影测量码盘和小摄影测量码盘对齐用销的圆心连线与弹筒基准引出装置上安装双销钉的中心连线之间的夹角通过三坐标测量机测得，则该角即为大摄影测量码盘与小摄影测量码盘初始角的位置关系。
本发明的优点是：本发明提出了一种基于图像的高精度筒弹角测量装置，解决了快速精确测量导航器件初始角的问题。末端基准引出装置安装在弹体的锁弹器上将不可测的弹体上导向钮基准通过小摄影测量编码盘转变成可测的摄影测量系统基准。弹筒基准引出装置将弹筒内不可见的弹筒基准引出，通过提取大、小摄影测量码盘的靶标点数据实现导弹定向导航器件初始角测量，该方法具有测量时间短、非接触、环境适应能力强等优点，解决了导弹定向导航器件初始角的测量问题。
附图说明
图1是本发明的工作效果图。
图2是本发明的末端基准引出装置结构图。
图3是本发明的弹筒基准引出装置结构图。
图4是本发明的大小型摄影测量码盘对齐结构图。
具体实施方式
以下结合附图和实施实例对本发明进一步说明：该装置的末端基准引出装置安装在弹体的锁弹器上，锁弹器固定安装到弹体的尾部。由于加工及装配会带来误差，弹体尾部两侧的导向钮与锁弹器上两个定位销中心线的夹角会偏离设计值，为解决该问题，可采用三坐标测量机测量出每发弹的夹角，引入的偏移角α1通过测量锁弹器上尾部的定位销位置可以确定弹体导向钮位置，弹体导向钮引出工装上配有销孔，小摄影测量编码盘安装在导向钮基准引出工装上，安装完成后小摄影测量码盘的零位线与销孔圆心连线的角度则固定，最终将弹体上不可测的导向钮基准通过小摄影测量编码盘转变成可测的摄影测量系统的基准。
弹筒基准引出装置安装在筒体的出口端并与螺纹滑轨直接接触，因为滑轨出口处的位置基准难以直接测量，为此将弹筒基准的引出装置导向钮设计为距离偏移导轨出口定位面一固定值h，由此引入系统角α4。大摄影测量码盘与弹筒基准的引出装置固定连接后组成弹筒基准引出装置，安装完成后导向钮与大摄影测量码盘上的零位角度则固定，因此通过弹筒基准引出装置上的大摄影测量码盘可将弹筒内不可见的弹筒基准引出。由于加工及装配误差，大摄影测量码盘安装后零刻度线与两个导向钮的中心线很难完全重合，由此引入一个偏移角，由于零刻线喷绘在摄影测量板上，导向钮是立体圆柱，故采用光学三坐标亦难精确测量该偏移角。同样由于加工及装配误差，很难将末端基准引出装置上的小编码盘零刻度线与两个安装定位孔的中心线严格对准，由此引入另一个偏移角，该角度同样难以精确测量。本发明采用如下方法解决该难题，在导向钮主体的前端面上径向设计两个直径销孔并安装定位销钉，将小摄影安装板通过定位销孔安装到导向钮主体的端面上，之后利用摄影测量法测出大、小摄影码盘初始位置的角度α2，端面上的定位销圆心连线与柱面上的导向钮的中心连线的夹角α3利用三坐标测得，则可确定大摄影测量码盘与小摄影测量码盘初始角的关系。大、小摄影测量码盘的位置关系确定后可获得大、小摄影测量码盘相对旋转角度。大编码盘导向钮中心距定位面高差h会使所测量的导弹定向导航器件初始角与实际的初始角存在一个偏移角，若筒体的导程为l，则由此引入的偏移角可表示为α4＝h/l·360，则总偏移角α计算如下：
偏移角:α6＝α5+α3-α2
总偏移角:α＝α6+α4-α1
α1：弹体导向钮与锁弹器定位销中心线的夹角
α2：初始零位确定时大摄影码盘与小摄影测量码盘初始零位线的夹角
α3：端面上的定位销圆心连线与柱面上的导向钮的中心连线的夹角
α4：大编码盘导向钮中心距定位面高差引入的偏移角
α5：实际测量时大摄影码盘与小摄影测量码盘初始零位线的夹角
α6：导向钮安装主体前端面上定位销中心连线与小摄影测量码盘销孔圆心连线的夹角
采用ccd获取角度方法：由于镜头加工及安装误差，ccd获取的图像必然存在畸变，且ccd平面与被测物不可能完全平行，因此要确定ccd获取图像上的目标点的二维坐标与目标点的实际三维坐标之间的关系之前需要对ccd进行标定。通过ccd标定可获取ccd的内参数和外参数。获取内参数是为消除畸变，获取外参数是为确定相机的图像坐标系与物体坐标系中的三维坐标系之间的空间位置关系。校准后的摄像机，才能通过图像平面中的二维坐标精确推断出目标在物理空间中的实际位置。相机校准所要解决的问题就是建立物体的世界坐标与摄像机内图像的像平面坐标的转换关系，在此需将摄像机标定问题转换为求两平面，需求解出摄像机成像平面和目标平面之间的透视投影矩阵。摄像机标定确定了物体世界坐标与其在摄像机图像平面坐标的一一对应关系。相机内参数标定方法有多种，其中通过标准板进行标定的方法能获得比较满意的结果，因此本发明采用9×6的标准棋盘格来标定相机。在不调节相机的情况下，相机的内参数是固定的，这是相机能进行测量的一个基础。每幅图像都有对应的成像系统外参数，其中包含被测物体坐标系与相机坐标系之间的旋转和平移关系。正是因为不同图像对应的物体坐标系在相机坐标系中的位置不同才使得我们可以利用外参数来计算两个坐标系之间的关系。计算外参数时需要通过使用事先通过相机校准得到的内参数以减小镜头畸变对测量结果的影响。在实际测量中，相机的位置固定不动，被测物体绕自身轴线(与相机光轴大致平行)旋转一定角度，该角度即为被测量。对该旋转角度进行测量，实际上就是求解r矩阵。从r矩阵即可求解出物体坐标系分别绕x轴、y轴和z轴各自的旋转角度，分别用α、β和γ表示。旋转矩阵r与旋转角度α、β和γ的数学关系为：
通过计算可将旋转角度用r中的元素表示为：
γ即为采用摄影测量所求的角度。
本发明所述的基于图像的高精度筒弹角测量装置整体工作状态如图1，2所示。工作时单目ccd1固定安装在三脚架上，其位置调整到与弹体3同轴且放置在弹体3尾端。弹体3安装在内部带有双螺旋导轨的弹筒4内，弹筒放置在弹筒支撑架6上并固定；末端基准引出装置2安装在弹体3末端的锁弹器2-2上；弹筒基准引出装置5安装在弹筒4前端的双螺旋导轨的端面上，并通过弹筒基准引出装置5上安装的双销钉5-4靠紧在双螺旋导轨的内侧面上，从而将弹筒4内不可见的弹筒基准引出。
参见附图2所示，本发明所述的末端基准引出装置2上打有销孔，通过末端锁弹器2-2上安装的末端基准引出销2-1安装在锁弹器2-2上，两个弹体上3的导向钮2-3与末端锁弹器2-2上安装两个的末端基准引出销2-1的中心线夹角为α1，采用三坐标测出该角度。
参见附图3所示，本发明所述的弹筒基准引出装置5主体结构包括大摄影测量码盘5-1，大摄影测量码盘安装架5-2，弹筒基准引出盘5-3，弹筒基准引出销5-4，大小摄影测量码盘对齐用销5-5。大摄影测量码盘5-1通过螺钉固定安装在大摄影测量码盘安装架5-2，弹筒基准引出盘5-3通过螺钉及销钉固定安装在大摄影测量码盘安装架5-2，弹筒基准引出盘5-3上设计有突出法兰式定位基准面，与双螺旋导轨的端面接触，配合弹筒基准引出装置5上安装的双销钉5-4靠紧在双螺旋导轨的内侧面上，将弹筒4内不可见的弹筒基准引出。
参见附图4所示，本发明所述的大摄影测量码盘5-1安装后零刻度线与小编码盘零刻度线夹角的获取方案如下：将末端基准引出装置2通过定位销孔安装到弹筒基准引出盘5-3端面上的大、小摄影测量码盘对齐销5-5上，之后利用摄影测量法测出大小摄影码盘初始位置的夹度α2，端面上的大小摄影测量码盘对齐用销5-5圆心连线与弹筒基准引出装置5上安装的双销钉5-4的中心连线的夹角α3用三坐标测得，则可确定大摄影测量码盘与小摄影测量码盘初始位置的夹角。该位置关系确定后在进行导弹定向导航器件初始角测量时大摄影测量码盘5-1与小摄影测量码盘相对旋转角度便可测得。大编码盘导向钮的中心距离定位面的高差h会使测量的导弹定向导航器件初始角与实际的导弹定向导航器件初始角存在一个固定的偏移角，该角度通过理论计算获取，。因为高差h相对整个导程较小，所以高差h的制造误差可忽略。
参见附图4所示，本发明所述的大小摄影测量码盘上采用线编码与角点编码结合的方法进行设计。大小摄影测量码盘上采用的线编码以扇形结构黑白相间的形式，配合角点编码可获取大、小码盘零位线的识别。角度识别后提取角点坐标，经消畸变等处理后以最佳拟合的方法求出角点靶标旋转前后旋转矩阵，即可精确求出导弹定向导航器件初始角。