火炮四目攝像窺膛頭部裝置研究

曹營修，鄭立評，朱建杰，于 楊

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 火炮工程系，河北 石家莊 050003)

火炮在國防領(lǐng)域和現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著重要作用，尤其是在野外戰(zhàn)場、戰(zhàn)役戰(zhàn)場和邊境防御作戰(zhàn)，各種型號的火炮是火力輸出的主要攻擊型武器。身管是火炮的核心部件，隨著火炮身管的持續(xù)使用，其內(nèi)膛會出現(xiàn)裂紋、磨損、燒蝕、掛銅等疵病，直接影響著射擊精度和使用安全。所以，對身管內(nèi)膛進(jìn)行窺膛檢測是火炮維修中不可缺少的一個重要環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)窺膛裝置大多采用單目攝像頭通過旋轉(zhuǎn)來獲取全膛周視圖像[1]，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力通常靠電機(jī)或人力提供，容易造成漏檢或過檢；電機(jī)驅(qū)動時造成窺膛頭裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性降低。

筆者對窺膛頭裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，采用機(jī)械部件電子化的思路，優(yōu)化前端結(jié)構(gòu)，選用四目攝像頭獲取身管全膛圖像，實(shí)現(xiàn)一次成像。

1 CCD攝像頭參數(shù)選擇

針對火炮維修現(xiàn)狀和部隊(duì)實(shí)際需求[2]，采用電荷耦合器件獲取圖像信號，考慮火炮身管特定環(huán)境及窺膛頭裝置的視場要求、功能結(jié)構(gòu)、尺寸大小等方面，選定CCD攝像頭型號；其次通過多視角拍攝方式，獲取身管內(nèi)膛全景圖像，對四目曲柄鏈?zhǔn)街Ъ芙Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和制作。

火炮身管檢測中，CCD攝像頭相當(dāng)于整個窺膛系統(tǒng)的“眼睛”，通過它來獲取身管內(nèi)膛表面形貌，從而進(jìn)行疵病檢測工作[3]。在選取CCD攝像頭時，必須考慮到被檢火炮的口徑大小限制，要求該CCD攝像頭的尺寸不能過大，同時又要保證獲取圖像的質(zhì)量。在充分了解CCD的工作原理和主要性能指標(biāo)后，綜合尺寸要求、圖像質(zhì)量要求和經(jīng)濟(jì)性等方面，選擇適合本窺膛錄像系統(tǒng)的CCD攝像頭。

1.1 CCD圖像傳感器參數(shù)選擇

對CCD圖像傳感器進(jìn)行選型，主要從以下幾個方面考慮：

1)CCD的外部尺寸。本窺膛錄像設(shè)備針對口徑范圍為100～155 mm的地面火炮，因此在選擇CCD時要考慮尺寸大小。

2)CCD的分辨率。火炮身管檢測是根據(jù)CCD攝像頭拍攝的圖像來判斷的，所以需要達(dá)到一定分辨率的圖像質(zhì)量才能保證疵病檢測的準(zhǔn)確性。

3)CCD成像顏色。CCD圖像傳感器一般分為彩色和黑白兩種規(guī)格，彩色CCD適用于要求圖像精密性、細(xì)節(jié)方面比較高的拍攝，而黑白CCD適用于要求圖像清晰度、靈敏度較高的拍攝，可在光照不良和不要求目標(biāo)色彩時應(yīng)用。

4)拍攝環(huán)境光照度。由于火炮身管為長深孔類，內(nèi)部基本沒有光照，在選取CCD型號時需考慮最低照亮，保證圖像質(zhì)量良好。

5)CCD的性價比。綜合考慮CCD的經(jīng)濟(jì)性，確保窺膛頭裝置在經(jīng)費(fèi)預(yù)算內(nèi)。

綜合以上5個方面的考慮，進(jìn)行市場調(diào)研和課題組研討，最終確定本窺膛頭裝置采用日本SONY公司生產(chǎn)的1/3 Sony 960H CCD Sensor型號的CCD圖像傳感器。CCD圖像傳感器采用SONY 1/3 960H高清晰度芯片，圖像水平分辨率為700TVL，有高級背光補(bǔ)償和高亮度逆光補(bǔ)償，也可動態(tài)檢測自動調(diào)整白平衡，獲取圖像質(zhì)量高，為后續(xù)疵病檢測提供良好前提。

1.2 鏡頭的參數(shù)選擇

鏡頭與CCD圖像傳感器組裝為CCD攝像頭裝置，保證良好的檢測圖像獲取，在選擇鏡頭時，應(yīng)該先考慮其焦距、視場角和光圈這3個基本光學(xué)性能關(guān)鍵參數(shù)，然后再考慮接口、景深、分辨率等其他影響因素[4]。選擇理想的鏡頭要考慮以下幾點(diǎn)：

1)鏡頭工作要求需適用于100～155 mm范圍內(nèi)。

2)窺膛頭裝置采用4個攝像頭獲取身管內(nèi)膛周向360°全景圖像，因?yàn)槎探咕噻R頭會發(fā)生圖像畸變。實(shí)際應(yīng)用中攝像頭防止內(nèi)膛受磨損故不能緊貼管壁，鏡頭的性能參數(shù)中視場角給出的數(shù)據(jù)一般偏大，所以需選用視場角大于90°的鏡頭[5],圖1為攝像頭獲取視場角示意圖。

3)根據(jù)身管內(nèi)膛的照亮情況確定鏡頭的光圈尺寸和工作波長。

4)考慮CCD圖像傳感器與鏡頭的配合。

綜合以上4個方面的考慮，最終確定選用RICOM公司生產(chǎn)的MTV 2.8 IR鏡頭。

將選用的CCD圖像傳感器和鏡頭組裝成CCD攝像頭，如圖2所示，兩者都為高清品質(zhì)，在性能參數(shù)上得到良好的兼容，能夠更好地還原身管內(nèi)膛真實(shí)形貌，為后期疵病檢測提供高質(zhì)量圖像源。

2 四目曲柄鏈?zhǔn)街Ъ芙Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在身管內(nèi)膛空間有限的情況下，要提高窺膛效率，可選用高清攝像頭和增加攝像頭n的數(shù)目。設(shè)計(jì)一種曲柄鏈?zhǔn)街Ъ埽糜诎惭bCCD攝像頭，保證每個攝像頭的拍攝角度固定，完成身管全景拍攝。應(yīng)用三維建模和3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)并制作支架，最終實(shí)現(xiàn)工程化。

2.1 設(shè)計(jì)分析

確定窺膛頭裝置的攝像頭安裝方式為徑向安裝，如圖3所示，攝像頭支座背靠內(nèi)膛表面安裝，攝像頭拍攝對立內(nèi)膛表面，以獲得視場范圍最大化。

根據(jù)CCD攝像頭的型號得知，一個CCD攝像頭的視場角為115°，本窺膛頭裝置采用多路CCD攝像頭視場拼接，完成身管內(nèi)膛360°周向全景拍攝。火炮身管橫截面如圖4所示，其中，O點(diǎn)為身管軸心點(diǎn)，火炮身管口徑為2R，即LOA=LOC=R；F點(diǎn)為鏡頭中心點(diǎn)，CCD攝像頭的實(shí)際高度LDF為h，∠AFO為CCD攝像頭視場角∠AFC的一半，設(shè)∠ADF=α。

由圖4可知：

在△ADF中，根據(jù)余弦定理可知，得

(1)

在△AOF中，根據(jù)余弦定理可知，得

LAF=LOFcos∠AFO+

(2)

將式(1)代入式(2)，將已知量LOA=R，LDF=h，LBD=2R，LOF=R-h,∠AFO=57.5°代入，整理可得:

(3)

為適用于口徑范圍為100～155 mm的地面火炮，計(jì)算不同口徑火炮拍攝周向全景圖像需要攝像頭的目數(shù)；當(dāng)口徑越大，攝像頭的物距越長，拍攝的視場范圍就越大，故可通過計(jì)算口徑為100 mm火炮拍攝周向全景圖像需要攝像頭的目數(shù)后，確定更大口徑的火炮同樣能周向全景拍攝。

CCD攝像頭的實(shí)際高度為42 mm，即h=42 mm。將R=50 mm，h=42 mm代入式(3)中，得:

α=32.5°

在圖4中，根據(jù)圓周角定理，可得:

∠AOC=2∠ADC=4α=130°

因此，采用115°視場角的CCD攝像頭時，至少需要3個攝像頭才能完成內(nèi)膛周向全景拍攝。

由于考慮CCD視場畸變和攝像頭支座高度，很難保證每個攝像頭相鄰部分完全相切，因此本系統(tǒng)采用4個攝像頭，分4層進(jìn)行安裝，使每個攝像頭與相鄰兩側(cè)的攝像頭視場有一定的交叉，能夠保證內(nèi)膛周向360°檢測時不會有死角。若采用更多攝像頭采集圖像，會造成支架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響可靠性。

此外，筆者也制作了三目曲柄鏈?zhǔn)礁Q膛頭裝置，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得知，該裝置不能實(shí)現(xiàn)內(nèi)膛周向360°無死角拍攝，故至少采用4個攝像頭的窺膛頭裝置來實(shí)現(xiàn)內(nèi)膛周向全景拍攝。

四目曲柄鏈?zhǔn)礁Q膛頭裝置拍攝全膛的工作方式如圖5所示，該裝置具有4個攝像頭，防止視場遮擋設(shè)計(jì)相鄰攝像頭中心在身管軸線方向相距50 mm；每個攝像頭完成火炮身管1/4圓周的內(nèi)膛形貌拍攝，通過四目窺膛頭裝置將火炮全膛全景拍攝覆蓋，其中相鄰兩個攝像頭的視場邊界會有重合，保證完全覆蓋。窺膛頭裝置的具體工作細(xì)節(jié)是當(dāng)Camera 01視場右邊界從炮尾端面開始拍攝，到Camera 04視場的左邊界從炮口制退器拍攝完畢，整個火炮內(nèi)膛表面將被全部覆蓋拍攝錄像，完成火炮全膛全景窺膛錄像工作。

2.2 設(shè)計(jì)方案

如圖6所示為四目曲柄鏈?zhǔn)礁Q膛頭裝置CAD設(shè)計(jì)圖紙的正視圖和左視圖。窺膛頭裝置包括四目CCD攝像頭、曲柄鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)支架、LED燈、攝像頭外蓋(未示出)、軸承、軸承連接頭等組成，其主要工作是完成身管全膛全景圖像信息采集，將四路視頻流傳輸?shù)街鳈C(jī)中進(jìn)行身管窺膛檢測工作。

基于多視角視覺，確定窺膛頭裝置的總體設(shè)計(jì)思路，采用4個CCD攝像頭多視角拍攝獲取360°全景圖像，安裝于一種曲柄鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)支架上，每個攝像頭獲取90°視場，采用機(jī)械部件電子化理念，替代機(jī)械旋轉(zhuǎn)驅(qū)動模塊，避免旋轉(zhuǎn)振動帶來的圖像噪音，優(yōu)化前端結(jié)構(gòu)；考慮CCD攝像頭的視場、結(jié)構(gòu)及尺寸大小，滿足100～155 mm口徑范圍的火炮檢測等相關(guān)要求，達(dá)到獲取視場最大和高視覺效率的目的，設(shè)計(jì)一種四目曲柄鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。

四目曲柄鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)采用身管軸線布置，避免鏡頭遮擋和保證全景拍攝，故攝像頭安裝支座沿身管軸向方向相鄰兩者相隔50 mm布置，沿身管周向兩兩相隔90°分布。當(dāng)鏡頭視場角一定，物距越大，獲取被拍攝物表面積則越大；設(shè)計(jì)曲柄鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)支座在被拍攝表面過身管軸線的最遠(yuǎn)處，即支座背靠身管內(nèi)膛表面拍攝對立面的管壁達(dá)到視場最大化。根據(jù)口徑適用范圍，設(shè)計(jì)支架最大徑向尺寸為96 mm。避免信號線干擾鏡頭拍攝，將支架設(shè)計(jì)成中空結(jié)構(gòu)，信號線從內(nèi)部穿過。支座桿A的平直段有7針航空信號線插頭安裝座。支架兩端為軸承安裝軸，關(guān)鍵部位采取加粗加固，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。CCD攝像頭利用螺釘固定于支座的4個支柱。

2.3 分析計(jì)算

2.3.1 計(jì)算支座徑向最大外尺寸

保證四目曲柄鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)外尺寸小于100 mm，簡化支架左視圖，如圖7所示，以中心點(diǎn)計(jì)算，計(jì)算后考慮支架實(shí)際厚度，得到徑向最大外尺寸。

身管中心軸距支座中軸線距離LOA為43 mm，該支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為正方形，故計(jì)算連接中桿長度LAE為60.81 mm，考慮中桿管壁最大外徑為10 mm，得到連接中桿最大尺寸為70.81 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

支座是邊長為38 mm的正方形，計(jì)算兩支座在截面上的最遠(yuǎn)距離LCD為94.02 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

計(jì)算該支架結(jié)構(gòu)橫截面相對的兩個支座桿最遠(yuǎn)距離LAB為86 mm，考慮支架管壁最大外徑為10 mm，得兩支座桿最遠(yuǎn)距離為96 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上，四目曲柄鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)支架滿足口徑設(shè)計(jì)要求。

2.3.2 計(jì)算攝像頭視場大小

由CCD圖像傳感器和鏡頭的性能參數(shù)可以計(jì)算CCD攝像頭視場大小，如圖8所示，攝像頭視場角為α，身管內(nèi)膛到鏡頭距離為δ，鏡頭數(shù)目為n，當(dāng)nα≥2π時，取2π,得單個攝像頭視場面積：

(4)

以口徑100 mm的火炮為標(biāo)準(zhǔn)，CCD攝像頭在對焦后，鏡頭到內(nèi)膛表面最大距離為58 mm，將α=115°，δ=58 mm代入公式(4)中，得S=33 124 mm2，視場面積邊長l=182 mm。

火炮橫截面周長為

L=πd

(5)

口徑d為100 mm時，代入可得L=314 mm。故4l>L，滿足視場要求。

3 建模與制作

利用SolidWorks 2013軟件平臺，對窺膛頭裝置的各部件進(jìn)行三維建模設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在軟件環(huán)境中對各部件進(jìn)行仿真配合，及時查找錯誤并進(jìn)行修改。完成各部件的模型設(shè)計(jì)，應(yīng)用3D打印技術(shù)[6]，完成四目曲柄鏈?zhǔn)街Ъ堋z像頭外蓋和軸承連接頭的制作，加裝高清攝像頭和信號線后，完成四目曲柄鏈?zhǔn)礁Q膛頭裝置的設(shè)計(jì)與制作。

3.1 建模

基于SolidWorks 2013軟件平臺進(jìn)行建模[7]，根據(jù)各零件設(shè)計(jì)圖紙構(gòu)建三維模型，在SolidWorks軟件中將建立好的三維模型進(jìn)行配合仿真，診斷各零件間的配合關(guān)系，保證支架一次加工成型，減少制造材料的浪費(fèi)。

根據(jù)CCD攝像頭的外部尺寸和鏡頭座高度設(shè)計(jì)CCD攝像頭外蓋，如圖9所示，采用透光材料制作，將LED光源放置內(nèi)部，起到燈罩作用，使光源為漫反射，減少光斑。支架兩端設(shè)有型號為2809的軸承，當(dāng)雙傘支撐裝置在身管內(nèi)移動發(fā)生轉(zhuǎn)動時，支架不受旋轉(zhuǎn)影響，保證每個攝像頭拍攝角度不發(fā)生變化。支架通過軸承連接頭與雙傘支撐裝置連接，如圖10所示，一端為軸承安裝處，另一端為莫氏錐孔。

3.2 制作

由于四目曲柄鏈?zhǔn)街Ъ芙Y(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)方式不易加工，3D打印技術(shù)可以彌補(bǔ)此不足，3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。

通過對四目曲柄鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)支架進(jìn)行三維建模，傳輸?shù)?D打印機(jī)中，調(diào)整相關(guān)參數(shù)后可自動完成打印工作。選用PAUSA-i3型3D打印機(jī)采用PLA型塑料制作四目曲柄鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)支架，由于該打印機(jī)型號受打印尺寸限制，故將支架分為4部分進(jìn)行打印，通過螺紋連接各部件。

將信號線從制作的PLA型塑料支架的內(nèi)部穿過，連接每個攝像頭，加裝攝像頭外蓋組裝成窺膛頭裝置，如圖11所示。

使用DiMetal-50選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備，采用316L不銹鋼材料打印制作窺膛攝像頭各支架部件。因身管為長深孔，內(nèi)部需要設(shè)有光源，黑色可以吸收光譜內(nèi)的可見光，減少光線在身管膛線間多次反射，所以采用防銹黑漆進(jìn)行外層涂抹，既能減少光源的多次反射造成圖像光斑，又能防止窺膛裝置被腐蝕，圖12為工程化的316L不銹鋼材料四目曲柄鏈?zhǔn)礁Q膛頭裝置。

4 實(shí)驗(yàn)

采用PLA型塑料制作的窺膛頭裝置進(jìn)行全景拍攝驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)用具采用鋼管，將鋼管橫截面通過標(biāo)尺畫出四等分，用黑色簽字筆標(biāo)出并延長5 cm到管內(nèi)壁，便于錄像窗口觀察，將窺膛頭裝置通過雙傘支撐裝置支撐，連接主機(jī)后，進(jìn)行每目攝像頭分別拍攝，依次得到4張圖片，進(jìn)行對比得知，該窺膛頭裝置完全可以進(jìn)行鋼管周向全景拍攝，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，故可采用金屬材料制作該窺膛頭裝置，用于工程化。

采用316L不銹鋼材料制作的窺膛頭裝置在口徑為122 mm的某型火炮上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖13所示，該工程化的四目曲柄鏈?zhǔn)礁Q膛頭裝置完全可以實(shí)現(xiàn)火炮內(nèi)膛周向全景拍攝。

5 結(jié)束語

通過對傳統(tǒng)窺膛方式研究，提出一種四目曲柄鏈?zhǔn)礁Q膛頭裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高裝置可靠性，實(shí)現(xiàn)火炮內(nèi)膛周向全景圖像一次成像拍攝，大幅度提高火炮窺膛效率。通過鋼管驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和實(shí)炮實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該裝置的可行性，能夠達(dá)到全景窺測，獲取高清全景圖像，為后期圖像處理提供高質(zhì)量圖像源，更準(zhǔn)確、快速地進(jìn)行火炮維修保障。