一种火炮身管指向实时测量系统及方法

1.本发明涉及火炮身管指向测量技术领域，特别是涉及一种火炮身管指向实时测量系统及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提到了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
3.火炮身管指向(俯仰角、方位角)精确测量是实现火炮火控系统精度闭环测试中的一个难点，对在信息化条件下提高炮兵精确打击、精确修正和快速反应能力有极大的帮助。
4.现有的火炮身管指向测量大多采用接触式测量方法，即在火炮摇架耳轴上安装传感器进行测量。接触式测量方法虽然能够获取火炮身管角度信息，但存在如下问题：
5.(1)传感器的安装和维护难度较大；
6.(2)传感器的安装改变了火炮结构，可能会影响火炮的射击精度和稳定性；
7.(3)陀螺仪、电子罗盘等传感器易受外部环境干扰，存在较大的测量误差。
8.双经纬仪空间交会法是武器装备试验基地普遍采用的非接触式身管指向测量方法，通过测量身管上2个特定点的三维坐标解算出火炮身管的俯仰角和方位角，其静态测试精度达到0.05
°
，但是操作过程复杂，耗时较长，以静态测量为主，测量效率较低。因此，亟需一种能够避免直接接触、测量效率较高的火炮身管指向实时测量方法。


技术实现要素：

9.为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种火炮身管指向实时测量系统及方法；通过视觉采集装置对火炮身管上的目标进行图像采集，实现火炮身管俯仰角、方位角的非接触式、实时测量。
10.第一方面，本发明提供了一种火炮身管指向实时测量系统；
11.一种火炮身管指向实时测量系统，包括：
12.底座，所述底座上安装火炮身管，所述火炮身管上表面固定安装标记图形；
13.所述底座上还安装升降架，所述升降架包括：竖直滑杆和水平滑杆，所述竖直滑杆的一端固定在底座上，所述竖直滑杆的另外一端与水平滑杆的一端连接，所述水平滑杆的另外一端安装工业相机，工业相机的镜头朝向底座，工业相机的镜头用于捕捉包含圆形标记的身管图像；工业相机通过无线通信的方式，将采集到的标记图形图像序列发送给计算机，计算机接收和处理工业相机采集的图像数据，依据图像数据计算出火炮身管的俯仰角和方位角；
14.所述圆形标记，包含有一条竖直直径l1和一条水平直径l2，竖直直径l1与火炮身管轴线平行，水平直径l2与竖直直径l1相互垂直；
15.对火炮身管进行零位调整后，工业相机采集火炮身管零位时的火炮身管图像，调整相机位置，当计算机接收的火炮身管图像中标记图形为圆形时，固定相机位置；
16.计算机连续接收工业相机实时采集的火炮身管指向图像，并对图像进行缓存；计
算机对图像进行预处理，去除噪声和干扰，将图像二值化；
17.在二值图像中提取出图形的边缘与轮廓，进而在边缘与轮廓图像中检测出圆形标记或身管经过转动后形成的椭圆形标记，确定圆形标记区域或者椭圆形标记区域的圆心；
18.在当前图像标记区域的圆形或椭圆形边界内加入一条穿过圆心的竖直线段l3，计算竖直直径l1与l3这两条线段的夹角，输出方位角；计算当前图像中竖直直径l1与水平直径l2的长度比例，输出俯仰角；显示火炮身管方位角及俯仰角。
19.第二方面，本发明提供了一种火炮身管指向实时测量方法；
20.一种火炮身管指向实时测量方法，包括：
21.对火炮身管进行零位调整后，工业相机采集火炮身管零位时的火炮身管图像，调整相机位置，当计算机接收的火炮身管图像中标记图形为圆形时，固定相机位置；
22.计算机连续接收工业相机实时采集的火炮身管指向图像，并对图像进行缓存；
23.计算机对图像进行预处理，去除噪声和干扰，将图像二值化；
24.在二值图像中提取出图形的边缘与轮廓，进而在边缘与轮廓图像中检测出圆形标记或身管经过转动后形成的椭圆形标记，确定圆形标记区域或者椭圆形标记区域的圆心；
25.在当前图像标记区域的圆形或椭圆形边界内加入一条穿过圆心的竖直线段l3，计算竖直直径l1与l3这两条线段的夹角，输出方位角；
26.计算当前图像中竖直直径l1与水平直径l2的长度比例，输出俯仰角；
27.显示火炮身管方位角及俯仰角；
28.重复上述步骤直至测量结束。
29.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
30.(1)本发明不改装火炮结构，不影响火炮的射击精度和稳定性，操作简单便携、测试效率较高，同时还降低了测量成本。
31.(2)本发明提出了一种身管指向测量方法及俯仰角、方位角计算算法，通过视觉算法提取特征点或线条，避免了传感器检测方法可能受到环境干扰的影响，测量精度高，适用于各种类型的火炮，具有广泛的适用性。
附图说明
32.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
33.图1为本发明的一种火炮身管指向实时测量系统结构示意图；
34.图2为本发明的一种火炮身管指向实时测量方法流程图；
35.图3为本发明对图像中标记图形添加辅助线流程图；
36.图4(a)为本发明的模拟火炮身管指向原始图像；
37.图4(b)为本发明的对身管原始图像进行二值化处理及图像分割后得到的图像；
38.图4(c)为本发明对图像进行边缘与轮廓提取后得到的图像；
39.图4(d)为本发明对标记图形添加辅助线后得到的图像；
40.图5为本发明提供的计算身管俯仰角方法原理图。
41.其中，1.标记图形，2.火炮身管，3.工业相机，4.升降架，5.计算机，6.火炮底座。
具体实施方式
42.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
43.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
44.实施例一
45.本实施例提供了一种火炮身管指向实时测量系统；
46.如图1所示，一种火炮身管指向实时测量系统，包括：
47.火炮底座6，所述火炮底座上安装火炮身管2，所述火炮身管上表面固定安装标记图形1；
48.所述底座上还安装升降架4，所述升降架包括：竖直滑杆和水平滑杆，所述竖直滑杆的一端固定在底座上，所述竖直滑杆的另外一端与水平滑杆的一端连接，所述水平滑杆的另外一端安装工业相机3，工业相机的镜头朝向底座，工业相机的镜头用于捕捉包含圆形标记的身管图像；工业相机通过无线通信的方式，将采集到的标记图形图像序列发送给计算机5，计算机接收和处理工业相机采集的图像数据，依据图像数据计算出火炮身管的俯仰角和方位角；
49.所述圆形标记，包含有一条竖直直径l1和一条水平直径l2，竖直直径l1与火炮身管轴线平行，水平直径l2与竖直直径l1相互垂直；
50.对火炮身管进行零位调整后，工业相机采集火炮身管零位时的火炮身管图像，调整相机位置，当计算机接收的火炮身管图像中标记图形为圆形时，固定相机位置；
51.计算机连续接收工业相机实时采集的火炮身管指向图像，并对图像进行缓存；计算机对图像进行预处理，去除噪声和干扰，将图像二值化；
52.在二值图像中提取出图形的边缘与轮廓，进而在边缘与轮廓图像中检测出圆形标记或身管经过转动后形成的椭圆形标记，确定圆形标记区域或者椭圆形标记区域的圆心；
53.在当前图像标记区域的圆形或椭圆形边界内加入一条穿过圆心的竖直线段l3，计算竖直直径l1与l3这两条线段的夹角，输出方位角；
54.计算当前图像中竖直直径l1与水平直径l2的长度比例，输出俯仰角；
55.显示火炮身管方位角及俯仰角。
56.所述升降架，通过带有端面齿的锁定块实现相机上下位置调整，通过固定螺母调整水平滑杆与竖直滑杆连接位置从而调整相机左右位置。
57.实施例二
58.本实施例提供了一种火炮身管指向实时测量方法；
59.如图2所示，一种火炮身管指向实时测量方法，包括：
60.s200：对火炮身管进行零位调整后，工业相机采集火炮身管零位时的火炮身管图
像，调整相机位置，当计算机接收的火炮身管图像中标记图形为圆形时，固定相机位置；
61.s201：计算机连续接收工业相机实时采集的火炮身管指向图像，并对图像进行缓存；
62.s202：计算机对图像进行预处理，去除噪声和干扰，将图像二值化；
63.s203：在二值图像中提取出图形的边缘与轮廓，进而在边缘与轮廓图像中检测出圆形标记或身管经过转动后形成的椭圆形标记，确定圆形标记区域或者椭圆形标记区域的圆心；
64.s204：在当前图像标记区域的圆形或椭圆形边界内加入一条穿过圆心的竖直线段l3，计算竖直直径l1与l3这两条线段的夹角，输出方位角；
65.s205：计算当前图像中竖直直径l1与水平直径l2的长度比例，输出俯仰角；
66.s206：显示火炮身管方位角及俯仰角；
67.s207：重复s201至s206直至测量结束。
68.进一步地，所述s200：对火炮身管进行零位调整后，之前还包括：
69.s200-1：通过工业相机拍摄张正友棋盘图片，计算出各项畸变参数，对相机进行畸变校正。
70.进一步地，所述s200-1：通过工业相机拍摄张正友棋盘图片，计算出各项畸变参数，对相机进行畸变校正，具体包括：
71.采集多张棋盘图片，利用matlab工具箱中camera calibrator工具计算获得相机的内外参数和畸变参数，构造去畸变映射表，将畸变后的坐标映射到畸变前的坐标，再对图像进行插值，避免像素缺失。
72.如图3、图4(a)所示，进一步地，所述s203：在二值图像中提取出图形的边缘与轮廓，进而在边缘与轮廓图像中检测出圆形标记或身管经过转动后形成的椭圆形标记，确定圆形标记区域或者椭圆形标记区域的圆心，具体步骤包括：
73.s203-1：对二值化的图像进行腐蚀和膨胀操作，使用canny边缘检测算法检测图像中的边缘和轮廓；
74.s203-2：使用轮廓搜索的方法将圆形标记从图像中分割出来，对检测到的轮廓进行轮廓分析，找到目标形状，将目标形状从背景中分离出来，如图4(b)所示；
75.s203-3：基于hough变换检测出标记圆的圆心，并标记圆心坐标(x0,y0)，如图4(c)所示。
76.进一步地，所述s204：在当前图像标记区域的圆形或椭圆形边界内加入一条穿过圆心的竖直线段l3，计算l1与l3这两条线段的夹角，输出方位角，具体步骤包括：
77.s204-1：在当前图像圆形标记区域内，作出一条x＝x0的竖直线段l3，线段l3的两个端点贴合标记圆或椭圆边界，其中x0为圆心坐标(x0,y0)中横坐标，如图4(d)所示；
78.s204-2：基于hough变换检测出当前图像标记区域内线段l1、l3，并提取出线段l1、l3的端点坐标，l1上方端点坐标(x1,y1)，l1的下方端点坐标(x2,y2)，l3的上方端点坐标(x3,y3)，l3的下方端点坐标(x4,y4)；
79.s204-3：计算出线段l1与l3的夹角即方位角θ，计算公式为：
[0080][0081]
如图5所示，进一步地，所述s205：计算当前图像中线段l1与l2的长度比例，输出俯仰角，具体步骤包括：
[0082]
s205-1：基于hough变换提取出标记区域内线段l1、l2的端点坐标，l1上方端点坐标(x1,y1)，l1的下方端点坐标(x2,y2)，l2的上方端点坐标(x5,y5)，l2的下方端点坐标(x6,y6)，则图像中l1长度s1为：
[0083][0084]
图像中l2长度s为：
[0085][0086]
s205-2：根据工业相机拍摄到的线段l1为真实垂直径线l1映射到图像坐标的结果，图像中检测的线段长度是线性变化的，图像中线段l1的长度与真实垂直径线l1长度的比值即为俯仰角的余弦，而真实垂直径线l1长度与图像中l2长度相等，则俯仰角α计算公式为：
[0087][0088]
本发明提供了一种火炮身管指向实时测量系统及方法，通过工业相机对火炮身管上的目标图像进行图像采集，计算机对获取的图像数据进行处理，最终显示出火炮身管的俯仰角和方位角，从而实现对火炮身管姿态的实时监测，监测过程中无需在炮筒上安装任何传感器，适用于各种类型的火炮，具有广泛的适用性。
[0089]
综上所述，本发明提供了一种新颖且实用的解决方案，具有广泛的应用前景和经济效益。该方案通过有效地解决现有技术中存在的问题和局限性，为相关领域的专业人士提供了一种可行的技术手段和解决方案。
[0090]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

技术特征：
1.一种火炮身管指向实时测量系统，其特征是，包括：底座，所述底座上安装火炮身管，所述火炮身管上表面固定安装标记图形；所述底座上还安装升降架，所述升降架包括：竖直杆和水平杆，所述竖直杆的一端固定在底座上，所述竖直杆的另外一端与水平杆的一端连接，所述水平杆的另外一端安装工业相机，工业相机的镜头朝向底座，工业相机的镜头用于捕捉包含圆形标记的身管图像；工业相机通过无线通信的方式，将采集到的标记图形图像序列发送给计算机，计算机接收和处理工业相机采集的图像数据，依据图像数据计算出火炮身管的俯仰角和方位角；所述圆形标记，包含有一条竖直直径l1和一条水平直径l2，竖直直径l1与火炮身管轴线平行，水平直径l2与竖直直径l1相互垂直；对火炮身管进行零位调整后，工业相机采集火炮身管零位时的火炮身管图像，调整相机位置，当计算机接收的火炮身管图像中标记图形为圆形时，固定相机位置；计算机连续接收工业相机实时采集的火炮身管指向图像，并对图像进行缓存；计算机对图像进行预处理，去除噪声和干扰，将图像二值化；在二值图像中提取出图形的边缘与轮廓，进而在边缘与轮廓图像中检测出圆形标记或身管经过转动后形成的椭圆形标记，确定圆形标记区域或者椭圆形标记区域的圆心；在当前图像标记区域的圆形或椭圆形边界内加入一条穿过圆心的竖直线段l3，计算竖直直径l1与l3这两条线段的夹角，输出方位角；计算当前图像中竖直直径l1与水平直径l2的长度比例，输出俯仰角；显示火炮身管方位角及俯仰角。2.采用如权利要求1所述的一种火炮身管指向实时测量系统，其特征是，在二值图像中提取出图形的边缘与轮廓，进而在边缘与轮廓图像中检测出圆形标记或身管经过转动后形成的椭圆形标记，确定圆形标记区域或者椭圆形标记区域的圆心，具体步骤包括：对二值化的图像进行腐蚀和膨胀操作，使用canny边缘检测算法检测图像中的边缘和轮廓；使用轮廓搜索的方法将圆形标记从图像中分割出来，对检测到的轮廓进行轮廓分析，找到目标形状，将目标形状从背景中分离出来；基于hough变换检测出标记圆的圆心，并标记圆心坐标(x0,y0)。3.采用如权利要求1所述的一种火炮身管指向实时测量系统，其特征是，在当前图像标记区域的圆形或椭圆形边界内加入一条穿过圆心的竖直线段l3，计算竖直直径l1与l3这两条线段的夹角，输出方位角，具体步骤包括：在当前图像圆形标记区域内，作出一条x＝x0的竖直线段l3，线段l3的两个端点贴合标记圆或椭圆边界，其中x0为圆心坐标(x0,y0)中横坐标；基于hough变换检测出当前图像标记区域内线段l1、l3，并提取出线段l1、l3的端点坐标，l1上方端点坐标(x1,y1)，l1的下方端点坐标(x2,y2)，l3的上方端点坐标(x3,y3)，l3的下方端点坐标(x4,y4)；计算出线段l1与l3的夹角即方位角θ，计算公式为：
4.采用如权利要求1所述的一种火炮身管指向实时测量系统，其特征是，计算当前图像中竖直直径l1与水平直径l2的长度比例，输出俯仰角，具体步骤包括：基于hough变换提取出标记区域内线段l1、l2的端点坐标，l1上方端点坐标(x1,y1)，l1的下方端点坐标(x2,y2)，l2的上方端点坐标(x5,y5)，l2的下方端点坐标(x6,y6)，则图像中l1长度s1为：图像中l2长度s为：俯仰角α计算公式为：5.一种火炮身管指向实时测量方法，其特征是，包括：对火炮身管进行零位调整后，工业相机采集火炮身管零位时的火炮身管图像，调整相机位置，当计算机接收的火炮身管图像中标记图形为圆形时，固定相机位置；计算机连续接收工业相机实时采集的火炮身管指向图像，并对图像进行缓存；计算机对图像进行预处理，去除噪声和干扰，将图像二值化；在二值图像中提取出图形的边缘与轮廓，进而在边缘与轮廓图像中检测出圆形标记或身管经过转动后形成的椭圆形标记，确定圆形标记区域或者椭圆形标记区域的圆心；在当前图像标记区域的圆形或椭圆形边界内加入一条穿过圆心的竖直线段l3，计算竖直直径l1与l3这两条线段的夹角，输出方位角；计算当前图像中竖直直径l1与水平直径l2的长度比例，输出俯仰角；显示火炮身管方位角及俯仰角；重复上述步骤直至测量结束。6.采用如权利要求5所述的一种火炮身管指向实时测量方法，其特征是，计算机连续接收工业相机实时采集的火炮身管指向图像，并对图像进行缓存，之前还包括：通过工业相机拍摄张正友棋盘图片，计算出各项畸变参数，对相机进行畸变校正。7.采用如权利要求6所述的一种火炮身管指向实时测量方法，其特征是，通过工业相机拍摄张正友棋盘图片，计算出各项畸变参数，对相机进行畸变校正，具体包括：采集多张棋盘图片，计算获得相机的内外参数和畸变参数，构造去畸变映射表，将畸变后的坐标映射到畸变前的坐标，再对图像进行插值，避免像素缺失。8.采用如权利要求5所述的一种火炮身管指向实时测量方法，其特征是，在二值图像中提取出图形的边缘与轮廓，进而在边缘与轮廓图像中检测出圆形标记或身管经过转动后形成的椭圆形标记，确定圆形标记区域或者椭圆形标记区域的圆心，具体步骤包括：对二值化的图像进行腐蚀和膨胀操作，使用canny边缘检测算法检测图像中的边缘和轮廓；
使用轮廓搜索的方法将圆形标记从图像中分割出来，对检测到的轮廓进行轮廓分析，找到目标形状，将目标形状从背景中分离出来；基于hough变换检测出标记圆的圆心，并标记圆心坐标(x0,y0)。9.采用如权利要求5所述的一种火炮身管指向实时测量方法，其特征是，在当前图像标记区域的圆形或椭圆形边界内加入一条穿过圆心的竖直线段l3，计算竖直直径l1与l3这两条线段的夹角，输出方位角，具体步骤包括：在当前图像圆形标记区域内，作出一条x＝x0的竖直线段l3，线段l3的两个端点贴合标记圆或椭圆边界，其中x0为圆心坐标(x0,y0)中横坐标；基于hough变换检测出当前图像标记区域内线段l1、l3，并提取出线段l1、l3的端点坐标，l1上方端点坐标(x1,y1)，l1的下方端点坐标(x2,y2)，l3的上方端点坐标(x3,y3)，l3的下方端点坐标(x4,y4)；计算出线段l1与l3的夹角即方位角θ，计算公式为：10.采用如权利要求5所述的一种火炮身管指向实时测量方法，其特征是，计算当前图像中竖直直径l1与水平直径l2的长度比例，输出俯仰角，具体步骤包括：基于hough变换提取出标记区域内线段l1、l2的端点坐标，l1上方端点坐标(x1,y1)，l1的下方端点坐标(x2,y2)，l2的上方端点坐标(x5,y5)，l2的下方端点坐标(x6,y6)，则图像中l1长度s1为：图像中l2长度s为：俯仰角α计算公式为：

技术总结
本发明公开了一种火炮身管指向实时测量系统及方法，对火炮身管进行零位调整后，相机采集火炮身管零位时的火炮身管图像，调整相机位置，当计算机接收的火炮身管图像中标记图形为圆形时，固定相机位置；计算机连续接收相机实时采集的火炮身管指向图像，并对图像进行缓存；计算机对图像进行预处理，将图像二值化；在二值图像中提取出图形的边缘与轮廓，在边缘与轮廓图像中检测出圆形标记或身管经过转动后形成的椭圆形标记，确定圆形标记区域或者椭圆形标记区域的圆心；在当前图像标记区域的圆形或椭圆形边界内加入一条穿过圆心的竖直线段L3，计算L1与L3这两条线段的夹角，输出方位角；计算当前图像中线段L1与L2的长度比例，输出俯仰角。仰角。仰角。


技术研发人员：张延波 郑天宇 李向东 赵兴文 刘成业 葛兆斌
受保护的技术使用者：山东省科学院自动化研究所
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/10/15