炮控系統(tǒng)性能參數(shù)檢測平臺設(shè)計與實現(xiàn)*

蔣 鵬，盧嘉成，高 源，王 倩

（陸軍裝備部駐南京某部，南京 210000）

0 引言

炮控系統(tǒng)是火控系統(tǒng)的重要組成部分［1-5］，目前在火控系統(tǒng)的研制、調(diào)試、檢測過程中，炮控性能參數(shù)檢測以人工參與讀取計數(shù)等方式為主。例如，測試裝表精度（即火炮轉(zhuǎn)動角度）時，在火炮轉(zhuǎn)動軸前方中心位置放置有刻度的靶板，將激光筆固定在炮口，當(dāng)火炮轉(zhuǎn)動時，激光筆照射在前方靶板上的激光點同步運(yùn)動，此時就可以測量出光點運(yùn)動的位移，再利用固定火炮轉(zhuǎn)動軸心與靶板垂直距離來計算火炮的轉(zhuǎn)動角度。當(dāng)單獨測量火炮垂直向轉(zhuǎn)動時，可采用經(jīng)緯儀直接測量。在轉(zhuǎn)動過程中記錄轉(zhuǎn)動的時間，則可計算得出火炮的轉(zhuǎn)動速度。超調(diào)量則通過人眼觀察火炮運(yùn)動到指定點后振動的最大位置，而超調(diào)時間也是通過人眼觀察火炮運(yùn)動到指定點后穩(wěn)定的時間。這些傳統(tǒng)方法不僅費(fèi)時費(fèi)力，且檢測誤差大，可信度低。

隨著傳感器技術(shù)、圖像處理技術(shù)的迅猛發(fā)展及廣泛應(yīng)用［6-9］，新型炮控系統(tǒng)性能參數(shù)的測試設(shè)備、測試方法比傳統(tǒng)的測試方法更先進(jìn)、科學(xué)、快速、真實可信，如：基于光纖陀螺的炮控參數(shù)測試技術(shù)，即利用光學(xué)中的Sagnac 效應(yīng)測量角度或角速度［10］；采用角速度和傾角傳感器實現(xiàn)炮控系統(tǒng)性能指標(biāo)測試方法［11］；采用位置敏感檢測器（Position Sensitive Detector，PSD）測試火炮運(yùn)動軌跡，PSD 是一種新型的半導(dǎo)體位置敏感器件，它具有高靈敏度、高分辨率、響應(yīng)速度快等特點，可以對火炮的運(yùn)動軌跡進(jìn)行精確測量［12］；基于CCD 的測量方案［13］等。

隨著近20 年來機(jī)器視覺檢測技術(shù)的快速發(fā)展，其在印刷電路板的檢驗、導(dǎo)彈末端制導(dǎo)、機(jī)器人裝配線、汽車流量檢測等方面都有廣泛的應(yīng)用［14］。時至今日，機(jī)器視覺系統(tǒng)已成為計算機(jī)集成制造系統(tǒng)最重要的組成部分。本文將新興的機(jī)器視覺技術(shù)與炮控參數(shù)的自動測試方案相結(jié)合，提出了一種新型的炮控系統(tǒng)性能參數(shù)檢測方案。

本文的主要工作有：1）對參數(shù)檢測平臺進(jìn)行了總體設(shè)計和軟硬件選型。根據(jù)總體方案中涉及到的各項關(guān)鍵指標(biāo)，提出了硬件選擇方案，在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)說明了參數(shù)檢測的總體流程，包括系統(tǒng)自檢流程和參數(shù)設(shè)置流程。2）對檢測平臺的精度進(jìn)行分析，針對影響精度的各個因素，提出了相應(yīng)的改善措施，并進(jìn)行了精度測試驗證。

1 檢測平臺總體設(shè)計及硬件選型

1.1 總體設(shè)計

本文提出的檢測平臺硬件總體結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，主要包括：計算機(jī)、攝像機(jī)、光學(xué)鏡頭、圖像采集卡、激光指示器、靶板等。硬件的設(shè)計原則是：保證較高的圖像分辨率和圖像對比度，縮短圖像獲取時間，提升檢測平臺的工作穩(wěn)定性和抗干擾性能。

圖1 炮控系統(tǒng)性能參數(shù)檢測平臺總體結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)工作時，首先在炮塔前方給定距離位置處放置標(biāo)靶，在炮口固定激光指示器，在標(biāo)靶前方給定距離處放置攝像機(jī)。激光指示器發(fā)出的激光光點在標(biāo)靶上形成移動圖像，激光光點的位移可等效炮口的位移。通過攝像機(jī)拍攝激光光點在標(biāo)靶上的運(yùn)動圖像，采用計算機(jī)對圖像進(jìn)行灰度處理以及區(qū)域分裂合并，建立有效的激光光點位置數(shù)據(jù)庫，通過移動前后激光光點中心位置像素點的變化，計算出光點位移的變化。其中，攝像機(jī)采集圖像信息經(jīng)軟件處理、修正后所得參數(shù)值，通過相應(yīng)計算后，可完成對炮控系統(tǒng)火炮裝表精度、運(yùn)動速度、加速度、超調(diào)量、超調(diào)時間等參數(shù)的測試。

1.2 硬件選型

作為檢測平臺的核心部件，本平臺選用研華工控機(jī)完成圖像數(shù)據(jù)的處理和邏輯控制。工控機(jī)參數(shù)為：I7 四核處理器，8 GB 內(nèi)存，19 寸液晶顯示器。

攝像頭選用CCD 圖像采集設(shè)備［15］。在檢測系統(tǒng)測試過程中，攝像機(jī)距離觀測靶板距離約為4 m，激光光斑直徑約為3 mm～4 mm（計算中選用3 mm），靶板上有效測試區(qū)域約為0.6 m*0.6 m，要求檢測精度0.4 mm。設(shè)選用相機(jī)的分辨率為M×N（M 和N 分別表示水平方向和垂直方向的像素數(shù)），激光光斑的像所占像素為K×K。為保證可測試到光斑在靶板上的任意移動，要求滿足以下關(guān)系：

由于實際使用時相機(jī)中水平像素數(shù)多于垂直像素數(shù)，所以只需滿足N≥200 K 即可。根據(jù)約翰遜準(zhǔn)則，95%概率識別激光光斑時，要求激光光斑成像所占像素大于14×14，即K 不小于14。為保險起見，本設(shè)計中K 選15，因此，要求攝像機(jī)垂直像素不小于3 000 DPI。

綜合考慮以上各因素以及檢測平臺的要求，本平臺選用了IC-M12S-CXP 的高速黑白CCD 攝像機(jī)，其分辨率為4 096*3 072，最大幀率181 fps，像元大小為5.5 μm。

同時，系統(tǒng)采用焦距為110 mm 的標(biāo)準(zhǔn)C 口工業(yè)鏡頭。若激光光斑的像移動1 個像素，對應(yīng)激光光斑移動距離d 可以表示為：

可求得d=0.2 mm，即理論檢測精度為0.2 mm，對應(yīng)的角度測量最大誤差為0.05 mil，滿足系統(tǒng)誤差要求。

此外，本檢測平臺采用了NI 公司的IMAQPCI-1422 高精度數(shù)字圖像采集卡作為圖像采集設(shè)備；安富德TXAD24108 型的正圓光斑激光器作為532 nm 綠光激光指示器；自制面積為1.1 m×0.8 m的靶紙作為激光器成像靶板。

2 檢測平臺應(yīng)用軟件設(shè)計

根據(jù)炮控產(chǎn)品檢測平臺的功能要求，本檢測平臺總體應(yīng)用軟件流程，如圖2 所示。

圖2 檢測平臺總體應(yīng)用軟件流程圖

整個應(yīng)用軟件利用了LabVIEW 框架模塊化思想進(jìn)行設(shè)計。程序運(yùn)行后，首先進(jìn)行自檢，檢測圖像采集卡的工作狀態(tài)以及與計算機(jī)的連接狀態(tài)。然后進(jìn)入等待檢測狀態(tài)，同時，根據(jù)計算機(jī)的相關(guān)信息顯示提示檢測人員操作的信息。接收到操作的觸發(fā)信號后，圖像采集卡開始采集信號，并將信號進(jìn)行數(shù)字化處理、分析，最后顯示出測量值，同時保存相關(guān)的數(shù)據(jù)與圖片以備查詢。

2.1 圖像采集模塊

在一般的視頻處理系統(tǒng)中，圖像采集模塊主要負(fù)責(zé)驅(qū)動圖像采集卡，完成對圖像的采集。本平臺基于NI-IMAQ 圖像采集驅(qū)動程序設(shè)計了采集流水線。首先對圖像采集卡初始化，并為將要采集的圖像創(chuàng)建緩存塊，然后設(shè)置采集卡處于等待外部信號觸發(fā)狀態(tài)。當(dāng)圖像采集卡接收到觸發(fā)信號，則調(diào)用IMAQ 圖像采集子模塊IMAQSnap.vi，將相機(jī)拍到的圖像讀入計算機(jī)，結(jié)束當(dāng)前循環(huán)，進(jìn)入下一個圖像處理的功能模塊。

2.2 圖像分析處理與檢測模塊

處于應(yīng)用軟件關(guān)鍵位置的圖像分析處理與檢測模塊由圖像預(yù)處理、中心點處理、系統(tǒng)單位標(biāo)定、核心計算，以及顯示存儲等一系列的子模塊組成。其中，圖像預(yù)處理模塊主要用于在正式圖像處理之前，先對圖像進(jìn)行降噪處理，防止拍取的圖像由于受到光照變化、靶板抖動等因素的影響含有噪聲成分，從而給圖像的細(xì)化、識別、測量等過程帶來困難。

中心點處理模塊：測量系統(tǒng)工作時，激光器發(fā)射的激光在正前方的靶板形成激光光斑，激光光斑隨火炮的運(yùn)動而在靶板上移動。攝像機(jī)獲取的圖像中包含激光光斑，中心點處理模塊的作用就是提取出光斑的中心坐標(biāo)，從而進(jìn)行中心點編程處理。在獲得光斑圖像以后，首先使用Otsu 算法確定閾值，以對圖像進(jìn)行二值化處理。然后對得到的二值化光斑圖像I（x，y）使用灰度重心法，得到中心點的坐標(biāo)（x0，y0）：

其中，S 為圖像中的光斑區(qū)域，對于背景灰度值較小而目標(biāo)灰度值較高，在目標(biāo)圖像具有基本對稱的圓形分布的情況，灰度重心法不僅算法相對簡單，而且還能獲得較高的測量精度［16］，故本平臺采用該方法快速獲得光斑中心。

系統(tǒng)單位標(biāo)定模塊：圖像處理通常是以像素為單位進(jìn)行計量的，為了將以像素為單位的測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)尺寸（公制單位）作比較，同時也為了方便檢測人員查閱數(shù)據(jù)，需將測量結(jié)果轉(zhuǎn)換成以mm 為單位的實際長度，使計算機(jī)圖像上像素之間的距離能夠反映實際目標(biāo)上的真實距離［17］。具體做法是在靶板檢測位置上繪制出3 個邊長為100 mm 正方形的精密標(biāo)準(zhǔn)量塊，相對水平的兩個校準(zhǔn)黑方塊實際距離為300 mm，相對垂直的兩個校準(zhǔn)黑方塊實際距離為400 mm，系統(tǒng)采集標(biāo)準(zhǔn)量塊的圖像，然后用邊緣檢測的方法測量出它的長度（像素值），由此計算出本系統(tǒng)中一個像素對應(yīng)mm 的比例關(guān)系，供后續(xù)模塊使用。

核心計算模塊：在得到光斑的中心坐標(biāo)后，核心計算模塊通過比較前后圖像中心的實際位置，計算出中心移動的實際距離。通過攝像機(jī)拍攝圖像的時間戳，獲得從首幀到該幀的相對拍攝時長，根據(jù)標(biāo)靶到炮身轉(zhuǎn)軸的距離參數(shù)，可以計算出火炮的裝表精度、運(yùn)動速度、超調(diào)量、超調(diào)時間等炮控檢測參數(shù)。同時，核心計算模塊設(shè)計時需考慮攝像頭感光傳感器的靶面到靶板的距離誤差、炮身轉(zhuǎn)軸到靶面的距離誤差等。

理論上，當(dāng)靶板是球形時，炮口激光器在靶板上的光點才能實際反映炮身對應(yīng)的轉(zhuǎn)動角度，這樣對于靶板上走動的光點距離與炮身轉(zhuǎn)動的角度，只需要知道炮身轉(zhuǎn)軸到靶板的距離就可以計算出來。但由于實際使用的靶板是平面的，炮身轉(zhuǎn)動時，激光點在靶板上的位移為線性位移，隨著運(yùn)動區(qū)域的變化與實際角度信息會產(chǎn)生如圖3 所示的球面誤差。因此，系統(tǒng)平臺構(gòu)建完成后，需對傳感器面與靶平面進(jìn)行基準(zhǔn)點標(biāo)定，確認(rèn)區(qū)域中心及4 個邊界點的修正參數(shù)，以修正最終炮控檢測參數(shù)計算公式。

圖3 球面誤差圖示

3 平臺檢測的誤差修正及測試

3.1 靶板非球面誤差修正

除了常見的軟硬件因素導(dǎo)致的誤差外，檢測平臺的一個主要誤差來源，在于如圖3 所示的平面靶紙與炮身球面轉(zhuǎn)動誤差。當(dāng)炮身轉(zhuǎn)動時，實際轉(zhuǎn)動角度為：

但由于測試范圍角較小，且轉(zhuǎn)動半徑遠(yuǎn)大于測試距離La-Lb，激光點在靶板上的移動距離與實際球面轉(zhuǎn)動很接近。因此，在實際測試中，平臺使用弧度制單位直接將轉(zhuǎn)動測試為θx，具體計算如下：

平臺測試時，一般保證轉(zhuǎn)動軸到靶板的距離約為4 m。經(jīng)計算，如果實際轉(zhuǎn)動角度θ 在6°以內(nèi)，單次測試最大轉(zhuǎn)動角度不超過30 mil（1.8°）時，采用式（6）計算的θx和真實θ 之間最大誤差為0.059 mil。

3.2 平臺誤差測試

檢測平臺軟硬件完成后，平臺誤差綜合值隨即確定，其誤差值與被檢測產(chǎn)品無關(guān)，為了去除被檢測產(chǎn)品（火炮）的誤差值誤導(dǎo)，使用高精度測角設(shè)備經(jīng)緯儀（2 角秒）替代火炮進(jìn)行檢測平臺誤差值測試，測試系統(tǒng)基本和圖1 相同，只是炮口部分由經(jīng)緯儀替代，提供標(biāo)準(zhǔn)精確值。

火炮回轉(zhuǎn)中心到靶板垂直距離為4 000 mm，由于檢測平臺誤差綜合值在方位向和高低向相互獨立，以經(jīng)緯儀轉(zhuǎn)角讀數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)（精度小于0.01 mil，誤差可以忽略），從靶板中心開始在高低向和方位向每隔10 mil 各轉(zhuǎn)動3 次，最終經(jīng)緯儀讀數(shù)與檢測平臺檢測數(shù)據(jù)對比見表1。

表1 經(jīng)緯儀讀數(shù)與檢測平臺檢測數(shù)據(jù)對比

從測試結(jié)果來看，檢測平臺檢測效果良好，高低向角位移綜合誤差為0.04 mil，方位向角位移綜合誤差為0.055 mil；由于CCD 攝像機(jī)的輸出精度經(jīng)有效標(biāo)定，直接采信其輸出1 幀圖像時，時間誤差小于1 μs，總時間分辨率不超過0.54 ms，均滿足精度的要求?？梢?，本檢測平臺檢測炮控系統(tǒng)的性能指標(biāo)可以滿足檢測精度要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計并搭建了一套數(shù)字化炮控產(chǎn)品檢測平臺。該平臺以工業(yè)相機(jī)作為視覺傳感器，圖像信息經(jīng)處理、計算、修正后作為測得參數(shù)，完成對炮控系統(tǒng)火炮裝表精度、運(yùn)動速度、超調(diào)量、超調(diào)時間等參數(shù)的測試。測試結(jié)果表明，檢測平臺的測試偏差能同時滿足被測對象在工作狀態(tài)下的位移、角度精度重復(fù)試驗要求。