CN113048838B - 一种非接触式火炮方位角实时检测***及方法 - Google Patents

一种非接触式火炮方位角实时检测***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非接触式火炮方位角实时检测***及方法，所述***，包括：图像采集装置，所述图像采集装置与上位机连接；所述图像采集装置通过一根横杆安装在可伸缩支架上；所述可伸缩支架固定在地面上，所述图像采集装置能够随可伸缩支架上下移动；所述图像采集装置设置于火炮底座中心的正上方，炮管安装在火炮底座上；所述炮管的上表面粘贴有两个半径相同且间距固定的圆形标记，两个圆形标记的圆心连线与炮管轴线平行；所述图像采集装置对炮管上表面的两个圆形标记区域进行图像采集，并将采集的图像上传给上位机，由上位机进行火炮方位角计算和显示。

Description

一种非接触式火炮方位角实时检测***及方法
技术领域
本发明涉及火炮姿态检测技术领域，特别是涉及一种非接触式火炮方位角实时检测***及方法。
背景技术
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。
对于炮兵装备，特别是牵引火炮，火炮炮管指向精度直接决定了火控***精度。传统的火炮炮管姿态测量主要是借助于电子经纬仪、全站仪，采用人工测量方式实现，其缺点是人为误差大，劳动强度高，操作过程复杂等。
目前，采用角度传感器可以实现火炮炮管的俯仰角检测，但是无法检测炮管的方位角，采用激光陀螺及惯导装置能够检测方位角，但价格昂贵，容易受外部环境干扰，测量精度无法保证。因此，火炮炮管的姿态检测尤其是方位角的检测是一个亟待解决的难题，急需一种新型、高效、高精度的测量方式。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种非接触式火炮方位角实时检测***及方法；实现火炮炮管的方位角非接触式、自动、连续检测。
第一方面，本发明提供了一种非接触式火炮方位角实时检测***；
一种非接触式火炮方位角实时检测***，包括：图像采集装置，所述图像采集装置与上位机连接；所述图像采集装置通过一根横杆安装在可伸缩支架上；所述可伸缩支架固定在地面上，所述图像采集装置能够随可伸缩支架上下移动；所述图像采集装置设置于火炮底座中心的正上方，炮管安装在火炮底座上；
所述炮管的上表面粘贴有两个半径相同且间距固定的圆形标记，两个圆形标记的圆心连线与炮管轴线平行；所述图像采集装置对炮管上表面的两个圆形标记区域进行图像采集，并将采集的图像上传给上位机，由上位机进行火炮方位角计算和显示。
第二方面，本发明提供了一种非接触式火炮方位角实时检测方法；
一种非接触式火炮方位角实时检测方法，包括：
S101：采集若干幅炮管图像，完成相机标定；
S102：对火炮进行零位调平后，上位机采集炮管姿态图像并缓存；
S103：上位机读取当前缓存图像，通过灰度直方图确定阈值，根据阈值进行二值化图像处理；
在炮管二值图像中提取出图形边缘与轮廓，进而在边缘与轮廓图像中检测出符合标记特征的2个圆形，并保存标记的圆心坐标；首次采集火炮零位图像时，将两个圆心连接成一条直线作为方位角零度基准线；
S104：上位机连续采集炮管姿态图像并缓存；缓存图像后，重复S103，检测出当前图像中标记的两个圆心，将两个圆心连接成一条直线作为当前方位线；
S105：计算当前方位线与首次采集零位图像的零度基准线这两条直线的夹角并显示在上位机界面上，删除缓存图像；
S106：重复S104至S105直至检测结束。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提供了一种方位角非接触式实时检测方法及***，采用单目相机，结合图像处理方法，实现火炮炮管方位角非接触式、自动、连续检测。
(2)本发明不需要在火炮上改装、加载任何传感装置，即可实现炮管方位角的检测，该检测***结构简单，可移植性强，易于推广应用。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
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。
图1为本发明的一种方位角非接触式实时检测***结构示意图；
图2为本发明的一种方位角非接触式实时检测方法流程图；
图3为本发明的图像二值化图像处理具体流程图；
图4为本发明的标记物检测具体流程图；
图5(a)为本发明实施例的模拟炮管姿态原始图像；
图5(b)为本发明实施例的二值化处理后图像；
图5(c)为本发明实施例的图像边缘与轮廓；
图5(d)为本发明实施例的筛选后圆形区域图像；
图5(e)为本发明实施例的符合标志特征的圆形图像；
图5(f)为本发明实施例的方位角零度基准线图像。
其中，1.标记，2.炮管，3.图像采集装置，4.支架，5.上位机，6.火炮底座。
具体实施方式
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。
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、***、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。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例提供了一种非接触式火炮方位角实时检测***；
如图1所示，一种非接触式火炮方位角实时检测***，包括：图像采集装置3，所述图像采集装置与上位机5连接；所述图像采集装置3通过一根横杆安装在可伸缩支架4上；所述可伸缩支架4固定在地面上，所述图像采集装置3能够随可伸缩支架4上下移动；所述图像采集装置3设置于火炮底座6中心的正上方，炮管2安装在火炮底座6上；
所述炮管2的上表面粘贴有两个半径相同且间距固定的圆形标记1，两个圆形标记1的圆心连线与炮管2轴线平行；所述图像采集装置3对炮管2上表面的两个圆形标记1区域进行图像采集，并将采集的图像上传给上位机5，由上位机5进行火炮方位角计算和显示。
进一步地，所述图像采集装置3为高分辨率工业相机。
进一步地，所述图像采集装置3与上位机5之间通过网络进行连接。
进一步地，所述图像采集装置3与火炮底座6中心的距离为2～3米。
实施例二
本实施例提供了一种非接触式火炮方位角实时检测方法；
如图2所示，一种非接触式火炮方位角实时检测方法，包括：
S101：采集若干幅炮管图像，完成相机标定；
S102：对火炮进行零位调平后，上位机采集炮管姿态图像并缓存；如图5(a)所示；
S103：上位机读取当前缓存图像，通过灰度直方图确定阈值，根据阈值进行二值化图像处理；如图5(b)所示；
在炮管二值图像中提取出图形边缘与轮廓，进而在边缘与轮廓图像中检测出符合标记特征的2个圆形，并保存标记的圆心坐标；如图5(c)、图5(d)、图5(e)所示；首次采集火炮零位图像时，将两个圆心连接成一条直线作为方位角零度基准线；如图5(f)所示；
S104：上位机连续采集炮管姿态图像并缓存；缓存图像后，重复S103，检测出当前图像中标记的两个圆心，将两个圆心连接成一条直线作为当前方位线；
S105：计算当前方位线与首次采集零位图像的零度基准线这两条直线的夹角并显示在上位机界面上，删除缓存图像；
S106：重复S104至S105直至检测结束。
进一步地，所述方法还包括：S100：通过调整可伸缩支架及横杆保证相机处于火炮底座中心的正上方，垂直距离为2～3米。
如图3所示，进一步地，所述S103上位机读取当前缓存图像，通过灰度直方图确定阈值，根据阈值进行二值化图像处理；具体步骤包括：
S103a1：上位机读取缓存的图像，绘制图像灰度直方图；
S103a2：在图像灰度直方图中，确定出灰度集中分布区域的灰度值范围[ga，gb]；
S103a3：取阈值
Figure BDA0002958277610000061
S103a4：对图像进行二值化处理；
Figure BDA0002958277610000062
其中，g(x,y)为原图像，f(x,y)为二值化后图像。
S103a5：保存二值化后新图像。
如图4所示，进一步地，所述S103在炮管二值图像中提取出图形边缘与轮廓，进而在边缘与轮廓图像中检测出符合标记特征的2个圆形，并保存标记的圆心坐标；具体步骤包括：
S103b1：定义最小半径、最大半径、步进角度变量并赋值，定义圆形数量变量count并初始化为0；
S103b2：利用sobel算子对二值化图像f(x,y)进行图像灰度的近似梯度计算，梯度大于设定阈值的部分设置为图像边缘，绘制出图像边缘与轮廓；
S103b3：依据最小半径、最大半径、步进角度的数值，在图像边缘与轮廓中基于hough变换检测出圆形区域，并获取圆形区域的圆心(i,j)及半径r；
S103b4：抽样圆形区域圆心点周围的6个像素点，并对其灰度值进行以下判断：
A(i+r/2,j)＝＝0&&A(i,j+r/2)＝＝0&&A(i+r/2,j+r/2)＝＝0&&A(i+2r,j)＝＝255&&A(i,j+2r)＝＝255&&A(i+2r,j+2r)＝＝255
其中，i为圆心横坐标，j为圆心纵坐标，r为圆形半径，A代表该像素点的灰度值。
满足上述条件时，保存该圆心坐标及半径，圆形数量count加1；反之，不保存该圆心坐标及半径，count保持不变；
S103b5：循环执行S103b4，直至遍历完图像边缘与轮廓中的所有圆形区域；
S103b6：遍历结束后若检测到符合标记特征的圆形数量count为2，并且两个圆形半径相等时，保存该次图像处理结果，执行后续步骤；反之，丢弃该次处理结果，执行步骤S103a1，继续载入下一帧图像。
进一步地，所述S105：计算当前方位线与零度基准线两条直线的夹角并显示在上位机界面上，删除缓存图像；具体步骤包括：
S105a1：提取出零度基准线的2个圆心坐标(x1,y1)和(x2,y2)以及当前方位线的2个圆心坐标(x3,y3)和(x4,y4)；
S105a2：计算出两条直线的夹角θ，计算公式为：
Figure BDA0002958277610000071
S105a3：存储θ并显示在上位机界面上，删除缓存图像。
本发明提供了一种方位角非接触式实时检测***及方法，采用单目相机，结合图像处理方法，在不改装、加载任何传感装置情况下，实现火炮炮管方位角非接触式、自动、连续检测。
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。

Claims (10)

1.一种非接触式火炮方位角实时检测***，其特征是，包括：图像采集装置，所述图像采集装置与上位机连接；所述图像采集装置通过一根横杆安装在可伸缩支架上；所述可伸缩支架固定在地面上，所述图像采集装置能够随可伸缩支架上下移动；所述图像采集装置设置于火炮底座中心的正上方，炮管安装在火炮底座上；
所述炮管的上表面粘贴有两个半径相同且间距固定的圆形标记，两个圆形标记的圆心连线与炮管轴线平行；所述图像采集装置对炮管上表面的两个圆形标记区域进行图像采集，并将采集的图像上传给上位机，由上位机进行火炮方位角计算和显示。
2.如权利要求1所述的一种非接触式火炮方位角实时检测***，其特征是，所述图像采集装置为高分辨率工业相机。
3.如权利要求1所述的一种非接触式火炮方位角实时检测***，其特征是，所述图像采集装置与上位机之间通过网络进行连接。
4.如权利要求1所述的一种非接触式火炮方位角实时检测***，其特征是，所述图像采集装置与火炮底座中心的距离为2～3米。
5.一种非接触式火炮方位角实时检测方法，其特征是，包括：
S101：采集若干幅炮管图像，完成相机标定；
S102：对火炮进行零位调平后，上位机采集炮管姿态图像并缓存；
S103：上位机读取当前缓存图像，通过灰度直方图确定阈值，根据阈值进行二值化图像处理；在炮管二值图像中提取出图形边缘与轮廓，进而在边缘与轮廓图像中检测出符合标记特征的2个圆形，并保存标记的圆心坐标；首次采集火炮零位图像时，将两个圆心连接成一条直线作为方位角零度基准线；
S104：上位机连续采集炮管姿态图像并缓存；缓存图像后，重复S103，检测出当前图像中标记的两个圆心，将两个圆心连接成一条直线作为当前方位线；
S105：计算当前方位线与首次采集零位图像的零度基准线这两条直线的夹角并显示在上位机界面上，删除缓存图像；
S106：重复S104至S105直至检测结束。
6.如权利要求5所述的一种非接触式火炮方位角实时检测方法，其特征是，所述方法还包括：S100：通过调整可伸缩支架及横杆保证相机处于火炮底座中心的正上方，垂直距离为2～3米。
7.如权利要求5所述的一种非接触式火炮方位角实时检测方法，其特征是，所述S103上位机读取当前缓存图像，通过灰度直方图确定阈值，根据阈值进行二值化图像处理；具体步骤包括：
S103a1：上位机读取缓存的图像，绘制图像灰度直方图；
S103a2：在图像灰度直方图中，确定出灰度集中分布区域的灰度值范围[ga，gb]；
S103a3：取阈值
Figure FDA0004002861890000021
S103a4：对图像进行二值化处理；
Figure FDA0004002861890000022
其中，g(x,y)为原图像，f(x,y)为二值化后图像；
S103a5：保存二值化后新图像。
8.如权利要求7所述的一种非接触式火炮方位角实时检测方法，其特征是，所述S103在炮管二值图像中提取出图形边缘与轮廓，进而在边缘与轮廓图像中检测出符合标记特征的2个圆形，并保存标记的圆心坐标；具体步骤包括：
S103b1：定义最小半径、最大半径、步进角度变量并赋值，定义圆形数量变量count并初始化为0；
S103b2：利用sobel算子对二值化图像f(x,y)进行图像灰度的近似梯度计算，梯度大于设定阈值的部分设置为图像边缘，绘制出图像边缘与轮廓；
S103b3：依据最小半径、最大半径、步进角度的数值，在图像边缘与轮廓中基于hough变换检测出圆形区域，并获取圆形区域的圆心(i,j)及半径r；
S103b4：抽样圆形区域圆心点周围的6个像素点，并对其灰度值进行判断，保存圆心坐标及半径；
S103b5：循环执行S103b4，直至遍历完图像边缘与轮廓中的所有圆形区域；
S103b6：遍历结束后若检测到符合标记特征的圆形数量count为2，并且两个圆形半径相等时，保存该步骤图像处理结果，执行后续步骤；反之，丢弃该步骤处理结果，执行步骤S103a1，继续载入下一帧图像。
9.如权利要求8所述的一种非接触式火炮方位角实时检测方法，其特征是，S103b4：抽样圆形区域圆心点周围的6个像素点，并对其灰度值进行判断，保存圆心坐标及半径；具体步骤包括：
抽样圆形区域圆心点周围的6个像素点，并对其灰度值进行以下判断：
A(i+r/2,j)＝＝0&&A(i,j+r/2)＝＝0&&A(i+r/2,j+r/2)＝＝0&&A(i+2r,j)＝＝255&&A(i,j+2r)＝＝255&&A(i+2r,j+2r)＝＝255
其中，i为圆心横坐标，j为圆心纵坐标，r为圆形半径，A代表该像素点的灰度值；
满足上述灰度值判断条件时，保存该圆心坐标及半径，圆形数量count加1；反之，不保存该圆心坐标及半径，count保持不变。
10.如权利要求5所述的一种非接触式火炮方位角实时检测方法，其特征是，所述S105：计算当前方位线与零度基准线两条直线的夹角并显示在上位机界面上，删除缓存图像；具体步骤包括：
S105a1：提取出零度基准线的2个圆心坐标(x1,y1)和(x2,y2)以及当前方位线的2个圆心坐标(x3,y3)和(x4,y4)；
S105a2：计算出两条直线的夹角θ，计算公式为：
Figure FDA0004002861890000041
S105a3：存储θ并显示在上位机界面上，删除缓存图像。
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