炮控系统性能参数检测平台设计与实现*

2021-12-29卢嘉成

火力与指挥控制 2021年10期

蒋鹏，卢嘉成，高源，王倩

（陆军装备部驻南京某部，南京 210000）

0 引言

炮控系统是火控系统的重要组成部分［1-5］，目前在火控系统的研制、调试、检测过程中，炮控性能参数检测以人工参与读取计数等方式为主。例如，测试装表精度（即火炮转动角度）时，在火炮转动轴前方中心位置放置有刻度的靶板，将激光笔固定在炮口，当火炮转动时，激光笔照射在前方靶板上的激光点同步运动，此时就可以测量出光点运动的位移，再利用固定火炮转动轴心与靶板垂直距离来计算火炮的转动角度。当单独测量火炮垂直向转动时，可采用经纬仪直接测量。在转动过程中记录转动的时间，则可计算得出火炮的转动速度。超调量则通过人眼观察火炮运动到指定点后振动的最大位置，而超调时间也是通过人眼观察火炮运动到指定点后稳定的时间。这些传统方法不仅费时费力，且检测误差大，可信度低。

随着传感器技术、图像处理技术的迅猛发展及广泛应用［6-9］，新型炮控系统性能参数的测试设备、测试方法比传统的测试方法更先进、科学、快速、真实可信，如：基于光纤陀螺的炮控参数测试技术，即利用光学中的Sagnac 效应测量角度或角速度［10］；采用角速度和倾角传感器实现炮控系统性能指标测试方法［11］；采用位置敏感检测器（Position Sensitive Detector，PSD）测试火炮运动轨迹，PSD 是一种新型的半导体位置敏感器件，它具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快等特点，可以对火炮的运动轨迹进行精确测量［12］；基于CCD 的测量方案［13］等。

随着近20 年来机器视觉检测技术的快速发展，其在印刷电路板的检验、导弹末端制导、机器人装配线、汽车流量检测等方面都有广泛的应用［14］。时至今日，机器视觉系统已成为计算机集成制造系统最重要的组成部分。本文将新兴的机器视觉技术与炮控参数的自动测试方案相结合，提出了一种新型的炮控系统性能参数检测方案。

本文的主要工作有：1）对参数检测平台进行了总体设计和软硬件选型。根据总体方案中涉及到的各项关键指标，提出了硬件选择方案，在此基础上，详细说明了参数检测的总体流程，包括系统自检流程和参数设置流程。2）对检测平台的精度进行分析，针对影响精度的各个因素，提出了相应的改善措施，并进行了精度测试验证。

1 检测平台总体设计及硬件选型

1.1 总体设计

本文提出的检测平台硬件总体结构组成如图1所示，主要包括：计算机、摄像机、光学镜头、图像采集卡、激光指示器、靶板等。硬件的设计原则是：保证较高的图像分辨率和图像对比度，缩短图像获取时间，提升检测平台的工作稳定性和抗干扰性能。

图1 炮控系统性能参数检测平台总体结构组成

系统工作时，首先在炮塔前方给定距离位置处放置标靶，在炮口固定激光指示器，在标靶前方给定距离处放置摄像机。激光指示器发出的激光光点在标靶上形成移动图像，激光光点的位移可等效炮口的位移。通过摄像机拍摄激光光点在标靶上的运动图像，采用计算机对图像进行灰度处理以及区域分裂合并，建立有效的激光光点位置数据库，通过移动前后激光光点中心位置像素点的变化，计算出光点位移的变化。其中，摄像机采集图像信息经软件处理、修正后所得参数值，通过相应计算后，可完成对炮控系统火炮装表精度、运动速度、加速度、超调量、超调时间等参数的测试。

1.2 硬件选型

作为检测平台的核心部件，本平台选用研华工控机完成图像数据的处理和逻辑控制。工控机参数为：I7 四核处理器，8 GB 内存，19 寸液晶显示器。

摄像头选用CCD 图像采集设备［15］。在检测系统测试过程中，摄像机距离观测靶板距离约为4 m，激光光斑直径约为3 mm～4 mm（计算中选用3 mm），靶板上有效测试区域约为0.6 m*0.6 m，要求检测精度0.4 mm。设选用相机的分辨率为M×N（M 和N 分别表示水平方向和垂直方向的像素数），激光光斑的像所占像素为K×K。为保证可测试到光斑在靶板上的任意移动，要求满足以下关系：

由于实际使用时相机中水平像素数多于垂直像素数，所以只需满足N≥200 K 即可。根据约翰逊准则，95%概率识别激光光斑时，要求激光光斑成像所占像素大于14×14，即K 不小于14。为保险起见，本设计中K 选15，因此，要求摄像机垂直像素不小于3 000 DPI。

综合考虑以上各因素以及检测平台的要求，本平台选用了IC-M12S-CXP 的高速黑白CCD 摄像机，其分辨率为4 096*3 072，最大帧率181 fps，像元大小为5.5 μm。

同时，系统采用焦距为110 mm 的标准C 口工业镜头。若激光光斑的像移动1 个像素，对应激光光斑移动距离d 可以表示为：

可求得d=0.2 mm，即理论检测精度为0.2 mm，对应的角度测量最大误差为0.05 mil，满足系统误差要求。

此外，本检测平台采用了NI 公司的IMAQPCI-1422 高精度数字图像采集卡作为图像采集设备；安富德TXAD24108 型的正圆光斑激光器作为532 nm 绿光激光指示器；自制面积为1.1 m×0.8 m的靶纸作为激光器成像靶板。

2 检测平台应用软件设计

根据炮控产品检测平台的功能要求，本检测平台总体应用软件流程，如图2 所示。

图2 检测平台总体应用软件流程图

整个应用软件利用了LabVIEW 框架模块化思想进行设计。程序运行后，首先进行自检，检测图像采集卡的工作状态以及与计算机的连接状态。然后进入等待检测状态，同时，根据计算机的相关信息显示提示检测人员操作的信息。接收到操作的触发信号后，图像采集卡开始采集信号，并将信号进行数字化处理、分析，最后显示出测量值，同时保存相关的数据与图片以备查询。

2.1 图像采集模块

在一般的视频处理系统中，图像采集模块主要负责驱动图像采集卡，完成对图像的采集。本平台基于NI-IMAQ 图像采集驱动程序设计了采集流水线。首先对图像采集卡初始化，并为将要采集的图像创建缓存块，然后设置采集卡处于等待外部信号触发状态。当图像采集卡接收到触发信号，则调用IMAQ 图像采集子模块IMAQSnap.vi，将相机拍到的图像读入计算机，结束当前循环，进入下一个图像处理的功能模块。

2.2 图像分析处理与检测模块

处于应用软件关键位置的图像分析处理与检测模块由图像预处理、中心点处理、系统单位标定、核心计算，以及显示存储等一系列的子模块组成。其中，图像预处理模块主要用于在正式图像处理之前，先对图像进行降噪处理，防止拍取的图像由于受到光照变化、靶板抖动等因素的影响含有噪声成分，从而给图像的细化、识别、测量等过程带来困难。

中心点处理模块：测量系统工作时，激光器发射的激光在正前方的靶板形成激光光斑，激光光斑随火炮的运动而在靶板上移动。摄像机获取的图像中包含激光光斑，中心点处理模块的作用就是提取出光斑的中心坐标，从而进行中心点编程处理。在获得光斑图像以后，首先使用Otsu 算法确定阈值，以对图像进行二值化处理。然后对得到的二值化光斑图像I（x，y）使用灰度重心法，得到中心点的坐标（x0，y0）：

其中，S 为图像中的光斑区域，对于背景灰度值较小而目标灰度值较高，在目标图像具有基本对称的圆形分布的情况，灰度重心法不仅算法相对简单，而且还能获得较高的测量精度［16］，故本平台采用该方法快速获得光斑中心。

系统单位标定模块：图像处理通常是以像素为单位进行计量的，为了将以像素为单位的测量结果与标准尺寸（公制单位）作比较，同时也为了方便检测人员查阅数据，需将测量结果转换成以mm 为单位的实际长度，使计算机图像上像素之间的距离能够反映实际目标上的真实距离［17］。具体做法是在靶板检测位置上绘制出3 个边长为100 mm 正方形的精密标准量块，相对水平的两个校准黑方块实际距离为300 mm，相对垂直的两个校准黑方块实际距离为400 mm，系统采集标准量块的图像，然后用边缘检测的方法测量出它的长度（像素值），由此计算出本系统中一个像素对应mm 的比例关系，供后续模块使用。

核心计算模块：在得到光斑的中心坐标后，核心计算模块通过比较前后图像中心的实际位置，计算出中心移动的实际距离。通过摄像机拍摄图像的时间戳，获得从首帧到该帧的相对拍摄时长，根据标靶到炮身转轴的距离参数，可以计算出火炮的装表精度、运动速度、超调量、超调时间等炮控检测参数。同时，核心计算模块设计时需考虑摄像头感光传感器的靶面到靶板的距离误差、炮身转轴到靶面的距离误差等。

理论上，当靶板是球形时，炮口激光器在靶板上的光点才能实际反映炮身对应的转动角度，这样对于靶板上走动的光点距离与炮身转动的角度，只需要知道炮身转轴到靶板的距离就可以计算出来。但由于实际使用的靶板是平面的，炮身转动时，激光点在靶板上的位移为线性位移，随着运动区域的变化与实际角度信息会产生如图3 所示的球面误差。因此，系统平台构建完成后，需对传感器面与靶平面进行基准点标定，确认区域中心及4 个边界点的修正参数，以修正最终炮控检测参数计算公式。

图3 球面误差图示

3 平台检测的误差修正及测试

3.1 靶板非球面误差修正

除了常见的软硬件因素导致的误差外，检测平台的一个主要误差来源，在于如图3 所示的平面靶纸与炮身球面转动误差。当炮身转动时，实际转动角度为：

但由于测试范围角较小，且转动半径远大于测试距离La-Lb，激光点在靶板上的移动距离与实际球面转动很接近。因此，在实际测试中，平台使用弧度制单位直接将转动测试为θx，具体计算如下：

平台测试时，一般保证转动轴到靶板的距离约为4 m。经计算，如果实际转动角度θ 在6°以内，单次测试最大转动角度不超过30 mil（1.8°）时，采用式（6）计算的θx和真实θ 之间最大误差为0.059 mil。

3.2 平台误差测试

检测平台软硬件完成后，平台误差综合值随即确定，其误差值与被检测产品无关，为了去除被检测产品（火炮）的误差值误导，使用高精度测角设备经纬仪（2 角秒）替代火炮进行检测平台误差值测试，测试系统基本和图1 相同，只是炮口部分由经纬仪替代，提供标准精确值。

火炮回转中心到靶板垂直距离为4 000 mm，由于检测平台误差综合值在方位向和高低向相互独立，以经纬仪转角读数为标准（精度小于0.01 mil，误差可以忽略），从靶板中心开始在高低向和方位向每隔10 mil 各转动3 次，最终经纬仪读数与检测平台检测数据对比见表1。

表1 经纬仪读数与检测平台检测数据对比

从测试结果来看，检测平台检测效果良好，高低向角位移综合误差为0.04 mil，方位向角位移综合误差为0.055 mil；由于CCD 摄像机的输出精度经有效标定，直接采信其输出1 帧图像时，时间误差小于1 μs，总时间分辨率不超过0.54 ms，均满足精度的要求。可见，本检测平台检测炮控系统的性能指标可以满足检测精度要求。