專利名稱：一種基于數(shù)字散斑相關(guān)法的浮空器囊體檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于數(shù)字散斑相關(guān)法的浮空器囊體檢測(cè)系統(tǒng)，適用于檢測(cè)浮空器囊體表面的缺陷和漏洞，屬于航空器檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
浮空器作為一種依靠浮力升空的飛行器，具有滯空時(shí)間長(zhǎng)、安全性能好、效費(fèi)比高等優(yōu)點(diǎn)，在預(yù)警探測(cè)、對(duì)地觀測(cè)、監(jiān)控安保等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和良好的前景。浮空器的浮力源自其囊體內(nèi)裝有氦氣或氫氣等輕質(zhì)氣體，囊體表面的缺陷和漏洞將會(huì)造成囊體異常的應(yīng)力集中和氣體泄露，極大地影響浮空器的使用壽命。這些缺陷和漏洞主要來自兩個(gè)方面，一是生產(chǎn)過程中囊體材料本身存在的瑕疵和材料熱合或膠結(jié)效果不好的情況，二是使用過程中囊體折疊、運(yùn)輸時(shí)出現(xiàn)的磨損和破裂現(xiàn)象。為保證浮空器的安全運(yùn)行，對(duì)浮空器囊體的性能檢測(cè)是浮空器出廠試飛前和日常維護(hù)時(shí)的必要步驟。但目前沒有一種囊體自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)能夠滿足使用要求，當(dāng)前對(duì)浮空器囊體的檢測(cè)只能通過人工觀察結(jié)合涂肥皂水的方式進(jìn)行。即在外部光源的照射下，人員在囊體內(nèi)部觀察囊體上是否有亮點(diǎn)，如果有則在亮點(diǎn)上涂肥皂水以確定是否漏氣，由此判斷囊體上的缺陷和漏洞。這種方案屬于定性檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果較為粗略，同時(shí)由于囊體體型巨大，人工檢測(cè)工作十分繁重。傳統(tǒng)的貼應(yīng)變片方式只能用于剛體應(yīng)變測(cè)量，無法用于像浮空器囊體之類的膜結(jié)構(gòu)變形檢測(cè)。針對(duì)浮空器囊體的性能檢測(cè)，現(xiàn)在尚無很好的解決方案。光學(xué)檢測(cè)是一種基于光學(xué)傳播、干涉等特性和圖像處理技術(shù)的無損檢測(cè)方法。它包括散斑、全息、云紋、光彈等技術(shù)，適用于物體形貌、位移、應(yīng)變、殘余應(yīng)力等檢測(cè)領(lǐng)域。光學(xué)檢測(cè)具有非接觸、高靈敏度、高精度等優(yōu)點(diǎn)，但一般對(duì)環(huán)境條件有要求。數(shù)字散斑相關(guān)法作為一種基于圖像相關(guān)技術(shù)的光學(xué)檢測(cè)方法，常用于檢測(cè)物體形變。這種方法的核心思想是利用物體變形前后各區(qū)域特征點(diǎn)的相關(guān)程度確定其形變。該法對(duì)檢測(cè)環(huán)境要求不高，適合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有浮空器囊體人工檢測(cè)方法檢測(cè)結(jié)果粗略的不足，本實(shí)用新型提供了一套基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的檢測(cè)方案和系統(tǒng)。該方案能實(shí)現(xiàn)對(duì)浮空器囊體的整體檢測(cè)，并得到定量的測(cè)量結(jié)果?；跀?shù)字散斑相關(guān)法的浮空器囊體檢測(cè)系統(tǒng)具有無損檢測(cè)、全場(chǎng)測(cè)量、 精度高、定量化和自動(dòng)化的特點(diǎn)。為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下基于數(shù)字散斑相關(guān)法的浮空器囊體檢測(cè)系統(tǒng)由主控平臺(tái)、軌道裝置、圖像采集單元、加載設(shè)備和數(shù)據(jù)處理單元構(gòu)成。該系統(tǒng)借助主控平臺(tái)對(duì)軌道旋轉(zhuǎn)、囊體加載、圖像采集和數(shù)據(jù)處理全過程進(jìn)行控制和顯示，首先利用裝有攝像機(jī)的軌道裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)浮空器囊體的整體拍攝，接著通過控制囊體上的加載設(shè)備改變囊體內(nèi)外壓差使囊體發(fā)生變形，然后對(duì)變形后的囊體再次進(jìn)行整體拍攝，最后針對(duì)兩次拍攝的圖像運(yùn)用數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)得到囊體表面的位移和應(yīng)變分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)囊體缺陷和漏洞的檢測(cè)。主控平臺(tái)由控制單元和顯示單元組成，它集成了軌道裝置、圖像采集單元、加載設(shè)備和數(shù)據(jù)處理單元四個(gè)部分的控制和顯示模塊。主控平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能一是設(shè)置控制參數(shù)，即根據(jù)囊體尺寸和實(shí)際需要，設(shè)定軌道旋轉(zhuǎn)參數(shù)、圖像采集參數(shù)、加載參數(shù)和數(shù)據(jù)處理參數(shù)；二是發(fā)出控制指令，驅(qū)使軌道裝置中的電機(jī)控制器、圖像采集單元中的攝像機(jī)和加載設(shè)備中的加載控制器按參數(shù)工作，使得數(shù)據(jù)處理單元依參數(shù)運(yùn)算；三是顯示控制過程和處理結(jié)果，給出軌道旋轉(zhuǎn)位置、拍攝圖像序號(hào)與囊體的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及囊體位移、應(yīng)變分布圖。軌道裝置由攝像機(jī)導(dǎo)軌、支撐框架、步進(jìn)電機(jī)和電機(jī)控制器組成。攝像機(jī)導(dǎo)軌的形狀呈流線形，與浮空器囊體表面母線同構(gòu)。導(dǎo)軌兩端與支撐框架相連，其上安裝有攝像機(jī)。 支撐框架連接著浮空器囊體的兩端。有兩種方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)囊體的整體拍攝，一種是固定囊體，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌，另一種是固定導(dǎo)軌，旋轉(zhuǎn)囊體。導(dǎo)軌或囊體可借助步進(jìn)電機(jī)圍繞浮空器囊體的首尾連線旋轉(zhuǎn)，其每次旋轉(zhuǎn)角度由電機(jī)控制器決定。當(dāng)導(dǎo)軌相對(duì)囊體旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，即完成了對(duì)囊體的整體拍攝。圖像采集單元包括攝像機(jī)、圖像采集卡和存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)。攝像機(jī)可以是單臺(tái)移動(dòng)式攝像機(jī)或者固定式攝像機(jī)陣列。若攝像機(jī)導(dǎo)軌上是單臺(tái)移動(dòng)式攝像機(jī)，當(dāng)導(dǎo)軌或囊體旋轉(zhuǎn)到設(shè)定位置時(shí)，攝像機(jī)沿導(dǎo)軌步進(jìn)移動(dòng)，以完成此位置對(duì)應(yīng)區(qū)域帶上的拍攝。若攝像機(jī)導(dǎo)軌上是固定式攝像機(jī)陣列，則可一次性完成此區(qū)域帶上的拍攝。針對(duì)不同尺寸的囊體，通過調(diào)節(jié)攝像機(jī)的位置、焦距和導(dǎo)軌的旋轉(zhuǎn)角度，可以得到所需精度的拍攝圖像。為了獲得定量的結(jié)果，拍攝前使用游標(biāo)卡尺對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。在浮空器囊體變形前后，分別使用攝像機(jī)對(duì)其進(jìn)行拍攝，將獲得的圖像經(jīng)由圖像采集卡存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)。變形前后的圖像對(duì)應(yīng)編碼存放， 以備后續(xù)數(shù)據(jù)處理時(shí)使用。加載裝置由加載控制器、風(fēng)機(jī)和閥門組成。為了獲得浮空器囊體的變形信息，必須對(duì)其進(jìn)行加載。出于使囊體發(fā)生均衡變形的目的，這里使用的加載方式是充放氣變壓法，包括充氣增壓和放氣降壓兩種方式。充氣增壓的過程是先將浮空器囊體通過風(fēng)機(jī)充氣到某一較低的氣壓，進(jìn)行第一次拍攝，這對(duì)應(yīng)變形前的情形；然后再次通過風(fēng)機(jī)充氣到較高的氣壓，進(jìn)行第二次拍攝，這對(duì)應(yīng)變形后的情形。放氣降壓的過程是先將浮空器囊體通過風(fēng)機(jī)充氣到某一較高的氣壓，進(jìn)行第一次拍攝，這對(duì)應(yīng)變形前的情形；然后通過閥門放出少許的氣體，再行拍攝，這對(duì)應(yīng)變形后的情形。數(shù)據(jù)處理單元包括數(shù)據(jù)處理軟件和處理計(jì)算機(jī)。其功能是利用數(shù)字散斑相關(guān)法從采集圖像中提取位移和應(yīng)變信息，并根據(jù)應(yīng)變分布情況，對(duì)浮空器囊體性能進(jìn)行分析，判斷出囊體表面的缺陷和漏洞。數(shù)據(jù)處理軟件的核心方法是數(shù)字散斑相關(guān)法。其基本思想是在物體變形前的散斑場(chǎng)中選定一個(gè)樣本子區(qū)，然后在物體變形后的散斑場(chǎng)中通過一定的搜索方法按預(yù)先定義的相關(guān)函數(shù)搜索與樣本子區(qū)相對(duì)應(yīng)的子區(qū)，相關(guān)系數(shù)最大或最小(取決于所選擇的相關(guān)函數(shù))的子區(qū)即為目標(biāo)子區(qū)，由此便可確定樣本子區(qū)中心的位移。推之全場(chǎng)，即得全場(chǎng)位移分布。然后對(duì)位移場(chǎng)進(jìn)行擬合處理后，求導(dǎo)得到應(yīng)變分布。一種判別囊體缺陷和漏洞的方法是根據(jù)囊體材料強(qiáng)度定義缺陷應(yīng)變值，通過比較各處應(yīng)變與缺陷應(yīng)變值的關(guān)系實(shí)現(xiàn)判別。本實(shí)用新型的積極效果在于本實(shí)用新型提供的浮空器囊體檢測(cè)系統(tǒng)，具有無損檢測(cè)、全場(chǎng)檢測(cè)、精度高、定量化和自動(dòng)化的特點(diǎn)、為浮空器囊體性能檢測(cè)提供了一套全新的解決方案。

圖1為本實(shí)用新型基于數(shù)字散斑相關(guān)法的浮空器囊體檢測(cè)系統(tǒng)框架示意圖。圖2為本實(shí)用新型圖1示意的軌道裝置、圖像采集單元和加載設(shè)備連接圖。圖3為本實(shí)用新型圖1示意的數(shù)據(jù)處理單元流程圖。圖中1、主控平臺(tái)；2、軌道裝置；3、圖像采集單元；4、加載設(shè)備；5、數(shù)據(jù)處理單元； 6、控制單元；7、顯示單元；8、攝像機(jī)導(dǎo)軌；9、支撐框架；10、步進(jìn)電機(jī)；11、電機(jī)控制器；12、 攝像機(jī)；13、圖像采集卡；14、存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)；15、風(fēng)機(jī)；16、閥門；17、加載控制器；18、浮空器囊體。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合圖1-圖3對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。如圖1所示，基于數(shù)字散斑相關(guān)法的浮空器囊體檢測(cè)系統(tǒng)由主控平臺(tái)1、軌道裝置 2、圖像采集單元3、加載設(shè)備4和數(shù)據(jù)處理單元5組成。其中主控平臺(tái)1包括控制單元6和顯示單元7。檢測(cè)過程分為三個(gè)階段，即一次采集、二次采集和數(shù)據(jù)處理。檢測(cè)開始時(shí)，控制單元6首先向軌道裝置2發(fā)出控制指令，使攝像機(jī)導(dǎo)軌相對(duì)浮空器囊體(既可以是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌也可以是旋轉(zhuǎn)囊體)按照設(shè)定角度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。每轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)位置時(shí)，控制單元6觸發(fā)圖像采集單元3進(jìn)行拍攝。當(dāng)導(dǎo)軌相對(duì)囊體旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，對(duì)囊體整體的拍攝完成，一次采集階段結(jié)束。采集過程中，拍攝圖像、導(dǎo)軌運(yùn)行位置和囊體的對(duì)應(yīng)關(guān)系以圖形化的形式顯示于顯示單元7中。二次采集是在對(duì)囊體進(jìn)行加載后，按一次采集的角度、位置和參數(shù)再行拍攝一次。首先由控制單元6發(fā)出加載指令，加載設(shè)備4具體執(zhí)行。當(dāng)加載達(dá)到預(yù)定數(shù)值時(shí)，停止加載。接著控制單元6分別向軌道裝置2和圖像采集單元3發(fā)出控制指令，使得二者按第一次采集的狀態(tài)進(jìn)行拍攝。顯示單元7實(shí)時(shí)顯示采集過程。二次采集完成后，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理階段。控制單元6向數(shù)據(jù)處理單元5發(fā)出控制指令，數(shù)據(jù)處理單元5調(diào)入一次采集和二次采集相對(duì)應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)字散斑相關(guān)法計(jì)算全場(chǎng)位移和應(yīng)變，并由算法判斷出囊體表面缺陷和漏洞的位置及大小。這些計(jì)算結(jié)果也將反饋到顯示單元7并實(shí)時(shí)顯示。檢測(cè)系統(tǒng)中軌道裝置、圖像采集單元和加載設(shè)備各組件的連接關(guān)系如圖2所示。 攝像機(jī)導(dǎo)軌8、支撐框架9、步進(jìn)電機(jī)10和電機(jī)控制器11共同構(gòu)成了軌道裝置2。浮空器囊體18的兩端分別與攝像機(jī)導(dǎo)軌8和支撐框架9的交點(diǎn)相連。電機(jī)控制器11接收到控制單元6發(fā)來的控制信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)10工作，攝像機(jī)導(dǎo)軌8 (旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌)或者浮空器囊體 18 (旋轉(zhuǎn)囊體)以與支撐框架9的交點(diǎn)連線為軸進(jìn)行定角度旋轉(zhuǎn)。圖2下部顯示的是攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)拍攝時(shí)沿浮空器囊體18縱截面的剖視圖。攝像機(jī)12 (單臺(tái)移動(dòng)式攝像機(jī)或者固定式攝像機(jī)陣列，圖中顯示的是攝像機(jī)陣列) 安裝在攝像機(jī)導(dǎo)軌8上，其與圖像采集卡13和存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)14組成圖像采集單元3。檢測(cè)前，首先根據(jù)浮空器囊體尺寸，調(diào)整攝像機(jī)位置和焦距，以滿足所需測(cè)量精度；接著在攝像機(jī)正下方的囊體表面放置游標(biāo)卡尺，以對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。攝像機(jī)導(dǎo)軌8帶動(dòng)攝像機(jī)12相對(duì)浮空器囊體18進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，每當(dāng)攝像機(jī)導(dǎo)軌8旋轉(zhuǎn)到設(shè)定位置時(shí)，控制單元6向攝像機(jī)12發(fā)出控制信號(hào)，觸發(fā)其采集圖像，拍攝結(jié)果經(jīng)圖像采集卡13進(jìn)入存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)14。假設(shè)導(dǎo)軌相對(duì)囊體停止位置I依次為1到N，單臺(tái)移動(dòng)式攝像機(jī)移動(dòng)位置或者攝像機(jī)陣列中攝像機(jī)編號(hào)I’依次為1，到N’，則一次采集和二次采集到的全場(chǎng)圖像序列分別為(11’，12’，…， 1N，，...，ΙΓ，...，ΝΝ，)和([11，]，[12，]，…[1Ν，]，...，[ΙΙ，]，···，[ΝΝ，] )，二者—— 對(duì)應(yīng)。加載設(shè)備4包括的風(fēng)機(jī)15、閥門16和加載控制器17位于浮空器囊體18的下部， 加載控制器17接受控制單元6的控制信號(hào)。若使用充氣增壓法，其加載步驟為首先通過風(fēng)機(jī)15將浮空器囊體充氣到較低的氣壓Ρ1，此時(shí)觸發(fā)一次采集；接著再次通過風(fēng)機(jī)15將浮空器囊體充氣到較高的氣壓Ρ2，此時(shí)觸發(fā)二次采集。若使用放氣降壓法，其加載步驟為 首先通過風(fēng)機(jī)15將浮空器囊體充氣到較高的氣壓Ql，此時(shí)觸發(fā)一次采集；接著借助閥門16 放出部分氣體使囊體內(nèi)壓降為Q2，此時(shí)觸發(fā)二次采集。如圖3所示，基于數(shù)字散斑相關(guān)法的浮空器囊體檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理單元的工作流程如下首先根據(jù)浮空器囊體材料強(qiáng)度定義缺陷應(yīng)變值Α，應(yīng)變超過此值的地方認(rèn)為是缺陷區(qū)域；接著輸入變形前后的圖像II’和[II’ ]，即一次采集和二次采集對(duì)應(yīng)的圖像；隨后引入相關(guān)函數(shù)，經(jīng)過相關(guān)運(yùn)算得到浮空器囊體表面的位移分布；然后運(yùn)用擬合差分的方法，進(jìn)一步獲得應(yīng)變場(chǎng)；最后根據(jù)應(yīng)變場(chǎng)的極值情況，判斷出囊體表面的缺陷和漏洞，即如果應(yīng)變B大于Α，則此處為缺陷，如果應(yīng)變B等于0，則此處為漏洞。
權(quán)利要求1.一種基于數(shù)字散斑相關(guān)法的浮空器囊體檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述一種基于數(shù)字散斑相關(guān)法的浮空器囊體檢測(cè)系統(tǒng)由主控平臺(tái)、軌道裝置、圖像采集單元、加載設(shè)備和數(shù)據(jù)處理單元構(gòu)成；主控平臺(tái)包括控制單元和顯示單元；主控平臺(tái)雙向通信連接著軌道裝置，主控平臺(tái)雙向通信連接著圖像采集單元，主控平臺(tái)雙向通信連接著加載設(shè)備，主控平臺(tái)雙向通信連接著數(shù)據(jù)處理單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)字散斑相關(guān)法的浮空器囊體檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于采用囊體固定方式時(shí)，軌道裝置為旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)；采用囊體旋轉(zhuǎn)方式時(shí)，軌道裝置為固定式結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)字散斑相關(guān)法的浮空器囊體檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于圖像采集單元包括攝像機(jī)、圖像采集卡、存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)；攝像機(jī)的輸出連接到圖像采集卡、圖像采集卡和存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)字散斑相關(guān)法的浮空器囊體檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于圖像處理單元中的攝像機(jī)是移動(dòng)式結(jié)構(gòu)的單臺(tái)攝像機(jī)或固定式攝像機(jī)陣列結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)字散斑相關(guān)法的浮空器囊體檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于加載設(shè)備包括風(fēng)機(jī)、閥門、加載控制器；加載控制器和主控平臺(tái)的控制單元連接。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于數(shù)字散斑相關(guān)法的浮空器囊體檢測(cè)系統(tǒng)，適用于檢測(cè)浮空器囊體表面的缺陷和漏洞，屬于航空器檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。本檢測(cè)系統(tǒng)由主控平臺(tái)、軌道裝置、圖像采集單元、加載設(shè)備和數(shù)據(jù)處理單元組成。檢測(cè)時(shí)，首先利用裝有攝像機(jī)的軌道裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)浮空器囊體的整體拍攝，接著通過控制囊體上的加載設(shè)備改變囊體內(nèi)外壓差使囊體發(fā)生變形，然后對(duì)變形后的囊體再次進(jìn)行整體拍攝，最后針對(duì)兩次拍攝的圖像運(yùn)用數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)得到囊體表面的位移和應(yīng)變分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)囊體缺陷和漏洞的檢測(cè)。該系統(tǒng)具有無損檢測(cè)、全場(chǎng)測(cè)量、精度高、定量化和自動(dòng)化的特點(diǎn)，為浮空器囊體性能的檢測(cè)提供了一套全新的解決方案。
文檔編號(hào)G01N21/88GK202267658SQ20112034624
公開日2012年6月6日 申請(qǐng)日期2011年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月16日
發(fā)明者曹鵬濤, 李勁松, 蘇潤(rùn), 榮海春, 趙攀峰 申請(qǐng)人:中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所