火炮四目摄像窥膛头部装置研究

曹营修，郑立评，朱建杰，于 杨

(陆军工程大学石家庄校区 火炮工程系，河北 石家庄 050003)

火炮在国防领域和现代战争中发挥着重要作用，尤其是在野外战场、战役战场和边境防御作战，各种型号的火炮是火力输出的主要攻击型武器。身管是火炮的核心部件，随着火炮身管的持续使用，其内膛会出现裂纹、磨损、烧蚀、挂铜等疵病，直接影响着射击精度和使用安全。所以，对身管内膛进行窥膛检测是火炮维修中不可缺少的一个重要环节。

传统窥膛装置大多采用单目摄像头通过旋转来获取全膛周视图像[1]，旋转驱动力通常靠电机或人力提供，容易造成漏检或过检；电机驱动时造成窥膛头装置结构复杂，可靠性降低。

笔者对窥膛头装置结构进行了创新设计，采用机械部件电子化的思路，优化前端结构，选用四目摄像头获取身管全膛图像，实现一次成像。

1 CCD摄像头参数选择

针对火炮维修现状和部队实际需求[2]，采用电荷耦合器件获取图像信号，考虑火炮身管特定环境及窥膛头装置的视场要求、功能结构、尺寸大小等方面，选定CCD摄像头型号；其次通过多视角拍摄方式，获取身管内膛全景图像，对四目曲柄链式支架结构进行设计、分析和制作。

火炮身管检测中，CCD摄像头相当于整个窥膛系统的“眼睛”，通过它来获取身管内膛表面形貌，从而进行疵病检测工作[3]。在选取CCD摄像头时，必须考虑到被检火炮的口径大小限制，要求该CCD摄像头的尺寸不能过大，同时又要保证获取图像的质量。在充分了解CCD的工作原理和主要性能指标后，综合尺寸要求、图像质量要求和经济性等方面，选择适合本窥膛录像系统的CCD摄像头。

1.1 CCD图像传感器参数选择

对CCD图像传感器进行选型，主要从以下几个方面考虑：

1)CCD的外部尺寸。本窥膛录像设备针对口径范围为100～155 mm的地面火炮，因此在选择CCD时要考虑尺寸大小。

2)CCD的分辨率。火炮身管检测是根据CCD摄像头拍摄的图像来判断的，所以需要达到一定分辨率的图像质量才能保证疵病检测的准确性。

3)CCD成像颜色。CCD图像传感器一般分为彩色和黑白两种规格，彩色CCD适用于要求图像精密性、细节方面比较高的拍摄，而黑白CCD适用于要求图像清晰度、灵敏度较高的拍摄，可在光照不良和不要求目标色彩时应用。

4)拍摄环境光照度。由于火炮身管为长深孔类，内部基本没有光照，在选取CCD型号时需考虑最低照亮，保证图像质量良好。

5)CCD的性价比。综合考虑CCD的经济性，确保窥膛头装置在经费预算内。

综合以上5个方面的考虑，进行市场调研和课题组研讨，最终确定本窥膛头装置采用日本SONY公司生产的1/3 Sony 960H CCD Sensor型号的CCD图像传感器。CCD图像传感器采用SONY 1/3 960H高清晰度芯片，图像水平分辨率为700TVL，有高级背光补偿和高亮度逆光补偿，也可动态检测自动调整白平衡，获取图像质量高，为后续疵病检测提供良好前提。

1.2 镜头的参数选择

镜头与CCD图像传感器组装为CCD摄像头装置，保证良好的检测图像获取，在选择镜头时，应该先考虑其焦距、视场角和光圈这3个基本光学性能关键参数，然后再考虑接口、景深、分辨率等其他影响因素[4]。选择理想的镜头要考虑以下几点：

1)镜头工作要求需适用于100～155 mm范围内。

2)窥膛头装置采用4个摄像头获取身管内膛周向360°全景图像，因为短焦距镜头会发生图像畸变。实际应用中摄像头防止内膛受磨损故不能紧贴管壁，镜头的性能参数中视场角给出的数据一般偏大，所以需选用视场角大于90°的镜头[5],图1为摄像头获取视场角示意图。

3)根据身管内膛的照亮情况确定镜头的光圈尺寸和工作波长。

4)考虑CCD图像传感器与镜头的配合。

综合以上4个方面的考虑，最终确定选用RICOM公司生产的MTV 2.8 IR镜头。

将选用的CCD图像传感器和镜头组装成CCD摄像头，如图2所示，两者都为高清品质，在性能参数上得到良好的兼容，能够更好地还原身管内膛真实形貌，为后期疵病检测提供高质量图像源。

2 四目曲柄链式支架结构设计

在身管内膛空间有限的情况下，要提高窥膛效率，可选用高清摄像头和增加摄像头n的数目。设计一种曲柄链式支架，用于安装CCD摄像头，保证每个摄像头的拍摄角度固定，完成身管全景拍摄。应用三维建模和3D打印技术设计并制作支架，最终实现工程化。

2.1 设计分析

确定窥膛头装置的摄像头安装方式为径向安装，如图3所示，摄像头支座背靠内膛表面安装，摄像头拍摄对立内膛表面，以获得视场范围最大化。

根据CCD摄像头的型号得知，一个CCD摄像头的视场角为115°，本窥膛头装置采用多路CCD摄像头视场拼接，完成身管内膛360°周向全景拍摄。火炮身管横截面如图4所示，其中，O点为身管轴心点，火炮身管口径为2R，即LOA=LOC=R；F点为镜头中心点，CCD摄像头的实际高度LDF为h，∠AFO为CCD摄像头视场角∠AFC的一半，设∠ADF=α。

由图4可知：

在△ADF中，根据余弦定理可知，得

(1)

在△AOF中，根据余弦定理可知，得

LAF=LOFcos∠AFO+

(2)

将式(1)代入式(2)，将已知量LOA=R，LDF=h，LBD=2R，LOF=R-h,∠AFO=57.5°代入，整理可得:

(3)

为适用于口径范围为100～155 mm的地面火炮，计算不同口径火炮拍摄周向全景图像需要摄像头的目数；当口径越大，摄像头的物距越长，拍摄的视场范围就越大，故可通过计算口径为100 mm火炮拍摄周向全景图像需要摄像头的目数后，确定更大口径的火炮同样能周向全景拍摄。

CCD摄像头的实际高度为42 mm，即h=42 mm。将R=50 mm，h=42 mm代入式(3)中，得:

α=32.5°

在图4中，根据圆周角定理，可得:

∠AOC=2∠ADC=4α=130°

因此，采用115°视场角的CCD摄像头时，至少需要3个摄像头才能完成内膛周向全景拍摄。

由于考虑CCD视场畸变和摄像头支座高度，很难保证每个摄像头相邻部分完全相切，因此本系统采用4个摄像头，分4层进行安装，使每个摄像头与相邻两侧的摄像头视场有一定的交叉，能够保证内膛周向360°检测时不会有死角。若采用更多摄像头采集图像，会造成支架结构复杂，影响可靠性。

此外，笔者也制作了三目曲柄链式窥膛头装置，进行实验验证得知，该装置不能实现内膛周向360°无死角拍摄，故至少采用4个摄像头的窥膛头装置来实现内膛周向全景拍摄。

四目曲柄链式窥膛头装置拍摄全膛的工作方式如图5所示，该装置具有4个摄像头，防止视场遮挡设计相邻摄像头中心在身管轴线方向相距50 mm；每个摄像头完成火炮身管1/4圆周的内膛形貌拍摄，通过四目窥膛头装置将火炮全膛全景拍摄覆盖，其中相邻两个摄像头的视场边界会有重合，保证完全覆盖。窥膛头装置的具体工作细节是当Camera 01视场右边界从炮尾端面开始拍摄，到Camera 04视场的左边界从炮口制退器拍摄完毕，整个火炮内膛表面将被全部覆盖拍摄录像，完成火炮全膛全景窥膛录像工作。

2.2 设计方案

如图6所示为四目曲柄链式窥膛头装置CAD设计图纸的正视图和左视图。窥膛头装置包括四目CCD摄像头、曲柄链式结构支架、LED灯、摄像头外盖(未示出)、轴承、轴承连接头等组成，其主要工作是完成身管全膛全景图像信息采集，将四路视频流传输到主机中进行身管窥膛检测工作。

基于多视角视觉，确定窥膛头装置的总体设计思路，采用4个CCD摄像头多视角拍摄获取360°全景图像，安装于一种曲柄链式结构支架上，每个摄像头获取90°视场，采用机械部件电子化理念，替代机械旋转驱动模块，避免旋转振动带来的图像噪音，优化前端结构；考虑CCD摄像头的视场、结构及尺寸大小，满足100～155 mm口径范围的火炮检测等相关要求，达到获取视场最大和高视觉效率的目的，设计一种四目曲柄链式结构。

四目曲柄链式结构采用身管轴线布置，避免镜头遮挡和保证全景拍摄，故摄像头安装支座沿身管轴向方向相邻两者相隔50 mm布置，沿身管周向两两相隔90°分布。当镜头视场角一定，物距越大，获取被拍摄物表面积则越大；设计曲柄链式结构支座在被拍摄表面过身管轴线的最远处，即支座背靠身管内膛表面拍摄对立面的管壁达到视场最大化。根据口径适用范围，设计支架最大径向尺寸为96 mm。避免信号线干扰镜头拍摄，将支架设计成中空结构，信号线从内部穿过。支座杆A的平直段有7针航空信号线插头安装座。支架两端为轴承安装轴，关键部位采取加粗加固，保证结构稳定可靠。CCD摄像头利用螺钉固定于支座的4个支柱。

2.3 分析计算

2.3.1 计算支座径向最大外尺寸

保证四目曲柄链式结构外尺寸小于100 mm，简化支架左视图，如图7所示，以中心点计算，计算后考虑支架实际厚度，得到径向最大外尺寸。

身管中心轴距支座中轴线距离LOA为43 mm，该支架结构设计为正方形，故计算连接中杆长度LAE为60.81 mm，考虑中杆管壁最大外径为10 mm，得到连接中杆最大尺寸为70.81 mm，满足设计要求。

支座是边长为38 mm的正方形，计算两支座在截面上的最远距离LCD为94.02 mm，满足设计要求。

计算该支架结构横截面相对的两个支座杆最远距离LAB为86 mm，考虑支架管壁最大外径为10 mm，得两支座杆最远距离为96 mm，满足设计要求。

综上，四目曲柄链式结构支架满足口径设计要求。

2.3.2 计算摄像头视场大小

由CCD图像传感器和镜头的性能参数可以计算CCD摄像头视场大小，如图8所示，摄像头视场角为α，身管内膛到镜头距离为δ，镜头数目为n，当nα≥2π时，取2π,得单个摄像头视场面积：

(4)

以口径100 mm的火炮为标准，CCD摄像头在对焦后，镜头到内膛表面最大距离为58 mm，将α=115°，δ=58 mm代入公式(4)中，得S=33 124 mm2，视场面积边长l=182 mm。

火炮横截面周长为

L=πd

(5)

口径d为100 mm时，代入可得L=314 mm。故4l>L，满足视场要求。

3 建模与制作

利用SolidWorks 2013软件平台，对窥膛头装置的各部件进行三维建模设计，实现在软件环境中对各部件进行仿真配合，及时查找错误并进行修改。完成各部件的模型设计，应用3D打印技术[6]，完成四目曲柄链式支架、摄像头外盖和轴承连接头的制作，加装高清摄像头和信号线后，完成四目曲柄链式窥膛头装置的设计与制作。

3.1 建模

基于SolidWorks 2013软件平台进行建模[7]，根据各零件设计图纸构建三维模型，在SolidWorks软件中将建立好的三维模型进行配合仿真，诊断各零件间的配合关系，保证支架一次加工成型，减少制造材料的浪费。

根据CCD摄像头的外部尺寸和镜头座高度设计CCD摄像头外盖，如图9所示，采用透光材料制作，将LED光源放置内部，起到灯罩作用，使光源为漫反射，减少光斑。支架两端设有型号为2809的轴承，当双伞支撑装置在身管内移动发生转动时，支架不受旋转影响，保证每个摄像头拍摄角度不发生变化。支架通过轴承连接头与双伞支撑装置连接，如图10所示，一端为轴承安装处，另一端为莫氏锥孔。

3.2 制作

由于四目曲柄链式支架结构采用传统方式不易加工，3D打印技术可以弥补此不足，3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

通过对四目曲柄链式结构支架进行三维建模，传输到3D打印机中，调整相关参数后可自动完成打印工作。选用PAUSA-i3型3D打印机采用PLA型塑料制作四目曲柄链式结构支架，由于该打印机型号受打印尺寸限制，故将支架分为4部分进行打印，通过螺纹连接各部件。

将信号线从制作的PLA型塑料支架的内部穿过，连接每个摄像头，加装摄像头外盖组装成窥膛头装置，如图11所示。

使用DiMetal-50选区激光熔化快速成型设备，采用316L不锈钢材料打印制作窥膛摄像头各支架部件。因身管为长深孔，内部需要设有光源，黑色可以吸收光谱内的可见光，减少光线在身管膛线间多次反射，所以采用防锈黑漆进行外层涂抹，既能减少光源的多次反射造成图像光斑，又能防止窥膛装置被腐蚀，图12为工程化的316L不锈钢材料四目曲柄链式窥膛头装置。

4 实验

采用PLA型塑料制作的窥膛头装置进行全景拍摄验证实验，实验用具采用钢管，将钢管横截面通过标尺画出四等分，用黑色签字笔标出并延长5 cm到管内壁，便于录像窗口观察，将窥膛头装置通过双伞支撑装置支撑，连接主机后，进行每目摄像头分别拍摄，依次得到4张图片，进行对比得知，该窥膛头装置完全可以进行钢管周向全景拍摄，结果表明该结构满足设计要求，故可采用金属材料制作该窥膛头装置，用于工程化。

采用316L不锈钢材料制作的窥膛头装置在口径为122 mm的某型火炮上进行实验，如图13所示，该工程化的四目曲柄链式窥膛头装置完全可以实现火炮内膛周向全景拍摄。

5 结束语

通过对传统窥膛方式研究，提出一种四目曲柄链式窥膛头装置的结构设计，优化机械结构，提高装置可靠性，实现火炮内膛周向全景图像一次成像拍摄，大幅度提高火炮窥膛效率。通过钢管验证实验和实炮实验，验证该装置的可行性，能够达到全景窥测，获取高清全景图像，为后期图像处理提供高质量图像源，更准确、快速地进行火炮维修保障。