基于机器视觉的喷管摆角测试系统

　　采用视觉测试系统对柔性喷管的摆动角度进行测试是一种新的测试方法[2]。摆动喷管偏转角度一般在 2° ～ 12°，而且由于喷管推力较大，较小的角度偏差就会导致径向分量很大，因此需要对摆动喷管的摆动角度进行精确测试[3]。

　　现行的固体火箭摆动喷管摆角测试国家行业标准中采用的是间接换算法，即在转动喷管零位杆时，先用线位移传感器测量发动机喷管驱动杆的摆角，然后通过几何计算从而间接求得喷管摆角。这种接触式测量方法误差很大，不能充分反映发动机喷管运动的真实情况[3 -5]。而采用非接触式测量的视觉测试系统能够有效地解决上述问题。在喷管摆角测试文献[3]研究中发现，郑勇斌在文中指出目前国内没有测量喷管摆角的专门装置。尤政等在文献[6]中提出了柔性喷管摆角测量的简单实现方法，但未见后续研究。朱耆祥在文献[7]中设计了基于线阵 CCD 探测器、自发光目标标线板等设备的光电摆角动态测量系统，但不适用本课题。杨冀英等提出了基于位移计、摆杆和喷管作动器反馈的喷管摆角测量方法，利用位移计测出的位移量算出相应的摆角，在实验中发现摆杆形变对喷管摆角的推算产生较大影响[4]。马新宇等给出了基于高精度校准零位杆的发动机喷管摆角校准方案，但精度仍需进一步提高[5]。

　　在研究国外文献中发现，Reynolds 等研究了用于后摆心推力向量柔性喷管的材料选择和性能测试问题，指出了喷管材料对喷管摆心和摆角的影响[8]。Robert 等研究了柔性喷管摆心、摆角和轴向位移对于推力向量控制的影响问题[9]。Gaffin 等分析了 NASA 某型固体火箭发动机柔性喷管摆心的动态性能[10]。Seely 等介绍了基于砷化镓近红外激光二极管和位移敏感探测器的喷管摆角激光测量系统，描述了测量方案，但是并未给出具体的摆角测量方法[11]。Donat 研究了固体火箭发动机柔性喷管的理论摆心和喷管轴向位移和实际摆心漂移的问题[12]。Shimon 等分析了喷管摆心漂移、轴向位移和摆角对于发动机性能的重要影响[13]。

　　为实现摆动喷管的摆角测试，本文设计了一种基于 PC 的视觉测试系统，利用模板匹配加圆拟合的复合式图像处理算法，确定了喷管的圆轮廓及圆心的数据信息，从而实现摆动角度的测量，且有效降低系统的处理时间。同时，采用基于标定模板的校正算法，消除了镜头畸变及图像透视畸变对系统的影响，而采用的基于边缘的处理算法能够降低环境因素的干扰，从而保证测试系统的精度。

　　1 系统总体设计

　　测试系统进行图像处理时，采用屏幕像素坐标，测得的是像素距离。实际中，需要得到摆动喷管的实际偏移距离，为将像素距离转换为实际距离从而得到喷管的摆角，需对相机进行标定以确定像素当量。