一种基于双目光栅投影的储氢气瓶内压下的位移测量方法

1.本发明涉及复合材料储氢气瓶无损检测领域，尤其是一种基于双目光栅投影的储氢气瓶内压下的位移测量方法。


背景技术：

2.复合材料由于其高强度比和高刚度比，已经被应用于车载高压储氢气瓶，为了保证储氢气瓶在使用中的安全性，在其出厂前都需进行水压试验以确保瓶体的完整性和密封性等相关性能，试验过程中还会检测表面应变情况。目前较为常用的方式是应变片测量技术，但该方法单次仅能测量部分点位的应变，无法进行全场测量；dic技术虽然能进行全场测量，但是对于气瓶这一类表面曲率较大的物体，会产生较大的测量误差；而数字光栅投影测量所用设备较为简单，测量成本较低，测量精度可调，对环境要求不高，且受物体表面特性的影响较低，但该方法目前常用于物体三维形貌的测量，在物体表面的离面位移检测上未得到很好的应用。因此，提供一种基于双目光栅投影的碳纤维全缠绕储氢气瓶内压下的位移测量方法具有重要的工程应用价值。


技术实现要素：

3.为克服上述问题，本发明提供一种基于双目光栅投影的碳纤维全缠绕储氢气瓶内压下的位移测量方法。
4.本发明采用的技术方案是：一种基于双目光栅投影的储氢气瓶内压下的位移测量方法，包括以下步骤：
5.步骤1，准备气瓶并接入加压系统，具体包括：
6.(1.1)往气瓶内注水直至瓶口螺纹处，随后拧紧接头确保瓶口密封完好；
7.(1.2)接入加压系统并将气瓶安装在卧式支座上；
8.(1.3)检查加压系统；
9.步骤2，获取不同内压下的气瓶表面点云数据；
10.(2.1)搭建双目光栅投影测量系统：
11.所述双目光栅投影测量系统包括两台500万像素的ccd相机、一台光栅投影仪和计算机，相机、投影仪以及计算机通过网线和交换机相连；所述光栅投影仪正对被测物，向被测物体投射纵向的数字光栅条纹，光栅条纹因受被测物表面形状的调制而发生畸变；所述两台ccd相机设置在光栅投影仪两侧并朝向被测物，将畸变条纹特征记录下来，并通过计算机处理这种携带被测物体表面起伏变化信息的畸变条纹，经过解调过程获得表面坐标的点云数据，重现三维轮廓形貌；
12.(2.2)调整双目光栅投影仪的位置，保证系统获取的图像符合试验要求；
13.(2.3)调整双目光栅投影系统的参数以获取高质量点云数据；
14.(2.4)调节软件参数以获取高质量点云数据，具体包括：
15.(2.4.1)调整投影仪及相机参数提高系统获取的图像质量；
16.(2.4.2)调整投影条纹，保证气瓶表面的投影条纹具有较好的对比度，保证气瓶区域成像完整；
17.步骤3，离面位移提取，具体包括：
18.(2.5)启动加压系统，施加内压，监测压力变化，调整加压速率；
19.(2.6)对气瓶进行扫描拍摄，获取不同充压状态下的点云数据；
20.步骤3，检查加压系统，具体包括：
21.(3.1)由于得到的点云数据量高达几百万个点，需对其进行降噪以及降采样，可采用剔除较远离群点或较近离群点的方式等方式对其进行降噪，并采用均匀体素下采样的方法来稀疏点云，最后提取兴趣区域；
22.(3.2)使用柱面拟合函数拟合点云数据中的圆柱体，该函数根据给定的点云数据，找到最佳拟合的圆柱体参数，包括圆柱体的中心点坐标、方向向量、半径和高度等，拟合得到的圆柱体可近似看作所选区域对应的气瓶实体区域；
23.(3.3)对内压为p1状态下的点云数据进行n次拟合，得到n组圆柱体半径ri(i＝1,2,3
…
n)并求平均值，则p1状态下的圆柱体半径r
p1
为：
[0024][0025]
同理可得内压为p2状态下圆柱体半径r
p2
为：
[0026][0027]
将两个状态下(r
p1
＜r
p2
)的半径值作差即可得到所选区域总体上的径向离面位移值w为：
[0028]
w＝r
p2-r
p1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)。
[0029][0030]
本发明的有益效果是：由于储氢气瓶尺寸较大，与目前已有的检测方法相比，本发明基于光栅投影测量技术获取离面位移的方法具有测量范围大、测量精度较高以及数据处理灵活的特点，其测量范围可达600mmx800mm，测量精度可达10μm，为大型复合材料结构的检测工业化提供了一种可行的方法途径；并且本方法对物体刚体位移相对不敏感，相对较好的克服了物体刚体位移对结果的影响；本方法与现有的仿真模拟结果相比，所得到的离面位移更接近实际结果，基于此方法可为复合材料储氢气瓶相关性能评价提供直接真实的参考依据。
附图说明
[0031]
图1为本发明公开的基于双目光栅投影的碳纤维全缠绕储氢气瓶内压下的位移测量方法总体流程图；
[0032]
图2为本发明实施例中的图像预览画面示意图；
[0033]
图3为本发明实施例中的光栅投影图像；
[0034]
图4为本发明实施例中某状态下的三维形貌图；
[0035]
图5为本发明实施例中系统获取点云的原理示意图；
[0036]
图6为本发明实施例中不同压力下的初始点云图；
[0037]
图7为本发明实施例中不同压力下经降噪后的点云图；
[0038]
图8为本发明实施例中不同压力下兴趣区域提取后的点云图；
[0039]
图9为本发明实施例中圆柱拟合后的效果图。
具体实施方式
[0040]
下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]
在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0042]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0043]
如图1所示本发明所提供的基于双目光栅投影的碳纤维全缠绕储氢气瓶内压下的位移测量方法总体流程；
[0044]
过程一、准备气瓶并接入加压系统；
[0045]
过程二、获取不同内压下的气瓶表面点云数据；
[0046]
过程三、离面位移提取；
[0047]
所述过程一具体包括以下步骤：
[0048]
步骤(1)：往气瓶内注水直至瓶口螺纹处，随后拧紧接头确保瓶口密封完好；
[0049]
步骤(2)：接入加压系统并将气瓶安装在卧式支座上；
[0050]
步骤(3)：检查加压系统；
[0051]
所述过程二具体包括以下步骤：
[0052]
步骤(1)：搭建双目光栅投影测量系统：
[0053]
系统由两台500万像素的ccd相机、一台光栅投影仪和计算机组成，相机、投影仪以及计算机通过网线和交换机相连。投影仪向被测物体投射纵向的数字光栅条纹，光栅条纹因受被测物表面形状的调制而发生畸变，通过图像采集系统将这一畸变条纹特征记录下来，并通过计算机处理这种携带被测物体表面起伏变化信息的畸变条纹，经过解调过程获得表面坐标的点云数据，重现三维轮廓形貌。
[0054]
步骤(2)：调整双目光栅投影仪的位置，保证系统获取的图像符合试验要求，如图2所示为符合本实例要求的图像；
[0055]
步骤(3)：调整双目光栅投影系统的参数以获取高质量点云数据；
[0056]
步骤(4)：调节软件参数以获取高质量点云数据：
[0057]
(a)调整投影仪及相机参数提高系统获取的图像质量，在具体实施例子中，所用投影亮度为10，相机增益为1.0；
[0058]
(b)调整投影条纹，保证气瓶表面的投影条纹具有较好的对比度，保证气瓶区域成像完整，在具体实施例子中条纹投射类型为粗条纹，条纹数为13，如图3所示为捕获的投影图像；
[0059]
步骤(5)：启动加压系统，施加内压，监测压力变化，调整加压速率；在具体实施例子中，加压速率为1.6mpa/min；
[0060]
步骤(6)：对气瓶进行扫描拍摄，获取不同充压状态下的点云数据；在具体实施例子中，间隔2min对气瓶进行扫描拍摄，如图4所示为某一压力状态下获取的气瓶三维形貌；如图5所示为系统获取点云数据的原理图；
[0061]
所述过程三具体包括以下步骤：
[0062]
步骤(1)：由于得到的点云数据量高达几百万个点，需对其进行降噪以及降采样，可采用剔除较远离群点或较近离群点的方式等方式对其进行降噪，并采用均匀体素下采样的方法来稀疏点云，最后提取兴趣区域；具体实施例子中采用剔除较远离群点方式进行降噪，即若某点距邻域内1000个点的平均距离如果大于0.4，则该点视为较远离群点；随后对点云进行稀疏处理，选择兴趣区域为x[-60,110],y[-160,180],z[-120,inf]。如图6所示为0mpa和20mpa下的点云图，如图7所示为降噪后0mpa和20mpa下的点云图，如图8所示为下采样后提取的兴趣区域点云图。
[0063]
步骤(2)：使用柱面拟合函数拟合点云数据中的圆柱体，该函数根据给定的点云数据，找到最佳拟合的圆柱体参数，包括圆柱体的中心点坐标、方向向量、半径和高度等，拟合得到的圆柱体可近似看作所选区域对应的气瓶实体区域；
[0064]
步骤(3)：对内压为p1状态下的点云数据进行n次拟合，得到n组圆柱体半径ri(i＝1,2,3
…
n)并求平均值，则p1状态下的圆柱体半径r
p1
为：同理可得内压为p2状态下圆柱体半径r
p2
为：将两个状态下(r
p1
＜r
p2
)的半径值作差即可得到所选区域总体上的径向离面位移值w为：w＝r
p2-r
p1
；具体实施例子中对0mpa和20mpa下的点云数据进行15次拟合，拟合后取平均值得到两个状态下的半径，随后计算得到总体上的径向离面位移，如图9所示为某次拟合效果图。
[0065]
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

技术特征：
1.一种基于双目光栅投影的储氢气瓶内压下的位移测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，准备气瓶并接入加压系统，具体包括：(1.1)往气瓶内注水直至瓶口螺纹处，随后拧紧接头确保瓶口密封完好；(1.2)接入加压系统并将气瓶安装在卧式支座上；(1.3)检查加压系统；步骤2，获取不同内压下的气瓶表面点云数据；(2.1)搭建双目光栅投影测量系统：所述双目光栅投影测量系统包括两台500万像素的ccd相机、一台光栅投影仪和计算机，相机、投影仪以及计算机通过网线和交换机相连；所述光栅投影仪正对被测物，向被测物体投射纵向的数字光栅条纹，光栅条纹因受被测物表面形状的调制而发生畸变；所述两台ccd相机设置在光栅投影仪两侧并朝向被测物，将畸变条纹特征记录下来，并通过计算机处理这种携带被测物体表面起伏变化信息的畸变条纹，经过解调过程获得表面坐标的点云数据，重现三维轮廓形貌；(2.2)调整双目光栅投影仪的位置，保证系统获取的图像符合试验要求；(2.3)调整双目光栅投影系统的参数以获取高质量点云数据；(2.4)调节软件参数以获取高质量点云数据，具体包括：(2.4.1)调整投影仪及相机参数提高系统获取的图像质量；(2.4.2)调整投影条纹，保证气瓶表面的投影条纹具有较好的对比度，保证气瓶区域成像完整；步骤3，离面位移提取，具体包括：(2.5)启动加压系统，施加内压，监测压力变化，调整加压速率；(2.6)对气瓶进行扫描拍摄，获取不同充压状态下的点云数据；步骤3，检查加压系统，具体包括：(3.1)对得到的点云数据量进行降噪以及降采样，采用剔除较远离群点或较近离群点的方式对其进行降噪，并采用均匀体素下采样的方法来稀疏点云，最后提取兴趣区域；(3.2)使用柱面拟合函数拟合点云数据中的圆柱体，该函数根据给定的点云数据，找到最佳拟合的圆柱体参数，包括圆柱体的中心点坐标、方向向量、半径和高度，拟合得到的圆柱体看作所选区域对应的气瓶实体区域；(3.3)对内压为p1状态下的点云数据进行n次拟合，得到n组圆柱体半径r
i
，i＝1,2,3
…
n并求平均值，则p1状态下的圆柱体半径r
p1
为：同理可得内压为p2状态下圆柱体半径r
p2
为：将两个状态下r
p1
＜r
p2
的半径值作差即可得到所选区域总体上的径向离面位移值w为：w＝r
p2-r
p1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)。

技术总结
一种基于双目光栅投影的储氢气瓶内压下的位移测量方法，包括以下步骤：步骤1，准备气瓶并接入加压系统；步骤2，获取不同内压下的气瓶表面点云数据；步骤3，离面位移提取。本发明基于光栅投影测量技术获取离面位移的方法具有测量范围大、测量精度较高以及数据处理灵活的特点，其测量范围可达600mmX800mm，测量精度可达10μm，为大型复合材料结构的检测工业化提供了一种可行的方法途径；并且本方法对物体刚体位移相对不敏感，相对较好的克服了物体刚体位移对结果的影响；本方法与现有的仿真模拟结果相比，所得到的离面位移更接近实际结果，基于此方法可为复合材料储氢气瓶相关性能评价提供直接真实的参考依据。价提供直接真实的参考依据。价提供直接真实的参考依据。


技术研发人员：马利 应凯迪 王守龙 刘昶辰
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/10/8