高低温环境下燃料贮罐容量测量方法与流程

1.本发明涉及一种容量测量方法，具体的说，涉及了一种高低温环境下燃料贮罐容量测量方法。


背景技术：

2.容积的准确性对航天器安全及性能具有重要的意义，液体燃料和推进剂容积的测量主要存在具有贮罐存储的液体具有高危险性、贮罐存储容积计量的高低温环境特性、贮罐存储容积计量的精度要求高等特点，因此，对特殊温度条件下贮罐容量数值的准确测量，直接关系到航天器燃料保障特点及运行安全，因此有必要对其进行深入的容量计量技术研究。燃料不足影响飞行任务，燃料过多则增加了航天器的有效载荷，影响运载能力。目前，对于这些特殊容器的容积计量大多数采用常规的技术手段，也就是在实验室内常温环境下进行。例如专利号为cn201210524701.6公开了一种基于三维激光扫描的容积测量方法及装置。该技术方案提出了一种将三维激光扫描仪通过仪器悬架正置或倒置于罐体入孔处的内部测量法，对激光扫描器测得的数据进行空间网格建模，获取重建的所述罐体的多个切片形状从而计算罐体容积。再例如专利号为cn202011282217.8公开了一种大长径比卧式罐容积多站三维激光扫描内测装置及方法，通过将激光扫描器沿罐体轴线方向架设，即将激光扫描器沿罐体轴线方向伸入罐体内部进行测量，然后通过多站测量数据拼接的方式能够获得高精度的测量数据，解决了现有技术不能够针对大长径比罐体容积测量的问题。
3.而在航天器、火箭等领域这些容器的实际使用环境非常的苛刻，且温度变化范围大，这就导致实验室计量的结果往往与实际值具有较大的偏差，从而对设备的运行及安全产生一定的影响。因此对这些容器的容量测量也需要在相同的温度变化范围内进行；常规的计量手段并不涉及温度，因此无法满足这类容器的计量需求，需要探索研究一种新型的针对实际工作环境的容量计量技术，建立相应的计量标准及量值传递体系。
4.为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供了一种高低温环境下燃料贮罐容量测量方法。
6.为了实现上述目的，本发明所提出的第一个技术方案是：一种高低温环境下燃料贮罐容量测量装置，包括：高低温箱，温度维持在-70℃～130℃；旋转云台，设置在高低温箱内，其上安装有燃料贮罐，用于按照预设旋转概略角度参数进行旋转；多个圆形测量标志点及编码标志，布设有所述燃料贮罐上；自动定向棒和基准尺，设置在所述燃料贮罐前；二维运动导轨，设置在高低温箱内，且位于所述燃料贮罐一侧，用于按照预设导轨
空间概率位置参数进行二维运动，每组导轨空间概率位置参数包括九个位置；相机姿态调整机构，设置在所述二维运动导轨上，用于在所述二维运动导轨运动至一个目标位置时，按照预设相机空间概略姿态参数进行角度调节；测量相机，设置在所述相机姿态调整机构上，用于在所述二维运动导轨运动至一个目标位置且所述相机姿态调整机构处于一个目标角度时进行拍摄，获得测量相片；测量相机外部设置有相机保护罐，所述相机保护罐前端为玻璃舷窗；燃料贮罐容量计算模块，基于数字摄影测量技术对测量相机获取的多位置、多角度下的测量相片进行处理，获取待测燃料贮罐外侧特征点的三维坐标值并建立待测燃料贮罐的外测三维模型；获取待测燃料贮罐的壁厚测量值，基于目标温度修正壁厚，根据待测燃料贮罐的外测三维模型和修正后的壁厚计算待测燃料贮罐的容积。
7.其中，所述相机保护罐的两侧采用双层隔热层装置；所述圆形测量标志在
ꢀ±
50℃ 范围内的线膨胀系数为2.4
×
10-9/℃，材质为玻璃材质或者碳纤维材质；基准尺由碳纤维、铟钢或者是微晶玻璃材质材料制成，具有极低的热膨胀系数，其两端各固定一个圆形测量标志点。
8.本发明所提出的第二个技术方案为：一种高低温环境下燃料贮罐容量测量方法，基于前述的高低温环境下燃料贮罐容量测量装置，包括以下步骤：控制高低温箱体内的温度为目标温度，所述目标温度位于-70℃～130℃；控制旋转云台、二维运动导轨、相机姿态调整机构和测量相机协调工作，完成所有角度、所有目标位置、所有目标姿态的拍摄；基于数字摄影测量技术对多角度、多位置、多姿态下的测量相片进行处理，获取待测燃料贮罐外侧特征点的三维坐标值并建立待测燃料贮罐的外测三维模型；获取待测燃料贮罐的壁厚测量值，基于目标温度修正壁厚，根据待测燃料贮罐的外测三维模型和修正后的壁厚计算待测燃料贮罐的容积；在一种实施例中，控制旋转云台、二维运动导轨、相机姿态调整机构和测量相机协调工作的步骤包括：控制旋转云台按照预设旋转概略角度参数旋转，每旋转至一个目标角度，控制二维运动导轨按照预设导轨空间概率位置参数运动；在二维运动导轨每运动至一个目标位置时，触发相机姿态调整机构按照预设相机空间概略姿态参数进行姿态调整；在相机姿态调整机构每调节至一个目标姿态时，触发测量相机进行拍摄，获得测量相片。
9.在一种实施例中，基于目标温度修正壁厚的步骤包括：获取待测燃料贮罐的壁厚测量值后，基于待测燃料贮罐的形状参数获取相应类型燃料贮罐的-10℃到50℃壁厚变化模型；基于待测燃料贮罐的尺寸参数和预设壁厚变化模型，利用趋势外推法对壁厚测量值进行修正；其中，预设壁厚变化模型的获取步骤如下：将每一形状的标准燃料贮罐放置在旋转云台上，调节高低温箱体内的温度，使其按照间隔5℃的顺序依次从-10℃升温至50℃；
每隔5℃，利用测厚仪从标准燃料贮罐底部开始每间隔100mm测量一次壁厚，获取整个标准燃料贮罐的壁厚；升温结束后，根据获取的-10℃到50℃内整个标准燃料贮罐的壁厚，建立该形状燃料贮罐的-10℃到50℃壁厚变化模型。
10.在一种实施例中，在利用测量相机拍摄照片前，通过相机标定步骤获取相机畸变参数和相机内参数；在测量相机拍摄照片后，采用畸变修正模型对测量相片进行修正，其中畸变修正模型的表达式为：模型的表达式为：模型的表达式为：模型的表达式为：其中，为像点坐标畸变修正值，、为像平面内畸变系数；p1、p2为偏心畸变系数；，，，、、为径向畸变系数；为像主点坐标，为像点坐标。
11.在一个实施例中，预设导轨空间概率位置参数的获取步骤包括：获取待测物体的形状参数和尺寸参数；根据待测物体的外形参数确定计算模型，将待测物体的尺寸参数代入计算模型中，获得导轨空间概率基准位置点；所述计算模型与温度、待测物体的尺寸与标定尺寸的比例有关；其中，每个形状参数对应一个计算模型；在每个导轨空间概率基准位置点进行上下左右8个方向平移，获得八个位移点；按照一个空间概率基准位置、8个位移点的顺序建立导轨空间概率位置参数。
12.进一步的，为实现不同环境下的容积计量，在-70℃～130℃内选取n个目标温度t1，
…
，tn；按照温度自高到低或自低到高的顺序，控制高低温箱体温度；当高低温箱体温度为一个目标温度时，保持恒温1个小时后，控制旋转云台、二维运动导轨、相机姿态调整机构和测量相机协调工作，完成所有角度、所有目标位置、所有目标姿态的拍摄，并计算待测燃料贮罐的容积；完成所有温度、所有角度、所有目标位置、所有目标姿态的拍摄后，输出容积报表。
13.本发明第三方面提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述的高低温环境下燃料贮罐容量测量方法。
14.本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，研制高低温环境温度的发生装置和测量方法，通过温度控制实现检定环境的全量程模拟，建立三维数字摄影测量系统的自动测量和解算模型，从而实现测量数据的自动获取；其次以循环温
控系统实现三维数字摄影测量系统在极端温度环境下精密测量，研究基于多源数据的贮罐三维数据处理和三维建模技术，并基于温度数据对进行修正，以精确解算并自动生成贮罐容积。
附图说明
15.图1是实施例2所述的高低温环境下燃料贮罐容量测量方法的流程示意图。
16.图2是实施例4所述的高低温环境下燃料贮罐容量测量方法的流程示意图。
具体实施方式
17.趋势外推法：又称为趋势延伸法，它是根据预测变量的历史时间序列揭示出的变动趋势外推将来，以确定预测值的一种预测方法。趋势外推法通常用于预测对象的发展规律是呈渐进式的变化，而不是跳跃式的变化，并且能够找到一个合适函数曲线反映预测对象变化趋势的情况。
18.下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
19.实施例1本实施例提供一种高低温环境下燃料贮罐容量测量装置，高低温箱，温度维持在-70℃～130℃；旋转云台，设置在高低温箱内，其上安装有燃料贮罐，用于按照预设旋转概略角度参数进行旋转；多个圆形测量标志点及编码标志，布设有所述燃料贮罐上，优选的，所述圆形测量标志在
ꢀ±
50℃ 范围内的线膨胀系数为2.4
×
10-9/℃，材质为玻璃材质或者碳纤维材质；自动定向棒和基准尺，设置在所述燃料贮罐前，优选的，基准尺由碳纤维、铟钢或者是微晶玻璃材质材料制成，具有极低的热膨胀系数，其两端各固定一个圆形测量标志点；二维运动导轨，设置在高低温箱内，且位于所述燃料贮罐一侧，用于按照预设导轨空间概率位置参数进行x、y方向的二维运动，每组导轨空间概率位置参数包括九个位置；相机姿态调整机构，设置在所述二维运动导轨上，用于在所述二维运动导轨运动至一个目标位置时，按照预设相机空间概略姿态参数进行角度调节；测量相机，设置在所述相机姿态调整机构上，用于在所述二维运动导轨运动至一个目标位置且所述相机姿态调整机构处于一个目标角度时进行拍摄，获得测量相片；测量相机外部设置有相机保护罐，所述相机保护罐前端为玻璃舷窗；燃料贮罐容量计算模块，基于数字摄影测量技术对测量相机获取的多位置、多角度下的测量相片进行处理，获取待测燃料贮罐外侧特征点的三维坐标值并建立待测燃料贮罐的外测三维模型；获取待测燃料贮罐的壁厚测量值，基于目标温度修正壁厚，根据待测燃料贮罐的外测三维模型和修正后的壁厚计算待测燃料贮罐的容积。
20.在具体实施时，所述二维运动导轨包括x轴导轨和y轴导轨，其中x轴导轨的移动方向为前后移动，y轴导轨的移动方向为上下移动；控制x轴导轨沿前后方向移动，以使测量相机位于最佳的测量距离；控制y轴导轨沿上下方向移动，以使测量相机位于最佳的测量高度。优选的，预设导轨空间概率位置参数包括多组位置信息，其中每组位置信息包括一个基准位置，以及对应于基准位置的左上位置、左中位置、左下位置、中上位置、中下位置、右上
位置、右中位置、右下位置的8个平移位置。
21.在具体实施时，所述相机姿态调整机构的旋转角度为0~360
°
，优选的，所述相机姿态调整机构的预设相机空间概略姿态参数分别为0
°
、90
°
、180
°
和270
°
。
22.由于实施例3需要在高低温极端环境下进行，因此需要对相机进行密闭封装，防止温度对相机的损耗。
23.因此，本实施例在测量相机外部设置有相机保护罐，所述相机保护罐前端为玻璃舷窗，所述相机保护罐的两侧采用双层隔热层装置。
24.具体的，控制电缆线通过电缆线接口连接到保护罐内部的测量相机上，实时在线控制相机获取测量图像，封装后相机外面增加航天专用锡纸防护膜，将镜头处的光学玻璃窗口，对准被测贮罐进行测量。
25.经过上述封装保护，相机的在保护管内的实时工作温度和室温基本一致，误差为
±
5℃，如果在标准实验室内的温度为20℃，则相机保护罐内相机的工作温度为20℃
±
5℃，满足三维数字摄影测量的温度要求，确保测量精度没有降低，相机不受损坏。
26.实施例2本实施例提供一种高低温环境下燃料贮罐容量测量方法，基于前述的高低温环境下燃料贮罐容量测量装置，如图1所示，包括以下步骤：步骤s1，控制高低温箱体内的温度为目标温度，所述目标温度位于-70℃～130℃。
27.步骤s2，控制旋转云台、二维运动导轨、相机姿态调整机构和测量相机协调工作，完成所有角度、所有目标位置、所有目标姿态的拍摄。
28.其中，控制旋转云台、二维运动导轨、相机姿态调整机构和测量相机协调工作的步骤包括：控制旋转云台按照预设旋转概略角度参数旋转，每旋转至一个目标角度，控制二维运动导轨按照预设导轨空间概率位置参数运动；在二维运动导轨每运动至一个目标位置时，触发相机姿态调整机构按照预设相机空间概略姿态参数进行姿态调整；在相机姿态调整机构每调节至一个目标姿态时，触发测量相机进行拍摄，获得测量相片。
29.在一个实施例中，预设导轨空间概率位置参数的获取步骤包括：获取待测物体的形状参数和尺寸参数；根据待测物体的外形参数确定计算模型，将待测物体的尺寸参数代入计算模型中，获得导轨空间概率基准位置点；所述计算模型与温度、待测物体的尺寸与标定尺寸的比例有关；其中，每个形状参数对应一个计算模型；在每个导轨空间概率基准位置点进行上下左右8个方向平移，获得八个位移点；按照一个空间概率基准位置、8个位移点的顺序建立导轨空间概率位置参数。
30.获得的导轨空间概率位置参数保存到数据库中，该过程即为概略位置规划。
31.根据精密数字摄影测量的空间网形优化措施，测量相机在每个拍摄位置变换相机姿态，进行多个位置测量，提高数字摄影的空间网形分布，优化测量精度。在一个实施例中，所述相机姿态调整机构的旋转角度为0~360
°
，优选的，所述相机姿态调整机构的预设相机空间概略姿态参数分别为0
°
、90
°
、180
°
和270
°
。
32.步骤s3，基于数字摄影测量技术对多角度、多位置、多姿态下的测量相片进行处理，获取待测燃料贮罐外侧特征点的三维坐标值并建立待测燃料贮罐的外测三维模型；获取待测燃料贮罐的壁厚测量值，基于目标温度修正壁厚，根据待测燃料贮罐的外测三维模型和修正后的壁厚计算待测燃料贮罐的容积。
33.其中，建立待测燃料贮罐的外测三维模型时采用最小二乘法建立贮罐的三维模型。
34.可以理解，由于温度对壁厚有影响， 因此在获取待测燃料贮罐的壁厚测量值后，还要基于目标温度修正壁厚，具体步骤包括：获取待测燃料贮罐的壁厚测量值后，基于待测燃料贮罐的形状参数获取相应类型燃料贮罐的-10℃到50℃壁厚变化模型；基于待测燃料贮罐的尺寸参数和预设壁厚变化模型，利用趋势外推法对壁厚测量值进行修正；其中，预设壁厚变化模型的获取步骤如下：将每一形状的标准燃料贮罐放置在旋转云台上，调节高低温箱体内的温度，使其按照间隔5℃的顺序依次从-10℃升温至50℃；每隔5℃，利用测厚仪从标准燃料贮罐底部开始每间隔100mm测量一次壁厚，获取整个标准燃料贮罐的壁厚；升温结束后，根据获取的-10℃到50℃内整个标准燃料贮罐的壁厚，建立该形状燃料贮罐的-10℃到50℃壁厚变化模型。
35.可以看出，本技术中的贮罐容积测量采用的是外侧法，获取大量罐体外侧表面数据，并结合罐体壁厚计算罐体的真实容积；如果罐体壁厚误差较大，则难以计算罐体的真实容积，因此必须精准的获取罐体壁厚。而由于本技术针对的-70℃~130℃的高低温环境，而比较精密测量壁厚的仪器设备一般在-10℃~60℃范围内工作，难以满足在温度-70℃~130℃的测量，另外这些设备测量需要罐体壁厚紧密接触，不能通过封装等技术改造。为此本技术先获取精密测量壁厚的仪器设备在正常工作范围内的壁厚，然后通过趋势外推法获取-70℃~130℃时的壁厚。
36.另外，不同形状、不同尺寸的燃料贮罐在不同位置的壁厚也不同，但其之间存在一定的比例关系，因此以每种形状的一种尺寸的燃料贮罐为标准燃料贮罐，建立壁厚变化模型，后期采用趋势外推法对壁厚测量值进行修正，还要考虑待测贮罐的尺寸参数与相应标准燃料贮罐的比例关系，以精准获得燃料贮罐的壁厚。
37.且虽然所述相机保护罐从结构上采用特殊的双层隔热层装置，两层隔热层之间填充隔热材质，尽可能减少极端温度环境对保护罐内相机的影响，但还需要从玻璃材质和玻璃加工工艺两个方面，使玻璃舷窗在-70℃~130℃的极端温度环境下变形最小。
38.从理论上讲，相机保护罐的玻璃舷窗与温控箱内的高低温环境隔离，舷窗玻璃仍旧会对三维数字摄影测量系统产生一定程度的折射误差影响，该误差属于系统误差，需要从模型上予以减弱或者消除。
39.因此，在利用测量相机拍摄照片前，通过相机标定步骤获取相机畸变参数和相机内参数；在测量相机拍摄照片后，采用畸变修正模型对测量相片进行修正，其中畸变修正
模型的表达式为：模型的表达式为：模型的表达式为：模型的表达式为：其中，为像点坐标畸变修正值，、为像平面内畸变系数；p1、p2为偏心畸变系数；，，，、、为径向畸变系数；为像主点坐标，为像点坐标。
40.实施例3本实施例给出一种高低温环境下燃料贮罐容量测量方法的详细步骤。
41.具体包括：（1）参数设定阶段获取待测物体的形状参数和尺寸参数；根据待测物体的尺寸参数计算预设旋转概略角度参数α
1-α2；根据待测物体的外形参数确定计算模型，将待测物体的尺寸参数代入计算模型中，获得导轨空间概率基准位置点；所述计算模型与温度、待测物体的尺寸与标定尺寸的比例有关；其中，每个形状参数对应一个计算模型；在每个导轨空间概率基准位置点进行上下左右8个方向平移，获得八个位移点；按照一个空间概率基准位置、8个位移点的顺序建立导轨空间概率位置参数位置p
1-pn；设定所述相机姿态调整机构的预设相机空间概略姿态参数分别为0
°
、90
°
、180
°
和270
°
。
42.（2）测量阶段系统开始测量时，控制旋转云台旋转至第一旋转概略角度α1；控制二维运动导轨按照预设导轨空间概率位置参数运动，当二维运动导轨运动至目标位置p1；控制相机姿态调整机构按照预设相机空间概略姿态参数进行姿态调整，在姿态调整至0
°
姿态时，触发测量相机进行拍摄，获得测量相片；完成单次测量后，继续驱动相机姿态调整机构按照预设相机空间概略姿态参数调整到90
°
姿态，触发测量相机进行拍摄，获得测量相片；完成单次测量后，继续驱动相机姿态调整机构按照预设相机空间概略姿态参数调整到180
°
姿态，触发测量相机进行拍摄，获得测量相片；完成单次测量后，继续驱动相机姿态调整机构按照预设相机空间概略姿态参数调整到270
°
姿态，触发测量相机进行拍摄，获得测量相片；完成目标位置p1处的所有测量后，控制二维运动导轨按照预设导轨空间概率位置参数运动至目标位置p2，触发测量相机进行拍摄，获得测量相片；控制相机姿态调整机构按
照预设相机空间概略姿态参数进行姿态调整，即分别旋转到90
°
、180
°
、270
°
位置，然后触发测量相机进行拍摄，获得测量相片，完成目标位置p2处的所有测量；控制二维运动导轨按照预设导轨空间概率位置参数运动至目标位置p3...pn位置，在每个位置处重复步骤（5）、（6），完成转台在角度α1位置处的所有测量；在二维运动导轨每运动至一个目标位置时，触发相机姿态调整机构按照预设相机空间概略姿态参数进行姿态调整；旋转到指定位置α2，
…
，αn角度位置处，在每个位置处重复控制二维运动导轨和相机姿态调整机构运动，完成该转台全圆位置的测量。
43.（3）容量计算阶段在具体实施时，所述数字摄影测量技术包括图像处理、像片概略定向、像点自动匹配、光束法平差、三维坐标计算等。
44.图像处理主要包括3个方面的内容：像点识别与定位、编码标志识别和定向棒识别。
45.在数字摄影测量中，利用一套高准确率的像点识别算法，可以识别出绝大多数标志点，并对标志点进行灰度、形状等多种检验，以剔除虚假的像点；采用高精度像点定位算法，能够实现像点的精确定位，精度优于0.02像素。
46.像点识别、定位完成后，可对其中的编码标志、定向棒进行自动识别，并利用定向棒或已知物方坐标的编码标志实现像片的概略定向。
47.（二）概略定向像片定向是指确定各像片在物方空间坐标系中的位置和姿态，即外方位元素（又称为摄站参数）。由于像片外方位元素将在后续的光束法平差中作为未知参数进行进一步解算，故定向的作用只是提供像片外方位元素的初值，因此称为概略定向。
48.（三）像点匹配在像点坐标、摄站参数均已知的前提下，只要确定出各张像片上的同名像点（即同一标志点在不同像片上的像点）就可以利用光束法平差求解物方点精确坐标。在两幅（或多幅）影像之间识别同名点的过程称为影像匹配，它是实现数字工业摄影测量自动化的核心技术之一。
49.（四）光束法平差数字工业摄影测量光束法平差是一种把控制点的像点坐标、待定点的像点坐标以及其他内业、外业量测数据的一部分或全部均视为观测值，以整体地同时解求它们的或是值和待定点空间坐标的摄影测量过程。这里，解求观测值的或是值的原则是：使各类观测值的改正数满足为最小。
50.自检校光束法平差是在解求待定点空间坐标的同时，将相机内参数和畸变参数作为附加参数，实现像点坐标残余系统误差自动补偿的一种算法。自检校光束法平差以无需额外的附加观测来实现残余系统误差的自动补偿为特点。
51.其误差方程式为
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）式中，、和分别为外部参数、物方点坐标和附加参数的改正数向量，、
和分别为相应的系数矩阵，为像点坐标的观测值向量，为像点坐标的权矩阵，为附加参数虚拟的观测值向量，一般为零向量，为附加参数虚拟观测值的权矩阵。
52.将式（1）简写为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）相应的法方程式为
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）其中， ；在实际测量工作中，常常在物方空间布设一些相对控制（如基准尺两端点间距离、某些物点位于同一平面内等），其中基准尺两端点间距离是最为常用的相对控制条件。如果已知两物方点和间的距离为，则有
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）其相应的误差方程式可写为
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（5）式中，为两物方点坐标的改正数向量，为系数矩阵，为常数项，为相应权值。
53.将式（4）与式（5）共同组建误差方程组，即可引入相对控制条件，组成整体误差方程，解算得到各个测量点的三维坐标值。
54.（五）基准尺缩放在数字摄影测量软件中，基准尺的数量不受限制。当同时使用多根基准尺时，系统会根据各基准尺的测量长度和标定长度确定出一个整体缩放系数，并以此作为长度基准。
55.（六）三维坐标解算批量解算出燃料贮罐的三维坐标值，即可计算燃料贮罐的体积。
56.常见的燃料贮罐包括带球形堵头的圆柱形贮罐和球形贮罐，本实施例以球形贮罐容积计算实施例为例，给出燃料贮罐的体积的计算步骤。
57.在三维数字摄影测量坐标系下，球形贮罐的表达方程式为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（6）其中x0、y0、z0分别表示贮罐的圆心的三维坐标，r为半径。在实际计算过程中，为了计算方便，通常以球心为坐标原点建立球坐标系，球面的方程式变为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（7）在三维数字摄影测量坐标系下，如果测量了n个球面点，其坐标值分别为（xi，yi，zi），则可以利用最小二乘原理得到球罐的四个参数（x0、y0、z0，r）。由于具有四个未知参数，因此参与球面拟合的点的个数至少大于4，即n≥4。球面拟合的基本原理如下所示：将公式（6）展开可以得到：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)当测量点数多于4个时，即可按照最小二乘原理求解误差方程，解算得到贮罐的半径r及贮罐中心在三维数字摄影测量坐标系下的三维坐标值。
58.对于半径为r的球形贮罐，假设其底量为v0，其任意液面高度h处的液体体积vi为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)公式中，r和h分别以米为单位，高度h满足0≤h≤2r，v0、v的单位为立方米。
59.其中，在计算液体体积vi前，还获取待测燃料贮罐的壁厚测量值，基于目标温度修正壁厚,并基于贮罐中心在三维数字摄影测量坐标系下的三维坐标值以及壁厚修正液面高度h和半径。
60.实施例4为实现不同环境下的容积计量，本实施例与实施例2的区别在于：在-70℃～130℃内选取n个目标温度t1，
…
，tn；按照温度自高到低或自低到高的顺序，控制高低温箱体温度；当高低温箱体温度为一个目标温度时，保持恒温1个小时后，控制旋转云台、二维运动导轨、相机姿态调整机构和测量相机协调工作，完成所有角度、所有目标位置、所有目标姿态的拍摄，并计算待测燃料贮罐的容积；完成所有温度、所有角度、所有目标位置、所有目标姿态的拍摄后，输出容积报表。
61.具体流程可参见图2。
62.实施例5由于该测量装置涉及到的不确定因素比较复杂，引起的不确定度分量比较多，容易遗漏，结合装置及测量方法进行合理的精度评定，易于实现，风险等级低。
63.本技术中，不确定度分量的主要来源有：a）三维数字摄影测量系统引起的不确定度；三维数字摄影测量系统的三维点坐标测量精度估算比较复杂，本项目中，三维数字摄影测量的有效距离为立方体空间的对角线长度，即l=5m，则三维点坐标的点位误差引起的体积不确定度为0.21％。
64.则此不确定分量为。
65.b）测厚仪测量壁厚引入的不确定度；测厚仪按照0.3%h的标称精度进行估算，最大10mm的壁厚测量得到的不确定度也就是0.03mm，该项不确定度可以认为是半径的确定度。
66.则此不确定分量为。
67.c）温度变化引入的不确定度；温度测量不确定度为，则可得，体积为0.5m3时，温度引起的不确定度分量为：则此不确定分量为。
68.d）导轨云台不稳定引入的不确定度；由于三维数字摄影测量系统安装在导轨云台上，导轨的不平稳性会引入误差，假设不稳定性的引起的相对误差为0.05%。
69.则此不确定分量为。
70.e）壁厚修正引入的不确定度；由于壁厚采用先验修正技术，修正技术必然会引入不确定度，由于修正技术采用大量数据获得，具有很大的正确性和可靠性，故引入的不确定度相对较小，并需要试验才能得到，暂且依据经验得：则此不确定分量为。
71.f）封装玻璃引起折射而引入的不确定度；通过对仿真模型的仿真计算，可以较好的减弱保护罐舷窗玻璃对三维数字摄影测量的影响。假定引入的不确定分量为。
72.g）温度均匀性引入的不确定度分量；由于温控箱体积较大，势必会造成温控箱内温度的不均匀，对贮罐的体积以及相机在不均匀温度场下对光线路径造成一定的影响，在均匀度为3℃，由测量系统的测量原理，按照b类不确定度分析可得：则此项引入的不确定度分量为：。
73.h）温度波动性引入的不确定度分量；由于温控箱控制原理知，温控箱的温度会存在一定的波动性，对测量过程中的一些参数产生影响，由测量系统的测量原理，按照b类不确定度分析可得：则此项引入的不确定度分量为：。
74.综上所述，则合成标准不确定度为：。
75.最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

技术特征：
1.一种高低温环境下燃料贮罐容量测量装置，其特征在于，包括：高低温箱，温度维持在-70℃～130℃；旋转云台，设置在高低温箱内，其上安装有燃料贮罐，用于按照预设旋转概略角度参数进行旋转；多个圆形测量标志点及编码标志，布设有所述燃料贮罐上；自动定向棒和基准尺，设置在所述燃料贮罐前；二维运动导轨，设置在高低温箱内，且位于所述燃料贮罐一侧，用于按照预设导轨空间概率位置参数进行二维运动，每组导轨空间概率位置参数包括九个位置；相机姿态调整机构，设置在所述二维运动导轨上，用于在所述二维运动导轨运动至一个目标位置时，按照预设相机空间概略姿态参数进行角度调节；测量相机，设置在所述相机姿态调整机构上，用于在所述二维运动导轨运动至一个目标位置且所述相机姿态调整机构处于一个目标角度时进行拍摄，获得测量相片；测量相机外部设置有相机保护罐，所述相机保护罐前端为玻璃舷窗；燃料贮罐容量计算模块，基于数字摄影测量技术对测量相机获取的多位置、多角度下的测量相片进行处理，获取待测燃料贮罐外侧特征点的三维坐标值并建立待测燃料贮罐的外测三维模型；获取待测燃料贮罐的壁厚测量值，基于目标温度修正壁厚，根据待测燃料贮罐的外测三维模型和修正后的壁厚计算待测燃料贮罐的容积。2.根据权利要求1所述的高低温环境下燃料贮罐容量测量装置，其特征在于：所述相机保护罐的两侧采用双层隔热层装置。3.根据权利要求1或2所述的高低温环境下燃料贮罐容量测量装置，其特征在于：所述圆形测量标志在
ꢀ±
50℃ 范围内的线膨胀系数为2.4
×
10-9/℃，材质为玻璃材质或者碳纤维材质；基准尺由碳纤维、铟钢或者是微晶玻璃材质材料制成，具有极低的热膨胀系数，其两端各固定一个圆形测量标志点。4.一种高低温环境下燃料贮罐容量测量方法，基于权利要求1至3任一项所述的高低温环境下燃料贮罐容量测量装置，其特征在于，包括以下步骤：控制高低温箱体内的温度为目标温度，所述目标温度位于-70℃～130℃；控制旋转云台、二维运动导轨、相机姿态调整机构和测量相机协调工作，完成所有角度、所有目标位置、所有目标姿态的拍摄；基于数字摄影测量技术对多角度、多位置、多姿态下的测量相片进行处理，获取待测燃料贮罐外侧特征点的三维坐标值并建立待测燃料贮罐的外测三维模型；获取待测燃料贮罐的壁厚测量值，基于目标温度修正壁厚，根据待测燃料贮罐的外测三维模型和修正后的壁厚计算待测燃料贮罐的容积。5.根据权利要求4所述的高低温环境下燃料贮罐容量测量方法，其特征在于，控制旋转云台、二维运动导轨、相机姿态调整机构和测量相机协调工作的步骤包括：控制旋转云台按照预设旋转概略角度参数旋转，每旋转至一个目标角度，控制二维运动导轨按照预设导轨空间概率位置参数运动；在二维运动导轨每运动至一个目标位置时，触发相机姿态调整机构按照预设相机空间概略姿态参数进行姿态调整；在相机姿态调整机构每调节至一个目标姿态时，触发测量相机进行拍摄，获得测量相
片。6.根据权利要求4或5所述的高低温环境下燃料贮罐容量测量方法，其特征在于，基于目标温度修正壁厚的步骤包括：获取待测燃料贮罐的壁厚测量值后，基于待测燃料贮罐的形状参数获取相应类型燃料贮罐的-10℃到50℃壁厚变化模型；基于待测燃料贮罐的尺寸参数和预设壁厚变化模型，利用趋势外推法对壁厚测量值进行修正；其中，预设壁厚变化模型的获取步骤如下：将每一形状的标准燃料贮罐放置在旋转云台上，调节高低温箱体内的温度，使其按照间隔5℃的顺序依次从-10℃升温至50℃；每隔5℃，利用测厚仪从标准燃料贮罐底部开始每间隔100mm测量一次壁厚，获取整个标准燃料贮罐的壁厚；升温结束后，根据获取的-10℃到50℃内整个标准燃料贮罐的壁厚，建立该形状燃料贮罐的-10℃到50℃壁厚变化模型。7.根据权利要求6所述的高低温环境下燃料贮罐容量测量方法，其特征在于：在利用测量相机拍摄照片前，通过相机标定步骤获取相机畸变参数和相机内参数；在测量相机拍摄照片后，采用畸变修正模型对测量相片进行修正，其中畸变修正模型的表达式为：的表达式为：的表达式为：的表达式为：其中，为像点坐标畸变修正值，、为像平面内畸变系数；p1、p2为偏心畸变系数；，，，、、为径向畸变系数；为像主点坐标，为像点坐标。8.根据权利要求4或5或7所述的高低温环境下燃料贮罐容量测量方法，其特征在于，预设导轨空间概率位置参数的获取步骤包括：获取待测物体的形状参数和尺寸参数；根据待测物体的外形参数确定计算模型，将待测物体的尺寸参数代入计算模型中，获得导轨空间概率基准位置点；所述计算模型与温度、待测物体的尺寸与标定尺寸的比例有关；其中，每个形状参数对应一个计算模型；在每个导轨空间概率基准位置点进行上下左右8个方向平移，获得八个位移点；按照一个空间概率基准位置、8个位移点的顺序建立导轨空间概率位置参数。9.根据权利要求5所述的高低温环境下燃料贮罐容量测量方法，其特征在于：
在-70℃～130℃内选取n个目标温度t1，
…
，t
n
；按照温度自高到低或自低到高的顺序，控制高低温箱体温度；当高低温箱体温度为一个目标温度时，保持恒温1个小时后，控制旋转云台、二维运动导轨、相机姿态调整机构和测量相机协调工作，完成所有角度、所有目标位置、所有目标姿态的拍摄，并计算待测燃料贮罐的容积；完成所有温度、所有角度、所有目标位置、所有目标姿态的拍摄后，输出容积报表。10.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求4至9任意一项所述的高低温环境下燃料贮罐容量测量方法。

技术总结
本发明提供一种高低温环境下燃料贮罐容量测量方法，包括步骤：控制高低温箱体内的温度为目标温度，所述目标温度位于-70℃～130℃；控制旋转云台、二维运动导轨、相机姿态调整机构和测量相机协调工作，完成所有角度、所有目标位置、所有目标姿态的拍摄；基于数字摄影测量技术对多角度、多位置、多姿态下的测量相片进行处理，获取待测燃料贮罐外侧特征点的三维坐标值并建立待测燃料贮罐的外测三维模型；获取待测燃料贮罐的壁厚测量值，基于目标温度修正壁厚，根据待测燃料贮罐的外测三维模型和修正后的壁厚计算待测燃料贮罐的容积。修正后的壁厚计算待测燃料贮罐的容积。修正后的壁厚计算待测燃料贮罐的容积。


技术研发人员：杨荣淇 李静 苏雪龙 马琦 许金城 李志刚 张文涛 吴凯 孙晨磊 李冲 李玉杰
受保护的技术使用者：上海船舶研究设计院
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/9/23