機(jī)器視覺在核電領(lǐng)域的應(yīng)用

邵艷川

【摘 要】隨著工業(yè)智能化的快速發(fā)展，加快推動了機(jī)器視覺技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用。由于核電產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的特殊性，機(jī)器視覺技術(shù)在核電產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域有著極其重要的應(yīng)用，該技術(shù)提高了核電產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的安全性、高效性、經(jīng)濟(jì)性。本文首先對機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行闡述，然后對機(jī)器視覺技術(shù)在核電產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)的分析和闡述，希望對同行能夠提供一種借鑒。

【關(guān)鍵詞】機(jī)器視覺；核電；機(jī)器人

Application Machine Vision in Nuclear Power

SHAO Yan-chuan

（CNNC Liaoning Nuclear Power Company Limited， Huludao， Liaoning 125112，China）

【Abstract】With the development of industrial intelligence， the application of machine vision technology in industry has been accelerated. Due to the particularity of the nuclear power industry， machine vision technology has an extremely important application in the field of nuclear power， this technology improves the security， efficiency and economy of the nuclear power industry. In this paper， firstly， the machine vision technology is described， then the application of machine vision technology in the field of nuclear power industry is analyzed and expounded in detail， and the purpose is to provide a reference for colleagues.

【Key words】Machine vision； The nuclear power； The robot

0 前言

核能作為清潔、安全、高效的新能源，已成為全球攜手推進(jìn)低碳可持續(xù)發(fā)展的重要能源[1]。隨著我國逐步完成三代核電技術(shù)的國產(chǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)化，核能在我國已經(jīng)進(jìn)入規(guī)模化發(fā)展的新時期[2]。核電發(fā)展可以帶動核電關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)同步發(fā)展，進(jìn)一步豐富并增強(qiáng)我國核工業(yè)體系和核產(chǎn)業(yè)鏈良性發(fā)展。核電關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)包括科研院所、基建安裝工程、核電裝備制造業(yè)、核燃料產(chǎn)業(yè)等產(chǎn)業(yè)[3]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及對核能安全性和經(jīng)濟(jì)性要求的不斷提高，越來越多的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)運(yùn)用到核能領(lǐng)域。機(jī)器視覺作為一種先進(jìn)的人工智能技術(shù)，在核能領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用[4]。本文將對機(jī)器視覺技術(shù)在核設(shè)備測量、核設(shè)備焊接、核燃料棒組裝、核電機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 機(jī)器視覺技術(shù)

機(jī)器視覺的研究是從20世紀(jì)60年代中期美國學(xué)者L.R.羅伯茲關(guān)于理解多面體組成的積木世界研究開始的。在20世紀(jì)70年代末，他從信息處理角度，首次提出計(jì)算視覺系統(tǒng)及理論框架，該理論框架雖然在細(xì)節(jié)上甚至在主導(dǎo)思想上還存在不完備的方面，許多方面還有很多爭議，但至今仍是目前計(jì)算機(jī)視覺研究的基本框架[6]。

機(jī)器視覺是一項(xiàng)綜合技術(shù)，包括圖像處理、機(jī)械工程技術(shù)、控制、電光源照明、光學(xué)成像、傳感器、模擬與數(shù)字視頻技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)（圖像增強(qiáng)和分析算法、圖像卡、I/O卡等）[7]。如圖1所示，一個典型的機(jī)器視覺應(yīng)用系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為中心，包括視覺傳感器、高速圖像采集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)。由計(jì)算機(jī)對視覺傳感器采集到的信息進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果發(fā)出各種指令。機(jī)器視覺系統(tǒng)最基本的特點(diǎn)就是提高生產(chǎn)的靈活性和自動化程度。在一些不適于人工作業(yè)的危險工作環(huán)境或者人工視覺難以滿足要求的場合，常用機(jī)器視覺來替代人工視覺。同時，在大批量重復(fù)性工業(yè)生產(chǎn)過程中，用機(jī)器視覺檢測方法可以大大提高生產(chǎn)的效率和自動化程度[8]。

圖1 機(jī)器視覺系統(tǒng)基本組成

2 機(jī)器視覺在核設(shè)備測量方面的應(yīng)用

核設(shè)備對質(zhì)量和精密度要求極高，核心設(shè)備制造工藝復(fù)雜。在設(shè)備加工制造過程中，精確、及時測量其幾何參數(shù)，對于提高設(shè)備原材料利用率、改善產(chǎn)品質(zhì)量和提高產(chǎn)品合格率都具有重要作用。傳統(tǒng)的接觸式測量方法不能滿足核設(shè)備的制造要求，本文主要論述雙目立體視覺技術(shù)在核設(shè)備幾何尺寸測量方面的應(yīng)用。

雙目立體視覺是用兩臺CCD工業(yè)攝像機(jī)，從不同角度同時獲取目標(biāo)物體及周圍環(huán)境的兩幅圖像，經(jīng)過圖像處理、攝像機(jī)標(biāo)定等計(jì)算出目標(biāo)物體的三維信息。其基本原理如圖2所示：

如圖2所示，對于空間一點(diǎn)p，在左攝像機(jī)C1成像平面上的投影點(diǎn)為p1，在右攝像機(jī)C2成像平面上的投影為p2，直線Oc1p1上的任意點(diǎn)在成像平面上的投影點(diǎn)都為p1，因此只由p1點(diǎn)無法確定p點(diǎn)的深度值，但直線Oc1p1與直線Oc2p2的交點(diǎn)唯一，由此可以計(jì)算出空間點(diǎn)p的深度值。實(shí)際計(jì)算時，需要建立圖像坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系之間相互關(guān)系，通過坐標(biāo)變換求解三維坐標(biāo)點(diǎn)。得到被測物體的三維坐標(biāo)點(diǎn)后即可實(shí)現(xiàn)測量被測物體的幾何參數(shù)。

3 機(jī)器視覺在核設(shè)備焊接方面的應(yīng)用

核電高壓容器主要包括核反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器，被稱為核島的“心臟設(shè)備”。核電高壓容器的制造需要完成多道關(guān)鍵工序，包括焊縫、焊根、焊筋、坡口等磨削，對于某些工序加工難度極大，比如像安注箱與硼注箱瓜瓣焊縫、核電高壓容器封頭球瓣焊縫及接管相貫焊縫等的磨削加工這樣的曲線加工；并且在大型容器焊縫磨削過程中，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的火花、高溫、煙塵、飛濺和工件熱變形等因素，這些因素對軌跡跟蹤系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾，導(dǎo)致控制系統(tǒng)偏差信號變大使磨頭偏離焊縫。鑒于核電高壓容器磨削過程是一個復(fù)雜的動態(tài)的具有強(qiáng)烈光熱煙霧干擾的過程，采用常規(guī)的軌跡跟蹤方法并不能完全滿足生產(chǎn)過程對焊縫磨削軌跡跟蹤檢測的要求。在核電高壓容器焊縫跟蹤中引入機(jī)器視覺技術(shù)，能夠提高焊縫跟蹤的可靠性、靈活性和精度。

如圖3所示，為機(jī)器視覺在焊縫處理過程中的流程圖。機(jī)器視覺是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動化焊接的前提，相比單目視覺的低效、多目視覺的復(fù)雜和對系統(tǒng)性能要求高的缺點(diǎn)，多選用雙目視覺采集焊縫圖像。采集到焊縫圖像后，經(jīng)過圖像增強(qiáng)、圖像濾波、特征提取、特征識別等操作后，由標(biāo)定雙目攝像機(jī)后的矩陣求解焊縫特征點(diǎn)的三維點(diǎn)云，傳遞給機(jī)器人后，機(jī)器人根據(jù)這些三維坐標(biāo)信息完成軌跡規(guī)劃及自動控制。根據(jù)三維重建后的點(diǎn)云也可實(shí)現(xiàn)測量焊縫幾何尺寸（熔寬、余高、熔深），對焊縫成形質(zhì)量做出評價。

4 機(jī)器視覺在核燃料棒組裝方面的應(yīng)用

在核電方面，核燃料棒組件是核反應(yīng)堆的核心反應(yīng)部件，同時，燃料棒組裝工作具有高輻射性的特點(diǎn)，因此世界上各核燃料生產(chǎn)廠家都非常注重核燃料棒組件的生產(chǎn)效率以及質(zhì)量的提高。智能化機(jī)械臂不僅能夠?qū)崿F(xiàn)核燃料棒組裝的高效率和高質(zhì)量，同時還能夠降低工作人員的輻射劑量。智能化機(jī)械臂要求具備外界環(huán)境的感知能力，機(jī)械臂智能化的重要方向就是基于視覺的位姿識別方法，準(zhǔn)確地識別核燃料棒和柵格板的位姿將其反饋到機(jī)械臂控制系統(tǒng)完成核燃料棒的有效組裝。

圖4為核燃料棒組裝流程圖，根據(jù)核燃料棒以及柵板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及組裝過程，初步將核燃料棒的組裝過程分為兩個階段：搜索定位階段和插入組裝階段。搜索定位階段的主要任務(wù)是將核燃料棒的開槽口對準(zhǔn)柵板，插入組裝階段是指把核燃料棒沿預(yù)定軌跡插入到對應(yīng)的目標(biāo)位置。首先，利用CCD攝相機(jī)分別檢測出柵板的位姿和核燃料棒下端塞位姿；然后，計(jì)算這兩個位姿在笛卡爾空間內(nèi)的偏差；最后，以該位姿偏差作為控制量來控制機(jī)械臂的各個關(guān)節(jié)做出相應(yīng)的運(yùn)動使核燃料棒的下端塞的開槽口對準(zhǔn)柵板后進(jìn)行插入組裝。

圖4 核燃料棒組裝流程圖

5 機(jī)器視覺在核電機(jī)器人方面的應(yīng)用

由于核電站設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備本身或其運(yùn)行環(huán)境具有放射性，同時還兼具水下、高溫、高壓、強(qiáng)輻照等特點(diǎn)，很多工作不適合工作人員直接操作，而簡單的機(jī)械手往往不能完成相關(guān)操作。利用機(jī)器人進(jìn)行設(shè)備檢修、乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)、放射性廢物處置和核事故應(yīng)急處理等工作，可以大幅提高核電站的檢修水平或事故處理效率，降低工作人員受照射劑量和勞動強(qiáng)度。致力于開發(fā)出適應(yīng)核輻射環(huán)境，性能先進(jìn)、可靠的核電機(jī)器人一直是核工業(yè)界追求的目標(biāo)[9]。

機(jī)器視覺相當(dāng)于機(jī)器人的眼睛，機(jī)器視覺的最終目標(biāo)是使機(jī)器人能夠像人那樣通過視覺觀察和理解世界，具有自主適應(yīng)環(huán)境的能力。機(jī)器人通過視覺傳感器感測、獲取目標(biāo)區(qū)域及周圍環(huán)境圖像信息來計(jì)算三維世界，使其能夠完成自主定位、目標(biāo)提取、跟蹤、避障、導(dǎo)航、路徑規(guī)劃等功能。由于核電機(jī)器人工作環(huán)境的特殊性，對傳統(tǒng)機(jī)器視覺的硬件和軟件部分都帶來了全新的問題，需要專門針對強(qiáng)輻照、高溫、高壓等特殊環(huán)境下開展機(jī)器視覺在核電機(jī)器人上面的研究。目前，已經(jīng)開發(fā)出多種核電機(jī)器人用于完成水下異物打撈、陸地應(yīng)急巡檢、嚴(yán)重事故救災(zāi)等任務(wù)。近年來，隨著三維視覺理論的逐漸成熟和三維視覺傳感器（Kinect、三維掃描儀）的快速發(fā)展，SLAM技術(shù)（simultaneous localization and mapping，即時定位與地圖構(gòu)建）已成為機(jī)器人視覺發(fā)展的主流，三維點(diǎn)云處理將成為機(jī)器視覺領(lǐng)域的一個重點(diǎn)。

6 總結(jié)

提高核設(shè)施的安全性與可靠性，盡量降低操作人員的受輻射劑量，改善工作環(huán)境，減少從業(yè)人員數(shù)量，是我國核能領(lǐng)域一個必須要解決的課題。解決這一問題的主要途徑就是研發(fā)智能設(shè)備，機(jī)器視覺技術(shù)在智能化設(shè)備中是必不可少的一部分。本文分別對機(jī)器視覺在核設(shè)備測量、核設(shè)備焊接、核燃料棒組裝、核電機(jī)器人等方面的應(yīng)用做了具體分析。目前，機(jī)器視覺技術(shù)在核能領(lǐng)域的應(yīng)用尚屬初步階段，隨著我國核能產(chǎn)業(yè)的較快發(fā)展和機(jī)器視覺技術(shù)的逐步成熟，未來機(jī)器視覺技術(shù)在核能領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越廣泛。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]