核電站水下光學(xué)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳姝 張志義 吳東棟 魏文斌

【摘 要】目前核電站水下光學(xué)定位系統(tǒng)擬采用的方法是通過(guò)視覺(jué)引導(dǎo)和激光引導(dǎo)相結(jié)合的方式。由于系統(tǒng)中ROV背上的LED燈、PSD探測(cè)器、攝像頭和激光器的準(zhǔn)直鏡四點(diǎn)異面，PSD探測(cè)器獲得激光光斑照射并不容易。本文提出了一種核電站水下光學(xué)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，該方法能使以上四點(diǎn)構(gòu)成矩形或平行四邊形，且ROV上LED燈在攝像機(jī)的視位置與PSD探測(cè)器在準(zhǔn)直鏡的視位置相同。因此，激光器可以直接利用LED燈在攝像機(jī)的視位置進(jìn)行激光點(diǎn)射PSD探測(cè)器靶面。經(jīng)論證，該設(shè)計(jì)方法可行且快速有效。

【關(guān)鍵詞】水下光學(xué)定位;攝像機(jī);激光器準(zhǔn)直鏡;LED燈;PSD探測(cè)器;平行四邊形

中圖分類號(hào)： TG115.28文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）06-0012-004

【Abstract】The method planning to adopt is the one combining visual guide and laser guide in an underwater optical positioning system in NPS at present.Since the camera，the laser collimating mirror，LED and PSD on the back of ROV are not on the same plane，it is not easy for the PSD to be illuminated by laser spot.In this paper we present a design for an underwater optical positioning system in NPS，in which the above four points can constitute a rectangle or a parallelogram，and the LOS（line of sight） direction of the LED in regard to the camera is the same to the one of the PSD in regard to the laser collimating mirror.Hence，the laser can fire single shots on the target plane of the PSD by the LOS direction of the LED in regard to the camera.By demonstration，the design is feasible，rapid and effective.

【Key words】Underwater optical positioning;Camera;Collimating mirror;LED lamp;PSD detector;Parallelogram

0 引言

核電站水下光學(xué)定位擬采用的方法是通過(guò)攝像機(jī)確定ROV（遙控潛航器Remote Operated Vehicle）的視位置引導(dǎo)激光掃描，該探測(cè)方法中視覺(jué)引導(dǎo)得到ROV的視位置后，激光器據(jù)此旋轉(zhuǎn)云臺(tái)，進(jìn)行跟蹤掃描，直至ROV背上的PSD探測(cè)器獲得激光光斑，才能獲得ROV精確位置。

然而，快速得到ROV的精確位置并不容易。因?yàn)閿z像機(jī)和激光器的準(zhǔn)直鏡通過(guò)連接桿與云臺(tái)固定在一起（見圖1），攝像機(jī)和準(zhǔn)直鏡呈水平狀態(tài)，LED燈和PSD探測(cè)器在ROV上也是水平位置且相對(duì)固定的（見圖2）。即使LED燈與PSD間距和攝像機(jī)與準(zhǔn)直鏡間距相同，假如承載攝像機(jī)與準(zhǔn)直鏡的云臺(tái)不在承載LED燈與PSD探測(cè)器的ROV的正對(duì)面，而是斜對(duì)著，那么攝像機(jī)、準(zhǔn)直鏡、LED燈和PSD探測(cè)器四者不是一個(gè)矩形或平行四邊形，甚至不在一個(gè)平面上，我們稱之為四點(diǎn)異面，參見示意圖3。這樣從攝像機(jī)指向LED燈的向量■與從準(zhǔn)直鏡指向PSD探測(cè)器的向量■的方向通常不相同。又由于激光波束較小，激光器無(wú)法利用攝像機(jī)得到的視位置信息直接快速掃到PSD探測(cè)器靶面上。

上述步驟構(gòu)成一個(gè)整體。只要按以上步驟要求安裝使用該系統(tǒng)，就可以確保ROV攀爬在容器側(cè)壁時(shí)攝像機(jī)、準(zhǔn)直鏡、LED燈和PSD四點(diǎn)構(gòu)成平行四邊形（或矩形）。LED燈在攝像機(jī)中的視位置與PSD探測(cè)器在準(zhǔn)直鏡中的視位置相同，激光器可以按照攝像機(jī)探得的視位置快速確定ROV上PSD探測(cè)器的精確位置。

該方法的優(yōu)勢(shì)在于：理論上激光器的準(zhǔn)直鏡可以完全使用攝像機(jī)測(cè)得的LED視位置參數(shù)點(diǎn)射PSD探測(cè)器，這比通過(guò)掃描尋找PSD在時(shí)間上快得多。即使在設(shè)備安裝和ROV的放置實(shí)際操作中存在一定的俯仰和方位偏差，只要偏差可控，該方法中的準(zhǔn)直鏡發(fā)射的激光仍然能打到PSD探測(cè)器上，因?yàn)榧す馐吘共皇且粋€(gè)理想的點(diǎn)，投射出去仍然會(huì)照到一定面積的圓。

3 應(yīng)用舉例

3.1 核電站壓力容器中ROV的定位

核電站壓力容器通常由上面的圓柱體和下面的半球構(gòu)成，在圓柱體側(cè)邊有進(jìn)水口和出水口。圖8是某核反應(yīng)堆壓力容器上半部分截面示意圖。壓力容器在一些特定位置存在焊縫。如果這些焊縫有損傷，那么在高溫高壓下繼續(xù)使用存在較大風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要對(duì)壓力容器進(jìn)行定期檢測(cè)和修護(hù)。通常水下遙控潛航器ROV必須在指定位置對(duì)焊縫處進(jìn)行超聲檢測(cè)，查看是否存在損傷缺陷。為此必須實(shí)現(xiàn)水下ROV的定位，才有可能引導(dǎo)ROV到指定位置。

這里選用本文設(shè)計(jì)的攝像激光組合云臺(tái)，該云臺(tái)可以在壓力容器周圍邊上任意地點(diǎn)放置，置于壓力容器內(nèi)壁上的ROV，保持PSD探測(cè)器和LED燈連線向下，參見圖8。這樣的布局，激光器就可用攝像機(jī)測(cè)得的方位俯仰參數(shù)照到ROV上的PSD探測(cè)器，從而確定潛器ROV的位置。

3.2 乏燃料池中ROV的定位

核電站乏燃料存儲(chǔ)池，參見圖9。其表面長(zhǎng)期處在硼酸和乏燃料的環(huán)境中，它的后面通過(guò)擴(kuò)張螺栓直接聯(lián)系著潮濕的混泥土墻，這種狀況將會(huì)導(dǎo)致鋼包層的焊縫處產(chǎn)生缺陷，需要定期檢測(cè)和維修。

對(duì)于這種長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的乏池，選用本文設(shè)計(jì)的攝像激光組合云臺(tái)，該云臺(tái)可以放在關(guān)于ROV的乏池對(duì)面邊上也可以放在側(cè)邊邊上，置于壓力容器內(nèi)壁上的ROV，只要保持PSD探測(cè)器和LED燈連線向下，激光器就可用攝像機(jī)測(cè)得的方位俯仰參數(shù)照到ROV上的PSD探測(cè)器，從而確定潛器ROV的位置。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種核電站水下光學(xué)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方法能使系統(tǒng)中ROV背上的LED燈、PSD探測(cè)器、攝像頭和激光器的準(zhǔn)直鏡四點(diǎn)構(gòu)成矩形或平行四邊形，從而使ROV上LED燈在攝像機(jī)的視位置與PSD探測(cè)器在準(zhǔn)直鏡的視位置相同。激光器可以直接利用LED燈在攝像機(jī)的視位置進(jìn)行激光掃射PSD探測(cè)器靶面?？梢钥闯觯摲椒ㄔO(shè)計(jì)的定位系統(tǒng)攝像激光云臺(tái)可以在池邊任意位置，實(shí)用性更強(qiáng)，使用范圍更廣，而且快速有效。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王俊濤，王龍，陳姝，張軍.反應(yīng)堆壓力容器接管安全端超聲檢查裝置設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械工程師，2015，1：71-73.

[2]李田生，劉志遠(yuǎn).焊接結(jié)構(gòu)現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，1999.