自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)精確引導(dǎo)系統(tǒng)標(biāo)定方法及實(shí)現(xiàn)

夏志鵬，熊 芝，2，陳海林，周維虎,2，翟中生

(1.湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北武漢 430068；2.中國(guó)科學(xué)院微電子所，北京 100094；3.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北武漢 430068)

0 引言

核反應(yīng)堆壓力容器是核電站的核心設(shè)備。由于核電站反應(yīng)堆壓力容器在制造過(guò)程中打磨或打磨不徹底，造成焊道間搭接局部產(chǎn)生夾渣缺陷，在核電站的檢查大綱中要求定期對(duì)壓力容器實(shí)施檢測(cè)。進(jìn)入在役階段后，由于受核能輻照反應(yīng)堆壓力容器會(huì)存在很高的放射性，因此反應(yīng)堆壓力容器頂蓋貫穿件的在役檢驗(yàn)必須采用自動(dòng)化檢測(cè)的方式?，F(xiàn)階段的定位手段主要采取二維碼輔助視覺(jué)定位。該定位方法定位效率和精度較低且要求操作者具有相關(guān)定位經(jīng)驗(yàn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文在核反應(yīng)堆容器檢測(cè)平臺(tái)即有的視覺(jué)定位系統(tǒng)上進(jìn)行改進(jìn)，研究了一套基于雙目視覺(jué)結(jié)合線結(jié)構(gòu)光的精確引導(dǎo)系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)該系統(tǒng)標(biāo)定中檢測(cè)探頭軸線標(biāo)定與全局坐標(biāo)系統(tǒng)一進(jìn)行重點(diǎn)研究，通過(guò)精定位偏差值的求解，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)平臺(tái)的自動(dòng)精確定位。

1 基于視覺(jué)的定位系統(tǒng)

1.1 核反應(yīng)堆容器在役檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

核反應(yīng)堆容器在役檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)主要由檢測(cè)平臺(tái)、反應(yīng)堆壓力容器頂蓋、貫穿件和定位二維碼組成，如圖1所示。貫穿件鑲嵌在核反應(yīng)堆壓力容器頂蓋中，定位二維碼記錄在役檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)待檢貫穿件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)的位置信息，檢測(cè)平臺(tái)上附有檢測(cè)裝置對(duì)貫穿件內(nèi)外缺陷進(jìn)行檢測(cè)。

圖1 核反應(yīng)堆容器在役檢測(cè)系統(tǒng)圖示

檢測(cè)平臺(tái)主要由檢測(cè)探頭、視覺(jué)定位系統(tǒng)與運(yùn)載小車組成，檢測(cè)平臺(tái)如圖2所示。其中，視覺(jué)定位系統(tǒng)為檢測(cè)探頭下兩對(duì)稱分布的監(jiān)控相機(jī)。運(yùn)載小車底部的攝像頭通過(guò)掃描定位二維碼指引運(yùn)載小車移動(dòng)到對(duì)應(yīng)的待檢貫穿件下。

圖2 檢測(cè)平臺(tái)

1.2 基于視覺(jué)的人工定位方法

開(kāi)始檢測(cè)時(shí)，檢驗(yàn)設(shè)備移動(dòng)到距離目前位置最近的定位二維碼中心，通過(guò)定位二維碼規(guī)定的x和y方向進(jìn)行位置調(diào)整，根據(jù)規(guī)劃路徑移動(dòng)到指定貫穿件下方，此時(shí)定位誤差為10～30 mm，定位二維碼如圖3所示。隨后探頭下方對(duì)稱分布的2臺(tái)監(jiān)控相機(jī)開(kāi)啟，操作員依據(jù)貫穿件相機(jī)成像進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，當(dāng)貫穿件圖像位于兩相機(jī)像平面中心即完成檢測(cè)平臺(tái)的最終定位。此定位方法要求操作者具有相關(guān)定位經(jīng)驗(yàn)且定位效率低。

圖3 定位二維碼圖

1.3 基于雙目視覺(jué)與線結(jié)構(gòu)光的精定位方法

為提高定位精度同時(shí)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)平臺(tái)的自動(dòng)定位，對(duì)既有的視覺(jué)定位系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以線結(jié)構(gòu)光來(lái)增強(qiáng)貫穿件檢測(cè)特征，設(shè)計(jì)一套雙目視覺(jué)結(jié)合線結(jié)構(gòu)光的精確引導(dǎo)系統(tǒng)。雙目相機(jī)與線結(jié)構(gòu)激光器組成的精確引導(dǎo)系統(tǒng)如圖4所示。精確引導(dǎo)系統(tǒng)安裝在檢測(cè)探頭下方適當(dāng)位置，如圖5所示。

圖4 精確引導(dǎo)系統(tǒng)

圖5 精確引導(dǎo)系統(tǒng)安裝圖

具體的，定位開(kāi)始前對(duì)精確引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，檢測(cè)平臺(tái)經(jīng)二維碼粗定位后，利用精確引導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)線結(jié)構(gòu)激光的提取擬合出待檢貫穿件軸線，計(jì)算出檢測(cè)探頭與貫穿件軸線的對(duì)中偏差值指引運(yùn)載小車完成檢測(cè)平臺(tái)定位。檢測(cè)平臺(tái)精確定位流程如圖6所示。

圖6 檢測(cè)平臺(tái)精定位流程圖

2 精確引導(dǎo)系統(tǒng)標(biāo)定

精確引導(dǎo)系統(tǒng)的標(biāo)定包括雙目相機(jī)標(biāo)定、檢測(cè)探頭軸線標(biāo)定以及全局坐標(biāo)系統(tǒng)一。其中雙目相機(jī)的標(biāo)定指的是求取相機(jī)內(nèi)外參數(shù)以及相機(jī)畸變系數(shù)的過(guò)程，采用張正友標(biāo)定法為常見(jiàn)手段。檢測(cè)探頭軸線標(biāo)定是指獲取檢測(cè)探頭在相機(jī)坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，其輸出檢測(cè)探頭的軸線為待檢貫穿件軸線測(cè)量提供對(duì)中基準(zhǔn)。全局坐標(biāo)系統(tǒng)一是指獲取相機(jī)坐標(biāo)系與運(yùn)載小車坐標(biāo)系關(guān)系的過(guò)程。檢測(cè)探頭軸線標(biāo)定和全局坐標(biāo)系統(tǒng)一是本文的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

2.1 檢測(cè)探頭軸線標(biāo)定

在進(jìn)行檢測(cè)平臺(tái)精定位過(guò)程中，需根據(jù)檢測(cè)平臺(tái)探頭與待測(cè)貫穿件軸線偏差值指引運(yùn)載小車完成精定位運(yùn)動(dòng)，所以在每次測(cè)量前需要對(duì)檢測(cè)平臺(tái)探頭軸線進(jìn)行標(biāo)定。檢測(cè)探頭如圖7所示，由于檢測(cè)探頭軸線無(wú)法直接通過(guò)雙目視覺(jué)進(jìn)行三維重建獲取，設(shè)計(jì)探頭軸線標(biāo)定輔助件如圖8所示。探頭軸線標(biāo)定輔助件直徑與檢測(cè)探頭直徑相同，在輔助件頂部不同高度設(shè)置2個(gè)平面，平面上均設(shè)有反光標(biāo)記點(diǎn)。

圖7 檢測(cè)探頭示意圖

圖8 探頭軸線標(biāo)定輔助件

進(jìn)行檢測(cè)探頭軸線標(biāo)定時(shí)，將探頭軸線標(biāo)定輔助件套在檢測(cè)探頭上，旋轉(zhuǎn)探頭軸線標(biāo)定輔助件，分別拍攝6張旋轉(zhuǎn)過(guò)程中兩個(gè)平面上反光標(biāo)記點(diǎn)的圖片，經(jīng)過(guò)圖片處理以及雙目視覺(jué)測(cè)量模型得到反光標(biāo)記點(diǎn)質(zhì)心在相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)[3-4]。

分別根據(jù)上述反光標(biāo)記點(diǎn)質(zhì)心的三維坐標(biāo)利用最小二乘法對(duì)該空間平面進(jìn)行擬合[5-7]：

(1)

(2)

解上述線性方程組得到平面方程：

z=a0x+a1y+a2

(3)

分別根據(jù)上述反光標(biāo)記點(diǎn)質(zhì)心的三維坐標(biāo)利用最小二乘法進(jìn)行球擬合：

V=∑(x2+y2+z2-Ax-By-Cz+D)2

(4)

令V最小，應(yīng)當(dāng)滿足：

(5)

采用矩陣形式表示：

(6)

i=0，1，2，3，4，5，6，得到：

(7)

通過(guò)解式(7)，得到球方程：

x2+y2+z2-Ax-By-Cz+D=0

(8)

聯(lián)立式(3)與式(8)，可以得到2個(gè)平面中反光標(biāo)記點(diǎn)質(zhì)心所在的空間圓的方程，輸出圓心O1與O2。

2.2 全局坐標(biāo)系統(tǒng)一

通過(guò)對(duì)中偏差值指引檢測(cè)平臺(tái)進(jìn)行精確定位，在進(jìn)行精確定位前需得到相機(jī)坐標(biāo)系xOcyz與運(yùn)載小車坐標(biāo)系xO1yz的轉(zhuǎn)換矩陣R與平移向量T，即完成全局坐標(biāo)系統(tǒng)一。相機(jī)視角固定無(wú)法與運(yùn)載小車坐標(biāo)系直接建立聯(lián)系，利用絕對(duì)關(guān)節(jié)臂輔助完成坐標(biāo)系統(tǒng)一[8]，如圖9所示。

圖9 全局坐標(biāo)系統(tǒng)一示意圖

全局坐標(biāo)系統(tǒng)一步驟如圖10所示，主要步驟如下：

圖10 全局坐標(biāo)系統(tǒng)一步驟圖

(1)利用絕對(duì)關(guān)節(jié)臂對(duì)運(yùn)載小車進(jìn)行探測(cè)，根據(jù)運(yùn)載小車上相互垂直的3個(gè)面建立運(yùn)載小車坐標(biāo)系，求解絕對(duì)關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)系xO2yz與運(yùn)載小車坐標(biāo)系xO1yz的旋轉(zhuǎn)矩陣R1與平移向量T1。

(2)設(shè)置4個(gè)非共線柱狀反光標(biāo)記點(diǎn)分別利用絕對(duì)關(guān)節(jié)臂以及和雙目視覺(jué)系統(tǒng)測(cè)量反光標(biāo)記點(diǎn)的質(zhì)心坐標(biāo)，通過(guò)奇異值分解得到絕對(duì)關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)系xO2yz與相機(jī)坐標(biāo)系xOcyz的轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)矩陣R2與平移向量T2[9-12]。

(3)相機(jī)坐標(biāo)系xOcyz中點(diǎn)A在運(yùn)載小車坐標(biāo)系xO1yz下坐標(biāo)B為：

B=R2(R1A+T1)+T2

(9)

3 精定位偏差值測(cè)量

3.1 貫穿件軸線擬合

采用線結(jié)構(gòu)光增強(qiáng)待檢貫穿件的特征，進(jìn)行貫穿件軸線測(cè)量時(shí)，依次打開(kāi)3個(gè)激光器，雙目視覺(jué)系統(tǒng)采集3組激光器單獨(dú)打開(kāi)時(shí)在待檢貫穿件表面形成激光的圖像，如圖11所示。對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理，將提取的目標(biāo)激光采用極線約束[13-15]進(jìn)行同名點(diǎn)匹配，結(jié)合相機(jī)內(nèi)外參數(shù)獲取3組空間在相機(jī)坐標(biāo)系下的三維點(diǎn)云[16-20]。

(a)左目激光

由檢測(cè)探頭軸線與待檢貫穿件軸線均為豎直，根據(jù)2.1中檢測(cè)探頭軸線得到貫穿件軸線的法平面為：

xL1x+yL1y+zL1z+m=0

(10)

當(dāng)m=0時(shí)，該法平面α經(jīng)過(guò)相機(jī)坐標(biāo)系的原點(diǎn)，根據(jù)點(diǎn)到平面的距離公式求得三維點(diǎn)云中所有點(diǎn)到平面α的最大距離Dmax與最小距離Dmin。

令Dmax≤m≤Dmin，且m按梯度1增加，得到每個(gè)平面與三維點(diǎn)云的交點(diǎn)。當(dāng)平面與三維點(diǎn)云交點(diǎn)大于等于4個(gè)時(shí)，采用2.1中的空間圓擬合算法求得每個(gè)平面中空間圓的圓心，對(duì)所有圓心采用最小二乘法進(jìn)行擬合得到待檢貫穿件軸線L1。

3.2 求解對(duì)中偏差值

根據(jù)兩點(diǎn)式求出探頭軸線L2方程為：

(11)

取擬合出的貫穿件軸線L1的重心P1，P1到探頭軸線垂足為P2。對(duì)中偏差值ΔX,ΔY為：

(12)

式中R1、R2分別為絕對(duì)關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)系與小車坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系與絕對(duì)關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)方法

為驗(yàn)證本文精確定位分系統(tǒng)的測(cè)量精度，在核反應(yīng)堆容器模擬檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。待檢貫穿件下端面圓直徑為172 mm，精確引導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)量距離為300～500 mm，為保證測(cè)量需求選擇8 mm焦距，500萬(wàn)像素的工業(yè)相機(jī)以及波長(zhǎng)860 nm、線長(zhǎng)1 m，功率10 mW的一字線結(jié)構(gòu)激光器。

定位二維碼的粗定位誤差為10～30 mm，本次實(shí)驗(yàn)采用精確引導(dǎo)系統(tǒng)分別對(duì)貫穿件進(jìn)行16次定位實(shí)驗(yàn)。使用絕對(duì)關(guān)節(jié)臂與精確定位分系統(tǒng)分別測(cè)量檢測(cè)探頭軸線與待檢貫穿件軸線距離K1與K2，用|K1-K2|來(lái)評(píng)價(jià)精確引導(dǎo)系統(tǒng)的測(cè)量精度。本文采用6軸絕對(duì)關(guān)節(jié)臂，該絕對(duì)關(guān)節(jié)臂量程范圍是1.2～2.5 m，測(cè)量精度為0.001 mm。

圖12 核反應(yīng)堆容器檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)圖

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)2節(jié)提出的方法對(duì)精確引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 精確引導(dǎo)系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果

利用精確引導(dǎo)系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)對(duì)待檢貫穿件表面經(jīng)圖像篩選后的線結(jié)構(gòu)光進(jìn)行三維重建，根據(jù)貫穿件軸線擬合算法得到貫穿件軸線三維點(diǎn)云如圖13所示。二維碼定位后，精確引導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)量誤差見(jiàn)表2。

圖13 三維點(diǎn)云恢復(fù)圖

表2 精確引導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)量比對(duì)誤差 mm

則測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

(13)

取3倍的置信區(qū)間，則精確引導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)量精度為0.897 mm。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)原視覺(jué)定位系統(tǒng)定位效率低、無(wú)法自動(dòng)定位的問(wèn)題，對(duì)視覺(jué)定位系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，在即有的定位平臺(tái)上搭建了雙目視覺(jué)結(jié)合線結(jié)構(gòu)光的精確引導(dǎo)系統(tǒng)，通過(guò)精確引導(dǎo)系統(tǒng)的標(biāo)定以及偏差值測(cè)量完成檢測(cè)平臺(tái)的精確定位。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文方法的有效性。

(1)提出了一種雙目視覺(jué)結(jié)合線結(jié)構(gòu)光的核反應(yīng)堆容器檢測(cè)平臺(tái)精確定位方法，解決了原視覺(jué)定位方法中需要人工輔助、定位精度低的問(wèn)題。

(2)研究了精確引導(dǎo)系統(tǒng)標(biāo)定方法。測(cè)量前通過(guò)擬合測(cè)量探頭軸線上不同高度空間圓的方法對(duì)探頭軸線進(jìn)行標(biāo)定，并利用關(guān)節(jié)臂建立相機(jī)坐標(biāo)系和檢測(cè)平臺(tái)坐標(biāo)系之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了坐標(biāo)系的統(tǒng)一。

(3)在模擬檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)本文所提方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提精確定位方法測(cè)量精度可達(dá)0.897 mm。

(4)該方法在模擬檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)得到了可行性驗(yàn)證，若應(yīng)用于在役環(huán)境中，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況進(jìn)一步優(yōu)化圖像處理算法的適應(yīng)性，全局坐標(biāo)系的統(tǒng)一方法也可進(jìn)一步簡(jiǎn)化。