謝晨江， 許小進(jìn)

（國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海200233）

0 引 言

核電站運(yùn)行期間，堆芯燃料組件長期處于高溫、高壓惡劣環(huán)境，受上部堆內(nèi)構(gòu)件約束，堆芯燃料組件正常間距約2 mm。電站停堆后，上部堆內(nèi)構(gòu)件移除后，組件上端上管座處于自由無約束狀態(tài)，上管座間距與正常值有一定偏差。間距異常的組件在卸料過程中容易磕碰周圍組件，使得裝卸料機(jī)載荷出現(xiàn)異常，從而影響核電廠卸料關(guān)鍵路徑；組件復(fù)堆后，間距異常的組件也會(huì)影響上部堆內(nèi)構(gòu)件回裝，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致上部堆內(nèi)構(gòu)件與燃料組件卡死，給下一次卸料造成較大風(fēng)險(xiǎn)。為了降低組件磕碰風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化核電廠卸料工藝，有必要對即將卸料的堆芯燃料組件進(jìn)行間距識別，以評估組件堆芯分布情況，為下一步燃料組件轉(zhuǎn)運(yùn)提供參考數(shù)據(jù)。本文結(jié)合組件燃料組件上管座特征和堆芯布置圖建立堆芯組件間距測量模型，基于單目視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)模擬組件間距進(jìn)行測量，為堆芯組件間距測量提供思路和方法。

1 單目視覺測量原理

1.1 攝像機(jī)數(shù)學(xué)模型

攝像機(jī)單目視覺測量基于小孔成像模型，本質(zhì)是通過4種坐標(biāo)系的換算求解出像素坐標(biāo)在三維世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)[1-2]。選擇模擬堆芯平面圖為待測面OwXwYwZw，Zw軸為垂直O(jiān)wXwYw面豎直向上建立世界坐標(biāo)系OwXwYwZw；選擇攝像機(jī)光軸中心為原點(diǎn)，建立攝像機(jī)坐標(biāo)系OcXcYcZc，Zc軸方向平行攝像機(jī)光軸，并以攝像機(jī)光軸指向景物方向?yàn)檎较颍粓D像物理坐標(biāo)系（x，y）是以光軸與像平面的交點(diǎn)為原點(diǎn)，以毫米為單位的二維坐標(biāo)系；圖像像素坐標(biāo)系（u，v）是以圖像左上角為原點(diǎn)，以像素為坐標(biāo)單位的二維坐標(biāo)系，u、v分別表示像素在數(shù)字圖像中的列數(shù)和行數(shù)。單目視覺坐標(biāo)系[3-5]如圖1所示。

1.2 攝像機(jī)數(shù)學(xué)模型參數(shù)

將光軸中心線在成像平面交點(diǎn)的圖像坐標(biāo)記為（u0，v0），則圖像點(diǎn)（u，v）在圖像物理坐標(biāo)系下對應(yīng)坐標(biāo)（x2，y2）換算表達(dá)式為：

圖1 單目視覺坐標(biāo)系

式中：R3×3為坐標(biāo)系間對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣；P1×3為對應(yīng)的平移向量；Mw為攝像機(jī)外參矩陣。

如果考慮鏡頭切向和徑向畸變，則攝像機(jī)數(shù)學(xué)模型需要求解的參數(shù)共有4種：攝像機(jī)內(nèi)參，攝像機(jī)外參，攝像機(jī)鏡頭切向畸變和攝像機(jī)鏡頭徑向畸變。參數(shù)求解采用標(biāo)定法求解，即在相機(jī)成像空間盡可能地拍攝標(biāo)定用的標(biāo)準(zhǔn)圖像[6-8]，通常為黑白棋 盤 格（如圖2）。計(jì)算結(jié)果示意如圖3所示。

圖2 攝像機(jī)標(biāo)定用圖片

圖3 重投影誤差

2 模擬堆芯測量前準(zhǔn)備

2.1 模擬堆芯測試平臺(tái)搭建

某大型先進(jìn)壓水堆核電站堆芯處有157組燃料組件，燃料組件頂部為上管座，上管座特征如圖4所示。為模擬整個(gè)堆芯燃料組件分布并結(jié)合軟件算法開發(fā)，選擇上管座邊緣輪廓和S孔作為特征識別點(diǎn)繪制堆芯模擬平面圖。為檢測算法測量精度，設(shè)置M11、F10、L6、F5等4個(gè)驗(yàn)證工位，M11工位X向偏移理想位置為4.5 mm，Y 向偏離理想位置為-2.5 mm；F10工位X向偏移理想位置為-2 mm，Y向偏離理想位置為1 mm；L6工位X向偏移理想位置為-3 mm，Y 向偏離理想位置為2 mm；F5工位X向偏移理想位置為-1 mm，Y向偏離理想位置為-1 mm。攝像機(jī)放置于堆芯模擬平面圖正上方1 m處，相機(jī)支撐框架采用鋁型材搭建，如圖5所示。組件間距測量時(shí)，通過移動(dòng)攝像機(jī)，取得組件上表面圖像，通過標(biāo)定數(shù)據(jù)對圖像進(jìn)行矯正和坐標(biāo)變換，然后通過識別算法，識別出組件上表面的S-hole特征，最后計(jì)算出相鄰組件之間的間距。攝像機(jī)采用Sony公司200萬像素CCD攝像機(jī)。

2.2 圖形化顯示界面設(shè)計(jì)

QT 是一個(gè)多平臺(tái)的圖形用戶界面開發(fā)框架，其獨(dú)特的信號與槽機(jī)制為圖形用戶界面開發(fā)提供極大的便利。這里選擇QT 作為組件間距測量上位機(jī)界面開發(fā)平臺(tái)，上位機(jī)測量顯示界面分為視頻顯示區(qū)、組件工位選擇提示區(qū)、圖片采集區(qū)和數(shù)據(jù)分析及顯示區(qū)，程序主要設(shè)計(jì)流程如圖6 所示。

圖4 組件上管座示意圖

圖5 測試平臺(tái)示意圖

圖6 程序流程圖

3 模擬堆芯組件間距測量結(jié)果及分析

在堆芯復(fù)查期間，核電站換料人員關(guān)心燃料組件間距和組件高差數(shù)值。通過組件間距數(shù)值監(jiān)控，可以判斷堆內(nèi)上部構(gòu)件回裝是否合適；通過組件高差數(shù)值監(jiān)控，可以判斷組件變形或堆芯下支撐板異物存在等情況。這里通過模擬堆芯實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對模擬組件間距和相對高差進(jìn)行測量并對結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 驗(yàn)證工位測量結(jié)果

人為對4 個(gè)驗(yàn)證工位進(jìn)行偏移，用于檢測并驗(yàn)證算法測量精度。4 個(gè)工位間距的測量結(jié)果如圖7 所示。

圖7 M11、F10、L6、F5 工位測量結(jié)果圖

工位的誤差如表1 所示。從圖表中可以看出，4 個(gè)工位的平均誤差為0.15 mm，最大誤差為0.42 mm。因此，工位的測量值不論是平均誤差還是最大誤差均在允許范圍之內(nèi)。

表1 M11、F10、L6、F5工位誤差 mm

3.2 全部組件間距測量結(jié)果及分析

除了4 個(gè)驗(yàn)證工位外，其它工位的間距均為設(shè)計(jì)的模擬平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)間距6 mm，測量算法計(jì)算出全部工位間距，以第22 步計(jì)算為例，結(jié)果顯示如圖8 所示。按照單工位4 個(gè)間距值編號，共計(jì)識別測量628個(gè)間距值, 全部工位的測量誤差如圖9 所示。

圖8 第22 步模擬工位測量間距顯示示意圖

圖9 全部工位間距測量誤差

通過全部工位的間距數(shù)據(jù)分析可以看出，間距誤差在0.42 mm 以內(nèi)，平均誤差為0.035 mm。全部工位測量間距誤差在允許范圍之內(nèi)。

3.3 組件高差計(jì)算結(jié)果及分析

單目攝像機(jī)一般無法通過圖像獲取到準(zhǔn)確的深度方向值，由于組件表面的S-hole 的間距保持不變，因此可以通過組件表面S-hole 的標(biāo)準(zhǔn)間距，得到攝像機(jī)的外部參數(shù)，從而計(jì)算得出組件相對高差。通過模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，基于上述已驗(yàn)證計(jì)算模型得到各工位相對高差值分布，如圖10所示。

圖10 組件表面相對高度測量值分布

從計(jì)算的數(shù)據(jù)可以看出，157 個(gè)工位的組件表面相對高度最大為1.5mm，計(jì)算得到的高度值呈馬鞍形分布，且主要集中在-0.5～0.5 mm 區(qū)間內(nèi)，這與實(shí)際堆芯模擬圖變形趨勢一致。

4 結(jié) 論

本文實(shí)現(xiàn)了一種可用于堆芯燃料組件間距和高差測量的單目視覺測量方法。為驗(yàn)證該測量方法的精度，搭建測試平臺(tái)，按照比例繪制模擬堆芯圖。攝像機(jī)按照規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)軌跡獲取到模擬堆芯圖片，通過標(biāo)定求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)、外參數(shù)和畸變參數(shù)，將校正參數(shù)代入攝像機(jī)數(shù)學(xué)模型并對拍攝圖片進(jìn)行匹配，通過算法求解出相鄰組件上管座間距。間距測量最大誤差在0.5 mm 以內(nèi)，平均誤差在0.1 mm 以內(nèi)，驗(yàn)證了堆芯復(fù)查期間通過單目視覺測量燃料組件間距可行性。在已驗(yàn)證計(jì)算模型下進(jìn)一步計(jì)算得出各組件高差值分布，為堆芯安全運(yùn)行提供定量數(shù)據(jù)參考。