熊 芝，夏志鵬，陳海林，周維虎，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

核電站反應(yīng)堆壓力容器是核電站最重要的設(shè)備之一。在核電站反應(yīng)堆壓力容器的役前與在役檢查大綱中，要求必須對(duì)壓力容器頂蓋中的貫穿件焊縫實(shí)施定期檢測(cè)。反應(yīng)堆壓力容器頂蓋在進(jìn)入在役階段后，因受到核能輻照會(huì)存在很高的放射性而變成紅區(qū)，人員無(wú)法直接停留在反應(yīng)堆壓力容器頂蓋下方。因此，反應(yīng)堆壓力容器頂蓋堆焊管、座焊縫及貫穿件焊縫的在役檢驗(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人工微調(diào)，該定位方法要求操作者具有一定經(jīng)驗(yàn)，定位效率和精度較低。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文在核反應(yīng)堆容器檢測(cè)平臺(tái)即有的定位系統(tǒng)上，提出一種基于視覺(jué)的精確定位方法。該方法重點(diǎn)研究精確定位分系統(tǒng)設(shè)計(jì)、線(xiàn)結(jié)構(gòu)激光提取、貫穿件軸線(xiàn)擬合以及對(duì)中偏差值的求解，可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)平臺(tái)的自動(dòng)精確定位。

1 核反應(yīng)堆容器在役檢測(cè)系統(tǒng)組成

核反應(yīng)堆容器在役檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)主要由反應(yīng)堆壓力容器頂蓋、貫穿件、定位二維碼和檢測(cè)平臺(tái)組成，如圖1 所示。反應(yīng)堆壓力容器頂蓋中的貫穿件為檢測(cè)對(duì)象，每根貫穿件與唯一一個(gè)定位二維碼對(duì)應(yīng)，檢測(cè)平臺(tái)定位后對(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)

檢測(cè)平臺(tái)的底部安裝攝像頭，每個(gè)定位二維碼記錄待檢貫穿端面圓與運(yùn)載小車(chē)檢測(cè)時(shí)的位置信息。開(kāi)始檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)平臺(tái)根據(jù)記錄的二維碼位置移動(dòng)到對(duì)應(yīng)的待檢貫穿件端面圓下，定位誤差為10～25 mm。隨后檢驗(yàn)設(shè)備依靠探頭上對(duì)稱(chēng)分布的兩攝像頭監(jiān)控成像輔助人眼觀(guān)察進(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。但該方法尚未脫離人工干預(yù)，無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)檢測(cè)的要求。

2 基于機(jī)器視覺(jué)的精確定位方法

2.1 精確定位分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)方法可以大大提高定位效率和定位的自動(dòng)化程度，因此本文設(shè)計(jì)一套基于機(jī)器視覺(jué)的精確定位分系統(tǒng)，以提高檢測(cè)平臺(tái)的定位精度與定位效率。精確定位分系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量檢測(cè)探頭與待檢貫穿件軸線(xiàn)偏差值，指引運(yùn)載小車(chē)完成檢測(cè)平臺(tái)的定位運(yùn)動(dòng)。檢測(cè)平臺(tái)精確定位流程如圖2 所示。

圖2 檢測(cè)平臺(tái)精確定位流程

為增強(qiáng)被測(cè)特征并提高測(cè)量精度，文中采用線(xiàn)結(jié)構(gòu)光結(jié)合雙目視覺(jué)的定位方法。CCD 相機(jī)與線(xiàn)結(jié)構(gòu)激光器組成的精確定位分系統(tǒng)如圖3 所示。精確定位分系統(tǒng)以一固定傾角安裝在檢測(cè)探頭下方，如圖4 所示。

圖3 精確定位分系統(tǒng)

圖4 檢測(cè)平臺(tái)

2.2 精確定位分系統(tǒng)布局

2.2.1 相機(jī)布局

2 個(gè)CCD 相機(jī)處在同一平面內(nèi)且與垂直面呈一定夾角，相機(jī)光軸與基線(xiàn)呈一定夾角，當(dāng)檢測(cè)探頭處于正下方時(shí)，待檢貫穿件圖像位于兩相機(jī)像平面中心，相機(jī)布局如圖5 所示。為保證測(cè)量精度的同時(shí)滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)尺寸要求，相機(jī)基線(xiàn)的長(zhǎng)度調(diào)整范圍為150～250 mm。

圖5 相機(jī)布局

2.2.2 線(xiàn)結(jié)構(gòu)光布局

單個(gè)線(xiàn)結(jié)構(gòu)激光器在貫穿件表面形成的圖像如圖6a）～圖6c）所示。由圖可知，線(xiàn)結(jié)構(gòu)光未能與貫穿件上端面圓相交，經(jīng)過(guò)三維重建后未能完全體現(xiàn)出整個(gè)貫穿件的幾何特性。

圖6 貫穿件表面激光圖

根據(jù)貫穿件上端面圓直徑與粗定位偏差，對(duì)線(xiàn)結(jié)構(gòu)激光方向與排布間距進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的圖像如圖6d）所示。這種方法可保證在最大偏差內(nèi)貫穿件表面線(xiàn)結(jié)構(gòu)光能反映完整的幾何特性，也便于后續(xù)線(xiàn)結(jié)構(gòu)光三維重建。線(xiàn)結(jié)構(gòu)光方向如圖7 所示。

圖7 線(xiàn)結(jié)構(gòu)光方向

2.3 精確定位分系統(tǒng)標(biāo)定

精確定位分系統(tǒng)標(biāo)定包括雙目相機(jī)標(biāo)定、相機(jī)與檢測(cè)平臺(tái)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換以及檢測(cè)探頭軸線(xiàn)標(biāo)定。其中，雙目相機(jī)標(biāo)定采用張正友標(biāo)定法為常見(jiàn)手段，相機(jī)與檢測(cè)平臺(tái)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換可借助絕對(duì)關(guān)節(jié)臂輔助完成。檢測(cè)探頭軸線(xiàn)為檢測(cè)平臺(tái)精確定位的對(duì)中基準(zhǔn)，由于檢測(cè)探頭軸線(xiàn)無(wú)法直接通過(guò)雙目視覺(jué)進(jìn)行三維重建獲取，所以本文設(shè)計(jì)探頭軸線(xiàn)標(biāo)定輔助件，如圖8 所示。

圖8 探頭軸線(xiàn)標(biāo)定輔助件

圖8 中探頭軸線(xiàn)標(biāo)定輔助件伸出的兩平面上貼有反光標(biāo)記點(diǎn)，輔助件旋轉(zhuǎn)軌跡圓圓心連線(xiàn)即為檢測(cè)探頭軸線(xiàn)。

3 貫穿件軸線(xiàn)的測(cè)量

采用線(xiàn)結(jié)構(gòu)光增強(qiáng)待檢貫穿件的特征。進(jìn)行貫穿件軸線(xiàn)測(cè)量時(shí)，依次打開(kāi)激光器，雙目視覺(jué)系統(tǒng)采集激光器單獨(dú)打開(kāi)時(shí)在待檢貫穿件表面形成激光的圖像；再對(duì)處理后的圖像進(jìn)行三維點(diǎn)云恢復(fù)，采用平面切割法擬合貫穿件軸線(xiàn)。貫穿件軸線(xiàn)測(cè)量步驟如圖9 所示。

圖9 貫穿件軸線(xiàn)測(cè)量步驟

3.1 目標(biāo)激光提取

利用線(xiàn)結(jié)構(gòu)激光器對(duì)貫穿件進(jìn)行照射時(shí)，貫穿件表面反光造成相機(jī)采集的圖像當(dāng)中存在許多雜質(zhì)激光，通過(guò)圖像處理算法對(duì)目標(biāo)激光進(jìn)行篩選。線(xiàn)結(jié)構(gòu)光圖像處理 步驟如圖10 所示。

圖10 線(xiàn)結(jié)構(gòu)光圖像處理步驟

圖像采集后，對(duì)激光圖像進(jìn)行預(yù)處理以消除激光圖像中的噪聲，恢復(fù)有用的真實(shí)信息增強(qiáng)目標(biāo)激光的可檢測(cè)性。由于貫穿件表面不均、磨損以及相機(jī)拍攝角度不同，經(jīng)線(xiàn)結(jié)構(gòu)光圖像預(yù)處理后存在激光區(qū)域斷裂的現(xiàn)象。根據(jù)同一線(xiàn)結(jié)構(gòu)光在相機(jī)中傾斜弧度相同，設(shè)置最大連接距離對(duì)斷裂區(qū)域進(jìn)行連接。目標(biāo)激光為同一線(xiàn)結(jié)構(gòu)激光器發(fā)出，故外接矩形傾角差mod 應(yīng)該滿(mǎn)足20°>mod 或mod>160°。由分析需提取的目標(biāo)區(qū)域可知，最大有效區(qū)域即為所需的提取目標(biāo)區(qū)域之一，由此完成對(duì)線(xiàn)結(jié)構(gòu)激光的圖像提取。提取結(jié)果如圖11 所示。

圖11 激光圖像處理效果

3.2 平面切割法擬合貫穿件軸線(xiàn)

對(duì)雙目相機(jī)采集的圖像進(jìn)行處理后，采用極線(xiàn)約束進(jìn)行同名點(diǎn)匹配，結(jié)合相機(jī)內(nèi)外參數(shù)獲取3 組線(xiàn)結(jié)構(gòu)光在相機(jī)坐標(biāo)系下的三維點(diǎn)云。采用平面切割法對(duì)貫穿件軸線(xiàn)進(jìn)行擬合，擬合過(guò)程如圖12 所示。

圖12 平面切割法擬合貫穿件軸線(xiàn)

由于檢測(cè)探頭軸線(xiàn)與待檢貫穿件軸線(xiàn)均為豎直，根據(jù)第2.2 節(jié)中的檢測(cè)探頭軸線(xiàn)得到貫穿件軸線(xiàn)的法平面為：

當(dāng)=0 時(shí)，該法平面經(jīng)過(guò)相機(jī)坐標(biāo)系-的原點(diǎn)，根據(jù)式（3）求得3 組三維點(diǎn)云（和代表其中一組線(xiàn)結(jié)構(gòu)光透過(guò)貫穿件端面圓后的三維點(diǎn)云）中所有點(diǎn)到平面的最大距離與最小距離，如下：

令≤≤，且按梯度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(xiàn)。

3.3 對(duì)中偏差值解算

檢測(cè)探頭與貫穿件軸線(xiàn)在檢測(cè)平臺(tái)坐標(biāo)系中，方向的偏差即為對(duì)中偏差值。

根據(jù)兩點(diǎn)式求出探頭軸線(xiàn)方程為：

取擬合的貫穿件軸線(xiàn)的重心，則點(diǎn)到探頭軸線(xiàn)垂足為：

式中：

垂足與貫穿件軸線(xiàn)重心通過(guò)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換得到點(diǎn)與，表示為：

式中，，代表相機(jī)坐標(biāo)系與檢測(cè)平臺(tái)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。指引運(yùn)動(dòng)平臺(tái)完成定位的對(duì)中偏差值為：

4 模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)方法

為驗(yàn)證本文精確定位分系統(tǒng)的有效性，在核反應(yīng)堆容器模擬檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖13 所示。待檢貫穿件下端面圓直徑為172 mm，精確定位分系統(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(xiàn)長(zhǎng)1 m、功率10 mW 的一字線(xiàn)結(jié)構(gòu)激光器。

圖13 核反應(yīng)堆容器檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

采用精確定位分系統(tǒng)分別對(duì)貫穿件進(jìn)行16 次定位實(shí)驗(yàn)。令絕對(duì)關(guān)節(jié)臂測(cè)量檢測(cè)探頭軸線(xiàn)與待檢貫穿件軸線(xiàn)距離為，用來(lái)評(píng)價(jià)精確定位系統(tǒng)的最終定位效果。本文采用海克斯康6 軸絕對(duì)關(guān)節(jié)臂，該絕對(duì)關(guān)節(jié)臂量程范圍為1.2～2.5 m，測(cè)量精度為0.001 mm。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)待檢貫穿件表面線(xiàn)結(jié)構(gòu)光的圖像處理經(jīng)三維重建，得到待檢貫穿件軸線(xiàn)的三維點(diǎn)云，根據(jù)平面切割法擬合貫穿件軸線(xiàn)，貫穿件軸線(xiàn)擬合的三維點(diǎn)云如圖14所示。

圖14 三維點(diǎn)云恢復(fù)圖

檢測(cè)平臺(tái)根據(jù)精確定位分系統(tǒng)測(cè)量出的對(duì)中偏差值進(jìn)行定位運(yùn)動(dòng)，待精定位完成后，利用絕對(duì)關(guān)節(jié)臂測(cè)量貫穿件軸線(xiàn)與探頭軸線(xiàn)距離，結(jié)果如表1 所示。

表1 精確定位分系統(tǒng)定位誤差 mm

檢測(cè)平臺(tái)經(jīng)過(guò)精確定位后的誤差分布如圖15所示。

由圖15 可知，在16 次定位實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)探頭與待檢貫穿件軸線(xiàn)的對(duì)中偏差可控制在2.6 mm 以?xún)?nèi)，定位誤差平均值為1.6 mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的精確定位分系統(tǒng)具備完成檢測(cè)平臺(tái)定位任務(wù)的能力。

圖15 精確定位分系統(tǒng)定位誤差分布曲線(xiàn)

5 結(jié) 論

本文提出一種雙目視覺(jué)結(jié)合線(xiàn)結(jié)構(gòu)光的精確定位方法，在即有的定位平臺(tái)上搭建精確定位分系統(tǒng)，通過(guò)精確定位分系統(tǒng)的標(biāo)定以及待檢貫穿件軸線(xiàn)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)證本文方法的有效性。

本文研究得出的主要結(jié)論如下：

1）提出一種基于機(jī)器視覺(jué)的核反應(yīng)堆容器檢測(cè)平臺(tái)精確定位方法，解決現(xiàn)有定位方法中需要人工操作、定位精度低的問(wèn)題。

2）對(duì)精確定位分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)相機(jī)與線(xiàn)結(jié)構(gòu)激光布局進(jìn)行分析，同時(shí)實(shí)現(xiàn)精確定位分系統(tǒng)的標(biāo)定。

3）通過(guò)對(duì)目標(biāo)激光提取以及基于三維點(diǎn)云的特征擬合，利用平面切割法方法實(shí)現(xiàn)貫穿件軸線(xiàn)測(cè)量。

4）在模擬檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)本文所提方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出的精確定位方法定位偏差絕對(duì)值可控制在2.6 mm 以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)要求定位偏差小于5 mm 的要求。