学术咨询服务正当时学报期刊咨询网是专业的学术咨询服务平台！
发布时间：2022-03-16 10:41所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次
摘要：针对现阶段核反应堆容器检测平台无法实现全自动定位、定位精度低等问题，文中提出一种基于机器视觉的精确定位方法。首先结合定位特征、测量环境及定位需求设计精确定位分系统，并对定位分系统的布局进行优化调整;其次利用空间圆拟合与SVD实现探头轴线的标定和
摘要：针对现阶段核反应堆容器检测平台无法实现全自动定位、定位精度低等问题，文中提出一种基于机器视觉的精确定位方法。首先结合定位特征、测量环境及定位需求设计精确定位分系统，并对定位分系统的布局进行优化调整;其次利用空间圆拟合与SVD实现探头轴线的标定和检测平台全局坐标系的统一;然后通过图像筛选与特征拟合，采用平面切割法实现贯穿件轴线的测量，在此基础上计算出探头轴线的对中偏差值，并转化到运载小车坐标系下，驱动小车进行精确定位;最后在模拟检测现场对该方法的定位性能进行实验验证。结果表明，精确定位分系统的定位误差可控制在2.6mm以内，说明文中的设计方法可提高检测平台的定位效率，满足检测现场的定位要求。
关键词：核反应堆;机器视觉;线结构光;SVD分解;特征拟合;平面切割;对中偏差;精确定位
引言
核电站反应堆压力容器是核电站最重要的设备之一。在核电站反应堆压力容器的役前与在役检查大纲中，要求必须对压力容器顶盖中的贯穿件焊缝实施定期检测。反应堆压力容器顶盖在进入在役阶段后，因受到核能辐照会存在很高的放射性而变成红区，人员无法直接停留在反应堆压力容器顶盖下方。因此，反应堆压力容器顶盖堆焊管、座焊缝及贯穿件焊缝的在役检验必须采用自动化检测的方式。
现阶段的定位手段主要采取二维码辅助人工微调，该定位方法要求操作者具有一定经验，定位效率和精度较低。针对上述问题，本文在核反应堆容器检测平台即有的定位系统上，提出一种基于视觉的精确定位方法。该方法重点研究精确定位分系统设计、线结构激光提取、贯穿件轴线拟合以及对中偏差值的求解，可实现检测平台的自动精确定位。
1核反应堆容器在役检测系统组成
核反应堆容器在役检测现场主要由反应堆压力容器顶盖、贯穿件、定位二维码和检测平台组成。反应堆压力容器顶盖中的贯穿件为检测对象，每根贯穿件与唯一一个定位二维码对应，检测平台定位后对贯穿件内外缺陷进行检测。检测平台的底部安装摄像头，每个定位二维码记录待检贯穿端面圆与运载小车检测时的位置信息。
开始检测时，检测平台根据记录的二维码位置移动到对应的待检贯穿件端面圆下，定位误差为10~25mm。随后检验设备依靠探头上对称分布的两摄像头监控成像辅助人眼观察进行手动调整，当贯穿件图像位于两相机像平面中心即完成检测平台的最终定位。但该方法尚未脱离人工干预，无法满足现场自动检测的要求。
2基于机器视觉的精确定位方法
2.1精确定位分系统设计
用机器视觉检测方法可以大大提高定位效率和定位的自动化程度，因此本文设计一套基于机器视觉的精确定位分系统，以提高检测平台的定位精度与定位效率。精确定位分系统通过测量检测探头与待检贯穿件轴线偏差值，指引运载小车完成检测平台的定位运动。为增强被测特征并提高测量精度，文中采用线结构光结合双目视觉的定位方法。CCD相机与线结构激光器组成的精确定位分系统。精确定位分系统以一固定倾角安装在检测探头下方。
2.2精确定位分系统布局
2.2.1相机布局
2个CCD相机处在同一平面内且与垂直面呈一定夹角φ，相机光轴与基线呈一定夹角ψ，当检测探头处于正下方时，待检贯穿件图像位于两相机像平面中心。为保证测量精度的同时满足现场尺寸要求，相机基线的长度调整范围为150~250mm。
2.2.2线结构光布局
单个线结构激光器在贯穿件表面形成的图像。线结构光未能与贯穿件上端面圆相交，经过三维重建后未能完全体现出整个贯穿件的几何特性。根据贯穿件上端面圆直径与粗定位偏差，对线结构激光方向与排布间距进行调整，调整后的图像。这种方法可保证在最大偏差内贯穿件表面线结构光能反映完整的几何特性，也便于后续线结构光三维重建。线结构光方向如图7所示。
2.3精确定位分系统标定
精确定位分系统标定包括双目相机标定、相机与检测平台坐标系转换以及检测探头轴线标定。其中，双目相机标定采用张正友标定法为常见手段，相机与检测平台坐标系转换可借助绝对关节臂辅助完成。检测探头轴线为检测平台精确定位的对中基准，由于检测探头轴线无法直接通过双目视觉进行三维重建获取，所以本文设计探头轴线标定辅助件。
3贯穿件轴线的测量
采用线结构光增强待检贯穿件的特征。进行贯穿件轴线测量时，依次打开激光器，双目视觉系统采集激光器单独打开时在待检贯穿件表面形成激光的图像;再对处理后的图像进行三维点云恢复，采用平面切割法拟合贯穿件轴线。
3.1目标激光提取
利用线结构激光器对贯穿件进行照射时，贯穿件表面反光造成相机采集的图像当中存在许多杂质激光，通过图像处理算法对目标激光进行筛选。图像采集后，对激光图像进行预处理以消除激光图像中的噪声，恢复有用的真实信息增强目标激光的可检测性。
由于贯穿件表面不均、磨损以及相机拍摄角度不同，经线结构光图像预处理后存在激光区域断裂的现象。根据同一线结构光在相机中倾斜弧度相同，设置最大连接距离对断裂区域进行连接。目标激光为同一线结构激光器发出，故外接矩形倾角差mod应该满足20°>mod或mod>160°。由分析需提取的目标区域可知，最大有效区域即为所需的提取目标区域之一，由此完成对线结构激光的图像提取。
3.2平面切割法拟合贯穿件轴线
对双目相机采集的图像进行处理后，采用极线约束[4⁃5]进行同名点匹配，结合相机内外参数获取3组线结构光在相机坐标系下的三维点云。
4模拟现场实验
4.1实验方法
为验证本文精确定位分系统的有效性，在核反应堆容器模拟检测现场进行实验。待检贯穿件下端面圆直径为172mm，精确定位分系统测量距离为300～500mm，为保证测量需求，选择8mm焦距，500万像素的工业相机，以及波长860nm、线长1m、功率10mW的一字线结构激光器。
采用精确定位分系统分别对贯穿件进行16次定位实验。令绝对关节臂测量检测探头轴线与待检贯穿件轴线距离为K1，用K1来评价精确定位系统的最终定位效果。本文采用海克斯康6轴绝对关节臂，该绝对关节臂量程范围为1.2～2.5m，测量精度为0.001mm。
4.2实验结果
对待检贯穿件表面线结构光的图像处理经三维重建，得到待检贯穿件轴线的三维点云，根据平面切割法拟合贯穿件轴线。
5结论
本文提出一种双目视觉结合线结构光的精确定位方法，在即有的定位平台上搭建精确定位分系统，通过精确定位分系统的标定以及待检贯穿件轴线测量完成检测平台的精确定位。最后通过实验验证本文方法的有效性。本文研究得出的主要结论如下：
1)提出一种基于机器视觉的核反应堆容器检测平台精确定位方法，解决现有定位方法中需要人工操作、定位精度低的问题。2)对精确定位分系统结构进行设计，并对相机与线结构激光布局进行分析，同时实现精确定位分系统的标定。3)通过对目标激光提取以及基于三维点云的特征拟合，利用平面切割法方法实现贯穿件轴线测量。4)在模拟检测现场对本文所提方法进行实验验证。实验结果表明，本文所提出的精确定位方法定位偏差绝对值可控制在2.6mm以内，满足现场要求定位偏差小于5mm的要求。
参考文献
[1]杨凡，李广云，王力，等.一种基于罗德里格矩阵的最小二乘迭代坐标转换方法[J].工程勘察，2010，38(9)：80⁃84.
[2]苏小勤，熊显名.快速线结构光中心提取算法[J].计算机应用，2016，36(1)：238⁃242.
[3]江永付，江开勇，林俊义.线结构光光条中心亚像素精确提取方法[J].激光与光电子学进展，2015，52(7)：185⁃191.
[4]李博阳，耿楠，张志毅.基于机器视觉的激光条纹扫描系统[J].计算机仿真，2015，32(6)：241⁃246.
[5]王珩.极线约束与结构光结合的主动式立体视觉技术[D].大连：大连理工大学，2017.
[6]王利强，刘震，张钟华.双目视觉中空间圆弧的高精度测量方法[J].仪器仪表学报，2013，34(10)：2395⁃2400.
[7]黄力峰，汪伟，吴南星.基于最小二乘原理的圆拟合及误差评定算法研究[J].机械工程与自动化，2020(2)：4⁃6.
[8]姜子钘，周军，孟金昌，等.基于半径差约束最小二乘拟合的短圆弧测量[J].工具技术，2019，53(1)：128⁃131.
[9]张小辉.绝对关节臂式测量机的特点及误差分析[J].河南科技，2014(8)：152.
作者：熊芝1，2，夏志鹏1，陈海林3，周维虎1，2，翟中生1
转载请注明来源。原文地址：http://www.xuebaoqk.com/xblw/7417.html
《核反应堆容器检测平台精确定位方法》