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(duì)即將卸料的堆芯燃料組件進(jìn)行間距識(shí)別，以評(píng)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(cè)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(cè)量，為堆芯組件間距測(cè)量提供思路和方法。

1 單目視覺測(cè)量原理

1.1 攝像機(jī)數(shù)學(xué)模型

攝像機(jī)單目視覺測(cè)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(cè)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?；圖像物理坐標(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(duì)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(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣；P1×3為對(duì)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(cè)量前準(zhǔn)備

2.1 模擬堆芯測(cè)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(shí)別點(diǎn)繪制堆芯模擬平面圖。為檢測(cè)算法測(cè)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(cè)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(duì)圖像進(jìn)行矯正和坐標(biāo)變換，然后通過識(shí)別算法，識(shí)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(hào)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(cè)量上位機(jī)界面開發(fā)平臺(tái)，上位機(jī)測(cè)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(cè)試平臺(tái)示意圖

圖6 程序流程圖

3 模擬堆芯組件間距測(cè)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(duì)模擬組件間距和相對(duì)高差進(jìn)行測(cè)量并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 驗(yàn)證工位測(cè)量結(jié)果

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

圖7 M11、F10、L6、F5 工位測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(hào)，共計(jì)識(shí)別測(cè)量628個(gè)間距值, 全部工位的測(cè)量誤差如圖9 所示。

圖8 第22 步模擬工位測(cè)量間距顯示示意圖

圖9 全部工位間距測(cè)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(cè)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(duì)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(duì)高差值分布，如圖10所示。

圖10 組件表面相對(duì)高度測(cè)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(duì)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(shì)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(cè)量的單目視覺測(cè)量方法。為驗(yàn)證該測(cè)量方法的精度，搭建測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)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。