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.中國科學(xué)院微電子所，北京 100094；3.中核武漢核電運行技術(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壓力容器實施檢測。進(jìn)入在役階段后，由于受核能輻照反應(yīng)堆壓力容器會存在很高的放射性，因此反應(yīng)堆壓力容器頂蓋貫穿件的在役檢驗必須采用自動化檢測的方式?，F(xiàn)階段的定位手段主要采取二維碼輔助視覺定位。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。

針對上述問題，本文在核反應(yīng)堆容器檢測平臺即有的視覺定位系統(tǒng)上進(jìn)行改進(jìn)，研究了一套基于雙目視覺結(jié)合線結(jié)構(gòu)光的精確引導(dǎo)系統(tǒng)，同時對該系統(tǒng)標(biāo)定中檢測探頭軸線標(biāo)定與全局坐標(biāo)系統(tǒng)一進(jìn)行重點研究，通過精定位偏差值的求解，實現(xiàn)了檢測平臺的自動精確定位。

1 基于視覺的定位系統(tǒng)

1.1 核反應(yīng)堆容器在役檢測現(xiàn)場

核反應(yīng)堆容器在役檢測現(xiàn)場主要由檢測平臺、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系統(tǒng)對待檢貫穿件進(jìn)行檢測時的位置信息，檢測平臺上附有檢測裝置對貫穿件內(nèi)外缺陷進(jìn)行檢測。

圖1 核反應(yīng)堆容器在役檢測系統(tǒng)圖示

檢測平臺主要由檢測探頭、視覺定位系統(tǒng)與運載小車組成，檢測平臺如圖2所示。其中，視覺定位系統(tǒng)為檢測探頭下兩對稱分布的監(jiān)控相機(jī)。運載小車底部的攝像頭通過掃描定位二維碼指引運載小車移動到對應(yīng)的待檢貫穿件下。

圖2 檢測平臺

1.2 基于視覺的人工定位方法

開始檢測時，檢驗設(shè)備移動到距離目前位置最近的定位二維碼中心，通過定位二維碼規(guī)定的x和y方向進(jìn)行位置調(diào)整，根據(jù)規(guī)劃路徑移動到指定貫穿件下方，此時定位誤差為10～30 mm，定位二維碼如圖3所示。隨后探頭下方對稱分布的2臺監(jiān)控相機(jī)開啟，操作員依據(jù)貫穿件相機(jī)成像進(jìn)行手動調(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平臺的最終定位。此定位方法要求操作者具有相關(guān)定位經(jīng)驗且定位效率低。

圖3 定位二維碼圖

1.3 基于雙目視覺與線結(jié)構(gòu)光的精定位方法

為提高定位精度同時實現(xiàn)檢測平臺的自動定位，對既有的視覺定位系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以線結(jié)構(gòu)光來增強(qiáng)貫穿件檢測特征，設(shè)計一套雙目視覺結(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，定位開始前對精確引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，檢測平臺經(jīng)二維碼粗定位后，利用精確引導(dǎo)系統(tǒng)對線結(jié)構(gòu)激光的提取擬合出待檢貫穿件軸線，計算出檢測探頭與貫穿件軸線的對中偏差值指引運載小車完成檢測平臺定位。檢測平臺精確定位流程如圖6所示。

圖6 檢測平臺精定位流程圖

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)的過程，采用張正友標(biāo)定法為常見手段。檢測探頭軸線標(biāo)定是指獲取檢測探頭在相機(jī)坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，其輸出檢測探頭的軸線為待檢貫穿件軸線測量提供對中基準(zhǔn)。全局坐標(biāo)系統(tǒng)一是指獲取相機(jī)坐標(biāo)系與運載小車坐標(biāo)系關(guān)系的過程。檢測探頭軸線標(biāo)定和全局坐標(biāo)系統(tǒng)一是本文的重點研究內(nèi)容。

2.1 檢測探頭軸線標(biāo)定

在進(jìn)行檢測平臺精定位過程中，需根據(jù)檢測平臺探頭與待測貫穿件軸線偏差值指引運載小車完成精定位運動，所以在每次測量前需要對檢測平臺探頭軸線進(jìn)行標(biāo)定。檢測探頭如圖7所示，由于檢測探頭軸線無法直接通過雙目視覺進(jìn)行三維重建獲取，設(shè)計探頭軸線標(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探頭直徑相同，在輔助件頂部不同高度設(shè)置2個平面，平面上均設(shè)有反光標(biāo)記點。

圖7 檢測探頭示意圖

圖8 探頭軸線標(biāo)定輔助件

進(jìn)行檢測探頭軸線標(biāo)定時，將探頭軸線標(biāo)定輔助件套在檢測探頭上，旋轉(zhuǎn)探頭軸線標(biāo)定輔助件，分別拍攝6張旋轉(zhuǎn)過程中兩個平面上反光標(biāo)記點的圖片，經(jīng)過圖片處理以及雙目視覺測量模型得到反光標(biāo)記點質(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)記點質(zhì)心的三維坐標(biāo)利用最小二乘法對該空間平面進(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個平面中反光標(biāo)記點質(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

通過對中偏差值指引檢測平臺進(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)視角固定無法與運載小車坐標(biāo)系直接建立聯(lián)系，利用絕對關(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)利用絕對關(guān)節(jié)臂對運載小車進(jìn)行探測，根據(jù)運載小車上相互垂直的3個面建立運載小車坐標(biāo)系，求解絕對關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)系xO2yz與運載小車坐標(biāo)系xO1yz的旋轉(zhuǎn)矩陣R1與平移向量T1。

(2)設(shè)置4個非共線柱狀反光標(biāo)記點分別利用絕對關(guān)節(jié)臂以及和雙目視覺系統(tǒng)測量反光標(biāo)記點的質(zhì)心坐標(biāo)，通過奇異值分解得到絕對關(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A在運載小車坐標(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)行貫穿件軸線測量時，依次打開3個激光器，雙目視覺系統(tǒng)采集3組激光器單獨打開時在待檢貫穿件表面形成激光的圖像，如圖11所示。對采集的圖像進(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)系下的三維點云[16-20]。

(a)左目激光

由檢測探頭軸線與待檢貫穿件軸線均為豎直，根據(jù)2.1中檢測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，該法平面α經(jīng)過相機(jī)坐標(biāo)系的原點，根據(jù)點到平面的距離公式求得三維點云中所有點到平面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，得到每個平面與三維點云的交點。當(dāng)平面與三維點云交點大于等于4個時，采用2.1中的空間圓擬合算法求得每個平面中空間圓的圓心，對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 求解對中偏差值

根據(jù)兩點式求出探頭軸線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。對中偏差值ΔX,ΔY為：

(12)

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

4 實驗驗證

4.1 實驗方法

為驗證本文精確定位分系統(tǒng)的測量精度，在核反應(yīng)堆容器模擬檢測現(xiàn)場進(jìn)行實驗。待檢貫穿件下端面圓直徑為172 mm，精確引導(dǎo)系統(tǒng)測量距離為300～500 mm，為保證測量需求選擇8 mm焦距，500萬像素的工業(yè)相機(jī)以及波長860 nm、線長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，本次實驗采用精確引導(dǎo)系統(tǒng)分別對貫穿件進(jìn)行16次定位實驗。使用絕對關(guān)節(jié)臂與精確定位分系統(tǒng)分別測量檢測探頭軸線與待檢貫穿件軸線距離K1與K2，用|K1-K2|來評價精確引導(dǎo)系統(tǒng)的測量精度。本文采用6軸絕對關(guān)節(jié)臂，該絕對關(guān)節(jié)臂量程范圍是1.2～2.5 m，測量精度為0.001 mm。

圖12 核反應(yīng)堆容器檢測現(xiàn)場圖

4.2 實驗結(jié)果

根據(jù)2節(jié)提出的方法對精確引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果見表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云如圖13所示。二維碼定位后，精確引導(dǎo)系統(tǒng)測量誤差見表2。

圖13 三維點云恢復(fù)圖

表2 精確引導(dǎo)系統(tǒng)測量比對誤差 mm

則測量標(biāo)準(zhǔn)差可根據(jù)下式進(jìn)行計算：

(13)

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

5 結(jié)束語

本文針對原視覺定位系統(tǒng)定位效率低、無法自動定位的問題，對視覺定位系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，在即有的定位平臺上搭建了雙目視覺結(jié)合線結(jié)構(gòu)光的精確引導(dǎo)系統(tǒng)，通過精確引導(dǎo)系統(tǒng)的標(biāo)定以及偏差值測量完成檢測平臺的精確定位。最后通過實驗驗證了本文方法的有效性。

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

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

(3)在模擬檢測現(xiàn)場對本文所提方法進(jìn)行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明，本文所提精確定位方法測量精度可達(dá)0.897 mm。

(4)該方法在模擬檢測現(xiàn)場得到了可行性驗證，若應(yīng)用于在役環(huán)境中，需要根據(jù)現(xiàn)場實況進(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)一步簡化。