熊 芝，夏志鵬，陳海林，周維虎，翟中生

（1.湖北工業(yè)大學 機械工程學院，湖北 武漢 430068；2.中國科學院微電子所，北京 100094；3.中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北 武漢 430068）

0 引 言

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

針對上述問題，本文在核反應堆容器檢測平臺即有的定位系統(tǒng)上，提出一種基于視覺的精確定位方法。該方法重點研究精確定位分系統(tǒng)設計、線結構激光提取、貫穿件軸線擬合以及對中偏差值的求解，可實現(xiàn)檢測平臺的自動精確定位。

1 核反應堆容器在役檢測系統(tǒng)組成

核反應堆容器在役檢測現(xiàn)場主要由反應堆壓力容器頂蓋、貫穿件、定位二維碼和檢測平臺組成，如圖1 所示。反應堆壓力容器頂蓋中的貫穿件為檢測對象，每根貫穿件與唯一一個定位二維碼對應，檢測平臺定位后對貫穿件內(nèi)外缺陷進行檢測。

圖1 核反應堆容器在役檢測系統(tǒng)

檢測平臺的底部安裝攝像頭，每個定位二維碼記錄待檢貫穿端面圓與運載小車檢測時的位置信息。開始檢測時，檢測平臺根據(jù)記錄的二維碼位置移動到對應的待檢貫穿件端面圓下，定位誤差為10～25 mm。隨后檢驗設備依靠探頭上對稱分布的兩攝像頭監(jiān)控成像輔助人眼觀察進行手動調(diào)整，當貫穿件圖像位于兩相機像平面中心即完成檢測平臺的最終定位。但該方法尚未脫離人工干預，無法滿足現(xiàn)場自動檢測的要求。

2 基于機器視覺的精確定位方法

2.1 精確定位分系統(tǒng)設計

用機器視覺檢測方法可以大大提高定位效率和定位的自動化程度，因此本文設計一套基于機器視覺的精確定位分系統(tǒng)，以提高檢測平臺的定位精度與定位效率。精確定位分系統(tǒng)通過測量檢測探頭與待檢貫穿件軸線偏差值，指引運載小車完成檢測平臺的定位運動。檢測平臺精確定位流程如圖2 所示。

圖2 檢測平臺精確定位流程

為增強被測特征并提高測量精度，文中采用線結構光結合雙目視覺的定位方法。CCD 相機與線結構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探頭下方，如圖4 所示。

圖3 精確定位分系統(tǒng)

圖4 檢測平臺

2.2 精確定位分系統(tǒng)布局

2.2.1 相機布局

2 個CCD 相機處在同一平面內(nèi)且與垂直面呈一定夾角，相機光軸與基線呈一定夾角，當檢測探頭處于正下方時，待檢貫穿件圖像位于兩相機像平面中心，相機布局如圖5 所示。為保證測量精度的同時滿足現(xiàn)場尺寸要求，相機基線的長度調(diào)整范圍為150～250 mm。

圖5 相機布局

2.2.2 線結構光布局

單個線結構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，線結構光未能與貫穿件上端面圓相交，經(jīng)過三維重建后未能完全體現(xiàn)出整個貫穿件的幾何特性。

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，對線結構激光方向與排布間距進行調(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)貫穿件表面線結構光能反映完整的幾何特性，也便于后續(xù)線結構光三維重建。線結構光方向如圖7 所示。

圖7 線結構光方向

2.3 精確定位分系統(tǒng)標定

精確定位分系統(tǒng)標定包括雙目相機標定、相機與檢測平臺坐標系轉換以及檢測探頭軸線標定。其中，雙目相機標定采用張正友標定法為常見手段，相機與檢測平臺坐標系轉換可借助絕對關節(jié)臂輔助完成。檢測探頭軸線為檢測平臺精確定位的對中基準，由于檢測探頭軸線無法直接通過雙目視覺進行三維重建獲取，所以本文設計探頭軸線標定輔助件，如圖8 所示。

圖8 探頭軸線標定輔助件

圖8 中探頭軸線標定輔助件伸出的兩平面上貼有反光標記點，輔助件旋轉軌跡圓圓心連線即為檢測探頭軸線。

3 貫穿件軸線的測量

采用線結構光增強待檢貫穿件的特征。進行貫穿件軸線測量時，依次打開激光器，雙目視覺系統(tǒng)采集激光器單獨打開時在待檢貫穿件表面形成激光的圖像；再對處理后的圖像進行三維點云恢復，采用平面切割法擬合貫穿件軸線。貫穿件軸線測量步驟如圖9 所示。

圖9 貫穿件軸線測量步驟

3.1 目標激光提取

利用線結構激光器對貫穿件進行照射時，貫穿件表面反光造成相機采集的圖像當中存在許多雜質(zhì)激光，通過圖像處理算法對目標激光進行篩選。線結構光圖像處理 步驟如圖10 所示。

圖10 線結構光圖像處理步驟

圖像采集后，對激光圖像進行預處理以消除激光圖像中的噪聲，恢復有用的真實信息增強目標激光的可檢測性。由于貫穿件表面不均、磨損以及相機拍攝角度不同，經(jīng)線結構光圖像預處理后存在激光區(qū)域斷裂的現(xiàn)象。根據(jù)同一線結構光在相機中傾斜弧度相同，設置最大連接距離對斷裂區(qū)域進行連接。目標激光為同一線結構激光器發(fā)出，故外接矩形傾角差mod 應該滿足20°>mod 或mod>160°。由分析需提取的目標區(qū)域可知，最大有效區(qū)域即為所需的提取目標區(qū)域之一，由此完成對線結構激光的圖像提取。提取結果如圖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

對雙目相機采集的圖像進行處理后，采用極線約束進行同名點匹配，結合相機內(nèi)外參數(shù)獲取3 組線結構光在相機坐標系下的三維點云。采用平面切割法對貫穿件軸線進行擬合，擬合過程如圖12 所示。

圖12 平面切割法擬合貫穿件軸線

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

當=0 時，該法平面經(jīng)過相機坐標系-的原點，根據(jù)式（3）求得3 組三維點云（和代表其中一組線結構光透過貫穿件端面圓后的三維點云）中所有點到平面的最大距離與最小距離，如下：

令≤≤，且按梯度1 增加，得到每個平面與三維點云的交點。當平面與三維點云交點大于等于4 個時，采用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行擬合得到待檢貫穿件軸線。

3.3 對中偏差值解算

檢測探頭與貫穿件軸線在檢測平臺坐標系中，方向的偏差即為對中偏差值。

根據(jù)兩點式求出探頭軸線方程為：

取擬合的貫穿件軸線的重心，則點到探頭軸線垂足為：

式中：

垂足與貫穿件軸線重心通過坐標系轉換得到點與，表示為：

式中，，代表相機坐標系與檢測平臺坐標系的轉換關系。指引運動平臺完成定位的對中偏差值為：

4 模擬現(xiàn)場實驗

4.1 實驗方法

為驗證本文精確定位分系統(tǒng)的有效性，在核反應堆容器模擬檢測現(xiàn)場進行實驗，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，以及波長860 nm、線長1 m、功率10 mW 的一字線結構激光器。

圖13 核反應堆容器檢測現(xiàn)場

采用精確定位分系統(tǒng)分別對貫穿件進行16 次定位實驗。令絕對關節(jié)臂測量檢測探頭軸線與待檢貫穿件軸線距離為，用來評價精確定位系統(tǒng)的最終定位效果。本文采用海克斯康6 軸絕對關節(jié)臂，該絕對關節(jié)臂量程范圍為1.2～2.5 m，測量精度為0.001 mm。

4.2 實驗結果

對待檢貫穿件表面線結構光的圖像處理經(jīng)三維重建，得到待檢貫穿件軸線的三維點云，根據(jù)平面切割法擬合貫穿件軸線，貫穿件軸線擬合的三維點云如圖14所示。

圖14 三維點云恢復圖

檢測平臺根據(jù)精確定位分系統(tǒng)測量出的對中偏差值進行定位運動，待精定位完成后，利用絕對關節(jié)臂測量貫穿件軸線與探頭軸線距離，結果如表1 所示。

表1 精確定位分系統(tǒng)定位誤差 mm

檢測平臺經(jīng)過精確定位后的誤差分布如圖15所示。

由圖15 可知，在16 次定位實驗中檢測探頭與待檢貫穿件軸線的對中偏差可控制在2.6 mm 以內(nèi)，定位誤差平均值為1.6 mm。實驗結果表明，本文提出的精確定位分系統(tǒng)具備完成檢測平臺定位任務的能力。

圖15 精確定位分系統(tǒng)定位誤差分布曲線

5 結 論

本文提出一種雙目視覺結合線結構光的精確定位方法，在即有的定位平臺上搭建精確定位分系統(tǒng)，通過精確定位分系統(tǒng)的標定以及待檢貫穿件軸線測量完成檢測平臺的精確定位。最后通過實驗驗證本文方法的有效性。

本文研究得出的主要結論如下：

1）提出一種基于機器視覺的核反應堆容器檢測平臺精確定位方法，解決現(xiàn)有定位方法中需要人工操作、定位精度低的問題。

2）對精確定位分系統(tǒng)結構進行設計，并對相機與線結構激光布局進行分析，同時實現(xiàn)精確定位分系統(tǒng)的標定。

3）通過對目標激光提取以及基于三維點云的特征擬合，利用平面切割法方法實現(xiàn)貫穿件軸線測量。

4）在模擬檢測現(xiàn)場對本文所提方法進行實驗驗證。實驗結果表明，本文所提出的精確定位方法定位偏差絕對值可控制在2.6 mm 以內(nèi)，滿足現(xiàn)場要求定位偏差小于5 mm 的要求。