一種基于機器視覺的深水鉆井隔水管自動對接位姿檢測方法與流程

本發明涉及一種基于機器視覺的隔水管自動對接位姿檢測方法，具體涉及鉆井隔水管檢驗檢測過程中鉆井隔水管、注水端裝置和封堵端裝置三者位姿的檢測，以及引導自由度調節系統完成注水端裝置和封堵端裝置上封堵法蘭位姿調節所需的對接安裝偏差的計算，屬于機器視覺領域。

背景技術：

由于世界各國對石油需求的不斷增加，因此人們開始對深水和超深水油田進行勘探和開發，其中鉆井隔水管是海上石油勘探開發的重要工具，其安全性能至關重要。因此鉆井隔水管在投入到海上進行石油勘探前，都必須將其安裝到隔水管檢驗檢測裝置上對其組件的六根壓力管子進行內壓強度和密封性能檢測試驗。

隔水管檢驗檢測裝置用于完成鉆井隔水管產品出廠前的內壓強度和密封性能檢測，整個裝置能同時對隔水管組件的六根壓力管子進行試驗，該裝置包括注水端裝置、封堵端裝置和循環用水系統，注水端裝置和封堵端裝置包括底座和封堵法蘭以及自由度調節系統，自由度調節系統安裝在底座上，封堵法蘭安裝在自由度調節系統上并通過自由度調節系統調節空間位置，自由度調節系統由X軸旋轉機構、Y軸平移機構、Y軸旋轉機構、Z軸平移機構以及Z軸旋轉機構組成。由于采用了自由度調節系統，因此封堵法蘭可通過上述機構在空間任意調節，使得封堵法蘭能夠與任意位姿的隔水管組件法蘭相對應對接，從而可以使六根壓力管子同時進行試驗。在鉆井隔水管檢驗檢測中，首先依靠人眼判斷鉆井隔水管、注水端裝置、封堵端裝置三者的大概位姿，估算它們之間的對接安裝偏差，并手動操作自由度調節系統完成注水端裝置和封堵端裝置上封堵法蘭的位姿調節，然后將鉆井隔水管對接安裝在注水端裝置和封堵端裝置之間，最后使用循環用水系統通過注水端裝置向待檢測的鉆井隔水管組件的六根壓力管子中注水加壓以實現對鉆井隔水管組件的六根壓力管子的內壓強度及密封性能檢測。在整個鉆井隔水管檢驗檢測中，由于注水端裝置和封堵端裝置上封堵法蘭的位姿調節環節需要人員反復操作完成，人工操作工作量大并且效率十分低下，這嚴重的影響了鉆井隔水管的檢驗檢測進度。基于以上缺點，本文提出使用機器視覺，利用計算機技術，模仿人眼的視覺機理，通過圖像捕捉和處理，檢測鉆井隔水管、注水端裝置、封堵端裝置三者的位姿，并計算出引導自由度調節系統完成注水端裝置和封堵端裝置上封堵法蘭位姿調節所需的對接安裝偏差，解決注水端裝置和封堵端裝置上封堵法蘭位姿調節環節人工反復操作、效率低下的問題。

隨著電子技術的發展，機器視覺在對接位姿檢測方面的應用也日益增多，國外在研究航天器的交會對接時，使用機器視覺的相關技術來實現快速對接。比如飛機組裝過程中大型部件自動化對接平臺，其主要特點是：依靠自動定位控制系統，協調多個機械傳動裝置共同運動，能夠按預定的方式準確且平穩的操縱飛機部件；以及自動充電機器人系統，該系統由一個機械臂，一個激光距離傳感器，一個標準網絡攝像頭和一個變焦攝像機實現，機械臂開始掃描一定區域試圖找到一個電源插座，一旦識別出插座，3D坐標就被發送給機器人，機器人將自動移動到離插座充分近的地方。國內有將機器視覺用于混凝土加料對接中，使用圖像二值化和soble邊緣提取算法對混凝土裝載機進行成品料卸料前的出料口位置視覺校準；基于機器視覺的AUV水下對接，使用前視聲吶相機拍攝聲吶圖像，根據其圖像特征對AUV和水下對接目標進行相對位置的檢測；基于機器視覺的V型坡口對接焊接，使用激光和相機的拍照方式凸顯V型坡口，提取V坡口中的特征點確定其相對位置；基于機器視覺的大型軌道對接測量，結合標靶和特征圓圓心坐標提取實現大型導軌的對接測量。上述研究成果均具有很強的指導意義，但由于場景和對象的制約，上述方法并不適用于隔水管自動對接安裝中鉆井隔水管、注水端裝置、封堵端裝置三者位姿的檢測，以及引導自由度調節系統完成位姿調節所需的對接安裝偏差的計算。

技術實現要素：

由于鉆井隔水管與注水端裝置之間的對接安裝以及鉆井隔水管與封堵端裝置之間的對接安裝過程是一致的，因此本發明中主要針對鉆井隔水管和注水端裝置之間的對接安裝為例進行描述。為了實現鉆井隔水管與注水端裝置之間的自動化對接安裝，如何實現隔水管自動對接安裝過程中鉆井隔水管與注水端裝置位姿的檢測，以及引導自由度調節系統完成注水端裝置位姿調節所需的對接安裝偏差的計算成為本發明的核心內容。

本發明定義兩個變量對鉆井隔水管與注水端裝置的位姿進行描述：一個是定位坐標，即能夠表示鉆井隔水管與注水端裝置空間位置的物理坐標點；另一個是方位，即鉆井隔水管、注水端裝置法蘭端面的角度。本發明中的對接安裝偏差主要包含三種類型：一種是平行度偏差，即鉆井隔水管法蘭端面與注水端裝置法蘭端面之間的平行角度偏差；另一種是錯中偏差，即在鉆井隔水管法蘭端面與注水端裝置法蘭端面相互平行的情況下，兩法蘭端面軸心不重合所引起的偏差；還有一種是角度偏差，即在鉆井隔水管法蘭端面與注水端裝置法蘭端面平行且軸心重合的情況下，因兩法蘭端面的方位不同而引起的偏差。通常情況下，三種偏差同時存在。

針對隔水管自動對接安裝過程中鉆井隔水管、注水端裝置、封堵端裝置三者位姿的檢測，以及引導自由度調節系統完成注水端裝置位姿調節所需的對接安裝偏差的計算，本文以隔水管與注水端裝置之間的對接安裝為例，提出一種基于機器視覺的隔水管自動對接位姿檢測方法，該方法在隔水管和注水端裝置之間放置一龍門支架，在龍門支架上安裝激光測距儀獲取龍門支架分別到隔水管法蘭端面和注水端裝置法蘭端面的距離信息，通過距離信息首先實現隔水管法蘭端面和注水端裝置法蘭端面之間的相對平行度檢測。并在龍門支架上安裝工業攝像機獲取對接過程中隔水管法蘭端面圖像和注水端裝置法蘭端面圖像，運用機器視覺相關算法對獲取的圖像進行處理得到隔水管和注水端裝置像素單位的位姿，然后使用三維重建算法將像素單位的位姿轉換為物理單位的位姿，最后利用物理單位的位姿計算出引導自由度調節系統完成注水端裝置位姿調節所需的對接安裝偏差。

具體實施步驟如下：

（1）安裝調試設備：本發明使用如圖1所示的一帶有圓盤裝置的龍門支架用于安裝設備，首先將設備：4對激光測距儀和1對工業相機成對反向安裝在圓盤裝置上，然后將龍門支架放置在鉆井隔水管和注水端裝置之間。設備安裝完畢之后，需要進行調試，調試的內容為基準圖片的拍攝。基準圖片的拍攝是在利用人工校準的方式將鉆井隔水管和注水端裝置法蘭端面精準對齊的情況下拍攝的兩張鉆井隔水管法蘭端面和注水端裝置法蘭端面的圖片；

（2）平行度偏差檢測：主要是針對現場中會出現的鉆井隔水管法蘭端面與注水端裝置法蘭端面之間不同程度的傾斜問題。在隔水管檢驗檢測裝置中，可以通過激光測距儀采集龍門支架上圓盤裝置分別到鉆井隔水管法蘭端面和注水端裝置法蘭端面之間的距離信息，并根據距離信息計算出引導自由度調節系統控制注水端裝置法蘭端面配合鉆井隔水管法蘭端面平行的平行度偏差；

（3）位姿檢測：要計算鉆井隔水管和注水端裝置之間的錯中偏差和角度偏差，首先需要檢測出其位姿。首先對工業攝像機拍攝的鉆井隔水管法蘭端面和注水端裝置法蘭端面圖像使用機器視覺算法檢測出其法蘭端面特征圓圓心的像素坐標，然后對工業攝像機的內外參進行標定，結合相機內外參數將特征圓圓心的像素坐標使用三維重建算法轉換為物理坐標。最后使用特征圓圓心的物理坐標表征鉆井隔水管與注水端裝置的位姿；

（5）錯中偏差與角度偏差檢測：首先需要將從鉆井隔水管實時拍攝圖像中檢測到的位姿與其基準圖片中檢測到的位姿進行比較，使用同樣的方法對注水端裝置進行比較將得到兩組初步的偏差值，然后再將這兩組初步偏差值進行比較得到最終的偏差值，最后再給出這些偏差值具體的方向，即得到引導自由度調節系統控制注水端裝置完成位姿調節的錯中偏差與角度偏差。

本發明利用激光測距儀和工業攝像機在隔水管對接安裝過程中對隔水管、注水端裝置和封堵端裝置三者進行同時測量實現了非接觸式測量，使用機器視覺算法檢測對接安裝過程中隔水管、注水端裝置和封堵端裝置三者的位姿相比于人眼檢測方式很大程度的提高了檢測精度、減少了測量時間。同時，使用單攝像機標定和三維重建技術實現像素單位到物理單位的轉換，與傳統的雙目攝像機標定相比節約了成本，且安裝方便。此外，還計算出引導自由度調節系統完成注水端裝置位姿調節所需的對接安裝偏差，避免了人工反復操作帶來的誤差累積。因此，本發明具有一定的實用價值。

附圖說明

圖1為隔水管檢驗檢測裝置示意圖。

圖2為設備安裝示意圖。

圖3為算法流程圖。

圖4為平行度檢測示意圖。

圖5為鉆井隔水管法蘭端面視圖。

圖6為注水端裝置法蘭端面視圖。

圖7為標定板示意圖。

圖8為注水端法蘭端面坐標系示意圖。

圖9為隔水管法蘭端面坐標系示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖進一步說明本發明的具體實施方式，但本發明所保護的內容不局限于以下所述。

圖中編號：1—注水端，2—底座，3、8—龍門支架，4、9—圓盤裝置，5—隔水管，6—封堵端，7—導軌，10—相機，11—激光傳感器，1220—注水端、封堵端法蘭端面特征圓，21-28，隔水管法蘭端面特征圓。

本發明針對如圖1所示的隔水管檢驗檢測裝置，使用一帶圓盤裝置的龍門支架用于安裝設備，其中圓盤裝置的半徑與鉆井隔水管法蘭端面半徑一致。如圖2所示的設備安裝示意圖所示，將四對激光測距儀互呈90度反向安裝在圓盤裝置上，將一對工業攝像機反向安裝在圓盤裝置中心，并將龍門支架放置在鉆井隔水管和注水端裝置之間，在鉆井隔水管對接安裝過程中，利用四對激光測距儀獲取圓盤裝置分別到鉆井隔水管法蘭端面和注水端裝置法蘭端面的距離,利用工業攝像機獲取隔水管法蘭端面和注水端裝置法蘭端面圖像。設備安裝好之后，需要對設備采集到的距離信息和圖像序列進行處理，得到鉆井隔水管法蘭端面和注水端法蘭端面位姿以及引導自由度調節系統控制注水端裝置完成位姿調節的對接安裝偏差。算法流程如圖3所示。

根據圖3所示的算法流程圖，具體的求解步驟包括：s1、平行度偏差檢測；s2、位姿檢測；s3、錯中偏差與角度偏差檢測。

步驟s1平行度偏差檢測，平行度偏差即鉆井隔水管法蘭端面與注水端裝置法蘭端面之間的平行角度偏差。本發明利用激光測距儀測得龍門支架上圓盤裝置分別到鉆井隔水管法蘭端面和注水端裝置法蘭端面的距離，采用勾股定理算法求出鉆井隔水管法蘭端面和注水端裝置法蘭端面的傾斜角度。如圖4所示用角θ表示隔水管法蘭端面傾角，角表示注水端裝置法蘭端面傾角，兩激光傳感器之間的安裝距離為d，兩激光傳感器測得從圓盤裝置到注水端法蘭端面距離分別為和,從圓盤裝置到封堵端法蘭端面距離分別為和，那么隔水管端面的傾角θ可由（1）式得出，為使兩法蘭端面平行則需要將注水端裝置法蘭端面的傾角調節到，因此平行度偏差。

(1)。

步驟s2位姿檢測，描述鉆井隔水管與注水端裝置位姿的變量有兩個：一個是定位坐標，即能夠表示鉆井隔水管與注水端裝置空間位置的物理坐標點；另一個是方位，即鉆井隔水管與注水端裝置法蘭端面的角度。求解的步驟包括：s21、圖像預處理；s22、圖像特征提取；s23、擬合；s24、三維重建；s25、定位坐標及方位計算。

步驟s21圖像預處理的目的是對如圖5所示的鉆井隔水管法蘭端面和如圖6所示的封堵端裝置法蘭端面進行分割。首先使用中值濾波算法對圖像進行去噪，然后使用(2)式中雙線性插值算法將圖像的離散轉換成連續函數，式（2）中g表示像素值，a，b表示轉換后像素點與鄰近的四個像素中心點之間的距離。

(2)。

然后使用灰度值閾值與連續圖像進行相交得到曲線。最后使用進出2區域的兩個點連接的直線代替曲線，一般情況下，圖像中的每個2區域內包含零個、一個或兩個這樣的線段。如果一個2區域內兩條輪廓相交于一點，那么將出現4條線段。為獲取有意義的輪廓，這些線段需要連接起來。可以通過反復地選擇圖像中第一個未被處理的線段作為輪廓的第一段，然后跟蹤鄰近的線段知道輪廓閉合、到達圖像邊界或到達一個交點。此連線處理的結果通常是在圖像內形成一個閉合的輪廓，此輪廓圍繞的區域內部的灰度值大于或者小于閾值。經過分割算法處理之后，將把圖像中鉆井隔水管法蘭端面和封堵端裝置法蘭端面的邊緣分割出來。

步驟s22圖像特征提取的目的是從上述分割出的鉆井隔水管法蘭端面和注水端裝置法蘭端面邊緣中提取出同心圓以及周向圓的圓弧，本發明中使用圓弧的圓度和輪廓長度特征實現特征提取。經過分割算法處理之后，圖像中不僅僅包含法蘭端面上同心圓的輪廓還包含有背景的干擾輪廓，因此需要使用特征提取算法將干擾輪廓去除。圓度為一個區域的面積與其外接圓面積的比值，圓度的計算方式如（3）式中所示，式中F為區域面積，r表示該區域外接圓半徑，當邊緣越接近于圓時，圓度的值就越接近于1，計算出圖像中每個邊緣的圓度，使用閾值的方式剔除圖像中的直線只剩下圖像中的圓弧線。

(3)。

然后跟蹤區域的邊界以獲取一個輪廓，此輪廓將邊界上的全部點連接在一起，得到一個區域的輪廓之后將全部輪廓線段的歐幾里得距離求和便得到這個區域的輪廓長度，然后使用閾值的方式將圖像中輪廓長度過小的圓弧剔除，即得到鉆井隔水管法蘭端面和注水端裝置法蘭端面特征圓的圓弧。

步驟s23擬合是指將圖像中處理得到的特征圓圓弧擬合成為圓并求其圓心坐標。首先將圓弧輪廓上的所有點到擬合圓的平方距離進行連加求和，然后使式（4）中求得的總和最小化。

(4)。

式（4）中為圓心，表示半徑。由于平方圓擬合對于離群值不夠魯棒，因此引入權重來減小離群值的影響，這要求先采用正常的最小平方擬合得到一個圓，然后用各個輪廓點到此圓的距離來計算在后續的迭代中將使用的各點所對應的權重。經過圓的擬合之后可以得到法蘭端面圖像上擬合的所有圓的圓心坐標和半徑。

步驟s24三維重建的目的是指將步驟s23檢測到的所有圓的圓心坐標的像素單位轉換為物理坐標mm。首先使用如圖7所示的標定板結合張正友標定算法對安裝在圓盤裝置上的工業攝像機的內外參數進行標定。然后使用光線原理從單幅圖像中實現三維重建，也就是利用光線與已知平面相交來實現三維重建。在隔水管對接安裝過程中，由于攝像機的相對拍攝位姿不發生改變。因此隔水管法蘭端面和注水端裝置法蘭端面位姿就可以通過攝像機的標定得到，在用來標定的其中一幅圖像中標定板直接放置在測量平面上，那么這幅圖像中標定板的外參基本就等同于上面所需要的測量平面的位姿。使用圖像上所檢測到的隔水管定位點所對應的光線與測量平面相交，該光線由2個點定義而成。第一個點為攝像機的投影中心，在攝像機坐標系中的坐標為，第二個點的坐標需要將點從圖像坐標系轉換到成像坐標系中，由式（5）、（6）轉換。

(5)。

(6)。

由于成像平面在光心前，距離光心f處，因此第二個點的坐標為，此時攝像機坐標系中的光線定義如式（7）。

(7)。

為了使光線與測量平面相交，需將光線Lc的方程建立在世界坐標系中，在世界坐標系中測量平面就是平面z=0。也就是將兩個點和轉換到世界坐標系中。這個可以通過式（8）的逆運算來完成，如式（9）所示,式（8）中R、T分別為旋轉和平移矩陣，表示世界坐標系中的坐標點，表示攝像機坐標系中的坐標點，是等式（8）中旋轉矩陣R的逆矩陣。

(8)。

(9)。

將轉換后的光心和成像平面上的點分別定義為和，如式（10）、（11）所示。

(10)。

(11)。

此時光線在世界坐標系中表示為式（12）所示，式中，表示光線的方向向量。

(12)。

此時可以計算光線與測量平面的交點也就是重建出的三維坐標點，該點的坐標為式（13）所示。

(13)。

步驟s25中心坐標及方位的計算是指利用擬合出的圓計算法蘭端面中心坐標和法蘭端面的方位。如圖6所示在注水端裝置法蘭端面圖像上有四個同心圓12、13、19、20，如圖5所示在隔水管法蘭端面上有三個同心圓21、22、23，這些同心圓的圓心均在法蘭端面的中心，因此可以利用這些同心圓來定位法蘭端面的中心坐標。對上述擬合得到的圓心坐標的橫、縱坐標分別設定一個較小的閾值，再將在此閾值范圍內的橫、縱坐標值分別取平均即可得到法蘭端面的中心坐標。法蘭端面的方位則由周向圓確定，如圖6所示在注水端裝置法蘭端面上周向的五個圓孔14、15、16、17、18，如圖5所示在隔水管法蘭端面上周向的五個圓孔24、25、26、27、28，其中兩個半徑相同的圓孔17、18和26、28圓心之間的連線過法蘭端面中心坐標，將法蘭端面的方位定義為該直線與坐標橫軸之間的夾角。在上述擬合的圓中，通過對半徑設置閾值區間的方式將半徑相同的兩個圓從擬合圓中定位出來，并將這個兩個圓的圓心坐標連線得到一條直線，計算該直線與橫軸之間的夾角作為法蘭端面的方位。

步驟s3錯中偏差與角度偏差檢測，具體包含：水平偏差、垂直偏差和旋轉偏差的計算。在注水端裝置法蘭端面建立圖8中所示坐標系，在隔水管法蘭端面建立圖9中所示坐標系，首先需要將從鉆井隔水管實時拍攝圖像中檢測到的位姿與其基準圖片中檢測到的位姿進行比較，定義基準圖像中法蘭端面位姿：中心坐標為，法蘭端面角度為，后序圖像中法蘭端面中心坐標為，角度為，則可由式（14）計算該端面的初步偏差值：。

(14)。

使用同樣的方法對注水端裝置進行比較將得到初步偏差值為：。然后再將這兩組初步偏差值進行比較得到最終的偏差值，最終的偏差值可由式（15）計算得出。

(15)。

在注水端裝置法蘭端面坐標系下，當時，注水端裝置法蘭端面向x軸負方向移動，當時，注水端裝置法蘭端面向x軸正方向移動；當時，注水端裝置法蘭端面向y軸正方向移動，當時，注水端裝置法蘭端面向y軸負方向移動；當時，注水端裝置法蘭端面繞z軸順時針旋轉，當時，注水端裝置法蘭端面繞z軸逆時針旋轉。即可引導自由度調節系統控制注水端裝置完成位姿調節，并隔水管對接安裝在將注水端裝置上。

將注水端裝置和隔水管對接安裝之后，重復上述步驟即可實現封堵端裝置和隔水管之間的對接安裝。

最后應當說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制；盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解；依然可以對本發明進行修改或者對部分技術特征進行等同替換；而不脫離本發明技術方案的精神，其均應涵蓋在本發明請求保護的技術方案范圍當中。