一种基于机器视觉的深水钻井隔水管自动对接位姿检测方法与流程

本发明涉及一种基于机器视觉的隔水管自动对接位姿检测方法，具体涉及钻井隔水管检验检测过程中钻井隔水管、注水端装置和封堵端装置三者位姿的检测，以及引导自由度调节系统完成注水端装置和封堵端装置上封堵法兰位姿调节所需的对接安装偏差的计算，属于机器视觉领域。

背景技术：

由于世界各国对石油需求的不断增加，因此人们开始对深水和超深水油田进行勘探和开发，其中钻井隔水管是海上石油勘探开发的重要工具，其安全性能至关重要。因此钻井隔水管在投入到海上进行石油勘探前，都必须将其安装到隔水管检验检测装置上对其组件的六根压力管子进行内压强度和密封性能检测试验。

隔水管检验检测装置用于完成钻井隔水管产品出厂前的内压强度和密封性能检测，整个装置能同时对隔水管组件的六根压力管子进行试验，该装置包括注水端装置、封堵端装置和循环用水系统，注水端装置和封堵端装置包括底座和封堵法兰以及自由度调节系统，自由度调节系统安装在底座上，封堵法兰安装在自由度调节系统上并通过自由度调节系统调节空间位置，自由度调节系统由X轴旋转机构、Y轴平移机构、Y轴旋转机构、Z轴平移机构以及Z轴旋转机构组成。由于采用了自由度调节系统，因此封堵法兰可通过上述机构在空间任意调节，使得封堵法兰能够与任意位姿的隔水管组件法兰相对应对接，从而可以使六根压力管子同时进行试验。在钻井隔水管检验检测中，首先依靠人眼判断钻井隔水管、注水端装置、封堵端装置三者的大概位姿，估算它们之间的对接安装偏差，并手动操作自由度调节系统完成注水端装置和封堵端装置上封堵法兰的位姿调节，然后将钻井隔水管对接安装在注水端装置和封堵端装置之间，最后使用循环用水系统通过注水端装置向待检测的钻井隔水管组件的六根压力管子中注水加压以实现对钻井隔水管组件的六根压力管子的内压强度及密封性能检测。在整个钻井隔水管检验检测中，由于注水端装置和封堵端装置上封堵法兰的位姿调节环节需要人员反复操作完成，人工操作工作量大并且效率十分低下，这严重的影响了钻井隔水管的检验检测进度。基于以上缺点，本文提出使用机器视觉，利用计算机技术，模仿人眼的视觉机理，通过图像捕捉和处理，检测钻井隔水管、注水端装置、封堵端装置三者的位姿，并计算出引导自由度调节系统完成注水端装置和封堵端装置上封堵法兰位姿调节所需的对接安装偏差，解决注水端装置和封堵端装置上封堵法兰位姿调节环节人工反复操作、效率低下的问题。

随着电子技术的发展，机器视觉在对接位姿检测方面的应用也日益增多，国外在研究航天器的交会对接时，使用机器视觉的相关技术来实现快速对接。比如飞机组装过程中大型部件自动化对接平台，其主要特点是：依靠自动定位控制系统，协调多个机械传动装置共同运动，能够按预定的方式准确且平稳的操纵飞机部件；以及自动充电机器人系统，该系统由一个机械臂，一个激光距离传感器，一个标准网络摄像头和一个变焦摄像机实现，机械臂开始扫描一定区域试图找到一个电源插座，一旦识别出插座，3D坐标就被发送给机器人，机器人将自动移动到离插座充分近的地方。国内有将机器视觉用于混凝土加料对接中，使用图像二值化和soble边缘提取算法对混凝土装载机进行成品料卸料前的出料口位置视觉校准；基于机器视觉的AUV水下对接，使用前视声呐相机拍摄声呐图像，根据其图像特征对AUV和水下对接目标进行相对位置的检测；基于机器视觉的V型坡口对接焊接，使用激光和相机的拍照方式凸显V型坡口，提取V坡口中的特征点确定其相对位置；基于机器视觉的大型轨道对接测量，结合标靶和特征圆圆心坐标提取实现大型导轨的对接测量。上述研究成果均具有很强的指导意义，但由于场景和对象的制约，上述方法并不适用于隔水管自动对接安装中钻井隔水管、注水端装置、封堵端装置三者位姿的检测，以及引导自由度调节系统完成位姿调节所需的对接安装偏差的计算。

技术实现要素：

由于钻井隔水管与注水端装置之间的对接安装以及钻井隔水管与封堵端装置之间的对接安装过程是一致的，因此本发明中主要针对钻井隔水管和注水端装置之间的对接安装为例进行描述。为了实现钻井隔水管与注水端装置之间的自动化对接安装，如何实现隔水管自动对接安装过程中钻井隔水管与注水端装置位姿的检测，以及引导自由度调节系统完成注水端装置位姿调节所需的对接安装偏差的计算成为本发明的核心内容。

本发明定义两个变量对钻井隔水管与注水端装置的位姿进行描述：一个是定位坐标，即能够表示钻井隔水管与注水端装置空间位置的物理坐标点；另一个是方位，即钻井隔水管、注水端装置法兰端面的角度。本发明中的对接安装偏差主要包含三种类型：一种是平行度偏差，即钻井隔水管法兰端面与注水端装置法兰端面之间的平行角度偏差；另一种是错中偏差，即在钻井隔水管法兰端面与注水端装置法兰端面相互平行的情况下，两法兰端面轴心不重合所引起的偏差；还有一种是角度偏差，即在钻井隔水管法兰端面与注水端装置法兰端面平行且轴心重合的情况下，因两法兰端面的方位不同而引起的偏差。通常情况下，三种偏差同时存在。

针对隔水管自动对接安装过程中钻井隔水管、注水端装置、封堵端装置三者位姿的检测，以及引导自由度调节系统完成注水端装置位姿调节所需的对接安装偏差的计算，本文以隔水管与注水端装置之间的对接安装为例，提出一种基于机器视觉的隔水管自动对接位姿检测方法，该方法在隔水管和注水端装置之间放置一龙门支架，在龙门支架上安装激光测距仪获取龙门支架分别到隔水管法兰端面和注水端装置法兰端面的距离信息，通过距离信息首先实现隔水管法兰端面和注水端装置法兰端面之间的相对平行度检测。并在龙门支架上安装工业摄像机获取对接过程中隔水管法兰端面图像和注水端装置法兰端面图像，运用机器视觉相关算法对获取的图像进行处理得到隔水管和注水端装置像素单位的位姿，然后使用三维重建算法将像素单位的位姿转换为物理单位的位姿，最后利用物理单位的位姿计算出引导自由度调节系统完成注水端装置位姿调节所需的对接安装偏差。

具体实施步骤如下：

（1）安装调试设备：本发明使用如图1所示的一带有圆盘装置的龙门支架用于安装设备，首先将设备：4对激光测距仪和1对工业相机成对反向安装在圆盘装置上，然后将龙门支架放置在钻井隔水管和注水端装置之间。设备安装完毕之后，需要进行调试，调试的内容为基准图片的拍摄。基准图片的拍摄是在利用人工校准的方式将钻井隔水管和注水端装置法兰端面精准对齐的情况下拍摄的两张钻井隔水管法兰端面和注水端装置法兰端面的图片；

（2）平行度偏差检测：主要是针对现场中会出现的钻井隔水管法兰端面与注水端装置法兰端面之间不同程度的倾斜问题。在隔水管检验检测装置中，可以通过激光测距仪采集龙门支架上圆盘装置分别到钻井隔水管法兰端面和注水端装置法兰端面之间的距离信息，并根据距离信息计算出引导自由度调节系统控制注水端装置法兰端面配合钻井隔水管法兰端面平行的平行度偏差；

（3）位姿检测：要计算钻井隔水管和注水端装置之间的错中偏差和角度偏差，首先需要检测出其位姿。首先对工业摄像机拍摄的钻井隔水管法兰端面和注水端装置法兰端面图像使用机器视觉算法检测出其法兰端面特征圆圆心的像素坐标，然后对工业摄像机的内外参进行标定，结合相机内外参数将特征圆圆心的像素坐标使用三维重建算法转换为物理坐标。最后使用特征圆圆心的物理坐标表征钻井隔水管与注水端装置的位姿；

（5）错中偏差与角度偏差检测：首先需要将从钻井隔水管实时拍摄图像中检测到的位姿与其基准图片中检测到的位姿进行比较，使用同样的方法对注水端装置进行比较将得到两组初步的偏差值，然后再将这两组初步偏差值进行比较得到最终的偏差值，最后再给出这些偏差值具体的方向，即得到引导自由度调节系统控制注水端装置完成位姿调节的错中偏差与角度偏差。

本发明利用激光测距仪和工业摄像机在隔水管对接安装过程中对隔水管、注水端装置和封堵端装置三者进行同时测量实现了非接触式测量，使用机器视觉算法检测对接安装过程中隔水管、注水端装置和封堵端装置三者的位姿相比于人眼检测方式很大程度的提高了检测精度、减少了测量时间。同时，使用单摄像机标定和三维重建技术实现像素单位到物理单位的转换，与传统的双目摄像机标定相比节约了成本，且安装方便。此外，还计算出引导自由度调节系统完成注水端装置位姿调节所需的对接安装偏差，避免了人工反复操作带来的误差累积。因此，本发明具有一定的实用价值。

附图说明

图1为隔水管检验检测装置示意图。

图2为设备安装示意图。

图3为算法流程图。

图4为平行度检测示意图。

图5为钻井隔水管法兰端面视图。

图6为注水端装置法兰端面视图。

图7为标定板示意图。

图8为注水端法兰端面坐标系示意图。

图9为隔水管法兰端面坐标系示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式，但本发明所保护的内容不局限于以下所述。

图中编号：1—注水端，2—底座，3、8—龙门支架，4、9—圆盘装置，5—隔水管，6—封堵端，7—导轨，10—相机，11—激光传感器，1220—注水端、封堵端法兰端面特征圆，21-28，隔水管法兰端面特征圆。

本发明针对如图1所示的隔水管检验检测装置，使用一带圆盘装置的龙门支架用于安装设备，其中圆盘装置的半径与钻井隔水管法兰端面半径一致。如图2所示的设备安装示意图所示，将四对激光测距仪互呈90度反向安装在圆盘装置上，将一对工业摄像机反向安装在圆盘装置中心，并将龙门支架放置在钻井隔水管和注水端装置之间，在钻井隔水管对接安装过程中，利用四对激光测距仪获取圆盘装置分别到钻井隔水管法兰端面和注水端装置法兰端面的距离,利用工业摄像机获取隔水管法兰端面和注水端装置法兰端面图像。设备安装好之后，需要对设备采集到的距离信息和图像序列进行处理，得到钻井隔水管法兰端面和注水端法兰端面位姿以及引导自由度调节系统控制注水端装置完成位姿调节的对接安装偏差。算法流程如图3所示。

根据图3所示的算法流程图，具体的求解步骤包括：s1、平行度偏差检测；s2、位姿检测；s3、错中偏差与角度偏差检测。

步骤s1平行度偏差检测，平行度偏差即钻井隔水管法兰端面与注水端装置法兰端面之间的平行角度偏差。本发明利用激光测距仪测得龙门支架上圆盘装置分别到钻井隔水管法兰端面和注水端装置法兰端面的距离，采用勾股定理算法求出钻井隔水管法兰端面和注水端装置法兰端面的倾斜角度。如图4所示用角θ表示隔水管法兰端面倾角，角表示注水端装置法兰端面倾角，两激光传感器之间的安装距离为d，两激光传感器测得从圆盘装置到注水端法兰端面距离分别为和,从圆盘装置到封堵端法兰端面距离分别为和，那么隔水管端面的倾角θ可由（1）式得出，为使两法兰端面平行则需要将注水端装置法兰端面的倾角调节到，因此平行度偏差。

(1)。

步骤s2位姿检测，描述钻井隔水管与注水端装置位姿的变量有两个：一个是定位坐标，即能够表示钻井隔水管与注水端装置空间位置的物理坐标点；另一个是方位，即钻井隔水管与注水端装置法兰端面的角度。求解的步骤包括：s21、图像预处理；s22、图像特征提取；s23、拟合；s24、三维重建；s25、定位坐标及方位计算。

步骤s21图像预处理的目的是对如图5所示的钻井隔水管法兰端面和如图6所示的封堵端装置法兰端面进行分割。首先使用中值滤波算法对图像进行去噪，然后使用(2)式中双线性插值算法将图像的离散转换成连续函数，式（2）中g表示像素值，a，b表示转换后像素点与邻近的四个像素中心点之间的距离。

(2)。

然后使用灰度值阈值与连续图像进行相交得到曲线。最后使用进出2区域的两个点连接的直线代替曲线，一般情况下，图像中的每个2区域内包含零个、一个或两个这样的线段。如果一个2区域内两条轮廓相交于一点，那么将出现4条线段。为获取有意义的轮廓，这些线段需要连接起来。可以通过反复地选择图像中第一个未被处理的线段作为轮廓的第一段，然后跟踪邻近的线段知道轮廓闭合、到达图像边界或到达一个交点。此连线处理的结果通常是在图像内形成一个闭合的轮廓，此轮廓围绕的区域内部的灰度值大于或者小于阈值。经过分割算法处理之后，将把图像中钻井隔水管法兰端面和封堵端装置法兰端面的边缘分割出来。

步骤s22图像特征提取的目的是从上述分割出的钻井隔水管法兰端面和注水端装置法兰端面边缘中提取出同心圆以及周向圆的圆弧，本发明中使用圆弧的圆度和轮廓长度特征实现特征提取。经过分割算法处理之后，图像中不仅仅包含法兰端面上同心圆的轮廓还包含有背景的干扰轮廓，因此需要使用特征提取算法将干扰轮廓去除。圆度为一个区域的面积与其外接圆面积的比值，圆度的计算方式如（3）式中所示，式中F为区域面积，r表示该区域外接圆半径，当边缘越接近于圆时，圆度的值就越接近于1，计算出图像中每个边缘的圆度，使用阈值的方式剔除图像中的直线只剩下图像中的圆弧线。

(3)。

然后跟踪区域的边界以获取一个轮廓，此轮廓将边界上的全部点连接在一起，得到一个区域的轮廓之后将全部轮廓线段的欧几里得距离求和便得到这个区域的轮廓长度，然后使用阈值的方式将图像中轮廓长度过小的圆弧剔除，即得到钻井隔水管法兰端面和注水端装置法兰端面特征圆的圆弧。

步骤s23拟合是指将图像中处理得到的特征圆圆弧拟合成为圆并求其圆心坐标。首先将圆弧轮廓上的所有点到拟合圆的平方距离进行连加求和，然后使式（4）中求得的总和最小化。

(4)。

式（4）中为圆心，表示半径。由于平方圆拟合对于离群值不够鲁棒，因此引入权重来减小离群值的影响，这要求先采用正常的最小平方拟合得到一个圆，然后用各个轮廓点到此圆的距离来计算在后续的迭代中将使用的各点所对应的权重。经过圆的拟合之后可以得到法兰端面图像上拟合的所有圆的圆心坐标和半径。

步骤s24三维重建的目的是指将步骤s23检测到的所有圆的圆心坐标的像素单位转换为物理坐标mm。首先使用如图7所示的标定板结合张正友标定算法对安装在圆盘装置上的工业摄像机的内外参数进行标定。然后使用光线原理从单幅图像中实现三维重建，也就是利用光线与已知平面相交来实现三维重建。在隔水管对接安装过程中，由于摄像机的相对拍摄位姿不发生改变。因此隔水管法兰端面和注水端装置法兰端面位姿就可以通过摄像机的标定得到，在用来标定的其中一幅图像中标定板直接放置在测量平面上，那么这幅图像中标定板的外参基本就等同于上面所需要的测量平面的位姿。使用图像上所检测到的隔水管定位点所对应的光线与测量平面相交，该光线由2个点定义而成。第一个点为摄像机的投影中心，在摄像机坐标系中的坐标为，第二个点的坐标需要将点从图像坐标系转换到成像坐标系中，由式（5）、（6）转换。

(5)。

(6)。

由于成像平面在光心前，距离光心f处，因此第二个点的坐标为，此时摄像机坐标系中的光线定义如式（7）。

(7)。

为了使光线与测量平面相交，需将光线Lc的方程建立在世界坐标系中，在世界坐标系中测量平面就是平面z=0。也就是将两个点和转换到世界坐标系中。这个可以通过式（8）的逆运算来完成，如式（9）所示,式（8）中R、T分别为旋转和平移矩阵，表示世界坐标系中的坐标点，表示摄像机坐标系中的坐标点，是等式（8）中旋转矩阵R的逆矩阵。

(8)。

(9)。

将转换后的光心和成像平面上的点分别定义为和，如式（10）、（11）所示。

(10)。

(11)。

此时光线在世界坐标系中表示为式（12）所示，式中，表示光线的方向向量。

(12)。

此时可以计算光线与测量平面的交点也就是重建出的三维坐标点，该点的坐标为式（13）所示。

(13)。

步骤s25中心坐标及方位的计算是指利用拟合出的圆计算法兰端面中心坐标和法兰端面的方位。如图6所示在注水端装置法兰端面图像上有四个同心圆12、13、19、20，如图5所示在隔水管法兰端面上有三个同心圆21、22、23，这些同心圆的圆心均在法兰端面的中心，因此可以利用这些同心圆来定位法兰端面的中心坐标。对上述拟合得到的圆心坐标的横、纵坐标分别设定一个较小的阈值，再将在此阈值范围内的横、纵坐标值分别取平均即可得到法兰端面的中心坐标。法兰端面的方位则由周向圆确定，如图6所示在注水端装置法兰端面上周向的五个圆孔14、15、16、17、18，如图5所示在隔水管法兰端面上周向的五个圆孔24、25、26、27、28，其中两个半径相同的圆孔17、18和26、28圆心之间的连线过法兰端面中心坐标，将法兰端面的方位定义为该直线与坐标横轴之间的夹角。在上述拟合的圆中，通过对半径设置阈值区间的方式将半径相同的两个圆从拟合圆中定位出来，并将这个两个圆的圆心坐标连线得到一条直线，计算该直线与横轴之间的夹角作为法兰端面的方位。

步骤s3错中偏差与角度偏差检测，具体包含：水平偏差、垂直偏差和旋转偏差的计算。在注水端装置法兰端面建立图8中所示坐标系，在隔水管法兰端面建立图9中所示坐标系，首先需要将从钻井隔水管实时拍摄图像中检测到的位姿与其基准图片中检测到的位姿进行比较，定义基准图像中法兰端面位姿：中心坐标为，法兰端面角度为，后序图像中法兰端面中心坐标为，角度为，则可由式（14）计算该端面的初步偏差值：。

(14)。

使用同样的方法对注水端装置进行比较将得到初步偏差值为：。然后再将这两组初步偏差值进行比较得到最终的偏差值，最终的偏差值可由式（15）计算得出。

(15)。

在注水端装置法兰端面坐标系下，当时，注水端装置法兰端面向x轴负方向移动，当时，注水端装置法兰端面向x轴正方向移动；当时，注水端装置法兰端面向y轴正方向移动，当时，注水端装置法兰端面向y轴负方向移动；当时，注水端装置法兰端面绕z轴顺时针旋转，当时，注水端装置法兰端面绕z轴逆时针旋转。即可引导自由度调节系统控制注水端装置完成位姿调节，并隔水管对接安装在将注水端装置上。

将注水端装置和隔水管对接安装之后，重复上述步骤即可实现封堵端装置和隔水管之间的对接安装。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。