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技术

本发明专利技术涉及一种基于机器视觉的隔水管自动对接位姿检测方法，针对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识别，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，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。该方法可帮助实现隔水管检测检验过程中隔水管对接安装的自动化，提高隔水管检测检验效率，减少操作人员劳动强度，提高隔水管检验检测的安全性。

A method of automatic butt joint position detection for deepwater drilling riser based on machine vision

The invention relates to an automatic docking pose riser detection method based on machine vision, automatic docking installation for riser drilling riser, identification of water injection end device, plugging end device three pose, and calculate the degree of freedom control system to complete the docking guide position and attitude adjusting required installation deviation, by docking between the riser and the water injection end installation as an example, this paper presents an automatic detection method of docking pose Riser Based on machine vision. This method can help achieve the riser test automation test process septum pipe butt installation, improve riser inspection efficiency, reduce labor intensity, improve the safety of the riser inspection.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，因此本专利技术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专利技术的核心内容。本专利技术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。本专利技术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：本专利技术使用如图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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于机器视觉的深海钻井隔水管自动对接位姿检测方法，其特征在于：依次包含位姿检测部分和对接安装偏差检测部分，所述的位姿检测部分为钻井隔水管与注水端装置的位姿，位姿一共包含两个变量：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；所述的对接安装偏差检测部分包含三种类型：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;具体步骤如下:位姿检测部分包括以下步骤：图像预处理：对摄像机采集到的钻井隔水管法兰端面图像和注水端装置法兰端面图像进行降噪和分割，主要操作为使用中值滤波算法进行降噪，使用亚像素阈值分割算法对法兰端面上的特征圆进行分割；图像特征提取：图像特征提取的主要目标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，主要操作为使用圆弧的圆度和轮廓长度特征实现特征提取；拟合：拟合的主要目标为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，主要操作为使用基于权重的平方距离拟合算法；三维重建：三维重建的目的是指将圆心坐标的像素单位转换为物理坐标mm，主要操作为使用张正友标定算法对摄像机的内外参进行标定，然后使用基于光线原理的算法进行三维重建；位姿计算：位姿计算的目的是对钻井隔水管法兰端面和注水端装置法兰端面定位坐标和方位进行计算，主要操作为基于法兰端面上同心圆和周向圆圆心坐标进行表出；对接安装偏差检测部分包括以下步骤：平行度偏差检测：主要目的是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，主要操作为利用激光测距仪测得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平行度偏差；错中偏差与角度偏差检测：主要目的是计算出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，主要操作为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。...

【技术特征摘要】
1.一种基于机器视觉的深海钻井隔水管自动对接位姿检测方法，其特征在于：依次包含位姿检测部分和对接安装偏差检测部分，所述的位姿检测部分为钻井隔水管与注水端装置的位姿，位姿一共包含两个变量：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；所述的对接安装偏差检测部分包含三种类型：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;具体步骤如下:位姿检测部分包括以下步骤：图像预处理：对摄像机采集到的钻井隔水管法兰端面图像和注水端装置法兰端面图像进行降噪和分割，主要操作为使用中值滤波算法进行降噪，使用亚像素阈值分割算法对法兰端面上的特征圆进行分割；图像特征提取：图像特征提取的主要目标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，主要操作为使用圆弧的圆度和轮廓长度特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘桂华，王玉玫，张华，楚红雨，康含玉，吴倩，牛乾，王静强，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51