機器視覺在核電領域的應用

邵艷川

【摘 要】隨著工業智能化的快速發展，加快推動了機器視覺技術在工業中的應用。由于核電產業領域的特殊性，機器視覺技術在核電產業領域有著極其重要的應用，該技術提高了核電產業領域的安全性、高效性、經濟性。本文首先對機器視覺技術進行闡述，然后對機器視覺技術在核電產業領域的應用進行詳細的分析和闡述，希望對同行能夠提供一種借鑒。

【關鍵詞】機器視覺；核電；機器人

Application Machine Vision in Nuclear Power

SHAO Yan-chuan

（CNNC Liaoning Nuclear Power Company Limited， Huludao， Liaoning 125112，China）

【Abstract】With the development of industrial intelligence， the application of machine vision technology in industry has been accelerated. Due to the particularity of the nuclear power industry， machine vision technology has an extremely important application in the field of nuclear power， this technology improves the security， efficiency and economy of the nuclear power industry. In this paper， firstly， the machine vision technology is described， then the application of machine vision technology in the field of nuclear power industry is analyzed and expounded in detail， and the purpose is to provide a reference for colleagues.

【Key words】Machine vision； The nuclear power； The robot

0 前言

核能作為清潔、安全、高效的新能源，已成為全球攜手推進低碳可持續發展的重要能源[1]。隨著我國逐步完成三代核電技術的國產化和標準化，核能在我國已經進入規?；l展的新時期[2]。核電發展可以帶動核電關聯產業同步發展，進一步豐富并增強我國核工業體系和核產業鏈良性發展。核電關聯產業包括科研院所、基建安裝工程、核電裝備制造業、核燃料產業等產業[3]。隨著科學技術的進步以及對核能安全性和經濟性要求的不斷提高，越來越多的先進科學技術運用到核能領域。機器視覺作為一種先進的人工智能技術，在核能領域發揮著越來越重要的作用[4]。本文將對機器視覺技術在核設備測量、核設備焊接、核燃料棒組裝、核電機器人等領域的應用分別進行詳細介紹。

1 機器視覺技術

機器視覺的研究是從20世紀60年代中期美國學者L.R.羅伯茲關于理解多面體組成的積木世界研究開始的。在20世紀70年代末，他從信息處理角度，首次提出計算視覺系統及理論框架，該理論框架雖然在細節上甚至在主導思想上還存在不完備的方面，許多方面還有很多爭議，但至今仍是目前計算機視覺研究的基本框架[6]。

機器視覺是一項綜合技術，包括圖像處理、機械工程技術、控制、電光源照明、光學成像、傳感器、模擬與數字視頻技術、計算機軟硬件技術（圖像增強和分析算法、圖像卡、I/O卡等）[7]。如圖1所示，一個典型的機器視覺應用系統是以計算機為中心，包括視覺傳感器、高速圖像采集系統、圖像處理系統。由計算機對視覺傳感器采集到的信息進行運算，根據運算結果發出各種指令。機器視覺系統最基本的特點就是提高生產的靈活性和自動化程度。在一些不適于人工作業的危險工作環境或者人工視覺難以滿足要求的場合，常用機器視覺來替代人工視覺。同時，在大批量重復性工業生產過程中，用機器視覺檢測方法可以大大提高生產的效率和自動化程度[8]。

圖1 機器視覺系統基本組成

2 機器視覺在核設備測量方面的應用

核設備對質量和精密度要求極高，核心設備制造工藝復雜。在設備加工制造過程中，精確、及時測量其幾何參數，對于提高設備原材料利用率、改善產品質量和提高產品合格率都具有重要作用。傳統的接觸式測量方法不能滿足核設備的制造要求，本文主要論述雙目立體視覺技術在核設備幾何尺寸測量方面的應用。

雙目立體視覺是用兩臺CCD工業攝像機，從不同角度同時獲取目標物體及周圍環境的兩幅圖像，經過圖像處理、攝像機標定等計算出目標物體的三維信息。其基本原理如圖2所示：

如圖2所示，對于空間一點p，在左攝像機C1成像平面上的投影點為p1，在右攝像機C2成像平面上的投影為p2，直線Oc1p1上的任意點在成像平面上的投影點都為p1，因此只由p1點無法確定p點的深度值，但直線Oc1p1與直線Oc2p2的交點唯一，由此可以計算出空間點p的深度值。實際計算時，需要建立圖像坐標系、相機坐標系和世界坐標系之間相互關系，通過坐標變換求解三維坐標點。得到被測物體的三維坐標點后即可實現測量被測物體的幾何參數。

3 機器視覺在核設備焊接方面的應用

核電高壓容器主要包括核反應堆壓力容器、蒸汽發生器、穩壓器，被稱為核島的“心臟設備”。核電高壓容器的制造需要完成多道關鍵工序，包括焊縫、焊根、焊筋、坡口等磨削，對于某些工序加工難度極大，比如像安注箱與硼注箱瓜瓣焊縫、核電高壓容器封頭球瓣焊縫及接管相貫焊縫等的磨削加工這樣的曲線加工；并且在大型容器焊縫磨削過程中，會產生強烈的火花、高溫、煙塵、飛濺和工件熱變形等因素，這些因素對軌跡跟蹤系統產生強烈的干擾，導致控制系統偏差信號變大使磨頭偏離焊縫。鑒于核電高壓容器磨削過程是一個復雜的動態的具有強烈光熱煙霧干擾的過程，采用常規的軌跡跟蹤方法并不能完全滿足生產過程對焊縫磨削軌跡跟蹤檢測的要求。在核電高壓容器焊縫跟蹤中引入機器視覺技術，能夠提高焊縫跟蹤的可靠性、靈活性和精度。

如圖3所示，為機器視覺在焊縫處理過程中的流程圖。機器視覺是實現機器人自動化焊接的前提，相比單目視覺的低效、多目視覺的復雜和對系統性能要求高的缺點，多選用雙目視覺采集焊縫圖像。采集到焊縫圖像后，經過圖像增強、圖像濾波、特征提取、特征識別等操作后，由標定雙目攝像機后的矩陣求解焊縫特征點的三維點云，傳遞給機器人后，機器人根據這些三維坐標信息完成軌跡規劃及自動控制。根據三維重建后的點云也可實現測量焊縫幾何尺寸（熔寬、余高、熔深），對焊縫成形質量做出評價。

4 機器視覺在核燃料棒組裝方面的應用

在核電方面，核燃料棒組件是核反應堆的核心反應部件，同時，燃料棒組裝工作具有高輻射性的特點，因此世界上各核燃料生產廠家都非常注重核燃料棒組件的生產效率以及質量的提高。智能化機械臂不僅能夠實現核燃料棒組裝的高效率和高質量，同時還能夠降低工作人員的輻射劑量。智能化機械臂要求具備外界環境的感知能力，機械臂智能化的重要方向就是基于視覺的位姿識別方法，準確地識別核燃料棒和柵格板的位姿將其反饋到機械臂控制系統完成核燃料棒的有效組裝。

圖4為核燃料棒組裝流程圖，根據核燃料棒以及柵板的結構特點以及組裝過程，初步將核燃料棒的組裝過程分為兩個階段：搜索定位階段和插入組裝階段。搜索定位階段的主要任務是將核燃料棒的開槽口對準柵板，插入組裝階段是指把核燃料棒沿預定軌跡插入到對應的目標位置。首先，利用CCD攝相機分別檢測出柵板的位姿和核燃料棒下端塞位姿；然后，計算這兩個位姿在笛卡爾空間內的偏差；最后，以該位姿偏差作為控制量來控制機械臂的各個關節做出相應的運動使核燃料棒的下端塞的開槽口對準柵板后進行插入組裝。

圖4 核燃料棒組裝流程圖

5 機器視覺在核電機器人方面的應用

由于核電站設備結構復雜，設備本身或其運行環境具有放射性，同時還兼具水下、高溫、高壓、強輻照等特點，很多工作不適合工作人員直接操作，而簡單的機械手往往不能完成相關操作。利用機器人進行設備檢修、乏燃料轉運、放射性廢物處置和核事故應急處理等工作，可以大幅提高核電站的檢修水平或事故處理效率，降低工作人員受照射劑量和勞動強度。致力于開發出適應核輻射環境，性能先進、可靠的核電機器人一直是核工業界追求的目標[9]。

機器視覺相當于機器人的眼睛，機器視覺的最終目標是使機器人能夠像人那樣通過視覺觀察和理解世界，具有自主適應環境的能力。機器人通過視覺傳感器感測、獲取目標區域及周圍環境圖像信息來計算三維世界，使其能夠完成自主定位、目標提取、跟蹤、避障、導航、路徑規劃等功能。由于核電機器人工作環境的特殊性，對傳統機器視覺的硬件和軟件部分都帶來了全新的問題，需要專門針對強輻照、高溫、高壓等特殊環境下開展機器視覺在核電機器人上面的研究。目前，已經開發出多種核電機器人用于完成水下異物打撈、陸地應急巡檢、嚴重事故救災等任務。近年來，隨著三維視覺理論的逐漸成熟和三維視覺傳感器（Kinect、三維掃描儀）的快速發展，SLAM技術（simultaneous localization and mapping，即時定位與地圖構建）已成為機器人視覺發展的主流，三維點云處理將成為機器視覺領域的一個重點。

6 總結

提高核設施的安全性與可靠性，盡量降低操作人員的受輻射劑量，改善工作環境，減少從業人員數量，是我國核能領域一個必須要解決的課題。解決這一問題的主要途徑就是研發智能設備，機器視覺技術在智能化設備中是必不可少的一部分。本文分別對機器視覺在核設備測量、核設備焊接、核燃料棒組裝、核電機器人等方面的應用做了具體分析。目前，機器視覺技術在核能領域的應用尚屬初步階段，隨著我國核能產業的較快發展和機器視覺技術的逐步成熟，未來機器視覺技術在核能領域的應用將越來越廣泛。

【參考文獻】

[1]柴立仁.基于雙目視覺的核燃料棒組裝技術研究[D].哈爾濱工業大學，2016.

[2]李盛前.基于視覺技術的水下焊接機器人系統研究[D].華南理工大學，2016.

[3]許海霞.機器視覺標定與目標檢測跟蹤方法及其應用研究[D].湖南大學，2011.

[4]王寧.高溫構件幾何參數測量方法及實驗研究[D].大連理工大學，2009.

[5]李潮偉，陳志，李紅軍，羅緒珍.三維激光掃描在核電維修中的應用[J].科技視界，2016（04）：106+164.

[6]劉呈則，嚴智，鄧景珊，張寶軍，郭磊.核電站應急機器人研究現狀與關鍵技術分析[J].核科學與工程，2013（01）：97-105.

[7]劉芳.基于3D點云的可操作對象識別方法研究[D].華北電力大學，2015.

[8]Bogue R.Robots in the nuclear industry：a review of technologies and applications[J].Industrial Robot-an International Journal，2013，38（2）：113-118.

[9]Masanori Sugisaka.Working Robots for Nuclear Power Plant Desasters[C].5th IEEE International Conference on Digital Ecosystems and Technologies， 2011， Daejeon， Korea： 358-361.

[責任編輯：朱麗娜]