基于機器視覺的水電廠機械轉子自動吊裝系統

葛海彬,劉 巍,朱昱瑛,孫月嬌,金京善

(國網黑龍江省電力有限公司牡丹江水力發電總廠,黑龍江 牡丹江 157006)

0 引言

發電機轉子吊裝[1]一般需要耗費大量的人力與物力資源,而吊裝精度對水電廠機電設備的整體運行具有重要意義。大部分水電廠依賴于人工視覺[2]對發電機轉子質量進行檢測,由于人工勞動存在強度大、視覺效果不理想的問題,大幅降低了發電機轉子吊裝效果。為保證水電廠運行的安全性,相關的轉子吊裝控制方法引起了學者的廣泛關注。

滑模控制視覺系統[3]利用固定時間觀測器完成了控制吊裝的精準定位,但是該方法沒有考慮吊裝運行過程中外界擾動對控制系統的影響,實際應用效果差;單目視覺系統[4]雖然考慮了外界擾動因素的影響,但是單目相機精度受到其拍攝范圍的約束,增加了處理難度;轉子回路電阻調節數學模型[5]利用邏輯控制系統設計了數字邏輯控制系統算法結構,實現了數字化控制,但是該方法只調控了轉子內部回路,未對其吊裝進行控制和優化。由于視覺系統技術水平的提高,使用機器視覺的目標定位計算受到各行各業的重視,為了更加精準地完成水電廠的發電機轉子吊裝,本文設計基于機器視覺的水電廠發電機轉子自動吊裝系統。

1 發電機轉子自動吊裝系統設計方案

本文設計的基于機器視覺的水電廠發電機轉子吊裝控制流程如圖1所示。

圖1 發電機轉子自動吊裝控制流程

使用2個機器攝像頭進行水電廠發電機轉子點位檢測任務,第1個攝像頭安裝在吊裝機的機臂上,位置固定,可以檢測發電機轉子周邊的全局影像,確保吊裝的周邊安全;第2個攝像頭安放在吊裝機的吊鉤上,用于近距離位置預測,可以檢測發電機轉子每處細節部位的近距離影像,確保吊裝的精準。吊裝過程中,以獲取的周邊環境影像為基礎,當在圖像中發現發電機轉子時,直接掃描圖像輸入到下位機,并通過發電機轉動接頭的相機,將標志點采集到吊機中,實時計算當前目標位置對于發電機轉子的平移矢量與旋轉回角,并上傳到吊裝控制系統,自動完成吊裝過程。

1.1 系統硬件設計

1.1.1 上位機硬件單元

上機位模塊使用的是加固型工業控制計算機(industry personal computer,IPC),具有環境適應能力強、運行速度快、擴展范圍強和性能可靠等諸多優點。開發資源程序可以通過接口與其他IPC計算機實現互通,完成任意點的遠程監控,并且在完成遠程監控的同時,將數據完整地記錄儲存。本文硬件控制結構如圖2所示。

圖2 吊裝機控制結構

1.1.2 下位機硬件單元

下位機模塊采用可編程序控制器(programmable logic controller,PLC),下位機模塊的PLC主要用于和上位機模塊的IPC交互。同時上位機模塊的IPC的請求指令,控制各部件直接控制現場對象。完成現場設備的數據通信任務,下位機模塊的PLC具有通信功能,當系統脫離上機位不能正常通信時,自動轉換到手動界面,人工完成基礎的界面操作。為了實現水電廠發電機轉子的定位操作,驅動部件將完成高精度、高速度的運動,為此系統采用帶有定位單元的三菱可編程控制器[6]。

由于水電工程建筑方面工作比較嚴謹,發生任何事故都是巨大的損失,即需要在電氣、機械和機器等建立多重設施保護功能。如機械保護設施設立聯機鎖定功能,當任意一部承載機構必須全部承載完成,另一部承載機構才會運行工作,無論在任何時間,吊裝運行過程中,系統發生緊急情況,都不可以繼續進行吊裝活動,機械承載機構在第一時間將承載設施鎖定,使被吊裝目標物體處于停止運行狀態,安全性能極高。除此以外,上機位硬件因下機位硬件的模塊化問題[7],接收的信號會控制模塊進行相應行為,當板卡發生錯誤代碼故障時,只需要修理回路即可,方便簡單。在PLC中,通過互聯網實現同級程序傳達;在IPC中通過建立同級模塊組實現擴展模塊程序。

1.2 系統軟件設計

1.2.1 發電機轉子標志點檢測

轉子位姿估計要保證精準度,對于水電廠發電機轉子頂部目標,需要找出一些共面點位作為位姿估計。二進制編碼[8]標識點識別算法由內部晶片識別碼和外部圍框碼組成,具體結構如圖3所示。

圖3 二進制編碼標志點圖像

邊界為1,坐標為0,編碼位置為6×6的標志點圖片。其中的內部二進制編碼可判斷標志點位置以及方向點;黑色框界可以完成檢測圖像邊角點。將設計的標識點固定在發電機轉子頂部,通過該標識點,可以準確地檢測到多個標識點的角點,解碼定位流程如圖4所示。

圖4 二進制編碼標志點檢測流程

解碼定位第1步要進行輪廓特征提取[9],存儲攝像頭掃描的圖像,將圖像通過閾值處理得到新的輪廓圖像;第2步區分輪廓圖像的形態、距離和標記位置,進行濾波處理;第3步根據邊框與編碼分離,得出發電機轉子上的標識點位置與邊角點。

1.2.2 相機標定

相機標定是發電機轉子位姿估計必不可少的步驟,設定相機內部參數矩陣M為

(1)

式中:s為相機傾斜因子[10];ax為相機x方向的焦距;ay為相機y方向的焦距;cx為相機x方向中心點坐標;cy為相機y方向中心點坐標。

建立向量公式[11]解決相機鏡頭會發生圖像畸變的狀況,k1、k2、k3表示相機的徑向畸變數值[12],p1、p2表示相機的切向畸變數值,圖像畸變變量公式為

d=[k1,k2,p1,p2,k3]

(2)

基于張正友標定法[13]使用二進制編碼標定板進行標定操作,標定板延續了原本棋盤穩定且精準的特點,解決了在大范圍標定時無法識別的問題。本文使用的二進制編碼標定板如圖5所示。

圖5 二進制編碼標志板演變形式圖像

攝像頭通過標定處理分解到內部參數s、ax、ay,外部參數T、R,憑借參數值建立記憶二進制編碼的坐標系。Xc、Yc、Zc表示相機坐標點,u、v表示像素坐標點,Xw、Yw、Zw代表高維坐標點,坐標系之間的轉換公式為

(3)

運用歐拉角函數進行平移矩陣與平移向量之間的轉換、旋轉矩陣與旋轉向量之間的轉換,歐拉角函數轉換公式為

(4)

式中:γ為發電機轉子與地平面的夾角;β為發電機轉子縱軸與地平面的夾角;ω為發電機轉子重心處的速度矢量間的水平夾角;rnn為旋轉矩陣中相對應的元素。

1.2.3 發電機轉子對位估計

對于二進制編碼標定的發電機轉子上的4個角點,使用姿態解算[14]方法可以估計出發電機轉子的具體坐標位置。在發電機轉子上的標志點打印時,確定標志點上每個角點的相對位置坐標以及物理尺寸,通過式(4)得到了相機坐標點與發電機轉子上的標志點。上述2個標志點之間的轉換關系,代表了發電機轉子對于相機坐標點的平移旋轉關系,計算結果如圖6所示。

圖6 二進制編碼檢測試驗中位置參考

由于相機與被吊裝的發電機轉子之間存在T與R姿態轉換關系,可得到被吊裝的發電機轉子和目標位置直接的相對應的準確位置,并且還需要考慮到相機掃描范圍被遮擋的情況,設置輔助功能準確判斷對應位置。

二進制編碼檢測結果需要進行分解運算,設Tf表示最后平移量的位姿估計,Tc表示相機位置對于被吊裝的發電機轉子的平移量,Te表示輔助位置與目標位置兩者之間的平移值,Rf表示最后旋轉量的位姿估計,Rc表示相機位置對于被吊裝的發電機轉子的旋轉量。分解運算公式為:

Tf=Tc+T+Te

(5)

Rf=RcR

(6)

根據式(5)和式(6)的解算結果,優化相機標定位置,實現基于機器視覺的發電機轉子自動吊裝精度控制。

2 性能測試

2.1 測試設置

將本文提出的機器視覺發電機轉子自動吊裝系統安裝于仿真平臺,研究該系統控制器的控制性能,檢驗吊裝執行器是否精準測量發電機轉子的準確位置,完成期望位姿。在精確吊裝過程中,確認目標點在掃描區域內,為了模擬真實效果,使用可視化工具箱,相機的基本參數為:分辨率為1 280×1 024,像元尺寸為1/4 inch,焦距為8 mm,幀率50幀/s,控制量中的恒定擾動項為(1.0,1.0,0.9,0.6,0,0),吊裝系統采樣的運行時間為20 ms,系統設置參數如下所示:

K1=diang[1.00,0.75,0.50,0.35,0]

(7)

K2=diang[0.80,0.65,0.65,0.60,0]

(8)

K3=diang[0.60,0.50,0.40,0.30,0.20,0]

(9)

采用的計算機配置為16 GB RAM、IntelCorei6886 GHz,相機采集到的轉子圖像如圖7所示。

以圖7為研究對象,從吊裝定位精度、視覺誤差和耗時3個方面進行測試。

2.2 吊裝定位精度測試

在整個平面點軌跡過程中,將特征坐標點標記為中心點,使其在三維空間呈現運動軌跡,如圖8所示。定位精度結果如圖9所示。

圖8 吊裝過程運動的三維軌跡

圖9 視覺誤差收斂曲線

圖9中,整體視覺誤差指的是相機獲取的吊裝定位結果,其包含了x軸、y軸和z軸3個維度的定位結果。從圖9中能夠看出,單一維度觀測到的定位結果相較于整體觀測結果而言偏差較大,8 s前,吊裝系統無法直接到達預設位置,需要一定的時間進行調整和行進,因此誤差較大;隨著時間的推移,通過吊裝系統的自適應調整,其誤差隨之減小。整體而言,所設計系統吊裝軌跡平穩,波動較小,并且能夠精準、平滑地移動到預設位置上,證明系統性能好。同時,當視覺誤差發生收斂后(8 s后),目標位置和運行速度處于趨近于零點,說明在進行吊裝過程中,發生外界干擾時,本文系統仍然保持一定的穩定性,有著準確的吊裝定位,可以非常平穩地將發電機轉子精準吊裝。

2.3 視覺誤差和耗時對比分析

為了更深程度地驗證本文系統的有效性,與滑?？刂埔曈X系統、單目視覺系統進行比較,通過視覺誤差值作為對比指標,具體定量對比結果如表1所示。

表1 3種視覺系統定量對比結果

由表1可知,本文系統相較于其他2種系統而言,收斂速度更快,3種系統在原始視覺誤差相等的狀態下,使用本文系統能更快一步發生收斂,循環時間也最短,迭代循環發生的次數最少,說明本文系統可以最快地找到目標準確位置。

根據速比得出每個方向的移動速度,計算外界干擾的控制效果。測試時將發電機轉子上敲擊擾動行為作為外界干擾。由圖10可以觀察出,在0～5.5 s時,發電機轉子初始吊裝階段,該階段需要將轉子由地面吊裝至指定位置,受轉子本身質量、位置等因素影響,造成視覺誤差較大。在5.5～7.0 s范圍內,進入穩定吊裝階段,該階段發電機轉子上的敲擊行為對單目視覺系統產生了很大的干擾,滑?？刂埔曈X系統的視覺誤差曲線也出現了明顯變化,但是本文系統的視覺誤差曲線在轉變處是單峰特征,而其他系統的視覺誤差曲線在轉變處是雙峰特征。且測試過程中,本文系統的視覺誤差像素相較于其他2種系統能更快地達到最小視覺誤差像素0.4 mm,表明本文系統有良好的干擾自抑功能,不管是否處于外界干擾的情況下,都具有非常有效的收斂,并且能快速收斂到最佳狀態。

圖10 3種系統視覺誤差對比結果

3 結束語

本文提出了一種相機標定和二進制編碼標志點相結合的發電機轉子機器視覺吊裝系統。通過實驗分析與對比,結果表明,在外界干擾情況下,本文系統還是有著最佳的位姿定位,可以更高精度地完成吊裝,可用于發電機轉子的自動吊裝視覺系統,也為其他行業目標物體的自動吊裝提供了參考依據。