雙目視覺下鉆桿接口定位的實現(xiàn)

基金項目：陜西省科技攻關(guān)重點項目“油氣鉆機遠程交互優(yōu)化控制虛擬仿真平發(fā)”（2020GY-046）；西安石油大學(xué)研究生創(chuàng)新與實踐能力培養(yǎng)計劃資助項目“雙目視覺下鉆桿接口定位的實現(xiàn)”（YCS23214241）

智能機器人技術(shù)的快速發(fā)展推動了石油鉆機裝備自動化和智能化的提升。針對目前石油鉆機上卸扣作業(yè)中，傳統(tǒng)的鉆桿接口定位存在困難，無法實現(xiàn)完全自動化的問題，提出了一種基于改進YOLOv5x算法的智能鉆桿接口檢測方法，并在雙目視覺下建立了鉆桿接口定位模型。模型基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取鉆桿接口的圖像特征，從而實現(xiàn)自動識別；融合CBAM（Convolution Block Attention Module）注意力機制以提高模型的特征提取與表達能力，引入更大尺度特征圖作為小目標(biāo)檢測層，減少了鉆桿接口圖像中小目標(biāo)的誤檢和漏檢情況；結(jié)合SGBM（Semi-Global Block Matching）算法，實現(xiàn)雙目視覺下鉆桿接口的精準(zhǔn)定位；通過網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練檢驗改進算法的性能，并在模擬試驗環(huán)境下開展了鉆桿接口的定位試驗。試驗結(jié)果表明：改進YOLOv5x算法平均精度達到98.6%，比原始YOLOv5x算法提高了3.0%；上下接口平均定位誤差分別為7.64和6.56 mm，符合工程誤差要求，具有一定的工程應(yīng)用價值。所得結(jié)論可為鉆桿接口的準(zhǔn)確檢測和精準(zhǔn)定位提供技術(shù)參考。

鉆井鉆桿接口；注意力機制；立體匹配算法；小目標(biāo)檢測；雙目視覺定位

Implementation of Drill Pipe Joint Positioning Under Binocular Vision

Zhang Qizhi^{1， 2} Tang Fanyi¹

（1.School of Electronic Engineering， Xi’an Shiyou University; 2.Shaanxi Provincial Key Lab of Oil and Gas Well Measurement and Control Technology）

The rapid development of intelligent robot technology has promoted the automation and intelligence of drilling equipment. In make-up and break-out of drill pipes currently， traditional tool joint positioning technique is difficult to apply and not fully automatic. To address this problem， a smart tool joint detection method based on improved YOLOv5x was proposed. Then， a tool joint positioning model was built under binocular vision. The model extracts image features of tool joints based on convolutional neural network （CNN） to implement automatic recognition. It integrates the convolution block attention module （CBAM） to improve the feature extraction and expression ability. It also introduces a larger scale feature map as a small object detection layer to reduce the 1 detection and omissive detection of small objects in tool joint images. Combined with the semi-global block matching （SGBM） algorithm， it implements precise positioning of tool joints under binocular vision. The performance of the improved algorithm was verified through network training， and a positioning test of the tool joint was conducted in a simulated experimental environment. The test results show that the improved YOLOv5x algorithm has an average accuracy of 98.6%， which is 3.0% higher than the original YOLOv5x algorithm. The average positioning errors of the upper and lower joints are 7.64 mm and 6.56 mm respectively， which meet the engineering error requirements and have certain engineering application value. The conclusions provide technical reference for accurate detection and precise positioning of tool joints.

tool joint; attention mechanism; stereo matching algorithm; small object detection; binocular vision positioning

0 引 言

在“中國制造2025”戰(zhàn)略背景下，鉆井作業(yè)正在被人工智能和機器人技術(shù)改變，自動化和智能化的特征日益凸顯^［1］。然而，石油鉆機的上卸扣作業(yè)自動化程度依然較低，傳統(tǒng)作業(yè)方法需要借助液壓大鉗和鐵鉆工等工具，對鉆桿的定位精度不高，經(jīng)常需要人工手動調(diào)整^［2］。這種情況不僅影響作業(yè)效率，還會加劇鉆桿的磨損，導(dǎo)致鉆桿表面剝離和打滑^［3］。因此，提高鉆桿上卸扣作業(yè)的自動化水平必須實現(xiàn)鉆桿接口的準(zhǔn)確檢測和精準(zhǔn)定位。

隨著機器視覺技術(shù)的快速發(fā)展與普及，借助目標(biāo)檢測代替人工進行鉆桿接口的識別與定位已成為鉆井行業(yè)的重要研究方向之一^［4］。目前廣泛應(yīng)用的目標(biāo)檢測算法主要有2類：以YOLO（You Only Look Once）^［5］、SSD（Single Shot MultiBox Detector）^［6］為代表的一步檢測算法和以R-CNN（Region-CNN）^［7］、Faster R-CNN^［8］為代表的兩步檢測算法。一步檢測算法注重速度，僅在單個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)就可以實現(xiàn)實時目標(biāo)分類與定位；兩步檢測算法首先生成候選框，然后將候選框輸入到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中提取目標(biāo)特征，實現(xiàn)目標(biāo)分類與定位。與一步檢測算法相比，兩步檢測算法雖然精度稍有提高，但計算復(fù)雜度大幅增加，因此在實時應(yīng)用中的表現(xiàn)遠不如一步檢測算法。

在上卸扣作業(yè)中，鉆桿接口目標(biāo)具有以下特征：①目標(biāo)是移動的，可能會被鉆井平臺上密集的管道和設(shè)備遮擋；②攝像頭固定在司鉆房上，視野范圍較小，導(dǎo)致拍攝到的圖像中會出現(xiàn)小目標(biāo)。這些特征都增加了檢測難度，現(xiàn)有算法在檢測速度和精度上都不能很好地解決上述問題。例如R-CNN 算法處理圖像的時間較長，無法實時檢測移動的鉆桿接口目標(biāo)^［9］。SSD算法在檢測小目標(biāo)時表現(xiàn)不佳，無法檢測小鉆桿接口目標(biāo)^［10］。YOLOv5x算法^［11］可以中和二者的不足，檢測速度比R-CNN快，在小目標(biāo)檢測的精度上優(yōu)于SSD算法。

綜上所述，本文提出一種基于改進YOLOv5x算法的鉆桿接口檢測方法。該方法采用并行注意力機制CBAM^［12］，并引入一個更大尺度的特征圖作為小目標(biāo)檢測層，對YOLOv5x算法進行了優(yōu)化，從而提高了對鉆桿接口的檢測精度。此外，通過與SGBM半全局立體匹配算法^［13］的結(jié)合，實現(xiàn)了鉆桿接口的精準(zhǔn)定位。

1 鉆桿接口檢測算法

1.1 改進型YOLOv5x的鉆桿接口檢測模型

基于改進YOLOv5x算法的鉆桿接口檢測模型分為輸入端、骨干網(wǎng)絡(luò)、頸部網(wǎng)絡(luò)和輸出端4個部分，如圖1所示。

輸入端進行圖像預(yù)處理，包括Mosaic數(shù)據(jù)增強^［14］、自適應(yīng)錨框計算和自適應(yīng)圖片縮放。Mosaic數(shù)據(jù)增強對隨機選取的4張圖像通過縮放、裁剪和排列拼接成1張大圖像，增加樣本多樣性。自適應(yīng)錨框計算根據(jù)目標(biāo)大小自動確定合適的錨框大小。自適應(yīng)圖片縮放將輸入圖像調(diào)整到統(tǒng)一大小，通常為640×640。

骨干網(wǎng)絡(luò)負責(zé)提取和表示圖像特征，包含Conv、C3、C3CBAM和SPPF模塊。Conv模塊通過Conv2d、BN和ACON激活函數(shù)對輸入特征進行卷積運算，進行批量歸一化并引入非線性變換。C3模塊通過跨階段的部分連接促進不同層次特征圖之間的信息流動。C3CBAM模塊是融合了CBAM的C3模塊，可以更好地關(guān)注識別目標(biāo)。SPPF模塊進行池化操作，提高模型計算效率。

頸部網(wǎng)絡(luò)進行特征融合。特征金字塔結(jié)構(gòu)和PANet網(wǎng)絡(luò)有助于提高模型的多尺度性能，通過上采樣和下采樣操作使不同尺度的特征圖有一致的分辨率，從而提高模型檢測的準(zhǔn)確性。

輸出端完成最終的回歸預(yù)測，得到檢測結(jié)果。YOLOv5x 包括3個檢測層，獨立輸出分類和回歸結(jié)果。改進YOLOv5x增加了一個更大尺度的特征圖作為小目標(biāo)檢測層，共4個檢測層。

1.2 CBAM注意力機制

CBAM 注意力機制是一種并行注意力機制，其同時考慮了2種不同類型的注意力：通道注意力CAM和空間注意力SAM。CBAM在通道和空間維度上同時捕獲特征的關(guān)聯(lián)性，與傳統(tǒng)的只關(guān)注通道或只關(guān)注空間的注意力機制方案相比，能更好地捕獲復(fù)雜的特征關(guān)系，獲得更好的特征表示能力。CBAM的注意力機制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知：輸入特征圖通過CAM得到通道注意力，之后將通道注意力與輸入特征進行乘法運算，得到中間特征圖；中間特征圖通過SAM補充通道注意力的位置信息，得到空間注意力；最后，將空間注意力與中間特征圖相乘最終得到輸出特征圖。CAM和SAM的結(jié)構(gòu)分別如圖3和圖4所示。

在CAM中，輸入特征分別通過MaxPool最大池化和AvgPool平均池化，得到2個1×1的通道權(quán)重矩陣，然后進入MLP多層感知機減少參數(shù)量。在向量相加后經(jīng)過Sigmoid激活函數(shù)，最終生成通道注意力。

在SAM中，中間特征圖通過MaxPool和AvgPool得到2個二維向量，然后將其基于通道拼接起來，再進行卷積運算壓縮成通道數(shù)為1的特征，最后通過Sigmoid激活函數(shù)得到空間注意力。

1.3 增加小目標(biāo)檢測層

小的鉆桿接口目標(biāo)信息很容易在卷積和下采樣過程中丟失，導(dǎo)致漏檢或誤檢。以640×640尺寸的輸入圖像為例，YOLOv5x算法經(jīng)過多次下采樣后，得到的檢測層尺度為80×80、40×40和20×20，其中最大的80×80特征圖對應(yīng)的感受野為8×8。當(dāng)目標(biāo)高或?qū)捫∮?時，網(wǎng)絡(luò)難以學(xué)習(xí)小目標(biāo)特征信息。特征圖與感受野對應(yīng)關(guān)系如表1所示。由表1可知：特征圖越大，感受野越小，對小目標(biāo)的檢測準(zhǔn)確度越高。

這里引入更大尺度的特征圖縮小感受野。在80×80特征圖后增加卷積層和上采樣，將2倍上采樣特征圖與160×160特征圖融合得到尺度為160×160的特征圖，用于小目標(biāo)檢測層。改進后算法對小目標(biāo)的識別精度得到提升。

2 鉆桿接口定位算法

SGBM算法基于平行雙目視覺定位原理實現(xiàn)。首先，采用張正友標(biāo)定法對雙目相機進行標(biāo)定^［15］。然后，對2個攝像頭采集的圖像進行視差計算，最后經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換獲得目標(biāo)的三維位置信息。

2.1 平行雙目視覺定位的原理

在雙目視覺系統(tǒng)中，雙目相機的安放位姿對目標(biāo)定位效果至關(guān)重要。這里依據(jù)平行雙目定位原理，選擇水平安放雙目相機。首先，確保左右相機成像平面平行且水平對齊，避免因相機角度傾斜而產(chǎn)生圖像畸變和視角差異。其次，精準(zhǔn)控制雙目相機的高度和距離。相機的高度決定了相機成像區(qū)域的范圍，需要根據(jù)實際場景中的目標(biāo)尺寸和距離來確定相機的高度。過高或過低的相機位置都會使成像區(qū)域偏離目標(biāo)區(qū)域，進而影響目標(biāo)定位的準(zhǔn)確性。平行雙目定位原理如圖5所示。

圖5中，O₁和O₂是雙目相機左右攝像頭的光心，z₁和z₂是光軸，f是焦距，左右保持一致。

設(shè)世界坐標(biāo)系下鉆桿接口的坐標(biāo)為w（x，y，z），左攝像頭映射坐標(biāo)為w₁（u₁，v₁），右攝像頭映射坐標(biāo)為w₂（u₂，v₂）。記O₁和O₂之間的距離為B，w₁和w₂之間距離為a，視差為d。據(jù)相似三角形原理得到如下關(guān)系：

測量B，再將世界坐標(biāo)系與左攝像頭O₁坐標(biāo)系重合，推出a和d：

a=B+u₁-u₂（4）

d=u₁-u₂（5）

綜上，得到鉆桿接口的坐標(biāo)w（x，y，z）：

2.2 雙目相機的標(biāo)定

在實際應(yīng)用中，攝像頭存在畸變，原始目標(biāo)經(jīng)過投影后的大小和距離等信息會受到影響。畸變可以通過相機標(biāo)定改善。標(biāo)定可以獲得鏡頭的參數(shù)矩陣，從而實現(xiàn)二維圖像與三維空間的精確對應(yīng)，獲得目標(biāo)的準(zhǔn)確坐標(biāo)信息。采用張正友標(biāo)定法對試驗所使用的雙目相機進行標(biāo)定，步驟如圖6。

首先，準(zhǔn)備一張7×10的棋盤圖案作為標(biāo)定板，含54個角點。從不同角度和位置拍攝多張標(biāo)定板圖像，使用MATLAB工具箱進行角點檢測并計算同軸度。通過矩陣變換計算出攝像頭內(nèi)外參數(shù)，包括焦距、光學(xué)中心、扭曲參數(shù)、旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量。最后，用光束平差法優(yōu)化校準(zhǔn)參數(shù)。

2.3 SGBM算法

SGBM即半全局立體配算法，通過視差獲取目標(biāo)三維坐標(biāo)。SGBM算法引入約束條件抑制噪聲干擾，包括像素代價和平滑性約束，用數(shù)學(xué)形式表示為能量函數(shù)E（D）：

式中：E（D）定義在視差圖像D上；p和q表示圖像中的2個像素點；D_p和D_q為p和q的視差值，N_p表示p的N個相鄰像素點；C（p，D_p）表示p在視差值為D_p時的像素點代價；λ₁和λ₂表示視差值相差1和相差大于1懲罰系數(shù)；T［·］為真值函數(shù)，若函數(shù)內(nèi)的值為真，輸出1，否則輸出0。

SGBM算法通過最小化E（D）獲得每個像素的最優(yōu)視差值。對于像素p，選擇不同方向的i個相鄰像素點，進行一維分解，再應(yīng)用動態(tài)規(guī)劃求解：

式中：L_r（p，d）為p沿著路徑r在視差值為d時的能量值。

將計算得到的k個方向上的能量值合并獲得像素p的最終能量值。通過對比，選最小能量值記作像素p的最優(yōu)視差值S（p，d）：

采用SGBM算法實現(xiàn)鉆桿接口定位，見圖7。

首先，使用雙目相機采集鉆桿接口圖像；然后進行像素匹配生成視差圖，結(jié)合相機內(nèi)外參數(shù)計算深度圖，每像素值代表目標(biāo)距離，進而確定目標(biāo)的三維位置；最后根據(jù)需求驗證和優(yōu)化算法。

3 試驗準(zhǔn)備

3.1 試驗平臺與試驗環(huán)境

搭建的試驗平臺如圖8所示。包括一臺計算機和D435雙目相機。計算機的操作系統(tǒng)為Windows10，GPU為RTX 2080Ti、CUDA11.7和cuDNN8.9，深度學(xué)習(xí)框架為Pytorch 2.0.0和Python 3.8。

模擬鉆桿接口定位試驗環(huán)境如圖9所示。將雙目相機水平固定在支架上，并根據(jù)目標(biāo)大小和距離調(diào)節(jié)到合適高度，同時在圖像采集過程中保持水平狀態(tài)，避免因攝像機傾斜導(dǎo)致視角差異誤差。

3.2 試驗數(shù)據(jù)集

自建的鉆桿接口數(shù)據(jù)集共1 366張，主要來源于網(wǎng)絡(luò)下載和現(xiàn)場拍攝。

圖10為網(wǎng)絡(luò)下載的圖像。涵蓋不同尺寸、場景和位姿的鉆桿接口，提供多角度多狀態(tài)的圖像。圖11為現(xiàn)場拍攝的上卸扣作業(yè)現(xiàn)場。除了主體物鉆桿接口，還包括活動的作業(yè)人員、運作的機械設(shè)備、不需要識別的鉆桿等。

采用labelme對數(shù)據(jù)集進行標(biāo)注，共18 000多個手工標(biāo)注實例，標(biāo)注了鉆桿上下接口，使用“inner joint”和“outer joint”標(biāo)簽。

3.3 模型評價指標(biāo)

以精確度P、召回率R和平均精確度m_AP對模型進行定量評價。

式中：T_p表示正確檢測到的鉆桿接口；T_n表示未錯誤檢測到的鉆桿接口；F_p表示錯誤檢測到的鉆桿接口；F_n表示未檢測到的鉆桿接口；m_AP表示所有類別的平均精度，用于衡量模型精度和評估對象檢測結(jié)果，m_AP值越高，效果越好。

以幀率F_PS對模型的處理速度進行評價，它表示模型在單位時間內(nèi)處理圖像幀的數(shù)量，幀率越高，模型的圖像處理能力越快。

4 鉆桿接口檢測試驗

4.1 訓(xùn)練參數(shù)

在試驗平臺上對鉆桿接口檢測模型進行訓(xùn)練之前，需要設(shè)置初始參數(shù)，如表2所示。

4.2 訓(xùn)練效果

將一段正在進行上卸扣作業(yè)的視頻輸入到鉆桿接口檢測模型中進行檢測，結(jié)果如圖12所示。

由圖12可知，該模型能實時檢測鉆桿接口，即使人員移動頻繁、設(shè)備遮擋仍能保持穩(wěn)定。觀察每幀發(fā)現(xiàn)，模型對2種接口的檢測精度較高，下接口在0.82～0.96之間變動，上接口穩(wěn)定在0.94左右，證明了模型的連續(xù)穩(wěn)定識別性。特別是在操作人員接近接口區(qū)域時，模型未發(fā)生誤判，可靠性高。

4.3 消融試驗

為了驗證鉆桿接口檢測算法每一步改進對檢測精度的影響，進行了消融試驗，試驗結(jié)果見表3REF_Ref148356371＼r＼h。

表3的結(jié)果表明，融合CBAM注意力機制和小目標(biāo)檢測層的改進均可有效提高模型性能。相較于僅加入CAM或SAM注意力，融合CBAM注意力的改進具有更大的優(yōu)勢，模型的m_AP提高至97.4%，精確度和召回率也更高。增加小目標(biāo)檢測層后，模型的m_AP提高至97.6%。最終，結(jié)合CBAM注意力和小目標(biāo)檢測層時，模型的m_AP提升至98.6%，精確度達到了98.4%，召回率達到了94.0%，F(xiàn)_PS也保持在較高水平。

4.4 m_AP對比

分別對YOLOv5x和改進YOLOv5x的鉆桿接口檢測模型進行了300輪次的訓(xùn)練，觀察m_AP在訓(xùn)練期間的變化，對比如圖13所示。

由圖13可知，整體訓(xùn)練過程中，2種模型的m_AP曲線趨勢基本相同。改進后模型的m_AP始終高于原始YOLOv5x模型，最終雙方均趨于穩(wěn)定。說明改進后鉆桿接口檢測模型在檢測鉆桿接口任務(wù)上表現(xiàn)出更高的準(zhǔn)確性。

4.5 PR曲線

PR曲線描述P和R的關(guān)系，面積越大，表示模型在不同分類下都能取得較高的精確度和召回率，具有更好的性能。YOLOv5x和改進YOLOv5x的鉆桿接口檢測模型的PR曲線如圖14和圖15所示。

通過對比圖14和圖15，可以看出改進后模型的PR曲線下面積更大，具有更好的性能。

5 鉆桿接口定位試驗

5.1 雙目相機標(biāo)定試驗

采用張正友標(biāo)定法對D435雙目相機進行標(biāo)定。首先使用D435拍攝13組不同位置和角度的標(biāo)定圖，然后運用MATLAB軟件中Stereo Camera Calibrator工具箱求得雙目相機的內(nèi)參矩陣、外參矩陣和畸變參數(shù)等，結(jié)果如表4所示。

5.2 雙目相機定位試驗

D435采集的鉆桿接口左右圖像如圖16所示。

將標(biāo)定試驗得到的相機參數(shù)輸入SGBM算法得到深度圖，如圖17所示。然后，將SGBM算法與訓(xùn)練好的鉆桿接口檢測模型相結(jié)合，實現(xiàn)對鉆桿接口的實時檢測和定位，結(jié)果如圖18所示。

5.3 定位試驗結(jié)果對比

分別對鉆桿下接口和鉆桿上接口進行了12組測距試驗，結(jié)果如表5和表6所示。根據(jù)試驗結(jié)果計算，鉆桿下接口x、y、z三軸的平均誤差分別為4.25、3.58和3.48 mm，試驗測距離和現(xiàn)實距離誤差為6.56 mm。鉆桿上接口的x、y、z三軸的平均誤差分別為4.50、4.58和3.94 mm，試驗測距離和現(xiàn)實距離誤差為7.64 mm。誤差均滿足工程誤差要求。

分析誤差產(chǎn)生的原因如下：

（1）雙目相機標(biāo)定和校正存在不足，導(dǎo)致視差計算產(chǎn)生偏差，影響定位精度。

（2）試驗控制變量不夠嚴(yán)格。例如，在試驗中光照條件變化會影響視差計算；同時，設(shè)備不可避免的移動或抖動也會影響定位結(jié)果。

（3）手動測量也存在一定的測量誤差，同樣會影響到最后的比較結(jié)果。

因此，后續(xù)研究可以從優(yōu)化雙目相機的標(biāo)定流程以增強其校正精度、改進視差計算算法以增強其對環(huán)境變化的適應(yīng)能力，以及減少試驗操作中的人為誤差等方面著手，進一步提高試驗精度。

6 結(jié)論及認識

（1）提出基于改進YOLOv5x的鉆桿接口檢測方法，通過采用CBAM注意力機制并增加小目標(biāo)檢測層，提高了算法對鉆桿接口的檢測精度。

（2）對改進前后的鉆桿接口檢測算法進行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和對比試驗，證明了改進方法的有效性。

（3）結(jié)合SGBM算法在雙目視覺下建立了鉆桿接口定位模型。該模型的上下接口平均定位誤差分別為7.64和6.56 mm，符合工程誤差要求，具有一定的工程應(yīng)用價值。

（4）所提出的方法在檢測以及定位精度上有很好的表現(xiàn)，能夠提高鉆桿上卸扣作業(yè)的效率。未來的工作可以探索復(fù)雜工況下定位鉆桿接口，如海上鉆井平臺；也可以擴展到智能石油鉆井設(shè)備領(lǐng)域的其他相關(guān)任務(wù)，如檢測和跟蹤鉆井部件或預(yù)測鉆井性能。

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第一作者簡介：張奇志，女，教授，生于1965年，2011 年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)自動控制專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事電驅(qū)動鉆機電氣控制技術(shù)研究工作。地址：（710065）陜西省西安市。email：zhangqz@xsyu.edu.cn。

通信作者： 唐凡懿。email： yechan0314@outlook.com。