基于機(jī)器視覺的水電廠機(jī)械轉(zhuǎn)子自動吊裝系統(tǒng)

葛海彬,劉 巍,朱昱瑛,孫月嬌,金京善

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

0 引言

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子吊裝[1]一般需要耗費(fèi)大量的人力與物力資源,而吊裝精度對水電廠機(jī)電設(shè)備的整體運(yùn)行具有重要意義。大部分水電廠依賴于人工視覺[2]對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量進(jìn)行檢測,由于人工勞動存在強(qiáng)度大、視覺效果不理想的問題,大幅降低了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子吊裝效果。為保證水電廠運(yùn)行的安全性,相關(guān)的轉(zhuǎn)子吊裝控制方法引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注。

滑模控制視覺系統(tǒng)[3]利用固定時(shí)間觀測器完成了控制吊裝的精準(zhǔn)定位,但是該方法沒有考慮吊裝運(yùn)行過程中外界擾動對控制系統(tǒng)的影響,實(shí)際應(yīng)用效果差;單目視覺系統(tǒng)[4]雖然考慮了外界擾動因素的影響,但是單目相機(jī)精度受到其拍攝范圍的約束,增加了處理難度;轉(zhuǎn)子回路電阻調(diào)節(jié)數(shù)學(xué)模型[5]利用邏輯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了數(shù)字邏輯控制系統(tǒng)算法結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制,但是該方法只調(diào)控了轉(zhuǎn)子內(nèi)部回路,未對其吊裝進(jìn)行控制和優(yōu)化。由于視覺系統(tǒng)技術(shù)水平的提高,使用機(jī)器視覺的目標(biāo)定位計(jì)算受到各行各業(yè)的重視,為了更加精準(zhǔn)地完成水電廠的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子吊裝,本文設(shè)計(jì)基于機(jī)器視覺的水電廠發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子自動吊裝系統(tǒng)。

1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子自動吊裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的基于機(jī)器視覺的水電廠發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子吊裝控制流程如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子自動吊裝控制流程

使用2個(gè)機(jī)器攝像頭進(jìn)行水電廠發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子點(diǎn)位檢測任務(wù),第1個(gè)攝像頭安裝在吊裝機(jī)的機(jī)臂上,位置固定,可以檢測發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子周邊的全局影像,確保吊裝的周邊安全;第2個(gè)攝像頭安放在吊裝機(jī)的吊鉤上,用于近距離位置預(yù)測,可以檢測發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子每處細(xì)節(jié)部位的近距離影像,確保吊裝的精準(zhǔn)。吊裝過程中,以獲取的周邊環(huán)境影像為基礎(chǔ),當(dāng)在圖像中發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí),直接掃描圖像輸入到下位機(jī),并通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動接頭的相機(jī),將標(biāo)志點(diǎn)采集到吊機(jī)中,實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前目標(biāo)位置對于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的平移矢量與旋轉(zhuǎn)回角,并上傳到吊裝控制系統(tǒng),自動完成吊裝過程。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 上位機(jī)硬件單元

上機(jī)位模塊使用的是加固型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(industry personal computer,IPC),具有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、擴(kuò)展范圍強(qiáng)和性能可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。開發(fā)資源程序可以通過接口與其他IPC計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)互通,完成任意點(diǎn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控,并且在完成遠(yuǎn)程監(jiān)控的同時(shí),將數(shù)據(jù)完整地記錄儲存。本文硬件控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 吊裝機(jī)控制結(jié)構(gòu)

1.1.2 下位機(jī)硬件單元

下位機(jī)模塊采用可編程序控制器(programmable logic controller,PLC),下位機(jī)模塊的PLC主要用于和上位機(jī)模塊的IPC交互。同時(shí)上位機(jī)模塊的IPC的請求指令,控制各部件直接控制現(xiàn)場對象。完成現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)通信任務(wù),下位機(jī)模塊的PLC具有通信功能,當(dāng)系統(tǒng)脫離上機(jī)位不能正常通信時(shí),自動轉(zhuǎn)換到手動界面,人工完成基礎(chǔ)的界面操作。為了實(shí)現(xiàn)水電廠發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的定位操作,驅(qū)動部件將完成高精度、高速度的運(yùn)動,為此系統(tǒng)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(yán)謹(jǐn),發(fā)生任何事故都是巨大的損失,即需要在電氣、機(jī)械和機(jī)器等建立多重設(shè)施保護(hù)功能。如機(jī)械保護(hù)設(shè)施設(shè)立聯(lián)機(jī)鎖定功能,當(dāng)任意一部承載機(jī)構(gòu)必須全部承載完成,另一部承載機(jī)構(gòu)才會運(yùn)行工作,無論在任何時(shí)間,吊裝運(yùn)行過程中,系統(tǒng)發(fā)生緊急情況,都不可以繼續(xù)進(jìn)行吊裝活動,機(jī)械承載機(jī)構(gòu)在第一時(shí)間將承載設(shè)施鎖定,使被吊裝目標(biāo)物體處于停止運(yùn)行狀態(tài),安全性能極高。除此以外,上機(jī)位硬件因下機(jī)位硬件的模塊化問題[7],接收的信號會控制模塊進(jìn)行相應(yīng)行為,當(dāng)板卡發(fā)生錯(cuò)誤代碼故障時(shí),只需要修理回路即可,方便簡單。在PLC中,通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)同級程序傳達(dá);在IPC中通過建立同級模塊組實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展模塊程序。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子標(biāo)志點(diǎn)檢測

轉(zhuǎn)子位姿估計(jì)要保證精準(zhǔn)度,對于水電廠發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子頂部目標(biāo),需要找出一些共面點(diǎn)位作為位姿估計(jì)。二進(jìn)制編碼[8]標(biāo)識點(diǎn)識別算法由內(nèi)部晶片識別碼和外部圍框碼組成,具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 二進(jìn)制編碼標(biāo)志點(diǎn)圖像

邊界為1,坐標(biāo)為0,編碼位置為6×6的標(biāo)志點(diǎn)圖片。其中的內(nèi)部二進(jìn)制編碼可判斷標(biāo)志點(diǎn)位置以及方向點(diǎn);黑色框界可以完成檢測圖像邊角點(diǎn)。將設(shè)計(jì)的標(biāo)識點(diǎn)固定在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子頂部,通過該標(biāo)識點(diǎn),可以準(zhǔn)確地檢測到多個(gè)標(biāo)識點(diǎn)的角點(diǎn),解碼定位流程如圖4所示。

圖4 二進(jìn)制編碼標(biāo)志點(diǎn)檢測流程

解碼定位第1步要進(jìn)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(qū)分輪廓圖像的形態(tài)、距離和標(biāo)記位置,進(jìn)行濾波處理;第3步根據(jù)邊框與編碼分離,得出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的標(biāo)識點(diǎn)位置與邊角點(diǎn)。

1.2.2 相機(jī)標(biāo)定

相機(jī)標(biāo)定是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位姿估計(jì)必不可少的步驟,設(shè)定相機(jī)內(nèi)部參數(shù)矩陣M為

(1)

式中:s為相機(jī)傾斜因子[10];ax為相機(jī)x方向的焦距;ay為相機(jī)y方向的焦距;cx為相機(jī)x方向中心點(diǎn)坐標(biāo);cy為相機(jī)y方向中心點(diǎn)坐標(biāo)。

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

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

(2)

基于張正友標(biāo)定法[13]使用二進(jìn)制編碼標(biāo)定板進(jìn)行標(biāo)定操作,標(biāo)定板延續(xù)了原本棋盤穩(wěn)定且精準(zhǔn)的特點(diǎn),解決了在大范圍標(biāo)定時(shí)無法識別的問題。本文使用的二進(jìn)制編碼標(biāo)定板如圖5所示。

圖5 二進(jìn)制編碼標(biāo)志板演變形式圖像

攝像頭通過標(biāo)定處理分解到內(nèi)部參數(shù)s、ax、ay,外部參數(shù)T、R,憑借參數(shù)值建立記憶二進(jìn)制編碼的坐標(biāo)系。Xc、Yc、Zc表示相機(jī)坐標(biāo)點(diǎn),u、v表示像素坐標(biāo)點(diǎn),Xw、Yw、Zw代表高維坐標(biāo)點(diǎn),坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換公式為

(3)

運(yùn)用歐拉角函數(shù)進(jìn)行平移矩陣與平移向量之間的轉(zhuǎn)換、旋轉(zhuǎn)矩陣與旋轉(zhuǎn)向量之間的轉(zhuǎn)換,歐拉角函數(shù)轉(zhuǎn)換公式為

(4)

式中:γ為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與地平面的夾角;β為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子縱軸與地平面的夾角;ω為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子重心處的速度矢量間的水平夾角;rnn為旋轉(zhuǎn)矩陣中相對應(yīng)的元素。

1.2.3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子對位估計(jì)

對于二進(jìn)制編碼標(biāo)定的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的4個(gè)角點(diǎn),使用姿態(tài)解算[14]方法可以估計(jì)出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的具體坐標(biāo)位置。在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的標(biāo)志點(diǎn)打印時(shí),確定標(biāo)志點(diǎn)上每個(gè)角點(diǎn)的相對位置坐標(biāo)以及物理尺寸,通過式(4)得到了相機(jī)坐標(biāo)點(diǎn)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的標(biāo)志點(diǎn)。上述2個(gè)標(biāo)志點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,代表了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子對于相機(jī)坐標(biāo)點(diǎn)的平移旋轉(zhuǎn)關(guān)系,計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 二進(jìn)制編碼檢測試驗(yàn)中位置參考

由于相機(jī)與被吊裝的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間存在T與R姿態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系,可得到被吊裝的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和目標(biāo)位置直接的相對應(yīng)的準(zhǔn)確位置,并且還需要考慮到相機(jī)掃描范圍被遮擋的情況,設(shè)置輔助功能準(zhǔn)確判斷對應(yīng)位置。

二進(jìn)制編碼檢測結(jié)果需要進(jìn)行分解運(yùn)算,設(shè)Tf表示最后平移量的位姿估計(jì),Tc表示相機(jī)位置對于被吊裝的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的平移量,Te表示輔助位置與目標(biāo)位置兩者之間的平移值,Rf表示最后旋轉(zhuǎn)量的位姿估計(jì),Rc表示相機(jī)位置對于被吊裝的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)量。分解運(yùn)算公式為:

Tf=Tc+T+Te

(5)

Rf=RcR

(6)

根據(jù)式(5)和式(6)的解算結(jié)果,優(yōu)化相機(jī)標(biāo)定位置,實(shí)現(xiàn)基于機(jī)器視覺的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子自動吊裝精度控制。

2 性能測試

2.1 測試設(shè)置

將本文提出的機(jī)器視覺發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子自動吊裝系統(tǒng)安裝于仿真平臺,研究該系統(tǒng)控制器的控制性能,檢驗(yàn)吊裝執(zhí)行器是否精準(zhǔn)測量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置,完成期望位姿。在精確吊裝過程中,確認(rèn)目標(biāo)點(diǎn)在掃描區(qū)域內(nèi),為了模擬真實(shí)效果,使用可視化工具箱,相機(jī)的基本參數(shù)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(xiàng)為(1.0,1.0,0.9,0.6,0,0),吊裝系統(tǒng)采樣的運(yùn)行時(shí)間為20 ms,系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)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(jì)算機(jī)配置為16 GB RAM、IntelCorei6886 GHz,相機(jī)采集到的轉(zhuǎn)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(shí)3個(gè)方面進(jìn)行測試。

2.2 吊裝定位精度測試

在整個(gè)平面點(diǎn)軌跡過程中,將特征坐標(biāo)點(diǎn)標(biāo)記為中心點(diǎn),使其在三維空間呈現(xiàn)運(yùn)動軌跡,如圖8所示。定位精度結(jié)果如圖9所示。

圖8 吊裝過程運(yùn)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(jī)獲取的吊裝定位結(jié)果,其包含了x軸、y軸和z軸3個(gè)維度的定位結(jié)果。從圖9中能夠看出,單一維度觀測到的定位結(jié)果相較于整體觀測結(jié)果而言偏差較大,8 s前,吊裝系統(tǒng)無法直接到達(dá)預(yù)設(shè)位置,需要一定的時(shí)間進(jìn)行調(diào)整和行進(jìn),因此誤差較大;隨著時(shí)間的推移,通過吊裝系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)整,其誤差隨之減小。整體而言,所設(shè)計(jì)系統(tǒng)吊裝軌跡平穩(wěn),波動較小,并且能夠精準(zhǔn)、平滑地移動到預(yù)設(shè)位置上,證明系統(tǒng)性能好。同時(shí),當(dāng)視覺誤差發(fā)生收斂后(8 s后),目標(biāo)位置和運(yùn)行速度處于趨近于零點(diǎn),說明在進(jìn)行吊裝過程中,發(fā)生外界干擾時(shí),本文系統(tǒng)仍然保持一定的穩(wěn)定性,有著準(zhǔn)確的吊裝定位,可以非常平穩(wěn)地將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子精準(zhǔn)吊裝。

2.3 視覺誤差和耗時(shí)對比分析

為了更深程度地驗(yàn)證本文系統(tǒng)的有效性,與滑模控制視覺系統(tǒng)、單目視覺系統(tǒng)進(jìn)行比較,通過視覺誤差值作為對比指標(biāo),具體定量對比結(jié)果如表1所示。

表1 3種視覺系統(tǒng)定量對比結(jié)果

由表1可知,本文系統(tǒng)相較于其他2種系統(tǒng)而言,收斂速度更快,3種系統(tǒng)在原始視覺誤差相等的狀態(tài)下,使用本文系統(tǒng)能更快一步發(fā)生收斂,循環(huán)時(shí)間也最短,迭代循環(huán)發(fā)生的次數(shù)最少,說明本文系統(tǒng)可以最快地找到目標(biāo)準(zhǔn)確位置。

根據(jù)速比得出每個(gè)方向的移動速度,計(jì)算外界干擾的控制效果。測試時(shí)將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)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(shí),發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子初始吊裝階段,該階段需要將轉(zhuǎn)子由地面吊裝至指定位置,受轉(zhuǎn)子本身質(zhì)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(nèi),進(jìn)入穩(wěn)定吊裝階段,該階段發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的敲擊行為對單目視覺系統(tǒng)產(chǎn)生了很大的干擾,滑模控制視覺系統(tǒng)的視覺誤差曲線也出現(xiàn)了明顯變化,但是本文系統(tǒng)的視覺誤差曲線在轉(zhuǎn)變處是單峰特征,而其他系統(tǒng)的視覺誤差曲線在轉(zhuǎn)變處是雙峰特征。且測試過程中,本文系統(tǒng)的視覺誤差像素相較于其他2種系統(tǒng)能更快地達(dá)到最小視覺誤差像素0.4 mm,表明本文系統(tǒng)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(tài)。

圖10 3種系統(tǒng)視覺誤差對比結(jié)果

3 結(jié)束語

本文提出了一種相機(jī)標(biāo)定和二進(jìn)制編碼標(biāo)志點(diǎn)相結(jié)合的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)器視覺吊裝系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)分析與對比,結(jié)果表明,在外界干擾情況下,本文系統(tǒng)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(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的自動吊裝視覺系統(tǒng),也為其他行業(yè)目標(biāo)物體的自動吊裝提供了參考依據(jù)。