CN106524946A - 一种隔水管自动对接检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隔水管自动对接装置，其特征在于：主要包括平面角测量装置、偏移获取装置、隔水管运动姿态监控装置、图像处理系统、标定装置和保护装置，所述对接过程主要包含相机标定、平面角测量、偏移获取、运动姿态监控等，其主要用于隔水管自动对接检测，具有精度高、使用方便、效率高、全自动对接、适应性强、应用范围较广等优点。

Description

一种隔水管自动对接检测装置

技术领域

本发明涉及一种基于视觉方法的隔水管自动对接检测装置，可对隔水管的对接过程进行检测，属于视觉测量技术领域。

背景技术

海洋中蕴藏着丰富的石油天然气资源，海洋油气特别是深海油气，将是未来世界油气资源接替的重要区域。国外的海洋石油工程业起步发展比较早，目前国际上海洋石油工程业几乎被欧美日韩企业垄断，而我国在海洋石油工程勘探方面处于初级阶段，与国际著名的海洋工程团队相比，在规模、装备、技术和项目管理水平等方面都存在一定的差距，仅具备初步的设计建造常规水深钻采装备的能力，相关产品的检验检测及安全认证也尚为空白，海洋石油装备配套基础差、配套能力不足。

在海洋石油开采作业中，隔水管的耐压性能对作业平台的安全性尤为重要，故对隔水管的耐压性能测试是作业前的重要工作，是整个海洋钻井作业中重要而又薄弱的环节，是海洋勘探开发的瓶颈，具有高技术、高投入、高风险的特点，目前欧美日韩企业已基本实现隔水管的自动对接检测环节，且该技术一直被欧美等发达国家垄断，但国内的隔水管的耐压性能测试设备中核心的对接过程通常是通过人眼观测两法兰端面的位姿等信息，手动操控运动装置进行对接，具有劳动强度大、效率低下、精度难以保证等多种问题。

隔水管：连接海底防喷器组和浮动式海上钻探装置的钢管，主要用来隔绝海水，导入钻具和套管，以及构成泥浆循环的通道，隔水管法兰端面：通常是指隔水管的头尾截面；隔水管的自动对接：即一隔水管注水端法兰端面和隔水管封堵端法兰端面自动对位的过程；隔水管自动对接主要是用于测试该隔水管的耐压性能及密封性能。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种隔水管自动对接检测装置，该装置通过视觉方法测量两法兰端面是否精确对准，并辅以数字传感器进行运动状态监视，形成闭环系统，全自动地完成隔水管自动对接的视觉检测过程。为方便区分与描述，将端面3称为注水端法兰端面，将端面4称为隔水管法兰端面。

本发明的技术方案如下：一种隔水管自动对接检测装置，主要包含以下步骤：

（1）通过双目相机1进行三维重建，检测注水端法兰端面与隔水管法兰端面所成的平面夹角（锐角）大小及方向，并将其发送至外部控制设备；

（2）在外部控制设备调节注水端法兰端面与隔水管法兰端面平行后，通过两法兰端面的特征点在三维重建后空间中的坐标关系，检测注水端法兰端面与隔水管法兰端面之间的径向偏移（两法兰端面相对于地面的上下左右偏移）与旋转偏移（两法兰端面相对于隔水管中心线的旋转角度偏移），并将其发送至外部控制设备；

（3）在外部控制设备调节注水端法兰端面与隔水管法兰端面精确对准后，读取数字倾角传感器数据组2的姿态信息（两数字倾角传感器各自相对于地面的姿态信息，即隔水管法兰端面的姿态信息及注水端法兰端面的姿态信息），通过姿态结算，得到两法兰端面的相对姿态信息（隔水管法兰端面相对于注水端法兰端面的姿态信息），并将该相对姿态信息作为基准姿态；

（4）在保持两法兰端面的相对姿态信息与基准姿态一致的条件下，通过外部控制设备使隔水管向注水端移动，完成对接过程。

一种使用上述方法的隔水管自动对接检测装置，该装置包括：

（1）平面角测量装置：包括安装在注水端法兰端面3侧方L形支架的双目相机1，在注水端法兰端面3距隔水管法兰端面4一定距离（注水端法兰端面3与隔水管法兰端面4全部位于双目相机1的视野中），通过双目相机1进行三维重建，通过两法兰端面特征点的三维坐标信息，测量两法兰端面的平面夹角大小及方向；

（2）偏移获取装置：包括安装在注水端法兰端面3侧方L形支架的双目相机1，在外部控制设备调节两法兰端面平行后，通过两法兰端面特征点的三维坐标关系，测量两法兰端面的径向偏移与旋转偏移；

（3）隔水管运动姿态监控装置：在隔水管法兰端面4顶部及注水端法兰端面3顶部各安装一个数字倾角传感器2，由于注水端法兰端面3仅能旋转或相对于地面上下左右运动，而隔水管法兰端面4仅能在注水端法兰端面3中心线方向运动，故在运动过程中需要对隔水管法兰端面4与注水端法兰端面3的相对姿态进行监控，由两个数字倾角传感器2测量运动过程中两端面相对于地面的姿态信息，并通过姿态结算获得两端面的相对姿态信息；

（4）图像处理系统：完成相机驱动、图像采集，完成隔水管法兰端面4相对注水端法兰端面3的平面角度、偏移量测量；

该装置还包括相机标定的装置，为了避免非对称投影带来的标识点变形影响，采用50um精度的标定板，进行相机标定。

该装置还包括防水、防尘、防油、防泥沙的保护装置，进一步提高设备的使用寿命及对接过程的检测精准度。

本发明的有益效果：本发明用于管道对接作业中的自动对接，精度高；使用方便，对接效率高，全自动对接；适应性强，可于多环境下完成自动对接检测过程；不需要在原始管道上做任何标记，应用范围较广。

附图说明

图1为本发明自动对接检测装置的总体结构示意图；

图2为本发明自动对接检测装置的注水端设备安装结构示意图；

图3为本发明自动对接检测装置的隔水管法兰端面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

参照图1、图2及图3所示，一种隔水管自动对接检测装置，包括平面角测量装置、偏移获取装置、隔水管运动姿态监控装置、图像处理系统、标定装置和保护装置。

在隔水管对接过程中，隔水管法兰端面与注水端法兰端面存在的偏移包含径向偏移（两法兰端面相对于地面的上下左右偏移）和旋转偏移（两法兰端面相对于隔水管中心线的旋转角度偏移），要使隔水管精确对齐，必须保证径向误差及旋转误差足够小，即能良好对位。

由于采用机器视觉的方法进行两端面相对偏移测量，而相机的首要步骤是相机标定，故在第一次进行对接过程前，需对双目相机1进行标定，对相机进行标定，一般必须提供场景与图像之间的多个坐标对，场景上的坐标点就从标定靶标上获得，而图像上的点可从场景上获取，本发明为了避免非对称投影带来的标识点变形影响，采用50um精度的标定板，进行相机标定，双目相机的标定可由如下方法实现。

双目相机的标定是建立在单目相机标定的基础上，两个单目相机分别拍摄空间中的标定板，根据其视差进行双目相机的标定，得到空间目标的三维坐标，三目相机的标定核心是获取相机坐标系在世界坐标系的位置，假设空间中某点在世界坐标系中的齐次坐标为，相机坐标系中的齐次坐标系为，则这两种坐标系之间的转换关系为：

其中，R是3×3的正交矩阵，t为3×1的平移矩阵，。

左右相机根据上述标定方法单目标定，获得各自与世界坐标系的旋转平移关系、为：、。

则式1改写为：。

合并上式中的两个式子消去世界坐标系可以得到，以及右相机到左相机的位置关系：，表示右相机坐标系到左相机坐标系的旋转平移矩阵。

由于隔水管常常采用吊装方法放置在运动装置上，故其隔水管法兰端面4与注水端法兰端面3存在一定的夹角，而隔水管良好对位的首要条件是两端面保持平行，故首要步骤是调节两法兰端面相对姿态，使其相对平行，故在两法兰端面相距合适距离（注水端法兰端面3与隔水管法兰端面4全部位于双目相机1的有效视野中），使隔水管停止运动，利用双目相机1进行三维重建，并提取隔水管法兰端面4及注水端法兰端面3的特征圆圆心，再通过特征圆圆心的三维坐标信息测量两法兰端面的平面夹角（锐角）大小及方向，并将其传递给外部控制装置，使其进行平行度调节。

平行度调节主要根据特征点三维坐标（x_i，y_i，z_i）满足平面方程，根据此得到两平面的法向量为，，则两法兰端面的夹角可表示为 。

在外部控制装置调节两法兰端面平行后，通过双目相机1重新获取两法兰断面的特征圆圆心及其三维信息，通过注水端法兰端面3特征圆圆心及隔水管法兰端面4特征圆圆心的三维坐标关系，测量两法兰端面的径向偏移与旋转偏移，并将其传送至外部控制装置，使其调节两法兰端面精确对位。

虽然已经进行了精确对位，但是目前两法兰端面间仍相距一定距离，在后续一段距离的运动过程中，两法兰端面的姿态不可避免地会发生变化，故在精确对位后，读取两个数字倾角传感器2的姿态数据（两数字倾角传感器各自相对于地面的姿态信息，即隔水管法兰端面的姿态信息及注水端法兰端面的姿态信息），通过姿态结算，得到两法兰端面的相对姿态信息（隔水管法兰端面相对于注水端法兰端面的姿态信息），并将该相对姿态信息作为基准姿态。

在保持两法兰端面的相对姿态信息与基准姿态一致的条件下，使隔水管法兰端面4向注水端法兰端面3低速运动，完成最终对接。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的应用适用范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的应用适用范围内。

Claims (3)

1.一种隔水管自动对接检测装置，包括平面角测量装置、偏移获取装置、隔水管运动姿态监控装置、图像处理系统、标定装置和保护装置。

2.根据权利要求1所述的隔水管自动对接检测装置，其特征在于，所述注水端及隔水管共装有数字倾角传感器2个。

3.根据权利要求1所述的隔水管自动对接检测装置，其特征在于，所述对接过程主要包含相机标定、平面角测量、偏移获取、运动姿态监控等。