CN112049587A - 一种钻具接头机器视觉系统及控制方法 - Google Patents

一种钻具接头机器视觉系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种钻具接头定位的控制方法，包括如下步骤：S1：启动摄像机，拍摄钻具接头的图像；S2：处理器接收钻具接头的图像并获得钻具接头所占的视觉夹角α，根据已知的摄像机距离钻井井眼轴线的水平距离，摄像机与水平面的夹角，得到钻具的半径信息；S3：根据钻具的半径信息，已知的摄像机到钻台面的高度，钻具接头和摄像机连线与摄像机所在轴线的夹角以及摄像机到钻具的水平距离，获得钻具接头距离钻台面的高度信息。本发明的有益效果是：通过机器视觉自动识别钻具接头的位置，可以实时将钻具接头的准确位置和直径传输至控制系统，供各种钻具操作设备的控制系统调用，并降低了劳动强度和发生人为错误的概率，提高了作业的连续性和效率。

Description

一种钻具接头机器视觉系统及控制方法
技术领域
本发明属于石油钻井机械技术领域，具体涉及一种钻具接头机器视觉系统及控制方法。
背景技术
随着石油钻井作业自动化水平的提高，自动化钻具操作设备(如顶驱、铁钻工、钻台面机械手等)被越来越广泛地应用。钻井平台上主要由司钻和钻工负责操作各种钻具操作设备，通过手动操作，使设备对准钻具接头，以实现钻具的夹紧、上升、下降、上扣、卸扣等操作。在操作钻具时，需要使用绞车、顶驱、钻台面机械手、铁钻工等不同的液压或电力驱动的动力设备。在操作不同设备时，需要重新对准钻具接头，操作费时，影响效率，且存在较大的人为操作失误的可能性。
由于钻具操作作业的工作环境比较恶劣，安全风险较高，因此，需要一种新型的、能够快速确定钻具位置的装置和方法，并能够将钻具位置反馈给各种钻具操作设备的控制系统调用，以提高钻具操作设备的自动化水平，提高工作效率，减少钻台面人员。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术中的设备需要手动对准钻具的操作方式存在的效率低、易出错问题，本发明提供一种钻具接头机器视觉系统及控制方法。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种钻具接头定位的控制方法，所述控制方法获取钻具的直径以及钻具接头距离钻台面的高度信息，包括如下步骤：
S1：启动摄像机，对钻具接头进行拍摄，记录钻具接头的图像；
S2：与摄像机电连接的处理器启动，以接收摄像机记录的钻具接头的图像并获得钻具接头所占的视觉夹角α，根据已知的摄像机距离钻井井眼轴线的水平距离L1，摄像机与水平面的夹角β，得到钻具的半径和直径信息；
S3：根据步骤S2获得的钻具的半径信息，已知的摄像机到钻台面的高度H1，已知的钻具接头和摄像机连线与摄像机所在轴线的夹角γ以及已知的摄像机到钻具的水平距离L3，处理器获得钻具接头距离钻台面的高度信息。
根据本发明，步骤S2包括：
S21：测量摄像机距离钻井井眼所在的轴线的水平距离L1，输入处理器作为常数待用；
S22：以与钻具垂直的地面为水平面，获取摄像机与水平面的倾斜程度β，将测量得到的倾斜角度β输入处理器作为常数待用；
S23：计算摄像机所在的焦平面到摄像机轴线与井眼轴线交点的距离L2，其中，L2＝L1/cosβ，将计算得到的L2输入处理器作为常数待用；
S24：处理器根据钻具在摄像机所记录的图像中心所占的宽度获取钻具所占视觉夹角α；
S25：根据步骤S23计算得到的L2以及步骤S24获取的α，计算钻具的半径R，其中，R＝L2×cos(α/2)。
根据本发明，步骤S2还包括：S26：计算钻具的直径D，其中，D＝2R＝2×L2×cos(α/2)。
根据本发明，步骤S3包括：
S31：测量摄像机到钻台面的高度H1，输入处理器作为常数待用；
S32：根据钻具接头在图像上的位置距图像中心的像素数，获取钻具接头和摄像机连线与摄像机所在轴线的夹角γ；
S33：计算摄像机和钻具接头连线与水平面的夹角δ；
S34：计算摄像机到钻具的水平距离L3，其中L3＝L1-R；
S35：计算钻具接头到摄像机的垂直高度H2，其中，H2＝L3×tan(γ-β)；
S36：计算钻具接头的高度H3，其中，H3＝H1+H2＝H1+L3×tan(γ-β)。
根据本发明，步骤S33中：摄像机和钻具接头连线与水平面的夹角δ＝γ-β。
本发明还提供一种上述控制方法中使用的钻具接头机器视觉系统，用于获取钻具直径以及钻具接头距离钻台面的高度信息，包括：
摄像机，位于司钻房外，用于拍摄钻具接头的连续图像；
处理器，位于司钻房内，与摄像机电连接，用于接收摄像机的图像，并获得钻具接头的直径以及距离钻台面的高度信息。
根据本发明，处理器安装在机柜内，机柜位于司钻房内。
根据本发明，摄像机固定于支架上，摄像机与支架位于司钻房外部。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
本发明通过机器视觉自动识别钻具接头的位置，可以实时将钻具接头的准确位置和钻具接头的直径传输至控制系统，供各种钻具操作设备的控制系统调用，实现自动化一键式操作和不同设备的自动化连续操作。这种定位装置和定位方法减小了人工操作所造成的操作误差，降低了劳动强度和发生人为错误的概率，提高了作业的连续性和效率，缩短了作业时间，降低了钻井成本。
本发明中的钻具接头机器视觉系统，结构简单、稳定可靠、精度高、能大幅度地减少人工操作、能大幅度地提高作业效率和精度，可自动识别钻具直径和接头位置，实现自动化钻具操作的钻具接头定位的装置和方法，从而提高钻井作业的安全和效率。
附图说明
图1为本发明中钻具接头机器视觉系统的结构示意图；
图2为本发明中钻具接头定位的控制方法的原理示意图；
图3为本发明中摄像机与钻具的侧向俯视图。
【附图标记说明】
1：司钻房；2：可编程控制器；3：处理器；4：机框；5：支架；6：摄像机；7：钻具接头；8：钻具A；9：钻具B；10：钻台面。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
参照图1至图3，本实施例提供一种钻具接头定位的控制方法，包括如下步骤：
S1：启动摄像机6，对钻具接头7进行拍摄，记录钻具接头7的图像。
S2：与摄像机6电连接的处理器3启动，以接收摄像机6记录的钻具接头7的图像并获得钻具接头7所占的视觉夹角α。根据已知的摄像机距离钻井井眼轴线的水平距离L1，摄像机与水平面的夹角β，得到钻具的半径和直径信息。
S3：根据步骤S2获得的钻具的半径信息，已知的摄像机6到钻台面10的高度H1，已知的钻具接头7和摄像机6的连线与摄像机所在轴线的夹角γ，以及已知的摄像机6到钻具的水平距离L3，处理器3获得钻具接头7距离钻台面10的高度信息。
进一步地，步骤S2中，具体包括：
S21：测量摄像机6距离钻井井眼所在的轴线的水平距离L1，输入处理器3作为常数待用。
S22：以与钻具垂直的地面为水平面，获取摄像机6与水平面的倾斜程度β，将测量得到的倾斜角度β输入处理器3作为常数待用。
S23：计算摄像机6所在的焦平面到摄像机轴线与井眼轴线交点的距离L2，其中，L2＝L1/cosβ，将计算得到的L2输入处理器3作为常数待用。
S24：处理器根据钻具在摄像机6所记录的图像中心所占的宽度获取钻具所占视觉夹角α。
S25：根据步骤S23计算得到的L2以及步骤S24获取的α，计算钻具的半径R，其中，R＝L2×cos(α/2)。
S26：计算钻具的直径D，其中，D＝2R＝2×R＝L2×cos(α/2)。
图2中，各个字母所代表的含义为：
O代表摄像机6的中心，
A代表摄像机6垂直于钻台面10的交点，
B代表钻具朝向摄像机6的一面与钻台面10的交点，
C代表钻具中心，即井眼轴线与钻台面10的交点，
D代表摄像机6所在的轴线与钻台面10的交点，
E代表摄像机6所在轴线与井眼轴线的交点，
F代表钻具接头朝向摄像机6一面的位置，
G代表钻具朝向摄像机6的一面与O点等高的位置。
图3中，H、J和O点组成的夹角代表钻具在图像中心所占的宽度计算钻具所占视觉夹角α。
具体地，OH、OJ为钻具所在椭圆截面的两条切线，H、G为过钻具的两个切点。
具体地，HE’垂直于OH，JE’垂直于OJ。HE代表钻具的真实直径，本实施例中，将钻具半径R近似于HE’，因此，在直角三角形OHE’中，半径HE’＝L2×cos(α/2)。
当然，在钻具接头的定位过程中，摄像机6距离钻具的水平距离应不小于3m，以保证HE’与钻具半径的真实值HE较为接近。
具体地，步骤S21中，摄像机6距离钻井井眼所在的轴线的水平距离L1即为图2中的AC。
具体地，步骤S22中，过摄像机的镜头焦点且垂直于摄像机轴线的平面为所述的焦平面。OG为水平面，摄像机6相比水平面的倾斜角度β在图2中为∠GOE。
更进一步地，步骤S23中，摄像机6所在的焦平面到摄像机轴线与井眼轴线交点的距离L2为图2中的OE。
更进一步地，步骤S24中，如图3所示，钻具所占视觉夹角α，在△HOE或者△GOE中，根据OE，即L2的距离以及α/2，可以计算出钻具的半径R＝HE’＝E’J＝OE×cos(α/2)＝L2×cos(α/2)，钻具直径D＝2R＝2×L2×cos(α/2)。
进一步地，步骤S3包括：
S31：测量摄像机6到钻台面10的高度H1，输入处理器3作为常数待用；
S32：根据钻具接头7在图像上的位置距图像中心的像素数，获取钻具接头和摄像机连线与摄像机所在轴线的夹角γ；
S33：计算摄像机和钻具接头连线与水平面的夹角δ，其中，δ＝γ-β；
S34：计算摄像机6到钻具的水平距离L3，其中L3＝L1-R；
S35：计算钻具接头7到摄像机6的垂直高度H2，其中，H2＝L3×tan(γ-β)；
S36：计算钻具接头7的高度H3，其中，H3＝H1+H2＝H1+L3×tan(γ-β)。
具体地，步骤S21中，AO代表摄像机6到司钻台10的垂直距离H1。
具体地，步骤S22中，钻具接头-摄像机连线与摄像机所在轴线的夹角γ为图2中表示为∠FOE。
具体地，步骤S23中，摄像机-钻具接头连线与水平面的夹角δ表示为图2中的∠FOG，∠FOG＝∠FOE-∠GOE＝γ-β。
具体地，步骤S24中，摄像机3到钻具的水平距离L3表示为图2中的AB段，AB＝L3＝L1-R。
具体地，步骤S25中，钻具接头7到摄像机3的垂直高度H2表示为图2中的FG，在△FOG中，已知∠FOG＝∠FOE-∠GOE＝δ＝γ-β，FG＝H2＝L3×tanδ。
具体地，步骤S26中，钻具接头所处的垂直高度H3表示为图2中的BF，BF＝BG+FG＝AO+OG×tanδ。
通过上述方法，得到钻具接头7所处的垂直高度，即钻具接头的位置，然后将上述钻具接头7所处的垂直高度H3输出至钻具控制设备，供各种钻具操作设备的控制系统调用，以提高钻具操作设备的自动化水平，提高工作效率，降低人工操作的出错率，减少钻台面人员。
此外，本实施例的定位装置和定位方法还可以与可编程控制器2结合使用：可编程控制器2与处理器3电性连接，用于接收处理器3反馈的钻具接头7的位置参数，以控制驱动设备对钻具进行进一步的操作。
另外，参照图1，本实施例还提供一种适用于上述控制方法的钻具接头机器视觉系统，用于获取钻具接头的直径以及钻具接头距离钻台面的高度信息，包括：
摄像机6，位于司钻房10的外部，用于拍摄钻具接头7的连续图像。
处理器3，与摄像机6电性连接，用于接收摄像机6的连续图像，并获得钻具接头7的直径以及距离钻台面10的高度信息。
在钻具接头机器视觉系统作业时，摄像机6拍摄和记录钻具接头7的连续位置，并将钻具接头7的连续位置传至处理器3，优选地，本实施例中的处理器为嵌入式计算机。嵌入式计算机通过深度神经网络目标检测模型，粗定位出图像中钻具接头7所在位置，然后再次使用目标检测模型，精确定位钻具接头7的位置，即钻具接头7所处的高度。
嵌入式计算机通过算法筛选钻具接头位置，过滤掉误检的钻具接头位置，留下最合适的钻具接头位置。然后，通过摄像机6距钻台面10的高度、摄像机6的安装角度、摄像机6到钻具水平距离、摄像机6与钻台面10的夹角、钻具所占的视觉夹角等距离以及角度条件，计算出钻具接头到钻台面的垂直距离，本实施例中，钻具接头到钻台面的垂直距离即为所需要的得到的钻具接头的位置。
具体地，处理器3安装在司钻房1中的机柜4内。司钻房1能够实现钻井参数和电气参数的显示、调节与钻井控制、设备监控、通讯等功能。机柜4用于存放处理器3和相关控制设备，可以提供对处理器3和相关控制设备的保护，屏蔽电磁干扰，有序、整齐地排列设备，方便以后维护设备。
具体地，摄像机6固定在支架5上，并通过支架5安装在司钻房1的外墙上。摄像机6朝向钻具接头7。
当进行起钻作业时，钻具A8插在钻台面10上的固定的井眼中，钻具B9通过螺纹连接在钻具A8的上方。钻具A8和钻具B9之间的连接缝即为本实施例中的定位装置要识别的钻具接头7的位置。
当进行下钻作业时，钻具A8插在钻台面10上的固定的井眼中，钻具A8上方没有钻具。此时，钻具A8的上端面即为本实施例的定位装置要识别的钻具接头7的位置。
综上，本发明中钻具接头的钻具接头机器视觉系统，结构简单、稳定可靠、精度高、能大幅度地减少人工操作、能大幅度地提高作业效率和精度，可自动识别钻具直径和接头位置，实现自动化钻具操作的钻具接头定位的装置和方法，从而提高钻井作业的安全和效率。
另外，本发明通过机器视觉自动识别钻具接头的位置，可以实时将钻具接头的准确位置和钻具接头的直径传输至控制系统，供各种钻具操作设备的控制系统调用，实现自动化一键式操作和不同设备的自动化连续操作。这种定位装置和定位方法减小了人工操作所造成的操作误差，降低了劳动强度和发生人为错误的概率，提高了作业的连续性和效率，缩短了作业时间，降低了钻井成本。
以上实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定，本领域技术人员在权利要求的范围内做出各种变形或修改，均属于本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种钻具接头定位的控制方法，所述定位方法获取钻具的直径以及钻具接头距离钻台面的高度信息，其特征在于，包括如下步骤：
S1：启动摄像机(6)，对钻具接头(7)进行拍摄，记录钻具接头(7)的图像；
S2：与摄像机(6)电连接的处理器(3)启动，以接收摄像机(6)记录的钻具接头(7)的图像并获得钻具接头(7)所占的视觉夹角α，根据已知的摄像机(6)距离钻井井眼轴线的水平距离L1，摄像机(6)与水平面的夹角β，得到钻具的半径和直径信息；
S3：根据步骤S2获得的钻具的半径信息，已知的摄像机(6)到钻台面(10)的高度H1，已知的钻具接头和摄像机连线与摄像机所在轴线的夹角γ以及已知的摄像机到钻具的水平距离L3，处理器(3)获得钻具接头(7)距离钻台面(10)的高度信息。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤S2包括：
S21：测量摄像机(3)距离钻井井眼所在的轴线的水平距离L1，输入处理器(3)作为常数待用；
S22：以与钻具垂直的地面为水平面，获取摄像机(6)与水平面的倾斜程度β，将测量得到的倾斜角度β输入处理器(3)作为常数待用；
S23：计算摄像机(6)所在的焦平面到摄像机轴线与井眼轴线交点的距离L2，其中，L2＝L1/cosβ，将计算得到的L2输入处理器(3)作为常数待用；
S24：处理器(3)根据钻具在摄像机(6)所记录的图像中心所占的宽度获取钻具所占视觉夹角α；
S25：根据步骤S23计算得到的L2以及步骤S24获取的α，计算钻具的半径R，其中，R＝L2×cos(α/2)。
3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，步骤S2还包括：
S26：计算钻具的直径D，其中，D＝2R＝2×L2×cos(α/2)。
4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤S3包括：
S31：测量摄像机(6)到钻台面(10)的高度H1，输入处理器(3)作为常数待用；
S32：根据钻具接头在图像上的位置距图像中心的像素数，获取钻具接头和摄像机连线与摄像机所在轴线的夹角γ；
S33：计算摄像机和钻具接头连线与水平面的夹角δ；
S34：计算摄像机到钻具的水平距离L3，其中L3＝L1-R；
S35：计算钻具接头(7)到摄像机(6)的垂直高度H2，其中，H2＝L3×tan(γ-β)；
S36：计算钻具接头的高度H3，其中，H3＝H1+H2＝H1+L3×tan(γ-β)。
5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，步骤S33中：摄像机和钻具接头连线与水平面的夹角δ＝γ-β。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述的控制方法中所使用的钻具接头机器视觉系统，用于获取钻具直径以及钻具接头距离钻台面的高度信息，其特征在于，包括：
摄像机(6)，位于司钻房(1)外，用于拍摄钻具接头(7)的图像；
处理器(3)，位于司钻房(1)内，与摄像机(6)电连接，用于接收摄像机(6)的连续图像，并获得钻具接头(7)的直径以及距离钻台面的高度信息。
7.如权利要求6所述的钻具接头机器视觉系统，其特征在于，处理器(3)安装在机柜(4)内，机柜(4)位于司钻房(1)内。
8.如权利要求6所述的钻具接头机器视觉系统，其特征在于，摄像机(6)固定于支架(5)上，摄像机(6)与支架(5)位于司钻房(1)外部。
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