CN112627750B - 一种铁钻工自动定位钻杆接箍高度的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铁钻工自动定位钻杆接箍高度系统，包括嵌入式控制器，嵌入式控制器分别与工业相机、相机视觉光源、HMI客户端、铁钻工控制器信号连接，铁钻工控制器还与HMI客户端通讯连接；铁钻工控制器的信号输入端同时与铁钻工的伸缩臂位移传感器、钳头高度传感器连接，铁钻工控制器的信号输出端与升降调节油缸控制连接。本发明还公开了一种铁钻工自动定位钻杆接箍高度的方法，基于上述的系统，完成铁钻工自动定位钻杆接箍的高度。本发明系统及方法，避免了工作人员近距离反复观看检查高度位置，降低了人员视觉疲劳强度的同时，更保证人员安全，提高了起下钻效率，为最终实现无人值守钻机目标跨越了一道障碍。
Description
技术领域
本发明属于石油钻井设备技术领域，涉及一种铁钻工自动定位钻杆接箍高度系统，本发明还涉及该种铁钻工自动定位钻杆接箍高度的方法。
背景技术
在油田钻修井作业过程中，铁钻工需要在起下钻作业中全天候待命工作，作为使用最为频繁，操作步骤最为复杂的井口设备之一，现阶段仍需人工调节高度对正后，再进行上/卸扣动作，因此实现铁钻工自动定位钻杆接箍高度功能迫在眉睫。然而，起下钻作业中，铁钻工上/卸扣时必须背钳夹紧在钻杆接箍处，受钻杆长度差异以及游吊系统每次停留位置不确定性的影响，造成钻杆每次接箍的高度位置不同，需要现场作业人员反复上下调节铁钻工高度位置，以适应钻杆接箍高度位置，这不仅降低了工作效率，增加了劳动强度，长时间工作更容易造成作业人员视觉疲劳，增加作业风险系数。因此，要实现铁钻工完全一键自动上/卸扣，必须解决铁钻工自动定位钻杆接箍高度这一技术瓶颈。
发明内容
本发明的目的是提供一种铁钻工自动定位钻杆接箍高度系统，解决了现有技术的铁钻工设备功能不完善，仍需要手动反复操作高度调节手柄，才能完成铁钻工上/卸扣高度位置定位的问题。
本发明的另一目的是提供该种铁钻工自动定位钻杆接箍高度的方法。
本发明所采用的技术方案是，一种铁钻工自动定位钻杆接箍高度系统，包括嵌入式控制器，嵌入式控制器分别与工业相机、相机视觉光源、HMI客户端、铁钻工控制器信号连接，铁钻工控制器还与HMI客户端通讯连接；铁钻工控制器的信号输入端同时与铁钻工的伸缩臂位移传感器、钳头高度传感器连接，铁钻工控制器的信号输出端与升降调节油缸控制连接。
本发明所采用的另一技术方案是，一种铁钻工自动定位钻杆接箍高度的方法，基于上述的铁钻工自动定位钻杆接箍高度系统，按照以下步骤实施：
步骤1：测量工业相机的镜头的法线方向与水平面夹角、镜头与钻台面的距离、镜头与井口钻具外表面的距离；当铁钻工程序启动后，触发嵌入式控制器按照上述参数完成工业相机的内部标定；
步骤2：内部标定完成后，开启相机视觉光源，对井口附近的钻台面和井口以上的井口钻具，按照设定的光照条件给予光照；
步骤3：铁钻工去井口运动过程中伸缩缸伸出，当检测到伸缩臂位移传感器行程到达待命位置时，铁钻工控制器触发工业相机和嵌入式控制器按照一定频率间隔采集图像；
步骤4：采集的图像信息经过图像匹配算法，再与上述预先存储的同种工况的图像信息进行比对，判定是否采集到合适的图像，匹配差异在算法设定的阈值内，如果判定合适，则进行后续步骤；如果超出算法设定的阈值，需要继续进行采集；同时，判定的状态信息通过HMI客户端实时显示；
步骤5：匹配成功的图像进入后续的图像测量算法，
定义一个比率来测量每个给定度量单位的像素数，公式如下：
比率＝物体像素宽/物体真实宽 ①
提前在嵌入式控制器的程序中建立不同钻具对应的测量对象的真实尺寸对照表，该对照表包括接箍长度S1、直管部分直径S2、接箍直径S3的真实尺寸；
在后续的图像测量算法中，采集图像已经从彩色图像变为二值图像，在二值图像中测量接箍长度W1、接口直径W2、直管部分直径W3的像素宽，根据上述比率的公式①，得到当前钻管类型下的比率K1、K2、K3，表达式分别是：K1＝W1/S1，K2＝W2/S2，K3＝W3/S3，
将比率进行加权平均得到三个比率的均值：Kmean＝(K1+K2+K3)/3，
以Kmean作为最终的比率；
上/卸扣工况中，井口钻具和上部钻具的连接关系不同，因此，两种工况测量的像素宽有差异，要区别对待；
步骤6：铁钻工自动定位到上/卸扣高度，
得到铁钻工上/卸扣目标高度位置H，利用铁钻工控制器驱动升降调节油缸，配合机架高度位移传感器H1来计算铁钻工钳头实际高度与接箍位置的差值△H＝(H-H1)，当△H≥0时,铁钻工控制器控制驱动机架升降缸升高至钳头高度传感器为H时停止,完成定位；当△H≤0时,铁钻工控制器控制驱动机架升降缸下降至钳头高度传感器为H时停止，完成定位。
本发明的技术效果是，与传统的铁钻工需要手动调节上/卸扣高度位置的方法相比，优点包括：1)通过机器视觉系统的程序自动控制可以实现采集、处理视觉图像信息，配合高度位移传感器，得到铁钻工上/卸扣目标高度位置，避免了工作人员近距离反复观看检查高度位置，降低了人员视觉疲劳强度的同时，更保证人员安全。2)针对上/卸扣高度位置调节时，需要人工手动通过反复操作高度调节手柄等一系列动作，本发明方法可以实现铁钻工上/卸扣高度位置自动定位，可实现铁钻工上/卸扣作业完全自动化，进而提高了起下钻效率，为最终实现无人值守钻机目标跨越了一道障碍。
附图说明
图1是本发明铁钻工自动定位钻杆接箍高度装置的连接框图；
图2是本发明铁钻工自动定位钻杆接箍高度系统的安装示意图；
图3是本发明铁钻工自动定位钻杆接箍高度的方法流程图；
图4是本发明预先存入嵌入式控制器的钻具实际测量参数；
图5是本发明方法在上扣工况图像中的钻台面到接箍端面的外围矩形轮廓示意图；
图6是本发明方法在卸扣工况图像中的钻台面到上部钻具10最下面接箍斜坡面的外围矩形轮廓示意图。
图中，1.工业相机，2.嵌入式控制器，3.相机视觉光源，4.HMI客户端，5.铁钻工控制器，6.伸缩臂位移传感器，7.钳头高度传感器，8.升降调节油缸，9.钻台面，10.上部钻具，11.井口钻具，12.司钻房。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图1、图2，本发明系统的控制结构是，包括嵌入式控制器2，嵌入式控制器2分别与工业相机1、相机视觉光源3、HMI客户端4、铁钻工控制器5信号连接，铁钻工控制器5还与HMI客户端4通讯连接；铁钻工控制器5的信号输入端同时与铁钻工的伸缩臂位移传感器6、钳头高度传感器7连接，铁钻工控制器5的信号输出端与升降调节油缸8控制连接。
HMI客户端4作为人机操作界面终端，可完成对铁钻工的的操作和状态监控；工业相机1和嵌入式控制器2通过USB方式连接，一起组成图像采集分析模块；铁钻工控制器5通过工业以太网协议分别与嵌入式控制器2、HMI客户端4通讯连接；工业相机1选用200万及以上像素高清相机，安装在铁钻工的本体上，相机视觉光源3与工业相机1配套设置；HMI客户端4、铁钻工控制器5、嵌入式控制器2均安装在司钻房12中。
在钻井的起、下钻工况中，下部的井口钻具11位于钻台面9的井口中，游吊系统悬挂的上部钻具10被悬挂在游吊系统的大钩或者水龙头下，与井口钻具11的接箍进行螺纹连接，其中井口钻具11接箍上端面到钻台面的距离H通过本发明下述的方法求得。
在上扣工况中，游吊系统将上部钻具10插入井口钻具11的接箍内，处在待命位置的铁钻工，得到铁钻工控制器5发送的前进命令，铁钻工自动到达井口，通过视觉系统计算的井口钻具11漏出钻台面的高度,铁钻工控制器5驱动升降调节油缸8调节到合适高度，实现铁钻工自动定位到上扣高度位置，后续依据铁钻工控制器5已存在的程序完成自动上扣。
在卸扣工况中，上部钻具10和井口钻具11已经在接箍内螺纹紧密连接，处在待命位置的铁钻工，得到铁钻工控制器5发送的运动命令，钻工自动到达井口，通过视觉系统计算的井口钻具11漏出钻台面的高度,铁钻工控制器5驱动升降调节油缸8调节到合适高度，实现铁钻工自动定位到卸扣高度位置，后续依据铁钻工控制器5已存在的程序完成自动卸扣。
整个上/卸扣工况中，HMI客户端4上可以实时查看铁钻工的运行状态信息，包括铁钻工本体安装的伸缩臂位移传感器6、钳头高度传感器7反馈的信息，也可以将选择的管柱类型发送给铁钻工控制器5、嵌入式控制器2。
参照图2、图3，本发明铁钻工自动定位钻杆接箍高度的方法，按照以下步骤实施：
步骤1：测量工业相机1的镜头的法线方向与水平面夹角、镜头与钻台面的距离、镜头与井口钻具11外表面的距离；当铁钻工程序启动后，触发嵌入式控制器2按照上述参数完成工业相机1的内部标定；
步骤2：工业相机1的内部标定完成后，开启相机视觉光源3，对井口附近的钻台面和井口以上的井口钻具11，按照设定的光照条件，给予合适的光照；
步骤3：铁钻工去井口运动过程中，伸缩缸伸出，当检测到伸缩臂位移传感器6行程到达待命位置时，铁钻工控制器5触发工业相机1和嵌入式控制器2组成图像采集分析模块，按照一定频率间隔采集图像；
步骤4：嵌入式控制器2带有记忆功能插槽，能够分别对起、下钻两种不同工况的图像采集、学习并分别保存，采集的图像信息经过图像匹配算法，再与上述预先存储的同种工况的图像信息进行比对，判定是否采集到合适的图像；(图像匹配算法可以实现图像滤波、消噪、边缘检测、几何建模、特征检测、特征描述、特征匹配功能。)匹配差异在算法设定的阈值内，如果判定合适，则进行后续步骤；如果超出算法设定的阈值，需要继续进行采集；多次优化算法，可提高采集图像的成功率。同时，判定的状态信息可通过HMI客户端4实时显示；
步骤5：匹配成功的图像进入后续的图像测量算法，
为了得到铁钻工上/卸扣的目标高度，需要在图像测量之前，定义一个比率来测量每个给定度量单位的像素数，公式如下：
比率＝物体像素宽/物体真实宽 ①
要获得这个比率，需要一个参照物，这个参照物应该有两个重要的属性：一是有这个物体的真实尺寸数值，二是应该能够轻松地在图片中找到这个参照物，
为了处理好这个参照物，本步骤的做法是，提前在嵌入式控制器2的程序中建立不同钻具对应的测量对象的真实尺寸对照表，该对照表包括图4所示的接箍长度S1、直管部分直径S2、接箍直径S3的真实尺寸，
在后续的图像测量算法中，采集图像已经从彩色图像变为二值图像，在二值图像中测量接箍长度W1、接口直径W2、直管部分直径W3的像素宽，根据上述比率的公式①，得到当前钻管类型下的比率K1、K2、K3，表达式分别是：K1＝W1/S1，K2＝W2/S2，K3＝W3/S3，
理想条件下，这三个比率应该相等，但实际中肯定会有差异，为了降低误差，提高最终结果的精度，
将比率进行加权平均得到三个比率的均值：Kmean＝(K1+K2+K3)/3，
以Kmean作为最终的比率；
上/卸扣工况中，井口钻具11和上部钻具10的连接关系不同；上扣时，两者分开，只有井口钻具11位于井口；卸扣时，两者连接在一起，整个钻具位于井口，因此，两种工况测量的像素宽有差异，下面分别说明：
5.1)在上扣工况中，如图5所示，采集到位于井口钻具11彩色图像后，进行图像预处理，得到二值图像；对这个图像进行轮廓分析，用矩形ABCD拟合钻台面到接箍端面的外围轮廓，此时图像中A、B、C、D四点的坐标分别为A(X1,Y1)、B(X2,Y2)、C(X3,Y3)、D(X4,Y4)，图像坐标原点为屏幕左上角，向下Y增大，向右X增大，
矩形上下边像素宽是：W＝((Y4-Y1)+(Y3-Y2))/2；
目标是：H＝W/Kmean；
5.2)在卸扣工况中，如图6所示，采集到井口钻具11和上部钻具10螺纹连结后的彩色图像，进行图像预处理，得到二值图像，对这个图像进行轮廓分析，用矩形ABCD拟合钻台面到上部钻具10最下面接箍斜坡面的外围轮廓，此时图像中A、B、C、D四点的坐标分别为A(X1,Y1)、B(X2,Y2)、C(X3,Y3)、D(X4,Y4)，
矩形上下边像素宽是：W＝((Y4-Y1)+(Y3-Y2))/2；
目标是：H＝W/Kmean-S1，其中的S1为当前钻具的接箍长度；
步骤6：铁钻工自动定位到上/卸扣高度，
得到铁钻工上/卸扣目标高度位置H，利用铁钻工控制器5驱动升降调节油缸8，配合机架高度位移传感器H1来计算铁钻工钳头实际高度与接箍位置的差值△H＝(H-H1)，当△H≥0时,铁钻工控制器5控制驱动机架升降缸升高至钳头高度传感器7为H时停止,完成定位；当△H≤0时,铁钻工控制器5控制驱动机架升降缸下降至钳头高度传感器7为H时停止，完成定位。
Claims (2)
1.一种铁钻工自动定位钻杆接箍高度的方法，基于一种铁钻工自动定位钻杆接箍高度系统，该铁钻工自动定位钻杆接箍高度系统的结构是：包括嵌入式控制器（2），嵌入式控制器（2）分别与工业相机（1）、相机视觉光源（3）、HMI客户端（4）、铁钻工控制器（5）信号连接，铁钻工控制器（5）还与HMI客户端（4）通讯连接；铁钻工控制器（5）的信号输入端同时与铁钻工的伸缩臂位移传感器（6）、钳头高度传感器（7）连接，铁钻工控制器（5）的信号输出端与升降调节油缸（8）控制连接；所述的HMI客户端（4）作为人机操作界面终端；工业相机（1）和嵌入式控制器（2）通过USB方式连接；工业相机（1）安装在铁钻工的本体上，相机视觉光源（3）与工业相机（1）配套设置；所述的铁钻工控制器（5）通过工业以太网协议分别与嵌入式控制器（2）、HMI客户端（4）通讯连接；HMI客户端（4）、铁钻工控制器（5）、嵌入式控制器（2）均安装在司钻房（12）中，
其特征在于，本方法按照以下步骤实施：
步骤1：测量工业相机（1）的镜头的法线方向与水平面夹角、镜头与钻台面的距离、镜头与井口钻具（11）外表面的距离；当铁钻工程序启动后，触发嵌入式控制器（2）按照上述参数完成工业相机（1）的内部标定；
步骤2：内部标定完成后，开启相机视觉光源（3），对井口附近的钻台面和井口以上的井口钻具（11），按照设定的光照条件给予光照；
步骤3：铁钻工去井口运动过程中伸缩缸伸出，当检测到伸缩臂位移传感器（6）行程到达待命位置时，铁钻工控制器（5）触发工业相机（1）和嵌入式控制器（2）按照一定频率间隔采集图像；
步骤4：采集的图像信息经过图像匹配算法，分别对起、下钻两种不同工况的图像采集、学习并分别保存，采集的图像信息经过图像匹配算法，再与同种上述保存的工况的图像信息进行比对，判定是否采集到合适的图像，匹配差异在算法设定的阈值内，如果判定合适，则进行后续步骤；如果超出算法设定的阈值，需要继续进行采集；同时，判定的状态信息通过HMI客户端（4）实时显示；
步骤5：匹配成功的图像进入后续的图像测量算法，
定义一个比率来测量每个给定度量单位的像素数，公式如下：
提前在嵌入式控制器（2）的程序中建立不同钻具对应的测量对象的真实尺寸对照表，该对照表包括接箍长度S1、直管部分直径S2、接箍直径S3的真实尺寸；
在后续的图像测量算法中，采集图像已经从彩色图像变为二值图像，在二值图像中测量接箍长度W1、接口直径W2、直管部分直径W3的像素宽，根据上述比率的公式①，得到当前钻管类型下的比率K1、K2、K3，表达式分别是：K1=W1/S1，K2=W2/S2，K3=W3/S3，
将比率进行加权平均得到三个比率的均值：Kmean=(K1+K2+K3)/3，
以Kmean作为最终的比率；
上/卸扣工况中，井口钻具（11）和上部钻具（10）的连接关系不同，因此，两种工况测量的像素宽有差异，要区别对待；
步骤6：铁钻工自动定位到上/卸扣高度，
得到铁钻工上/卸扣目标高度位置H，利用铁钻工控制器（5）驱动升降调节油缸（8），配合机架高度位移传感器检测值H1来计算铁钻工钳头实际高度与接箍位置的差值△H=（H-H1），当△H≥0时, 铁钻工控制器（5）控制驱动机架升降缸升高至钳头高度传感器（7）检测值为H时停止，完成定位；当△H≤0时，铁钻工控制器（5）控制驱动机架升降缸下降至钳头高度传感器（7）检测值为H时停止，完成定位。
2.根据权利要求1所述的铁钻工自动定位钻杆接箍高度的方法，其特征在于：所述的步骤5中，两种工况具体过程分别是：
5.1）在上扣工况中，采集到位于井口钻具（11）彩色图像后，进行图像预处理，得到二值图像；对这个图像进行轮廓分析，用矩形ABCD拟合钻台面到接箍端面的外围轮廓，此时图像中A、B、C、D四点的坐标分别为A(X1,Y1)、B(X2,Y2)、C(X3,Y3)、D(X4,Y4)，图像坐标原点为屏幕左上角，向下Y增大，向右X增大，矩形上下边像素宽是：W=((Y4-Y1)+(Y3-Y2))/2；
目标是：H=W/Kmean；
5.2）在卸扣工况中，采集到井口钻具（11）和上部钻具（10）螺纹连结后的彩色图像，进行图像预处理，得到二值图像，对这个图像进行轮廓分析，用矩形ABCD拟合钻台面到上部钻具（10）最下面接箍斜坡面的外围轮廓，此时图像中A、B、C、D四点的坐标分别为A(X1,Y1)、B(X2,Y2)、C(X3,Y3)、D(X4,Y4)，矩形上下边像素宽是：W=((Y4-Y1)+(Y3-Y2))/2；
目标是：H=W/Kmean-S1，其中的S1为当前钻具的接箍长度。
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2020
- 2020-11-27 CN CN202011357829.9A patent/CN112627750B/zh active Active
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