CZ36677U1

CZ36677U1 - Zařízení k přesnému 3D měření rozměrů a opotřebení komponent jaderných elektráren

Info

Publication number: CZ36677U1
Application number: CZ2022-40011U
Authority: CZ
Inventors: Jaroslav Brom; Jaroslav Ing Brom; Leoš Assmann; Marcin KOPEĆ; Marcin Ing Kopeć
Original assignee: Centrum Výzkumu Řež S.R.O
Priority date: 2022-06-17
Filing date: 2022-06-17
Publication date: 2022-12-13

Description

Úřad průmyslového vlastnictví v zápisném řízení nezjišťuje, zda předmět užitného vzoru splňuje podmínky způsobilosti k ochraně podle § 1 zák. ě. 478/1992 Sb.

CZ 36677 UI

Zařízení k přesnému 3D měření rozměrů a opotřebení komponent jaderných elektráren

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení k přesnému 3D měření rozměrů a opotřebení komponent jaderných elektráren, jako např. per a drážek uvnitř tlakové nádoby reaktoru (TNR).

Dosavadní stav techniky

Dosavadní prováděná měření spoléhají na provedení videozáznamu a zpracování těchto dat expost. Dle známých komponent v záběru je odhadovaná kalibrace měření bez rozsáhlého zohlednění pozice kalibrů a předmětu měření vůči čočce kamery. Tento přístup započítával do vyhodnocení relativně značnou chybu, což bylo hlavní nevýhodou tohoto zpracování. Další nevýhodou byl dlouhý čas manuálního zpracování dat, vliv lidského faktoru a zkreslení 2D/3D profilu komponenty. Jinou z možností je provedení kontaktního měření, podobné mikrometrickému měření. Sada předem nastavených mikrometrických šroubů obklopí komponentu a dle toho se určí její profil v úrovni řádu desítek pm. Tento přístup zaručuje vysokou přesnost, ale na úkor značného času měření komponent, což v případě odstávky reaktoru je faktorem hodně limitujícím.

Podstata technického řešení

Uvedené nedostatky odstraňuje zařízení k přesnému 3D měření rozměrů a opotřebení komponent jaderných elektráren, podle tohoto technického řešení, jehož podstata spočívá vtom, že se hardwarová část sestává nejméně ze dvou kamer, jejichž objektivy jsou umístěny do polohy nejméně jednoho vertikálního laseru pro horizontální skládání obrazu a vedlejšího laseru pro promítání zalomené čáry pro samotný scan, pro přípravu syrových dat a pro následné zpracování obrazu z videozáznamu, kdy vertikální lasery a kamery jsou uzpůsobeny pro měření pohybu podél měřené komponenty, přičemž laserová čára od vedlejšího laseru a také vertikálního laseru, jsou viditelné v minimálně dvou záběrech kamer, přičemž měřenou komponentou je pero tlakové nádoby reaktoru, přičemž dále zařízení obsahuje manipulátor pro kontinuální snímání. V hardwarové části držák měřící soustavy kamery je opatřen uložením pro vertikální lasery a vedlejší laser a spolu s lasery a tvoří jeden nosník. Lasery a jsou uzpůsobeny pro vytvoření nejméně jedné laserové roviny.

Díky výše popsané soustavě lze docílit rozdělení úlohy přesného měření komponent do dvou častí - pořízení dat a jejich zpracování. Výsledkem zpracování je finální, velmi přesný model (3D point cloud). Pořízení dat (měřící systém) má za cíl co nejpřesnější oskenování komponenty. Sada kamer musí v záběru vidět čáry promítané od vedlejších laserů. Současně se v záběrech dvou sousedních kamer musí nacházet obraz paprsku promítaného vertikálním laserem. Takto lze systém posouvat podél skenované komponenty.

Požadavky na obě části: pořízení dat (měřící systém) a jejich zpracování.

• měřicí systém musí zajistit - synchronizovaný posun kamer, dostatečnou přesnost kamer a laserů a fixní vzájemnou pozici všech jednotlivých částí (laserů a kamer) a pořízení dat v požadované kvalitě.

• zpracování dat - musí zaj istit propoj ení kalibračních dat a dat z j ednotlivých kamer. Při využití vzájemných poloh kamer pak sestavit výslednou 3D reprezentaci měřeného povrchu technologické komponenty.

- 1 CZ 36677 UI

Popis měřícího systému

Navrhovaný systém předpokládá využití komerčně dostupných zařízení, nainstalovaných na specifickém uchycení, které zajišťuje s velkou přesností jejich známou vzájemnou polohu. Pro použití v podmínkách TNR byly kvalifikovány (radiace, teplota, tlak, čas) kamery typu GoPro Hero 9, řídicí jednotka typu Raspberry Pí pro streamování dat a běžně dostupné laserové promítače čar. Kvůli využití takových zařízení, lze využit jejich vlastních parametrů, jako např. vodotěsnost, možnost komunikace pod vodou a šířka záběru kamery. Ostatní součásti byly vodotěsně zapouzdřeny pomocí nerezových pouzder. Použití polykarbonátové vložky před laserem umožňuje vyvedení laserového paprsku mimo pouzdro, protože polykarbonát je odolný vůči vlivu vody s příměsí H3BO3 a skoro bezztrátově transparentní pro laser. Dodatečnou výhodou je přirozená vlastnost praskání polykarbonátu typem pavoukové sítě, což zajišťuje bezpečnost z pohledu zamezení vniknutí cizího předmětu v případě jakékoliv poruchy.

Metoda sestavení 3D modelu měřeného tělesa využívá videí z několika kamer, které zabírají postupně všechny měřené stěny tělesa. Z videí je konstruována globální fotometrie.

Každý snímek videa obsahuje průmět laserové roviny promítané na měřené těleso. Snímky sousedních kamer se překrývají; generované point cloudy z jednotlivých videí lze tedy slepit. Model je sestaven na základě známých poloh promítaných rovin a pozic senzorů kamer. Polohy algebraické rovnice laserových rovin a 3D pozice senzorů jsou vypočteny na základě výstupu měření známého tělesa - kalibru.

Kamery jsou vybaveny dvojitou zoomovací předsádkou a jejich záběr překrývá celý horizontální profil komponenty (když komponenta je ve svislé orientaci) v šířce definované velikostí záběru kamery. Pro spojení záběru z každého páru sousedních kamer je v prostoru překrývajícího se záběru promítaná laserová čára pro lepení jednotlivých snímků. Ze snímků jsou získávány profily relevantních hran a minimálně jedné stěny testované komponenty. Pro tento účel je přibližně ve středu záběru kamer promítaná pod úhlem 45⁰ laserová čára. Tato čára musí mít tloušťku na úrovní jednotek pixelu až méně než pixel. Tenká čára zaručuje vysokou hustotu a přesné určení polohy měřených bodů v rámci každého měřeného profilu. Spojení jednotlivých profilů do 3D point cloudu generuje plný profil komponenty s přesností ± 20 pm.

Zpracování dat

Generování point cloudu z pořízených videozáznamů je prováděno v Eukleidovském prostoru. K definici modelu využívá standartní pojmy algebraické geometrie. Data jsou postupně zpracována ze sekvence videosnímků do podoby point cloudu, dle schématu na obr. 2.

V prvním kroku jsou jednotlivé snímky vyjmuty z videa, následně je pro každý snímek provedena korekce distorze kamerové čočky. V upravených snímcích je provedena segmentace laserové roviny (pixelů ozářených laserem). 2D body segmentovaných pixelů jsou projektovány vzhledem k pinhole modelu do souřadnicového prostoru kamery. Výsledné 3D body jsou transformovány do 3D prostoru kalibru (světových souřadnic), který je shodný pro všechny kamery. Cílový point cloud je spojením 3D bodů ve světových souřadnicích pořízených ze záznamů všech kamer.

Korekce defektů obrazu

V prvním kroku jsou provedeny kompenzace od defektů způsobených vnějším prostředím a pořizovací technikou jako je šum, radiální distorze čočkou kamery, výřez části obsahující skenované těleso a tak podobně.

-2CZ 36677 UI

Korekce distorze čočkou

Distorze je způsobena nerovnoměrným ohýbáním světelných paprsků a úhlu mezi čočkou objektivu a snímacím chipem. Pro korekci zmíněných efektů je využit Brown-Conrady model (BROWN, Duane C. Decentering distortion of lenses. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 1966.):

x_u = ^xd + (^xd - x^jr² + k2r⁴ + k3r⁶) + + 2(^-0²) + 2p₂(x_d-x_c)(y_d-y_c)) (/ + p_sr²) yu = yd + (7d - yjfcr² + k2r⁴ + k3r⁶) + (2pi(x_d - x_c)(y_d - yj + p₂(r² + 2(yd - yc)²)) ( / + p3r²)

Souřadnice po korekci: (x_u, y_u)

Souřadnice před korekcí: (xa, ya)

Střed distorze: (x_c, y_c)

Vzdálenost od středu snímku:

r = ^(xa - VJ- + Od - y_c)²

Parametry distorze:

• radiální distorze: (ki, ks, ks) • tangiální distorze: (pi, p2, p)

Parametry jsou odhadnuty na základě kalibračních snímků se známými body ve 3D prostoru a jejich 2D pozicí na snímcích. Všechny 3D kalibrační body musí ležet na 1 rovině. Konkrétně je použita funkce calibrateCamera() z knihovny OpenCV, pro její správné fungování je nutné pořídit alespoň 10 snímků s 16 body, které leží na kalibrační šachovnici.

Segmentace

Cílem segmentace je nalezení bodů odpovídajících ideální laserové rovině. Algoritmus segmentace nalezne rovinu laseru na vstupním snímku a vrátí množinu všech souřadnic (ozářených bodů) protínajících tuto rovinu.

Pinhole projekce a affinní transformace

Kamera

I-tá kamera je popsána následujícími parametry:

-3 CZ 36677 UI

Projektivní maticí (Intrinsic parameters):

a — wcoK Θ) c o —- c sin( 0) ^y .° ^{0 1} .

o a respektive β je měřítko kamery v ose x respektive y o c_x respektive cyje posun v ose x respektive y o Θ je úhel zešikmení (úhel mezi osami x a y) • Projekce do světových souřadnic (souřadnic kalibru) ° rotační matice R, ° translační vektor T, • Parametry roviny laseru v souřadnicích kamery /, ° h = (a,, bi, d, di)

Model Kamery

Model i-té kamery pro převod 3D bodu ve světových souřadnicích P_wna 2D bod P' v projektivní rovině kamery popisuje následující rovnice.

P'= K.[R.T.]P_W =M,P_W

Rovnice pracuje s homogenními souřadnicemi, neboli 2D bod [x', yl-Hx' x', /] a 3D bod [x_w, y_w, z_w]—>[ x_v, y_v, z_v, /]. K je projektivní matice kamery, matice R, a 1\odpovídají rotaci z prostoru kamery do světových souřadnic. Matice AT, je součin K, a [R_;7)].

Světový souřadnicový prostor je shodný pro všechny kamery pro spojení vzniklých point cloudů.

Pro zpětnou rekonstrukci 3D bodů z 2D souřadnic laseru je potřeba informaci o hloubce. Pro každou kameru, se proto použije známá rovina laseru daná rovnicí:

Rovina laseru je zadaná jako a, -x + bi -y c,z di = 0 tj. rovina je dána 4 parametry:

li = (a,, bi, et, di)

Vytvoření pointcloudu ve světových souřadnicích z 2D bodů

Bod p' = [x', y] zachycený i-tou kamerou ležící laserové rovině se nejdříve převede do souřadnicového systému ité kamery p, = [x, y, z].

-4CZ 36677 UI x x + B a · cot (Θ) — c_A.

A = — =--------------y a (y' — c_v) sia(S) —ίϊ

A q. + B b + c x = A · z y = ů -z

Následuje převod do světových souřadnicp_w = [x_w, y„, z_v] :

Pm? = R f · (ρ, - Ti)

Kalibrace kamery

Kalibrace i-té kamery předpokládá alespoň 6 kalibračních bodů, kde jsou známy 2D souřadnice její projekce pi, ..., pe a pak 3D souřadnice vzoru Pi, ..., Pe na kalibračním tělese.

Hledané parametry modelu (K,, T,, R,) splňují:

argmm d f(p;)]·

Kde f odpovídá kamerovému modelu a d euklidovská vzdálenost ve 3D.

, (y - — c_y) sin(P) ^xj g ^α ^c°tW ^—Cc (y,. — c_v) - sín(0)

----------------------------------- a + —----'-í------- b + c a p ' (y’ - N·) λ + ------’-g--a · -c* x = z----------------------a (ν' - siři(ď) y = _Z -----Kalibrace roviny laseru

Pro kalibraci roviny laseru je nutné znát 3 3D body Pi, P2, P3 ležící v laserem promítané rovině ve světových souřadnicích, jejich 2D souřadnice pi, p2, ps na snímku a známý model nakalibrovaný model kamery K,, R,, T,. Body Pi, P2, P3, které se převedou do souřadnicového systému kamery):

-5CZ 36677 UI

Parametry roviny, se pak vypočtou:

[α o rf = (P) — P₂) ^x (Λ — P?) d = -[abe] · F_?

Spojení snímků videa

Protože se všechny kamery posouvají současně na jednom úchytu, bude existovat pouze jeden vektor pohybu platný pro každou kameru. Tj. bude se měnit souřadnicový prostor kamery pouze o vektor posunutí (daný vektorem pohybu). Odchylky mohou nastat pouze pro rozdílný frame rate kamer (způsobí jinou parametrizaci časem t) nebo v důsledku otřesů a pružnosti jednotlivých komponent scaneru.

Pro každou kameru je možné určit vektor posunu odpovídající jednomu framu:

Ai = [XAi, yAi, ZAi]

2D bod na j-tém framu, proto po převedení do souřadnicového prostoru kamery je posunutý o At a pak transformován do světových souřadnic.

Point cloud

Výsledkem je množina 3D bodů odpovídající skenovanému tělesu, která je výsledkem aplikací schématu na záznam všech kamer.

Objasnění výkresů

Technické řešení bude blíže objasněno pomocí výkresů, kde na obr. 1 je schematicky znázorněn 3D měřící systém a obr. 2 je postup zpracování ze sekvence videosnímků do podoby point cloudu.

Příklad uskutečnění technického řešení

Zařízení podle obr. 1 sestává ze sady kamer 6, jejichž poloha objektivů je nastavena do správné úrovně pomocí distančních sloupků. Pro snímání peralnajeho povrhujsou promítány čáry pomocí vedlejších laserů 5. Za účelem zajištění referenčních bodů pro horizontální lepení obrazu ze záběrů ze všech kamer 6, uložených na držácích 4, se používají vertikální lasery 3. Pro zajištění pohybu celého systému podél pera 1, je laser 3 a vedlejší laser 5 namontován na držák 2 měřící soustavy.

3D měřící systém lze využít pro měření per 1 v tlakové nádobě reaktoru. Měřicí soustava je dopravena na místo měření pomocí standardně používaného manipulátoru používaného v plánovaných odstávkách energetického jaderného bloku pro nedestruktivní kontroly nádoby reaktoru a je zajištěna proti neplánovaným pohybům. Soustava je vybavená vlastní možností pohybu podél měřené komponenty, tj. pera 1 TNR. Pět kamer 6 GoPro Hero 9 je umístěno na nosném držáku 2. Krajní páry kamer 6 jsou nastaveny tak, aby jejich čočky byly na stejné úrovni, jejich záběry se na krajích překrývaly a spolu s prostřední kamerou 6 měly společně překrývající se body. Sada hlavních vertikálních laserů 3 je přednastavena tak, aby promítala čáry skrze hranu pera 1 tak, aby se nacházely uprostřed záběrů kamer 6 a byly nasměrovány pod úhlem cca. 45°

-6CZ 36677 UI vůči ose záběru. Sada vedlejších laserů 5 je nasměrovaná tak, aby v překrývajících se částech záběru sousedících kamer 6 byla viditelná svislá čára, což umožňuje skládání obrazů.

Bezkontaktní řízení snímání obrazu je realizováno pomocí řídicí jednotky Raspberry umístěné vzdáleně od kamer, v oblasti pohonu manipulátoru měřicí soustavy. Kabeláž, spolu s datovým kabelem pro přenos videozáznamu, je vyvedená skrze a pomocí dopravního manipulátoru pro navedení soustavy do měřicí polohy.

Po zahájení sběru a přenosu dat z kamer 6, manipulátor poveze měřicí soustavu podél pera 1 v TNR. Po ukončení snímání je provedeno zpracování nasnímaných dat v akviziční jednotce a reaktorovém sálu vzdáleném do cca 60 m a tvorba 3D point cloudu, kde lze identifikovat odchylky od normativních rozměrů - úbytek materiálu. Pro sestavení 3D point cloudu využívá zařízení výše popsaný způsob kalibrace a popsané metody zpracování obrazu.

Po ukončení skenu pera 1, dopravní systém přetransportuje měřicí soustavu do měřicí polohy pro další pero 1. V případě chyby skenování lze scan provést opakovaně před změnou polohy na další pero 1.

Průmyslová využitelnost

Zařízení podle tohoto technického řešení lze využít při měření nebo tvorbě 3D point cloudu komponent jaderných elektráren a obdobných podniků v místech s relativně nízkým dávkovým příkonem do 100 Gy/hod a v místech bez nebo s přítomností roztoku H3BO3 do 16g/kg. Zařízení umožňuje také skenování a měření technologických komponent mimo jaderný průmysl.

Claims

NÁROKY NA OCHRANU

1. Zařízení k přesnému 3D měření rozměrů a opotřebení komponent jaderných elektráren, sestávající ze soustavy mechanických častí, hardwarové části HW a SW algoritmů nastavených dle hardwarové části, vyznačující se tím, že hardwarová část sestává nejméně ze dvou kamer (6), jejichž objektivy jsou umístěny do polohy nejméně jednoho vertikálního laseru (3) pro horizontální skládání obrazu a vedlejšího laseru (5) pro promítání zalomené čáry pro samotný scan, pro přípravu syrových dat a pro následné zpracování obrazu z videozáznamu, kdy vertikální lasery (3) a kamery (6) jsou uzpůsobeny pro měření pohybu podél měřené komponenty, přičemž laserová čára od vedlejšího laseru (5) a také vertikálního laseru (3), je viditelná v minimálně dvou záběrech kamer (6), přičemž měřenou komponentou je pero (1) tlakové nádoby reaktoru, přičemž dále zařízení obsahuje manipulátor pro kontinuální snímání.
2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že v hardwarové části je držák (2) měřící soustavy kamery (6) opatřen uložením pro lasery vertikální (3) a overhead laser (5), a s lasery (3) a (5) tvoří jeden nosník.
3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že lasery (3) a (5) jsou uzpůsobeny pro vytvoření nejméně jedné laserové roviny.