基于激光雷达与可见光融合的钻杆接缝高度测量方法技术

本发明专利技术提出一种基于激光雷达与可见光融合的钻杆接缝高度测量方法，该方法通过激光雷达和可见光融合进行测量，具体包括：同时获取包含钻杆信息图像数据和三维点云数据；对钻杆卡箍进行识别，确定钻杆卡箍位置；区分钻杆当前的工况；在下钻工况下，利用三维点云数据对接缝进行识别，计算获取接缝相对于钻台平面的高度；在取钻工况下，利用图像数据对接缝进行识别，计算获取接缝相对于钻台平面的高度。本发明专利技术能够准确的识别处接箍和接缝的位置，便于引导铁钻工快速的到达接缝所在的高度进行上卸扣动作，具有提高钻井作业时取钻和下钻的效率，减少认为引导作业、提高作业安全性的优点。提高作业安全性的优点。提高作业安全性的优点。

【技术实现步骤摘要】
基于激光雷达与可见光融合的钻杆接缝高度测量方法


[0001]本专利技术涉及智能化石油装备领域，特别涉及一种基于激光雷达与可见光融合的钻杆接缝高度测量方法。

技术介绍

[0002]随着全球石油钻井市场竞争日益激烈,钻井承包商对于提升石油钻井装备的自动化水平,以达到缩短钻井周期、提速提效、节省成本的目的的的需求越来越高。为此越来越多的常规钻井装备都向着自动化方向发展，通过智能控制、机械化以代替人工高强度体力工作，以达到在降低工人劳动强度的同时，降低因恶劣环境、疲劳大意等造成的危险事故发生率。
[0003]铁钻工是安装在钻台上进行上扣和卸扣的钻井自动化工具，可以适应各种类型、各种尺寸的钻杆。铁钻工可以安全、快速、平稳的实现钻杆连接、松扣和紧扣。铁钻工实现各种型号的钻杆的上卸扣，通过机械化的作业方式大幅度减少了钻工的劳动强度，提高了钻井作业效率。
[0004]目前的铁钻工在上卸扣作业时,大多靠钻工目视引导铁钻工调节高度,通过手势、对讲等方式指挥司钻房操作工调整铁钻工的高度,使得主钳、背钳总成的中间位置能与钻杆的接缝高度一致。也有通过视频监控摄像头安装于铁钻工前方，司钻工通过观察监控画面进行作业。上述作业流程使得钻工长时间处于高强度工作中，而且作业效率较低，存在人为的主观判断，因此需要通过智能化手段进一步改进。
[0005]兰州理工大学虽然在2009年提出了“基于视觉的铁钻工控制系统的设计”，在铁钻工中利用视觉反馈和超声波传感器，融合二维图形信息与距离信息初步实现了对钻杆的识别与定位，但并未涉及到接缝高度的测量。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的提供基于激光雷达与可见光融合的钻杆接缝高度测量方法，解决上述现有技术问题中的一个或多个。
[0007]本专利技术提出基于激光雷达与可见光融合的钻杆接缝高度测量方法，包括：
[0008]同时获取图像数据和三维点云数据，图像数据和三维点云数据中均包含钻杆信息；
[0009]对钻杆卡箍进行识别，确定钻杆卡箍位置；
[0010]区分钻杆当前的工况，工况包括取钻和下钻两种工况；
[0011]在下钻工况下，利用三维点云数据对接缝进行识别，计算获取接缝相对于钻台平面的高度；
[0012]在取钻工况下，利用图像数据对接缝进行识别，计算获取接缝相对于钻台平面的高度。
[0013]在一些实施方式中，
[0014]图像数据和三维点云数据通过可见光与激光雷达融合装置获取，可见光与激光雷达融合装置包括可见光模组和激光雷达，其中可见光模组用于采集图像数据，激光雷达用于采集三维点云数据；
[0015]在可见光与激光雷达融合装置组装好且未安装时对其内的可见光模组和激光雷达进行标定，标定的内容包括可见光模组的内参、可见光模组与雷达的外参；
[0016]在可见光与激光雷达融合装置安装后需要对整体进行标定。
[0017]在一些实施方式中，
[0018]可见光模组的内参采用棋盘格的方式采用张正友标定法进行标定，得到x轴和y轴的焦距f
x
和f
y
,图像中心沿x轴和y轴的像素坐标c
x
和c
y
,径向畸变系数k1、k2、k3,切向畸变系数p1、p2,设可见光模组坐标系下一个点的三维坐标为(X
c
，Y
c
，Z
c
)，计算得到该点在可见光模组坐标系下的像素坐标u、v的公式如下：
[0019]x＝X
c
/Z
c
[0020]y＝Y
c
/Z
c
[0021][0022]x
corrected
＝x(1+k1r2+k2r4+k3r6)+2p1xy+p2(r2+2x2)
[0023]y
corrected
＝y(1+k1r2+k2r4+k3r6)+2p2xy+p1(r2+2y2)
[0024]u＝f
x
x
corrected
+c
x
[0025]v＝f
y
y
corrected
+c
y
；
[0026]可见光模组与雷达的外参标定时，获取标定板的矩形角点在可见光模组坐标系下和雷达坐标系下的坐标，计算雷达坐标系与可见光模组坐标系的相对旋转半径R和相对平移两T，标定完成后雷达坐标系中的一个点(X
l
，Y
l
，Z
l
)转换至可见光模组坐标系下的公式为：
[0027][0028]在一些实施方式中，在可见光与激光雷达融合装置安装后需要对整体进行标定的过程为计算在当前雷达坐标系下钻台平面的法向量(a
x
，a
y
，a
z
)和平面上的一个点(X
p
，Y
p
，Z
p
)，通过空间滤波，选择一个区域的点云进行平面的拟合，平面方程为a
x
*x+a
y
*y+a
z
*z+β＝0，拟合的损失函数为通过平面拟合直接得到平面的法向量，手动设置X
p
和Y
p
的值，通过平面方程得到Z
p
的值，得到了平面上的一个点的坐标(X
p
，Y
p
，Z
p
)。
[0029]在一些实施方式中，对钻杆卡箍进行识别，确定钻杆卡箍位置的过程包括如下步骤：
[0030]S3.1、选择含有钻杆区域的雷达空间坐标范围，提取钻杆的三维点云数据；
[0031]S3.2、根据高度范围上的步长λ和区间范围δ划分区间，提取该区间的三维点云数据，具体为Z
min
到Z
max
，选择满足|Z
min
+i*λ|<δ，0≤i*λ<Z
max
‑
Z
min
的三维点云数据为第i个区间的点云；
[0032]S3.3、对第i个区间的点云进行平面上的圆拟合得到拟合方程如下：得到第i个区间点云的中心，其三维坐标为(x
ci
，y
ci
，Z
min
+i*λ)；
[0033]S3.4、对所有区间圆拟合得到圆心进行直线估计，得到钻杆圆柱的中心线；
[0034]S3.5、计算所有三维点云数据中的点到钻杆中心线的距离，通过事先设定的取值范围过滤掉取值范围外的点，剩余的点即为钻杆内点；
[0035]S3.6、对钻杆内点按照S3.2的方式进行区间的划分，对对应区间的内点到钻杆中心线的距离进行求平均值，求得的平均值即为该区间到钻杆中心线的距离d
i
；
[0036]S3.7、对所有区间的d
i
进行统计，设本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于激光雷达与可见光融合的钻杆接缝高度测量方法，其特征在于，包括：同时获取图像数据和三维点云数据，图像数据和三维点云数据中均包含钻杆信息；对钻杆卡箍进行识别，确定钻杆卡箍位置；区分钻杆当前的工况，工况包括取钻和下钻两种工况；在下钻工况下，利用三维点云数据对接缝进行识别，计算获取接缝相对于钻台平面的高度；在取钻工况下，利用图像数据对接缝进行识别，计算获取接缝相对于钻台平面的高度。2.根据权利要求1所述的基于激光雷达与可见光融合的钻杆接缝高度测量方法，其中，图像数据和三维点云数据通过可见光与激光雷达融合装置获取，可见光与激光雷达融合装置包括可见光模组和激光雷达，其中可见光模组用于采集图像数据，激光雷达用于采集三维点云数据；在可见光与激光雷达融合装置组装好且未安装时对其内的可见光模组和激光雷达进行标定，标定的内容包括可见光模组的内参、可见光模组与雷达的外参；在可见光与激光雷达融合装置安装后需要对整体进行标定。3.根据权利要求2所述的基于激光雷达与可见光融合的钻杆接缝高度测量方法，其中，可见光模组的内参采用棋盘格的方式采用张正友标定法进行标定，得到x轴和y轴的焦距f
x
和f
y
,图像中心沿x轴和y轴的像素坐标c
x
和c
y
,径向畸变系数k1、k2、k3,切向畸变系数p1、p2,设可见光模组坐标系下一个点的三维坐标为(X
c
，Y
c
，Z
c
)，计算得到该点在可见光模组坐标系下的像素坐标u、v的公式如下：x＝X
c
/Z
c
y＝Y
c
/Z
c
x
corrected
＝x(1+k1r2+k2r4+k3r6)+2p1xy+p2(r2+2x2)y
corrected
＝y(1+k1r2+k2r4+k3r6)+2p2xy+p1(r2+2y2)u＝f
x
x
corrected
+c
x
v＝f
y
y
corrected
+c
y
；可见光模组与雷达的外参标定时，获取标定板的矩形角点在可见光模组坐标系下和雷达坐标系下的坐标，计算雷达坐标系与可见光模组坐标系的相对旋转半径R和相对平移两T，标定完成后雷达坐标系中的一个点(X
l
，Y
l
，Z
l
)转换至可见光模组坐标系下的公式为：4.根据权利要求3所述的基于激光雷达与可见光融合的钻杆接缝高度测量方法，其中，在可见光与激光雷达融合装置安装后需要对整体进行标定的过程为计算在当前雷达坐标系下钻台平面的法向量(a
x
，a
y
，a
z
)和平面上的一个点(X
p
，Y
p
，Z
p
)，通过空间滤波，选择一个区域的点云进行平面的拟合，平面方程为a
x
*x+a
y
*y+a
z
*z+β＝0，拟合的损失函数为
通过平面拟合直接得到平面的法向量，手动设置X
p
和Y
p
的值，通过平面方程得到Z
p
的值，得到了平面上的一个点的坐标(X
p
，Y
p
，Z
p
)。5.根据权利要求4所述的基于激光雷达与可见光融合的钻杆接缝高度测量方法，其中，对钻杆卡箍进行识别，确定钻杆卡箍位置的过程包括如下步骤：S3.1、选择含有钻杆区域的雷达空间坐标范围，提取钻杆的三维点云数据；S3.2、根据高度范围上的步长λ和区间范围δ划分区间，提取该区间的三维点云数据，具体为Z
min
到Z
max
，选择满足|Z
min
+i*λ|<δ，0≤i*λ<Z
max
‑
Z
min
的三维点云数据为第i个区间的点云；S3.3、对第i个区间的点云进行平面上的圆拟合得到拟合方程如下：得到第i个区间点云的中心，其三维坐标为(x
ci
，y
ci
，Z
min
+i*λ)；S3.4、对所有区间圆拟合得到圆心进行直线估计，得到钻杆圆柱的中心线；S3.5、计算所有三维点云数据中的点到钻杆中心线的距离，通过事先设定的取值范围过滤掉取值范围外的点，剩余的点即为钻杆内点；S3.6、对钻杆内点...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹移明，张璐，梁淼，
申请(专利权)人：南通火眼智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：