CN112595237A - 一种基于机器视觉的油管长度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油行业测量技术领域，具体涉及一种基于机器视觉的油管长度测量装置及方法，包括支架、平衡滑轨和视频采集处理器，所述平衡滑轨设于支架上方，所述视频采集处理器可沿平衡滑轨自由移动，所述视频采集处理器与平衡滑轨通过锁紧装置固定连接。其中支架为可伸缩支架，在不测量状态下，可存纳至平衡滑轨底部空间，视频采集处理器可在平衡滑轨上自由移动，调整监测视角，调整后固定。本发明应用机器视觉原理，基于特征图像识别的方法，可实现油管长度的连续在线非接触计量，具有故障率低、测量精度高、测试效率高的特点。同时该发明可以实现现场视频信号实时采集，方便监控现场施工作业，确保施工质量与进度。

Description

一种基于机器视觉的油管长度测量装置及方法

技术领域

本发明属于石油行业测量技术领域，具体涉及一种基于机器视觉的油管长度测量装置及方法。

背景技术

随着油田进入勘探开发后期，产量逐年递减，降本增效提上日程，越来越多的修复油管投入生产使用，井下油管长度参差不齐，但下井油管长度的测量对及时掌握生产进度、调整生产工艺，以及精确定位抽油泵、射孔设备等在井下的位置都是十分重要，尤其对连续管钻井更是不可或缺的。那么如何精确测量下井油管的长度一直是人们普遍关心的问题。

传统测量方法有单管测量和连续管测量。单管测量即是在地面上测量每根油管的长度，再通过累计的方法确定下井油管的总长度，主要有“皮尺(或钢卷尺) 测量法”、“激光测量法”、“磁涡流测长法”，这几种方法不仅本身存在各种缺陷，而且无法解决累积误差的问题，也不能实现连续在线测量，测量效率低下。连续管测量，即是在井架上安装某种测量装置，用其对下井油管长度进行在线测量。国内有关研究人员先后研制了“接触式油管长度在线连续测量仪”等，由于这些在线测量装置皆存在测量误差大、现场安装不便、易损坏等各种问题，均未能得到有效的推广应用，因此，到目前为止，油田上仍主要采用传统的人工拉皮尺的方法来测量油管长度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于机器视觉的油管长度测量装置，克服现有技术中存在的上述技术问题。

本发明的另一个目的在于提供一种基于机器视觉的油管长度测量方法，有效提高油管的计量精度、减轻工人的劳动强度，而且可节约生产成本、提高生产效率和经济效益。

为此，本发明提供的技术方案如下：

一种基于机器视觉的油管长度测量装置，包括支架、平衡滑轨和视频采集处理器，所述平衡滑轨设于支架上方，所述视频采集处理器可沿平衡滑轨自由移动，所述视频采集处理器与平衡滑轨通过锁紧装置固定连接。

所述视频采集处理器包括双目摄模组、视频采集模块、视频处理模块、视频存储模块、特征图像处理模块、主控制器、数据存储模块、通信模块和显示模块；

所述视频处理模块、数据存储模块、通信模块、特征图像处理模块和显示模块均与主控制器电信号连接，所述双目摄像组电连接视频采集模块，所述视频采集模块电连接视频处理模块，所述视频处理模块电连接视频存储模块。

所述支架为可伸缩支架，所述可伸缩支架为三个，分别为第一可伸缩支架、第二可伸缩支架和第三可伸缩支架，三个可伸缩支架的顶部均与平衡滑轨的顶端连接形成三脚架结构。

所述平衡滑轨的下部设有放置腔，所述支架的顶部设于放置腔内且与平衡滑轨铰接。

一种基于机器视觉的油管长度测量方法，采用基于机器视觉的油管长度测量装置，包括以下步骤：

步骤1)对双目摄模组中的左摄像机和右摄像机进行标定，并保持两摄像机的相对位置不变；

步骤2)左摄像机和右摄像机实时同步获取现场影像，通过识别油管接箍对下入井底油管进行计数，然后通过特征图像处理模块得到对应油管长度，直至所有油管下入井底，最后由主控制器计算得到总的油管长度。

步骤2)中所述通过特征图像处理模块得到对应油管长度的过程如下：

(1)假设左摄像机坐标系O-xyz在世界坐标系的原点且无旋转，O_l-X_lY_l为其对应的图像坐标系；右摄像机坐标系为O_r-x_ry_rz_r，O_r-X_rY_r为其图像坐标系；左摄像机、右摄像机的焦距分别为f_l、f_r；(X_l，Y_l)和(X_r，Y_r)分别为左摄像机、右摄像机以毫米为单位的图像坐标系下的坐标，根据摄像机透视变换模型可知：

其中，S_l、S_r为两摄像机的比例因子；

(2)利用空间旋转矩阵M_lr表达出O-xyz坐标系与Or-x_ry_rz_r之间的相互位置关系，通过式一和式二得到被测物体的三维空间坐标(x，y，z)，z值即为对应油管的长度。

测量油管长度前，将基于机器视觉的油管长度测量装置安装在油井井口的正后方。

步骤2)的具体过程如下：左摄像机和右摄像机实时采集现场视频信号，通过视频采集模块进行模数转换后，将视频模拟信号转换为数字信号，数字信号经视频处理模块进行降噪处理后存储在视频存储模块，并发送给主控制器，由主控制器传送给特征图像处理模块，实现油管长度的测量计算。

步骤(2)的具体过程如下：

利用空间旋转矩阵M_lr表达O-xyz坐标系与Or-x_ry_rz_r之间的相互位置关系为：

其中R，T分别为O-xyz坐标系与Or-x_ry_rz_r坐标系之间的旋转矩阵和平移向量；

将式3带入式2，得出下式：

将式1代入式4，得出下式：

其中，ρ_r为比例常数；由式5推出空间点三维坐标(x，y，z)为

z值即为对应油管的长度。

本发明的有益效果是：

本发明提供的这种基于机器视觉的油管长度测量装置，应用机器视觉原理，基于特征图像识别的方法，可实现油管长度的连续在线非接触计量，具有故障率低、测量精度高、测试效率高的特点。同时该发明可以实现现场视频信号实时采集，方便监控现场施工作业，确保施工质量与进度。

下面将结合附图做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明的一种实施方式结构示意图；

图2是视频采集处理器的原理框图；

图3是特征图像处理模块的原理图；

图4是本发明的基于机器视觉的油管长度测量装置现场安装使用图。

图中：1、第一可伸缩支架；2、第一锁紧螺丝；3、第二可伸缩支架；4、第二锁紧螺丝；5、第三可伸缩支架；6、第三锁紧螺丝；7、第四锁紧螺丝；8、视频采集处理器；9、平衡滑轨；10、措施作业车；11、油管；12、油井井口；13、基于机器视觉的油管长度测量装置。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

现参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

实施例1：

本实施例提供了一种基于机器视觉的油管长度测量装置，包括支架、平衡滑轨9和视频采集处理器8，所述平衡滑轨9设于支架上方，所述视频采集处理器8 可沿平衡滑轨9自由移动，所述视频采集处理器8与平衡滑轨9通过锁紧装置固定连接。

支架用于支撑平衡滑轨9，平衡滑轨9顶部安装有视频采集处理器8，视频采集处理器8可在平衡滑轨9上水平移动，调整监测视角，通过锁紧装置固定位置。视频采集处理器8应用机器视觉原理，基于特征图像识别的方法，实现油管长度的连续在线非接触计量。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例提供了一种基于机器视觉的油管长度测量装置，所述视频采集处理器8包括双目摄模组、视频采集模块、视频处理模块、视频存储模块、特征图像处理模块、主控制器、数据存储模块、通信模块和显示模块；

所述视频处理模块、数据存储模块、通信模块、特征图像处理模块和显示模块均与主控制器电信号连接，所述双目摄像组电连接视频采集模块，所述视频采集模块电连接视频处理模块，所述视频处理模块电连接视频存储模块。

如图2所示，双目摄模组用来实时同步获取现场影像；视频采集模块主要完成现场影像的模数转换功能；视频处理模块主要完成视频信号的处理，实现滤波降噪功能；视频存储模块主要用来实现两路信号实时存储，以便后期现场影像回放；特征图像处理模块，主要通过寻找油管特征点，抓取同一时刻双目摄像模组拍摄的油管图片，对油管图片信号进行处理，得出最终油管长度；数据存储模块，主要用来存储下入井底油管计数以及对应油管长度；显示模块主要用来显示实时视频以及当前油管计数与长度；通信模块实现数据视频信号与相关数据的实时远传。

实施例3：

在实施例的基础上，本实施例提供了一种基于机器视觉的油管长度测量装置，所述支架为可伸缩支架，所述可伸缩支架为三个，分别为第一可伸缩支架、第二可伸缩支架和第三可伸缩支架，三个可伸缩支架的顶部均与平衡滑轨的顶端连接形成三脚架结构。

通过可伸缩支架实现视频采集处理器8的放置高度可控。

实施例4：

在实施例1-3任一实施例的基础上，本实施例提供了一种基于机器视觉的油管长度测量装置，所述平衡滑轨9的下部设有放置腔，所述支架的顶部设于放置腔内且与平衡滑轨9铰接。

平衡滑轨9置于支架上方，在不测量状态下，可存纳支架至放置腔。

实施例5：

在实施例1的基础上，本实施例提供了一种基于机器视觉的油管长度测量装置，如图1所示，包括支架、平衡滑轨9和视频采集处理器8。

其中，平衡滑轨9置于可伸缩支架上方，且下方开口并设有放置腔；视频采集处理器8与平衡滑轨9滑动连接，可在平衡滑轨9上自由移动，调整监测视角，通过锁紧装置(第四锁紧螺丝7)实现固定。

支架为可伸缩支架，以实现伸缩功能，总计有三条，分别为第一可伸缩支架1、第二可伸缩支架3和第三可伸缩支架5，用来调整视频采集处理器8的高度；如图 1所示，第一可伸缩支架1、第二可伸缩支架3和第三可伸缩支架5分别安装有第一锁紧螺丝2、第二锁紧螺丝4和第三锁紧螺丝6，实现伸缩长度可控，当确定伸缩长度后，通过各锁紧螺丝进行位置固定；三条可伸缩支架缩短后，可存纳入平衡滑轨9底部的放置腔内。

视频采集处理器8包括双目摄像模组、视频采集模块、视频处理模块、视频存储模块、主控制器、特征图像处理模块、数据存储模块、显示模块和通信模块。

如图2所示，双目摄像组实时采集现场视频信号，并连接至视频采集模块，实现模数转换，将视频模拟信号转换为数字信号；视频采集模块连接至视频处理模块，实现视频信号的降噪处理，确保画面清晰可辨，免手噪声干扰，视频存储模块连接至视频处理模块，将处理后的视频信号存储，为后期视频调用做好准备；主控制器分别连接视频处理模块、特征图像处理模块、数据存储模块、4G通信模块与显示模块。首先主控制器从视频处理模块获取降噪滤波后含有全部油管信息的两张图片；然后传送至特征图像处理模块，实现油管长度计算；而后主控制器将当前油管计数与对应长度发送至数据存储模块、4G通信模块以及显示模块，实现数据存储、无线远传及显示。

实施例6：

本实施例提供了一种基于机器视觉的油管长度测量方法，包括以下步骤：

步骤1)对双目摄模组中的左摄像机和右摄像机进行标定，并保持两摄像机的相对位置不变；

步骤2)左摄像机和右摄像机实时同步获取现场影像，通过识别油管接箍对下入井底油管进行计数，然后通过特征图像处理模块得到对应油管长度，直至所有油管下入井底，最后由主控制器计算得到总的油管长度。

首先对双目摄像机进行标定，其标定结果的精度对于后续测量起着决定性作用，本发明搭建的双目立体视觉***中，两摄像机的相对位置保持不变，这样就可分别对左右摄像机进行标定，再通过双目视觉原理求取两摄像机的相对位置关系。

其次寻找油管特征点，方便获取油管特征信息，下放油管时，油管顶部底部均存在油管接箍，因此通过识别油管接箍对目标信息进行定位。

最后，当第一次识别到两个油管接箍，计数1，然后对比双目摄像机拍摄完整清晰图像，便可求得第一根油管长度；第二次识别到两个油管接箍，计数2，然后对比双目摄像机拍摄完整清晰图像，便可求得第二根油管长度；以此类推，直至所有油管下入井底。

实施例7：

在实施例6的基础上，本实施例提供了一种基于机器视觉的油管长度测量方法，步骤2)中所述通过特征图像处理模块得到对应油管长度的过程如下：

(1)假设左摄像机坐标系O-xyz在世界坐标系的原点且无旋转，O_l-X_lY_l为其对应的图像坐标系；右摄像机坐标系为O_r-x_ry_rz_r，O_r-X_rY_r为其图像坐标系；左摄像机、右摄像机的焦距分别为f_l、f_r；(X_l，Y_l)和(X_r，Y_r)分别为左摄像机、右摄像机以毫米为单位的图像坐标系下的坐标(如图3所示)，根据摄像机透视变换模型可知：

其中，S_l、S_r为两摄像机的比例因子；

(2)利用空间旋转矩阵M_lr表达出O-xyz坐标系与Or-x_ry_rz_r之间的相互位置关系，通过式一和式二得到被测物体的三维空间坐标(x，y，z)，z值即为对应油管的长度。

实施例8：

在实施例5的基础上，本实施例提供了一种基于机器视觉的油管长度测量方法，步骤2)的具体过程如下：左摄像机和右摄像机实时采集现场视频信号，通过视频采集模块进行模数转换后，将视频模拟信号转换为数字信号，数字信号经视频处理模块进行降噪处理后存储在视频存储模块，并发送给主控制器，由主控制器传送给特征图像处理模块，实现油管长度的测量计算。

实施例9：

在实施例6的基础上，本实施例提供了一种基于机器视觉的油管长度测量方法，步骤(2)的具体过程如下：

利用空间旋转矩阵M_lr表达O-xyz坐标系与Or-x_ry_rz_r之间的相互位置关系为：

其中R，T分别为O-xyz坐标系与Or-x_ry_rz_r坐标系之间的旋转矩阵和平移向量；

将式3带入式2，得出下式：

将式1代入式4，得出下式：

其中，ρ_r为比例常数；由式5推出空间点三维坐标(x，y，z)为

z值即为对应油管的长度。

通过求得两摄像机的相对位置关系和两摄像机的焦距f_l、f_r，以及空间点在左右摄像机的图像坐标，便可得到被测物体的三维空间坐标，z值即为对应油管的长度。

测量油管长度前，将基于机器视觉的油管长度测量装置安装在油井井口的正后方。如图4所示，措施作业车10处于抽油机油井井口12正前方，进行施工作业，因此将基于机器视觉的油管长度测量装置13放置在抽油机油井井口12正后方，实现油管11长度测量。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于机器视觉的油管长度测量装置，其特征在于：包括支架、平衡滑轨和视频采集处理器，所述平衡滑轨设于支架上方，所述视频采集处理器可沿平衡滑轨自由移动，所述视频采集处理器与平衡滑轨通过锁紧装置固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的油管长度测量装置，其特征在于：所述视频采集处理器包括双目摄模组、视频采集模块、视频处理模块、视频存储模块、特征图像处理模块、主控制器、数据存储模块、通信模块和显示模块；

所述视频处理模块、数据存储模块、通信模块、特征图像处理模块和显示模块均与主控制器电信号连接，所述双目摄像组电连接视频采集模块，所述视频采集模块电连接视频处理模块，所述视频处理模块电连接视频存储模块。

3.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的油管长度测量装置，其特征在于：所述支架为可伸缩支架，所述可伸缩支架为三个，分别为第一可伸缩支架、第二可伸缩支架和第三可伸缩支架，三个可伸缩支架的顶部均与平衡滑轨的顶端连接形成三脚架结构。

4.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的油管长度测量装置，其特征在于：所述平衡滑轨的下部设有放置腔，所述支架的顶部设于放置腔内且与平衡滑轨铰接。

5.一种基于机器视觉的油管长度测量方法，采用权利要求2所述的基于机器视觉的油管长度测量装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)对双目摄模组中的左摄像机和右摄像机进行标定，并保持两摄像机的相对位置不变；

步骤2)左摄像机和右摄像机实时同步获取现场影像，通过识别油管接箍对下入井底油管进行计数，然后通过特征图像处理模块得到对应油管长度，直至所有油管下入井底，最后由主控制器计算得到总的油管长度。

6.根据权利要求5所述的一种基于机器视觉的油管长度测量方法，其特征在于，步骤2)中所述通过特征图像处理模块得到对应油管长度的过程如下：

(1)假设左摄像机坐标系O-xyz在世界坐标系的原点且无旋转，O_l-X_lY_l为其对应的图像坐标系；右摄像机坐标系为O_r-x_ry_rz_r，O_r-X_rY_r为其图像坐标系；左摄像机、右摄像机的焦距分别为f_l、f_r；(X_l，Y_l)和(X_r，Y_r)分别为左摄像机、右摄像机以毫米为单位的图像坐标系下的坐标，根据摄像机透视变换模型可知：

其中，S_l、S_r为两摄像机的比例因子；

(2)利用空间旋转矩阵M_lr表达出O-xyz坐标系与Or-x_ry_rz_r之间的相互位置关系，通过式一和式二得到被测物体的三维空间坐标(x，y，z)，z值即为对应油管的长度。

7.根据权利要求5所述的一种基于机器视觉的油管长度测量方法，其特征在于：测量油管长度前，将基于机器视觉的油管长度测量装置安装在油井井口的正后方。

8.根据权利要求5所述的一种基于机器视觉的油管长度测量方法，其特征在于，步骤2)的具体过程如下：左摄像机和右摄像机实时采集现场视频信号，通过视频采集模块进行模数转换后，将视频模拟信号转换为数字信号，数字信号经视频处理模块进行降噪处理后存储在视频存储模块，并发送给主控制器，由主控制器传送给特征图像处理模块，实现油管长度的测量计算。

9.根据权利要求6所述的一种基于机器视觉的油管长度测量方法，其特征在于，步骤(2)的具体过程如下：

利用空间旋转矩阵M_lr表达O-xyz坐标系与Or-x_ry_rz_r之间的相互位置关系为：

其中R，T分别为O-xyz坐标系与Or-x_ry_rz_r坐标系之间的旋转矩阵和平移向量；

将式3带入式2，得出下式：

将式1代入式4，得出下式：

其中，ρ_r为比例常数；由式5推出空间点三维坐标(x，y，z)为

z值即为对应油管的长度。

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