JP4890294B2

JP4890294B2 - 水中移動装置の位置測定システム

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Publication number: JP4890294B2
Application number: JP2007045238A
Authority: JP
Inventors: 洋介高取; 章二林; 善夫野中; 正博藤間; 悟史篠原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2027-02-26
Also published as: JP2008209189A

Description

本発明は、原子炉内構造体の壁面に沿って移動する水中移動装置に係り、詳細には、水中移動装置の位置を測定する水中移動装置の位置測定システムに関する。

発電プラントなどで現用されている原子炉には厳しい安全性が要求されており、原子炉圧力容器自体は勿論、容器内にある例えばシュラウド（炉心隔壁）等の構造体や機器についても点検や検査が欠かせない。原子炉圧力容器内の点検や検査は、容器内が放射能環境にあり、容器中に水（冷却水）が張られた状態のまま実施するのが通例であり、遠隔操作が可能な水中移動装置を用いる方法が知られている。この水中移動装置は、例えば超音波探傷装置などの点検や検査に必要な機器を搭載し、対象部分に移動させて点検や検査を実施するものである。

水中移動装置の遠隔操作においては、水中移動装置の位置情報を得る必要がある。そのため、例えば原子炉内構造体の壁面に沿って移動する水中移動装置の位置を測定する方法として、水中移動装置の走行輪の回転数を検出するエンコーダ、水中移動装置の傾斜角を検出する傾斜角センサ、水中移動装置の水深位置を検出する水深センサ等を水中移動装置に搭載し、これらセンサの検出値により水中移動装置の位置を測定する方法が提唱されている（例えば特許文献１参照）。また、例えばレーザ照射装置及び撮像装置を水中移動装置（自動機器）に搭載し、レーザ照射装置からのレーザ光を原子炉内構造体の壁面に対し所定の角度で照射し、壁面で反射したレーザ光を撮像装置で撮影し、その撮影したレーザ光のスペックルパターンに基づき水中移動装置の相対的移動距離を演算する方法が提唱されている（例えば特許文献２参照）。

特開２００６−２０１０３６号公報特開２００５−３０７７１号公報

しかしながら、上記従来技術には以下のような改善の余地があった。
すなわち、上記特許文献２に記載の従来技術においては、水中移動装置にレーザ照射装置及び撮像装置を搭載し、上記特許文献１に記載の従来技術においては、エンコーダ、傾斜角センサ、及び水深センサ等を水中移動装置に搭載するため、水中移動装置の寸法や重量が大きくなる。また、上記特許文献１に記載の従来技術においては、例えばエンコーダの空回り等の検出誤差やその検出誤差の累積により、水中移動装置の位置の測定精度が低下する可能性がある。

本発明の目的は、水中移動装置の大型化を防止しつつ、水中移動装置の位置の測定精度を向上させることができる水中移動装置の位置測定システムを提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、原子炉内構造体の壁面に沿って移動する水中移動装置の位置を測定する水中移動装置の位置測定システムにおいて、前記水中移動装置に設けた少なくとも３つの目印点と、前記水中移動装置とは別体に設置され、前記水中移動装置の目印点を撮像する撮像手段と、前記撮像手段で撮像した水中移動装置の移動前の第１画像における前記目印点を結んで形成された第１目印領域の位置範囲を演算基準範囲として記憶する第１の目印領域記憶手段と、前記第１目印領域内で前記目印点に対し相対的に第１対象点が設定され、その第１対象点の位置を記憶する第１の対象点記憶手段と、前記第１目印領域における１画素当たりの実寸値を前記目印点の間隔実寸値に基づき演算する第１の画素実寸値演算手段と、前記撮像手段で撮像した水中移動装置の移動後の第２画像における前記目印点を結んで形成された第２目印領域内で前記目印点に対し前記第１対象点と同じように相対的に第２対象点が設定され、その第２対象点の位置を記憶する第２の対象点記憶手段と、前記第２対象点の位置が前記第１目印領域の位置範囲にあるかどうか、さらに前記第２対象点の位置が前記第１目印領域の境界位置にあるかどうかを判定する判定手段と、前記第２対象点の位置が前記第１目印領域の位置範囲にある場合、前記第１対象点に対する前記第２対象点の変位を画素数単位で演算し、その演算した変位を前記第１目印領域における１画素当たりの実寸値を用いて実寸換算する第１の変位演算手段と、前記第２対象点の位置が前記第１目印領域の境界位置にある場合、前記第２目印領域の位置範囲を新たな演算基準範囲として記憶する第２の目印領域記憶手段と、前記第２対象点の位置が前記第１目印領域の境界位置にある場合、前記第２目印領域における１画素当たりの実寸値を前記目印点の間隔実寸値に基づき演算する第２の画素実寸値演算手段と、前記撮像手段で撮像した水中移動装置のさらに移動後の第３画像における前記目印点を結んで形成された第３目印領域内で前記目印点に対し前記第２対象点と同じように相対的に第３対象点が設定され、その第３対象点が前記第２目印領域の位置範囲にある場合、前記第２対象点に対する前記第３対象点の変位を画素数単位で演算し、その演算した変位を前記第２目印領域における１画素当たりの実寸値を用いて実寸換算する第２の変位演算手段とを備える。

以上のように本発明においては、水中移動装置にレーザ照射装置やカメラ等を搭載することなく、水中移動装置の位置を測定することができる。したがって、水中移動装置の大型化を防止することができる。また、水中移動装置の目印点を撮像した画像の処理により水中移動装置の位置を測定するので、例えば水中移動装置にセンサを設けた場合のような検出誤差が生じにくく、水中移動装置の位置の測定精度を向上させることができる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記撮像手段で撮像した画像における前記目印点を結ぶ直線の傾きに基づき前記水中移動装置の姿勢角を演算する姿勢角演算手段を備える。

（３）上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記水中移動装置の目印点は、発光体である。

（４）上記（１）〜（３）のいずれか１つにおいて、好ましくは、前記水中移動装置とは別体に設置され、前記原子炉内構造体の壁面の少なくとも３つの基準点を照射するレーザ照射手段を備え、前記撮像手段は、前記レーザ照射手段で照射した基準点を撮像する。

本発明によれば、水中移動装置の大型化を防止しつつ、水中移動装置の位置の測定精度を向上させることができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態による水中移動装置の移動位置測定システムの全体構成を表す概略図であり、図２は、水中移動装置の目印点を表す図である。

これら図１及び図２において、原子炉内構造体（例えばシュラウド等）の壁面１に沿って移動し、点検や検査を実施する水中移動装置２が設置されており、この水中移動装置２は、例えば有線方式で遠隔操作が可能になっている。

水中移動装置２は、例えば、点検や検査に必要な機器（図示せず）を搭載する本体３と、この本体３の下部外周に取り付けられたスカート部材（図示せず）と、本体３の底面側（図２中紙面に向かって奥側）から吸い込んだ水を上面側（図２中紙面に向かって手前側）に排出するスラスタユニット（図示せず）と、本体３の下部に取り付けられ、モータ（図示せず）によって回転駆動する複数の走行輪４とを備えている。そして、水中移動装置２は、スラスタユニットによって原子炉内構造体の壁面１に吸着するとともに、走行輪４によって壁面１上を走行するようになっている。

水中移動装置２の本体３の上面には、互いの間隔が既知である３つの目印点Ａ，Ｂ，Ｃとして、３つのＬＥＤ（発光体）が設けられている。なお、本実施形態の目印点Ａ，Ｂ，Ｃは、目印点Ａ，Ｂを結ぶ直線方向が水中移動装置２の走行方向となるように、かつ目印点Ａ，Ｃを結ぶ直線方向が水中移動装置の走行方向と直交するように配置されている。

そして、水中移動装置２の目印点Ａ，Ｂ，Ｃを撮像するカメラ５（撮像手段）が水中移動装置２とは別体に設置されている。このカメラ５は、保持金具６を介し原子炉内に挿入されており、所定の位置に配置されている。そして、原子炉の外部には、カメラ５からの映像を信号線７を介し受信する映像処理装置８と、この映像処理装置８で処理された水中移動装置２の映像、位置、及び姿勢角を表示するモニタ９とが設けられている。

図３は、映像処理装置８の機能構成を表すブロック図である。

この図３において、映像処理装置８は、カメラ５からの映像を受信する映像受信部１０と、この映像受信部１０で受信された映像を二値化処理してモニタ９に出力する二値化処理部１１と、二値化処理部１１で二値化処理された映像から所定の時間間隔毎に静止画像を生成する画像生成部１２と、この画像生成部１２で生成された静止画像を順次処理して水中移動装置２の変位（詳細には、走行方向及びその直交方向における変位）を演算し、その演算した変位をモニタ９に出力する変位演算部１３と、画像生成部１２で生成された静止画像を順次処理して水中移動装置２の姿勢角を演算し、その演算した姿勢角をモニタ９に出力する姿勢角演算部１４とで構成されている。

図４（ａ）〜図４（ｃ）は、上記映像処理装置８の変位演算部１３及び姿勢角演算部１４における画像処理を説明するための図である。なお、図４（ａ）は、水中移動装置２の移動前（初期位置）の静止画像１５（以降、初期画像と称す）を一例として示し、図４（ｂ）は、水中移動装置２の移動後の静止画像１６（以降、第１移動画像と称す）を一例として示し、図４（ｃ）は、水中移動装置２のさらに移動後の静止画像１７（以降、第２移動画像）を一例として示している。

これら図４（ａ）〜図４（ｃ）及び前述の図３において、変位演算部１３は、例えば画像生成部１２で生成された静止画像の右角を原点Ｏ、上辺をＸ軸、右辺をＹ軸として画素数に基づいた座標処理を行っている。まず、初期画像１５における目印点Ａ１，Ｂ１，Ｃ１の位置座標を算出し、これら目印点Ａ１，Ｂ１，Ｃ１を結んで形成される平行四辺形状（本実施形態では長方形状）の目印領域Ｄ１の位置座標の範囲を算出し、これを演算基準範囲として目印領域記憶部１８に記憶する。また、目印領域Ｄ１内に設定される対象点Ｍ１として、例えば目印点Ａ１，Ｂ１，Ｃ１の位置座標から目印領域Ｄ１の中央点の位置座標を算出し、これを初期位置として対象点記憶部１９に記憶する。また、目印領域Ｄ１におけるＸ軸方向及びＹ軸方向の１座標当たりの実寸値（言い換えれば、１画素当たりの実寸値）を、目印点Ａ１，Ｂ１，Ｃ１の位置座標と目印間隔記憶手段２０に予め記憶された（又は図示しない入力手段で入力され記憶された）目印点Ａ，Ｂの間隔の実寸値及び目印点Ａ，Ｃの間隔の実寸値とから算出し、これを換算係数として目印領域記憶部１８に記憶する。

その後、変位演算部１３は、第１移動画像１６における目印点Ａ２，Ｂ２，Ｃ２の位置座標を算出する。また、目印点Ａ２，Ｂ２，Ｃ２を結んで形成される平行四辺形状の目印領域Ｄ２内に設定される対象点Ｍ２として、目印点Ａ２，Ｂ２，Ｃ２の位置座標から目印領域Ｄ２の中央点の位置座標を算出し、これを対象点記憶部１９に記憶する。そして、対象点Ｍ２の位置座標が演算基準範囲（言い換えれば、目印領域Ｄ１の位置座標の範囲）にあるかどうか、さらには演算基準範囲の境界の位置座標（言い換えれば、目印領域Ｄ１の境界の位置座標）であるかどうかを判定する。そして、図４（ｂ）に示すように、対象点Ｍ２の位置座標が目印領域Ｄ１の位置座標の範囲にある場合、対象点Ｍ１に対する対象点Ｍ２の変位を算出し、この算出した変位を換算係数（言い換えれば、目印領域Ｄ１におけるＸ軸方向及びＹ軸方向の１座標当たりの実寸値）を用いて実寸換算し、モニタ９に出力するようになっている。

また、図４（ｂ）に示すように、対象点Ｍ２の位置座標が目印領域Ｄ１の境界の位置座標である場合は、目印領域Ｄ２の位置座標の範囲を算出し、これを新たな演算基準範囲として目印領域記憶部１８に記憶する。また、目印領域Ｄ２におけるＸ軸方向及びＹ軸方向の１座標当たりの実寸値を、目印点Ａ２，Ｂ２，Ｃ２の位置座標と目印間隔記憶手段２０に予め記憶された目印点Ａ，Ｂの間隔の実寸値及び目印点Ａ，Ｃの間隔の実寸値とから算出し、これを新たな換算係数として目印領域記憶部１８に記憶する。また、対象点Ｍ１に対する対象点Ｍ２の変位を対象点記憶部１９に記憶する。

その後、変位演算部１３は、第２移動画像１７における目印点Ａ３，Ｂ３，Ｃ３の位置座標を算出する。また、目印点Ａ３，Ｂ３，Ｃ３を結んで形成される平行四辺形状の目印領域Ｄ３内に設定される対象点Ｍ３として、目印点Ａ３，Ｂ３，Ｃ３の位置座標から目印領域Ｄ３の中央点の位置座標を算出し、これを対象点記憶部１９に記憶する。そして、対象点Ｍ３の位置座標が演算制限範囲（言い換えれば、目印領域Ｄ２の位置座標の範囲）にあるかどうか、さらには演算制限範囲の境界の位置座標（言い換えれば、目印領域Ｄ２の境界の位置座標）であるかどうかを判定する。そして、図４（ｃ）に示すように、対象点Ｍ３の位置座標が目印領域Ｄ２の位置座標の範囲にある場合、対象点Ｍ２に対する対象点Ｍ３の変位を算出し、この算出した変位を換算係数（言い換えれば、目印領域Ｄ２におけるＸ軸方向及びＹ軸方向の１座標当たりの実寸値）を用いて実寸換算する。そして、対象点Ｍ１に対する対象点Ｍ２の変位と対象点Ｍ２に対する対象点Ｍ３の変位とを加算してモニタ９に出力するようになっている。

また、図４（ｃ）に示すように、対象点Ｍ３の位置座標が目印領域Ｄ２の境界の位置座標である場合は、目印領域Ｄ３の位置座標の範囲を算出し、これを新たな演算基準範囲として目印領域記憶部１８に記憶する。また、目印領域Ｄ３におけるＸ軸方向及びＹ軸方向の１座標当たりの実寸値を、目印点Ａ３，Ｂ３，Ｃ３の位置座標と目印間隔記憶手段２０に予め記憶された目印点Ａ，Ｂの間隔の実寸値及び目印点Ａ，Ｃの間隔の実寸値とから算出し、これを新たな換算係数として目印領域記憶部１８に記憶する。また、対象点Ｍ２に対する対象点Ｍ３の変位を対象点記憶部１９に記憶する。以降、上記同様の手順にて処理する。

姿勢角演算部１４は、例えば上記変位演算部１３と同様、画像生成部１２で生成された静止画像の右角を原点Ｏ、上辺をＸ軸、右辺をＹ軸として画素数に基づいた座標処理を行っている。まず、初期画像１５における目印点Ａ１，Ｂ１（又はＡ１，Ｃ１、この段落のかっこ内対応同じ）の位置座標を算出して目印点Ａ１，Ｂ１（又はＡ１，Ｃ１）を結ぶ直線の傾きを算出し、これを初期角度として姿勢角記憶部２１に記憶する。その後、第１移動画像１６における目印点Ａ２，Ｂ２（又はＡ２，Ｃ２）の位置座標を算出して目印点Ａ２，Ｂ２（又はＡ２，Ｃ２）を結ぶ直線の傾きを算出し、この直線の傾きと初期角度との差をモニタ９に出力する。その後、第２移動画像１７における目印点Ａ３，Ｂ３（又はＡ３，Ｃ３）の位置座標を算出して目印点Ａ３，Ｂ３（又はＡ３，Ｃ３）を結ぶ直線の傾きを算出し、この直線の傾きと初期角度との差をモニタ９に出力する。

以上のように構成された本実施形態においては、水中移動装置２に３つの目印点Ａ，Ｂ，Ｃを設け、これら目印点Ａ，Ｂ，Ｃを水中移動装置２とは別体にして設けたカメラ５で撮像する。そして、映像処理装置８は、カメラ５からの画像に基づき水中移動装置２の位置及び姿勢角を測定し、モニタ９に出力して表示する。これにより、水中移動装置２にレーザ照射装置や撮像装置等を搭載することなく、水中移動装置２の位置を測定することができる。したがって、水中移動装置２の大型化を防止することができる。また、画像処理により水中移動装置２の位置及び姿勢角を測定するので、例えば水中移動装置２にセンサを設けた場合のような検出誤差が生じにくく、水中移動装置２の位置の測定精度を向上させることができる。

また、例えば原子炉内構造体の壁面１の曲率に沿って水中移動装置２が移動する場合、カメラ５で撮像した画像の面方向に対し水中移動装置２の走行方向が変動することがある。すなわち、カメラ５で撮像した画像は、その領域に応じて１画素当たりの実寸値が変動することがある。そこで本実施形態では、例えば初期画像１５における目印領域Ｄ１の位置範囲を演算基準範囲として設定記憶し、この演算基準範囲における対象点の変位を画素数単位で演算する。そして、演算基準範囲における１画素当たりの実寸値（換算係数）を目印点の間隔実寸値に基づき演算し、この換算係数を用いて対象点の変位を実寸換算する。これにより、対象点の変位における１画素当たりの実寸値がより的確になるため、水中移動装置２の位置の測定精度を高めることができる。

なお、上記一実施形態においては、水中移動装置２に３つの目印点Ａ，Ｂ，Ｃを設け、目印点Ａ，Ｂを結ぶ直線方向が水中移動装置２の走行方向となるように、目印点Ａ，Ｃを結ぶ直線方向が水中移動装置２の走行方向と直交するように配置した場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば目印点を４つ以上設けてもよい。また、例えば複数の目印点を結んで目印領域が形成されるのであれば、どのように配置してもよい。これらの場合も、上記同様の効果を得ることができる。

また、上記一実施形態においては、映像処理装置８の変位演算部１３及び姿勢角演算部１４は、画像生成部１２で生成した画像の右隅を原点、上辺をＸ軸、右辺をＹ軸として座標処理する場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば初期画像１５における目印点Ａ１の位置を原点、目印点Ａ１，Ｂ１を結ぶ直線をＸ軸、このＸ軸方向に直交する直線（言い換えれば、目印点Ａ１，Ｃ１を結ぶ直線）をＹ軸として座標処理してもよい。この場合も上記同様の効果を得ることができる。

また、例えば図５に示すように、保持金具６にレーザ照射装置２２（レーザ照射手段）を設け、原子炉内構造体の壁面１の３つの基準点Ｅ，Ｆ，Ｇ（但し３つ以上の基準点としてもよい）を照射するようにしてもよい。そして、映像処理装置８の変位演算部１３及び姿勢角演算部１４は、例えばカメラ５で撮像した画像における基準点Ｅを原点、基準点点Ｅ，Ｆを結ぶ直線をＸ軸、このＸ軸に直交する直線（例えば基準点Ｅ，Ｇを結ぶ直線）をＹ軸として座標処理してもよい。この場合、カメラ５とは独立した座標軸を設けるため、例えばカメラ５を動作させて撮像位置を変更する際に座標誤差が生じても修正することができ、また例えば水中移動装置２を所定の位置に戻す際の位置精度を高めることができる。

本発明の水中移動装置の位置測定システムの一実施形態の全体構成を表す概略図である。本発明の水中移動装置の位置測定システムの一実施形態を構成する水中移動装置の目印点を表す図である。本発明の水中移動装置の位置測定システムの一実施形態を構成する映像処理装置の機能構成を表すブロック図である。本発明の水中移動装置の位置測定システムの一実施形態を構成する映像処理装置における画像処理を説明するため図である。本発明の水中移動装置の位置測定システムの一変形例の全体構成を表す概略図である。

符号の説明

１原子炉内構造体の壁面
２水中移動装置
５カメラ（撮像手段）
８映像処理装置（目印領域手段、基準点記憶手段、画素実寸値演算手段、変位演算手段、姿勢角演算手段）
１５初期画像（第１画像）
１６第１移動画像（第２画像）
１７第２移動画像（第３画像）
２２レーザ照射装置（レーザ照射手段）
Ａ，Ｂ，Ｃ目印点
Ａ１，Ｂ１，Ｃ１目印点
Ａ２，Ｂ２，Ｃ２目印点
Ａ３，Ｂ３，Ｃ３目印点
Ｄ１目印領域（第１目印領域）
Ｄ２目印領域（第２目印領域）
Ｄ３目印領域（第３目印領域）
Ｅ，Ｆ，Ｇ基準点
Ｍ１対象点（第１対象点）
Ｍ２対象点（第２対象点）
Ｍ３対象点（第２対象点）

Claims

原子炉内構造体の壁面に沿って移動する水中移動装置の位置を測定する水中移動装置の位置測定システムにおいて、
前記水中移動装置に設けた少なくとも３つの目印点と、
前記水中移動装置とは別体に設置され、前記水中移動装置の目印点を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段で撮像した水中移動装置の移動前の第１画像における前記目印点を結んで形成された第１目印領域の位置範囲を演算基準範囲として記憶する第１の目印領域記憶手段と、
前記第１目印領域内で前記目印点に対し相対的に第１対象点が設定され、その第１対象点の位置を記憶する第１の対象点記憶手段と、
前記第１目印領域における１画素当たりの実寸値を前記目印点の間隔実寸値に基づき演算する第１の画素実寸値演算手段と、
前記撮像手段で撮像した水中移動装置の移動後の第２画像における前記目印点を結んで形成された第２目印領域内で前記目印点に対し前記第１対象点と同じように相対的に第２対象点が設定され、その第２対象点の位置を記憶する第２の対象点記憶手段と、
前記第２対象点の位置が前記第１目印領域の位置範囲にあるかどうか、さらに前記第２対象点の位置が前記第１目印領域の境界位置にあるかどうかを判定する判定手段と、
前記第２対象点の位置が前記第１目印領域の位置範囲にある場合、前記第１対象点に対する前記第２対象点の変位を画素数単位で演算し、その演算した変位を前記第１目印領域における１画素当たりの実寸値を用いて実寸換算する第１の変位演算手段と、
前記第２対象点の位置が前記第１目印領域の境界位置にある場合、前記第２目印領域の位置範囲を新たな演算基準範囲として記憶する第２の目印領域記憶手段と、
前記第２対象点の位置が前記第１目印領域の境界位置にある場合、前記第２目印領域における１画素当たりの実寸値を前記目印点の間隔実寸値に基づき演算する第２の画素実寸値演算手段と、
前記撮像手段で撮像した水中移動装置のさらに移動後の第３画像における前記目印点を結んで形成された第３目印領域内で前記目印点に対し前記第２対象点と同じように相対的に第３対象点が設定され、その第３対象点が前記第２目印領域の位置範囲にある場合、前記第２対象点に対する前記第３対象点の変位を画素数単位で演算し、その演算した変位を前記第２目印領域における１画素当たりの実寸値を用いて実寸換算する第２の変位演算手段とを備えたことを特徴とする水中移動装置の位置測定システム。
請求項１記載の水中移動装置の位置測定システムにおいて、前記撮像手段で撮像した画像における前記目印点を結ぶ直線の傾きに基づき前記水中移動装置の姿勢角を演算する姿勢角演算手段を備えたことを特徴とする水中移動装置の位置測定システム。
請求項１又は２記載の水中移動装置の位置測定システムにおいて、前記水中移動装置の目印点は、発光体であることを特徴とする水中移動装置の位置測定システム。
請求項１〜３のいずれか１項記載の水中移動装置の位置測定システムにおいて、前記水中移動装置とは別体に設置され、前記原子炉内構造体の壁面の少なくとも３つの基準点を照射するレーザ照射手段を備え、前記撮像手段は、前記レーザ照射手段で照射した基準点を撮像することを特徴とする水中移動装置の位置測定システム。