Металлическая бочка для использования в контролируемой на расстоянии среде

 

Изобретение относится к способам и средствам оптического обнаружения положения объектов на расстоянии и может быть использовано, в частности, для осуществления операций с бочками, содержащими опасный материал. Достигаемый технический результат - облегчение обнаружения и опознания. Металлическая бочка имеет закрытую верхнюю часть, имеющую наружную поверхность с первой и второй областями, обладающими различными оптическими отражательными способностями, первая из которых может быть отражающей, а вторая - поглощающей. Металлическая бочка может быть цилиндрической, причем указанные области являются концентрическими и их центры совпадают с осью бочки, корпус которой является прямым круговым цилиндром или может быть этим цилиндром аппроксимирован. Способ обнаружения предусматривает использование фотодатчика оптического излучения и анализ выходного сигнала для обнаружения линии раздела между указанными областями и вычисления центра бочки. 2 с. и 12 з. п.ф-лы, 6 ил.

Настоящее изобретение имеет отношение к созданию металлических бочек, предназначенных для использования в контролируемой на расстоянии среде, и касается создания способа обнаружения положения таких бочек.

Металлические бочки используются в самых различных применениях для хранения опасных материалов, таких как радиоактивные порошки, например UO₃. Желательно производить обработку таких бочек при помощи операций, управляемых на расстоянии, так чтобы человек-оператор не находился в непосредственной близости от опасного материала. Используемые в соответствии с известным состоянием техники бочки не всегда могли быть безошибочно обнаружены при помощи оптической системы обнаружения, такой как видеокамера, при дистанционной их обработке. Серьезные проблемы могут возникать в том случае, когда система обработки пытается осуществить захват детектируемой с ошибкой бочки. В таком случае бочка может, например, перевернуться и произойдет разлив опасного материала.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, предлагается металлическая бочка, предназначенная для использования в контролируемой на расстоянии среде, причем указанная бочка имеет закрытую верхнюю часть, имеющую внешнюю (наружную) поверхность, приспособленную к ее опознанию оптической системой обнаружения, при этом указанная поверхность включает в себя первую область и вторую область, которые обладают различными оптическими отражательными способностями, так что между ними имеется оптический контраст, причем этот контраст облегчает осуществление обнаружения (детектирования) оптической системой обнаружения.

Указанная первая область может быть оптически отражающей областью, а вторая область может быть оптически поглощающей областью.

Преимущественно, металлическая бочка является цилиндрической, при этом первая и вторая области являются концентрическими и их центры совпадают с осью бочки. Корпус бочки может иметь форму, которая является прямым круговым цилиндром или может быть им аппроксимирована. Значительная часть указанной внешней поверхности может представлять собой плоскую поверхность. Указанная верхняя часть бочки может содержать участок сужения, на котором установлена крышка или пробка, входящая в указанную внешнюю поверхность. Крышка или пробка могут иметь обод, который подогнан к фланцу на участке сужения, например, путем опрессовки и образует плотное (герметичное) уплотнение.

Линия раздела между указанными первой и второй областями преимущественно образуют замкнутую фигуру, которая представляет собой круг или может быть аппроксимирована им, центр которого главным образом совпадает с осью бочки. Первая область может иметь отражающий круг по центру указанной верхней наружной поверхности бочки, а вторая область может иметь поглощающее кольцо, образованное вокруг указанного круга. Это поглощающее кольцо может занимать в основном всю оставшуюся наружную поверхность. Например, в том случае, когда наружной поверхностью является уплотняющая бочку крышка, поглощающее кольцо может занимать в основном всю оставшуюся наружную поверхность крышки.

Бочка может быть изготовлена из материала, имеющего отражательную поверхность, например, из металла, такого как нержавеющая сталь. Крышка бочки может быть изготовлена из того же самого материала. Поглощающее покрытие в виде кольца может быть нанесено на внешнюю поверхность крышки для образования указанной второй области, при этом участок без покрытия внутри кольца образует указанную первую область. Покрытие может быть создано черной краской или смолой, например эпоксидной смолой; эта поглощающая область может быть образована анодированием или лазерным травлением, а также может быть образована нанесением слоя мишени или выполнена в виде вставки, введенной в выточку на поверхности.

На области без покрытия может быть нанесен отгравированный код, например, код, выполненный лазерным травлением, который может единственным образом идентифицировать наблюдаемую бочку или ее содержимое, или же другие данные.

Бочки в соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы для хранения опасного материала, например, радиоактивного материала. Радиоактивный материал может представлять собой актинид или его соединение, например, оксид урана, такой как UO₃, полученный как продукт регенерации при обработке облученного ядерного топлива. Такие бочки могут храниться в здании или в хранилище, в котором они могут перемещаться при помощи управляемых на расстоянии операций.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения, предлагается способ обнаружения центра указанной наружной поверхности на верхней части бочки, выполненной в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, который предусматривает обнаружение при помощи фотодатчика оптического излучения, отраженного от верхней части бочки, анализ выходного сигнала, полученного от фотодатчика, для обнаружения характеристик сигнала, соответствующих линии (границе) раздела между указанными первой и второй областями на верхней наружной поверхности бочки, и вычисление по положению указанных характеристик в анализируемом сигнале положения центра бочки.

Указанный фотодатчик может представлять собой видеокамеру, например, содержащую фотомишень с приборами с зарядовой связью (ПЗС). Выходной сигнал может содержать серии пикселей (элементов изображения) в кадре изображения, полученном при помощи камеры. Выходной сигнал может поступать на так называемое устройство (механизм) захвата кадра и преобразовываться в цифровую форму при его помощи. Указанный анализ изображения и вычисление центра может быть осуществлено при помощи цифрового компьютера (в который может быть встроено устройство захвата кадра) с использованием известной техники цифровой обработки сигнала. Например, при указанном анализе изображения может быть использован алгоритм обработки сигнала для обнаружения связности, при котором находят линии раздела вокруг ярких пикселей в изображении, которые соответствуют первой области, замкнутой во второй области. Цифровой компьютер может также применять допустимые максимальный и минимальный пределы к числу пикселей в области, замкнутой обнаруженной линией раздела, и/или вычислять форму области в обнаруженном изображении и сравнивать ее с идеальной формой, например с идеальным кругом, так что паразитные изображения, иные чем первая область, которые могут присутствовать в полученном сигнале, могут быть отброшены системой обработки сигнала.

Цифровой компьютер может, например, вырабатывать профиль гистограммы числа пикселей в полученном сигнале, имеющем каждый из различных возможных уровней яркости или уровней градаций серого в заданном диапазоне яркостей, например, имеющем 256 уровней. Цифровой компьютер может использовать алгоритм, который является адаптивным к профилю гистограммы, для нахождения перехода в профиле, соответствующего переходу в яркости (отражательной способности) между первой и второй областями. Алгоритм может работать, стартуя у конца высокой яркости гистограммы и затем двигаясь по гистограмме в сторону уменьшения яркости пикселей, пока не будет обнаружен порог 1. Порог 1 считается найденным, когда полное число пикселей с яркостью, равной значению 1 или превышающей его, станет равным минимальной допустимой зоне для первой области. Затем яркость 1 используется в алгоритме обнаружения связности, при помощи которого получают контур из пикселей со значением яркости 1, который образует замкнутую зону.

Если окажется, что такая найденная зона в соответствии с заданным критерием слишком мала или слишком велика, то она может быть отброшена и компьютер может продолжать поиск подходящей замкнутой зоны перемещения по гистограмме в сторону уменьшенной яркости 1 пикселей. В конечном счете, когда будет обнаружена замкнутая зона в нужном размерном диапазоне, то компьютер может произвести проверку круглости линии раздела этой зоны.

Может быть произведено сравнение среднеквадратической ошибки положения действительной линии раздела полученного изображения первой области с соответствующей ошибкой идеального круга. Круглость, проверенная таким путем, должна быть лучше, чем минимальный пороговый уровень, например, 0, 1; в противном случае компьютер должен продолжить поиск желательной замкнутой зоны, которая может быть аппроксимирована кругом. Указанная комбинированная обработка сигнала гистограммы с нахождением связности позволяет успешно произвести искомую идентификацию в широком диапазоне уровней освещения окружающей среды.

В другой ее форме, система в соответствии с настоящим изобретением может быть адаптирована к использованию описанной выше программы для обработки гистограмм и обнаружения связности, для поиск и локализации других заданных объектов, в том случае, когда они имеют достаточный контраст относительно фона. Возможны и другие комбинации обработки изображения, например, обработка гистограмм с детектированием края или гистограмм с корреляцией, а также гистограмм с совпадением блоков. Эти комбинации могут обеспечить улучшенные характеристики за счет использования соответственно краевого детектирования, корреляции или совпадения блоков. Улучшение характеристики особенно заметно при условиях, в которых могут существенно изменяться уровни освещения окружающей среды.

Выходной сигнал от фотодатчика может быть передан на цифровой компьютер для обработки при помощи линии связи, что позволяет производить обработку выходного сигнала на удаление от наблюдаемой бочки. При этом, как упоминалось ранее, бочка может находиться в зоне хранения, а цифровой компьютер может быть расположен вне этой зоны хранения на станции управления. Связь между фотодатчиком и цифровым компьютером может быть осуществлена при помощи линии радиосвязи, которая включает в себя распределенную антенную систему с использованием так называемого излучающего фидера. Излучающий фидер в принципе аналогичен обычному коаксиальному кабелю, за тем исключением, что металлический экран, который использован для направления радиочастотного сигнала вдоль кабеля, модифицирован, чтобы позволить иметь утечку сигнала и, следовательно, передавать и принимать сигналы. В такой системе связи устранены, например, проблемы интерференции сигналов от металлических бочек и от стальной арматуры конструкций из армированного бетона.

Бочки в соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы в системе обработки бочек в хранилище бочек. Перемещение бочек может производиться при помощи управляемого на расстоянии транспортного средства, которое может содержать, например, механизм захвата и подъема, например, известный робот-манипулятор для подъема и размещения бочек. Транспортное средство может быть оборудовано инфракрасными и/или ультразвуковыми датчиками для предотвращения столкновений. Это транспортное средство может также представлять собой транспортное средство с автономной навигацией, положение которого в пространстве определяется при помощи лазерного датчика. На стенах хранилища могут быть нанесены маркеры, например штриховой код, для облегчения определения местоположения транспортного средства при считывании этого кода лазерным датчиком. Перемещения транспортного средства могут происходить под контролем цифрового компьютера, расположенного вне зоны хранения бочек. Связь между транспортным средством и контролирующим его компьютером может осуществляться при помощи линии с излучающим фидером, аналогичной той, которая может быть использована для передачи выходных сигналов от фотодатчика. Фотодатчик может быть установлен на управляемое дистанционно транспортное средство.

При использовании описанной выше системы обработки бочек, транспортное средство осуществляет под управлением компьютера свою локализацию в положении, близком к бочке, которую нужно захватить. Производится измерение координат положения транспортного средства и фотодатчиком формируется изображение бочки. Соответствующий изображению сигнал посылается на цифровой компьютер обработки изображения, расположенный вне зоны хранения, который производит анализ изображения и находит центр верхней части бочки указанным выше образом. Координаты положения центра бочки поступают на управляющий компьютер транспортного средства, который производит вычисление необходимых точных регулировок положения манипулятора, который может быть установлен на транспортном средстве, относительно бочки, и применяют их, так что манипулятор может осуществить точный захват бочки. Бочка может быть, например, снята с входного транспортера и доставлена при помощи транспортного средства в заданное место в хранилище, которое может иметь соответствующую маркировку на полу хранилища. Бочки могут устанавливаться вертикально друг над другом по высоте в таких хранилищах, которые имеют стеллажи для обеспечения хранения большого числа бочек. По завершении хранения бочки могут быть локализованы, захвачены и возвращены на выходной транспортер аналогично тому, как они направлялись на хранение.

Заявитель обнаружил, что настоящее изобретение позволяет получить удобные средства для успешной дистанционной точной локализации бочек в хранилище для бочек, содержащих опасный материал, даже в том случае, когда мощность принятого сигнала изображения падает до такой низкой величины, как -80 дВ, как это показано далее.

Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания вариантов его осуществления, приведенных в качестве примера со ссылкой на сопроводительные чертежи.

На фиг. 1 показан вид сбоку в сечении бочки для хранения порошка UO₃.

На фиг 2 показан вид сбоку в сечении крышки для бочки, показанной на фиг. 1.

На фиг. 3 показан вид в плане (в направлении X фиг. 2) крышки, показанной на фиг. 2.

На фиг. 4 показана блок схема устройства для обнаружения центра верхней поверхности крышки для бочки, показанной на фиг. 2 и 3.

На фиг. 5 и 6 приведены графики, соответственно, времени обработки T в секундах и детектируемой круглости мишени R (в соответствии с указанным далее соотношением) при изменении отношения сигнал/шум S (дБм), иллюстрирующие характеристики устройства, показанного на фиг. 3.

На фиг. 1 показана бочка 1, которая используется в хранилище с дистанционной обработкой, предназначенном для хранения порошка UO₃. Бочка 1 обычно имеет правильную круглую цилиндрическую форму корпуса. Бочка 1 в ее верхней области имеет участок сужения 3 с отверстием 5 для добавки или изъятии порошка UO₃. Отверстие 5 имеет фланец 7.

На фиг. 2 и 3 показана крышка 9 для бочки 1. Крышка 9 имеет круглое основание 11 и обод 13. Крышка 9 подогнана под участок сужения 3 бочки 1 для закрывания отверстия 5. Плотное закрывание (укупорка) крышки на бочке 1 производится путем обжатия (опрессовки) с использованием дополнительной прокладки (не показана), так что в пространство между основанием 11 и ободом 13 плотно входит фланец 7.

Как это показано на фиг. 3, верхняя поверхность крышки 9 имеет мишень, которая включает в себя отражательную, то есть не имеющую покрытия, круглую область 15 в центре крышки 9 и кольцевую зачерненную область 17, образованную покрытием остальной части верхней поверхности крышки 9 при помощи подходящего материала.

Устройство для детектирования центра крышки 9 показано на фиг. 4. При помощи видеокамеры 19, которая установлена на дистанционно управляемом транспортном средстве (не показано) вблизи от бочки 1 (укупоренной крышкой 9), получают электронное изображение верхней части бочки 1 с крышкой 9. Выходной видеосигнал от камеры 19 при помощи подключенного к камере 19 передатчика 25 передается по линии связи 21 на удаленный приемник 23. Линия связи 21 показана в обычном виде как содержащая передающую антенну 27 и приемную антенну 29. На практике передающая антенна может быть установлена на транспортном средстве, а приемная антенна может представлять собой излучающий кабельный фидер, расположенный вблизи от передающей антенны 27 при любом местоположении транспортного средства, несущего передающую антенну 27. Сигнал, полученный приемником 23, декодируется в декодирующем устройстве 24 и с его выхода подается на устройство захвата кадра 31, которое осуществляет захват кадра изображения и его преобразование в цифровую форму; кадры изображения образуют изображение сцены, содержащей бочку 2 и крышку 9. Выходной сигнал устройства захвата кадра 31 анализируется на поэлементной основе цифровым сигнальным процессором 33, который вырабатывает профиль гистограммы числа пикселей в полученном изображении, каждый из которых имеет различные возможные яркости или градации серого в данном диапазоне яркостей. Затем в профиле гистограммы при использовании адаптивного алгоритма сигнального процессора 33 производится поиск яркости 1, как это было определено ранее, которая затем используется в алгоритме связности для получения замкнутой области, аппроксимируемая форма и размер которого соответствуют круглой области 15 (фиг. 3), как это было описано ранее. После нахождения соответствующей области производят вычисление при помощи сигнального процессора 33 центра области 15, то есть центра верхней части крышки 9. Наконец, сигнал, который отображает координаты положения бочки, направляется в компьютер 35, который используется для регулировки положения манипулятора (не показан) на транспортном средстве, несущем камеру 19. Визуальное изображение сигналов, обработка которых производится в процессоре 33, также может быть получено на дисплее 37.

В частном виде показанной на фиг. 1 - 3 системы сигналы изображения получали при помощи системы с ПЗС - камерой, имеющей 625 строк и разрешающую способность 582 х 500 элементов изображения. На выходе камеры получают составной сигнал с размахом ("пик-ту-пик") 1 В. Сигналы изображения имеют амплитуду модуляции и СВЧ несущий сигнал малой мощности; они передаются на удаленную базовую станцию, где производится их прием и демодуляция с использованием устройства захвата кадра - транслятора данных типа DT 2255 - 50 Гц. Это устройство может производить захват кадра в течение 0,04 секунд и имеет 762 х 512 элементов изображения и 256 градаций серого. Обработка сигналов изображения производилась при использовании программного обеспечения Image Analyst (торговая марка), в котором имеется набор алгоритмов для вычисления данных коррекции с получением результата измерения круглости инспектируемой мишени крышки бочки (линии раздела между областями 15 и 17 фиг. 3), а также для получения гистограммы распределения пикселей в изображении и для запоминания изображений для последующего анализа и сравнения.

Хранилища бочек не предназначены для дистанционного доступа оператора. Поэтому используемая в процессоре 31 обработка сигнала изображения должна быть по возможности надежной. При обработке сигнала используют алгоритм связности. Это позволит построить линию смежных пикселей равной силы света (яркости). Из гистограммы, относящейся к линии раздела между областями 15 и 17, находят яркость 1. Указанным образом возможно идентифицировать область блика (то есть высокой яркости или силы света) в изображении, соответствующем области 15. Другие области аналогичной яркости могут быть отброшены как слишком большие или малые, чтобы соответствовать известным размерам линии раздела.

Как упоминалось ранее, программа анализа изображения позволяет количественно характеризовать "круглость" мишени. При этом главным образом определяется среднеквадратическая ошибка действительной линии раздела полученного изображения в сравнении с идеальным кругом. Для круглой мишени корреляции должна быть хорошей и круглость должна составлять 1, 0. При уменьшении отношения сигнал/шум точность измерения падает, при этом падает точность определения круглости. Так, например, при любой существенной погрешности измерения среднеквадратической ошибки может возникать ошибка вычисления центра бочки.

На фиг. 5 иллюстрируется эффект использования крышки бочки, показанной на фиг. 3 формы в сравнении с обычной крышкой бочки, не имеющей специальной зоны мишени (например, имеющей отражающей всю верхнюю поверхность). Кривые A, B и C фиг. 5 отображают изображения обычной поверхности крышки, полученные идентичными видеокамерами, установленными на различных транспортных средствах; кривая D отображает изображение поверхности крышки фиг. 3 полученное одной из идентичных видеокамер, установленных на различных транспортных средствах. На кривой D показан худший случай для таких изображений. Можно видеть, что время обработки сигнала T (секунды) для кривых A, B и C быстро возрастает при отношениях сигнал/шум в пределах от -60 дБ до -80 дБ, в то время как время обработки сигнала для кривой D все еще остается малым при таких отношениях сигнал/шум.

На фиг. 6 показана круглость мишени, полученная для различных отношений сигнал/шум S для показанной на фиг. 3 крышки бочки. На кривых E, F и G отложены соответственно лучший, типичный и худший результаты, полученные при множестве измерений с использованием идентичных видеокамер на различных транспортных средствах.

Круглость является мерой успешности идентификации мишени; даже в худшем случае кривой G мишень все еще может быть идентифицирована при -80 дБ. Это невозможно для обычной крышки бочки.

Формула изобретения

1. Металлическая бочка, предназначенная для использования в контролируемой на расстоянии среде, отличающаяся тем, что указанная бочка имеет закрытую верхнюю часть, имеющую внешнюю поверхность, приспособленную к ее опознанию оптической системой обнаружения, при этом указанная внешняя поверхность включает в себя первую область и вторую область, которые имеют общую линию раздела между ними и обладают различными оптическими отражательными способностями, так и между ними имеется оптический контраст, причем указанная первая область является плоской отражающей круглой зоной или может быть аппроксимирована ей, при этом центр указанной области главным образом совпадает с осью бочки, а указанная вторая область является поглощающей и замыкает указанную первую область, причем оптический контраст облегчает осуществление обнаружения центра внешней поверхности при помощи оптической системы обнаружения.

2. Бочка по п.1, отличающаяся тем, что она является цилиндрической, при этом первая и вторая области являются концентрическими и их центры совпадают с осью бочки, причем корпус бочки имеет форму, которая является прямым круговым цилиндром или может быть им аппроксимирована.

3. Бочка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что значительная часть указанной внешней поверхности представляет собой плоскую поверхность.

4. Бочка по одному из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что указанная верхняя часть бочки содержит участок сужения, на котором установлена крышка или пробка, предусмотренная на указанной внешней поверхности.

5. Бочка по п. 4, отличающаяся тем, что крышка или пробка имеет обод, который подогнан к фланцу на участке сужения.

6. Бочка по п.4 или 5, отличающаяся тем, что первая область имеет отражающую круглую зону по центру указанной верхней внешней поверхности бочки, а вторая область имеет поглощающее кольцо, образованное вокруг указанной круглой зоны, причем это поглощающее кольцо занимает в основном всю оставшуюся внешнюю поверхность.

7. Способ обнаружения центра внешней поверхности на верхней части металлической бочки, предназначенной для использования в контролируемой на расстоянии среде, отличающийся тем, что он предусматривает обнаружение при помощи фотодатчика оптического излучения, отраженного от верхней части бочки, анализ выходного сигнала, полученного от фотодатчика, для обнаружения характеристик сигнала, соответствующих линий раздела между указанными первой и второй областями на верхней внешней поверхности бочки, и вычисление по положению указанных характеристик в анализируемом сигнале положения центра бочки.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что указанный фотодатчик представляет собой видеокамеру, выходной сигнал которой содержит серии пикселей в кадре изображения, полученном при помощи камеры.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что указанный анализ изображения и вычисление центра осуществляют при помощи цифрового компьютера.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что цифровой компьютер при указанном анализе изображения используют алгоритм обработки сигнала для обнаружения связности, при котором находят линии раздела вокруг ярких пикселей в изображении, которые соответствуют первой области, замкнутой во второй области.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что цифровой компьютер также использует алгоритм, при котором применяют допустимые максимальный и минимальные пределы к числу пикселей в области, замкнутой обнаруженной линией раздела, и/или вычисляют форму области в обнаруженном изображении и сравнивают ее с идеальной формой так, что паразитные изображения, иные чем первая область, которые могут присутствовать в полученном сигнале, могут быть отброшены системой обработки сигнала.

12. Способ по одному из пп.9 - 11, отличающийся тем, что цифровой компьютер вырабатывает профиль гистограммы числа пикселей в полученном сигнале изображения, имеющем каждый из различных возможных уровней яркости или уровней градаций серого в заданном диапазоне яркостей.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что цифровой компьютер использует алгоритм, который является адаптивным к профилю гистограммы, для нахождения перехода в профиле, соответствующего переходу в яркости или в отражательной способности между первой и второй областями.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что цифровой компьютер использует алгоритм, который работает, стартуя у конца высокой яркости гистограммы и затем двигаясь по гистограмме в сторону уменьшения яркости пикселей, пока не будет обнаружен порог I, причем порог I считается найденным, когда полное число пикселей с яркостью, равной значению I или превышающей его, станет равным минимальной допустимой зоне для первой области, затем яркость I используется в алгоритме обнаружения связности, при помощи которого получают контур из пикселей со значением яркости I, который образует замкнутую зону.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6