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申请/专利权人：中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司

摘要：本发明公开了基于视频分析的抽蓄电站水轮机顶盖螺栓松动检测方法，步骤包括：步骤1、实时获取抽蓄水轮机顶盖上螺栓位置图像；步骤2、对图像进行灰度化处理，利用图像边缘检测算法对螺栓轮廓进行初步辨识，通过对螺栓样式几何分析，确认螺栓中心点位置和螺栓形貌；步骤3、对抽蓄水轮机顶盖中心点位置像素坐标进行计算；步骤4、计算不同螺栓与顶盖中心间角度，记为初始角度；步骤5、实时计算得到抽蓄水轮机不同顶盖螺栓与顶盖中心点的角度变化，进而通过角度变化对螺栓是否松动以及松动程度进行判断。本发明实现对螺栓检测的精度与准确率，提高了对螺栓检测的效率。

主权项：1.基于视频分析的抽蓄电站水轮机顶盖螺栓松动检测方法，其特征在于，按照以下步骤实施：步骤1、实时获取抽蓄水轮机顶盖上螺栓位置图像；步骤2、对步骤1获取的图像进行灰度化处理，对螺栓轮廓进行初步辨识，通过对螺栓样式几何分析，确认螺栓中心点位置和螺栓形貌；步骤3、对抽蓄水轮机顶盖中心点位置像素坐标进行计算；步骤4、计算不同螺栓与顶盖中心间角度，并记为初始角度；通过实时计算不同位置螺栓与顶盖中心点之间的夹角变化实现螺栓松动检测；步骤5、重复步骤2到步骤4，实时计算当前不同螺栓位置与顶盖中心点间的现有角度，通过对比现有角度与初始角度间的差异，对松动螺栓位置进行辨识；步骤2的具体过程是：步骤2.1、步骤1所拍摄的图像为RGB彩色图像，对RGB彩色图像进行三通道处理，图像灰度化处理是对RGB三个通道综合的结果；步骤2.2、抽蓄水轮机顶盖螺栓与周围结构在颜色上具有差异，顶盖螺栓与周围结构在交界处纹理梯度大，采用梯度幅值对螺栓边缘轮廓进行检测，基于聚类算法对螺栓初始轮廓进行初步辨识；通过聚类算法将螺栓边缘像素与其他像素进行区别，即得到螺栓结构的初始轮廓像素分布；步骤2.3、结合步骤2.2得到的螺栓初始轮廓像素分布，通过对螺栓样式几何分析，确认螺栓中心点位置和螺栓形貌；步骤2.1对RGB图像进行灰度化处理为； （1）式中，为像素坐标x,y处的灰度值，、、分别为像素坐标x,y处三个通道的值；步骤2.2具体为：步骤2.2.1、计算图像像素水平和竖直方向上的灰度梯度；分别构建水平和竖直方向上的梯度算子，对图像像素在水平和竖直方向上的梯度进行计算； （2）式中，和分别为图像像素在水平和竖直方向上的灰度梯度，f为图像像素的灰度矩阵，表示梯度算子与图像的卷积运算，Hx和Hy分别为水平和竖直方向上的梯度算子； H x和Hy分别表示为； （3）；步骤2.2.2、计算像素梯度幅值；基于步骤2.2.1中不同图像像素在水平和竖直方向上的梯度大小，对梯度幅值进行计算； （4）式中，和分别为图像像素u在水平和竖直方向上的灰度梯度，为像素u梯度幅值；步骤2.2.3、基于梯度幅值的螺栓轮廓初步辨识，为有效对螺栓轮廓进行辨识，设计算得到的图像梯度幅值集合为： （5）式中，g为图像梯度幅值集合，n为图像像素的数目，gn为第n个图像像素的梯度幅值；采用K-means聚类算法对图像像素梯度幅值进行聚类； （6） E x为图像像素灰度梯度聚类结果，函数最小值符号，即当聚类结果Ex是最小值时，为最佳聚类，i为聚类的种类，i=2，即螺栓体和周围结构两类，为图像像素灰度梯度均值，为像素j的梯度幅值，j=1，2...n-1，n，代表像素编号，n为图像像素的数目；最终，通过图像像素的聚类结果，对螺栓结构的初始轮廓进行辨识；步骤2.3基于获得的螺栓结构初始轮廓像素分布，选取两个辨识精度高、完整性好的螺栓边缘为基础，考虑螺栓为六角头几何结构，通过利用螺栓边缘的垂直平分线的交点，对螺栓的中心点进行定位，考虑螺栓六个定点为标准的外接圆，且顶点与中心的夹角为60o，即获得高精度螺栓顶点像素坐标；步骤2.3具体为：步骤2.3.1、设螺栓中心点Q的像素坐标（Ox,Oy），求顶点P坐标为（Px,Py），螺栓中心点Q与顶点P组成的直线QP方程y=kx+b满足； （7）同时，利用所求螺栓顶点边缘像素任意两个已知像素坐标点KKx,Ky与MMx,My，计算得到的边缘方程满足； （8）；步骤2.3.2、由于像素点K和M的像素坐标已知，即获得方程的显性表达式，进一步的，已知方程y=kx+b与方程间的夹角为60o，即； （9）；步骤2.3.3、由于斜率已知，通过式（9）求解到斜率k，进而结合式（7）计算得到截距b，进而获得方程y=kx+b显性表达式；另一方面，所求顶点P同时满足方程y=kx+b与方程，即： （10）考虑到方程y=kx+b与方程均为显示表达式，获得精确的螺栓顶点P的像素坐标，通过重复步骤2.3.1到步骤2.3.3，获得所有螺栓的中心点和螺栓精确的顶点坐标；步骤3具体过程为：利用抽蓄水轮机顶盖不同位置螺栓中心点像素坐标，采用最小二乘拟合的方式对顶盖中心点像素坐标进行计算，设抽蓄水轮机顶盖螺栓数目为N，不同位置螺栓中心点Q像素坐标描述为： （11）式中，Q为螺栓中心点，为编号为m的螺栓在水平方向上的螺栓中心点Q像素坐标，为编号为m的螺栓竖直方向上的螺栓中心点Q像素坐标；设抽蓄水轮机顶盖螺栓所围成的圆形曲线方程为： （12）式中，和分别为螺栓在水平和竖直方向上的螺栓中心点Q像素坐标，、、为所设圆形曲线方程的系数；利用计算得到的螺栓中心点Q像素坐标，采用最小二乘方法对所设圆形曲线方程的系数进行求解，即： （13）式中，N为螺栓的数目，和分别为编号为i的螺栓在水平和竖直方向上的螺栓中心点Q像素坐标；函数最小值符号，通过最小二乘拟合方法，得到顶盖上螺栓绕顶盖中心的圆形曲线方程，最后通过拟合得到的圆形曲线方程，计算出抽蓄水轮机顶盖中心点O位置像素坐标，记为；步骤4具体过程为：对不同位置螺栓顶点位置进行编号，设抽蓄水轮机顶盖中心点O像素坐标为，第r个螺栓的第e个顶点坐标记为，与顶盖中心点O的夹角计算为： （14）式中，与第r个螺栓的第e个顶点像素坐标，将未松动时，不同位置螺栓顶点与顶盖中心点O之间的夹角记为初始角度；步骤5具体过程为：设t时刻顶盖上第r个螺栓的第e个顶点坐标为，螺栓松动后的顶点坐标记为，与顶盖中心点O的夹角变化计算为： （15）式中：为t时刻第r个螺栓的第e个顶点与顶盖中心点O的夹角，为时刻第r个螺栓的第e个顶点与顶盖中心点O的夹角，均通过式（14）计算得到；最终，通过实时监测角度变化实现螺栓松动监测。

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