一种用于复杂曲面焊接的焊道位姿实时检测方法技术

一种用于复杂曲面焊接的焊道位姿实时检测方法，属于焊接自动化技术领域。本方法借助面光源获取清晰的细隙焊道图像并提取焊道中心线位置；采用光斑图案为多重封闭曲线的激光光源照射焊道，根据焊道中心线与激光光斑的图像特征确定焊道中心线上一点为待检测位姿的焊道中心点，基于光学三角法确定焊道中心点邻域内激光光斑上各点在视觉传感器坐标系内的坐标，拟合得到焊道中心点所在局部区域相对焊枪的位姿。本发明专利技术充分利用面光源下细隙焊道特征明显的特点和多重封闭曲线激光光斑信息量大的优势，保证位姿检测时采用的焊道局部区域面积与实际焊接要求匹配，可应用于航空航天领域复杂曲面零件的自动化焊接，尤其适用于坡口间隙小的焊道自动跟踪场合。

【技术实现步骤摘要】
一种用于复杂曲面焊接的焊道位姿实时检测方法
本专利技术属于焊接自动化领域，特别涉及一种用于复杂曲面焊接的焊道位姿实时检测方法。
技术介绍
航天航空构件的轻量化发展和可靠性要求的提高给焊道视觉检测和跟踪提出了重大挑战。其一，待焊工件的焊道坡口形式一般为I型对接坡口，坡口间隙极小(一般不超过0.1mm)，焊枪与焊道的相对位姿稍有偏移即可能引起严重的焊接缺陷，对检测和跟踪精度要求极高；其二，航天航空构件材质大多为铝镁合金，反射率可达95％以上，其表面强烈的镜面反射光使图像亮度极不均匀，甚至可能掩盖坡口的主要特征信息；其三，航空航天构件结构复杂，焊道在复杂曲面上而非平面上。传统的焊道跟踪方法通过检测结构光条的畸变特征识别待焊区域，这种方法依赖坡口的宏观几何结构特征，无法应用于结构光条畸变不明显的细隙焊道检测场合。中国专利文献(公告号为CN101927395B)公开了一种焊缝跟踪检测设备及方法，将具有特定轮廓特征的激光光斑投射在工件表面上，使用CCD相机采集工件表面图像，通过检测光斑内的坡口阴影检测坡口的横向偏移，通过检测光斑的形状、位置和大小变化计算工件表面与焊枪之间的相对位姿。这种方法采集的图像灰度非常不均匀，给光斑边缘的准确提取带来困难，这一方面是因为金属表面对激光产生强烈的镜面反射，造成图像局部饱和；另一方面是因为激光在金属表面形成散斑，加剧了灰度不均匀性。降低曝光时间、减小光圈和使用偏振片消光等方法可在一定程度上降低镜面反射光的影响，但激光散斑现象愈加明显，无法提高图像灰度的均匀性。中国专利文献(公告号为CN103954216B)公开了一种基于球面光源的强镜面反射工件细窄坡口检测装置及方法，将球面光源与激光阵列交替投射在工件表面上，使成像元件采集工件表面图像，通过球面光源照射获得灰度均匀、坡口特征明显的焊道图像，通过激光阵列照射下的工件图像确定焊道位姿。这种方法需要通过增加激光器的数量来提高激光光斑数量、从而提高检测精度；该方法假定激光投射的工件表面为平面，应对复杂曲面焊接时焊道位姿检测精度不足；该方法未考虑实际焊缝成形后的焊缝宽度对检测位姿时采用的焊道局部区域面积的要求；该方法没有考虑到成像元件向图像引入的畸变，降低了检测精度。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对已有技术的不足之处，提出一种用于复杂曲面焊接的焊道位姿实时检测方法。该专利技术旨在解决目前技术存在的焊道图像灰度均匀性不好、成像畸变影响检测精度、位姿检测采用的焊道局部区域面积难以与焊接成形后实际焊缝宽度匹配、因工件表面为曲面难以确定其法向量、焊道坡口间隙极窄而难以用结构光的畸变进行检测等问题，以实现焊道的自动识别，特别针对坡口间隙小的复杂曲面焊道位姿自动检测场合。本专利技术采取以下技术方案：一种用于复杂曲面焊接的焊道位姿实时检测方法，包括以下步骤：1)建立世界坐标系{W}、视觉传感器坐标系{C}和像素坐标系{P}；所述世界坐标系{W}为三维笛卡尔坐标系，与焊枪固连；所述视觉传感器坐标系{C}为三维笛卡尔坐标系，原点为视觉传感器的光心，竖轴方向与所述视觉传感器光轴方向相同；所述像素坐标系{P}为二维笛卡尔坐标系，与视觉传感器采集的图像固连，以单个像素为长度单位；2)对用于采集工件表面焊道区域图像的视觉传感器进行标定：令(xP，yP)为图像畸变前像素坐标系{P}中的像素坐标，(xd，yd)为图像畸变后像素坐标系{P}中的像素坐标，(xC，yC，zC)为视觉传感器坐标系{C}中的坐标，采用基于针孔相机模型的相机标定方法建立(xP，yP)与(xC，yC，zC)之间的转换关系T1以及由图像的径向畸变和切向畸变得到(xP，yP)与(xd，yd)的转换关系T2；对畸变后的图像中(xd，yd)的邻域N(xd，yd)内的像素灰度分布进行插值，得到畸变前的图像中(xP，yP)处的像素灰度G(xP，yP)，即建立图像畸变前后像素灰度的转换关系T3，所述邻域符号的数学含义为对符号内的数字进行向下取整；3)采用在平面上光斑图案为多重封闭曲线的激光光源照射焊道区域：所述光斑图案满足各条相邻的封闭曲线的最大间距E小于焊缝成形后焊缝平均宽度的一半的要求，令L为所述最大间距E在所述视觉传感器的视场中代表的像素个数，L＝E×w/W，式中w为视觉传感器采集到的图像在宽度方向的像素个数，W为视觉传感器的视场的宽度；对所述各条封闭曲线由内到外依次编号为1、2、3、……、N，N为正整数，N≥3，采用光学三角法标定各条封闭曲线所在的激光传播路径在视觉传感器坐标系{C}中的曲面方程T4，并标定视觉传感器坐标系{C}中的坐标(xC，yC，zc)与世界坐标系{W}中的坐标(xW，yW，zW)之间的转换关系T5；4)采用面光源照射工件表面焊道区域，并用控制单元使所述面光源和所述激光光源交替点亮：当所述面光源点亮时，所述视觉传感器同步拍摄焊道图像，所述控制单元利用所述步骤2)中的转换关系T3消除图像畸变，获取畸变前的图像，采用数字图像处理方法提取图像中的焊道中心线；当所述激光光源点亮时，所述视觉传感器同步拍摄焊道图像，所述控制单元利用所述步骤2)中的转换关系T3消除图像畸变，获取畸变前的图像，采用数字图像处理方法提取图像中的多重封闭曲线激光光斑；提取激光光斑时仅提取被完全涵盖在图像中的封闭曲线，对于有部分地方在图像外的封闭曲线进行忽略；令M为从图像中提取出的最外层封闭曲线的编号，3≤M≤N,M为正整数；令Si为从图像中提取出的第i条封闭曲线在像素坐标系{P}中的像素坐标集合，1≤i≤M，i为正整数；5)在所述焊道中心线上选取待检测位姿的焊道中心点，选取的原则为：该点为焊道中心线与某条封闭曲线的交点，且图像中该条封闭曲线的内部和外部存在其它的完整的封闭曲线，且在满足前两条原则的前提下该点尽可能靠近焊枪；令所述焊道中心点在像素坐标系{P}中的像素坐标为6)基于焊道局部区域曲面拟合计算焊道位姿：从各个像素坐标集合Si中选择出所有与像素坐标距离小于R的像素坐标(xP，yP)，即满足以下关系式的坐标(xP，yP)：式中R＝1.2L～1.5L，符号T代表对矩阵的转置；将所有选择出来的像素坐标(xP，yP)组成新的像素坐标集合{(xP，k，yP，k)}；根据所述步骤2)的转换关系T1和所述步骤3)的转换关系T4，计算在像素坐标系{P}中的像素坐标集合{(xP，k，yP，k)}在视觉传感器坐标系{C}中的坐标集合{(xC，k，yC，k，zC，k)}；令曲面U为像素坐标集合{(xP，k，yP，k)}中的点所在的工件局部表面；用坐标集合{(xC，k，yC，k，zC，k)}中的坐标拟合曲面U在视觉传感器坐标系{C}中的方程T6；根据方程T6和所述步骤2)的转换关系T1，计算像素坐标系{P}中的像素坐标在视觉传感器坐标系{C}中的坐标并求出曲面U在处的法向量；根据所述步骤3)的转换关系T5，将坐标和所述法向量转换到世界坐标系{W}中，得到焊道位姿。上述技术方案中，步骤2)中所述插值采用的方法为最邻近插值、分片线性插值和双线性插值中的一种。上述技术方案中，步骤3)中所述激光光源的在平面上的多重封闭曲线光斑图案为多重同心圆、多重同心椭圆的一种。。上述技术方案中，步骤5)中所述拟合采用的方法为最小二乘法、随机抽样一致性算法和移本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于复杂曲面焊接的焊道位姿实时检测方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：1)建立世界坐标系{W}、视觉传感器坐标系{C}和像素坐标系{P}；所述世界坐标系{W}为三维笛卡尔坐标系，与焊枪固连；所述视觉传感器坐标系{C}为三维笛卡尔坐标系，原点为视觉传感器的光心，竖轴方向与所述视觉传感器光轴方向相同；所述像素坐标系{P}为二维笛卡尔坐标系，与视觉传感器采集的图像固连，以单个像素为长度单位；2)对用于采集工件表面焊道区域图像的视觉传感器进行标定：令(xP，yP)为图像畸变前像素坐标系{P}中的像素坐标，(xd，yd)为图像畸变后像素坐标系{P}中的像素坐标，(xC，yC，zC)为视觉传感器坐标系{C}中的坐标，采用基于针孔相机模型的相机标定方法建立(xP，yP)与(xC，yC，zC)之间的转换关系T1以及由图像的径向畸变和切向畸变得到(xP，yP)与(xd，yd)的转换关系T2；对畸变后的图像中(xd，yd)的邻域N(xd，yd)内的像素灰度分布进行插值，得到畸变前的图像中(xP，yP)处的像素灰度G(xP，yP)，即建立图像畸变前后像素灰度的转换关系T3，所述邻域

【技术特征摘要】
1.一种用于复杂曲面焊接的焊道位姿实时检测方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：1)建立世界坐标系{W}、视觉传感器坐标系{C}和像素坐标系{P}；所述世界坐标系{W}为三维笛卡尔坐标系，与焊枪固连；所述视觉传感器坐标系{C}为三维笛卡尔坐标系，原点为视觉传感器的光心，竖轴方向与所述视觉传感器光轴方向相同；所述像素坐标系{P}为二维笛卡尔坐标系，与视觉传感器采集的图像固连，以单个像素为长度单位；2)对用于采集工件表面焊道区域图像的视觉传感器进行标定：令(xP，yP)为图像畸变前像素坐标系{P}中的像素坐标，(xd，yd)为图像畸变后像素坐标系{P}中的像素坐标，(xC，yC，zC)为视觉传感器坐标系{C}中的坐标，采用基于针孔相机模型的相机标定方法建立(xP，yP)与(xC，yC，zC)之间的转换关系T1以及由图像的径向畸变和切向畸变得到(xP，yP)与(xd，yd)的转换关系T2；对畸变后的图像中(xd，yd)的邻域N(xd，yd)内的像素灰度分布进行插值，得到畸变前的图像中(xP，yP)处的像素灰度G(xP，yP)，即建立图像畸变前后像素灰度的转换关系T3，所述邻域符号的数学含义为对符号内的数字进行向下取整；3)采用在平面上光斑图案为多重封闭曲线的激光光源照射焊道区域：所述光斑图案满足各条相邻的封闭曲线的最大间距E小于焊缝成形后焊缝平均宽度的一半的要求，令L为所述最大间距E在所述视觉传感器的视场中代表的像素个数，L＝E×w/W，式中w为视觉传感器采集到的图像在宽度方向的像素个数，W为视觉传感器的视场的宽度；对所述各条封闭曲线由内到外依次编号为1、2、3、……、N，N为正整数，N≥3，采用光学三角法标定各条封闭曲线所在的激光传播路径在视觉传感器坐标系{C}中的曲面方程T4，并标定视觉传感器坐标系{C}中的坐标(xC，yC，zC)与世界坐标系{W}中的坐标(xW，yW，zW)之间的转换关系T5；4)采用面光源照射工件表面焊道区域，并用控制单元使所述面光源和所述激光光源交替点亮：当所述面光源点亮时，所述视觉传感器同步拍摄焊道图像，所述控制单元利用所述步骤2)中的转换关系T3消除图像畸变，获取畸变前的图像，采用数字图像处理方法提取图像中的焊道中心线；当所述激光光源点亮时，所述视觉传感器同步拍摄焊道图像，所述控制单元利用所述步骤2)中的转换关系T3消除图像畸变，获取畸变前的图像，采用数字图像处理方法提取图像中的多重封...

【专利技术属性】
技术研发人员：都东，彭国栋，洪宇翔，魏昂昂，常树鹤，薛博策，王力，常保华，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11