基于结构光的柱面纵向焊缝特征区域提取、焊缝跟踪方法及系统技术方案

本发明专利技术提出了一种基于结构光的柱面纵向焊缝的特征区域提取、焊缝跟踪方法及系统，系统由激光发生部分、视觉传感部分和行走机构部分组成。在跟踪过程中，激光发生部分向工件表面投射线激光，视觉传感部分获取焊缝图像，提取焊缝图像的特征区域，获得特征区域中焊缝特征信息；将特征信息作为行走机构部分的输入条件，经过行走机构部分的处理，控制焊枪在对应位置进行焊接。根据柱面纵向焊缝的特点，分析了特征区域的提取对焊缝跟踪时间和跟踪精度的影响，说明了特征区域提取的重要性。基于此，重点论述了特征区域的提取过程，根据焊管管径大小，动态提取焊缝图像的特征区域，保证焊缝跟踪的速度和准确度。

Method and system of feature extraction and seam tracking for cylindrical longitudinal weld based on structured light

【技术实现步骤摘要】
基于结构光的柱面纵向焊缝特征区域提取、焊缝跟踪方法及系统
本专利技术属于机器视觉领域的视觉传感跟踪，具体涉及一种基于结构光的柱面纵向焊缝的特征区域提取、焊缝跟踪方法及系统。
技术介绍
焊接钢管是指用钢带或钢板弯曲变形为圆形、方形等形状后再焊接成表面有接缝的钢管。按焊缝形状可以分为直缝焊管(LSAW)和螺旋焊管(SSAW)两种。直缝焊管生产工艺简单，生产效率高，成本低，发展较快，较小口径的焊管大都采用直缝焊。直缝焊管工艺流程一般是：板探→卷曲成型→预焊→内焊→外焊→各类检验→防腐和涂层。目前，在实施焊接作业时，大多数工序还是通过人工完成，劳动强度大，存在许多不确定的外界因素，而且焊接速度无法提高，焊接精度无法保证，不能满足现代工业的发展。随着工业不断发展，自动焊接、智能焊接是当前研究的热点。随着机器人的发展，使得制造业的自动化水平不断提高；同时计算机技术和图像处理技术的不断发展，使得采用机器视觉方法进行焊缝跟踪成为现实。在利用机器视觉实现焊缝跟踪的过程中，通常由于无法提取合适的特征区域(提取了大量的干扰等)，导致跟踪的精确度较低；还有就是特征区域提取过大，导致跟踪的速度无法满足。由此可以看出在焊缝的视觉跟踪中，焊缝特征区域的提取至关重要，直接影响后续的焊缝跟踪速度和跟踪准确性。首先，对于机器视觉的图像处理而言，焊缝特征区域提取越小越有利于提高图像处理的速度。虽然通过提高硬件的性能也可以降低图像处理的时间，但是对于工业生产而言必须要考虑成本，在自动化生产过程中，嵌入式处理器或工业PC其计算性能有限，直接影响焊缝图像的处理速度；并且，实际焊接作业的工厂往往环境恶劣，存在温度、振动和湿度等环境因素的干扰，安装高性能计算机系统也不切合实际。因此，就需要在图像算法处理中提取合适尺寸的特征区域，来满足工业焊接的实时性和成本要求。此外，就焊接方式而言，目前激光焊接已经大量用于制造业，用于焊接的激光器的功率越来越高，因此对焊接生产速度的要求也会越来越快。所以，也需要在满足精度要求的前提下，通过合理的特征区域快速提取方法捕获焊缝特征信息，以满足激光器的焊接速度。进一步，对于柱面纵向焊缝的焊接钢管而言，激光结构光在工件表面投射激光平面，产生带断点的激光曲线，提取的特征区域大小和位置不同都会影响激光曲线的完整性；而激光曲线的完整是准确获取焊缝特征点的前提。通过以上的分析，可以看出焊缝图像特征区域提取，对实际生产中具有十分重要的意义。因此，本专利技术提出了一种基于结构光的柱面纵向焊缝特征区域提取、焊缝跟踪方法及系统，根据焊管管径大小，动态提取焊缝图像的特征区域；并基于特征区域实现了柱面纵向焊缝的视觉跟踪。
技术实现思路
1、本专利技术的目的本专利技术提供了基于结构光的柱面纵向焊缝特征区域提取、焊缝跟踪方法和系统；重点论述了特征区域的提取过程，根据焊管管径大小，动态提取焊缝图像的特征区域，保证焊缝跟踪的速度和准确度；并基于特征区域实现了柱面纵向焊缝的视觉跟踪。2、本专利技术所采用的技术方案本专利技术提出了一种基于结构光的柱面纵向焊缝的视觉跟踪系统，包括激光发生部分、视觉传感部分和行走机构部分；激光发生部分，包括两个一字线激光发生器和圆柱透镜，其发出的光经过圆柱透镜形成两个激光平面，倾斜投射在工件表面产生两条曲线激光条纹；视觉传感部分，由图像采集装置和计算机组成，图像采集装置包括工业相机、工业镜头及滤光片，用于采集焊缝激光图像；行走机构部分，包括计算机、控制器、伺服驱动器、伺服电机和龙门式三轴滑台，计算机输入的控制信号经过运动控制器传输到伺服驱动器，伺服驱动器放大信号后，驱动伺服电机工作，带动龙门架三轴移动，用于跟踪焊缝；识别与跟踪过程中，通过激光发生部分向待焊工件表面投射线激光平面，视觉传感部分获取激光焊缝图像，根据焊管管径大小，动态提取焊缝图像的特征区域，基于特征区域获取焊缝的特征信息；将焊缝的特征信息作为行走机构部分的输入条件，经过行走机构部分的处理，控制焊枪在对应位置进行焊接，由此实现焊缝的实时跟踪。更进一步，所述的行走机构部分的控制器为运动控制卡。更进一步，所述的行走机构部分的运动控制器安装于计算机内。更进一步，所述的行走机构部分的龙门式三轴滑台包含X、Y、Z三轴运动系统。更进一步，行走机构部分主要通过龙门式三轴滑台控制焊头的移动对焊缝图像来说，特征区域是指图像中激光条纹和焊缝组成的区域。对于平面直线焊缝而言，无论特征区域取多大都是两条带有断点的线段；而对于焊接钢管的柱面纵向焊缝而言，线激光在工件表面产生带断点的曲线条纹，由于视觉传感部分和激光发生部分安装位置固定，对于不同管径的待焊钢管，焊缝图像中激光曲线的弯曲程度也不同。若提取图像特征区域的大小和位置不同，导致特征区域中激光曲线大小和完整性不同，会影响后续的焊缝特征点的提取。参见图2，本专利技术的系统采集到的柱面纵向焊缝图像，激光曲线条纹在焊缝处产生断点，图中的两个矩形区域即为图像的特征区域。对于柱面纵向焊缝焊管而言，线激光在其表面产生带断点的曲线条纹，并且激光曲线直接影响焊缝提取的准确性，所以，为了保证特征区域中激光曲线完整性，提出了根据焊管管径大小，动态提取焊缝图像的特征区域。参见图2，焊缝特征区域的提取，就是获得特征区域高度H和宽度W的过程。因为本专利技术的线激光器是从垂直方向向工件投射激光，所以图像中的激光条纹是沿着垂直方向(图像高度方向)分布。因此，对于焊缝图像特征区域的提取，关键是得到特征区域的高度H，特征区域的宽度W可以由激光曲线和高度H得到。对特定的焊管来说，特征区域的高度H可以看做是其特定的参数。高度H的选取大小直接影响焊缝跟的速度和精度，因此针对同一焊管实验分析了特征区域选取H大小与跟踪时间t、跟踪误差Δ的关系曲线，即H＝f(t,Δ)，来确定参数H，具体参见实施例。通过计算机开发了特征区域的提取方法，基于特征区域快速准确地捕获了焊缝中心点的位置坐标，保证了跟踪的实时性和准确性，具体步骤如下：步骤1调整高度及角度根据工业相机的焦距、一字线激光发生器的线宽和柱面纵向焊缝的焊件的直径，来调整焊缝视觉跟踪系统的高度和双激光发生器的角度；步骤2提取激光曲线焊缝特征点通过采集到的带激光条纹曲线的焊缝图像，提取焊缝图像的特征区域，基于特征区域计算焊缝的中心特征点；步骤3使用张正友标定法对相机进行标定，将图像中的坐标系与两个线激光平面所在的坐标系统一起来；步骤4根据柱面纵向焊缝特征点的位置和两个线激光平面空间方程，得出焊缝的两个特征点的空间坐标，进而通过两点确定直线的原理获得直线延长线外固定距离的焊接位置，将此位置的三维坐标输入至行走机构。更进一步，所述的步骤2提取激光曲线特征点的方法步骤如下：步骤2.1对焊缝图像进行预处理步骤2.1.1首先根据不同的管径，确定提取焊缝特征区域的尺寸与处理时间及测量误差之前的关系，以供实际生产时，可以根据焊接管径、焊接速度和焊接精度来选择正确的特征区域参数。对于柱面纵向焊缝的焊接钢管，线激光在其表面产生带断点的曲线条纹，在硬件计算能力固定的情况下，焊缝识别时，其特征区域的尺寸越小，提取焊缝特征点所用时间越短；但特征区域中激光曲线的大小与完整性影响焊缝特征点提取的准确性，所以需要根据实际生产的需要来综合考虑提取时间和测量误差选取特征区域尺寸；特征区域提取本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于结构光的柱面纵向焊缝特征区域提取、焊缝跟踪系统，其特征在于：包括激光发生部分、视觉传感部分和行走机构部分；激光发生部分，包括两个一字线激光发生器和圆柱透镜，其发出的光经过圆柱透镜形成两个激光平面，倾斜投射在工件表面产生两条曲线激光条纹；视觉传感部分，由图像采集装置和计算机组成，图像采集装置包括工业相机及滤光片，用于采集焊缝激光图像；行走机构部分，包括计算机、控制器、伺服驱动器、伺服电机和龙门式三轴滑台，计算机输入的控制信号经过运动控制器传输到伺服驱动器，伺服驱动器放大信号后，驱动伺服电机工作，带动龙门架三轴移动；跟踪过程中，通过激光发生部分向待焊工件表面投射线激光平面，视觉传感部分获取激光焊缝图像，根据焊管管径大小，动态提取焊缝图像的特征区域，获得特征区域中焊缝特征信息；将焊缝的特征信息作为行走机构部分的输入条件，经过行走机构部分的处理，控制焊枪在对应位置进行焊接，由此实现焊缝的实时跟踪。

【技术特征摘要】
1.一种基于结构光的柱面纵向焊缝特征区域提取、焊缝跟踪系统，其特征在于：包括激光发生部分、视觉传感部分和行走机构部分；激光发生部分，包括两个一字线激光发生器和圆柱透镜，其发出的光经过圆柱透镜形成两个激光平面，倾斜投射在工件表面产生两条曲线激光条纹；视觉传感部分，由图像采集装置和计算机组成，图像采集装置包括工业相机及滤光片，用于采集焊缝激光图像；行走机构部分，包括计算机、控制器、伺服驱动器、伺服电机和龙门式三轴滑台，计算机输入的控制信号经过运动控制器传输到伺服驱动器，伺服驱动器放大信号后，驱动伺服电机工作，带动龙门架三轴移动；跟踪过程中，通过激光发生部分向待焊工件表面投射线激光平面，视觉传感部分获取激光焊缝图像，根据焊管管径大小，动态提取焊缝图像的特征区域，获得特征区域中焊缝特征信息；将焊缝的特征信息作为行走机构部分的输入条件，经过行走机构部分的处理，控制焊枪在对应位置进行焊接，由此实现焊缝的实时跟踪。2.根据权利要求1所述的基于结构光的柱面纵向焊缝特征区域提取、焊缝跟踪系统，其特征在于：所述的行走机构部分的控制器为运动控制卡。3.根据权利要求1所述的基于结构光的柱面纵向焊缝特征区域提取、焊缝跟踪系统，其特征在于：所述的行走机构部分的运动控制器安装于计算机内。4.根据权利要求1所述的基于结构光的柱面纵向焊缝特征区域提取、焊缝跟踪系统，其特征在于：所述的行走机构部分的龙门式三轴滑台包含X、Y、Z三轴运动系统。5.根据权利要求1所述的基于结构光的柱面纵向焊缝特征区域提取、焊缝跟踪系统，其特征在于：所述的行走机构部分主要通过龙门式三轴滑台控制焊头的移动。6.一种基于结构光的柱面纵向焊缝特征区域提取、焊缝跟踪方法，其特征在于：步骤1调整高度及角度根据工业相机的焦距、一字线激光发生器的线宽和柱面纵向焊缝的焊件的直径，来调整焊缝视觉跟踪系统的高度和双激光发生器的角度；步骤2提取焊缝图像特征点通过采集到的带激光条纹曲线的焊缝图像，提取图像的特征区域，计算特征区域中焊缝的特征点；步骤3使用张正友标定法对相机进行标定，将图像中的坐标系与两个线激光平面所在的坐标系统一起来；步骤4根据柱面纵向焊缝特征点的位置和两个线激光平面方程，得出焊缝的两个特征点的空间坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：李若宁，沙通，张渊，廉小斌，梁天赐，
申请(专利权)人：苏州实创德光电科技有限公司，华南师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32