一种焊缝自动跟踪系统技术方案

本发明专利技术公开了一种焊缝自动跟踪系统。该系统中，摄像机组（1）采集焊缝图像，图像识别装置（3）通过图像采集卡（2）获取该焊缝图像，利用自身模板法在该焊缝图像中搜索和匹配焊缝中心当前位置，根据匹配到的焊缝中心当前位置生成控制信号并输出给自动控制装置（4），自动控制装置（4）依据给定的控制信号调整焊枪臂的位置，以将焊枪移动到焊缝中心位置。该系统由于是采用了自身模板法，提高了识别过程的抗干扰能力，从而提高识别成功率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于焊接自动化中焊缝自动跟踪
，特别是一种利用图像识别方法的焊缝自动跟踪系统。
技术介绍
在大型钢结构体(如:石油天然气钢管、船体、压力容器等)的生产中，广泛应用自动焊接技术。为了实现自动焊接，需要通过焊缝自动跟踪方法使得焊枪与焊缝的相对位置稳定地保持准确。已有的焊缝自动跟踪方法包括:靠模跟踪方法、涡流跟踪方法、电磁跟踪方法、光电跟踪方法、图像跟踪方法等。其中的图像跟踪方法是利用摄像机实时获取焊缝图像，利用模式识别的理论和方法在当前图像中寻找焊缝，将焊缝当前位置传输给自动控制环节，再发出调整位置的命令，实现焊缝位置的自动跟踪。图像跟踪方法又包括两大类:一类是基于结构光方法。其原理是，发出一束与焊缝走向成垂直方向的窄条光线 ，保持摄像机的视线在一个平面上，该平面与包含焊缝中心线的切平面垂直，视线还要与焊缝走向呈一定角度，从而获取反映焊缝横截面形状的图像，这种形状一般有V字形和U字形两种。于是V字形或U字形就作为识别用的特征。由于特征简单明显，便于识别，在工艺条件保证的条件下，能保证可靠跟踪。但是，这种方法容易受到干扰。当焊缝不规则时，或较大的外部光线干扰时，无法呈现明显的V字形或U字形时，就会造成识别失败。另一类是基于非结构光方法。其原理是，直接获取焊缝图像，提取焊缝的多种特征，构成特征向量，再构建复杂的识别方法，实现焊缝的寻找。这种方法的难点在于特征向量的提取，最简单的特征提取方式是，在一幅标准的焊缝图像中取一个包含焊缝的窗口作为模板，在当前图像中进行窗口图像匹配，当匹配误差最小时，认为找到焊缝。由于焊缝表面并不平整和清洁，再加上外界光线的干扰，实际上很难得到一个合适的“标准焊缝图像”，所取模板图像与当前图像常常会有较大的差别，因而使识别失败。
技术实现思路
针对上述已有两类图像跟踪方法存在的问题，本专利技术提出了一种焊缝自动跟踪系统，该系统同样基于图像跟踪方法，利用自身模板与自身图像做匹配寻找焊缝的当前位置，以提高跟踪过程的抗干扰能力。本专利技术采用的技术手段是:一种焊缝自动跟踪系统，其特征在于包括:置于焊枪臂上的摄像机组、图像采集卡、图像显示和识别装置、自动控制装置；摄像机组采集焊缝图像，图像显示和识别装置通过图像采集卡获取该焊缝图像，利用自身模板法在该焊缝图像中搜索和匹配焊缝中心当前位置，根据匹配到的焊缝中心当前位置生成控制信号并输出给自动控制装置，自动控制装置依据给定的控制信号调整焊枪臂的位置，以将焊枪移动到焊缝中心位置。本专利技术的系统利用自身模板法实现焊缝的中心定位；具体是，在摄像机组所获得的图像序列中，要保证在焊缝前进方向上的相邻两帧图像有大约一半区域重叠，也就是说，在前一帧图像的后半部分会移动到在当前帧图像的前半部分；于是，在前一帧图像的后半部取包含一定长度焊缝的一个窗口图像并作为模板，在当前一帧图像的前半部分进行匹配，当最好匹配时就找到了模板本身的图像，则焊缝的横向偏移值就被确定；由于在前一幅图像中所取得模板内的图像一定会在当前一帧的前半部图像中重复出现，考虑到连续两帧的时间间隔很小，外界环境不会有太大的变化，因此所做的是自身与自身的图像匹配，提高了识别过程的抗干扰能力，从而提高识别成功率。以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明:附图说明图1为本专利技术焊缝自动跟踪系统原理图；图2为提取自身模板进行搜索匹配的示意图；图3为数据传输图；图4为实施例的示意图。具体实施例方式如图1所示，本专利技术焊缝自动跟踪系统包括:置于焊枪臂上的摄像机组1、图像采集卡2、图像识别装置3、自动控制装置4。摄像机组I采集焊缝图像，图像识别装置3通过图像采集卡2获取该焊缝图像，利用自身模板法在该焊缝图像中搜索和匹配焊缝中心当前位置，根据匹配到的焊缝中心当前位置和随动系统控制原理生成控制信号并输出给自动控制装置4，自动控制装置4依据给定控制信号调整焊枪臂的位置，以将焊枪移动到焊缝中心位置。 其中摄像机组可以包含一个或二个，设一帧焊缝图像视场的尺寸为Fv=aXb，a为垂直于焊缝前进方向的长度，其坐标方向定为X，b为沿焊缝前进方向的长度，其坐标方向定为1，选择一个或二个摄像机的原则是:设焊缝移动速度Sw、一帧焊缝图像持续时间Tv，当Sw、b和Tv之间满足关系\ 时，在一帧焊缝图像的持续时间Tv内，焊缝仅在视场内移动距离小于b/2，因此可只用一台摄像机为自身模板法提供了足够的图像重叠部分。当Sw、匕和!；之间满足关系\ 时，需要采用两台摄像机分别采集两帧相邻的焊缝图像，而为了应用自身模板法，需要相邻的两帧焊缝图像至少有一半的重叠，为此，两个摄像机视场中心在焊缝走向上的距离为W，则有:LVF ( TvXsw。其中的Tv有两种标准:在PAL制下，Tv=40ms ;在NTS制下，Tv=30ms。a、b、x和y的具体值由分辨率和电视制式决定；分辨率定义为焊缝图像中一个像素代表实际焊件上的尺寸，其具体值由生产工艺对控制精度的要求；设PX为像素在X方向的分辨率，允许的最大控制误差为土Er。,则PX彡Er。/2，X的取值范围为X=I,...,N ;设py为像素在y方向的分辨率，Y的取值为y=l，…，Μ。常用图像采集卡是Ν=768像素，Μ=572像素；于是a=N.ρχ，b=M *py ；常用摄像机的画面长宽比是4.8/3.6,4.8/3.6 ^ 768/572 ^ 1.3，于是py=px/l.3 ;在现场确定实际位置时的办法是灵活的，本专利技术推荐的方法是:根据上述原则计算出a、b的实际值，将一个标准的长度尺放置在摄像机下方，调整摄像机的位置和聚焦镜头，观察显示屏中的图像，使a尽量充满整个视频显示器的宽度。下面对图像识别装置3利用自身模板法在焊缝图像中搜索和匹配焊缝中心当前位置的过程详细说明如下:步骤一:设置三个图像序列变量，记为QiXjig i=l,2,…，U，U=L/b，L为连续焊接过程中焊缝经过视场的总长度。其中，当摄像机组I为一台摄像机时，Qi(i=l，.，υ)为该摄像机组采集的连续帧焊缝图像依次顺序排列所得到的图像序列；当摄像机组I为两台摄像机时，该图像序列中的奇数帧为一台摄像机采集的焊缝图像，该图像序列的偶数帧为另一台摄像机采集的焊缝图像，用Qi (X，y) (i=l,…，U)表示Qi中位于焊缝图像中(x, y)坐标点上的像素灰度值序列A (i=l,…，U)为光标图像序列，Ci (X，y) (i=l,…，U)表示焊缝图像中(x, y)坐标点的光标灰度值序列，光标的形状由设计者决定，常用十字形； =表示加上了光标的图像序列，6/x,>9 G = I,...,/)表示4中位于焊缝图像(x，y)坐标点上的像素灰度值序列。对于一帧图像中的所有的乂和7，执行0(01-，>，) = 0/尤>，沖0^,:^运算即可将光标序列叠加到焊缝图像帧中， 表示异或运算。以下统称^^和β +1分别为当前帧和下一帧，β在不同表示处可以分别代表Q、0和C ;需要说明的是，在算法的角度上，上述三个序列的层数可以由设计者根据焊接系统的工作周期设置，也即i的最大取值U可以有较大的变化。在实际实现中，如果用计算机实现，摄像机与图像卡相连，计算机通过设置多线程从图像卡的帧存储器读取数据，上述的三个序列组成队列方式；如果自制由DSP本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种焊缝自动跟踪系统，其特征在于包括：置于焊枪臂上的摄像机组（1）、图像采集卡（2）、图像显示和识别装置（3）、自动控制装置（4）；摄像机组（1）采集焊缝图像，图像显示和识别装置（3）通过图像采集卡（2）获取该焊缝图像并存于图像显示和识别装置（3）中，在图像显示和识别装置（3）中利用自身模板法在该焊缝图像中搜索和匹配焊缝中心当前位置，根据匹配到的焊缝中心当前位置生成控制信号并输出给自动控制装置（4），自动控制装置（4）依据给控制信号调整焊枪臂的位置，以将焊枪移动到焊缝中心位置。

【技术特征摘要】
1.一种焊缝自动跟踪系统，其特征在于包括:置于焊枪臂上的摄像机组(1)、图像采集卡(2)、图像显示和识别装置(3)、自动控制装置(4)； 摄像机组(1)采集焊缝图像，图像显示和识别装置(3)通过图像采集卡(2)获取该焊缝图像并存于图像显示和识别装置(3)中，在图像显示和识别装置(3)中利用自身模板法在该焊缝图像中搜索和匹配焊缝中心当前位置，根据匹配到的焊缝中心当前位置生成控制信号并输出给自动控制装置(4)，自动控制装置(4)依据给控制信号调整焊枪臂的位置，以将焊枪移动到焊缝中心位置。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于一帧焊缝图像视场的尺寸为Fv=aXb，a为垂直于焊缝前进方向的长度，其坐标方向定为X，b为沿焊缝前进方向的长度，其坐标方向定为y，一帧焊缝图像持续时间Tv，焊缝在y方向移动速度Sw，当满足关系3.根据权利要求1述的系统，其特征在于图像显示和识别装置(3)利用自身模板法在焊缝图像中搜索和匹配焊缝中心当前位置的步骤包括: 步骤一:设置三个图像序列变量，记为Q1、Ci和4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于步骤四还包括: 步骤1:在Qp1帧焊缝图像上半部分的中间区域确定一个搜索匹配区，设搜索匹配区为矩形，左上角在图象帧中的坐标为(xsCI，yj，右下角坐标(xsCI+Lsx，ys(l+Lsy)，Lsx和Lsy分别为X和y方向的长度，； 步骤2:设置两个中间数组变量M1 (z)和M2 (z)，其中，z=l,...，Z，分别记录匹配运算结果，以及Qj...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁德群，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：