CN104950800A - 一种寻踪定位处理系统及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种寻踪定位处理系统，其特征在于，包括一处理器、与所述处理器分别相连的一第一视觉系统与一第二视觉系统，所述第一视觉系统与所述第二视觉系统能够向待处理表面发射激光、获取所述激光线投影与待处理踪迹图像传送至所述处理器，所述第一视觉系统位于所述第二视觉系统前方。本发明效率高、焊接质量好；柔性化的操作机制，适应性好，通用性好，可实现厚板、薄板及多种坡口的焊接件的踪迹识别及跟踪；智能化程度较高；操作简单，自动化程度高，测量成本低，无公害。

Description

一种寻踪定位处理系统及定位方法

技术领域

本发明涉及智能控制领域，具体涉及一种寻踪定位处理系统及定位方法。

技术背景

随着国家大力推动机器人技术、工厂、企业大力进行机器人技改、创新，以机器代替人工的工作方式正在现在的工厂、企业中起到越来越大的作用，机器人在工作中，很重要的一点就是定位，目前，对于工厂流水线中的标准件来说，可以通过预设定程序来实现，预设定机器人的行进轨迹、动作参数，对于过程可以预见、可以编程的机器人动作，这种方式省时、省力。

但是有一些机器人在工作中，需要面对的是不规则物件或者是行进轨迹，这就需要机器人自身有自身定位、处理的功能，否则通过预设模式无法良好符合期望轨迹。例如大型三维曲面的焊接工作，焊接设备需要在不规则的三维曲面上面，对不规则的踪迹进行焊接；又如线迹标记装置、线状痕迹清晰装置，对于典型的液体运输泄露，其泄露的液体呈线状不规则分布，需要机器人自身对痕迹进行良好的定。现有技术无法对线状轨迹进行良好的追踪、定位。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种寻踪定位处理系统，其特征在于，包括一处理器、与所述处理器分别相连的一第一视觉系统与一第二视觉系统，所述第一视觉系统与所述第二视觉系统能够向待处理表面发射激光、获取所述激光线投影与待处理踪迹图像传送至所述处理器，所述第一视觉系统位于所述第二视觉系统前方，所述第一视觉系统能够识别行进方向前方更大的踪迹范围，从而确定系统在接下来一段时间的一定轨迹，在后的第二视觉系统能够识别正在处理的踪迹段，实现精确处理。

较佳的，所述第一视觉系统包括一第一图像获取装置与一第一激光发射装置，所述第二视觉系统包括一第二图像获取装置与一第二激光发射装置，所述处理器包括一第一处理器与一第二处理器；

所述第一图像获取装置与所述第一处理器相连，所述第二图像获取装置与所述第二处理器相连。

较佳的，所述第一激光发射装置为一线形激光发生器，所述第二激光发射装置为一环形激光发生器。

一种寻踪定位方法，其特征在于，包括步骤：

S1：系统定位于踪迹起点附近，所述第一视觉系统获取起点位置；

S2：所述第一视觉系统打开，向待处理表面发射激光，并收集激光投影与待测踪迹图像至所述处理器；

S3：所述处理器对图像进行处理，确定系统行进轨迹；

S4:所述第二视觉系统打开，向待处理表面发射激光，并收集激光投影与待测踪迹图像至所述处理器；

S5：所述处理器对图像进行处理，修正所述第二视觉系统位置；

S6：所述第二视觉系统打开，向待处理表面发射激光，并收集激光投影与待测踪迹图像至所述处理器；

S7：所述处理器对图像进行处理，对系统位置轨迹进行修正；

S8：重复步骤S2至步骤S7至寻踪定位结束。

较佳的，所述步骤S3具体为：

所述处理器对图像进行处理，确定系统需绕W方向调整的角度与系统在V方向调整的距离。

较佳的，系统需绕W方向调整的角度为：

系统在Y方向调整的距离为：

$L_{y_{11}}=\frac{b_1-v_{M_{12}}-v_{N_{12}}}{2}\cos {\mathrm{\θ}}_{12}{\mathrm{\ζ}}_{11};$

其中，a₁、b₁为所述第一相机视场U、V方向图像长度，激光线与

踪迹边缘的交点图像坐标分别为N₁₂(a₁,v_N12)，分别为点M₁₂、N₁₂的V轴坐标，由所述第一相机测定，ζ₁₁为所述第一相机的标定系数；θ₁₂为焊缝在处的切线与V轴的夹角，由所述第一相机测定。

较佳的，所述步骤S5具体为：所述第二视觉系统绕T轴旋转角度为θ₂₁，θ₂₁为所述第二相机视场S轴与踪迹切线所呈角度，由所述第二相机确定。

较佳的，所述步骤S7具体为，所述处理器确定所述第二视觉系统需绕绕R轴旋转角度、绕S轴旋转角度、沿S轴方向位移。

较佳的，所述第二视觉系统在S方向上调整在T方向上调整 $h_1-h_0=\frac{2a_r{b}_r{h}_0({2h}_0\tan {\mathrm{\θ}}_{20}+{\mathrm{\φ}}_0)}{({2a}_r{h}_0+b_r{\mathrm{\φ}}_0){\mathrm{\φ}}_0}-h_0;$ 绕S轴旋转方向调整角度为 ${\mathrm{\θ}}_{22}=\arctan \left(\frac{2(a_r-b_r)h_0}{2a_r{h}_0\tan {\mathrm{\θ}}_{20}+b_r{\mathrm{\φ}}_0}\right);$ 绕R轴旋转方向调整角度为 ${\mathrm{\θ}}_{23}=\arctan \left(\frac{2(a_s-b_s)h_0}{2a_s{h}_0\tan {\mathrm{\θ}}_{20}+b_s{\mathrm{\φ}}_0}\right);$

其中，与分别为踪迹边缘与第二相机视场坐标系S轴交点的S轴坐标，交点为M₂₂、N₂₂，即为焊枪与S轴的偏离量，ζ₂₂为所述第二是相机的标定系数；

若第二视觉系统相对踪迹空间位置、位姿合理时，所述h₀为第二相机坐标系距离踪迹的实际距离,为圆形光斑图像的直径；

a_r为经T轴旋转后的所述第二视觉系统的所述环形激光器向待处理平面照射形成的近椭圆形沿着R正向的半轴，b_r为经T轴旋转后的第二视觉系统的所述环形激光器向待处理平面照射形成的近椭圆形沿着R负向的半轴；a_s为经T轴旋转后的所述第二视觉系统的所述环形激光器向待处理平面照射形成的近椭圆形沿着S正向的半轴，b_s为经T轴旋转后的所述第二视觉系统的所述环形激光器向待处理平面照射形成的近椭圆形沿着S负向的半轴，均由所述第二相机测定；θ₂₀为圆形光斑的散射角度；

以所述第二相机视场左下角为原点，R轴与X轴同向，R轴与Y轴同向,T轴与Z轴同向。

与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：本发明效率高、应用本发明的寻踪定位处理系统对踪迹的处理质量好；柔性化的操作机制，适应性好；可实现厚板、薄板及多种坡口的表面的踪迹识别及跟踪；本发明智能化程度较高，在寻踪过程中不需要人工监控及采用复杂的夹具、轨道等辅助，只需要将该装备放置于装配好的待处理件的踪迹起点附近处的曲面上，就可以实现自动寻踪处理；操作简单，自动化程度高，测量成本低，无公害，制造成本低。

附图说明

图1为本发明所述寻踪定位处理系统实施例一结构图；

图2为本发明所述寻踪定位处理系统实施例二结构图；

图3a为本发明所述寻踪定位步骤S3示意图之一；

图3b为本发明所述寻踪定位步骤S3示意图之二；

图4a为本发明所述寻踪定位步骤S7示意图之一；

图4b为本发明所述寻踪定位步骤S7示意图之二；

图5a为本发明所述寻踪定位步骤S7示意图之三；

图5b为本发明所述寻踪定位步骤S7示意图之四。

具体实施方式

为便于本领域技术人员对本发明的技术方案和有益效果进行理解，特结合附图对具体实施方式进行如下描述。

实施例一：

请参阅图1所示，其为本发明所述的寻踪定位处理系统实施例一结构图，包括一处理器1、第一视觉系统2、第二视觉系统3。

所述第一视觉系统2与所述第二视觉系统3分别与所述处理器1相连，所述第一视觉系统2位于所述第二视觉系统3前方，通常位于寻踪处理设备的前方，能够全面观察踪迹。所述第一视觉系统2能够向前方踪迹发射激光，并且将线状激光与踪迹的图像收集，传输至所述处理器中，所述处理器经过处理，给出第一控制信号。

由于寻踪处理设备通常具备两个部分，一部分是沿踪迹前行的行走机构，另外一部分是对踪迹进行处理的处理机构。

所述第一控制信号给出设备的大致前行方向。

所述第二视觉系统能够向踪迹发射出激光，并能够捕捉激光与踪迹的图像，传输至所述处理器中，所述处理器经过处理，给出第二控制信号。

由于通常，踪迹处理，无论是对踪迹的清洗、焊接、或者是其他处理，均应当从垂直于踪迹表面的位置开始实施，第二控制信号给出设备的处理机构的动作轨迹，将动作机构定位至所述踪迹的垂直位置。

所述处理器1与寻踪处理设备相连，控制其行走和运动轨迹。

实施例二

请参阅图2所示，其为本发明所述的寻踪定位处理系统实施例二结构图。

实施例二与实施例一相近，不同之处在于，所述处理器1包括两个子处理器：第一处理器11与第二处理器12，所述第一视觉系统包括第一图像获取装置21与第一激光发射装置22，所述第二视觉系统包括第二激光发射装置31与第二图像获取装置32。

寻踪处理设备沿踪迹进行处理，所述第一激光发射装置22发射激光至踪迹，所述第一图像获取装置21将所述视场内的踪迹与激光捕捉到，并且传送至所述第一处理器11中进行处理。所述第二激光发射装置31发射激光至踪迹，所述第二图像获取装置32将所述视场内的踪迹与激光捕捉到，并且传送至所述第二处理器12中进行处理。

本实施例中，优选的，所述第一激光发射装置22为一线型激光发射器，能够发射直线激光，其发射的激光与踪迹垂直。所述第一图像获取装置21为一相机，即第一相机。

本实施例中，优选的，所述第二激光发射装置31为一环形激光发射器，能够发射环形激光。所述第二图像获取装置32为一相机，即第二相机。

在实际处理过程中，本系统采用三步矫正方式对寻踪处理设备进行定位指引。通常此类装置为由一个较大的驱动装置或行走装置，带动一个较小的处理装置、如焊头、探头、清洁头等等。

本发明所述系统采用如下方法完成寻踪定位工作。

S1：将寻踪处理设备定位于踪迹起点附近，所述第一视觉系统智能获取起点位置，并且开始处理；

本实施例中处理装置的工作坐标系XYZ，以处理装置的安装位置的中心为原点O，以寻踪处理设备长度方向为X方向，垂直于寻踪处理设备上平面的方向为Z方向，与面XZ垂直方向为Y方向，寻踪处理设备在运动过程中沿着X方向前进，且绕着Z方向转动；第一相机坐标系UVW，原点O₁，所述第二相机的坐标系为RST，原点O₂，上述三个坐标系可以相互转换。

S2：所述第一视觉系统打开，向待处理表面发射激光，并收集激光投影与待测踪迹图像至所述处理器；

线型激光器打开，第一相机获取激光线投影及行走系统前方待焊焊缝的图像；第一相机将光线与踪迹位置数据传送至所述第一处理器，图像数据处理器确定系统需绕W方向调整的角度与系统在V方向调整的距离，并传送至所述行动控制器；

行动控制器接受指令，控制所述行走系统运动。

S3：所述处理器对图像进行处理，确定系统行进轨迹；

如果对寻踪处理设备的行走系统不进行任何控制的话，行走系统将沿着一个固定的方向沿待处理曲面或者待处理平面向前行进、焊接。实际情况中，踪迹通常是不规则、弯曲的形状，所以需要对踪迹位置与行走系统的相对位置进行识别、纠正，来保证处理的顺利完成。

所述的第一视觉系统2包含直线型激光器及第一相机，圆环型激光器及相机与寻踪处理设备通过安装架刚性固定安装且一起做刚体运动；直线型激光器的线投影线及待处理踪迹始终位于系统前方且一直位于相机的视场中；

步骤S3具体的步骤为：

请参见图3a、3b所示，其为步骤S3示意图；

其中，建立第一视觉系统第一相机图像坐标系UVW，所述坐标系UVW的原点O₁为第一相机的成像面中心，W轴为第一相机的光轴。W轴始终与多自由度机械手安装平台垂直且与动机器人的Z方向平行，U、V轴分别与移动机器人的X、Y方向平行；相机安装高度h₁₁为安装第一相机与待处理曲/平面距离，此时的相机的标定参数为ζ₁₁，标定参数，或称为标定系数，指视场像素与实际尺寸之间的比例关系。

当直线形激光线进入第一相机的视场时：

若系统相对待处理踪迹的空间位置、角度合理，则成像如图4a所示，此时线形激光投影线在图像的坐标为u＝a₁，本实施例中，a₁、b₁为所述第一相机视场U、V方向长度，激光线与踪迹边缘的交点坐标分别为其中点为踪迹在处的切线L₁₁与V轴的夹角为90°。

若系统相对待处理踪迹的空间位置、角度不合理时，请参见图4b所示，其为第一相机视场示意图。

所述系统行进轨迹为：

系统需绕W方向调整的角度为：

系统在V方向调整的距离为：

$L_{v_{11}}=\frac{b_1-v_{M_{12}}-v_{N_{12}}}{2}$

在XYZ坐标系中，系统需绕Z方向调整的角度为：

系统在V方向调整的距离为：

$L_{y_{11}}=L_{v_{11}}\sin {\mathrm{\θ}}_{w_{11}}=\frac{b_1-v_{M_{12}}-v_{N_{12}}}{2}\cos {\mathrm{\θ}}_{12}$

其中，激光线与踪迹边缘的交点坐标分别为 其中点为分别为点M₁₂、N₁₂的V轴坐标，由所述第一相机测定，θ₁₂为踪迹在处的切线L₁₂与V轴的夹角，由所述第一相机测定。

S4：所述第二视觉系统打开，向待处理表面发射激光，并收集激光投影与待测踪迹图像至所述处理器；

S5：所述处理器对图像进行处理，修正系统行进轨迹。

实际工作工作过程中，处理装置需要对准、并且垂直于踪迹进行处理才能够获得出色的处理效果，步骤S4、S5可以实现。

所述步骤S5具体为：

环形激光器打开，第二视觉系统3的第二相机定位识别环形激光器发射的光线与踪迹在相机视场中的位置；

第一相机将光线与踪迹位置数据传送至所述第二处理器12，图像数据处理器确定动作系统需绕Z轴旋转角度，并传送至所述行动控制器；

所述行动控制器控制所述动作系统绕Z轴旋转后，第二相机将光线与踪迹位置数据传送至所述第二处理器，所述第二处理器确定动作系统需绕Z轴调整高度、绕X轴旋转角度、绕Y轴旋转角度、沿Y轴方向位移；

行动控制器接受指令，控制所述动作系统运功。

具体的，所述第二视觉系统需绕Z轴(即绕所述处理装置31)旋转角度为θ₂₁，θ₂₁为所述第二相机视场S轴与踪迹切线所呈角度。

使得在处理装置y方向上调整在z方向上调整 $h_1-h_0=\frac{2a_r{b}_r{h}_0({2h}_0\tan {\mathrm{\θ}}_{20}+{\mathrm{\φ}}_0)}{({2a}_r{h}_0+b_r{\mathrm{\φ}}_0){\mathrm{\φ}}_0}-h_0;$ 绕y轴旋转方向调整角度为 ${\mathrm{\θ}}_{22}=\arctan \left(\frac{2(a_r-b_r)h_0}{2a_r{h}_0\tan {\mathrm{\θ}}_{20}+b_r{\mathrm{\φ}}_0}\right);$ 绕x轴旋转方向调整角度为 ${\mathrm{\θ}}_{23}=\arctan \left(\frac{2(a_s-b_s)h_0}{2a_s{h}_0\tan {\mathrm{\θ}}_{20}+b_s{\mathrm{\φ}}_0}\right);$ 此时处理装置以合理的空间位置、位姿沿着处理装置运动。

请参见图4a、4b所示，其分别为第二相机Z轴旋转之前视场示意图及Z轴截面示意图。

请参见图5a、5b所示，其分别为第二相机Z轴旋转之后视场示意图及Z轴截面示意图。

其中，与分别为踪迹边缘与第二相机视场坐标系S轴交点的S轴坐标，交点为M22、N22，即P22为M22与N22中点，为处理装置与Y轴的偏离量，ζ₂₂为所述第二是相机的标定系数。

若处理装置相对待处理踪迹的空间位置、位姿合理，此时所述第二相机坐标系距离待处理踪迹的实际距离为h₀(适宜距离),圆形光斑图像的直径为

若处理装置相对待处理踪迹的高度不合理时，假设此时图像获取的光斑的直径为h₁为此时所述第二相机坐标系距离待处理踪迹的实际距离。

a_r为经Z轴旋转后的激光器向待处理平面照射形成的近椭圆形短轴短半轴，b_r为经Z轴旋转后的激光器向待处理平面照射形成的近椭圆形短轴长半轴。a_s为经Z轴旋转后的激光器向待处理平面照射形成的近椭圆形长轴短半轴，b_s为经Z轴旋转后的激光器向待处理平面照射形成的近椭圆形长轴长半轴，θ₂₀为圆形光斑的散射角度。均由所述第二相机测定。

S4：重复步骤S2及S3直至焊接工作完成。

实际工作中，所述步骤S2、步骤S3同时并且时时进行，一直对所述行走系统与所述动作系统进行轨迹修正。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变和修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种寻踪定位处理系统，其特征在于，包括一处理器、与所述处理器分别相连的一第一视觉系统与一第二视觉系统，所述第一视觉系统与所述第二视觉系统能够向待处理表面发射激光、获取所述激光线投影与待处理踪迹图像传送至所述处理器，所述第一视觉系统位于所述第二视觉系统前方。

2.如权利要求1所述寻踪定位处理系统，其特征在于，所述第一视觉系统包括一第一图像获取装置与一第一激光发射装置，所述第二视觉系统包括一第二图像获取装置与一第二激光发射装置，所述处理器包括一第一处理器与一第二处理器；

所述第一图像获取装置与所述第一处理器相连，所述第二图像获取装置与所述第二处理器相连。

3.如权利要求2所述寻踪定位处理系统，其特征在于，所述第一激光发射装置为一线形激光发生器，所述第二激光发射装置为一环形激光发生器。

4.一种应用权利要求1、2或3所述的寻踪定位处理系统的寻踪定位方法，其特征在于，包括步骤：

S1：系统定位于踪迹起点附近，所述第一视觉系统获取起点位置；

S2：所述第一视觉系统打开，向待处理表面发射激光，并收集激光投影与待测踪迹图像至所述处理器；

S3：所述处理器对图像进行处理，确定系统行进轨迹；

S4:所述第二视觉系统打开，向待处理表面发射激光，并收集激光投影与待测踪迹图像至所述处理器；

S5：所述处理器对图像进行处理，修正所述第二视觉系统位置；

S6：所述第二视觉系统打开，向待处理表面发射激光，并收集激光投影与待测踪迹图像至所述处理器；

S7：所述处理器对图像进行处理，对系统位置轨迹进行修正；

S8：重复步骤S2至步骤S7至寻踪定位结束。

5.一种如权利要求4所述的寻踪定位方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

所述处理器对图像进行处理，确定系统需绕W方向调整的角度与系统在V方向调整的距离。

6.一种如权利要求5所述的寻踪定位方法，其特征在于，系统需绕W方向调整的角度为：

系统在Y方向调整的距离为：

$L_{y_{11}}=\frac{b_1-v_{M_{12}}-v_{N_{12}}}{2}\cos {\mathrm{\θ}}_{12}{\mathrm{\ζ}}_{11};$

其中，a₁、b₁为所述第一相机视场U、V方向图像长度，激光线与踪迹边缘的交点图像坐标分别为N₁₂(a₁,v_N12)，分别为点M₁₂、N₁₂的V轴坐标，由所述第一相机测定，ζ₁₁为所述第一相机的标定系数；θ₁₂为焊缝在处的切线与V轴的夹角，由所述第一相机测定。

7.一种如权利要求4所述的寻踪定位方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：所述第二视觉系统绕T轴旋转角度为θ₂₁，θ₂₁为所述第二相机视场S轴与踪迹切线所呈角度，由所述第二相机确定。

8.一种如权利要求4所述的寻踪定位方法，其特征在于，所述步骤S7具体为，所述处理器确定所述第二视觉系统需绕绕R轴旋转角度、绕S轴旋转角度、沿S轴方向位移。

9.一种如权利要求8所述的寻踪定位方法，其特征在于，

所述第二视觉系统在S方向上调整在T方向上调整 $h_1-h_0=\frac{2a_r{b}_r{h}_0(2h_0\tan {\mathrm{\θ}}_{20}+{\mathrm{\φ}}_0)}{(2a_r{h}_0+b_r{\mathrm{\φ}}_0){\mathrm{\φ}}_0}-h_0;$ 绕S轴旋转方向调整角度为 ${\mathrm{\θ}}_{22}=\arctan \left(\frac{2(a_r-b_r)h_0}{2a_r{h}_0\tan {\mathrm{\θ}}_{20}+b_r{\mathrm{\φ}}_0}\right);$ 绕R轴旋转方向调整角度为 ${\mathrm{\θ}}_{23}=\arctan \left(\frac{2(a_s-b_s)h_0}{2a_s{h}_0\tan {\mathrm{\θ}}_{20}+b_s{\mathrm{\φ}}_0}\right);$

其中，与分别为踪迹边缘与第二相机视场坐标系S轴交点的S轴坐标，交点为M₂₂、N₂₂，即 为焊枪与S轴的偏离量，ζ₂₂为所述第二是相机的标定系数；

h₀为第二视觉系统相对踪迹空间位置、位姿合理时第二相机坐标系距离踪迹的实际距离,为圆形光斑图像的直径；

a_r为经T轴旋转后的所述第二视觉系统的所述环形激光器向待处理平面照射形成的近椭圆形沿着R正向的半轴，b_r为经T轴旋转后的第二视觉系统的所述环形激光器向待处理平面照射形成的近椭圆形沿着R负向的半轴；a_s为经T轴旋转后的所述第二视觉系统的所述环形激光器向待处理平面照射形成的近椭圆形沿着S正向的半轴，b_s为经T轴旋转后的所述第二视觉系统的所述环形激光器向待处理平面照射形成的近椭圆形沿着S负向的半轴，均由所述第二相机测定；θ₂₀为圆形光斑的散射角度；

以所述第二相机视场左下角为原点，R轴与X轴同向，R轴与Y轴同向,T轴与Z轴同向。