CN105138022A

CN105138022A - 对接窄焊缝的视觉跟踪解耦控制方法及装置

Info

Publication number: CN105138022A
Application number: CN201510588833.9A
Authority: CN
Inventors: 赵欣; 陈国栋; 张曙光; 陈序楠
Original assignee: Shandong Zhongqing Intelligent Technology Co Ltd
Current assignee: Shandong Zhongqing Intelligent Technology Co Ltd
Priority date: 2015-09-16
Filing date: 2015-09-16
Publication date: 2015-12-09

Abstract

对接窄焊缝视觉跟踪装置，包括摄像机、激光器和环状照明光源，激光器可照射条状激光，与焊缝方向垂直，环状照明光源可直接照射焊缝；摄像机、激光器、环状照明光源及焊枪之间刚性连接；所述激光器发射口的朝向与摄像机镜头的朝向之间的夹角为锐角。本发明采用基于自然光的视觉检测方法测量窄焊缝的水平跟踪偏差，采用基于激光结构光的视觉检测方法测量窄焊缝的竖直跟踪偏差。通过融合两种视觉检测方法，解决了单目摄像机条件下窄焊缝两个方向的跟踪偏差，并实现两个方向上的解耦控制，实现对接窄焊缝的精确跟踪。

Description

对接窄焊缝的视觉跟踪解耦控制方法及装置

技术领域

本发明属于焊接自动化领域，涉及一种对接窄焊缝的视觉跟踪装置，以及对接窄焊缝的视觉跟踪控制方法。

背景技术

在焊接领域，对接窄焊缝是一种常见的焊缝，在汽车白车身、集装箱制造等领域都广泛采用。目前，大量的对接窄焊缝还是采用人工的方式，劳动强度大，焊接效率低下，并且焊接质量得不到保证，并且焊接质量得不到保证。实现对接窄焊缝的自动化焊接是工业生产发展的必由之路。

国际上通常采用的焊缝跟踪方式是基于激光结构光的方式，这种方式不能完全满足于对接窄焊缝，原因是对接窄焊缝由于焊缝特别窄，通常宽度在0.5mm以下，激光结构光条件下焊缝特征不明显，很难提取。基于自然光的焊缝跟踪方式也不能完全满足于对接窄焊缝，原因是在自然光条件下，单目摄像机检测不出目标物的深度信息，因此焊缝跟踪的竖直偏差检测不出。本发明正是为了解决这一难题而提出了融合两种视觉检测方式的解耦控制方法。

发明内容

本发明的目的在于针对对接窄焊缝自动焊接的技术难题，提出一种对接窄焊缝的视觉跟踪解耦控制方法和装置。

本发明的技术方案是：视觉跟踪装置包括摄像机、激光器，激光器可照射条状激光，与焊缝方向垂直；摄像机、激光器及焊枪之间刚性连接；三者连接一位置调整机构，可通过位置调整机构调整三者的水平位置和竖直位置，激光器发射口的朝向与摄像机镜头的朝向之间的夹角为锐角。

优选的是：摄像机镜头处设置有环状照明光源，环状照明光源可直接照射焊缝。环状照明光源用于提供近似自然光的工作环境，可以使焊缝处于黑暗环境下时，依然保证正常的焊接工作。

优选的是：激光器发射口的朝向与摄像机镜头的朝向之间的夹角为30°，保证激光器发出的激光条纹在摄像机的摄像范围内。

优选的是：位置调整机构为十字滑块，十字滑块包括相互垂直的横向滑块和纵向滑块，所述焊枪及摄像机、激光器安装在一个滑块上，与焊枪相连的滑块通过滑块行走机构设置在另一个滑块上，焊枪及摄像机、激光器安装在横向滑块上，横向滑块安装在纵向滑块上。

优选的是：焊枪及摄像机、激光器安装在纵向滑块上，纵向滑块安装在横向滑块上。

对接窄焊缝的视觉跟踪解耦控制方法的实现步骤为：

S1：启动对接窄焊缝的视觉跟踪装置，摄像机对焊件进行拍照；

S2：以获取的图像建立坐标系，焊缝的方向平行于x轴；图像处理程序检测焊缝对应的纵坐标，记为P_y1；打开激光器，激光条纹的方向平行于y轴，图像处理程序检测激光条纹对应的横坐标，记为P_x1；

S3：调节焊枪及摄像机、激光器的运动方向，使其沿水平方向运动，记录运动脉冲数为P₁,检测焊缝对应的纵坐标，记为P_y2；使其沿竖直方向运动，记录运动脉冲数为P₂，检测激光条纹对应的横坐标，记为P_x2；

S4：计算水平调节比例系数，计算竖直调节比例系数，

S5：将待焊的对接窄焊缝焊件放在摄像机下，使焊缝的焊接行走方向大致平行，焊枪对准焊接起点，得到基准的焊缝坐标和激光条纹坐标；

S6：启动焊接，控制焊接装置向焊接方向行走，行走过程中计算焊枪水平调节量及竖直调节量：

，其中,U_i(i＝1,2)，当i＝1时，U_i表示焊枪水平调节量，当i＝2时，U_i表示焊枪竖直调节量；同理，S_i是水平调节比例系数或竖直调节比例系数(i＝1,2)，K_Pi、K_Ii、K_Di是控制器的比例、积分、微分系数(i＝1,2)，e_t是t时刻的跟踪偏差；

S7：将焊枪水平调节量和焊枪竖直调节量传递到控制系统，控制系统将其转换为控制指令分别传递到位置调整机构，调节焊枪的水平位置和竖直位置。

本发明的有益效果是：本发明实现了单目摄像机条件下既能检测对接窄焊缝的水平跟踪偏差，又能检测对接窄焊缝的竖直跟踪偏差，并实现两个方向上的解耦控制。焊缝水平方向的位置和竖直方向的位置分别采用两种计算方式得到，其中水平位置跟踪偏差采用基于自然光的视觉监测方法测量得到，基于自然光的视觉检测方法对焊缝宽度无特殊要求，可有效提取窄焊缝的特征，解决了激光结构光条件下焊缝特征不明显，无法有效提取的问题；竖直位置跟踪偏差采用基于激光的视觉检测方法测量得到，激光结构光视觉检测方法可以提取焊缝高度方向的信息，解决了自然光条件下单目摄像机无法得到深度信息的问题。该装置综合了自然光视觉提取方法和激光结构光视觉提取方法的优点，弥补了各自的缺点；焊缝水平方向和竖直方向的位置独立计算，便于设计焊缝跟踪解耦控制器。本发明无需精确标定摄像机的内外参数和激光平面参数，只需要测量焊缝图像的纵坐标变化与水平轴调节量之间的比例系数、以及激光条纹图像横坐标与数值调节轴调节量之间的比例系数即可以标定控制算法，可精确实现窄焊缝跟踪。

附图说明

图1为本发明原理结构示意图。

图2为摄像机所拍摄的图片示意图。

其中，1-窄焊缝，2-激光条纹，3-焊枪，4-摄像机，5-环状照明光源，6-激光器，7-待焊焊件

具体实施方式

实施例1

对接窄焊缝视觉跟踪装置，包括摄像机4及激光器6，激光器6可照射条状激光，与窄焊缝1方向垂直；摄像机4、激光器6及焊枪3之间刚性连接；三者连接一位置调整机构，激光器发6射口的朝向与摄像机4镜头的朝向之间的夹角为锐角，为30°。

位置调整机构为十字滑块，十字滑块包括相互垂直的两个条状滑块，分别为横向滑块和纵向滑块；每个滑块上，沿滑块长度方向，均设置有移动导轨；焊枪3通过焊枪行走机构设置在一个横向滑块上，横向滑块通过滑块行走机构设置在纵向滑块上。通过步进电机控制焊枪3沿横向滑块运动，横向滑块沿纵向滑块运动。

摄像机4镜头处设置有环状光源5。环状照明光源5用于提供近似自然光的工作环境，可以即使窄焊缝1处于黑暗环境下时，视觉跟踪装置依然保证可进行正常的焊接工作。

对接窄焊缝的视觉跟踪解耦控制方法：

S1：启动对接窄焊缝的视觉跟踪装置，摄像机4对待焊接焊件7进行拍照，图像采集，获取待焊接焊件7的图像；

S2：以获取的图像建立坐标系，对图像进行特征提取。窄焊缝1的方向大致平行于x轴；图像处理程序检测窄焊缝1对应的纵坐标，记为P_y1；打开激光器，激光条纹2的方向大致平行于y轴，图像处理程序检测激光条纹2对应的横坐标，记为P_x1；

S3：调节焊枪3及摄像4、激光器6的运动方向，控制系统通过步进驱动电机控制焊枪3及摄像机4、激光器6沿横向滑块运动，即产生水平的运动，运动方向平行于y轴，垂直于x轴，此时，窄焊缝1产生平行于x轴的运动，相对y轴的位置产生变化，记录运动脉冲数为P₁,再次获取待焊焊件7的图像，检测窄焊缝1对应的纵坐标，记为P_y2；步进驱动电机控制横向滑块沿纵向滑块运动，从而焊枪3和摄像机4、激光器6将产生竖直方向运动，记录运动脉冲数为P₂，此时，激光条纹2将产生平行于y轴的运动，相对x轴的位置产生变化，检测激光条纹2对应的横坐标，记为P_x2；

S4：计算水平调节比例系数，计算竖直调节比例系数，本实施例中，通过计算得到S₁＝220，S₂＝200；

S5：将待焊的对接窄焊缝焊件7放在摄像机4下，使窄焊缝1的延伸方向与焊接方向大致平行，与焊枪3、摄像机4及激光器6的水平排列方向垂直，焊枪3对准焊接起点；

S6：启动视觉跟踪装置，控制焊接装置向焊接方向行走，计算焊枪3水平调节量及竖直调节量：

，其中,U_i(i＝1,2)，当i＝1时，U_i表示焊枪3水平调节量，当i＝2时，U_i表示焊枪3竖直调节量；同理，S_i(i＝1,2)，当i＝1时，S_i是水平调节比例系数，当i＝2时，S_i是竖直调节比例系数，K_Pi、K_Ii、K_Di是控制器的比例、积分、微分系数(i＝1,2)，e_t是t时刻的跟踪偏差；带入步骤S5中计算得到的S₁及S₂，对K_Pi、K_Ii、K_Di系数进行整定，得到K_P1＝0.3，K_I1＝0.04，K_D1＝0.006，K_P2＝0.28，K_I2＝0.03，K_D2＝0.005，控制周期采用100ms，分别计算U_i。

S7：将焊枪3水平调节量U₁和焊枪3竖直调节量U₂传递到控制系统，控制系统将其转换为控制指令分别传递到步进驱动电机，焊接过程中，焊枪3一方面沿行走导轨运动，一方面控制系统根据U₁和U₂的值调节焊枪3的水平位置和竖直位置，实现窄焊缝1的自动跟踪。

对10个采样周期内，对接窄焊缝视觉跟踪装置的跟踪结果进行记录，得到表1。从表1可以看出，窄焊缝1水平方向的最大跟踪偏差为0.18mm，数值方向的最大跟踪偏差为0.22mm。实验结果表明每本发明的窄焊缝1跟踪方法具有较高的跟踪精度。

表1焊缝跟踪结果表

序号

水平跟踪偏

竖直跟踪偏

序号

水平跟踪偏

竖直跟踪偏

	差(mm)	差(mm)		差(mm)	差(mm)
						1	0.13	0.05	6	0.13	0.07
2	0.05	0.11	7	0.10	0.08
						3	0.03	0.18	8	0.08	0.13
4	0.09	0.22	9	0.07	0.10
						5	0.18	0.15	10	0.02	0.06

实施例2

与实施例1不同的是，焊枪3及摄像机4、激光器6安装在纵向滑块上，纵向滑块安装在横向滑块上。

在步骤S4中，控制系统通过步进驱动电机控制纵向滑块沿着横向滑块运动，从而使焊枪和摄像机、激光器产生水平运动；通过步进驱动电机，控制焊枪和摄像机、激光器沿着纵向滑块运动，产生水平运动。同理，在步骤S7中，焊枪和摄像机、激光器的运动调节方式与步骤S4中的相同。

实施例3

与实施例1和实施例2不同的是，位置调整装置为机械手，焊枪3、摄像机4和激光器6的行走指令和位置调整指令均传递到机械手，通过机械手调整三者之间的运动和位置。

Claims

1.对接窄焊缝视觉跟踪装置，其特征在于：包括焊枪、摄像机和激光器，激光器可照射条状激光，与焊缝方向垂直；摄像机、激光器及焊枪之间刚性连接；三者连接一位置调整机构，可通过位置调整机构调整三者的水平位置和竖直位置，所述激光器发射口的朝向与摄像机镜头的朝向之间的夹角为锐角。

2.如权利要求1所述的对接窄焊缝视觉跟踪装置，其特征在于：所述摄像机镜头处设置有环状照明光源。

3.如权利要求1所述的对接窄焊缝视觉跟踪装置，其特征在于：所述激光器发射口的朝向与摄像机镜头的朝向之间的夹角为30°。

4.如权利要求1所述的对接窄焊缝视觉跟踪装置，其特征在于：所述位置调整机构为十字滑块，十字滑块包括相互垂直的横向滑块和纵向滑块，所述焊枪及摄像机、激光器安装在一个滑块上，与焊枪相连的滑块通过滑块行走机构设置在另一个滑块上。

5.如权利要求4所述的对接窄焊缝视觉跟踪装置，其特征在于：所述焊枪及摄像机、激光器安装在纵向滑块上，纵向滑块安装在横向滑块上。

6.如权利要求4所述的对接窄焊缝视觉跟踪装置，其特征在于：所述焊枪及摄像机、激光器安装在横向滑块上，横向滑块安装在纵向滑块上。

7.采用权利要求1所述的对接窄焊缝视觉跟踪装置进行对接窄焊缝的视觉跟踪解耦控制方法，其特征在于：步骤如下：

S4：计算水平调节比例系数，计算竖直调节比例系数，

S5：将待焊的对接窄焊缝焊件放在摄像机下，使焊缝的延伸方向与焊接行走方向平行，焊枪对准焊接起点，得到基准的焊缝坐标和激光条纹坐标；

S6：启动视觉跟踪装置，控制焊接装置向焊接方向行走，在行走过程中计算焊枪水平调节量及竖直调节量：

其中,U_i(i＝1,2)，当i＝1时，U_i表示焊枪水平调节量，当i＝2时，U_i表示焊枪竖直调节量；同理，S_i是水平调节比例系数或竖直调节比例系数(i＝1,2)，K_Pi、K_Ii、K_Di是控制器的比例、积分、微分系数(i＝1,2)，e_t是t时刻的跟踪偏差；

S7：将焊枪水平调节量和焊枪竖直调节量传递到控制系统，控制系统将其转换为控制指令，将控制指令传递到位置调整机构，根据控制指令调节焊枪的水平位置和竖直位置。