CN105195929A - 水下焊缝自动识别系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下焊缝自动识别系统，包括水下光源、水下摄像机、控制设备和无线通信设备，所述水下光源用于为所述水下摄像机的水下拍摄提供光源，所述水下摄像机用于拍摄水下工件被焊接时的焊接图像，所述控制设备与所述水下摄像机连接，用于对所述焊接图像执行图像处理，以识别出所述焊接图像中的工件焊缝，所述无线通信设备位于水上，通过水下电缆与所述控制设备连接，以接收所述工件焊缝并将所述工件焊缝无线发送给水上计算机。通过本发明，能够在恶劣的水下环境下自动检测到焊接缝隙，为水上计算机对水下焊接操作的控制提供可靠的参考数据。

Description

水下焊缝自动识别系统

本发明是申请号为201510036893.X、申请日为2015年1月24日、发明名称为“水下焊缝自动识别系统”的专利的分案申请。

技术领域

本发明涉及水下焊接领域，尤其涉及一种水下焊缝自动识别系统。

背景技术

水下焊接是水下工程结构的安装、维修施工中不可缺少的重要工艺手段。这种工艺手段经常被用于海上救捞、海洋能源、海洋采矿等海洋工程和大型水下设施的施工过程中。

在水下焊接的过程中，由于水下工作环境的特殊性，施工方通常采用脱离水面的水上计算机控制系统对水下焊接设备进行控制，例如，焊接设备和被焊接工件的位置确定和相互移动，焊接缝隙的确定以及焊接操作的控制，这样的远程控制方式方便操作人员不需要下水亲自操作，即可完成整个水下焊接操作过程。其中，被焊接工件的焊缝识别非常关键，关系着焊接的精确度和焊接效果。

现有技术中水下焊缝识别方案仅仅是通过水下摄像机对被焊接工件整个图像进行拍摄，将拍摄后的工件图像整个压缩编码后实时传输给水上计算机控制系统，水上操作人员通过观看工件图像，凭借经验确定焊缝位置，操纵水下的焊接设备，按照焊缝位置进行焊接。但是，这种识别方式存在以下弊端：(1)由于水下环境恶劣，远程传输过来的工件图像往往模糊不清，影响焊缝位置的判断；(2)由于工件图像未经过图像处理即传输过来，传输的数据量偏大，而有效数据较少；(3)水下摄像机一直在拍摄状态，浪费有限的水下电源。

因此，需要一种新的用于水下焊接缝隙识别的技术方案，能够对水下摄像机拍摄的工件图像进行有效处理，识别到与焊接缝隙相关的图像，并仅仅传输与焊接缝隙相关的图像，同时，能够建立起水下摄像设备的省电管理机制。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种水下焊缝自动识别系统，改造现有的水下焊缝识别系统，针对恶劣的水下环境，引用多种对应的图像处理技术自动识别出清晰的焊接缝隙图像，仅仅向水上传输识别到的焊接缝隙图像，而且，引入超声波检测技术，保障水下摄像设备只有在靠近焊接工件的情况下才启动水下摄像操作，从而在提高焊接缝隙识别的智能化水平的同时，节省了紧缺的水下电力。

根据本发明的一方面，提供了一种水下焊缝自动识别系统，所述识别系统包括水下光源、水下摄像机、控制设备和无线通信设备，所述水下光源用于为所述水下摄像机的水下拍摄提供光源，所述水下摄像机用于拍摄水下工件被焊接时的焊接图像，所述控制设备与所述水下摄像机连接，用于对所述焊接图像执行图像处理，以识别出所述焊接图像中的工件焊缝，所述无线通信设备位于水上，通过水下电缆与所述控制设备连接，以接收所述工件焊缝并将所述工件焊缝无线发送给水上计算机。

更具体地，在所述水下焊缝自动识别系统中，还包括：固定横杆，竖立在水中，用于将超声波距离探测设备、水下光源和水下摄像机固定在同一垂直面上，所述固定横杆正对所述水下工件放置；驱动设备，与所述固定横杆连接，用于驱动所述固定横杆向所述水下工件移动；静态存储设备，用于预先存储超声波水下传输速率、相对距离阈值和百分比阈值；超声波距离探测设备，正对所述水下工件放置，包括RS-232串行通信接口、超声波发射器、超声波接收器和微控制器，所述超声波发射器用于向所述水下工件发射超声波信号，所述超声波接收器用于接收所述水下工件发射回来的超声波信号，所述微控制器与所述超声波发射器、所述超声波接收器和所述静态存储设备分别连接，根据所述超声波发射器发射超声波信号和所述超声波接收器接收超声波信号之间的时间差以及所述超声波水下传输速率计算所述水下工件距离所述超声波距离探测设备的相对距离，并在所述相对距离小于等于所述相对距离阈值时发出启动拍摄信号，所述RS-232串行通信接口与所述微控制器连接，用于将所述相对距离和所述启动拍摄信号以串行通信方式发送出去；所述水下光源为卤钨灯光源，与所述超声波距离探测设备连接，当接收到所述启动拍摄信号时，启动对所述水下工件的辅助照明；所述水下摄像机为高清摄像头，与所述超声波距离探测设备连接，当接收到所述启动拍摄信号时，启动对所述水下工件的焊接图像的拍摄，所述高清摄像头的分辨率为1280×720；所述控制设备包括单片机和四块FPGA芯片；所述四块FPGA芯片分别用于实现小波滤波单元、灰度化处理单元、阈值确定单元和图像分割单元，所述小波滤波单元与所述水下摄像机连接，用于对所述焊接图像基于Harr小波滤波器执行小波滤波，获得滤波图像，所述灰度化处理单元与所述小波滤波单元连接，用于对所述滤波图像执行灰度化处理，获得灰度图像，所述阈值确定单元与所述灰度化处理单元连接，逐一选择0-255之间的每一个灰度值作为候选灰度值阈值，使用候选灰度值阈值将所述灰度图像分割为目标灰度图像和背景灰度图像，并统计所述目标灰度图像和所述背景灰度图像之间的像素灰度值方差，取所述像素灰度值方差最大的候选灰度值阈值作为目标灰度值阈值，所述图像分割单元与所述阈值确定单元和所述灰度化处理单元连接，基于所述目标灰度值阈值将所述灰度图像分为目标灰度图像和背景灰度图像，将基于所述目标灰度值阈值分割到的目标灰度图像作为所述焊接图像中的工件焊缝输出；所述单片机与所述超声波距离探测设备、所述图像分割单元和所述水下摄像机分别连接，对所述焊接图像执行MPEG-2标准的图像压缩以生成压缩焊接图像，并将所述相对距离、所述工件焊缝和所述压缩焊接图像转发给所述无线通信设备；所述无线通信设备与所述驱动设备和所述单片机分别连接，无线接收水上计算机发送的驱动控制信号，并将所述驱动控制信号转发给所述驱动设备，以控制所述固定横杆在水中的位置，还将所述相对距离、所述工件焊缝和所述压缩焊接图像无线发送给所述水上计算机；其中，所述单片机还与所述阈值确定单元和所述静态存储设备分别连接，以在自身资源占用率在百分比阈值以下时，替换执行所述阈值确定单元的全部操作，在自身资源占用率在百分比阈值以上时，结束对所述阈值确定单元的全部操作的替换。

更具体地，在所述水下焊缝自动识别系统中，所述微控制器在所述相对距离大于所述相对距离阈值时发出结束拍摄信号。

更具体地，在所述水下焊缝自动识别系统中，所述水下光源当接收到所述结束拍摄信号时，停止对所述水下工件的辅助照明。

更具体地，在所述水下焊缝自动识别系统中，所述水下摄像机当接收到所述结束拍摄信号时，停止对所述水下工件的焊接图像的拍摄。

更具体地，在所述水下焊缝自动识别系统中，将所述控制设备、所述静态存储设备和所述驱动设备集成在一块集成电路板上，并将所述集成电路板封闭在防水外壳内。

更具体地，在所述水下焊缝自动识别系统中，所述水下光源、所述水下摄像机和所述超声波距离探测设备分别具有防水外壳。

附图说明

以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中：

图1为根据本发明实施方案示出的水下焊缝自动识别系统的结构方框图。

图2为根据本发明实施方案示出的水下焊缝自动识别系统的超声波距离探测设备的结构方框图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的水下焊缝自动识别系统的实施方案进行详细说明。

随着陆地资源的日趋紧张，人们开始将开发的眼光投入水下，水下资源包括海洋资源和内陆河道资源，由于水下环境的恶劣性，只有提高水下焊接技术的成熟度，才能加快水下资源开发速度，从而获得更多的经济效益。

传统的水下焊接有干法、湿法和局部干法三种。干法焊接是采用大型气室罩住焊件，焊接操作人员在气室内进行焊接，具有安全性好的优点，但是局限性很大，应用不普遍。湿法焊接是焊接操作人员在水下直接焊接，而不是人为地将焊接区周围的水排开，这种方式应用较多，但安全性不高。局部干法焊接是焊接操作人员在水中施焊，但人为地将焊接区周围的水排开，这种方法使用不普遍。

当前应用越来越多的是将焊接设备和焊接工件置于水中，焊接操作人员在水上远程操控焊接设备寻找焊缝，执行焊接操作，这种方式克服了上述三种水下焊接方法的缺点，但由于是远程控制，焊缝的识别精确度尤其关键。

本发明的水下焊缝自动识别系统，通过高精度的图像识别方法自动识别出清晰的焊缝图像，并传送给水上计算机系统为操作人员远程操作提供有效依据，另外，通过超声波检测技术确定水下摄像机与工件的距离，在距离在相对较近的位置时方启动水下摄像机的操作，保障拍摄的图像有参考意义的同时，降低了水下摄像机的用电需求。

图1为根据本发明实施方案示出的水下焊缝自动识别系统的结构方框图，所述识别系统包括：水下光源1、水下摄像机2、控制设备3、无线通信设备4和电力供应设备5，所述控制设备3与所述水下光源1、所述水下摄像机2、所述无线通信设备4和所述电力供应设备5分别连接。

其中，所述水下光源1用于为所述水下摄像机2的水下拍摄提供光源，所述水下摄像机2用于拍摄水下工件被焊接时的焊接图像，所述控制设备3用于对所述焊接图像执行图像处理，以识别出所述焊接图像中的工件焊缝，所述无线通信设备4位于水上，通过水下电缆与所述控制设备3连接，以接收所述工件焊缝并将所述工件焊缝无线发送给水上计算机，所述电力供应设备5在所述控制设备3的控制下为所述水下焊缝自动识别系统提供电力供应。

接着，继续对本发明的水下焊缝自动识别系统的具体结构进行进一步的说明。

所述识别系统还包括：固定横杆，竖立在水中，用于将超声波距离探测设备、水下光源1和水下摄像机2固定在同一垂直面上，所述固定横杆正对所述水下工件放置。

所述识别系统还包括：驱动设备，与所述固定横杆连接，用于驱动所述固定横杆向所述水下工件移动。

所述识别系统还包括：静态存储设备，用于预先存储超声波水下传输速率、相对距离阈值和百分比阈值。

如图2所示，所述识别系统还包括：超声波距离探测设备，正对所述水下工件放置，包括RS-232串行通信接口7、超声波发射器8、超声波接收器9和微控制器6，所述超声波发射器8用于向所述水下工件发射超声波信号，所述超声波接收器9用于接收所述水下工件发射回来的超声波信号，所述微控制器6与所述超声波发射器8、所述超声波接收器9和所述静态存储设备分别连接，根据所述超声波发射器8发射超声波信号和所述超声波接收器9接收超声波信号之间的时间差以及所述超声波水下传输速率计算所述水下工件距离所述超声波距离探测设备的相对距离，并在所述相对距离小于等于所述相对距离阈值时发出启动拍摄信号，所述RS-232串行通信接口7与所述微控制器6连接，用于将所述相对距离和所述启动拍摄信号以串行通信方式发送出去。

所述水下光源1为卤钨灯光源，与所述超声波距离探测设备连接，当接收到所述启动拍摄信号时，启动对所述水下工件的辅助照明。

所述水下摄像机2为高清摄像头，与所述超声波距离探测设备连接，当接收到所述启动拍摄信号时，启动对所述水下工件的焊接图像的拍摄，所述高清摄像头的分辨率为1280×720。

所述控制设备3包括单片机和四块FPGA芯片；所述四块FPGA芯片分别用于实现小波滤波单元、灰度化处理单元、阈值确定单元和图像分割单元，所述小波滤波单元与所述水下摄像机2连接，用于对所述焊接图像基于Harr小波滤波器执行小波滤波，获得滤波图像，所述灰度化处理单元与所述小波滤波单元连接，用于对所述滤波图像执行灰度化处理，获得灰度图像。

所述阈值确定单元与所述灰度化处理单元连接，逐一选择0-255之间的每一个灰度值作为候选灰度值阈值，使用候选灰度值阈值将所述灰度图像分割为目标灰度图像和背景灰度图像，并统计所述目标灰度图像和所述背景灰度图像之间的像素灰度值方差，取所述像素灰度值方差最大的候选灰度值阈值作为目标灰度值阈值，所述图像分割单元与所述阈值确定单元和所述灰度化处理单元连接，基于所述目标灰度值阈值将所述灰度图像分为目标灰度图像和背景灰度图像，将基于所述目标灰度值阈值分割到的目标灰度图像作为所述焊接图像中的工件焊缝输出。

所述单片机与所述超声波距离探测设备、所述图像分割单元和所述水下摄像机2分别连接，对所述焊接图像执行MPEG-2标准的图像压缩以生成压缩焊接图像，并将所述相对距离、所述工件焊缝和所述压缩焊接图像转发给所述无线通信设备4。

所述无线通信设备4与所述驱动设备和所述单片机分别连接，无线接收水上计算机发送的驱动控制信号，并将所述驱动控制信号转发给所述驱动设备，以控制所述固定横杆在水中的位置，还将所述相对距离、所述工件焊缝和所述压缩焊接图像无线发送给所述水上计算机。

其中，所述单片机还与所述阈值确定单元和所述静态存储设备分别连接，以在自身资源占用率在百分比阈值以下时，替换执行所述阈值确定单元的全部操作，在自身资源占用率在百分比阈值以上时，结束对所述阈值确定单元的全部操作的替换。

其中，在所述识别系统中，所述微控制器6还可以在所述相对距离大于所述相对距离阈值时发出结束拍摄信号，所述水下光源1当接收到所述结束拍摄信号时，可以停止对所述水下工件的辅助照明，所述水下摄像机2当接收到所述结束拍摄信号时，可以停止对所述水下工件的焊接图像的拍摄，以及可以将所述控制设备3、所述静态存储设备和所述驱动设备集成在一块集成电路板上，并将所述集成电路板封闭在防水外壳内，所述水下光源1、所述水下摄像机2和所述超声波距离探测设备分别具有防水外壳。

另外，小波，即Wavelet，就是小区域、长度有限、均值为0的波形。所谓“小”是指它具有衰减性；而称之为“波”则是指它的波动性，其振幅正负相间的震荡形式。与Fourier变换相比，小波变换是时间(空间)频率的局部化分析，他通过伸缩平移运算对信号(函数)逐步进行多尺度细化，最终达到高频处时间细分，低频处频率细分，能自动适应时频信号分析的要求，从而可聚焦到信号的任意细节，解决了Fourier变换的困难问题，可以把小波变换称为“数学显微镜”，其中小波滤波是小波变换的重要应用之一。

另外，串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种，但都是在RS-232标准的基础上经过改进而形成的。RS-232C标准是美国EIA(电子工业联合会)与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。他适合于数据传输速率在0～20000b/s范围内的通信。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电气特性都作了明确规定。由于通信设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备，因此，他作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。

RS-232-C是美国电子工业协会EIA(ElectronicIndustryAssociation)制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。

RS-232-C标准规定的数据传输速率为50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400波特。RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。

采用本发明的水下焊缝自动识别系统，针对现有水下焊缝识别模式识别精度不高导致焊接效果差的技术问题，一方面，通过对焊接图像引入图像处理方式，尤其引入用于图像背景分割的阈值选择机制，提高焊接缝隙识别的准确度，另一方面，引入超声波距离检测机制以确保水下摄像机只有在较近距离时才启动拍摄操作，在保障拍摄的焊接图像的有效性的同时，也提高了作为图像识别基础的焊接图像的清晰度。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (2)

1.一种水下焊缝自动识别系统，其特征在于，所述识别系统包括水下光源、水下摄像机、控制设备和无线通信设备，所述水下光源用于为所述水下摄像机的水下拍摄提供光源，所述水下摄像机用于拍摄水下工件被焊接时的焊接图像，所述控制设备与所述水下摄像机连接，用于对所述焊接图像执行图像处理，以识别出所述焊接图像中的工件焊缝，所述无线通信设备位于水上，通过水下电缆与所述控制设备连接，以接收所述工件焊缝并将所述工件焊缝无线发送给水上计算机。

2.如权利要求1所述的水下焊缝自动识别系统，其特征在于，所述识别系统还包括：

固定横杆，竖立在水中，用于将超声波距离探测设备、水下光源和水下摄像机固定在同一垂直面上，所述固定横杆正对所述水下工件放置；

驱动设备，与所述固定横杆连接，用于驱动所述固定横杆向所述水下工件移动；

静态存储设备，用于预先存储超声波水下传输速率、相对距离阈值和百分比阈值；

超声波距离探测设备，正对所述水下工件放置，包括RS-232串行通信接口、超声波发射器、超声波接收器和微控制器，所述超声波发射器用于向所述水下工件发射超声波信号，所述超声波接收器用于接收所述水下工件发射回来的超声波信号，所述微控制器与所述超声波发射器、所述超声波接收器和所述静态存储设备分别连接，根据所述超声波发射器发射超声波信号和所述超声波接收器接收超声波信号之间的时间差以及所述超声波水下传输速率计算所述水下工件距离所述超声波距离探测设备的相对距离，并在所述相对距离小于等于所述相对距离阈值时发出启动拍摄信号，所述RS-232串行通信接口与所述微控制器连接，用于将所述相对距离和所述启动拍摄信号以串行通信方式发送出去；

所述水下光源为卤钨灯光源，与所述超声波距离探测设备连接，当接收到所述启动拍摄信号时，启动对所述水下工件的辅助照明；

所述水下摄像机为高清摄像头，与所述超声波距离探测设备连接，当接收到所述启动拍摄信号时，启动对所述水下工件的焊接图像的拍摄，所述高清摄像头的分辨率为1280×720；

所述控制设备包括单片机和四块FPGA芯片；

所述四块FPGA芯片分别用于实现小波滤波单元、灰度化处理单元、阈值确定单元和图像分割单元，所述小波滤波单元与所述水下摄像机连接，用于对所述焊接图像基于Harr小波滤波器执行小波滤波，获得滤波图像，所述灰度化处理单元与所述小波滤波单元连接，用于对所述滤波图像执行灰度化处理，获得灰度图像，所述阈值确定单元与所述灰度化处理单元连接，逐一选择0-255之间的每一个灰度值作为候选灰度值阈值，使用候选灰度值阈值将所述灰度图像分割为目标灰度图像和背景灰度图像，并统计所述目标灰度图像和所述背景灰度图像之间的像素灰度值方差，取所述像素灰度值方差最大的候选灰度值阈值作为目标灰度值阈值，所述图像分割单元与所述阈值确定单元和所述灰度化处理单元连接，基于所述目标灰度值阈值将所述灰度图像分为目标灰度图像和背景灰度图像，将基于所述目标灰度值阈值分割到的目标灰度图像作为所述焊接图像中的工件焊缝输出；

所述单片机与所述超声波距离探测设备、所述图像分割单元和所述水下摄像机分别连接，对所述焊接图像执行MPEG-2标准的图像压缩以生成压缩焊接图像，并将所述相对距离、所述工件焊缝和所述压缩焊接图像转发给所述无线通信设备；

所述无线通信设备与所述驱动设备和所述单片机分别连接，无线接收水上计算机发送的驱动控制信号，并将所述驱动控制信号转发给所述驱动设备，以控制所述固定横杆在水中的位置，还将所述相对距离、所述工件焊缝和所述压缩焊接图像无线发送给所述水上计算机；

其中，所述单片机还与所述阈值确定单元和所述静态存储设备分别连接，以在自身资源占用率在百分比阈值以下时，替换执行所述阈值确定单元的全部操作，在自身资源占用率在百分比阈值以上时，结束对所述阈值确定单元的全部操作的替换，

所述微控制器在所述相对距离大于所述相对距离阈值时发出结束拍摄信号，

所述水下光源当接收到所述结束拍摄信号时，停止对所述水下工件的辅助照明。