CN107649802A

CN107649802A - 一种激光视觉焊缝跟踪系统及标定方法

Info

Publication number: CN107649802A
Application number: CN201710900947.1A
Authority: CN
Inventors: 周东; 肖唐杰; 于信宾; 董娜; 李晋航
Original assignee: Dongfang Electric Corp
Current assignee: Dongfang Electric Corp
Priority date: 2017-09-28
Filing date: 2017-09-28
Publication date: 2018-02-02
Anticipated expiration: 2037-09-28
Also published as: CN107649802B

Abstract

本发明公开了一种激光视觉焊缝跟踪系统及标定方法，该系统通过高精度三轴运动控制平台，将焊缝跟踪传感器固定在三轴运动控制平台上，调整标准焊缝的位姿，使其水平位姿与传感器的激光平面垂直，标定时，利用图像处理技术获取一一对应的像素坐标和世界坐标，通过薄板样条插值方法，获取其转换关系从而实现焊缝跟踪系统的标定；本发明实现过程中，与以往分为两个步骤的标定方法相比，明显减少了标定的过程与步骤，减少了传感器标定步骤以及明显避免了滤波片对相机内参的影响，提高了效率和精度，同时基本无人工交互，自动化程度高，无需采用标定板等辅助工具，其中无高维矩阵运算，计算量小，标定精度高。减少了误差，简单实用快捷高效。

Description

一种激光视觉焊缝跟踪系统及标定方法

技术领域

本发明涉及激光视觉焊缝跟踪系统领域，具体是一种激光视觉焊缝跟踪系统及标定方法。

可以实现激光焊缝跟踪传感器中图像坐标和世界坐标的转换，高效快捷，从而解决激光焊缝跟踪传感器标定困难问题。

背景技术

基于激光视觉的焊缝跟踪传感器的标定包括摄像机标定和结构光标定两部分，其中摄像机标定的方法相对比较成熟。首先需要利用摄像标定的方法进行获取相机内参，再对加上滤波片后的相机进行激光平面的标定。

对于激光平面的标定，早期较为常用的方法有齿形标定法和拉丝标定法，其主要特点就是利用特定靶标在结构光平面上产生标定点，再获取其标定点在结构光平面上的坐标，以此计算出光平面的外参参数。该方法存在一些误差，比如加入滤波片后对相机的内参造成的误差容易导致传感器的精度降低等等。

与现有的利用运动控制平台来辅助标定激光焊缝跟踪传感器的方法相比，本发明提出的激光焊缝跟踪传感器的标定方法自动化程度高，无人工交互，计算简单，操作简便，无需分别计算相机内参和激光平面，省略了计算内参和激光平面带来的误差，也避免了滤波片对于相机标定精度的影响，并且可直接用于激光焊缝传感器的产品量产化。

发明内容

本发明为提高标定精度，减少误差，通过高精度三轴运动平台，将焊缝跟踪传感器固定在三轴平台上，调整标准焊缝的位姿，使其水平位姿与传感器的激光面垂直，获取一一对应的像素坐标和世界坐标(该点为焊缝与激光的拐点)，利用数学方法获取其转换关系从而实现标定，与以往分为两个步骤的标定方法相比，明显减少了标定的过程与步骤，提高了效率和精度，快捷高效。

本发明的技术内容如下：

一种激光视觉焊缝跟踪系统，包含一个激光发射器和一个工业相机，其特征在于：

三轴平台控制系统，用于辅助焊缝跟踪传感器获得世界坐标和精度测试，包括高精度的三轴运动平台和控制系统；

靶标，用于辅助焊缝跟踪传感器获取像素坐标和世界坐标；靶标是一个标准焊缝加工的模拟工件，该工件需要进行粗糙化处理,使得激光直射到工件表面返回的光以漫反射为主。该靶标与激光平面形成的特征点为焊缝跟踪传感器在图像坐标系和世界坐标系的坐标提取提供特征明显的点。

所述三轴运动控制平台的定位精度为5～10μm。

所述激光视觉焊缝跟踪系统初始安装方式为：

将焊缝跟踪传感器固定在三轴运动平台的末端；

将靶标置于三轴运动平台下端的平面，使得靶标与激光面垂直，并使得靶标位于焊缝跟踪传感器的视场范围内，并根据靶标所在的位置选择合适的平台运动量程，保证靶标遍布在焊缝跟踪传感器视场的范围内。

激光视觉焊缝跟踪系统安装好后，标定过程主要包括标定数据采集和标定数据使用两部分，具体步骤如下：

(1)将焊缝特征点和三轴运动控制平台进行零点校准,记录当前零点时的三轴运动控制平台的三维坐标参数；

(2)三轴运动控制平台在合适的范围内进行运动，选择采集数据的参数，三轴运动控制平台根据参数进行相应的采集,包括三轴运动控制平台的三维坐标；同时，采集焊缝特征点的图像坐标，保存三维坐标和图像坐标作为样本数据；

(3)步骤(2)中的数据采集完成后，需要进行数据检验。主要检验数据的稳定性,对于同一点的数据需要采集20次，计算这20次数据的均方根误差，若均方根误差小于0.025，则代表数据正确，否则需要重新采集；

(4)进行实际测量时，将采集到的样本数据作为控制点，基于薄板样条插值法进行Block划分，计算每个Block的参数并保存；

(5)此时，获得世界坐标关于图像坐标的关系，即每次提取出的图像坐标，通过计算获取该图像坐标的Block，并在该Block内根据采集的数据点进行插值获取世界坐标。该步骤主要为像素坐标分别计算世界坐标(y,z)。

从而完成了标定工作。

所述三轴运动控制平台在合适范围内进行运动的方式为多行数据，每行之间的高度差相同，并且同一行数据形式为等差数列。

所述采集数据的参数至少包括数据的行数和列数、起始高度、每行的间隔等等。

步骤(3)中需要确保每个Block内的控制点大于阈值(一般来说大于8即可)，以保证插值精度。

步骤(4)中计算每个Block的参数的具体步骤如下所示：

薄板样条插值函数的公式为：

式中U，V为焊缝特征点像素坐标，a*U+b*V+c为趋势函数，为基函数。n为该Block中的控制点数量，本发明中n为该Block中采集的样本点数量，j代表的是所求的第j个点。i和j均小于n。

对于该Block中的n个控制点，列n+3阶方程组：

求解上述方程求得该Block的参数，根据TPS公式计算估计值。上述方程中A_i为该Block中的第i个控制点的权值，d_ij为该Block中第i个点和第j个点的距离，令a、b、c分别为趋势函数中的参数，Z_i为该Block中第i个控制点的坐标值。

本发明的有益效果如下：

本发明基于高精度三轴运动平台和靶标，利用图像处理技术获取特征点的图像坐标和世界坐标，通过薄板样条插值方法，从而实现焊缝跟踪系统的标定；本发明实现过程中，减少了传感器标定步骤以及明显避免了滤波片对相机内参的影响，同时与其他标定方法相比，基本无人工交互，简单实用，无需采用标定板等辅助工具，其中无高维矩阵运算，计算量小，标定精度高。

附图说明

图1为本发明的焊缝跟踪传感器示意图。

图2为本发明的标定装置整体示意图。

图3为本发明标定数据采集的流程图。

图4为本发明标定数据使用的流程图。

其中，附图标记为：1-传感器外壳，2-激光发生装置，3-工业相机，4-激光平面，5-靶标，6-焊缝特征点,7-三轴运动控制平台。

具体实施方式

一种激光视觉焊缝跟踪系统，包括三轴平台控制系统和靶标。

三轴平台控制系统，是用于辅助焊缝跟踪传感器获得世界坐标和精度测试，包括高精度的三轴运动平台和控制系统；所述三轴运动平台的精度为5μm。

靶标，是用于辅助焊缝跟踪传感器获取像素坐标和世界坐标；靶标是一个标准焊缝加工的模拟工件，为焊缝跟踪传感器在图像坐标系和世界坐标系的坐标提取提供特征明显的点。

如图1所示，所述激光视觉焊缝跟踪系统初始安装方式为：

首先，将焊缝跟踪传感器固定在三轴运动平台的末端；

然后，将靶标置于三轴运动平台下端的平面，使得靶标与激光面垂直，并使得靶标位于焊缝跟踪传感器的视场范围内；并根据靶标所在的位置选择合适的平台运动量程，保证靶标遍布在焊缝跟踪传感器视场的范围内。

激光视觉焊缝跟踪系统安装好后，标定过程主要包括标定数据采集和标定数据使用两部分，如图2、3所示，具体步骤如下：

(1)将焊缝特征点和三轴运动控制平台进行零点校准；

(2)三轴运动控制平台在合适的范围内进行运动，选择采集数据的参数，三轴运动控制平台根据参数进行相应的采集；同时，采集焊缝特征点的图像坐标和三轴运动控制平台的世界坐标，保存保存三维坐标和图像坐标作为样本数据；

(3)步骤(2)中的数据采集完成后，需要进行数据检验。主要检验数据的稳定性,具体实施方式是对于同一点的数据需要采集20次，计算这20次数据的均方根误差，若均方根误差小于0.025，则代表数据正确，否则需要重新采集判断数据的稳定性，若稳定则代表数据正确，可以使用，若不稳定需要重新采集；

步骤(3)中需要确保每个Block内的控制点大于阈值(一般来说阈值为大于8的数即可)，以保证插值精度。

步骤(4)中计算每个Block的参数的具体步骤如下所示：

薄板样条插值函数的公式为：

式中U，V为焊缝特征点像素坐标，a*U+b*V+c为趋势函数，为基函数，令n为该Block中的控制点数量，本发明中n为该Block中采集的样本点数量，j代表的是所求的第j个点。

对于该Block中的n个控制点，列n+3阶方程组：

求解上述方程求得该Block的参数，根据TPS公式计算估计值。

Claims

1.一种激光视觉焊缝跟踪系统，其特征在于：

三轴运动平台控制系统，用于辅助焊缝跟踪传感器获得世界坐标和精度测试，包括高精度的三轴运动控制平台和控制系统；

靶标，用于辅助焊缝跟踪传感器获取像素坐标和世界坐标；靶标是一个标准焊缝加工的模拟工件，为焊缝跟踪传感器在图像坐标系和世界坐标系的坐标提取提供特征明显的点。

2.根据权利要求1所述的一种激光视觉焊缝跟踪系统，其特征在于：所述三轴运动控制平台的定位精度为5～10μm。

3.根据权利要求1所述的一种激光视觉焊缝跟踪系统，其特征在于所述系统初始安装方式为：将焊缝跟踪传感器固定在三轴运动平台的末端；将靶标置于三轴运动平台下端的平面，使得靶标与激光面垂直，并使得靶标位于焊缝跟踪传感器的视场范围内，并根据靶标所在的位置选择合适的平台运动量程，保证靶标遍布在焊缝跟踪传感器视场的范围内。

4.基于权利要求1-3任意一项所述的一种激光视觉焊缝跟踪系统的标定方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)将焊缝特征点和三轴运动控制平台进行零点校准；

(2)三轴运动控制平台在合适的范围内进行运动，选择采集数据的参数，三轴运动控制平台根据参数进行采集；采集的数据包括焊缝特征点的图像坐标和三轴运动控制平台的世界坐标，保存上述的图像坐标和世界坐标数据作为样本数据(以下所说的样本数据均为此处的数据)；

(3)步骤(2)中的样本数据采集完成后，需要进行数据检验。主要检验数据的稳定性,对于同一点的数据需要采集20次，计算这20次数据的均方根误差，若均方根误差小于0.025，则代表数据正确，否则需要重新采集；

(5)此时，获得世界坐标关于图像坐标的关系，即每次提取出的图像坐标，通过计算获取该图像坐标的Block，并在该Block内根据采集的数据点进行插值获取世界坐标。

5.根据权利要求4所述的标定方法，其特征在于：所述三轴运动控制平台在合适范围内进行运动的方式为多行数据，每行之间的高度差相同，并且同一行数据形式为等差数列。

6.根据权利要求4所述的标定方法，其特征在于：所述采集数据的参数至少包括数据的行数和列数、起始高度、每行的间隔。

7.根据权利要求4所述的标定方法，其特征在于：步骤(3)中的每个Block内的控制点大于阈值(此处的阈值是指薄板样条插值算法中有效Block的控制点的数量，一般大于8即可达到要求)，用于保证插值精度。

8.根据权利要求4所述的标定方法，其特征在于：步骤(4)中计算每个Block的参数的具体步骤如下所示：

薄板样条插值函数的公式为：

<mrow> <msub> <mi>f</mi> <mi>j</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>U</mi> <mo>,</mo> <mi>V</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>a</mi> <mo>*</mo> <mi>U</mi> <mo>+</mo> <mi>b</mi> <mo>*</mo> <mi>V</mi> <mo>+</mo> <mi>c</mi> <mo>+</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msub> <mi>A</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>*</mo> <msup> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mn>2</mn> </msup> <mo>*</mo> <mi>log</mi> <mi> </mi> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>,</mo> </mrow>

式中U，V为焊缝特征点像素坐标，a*U+b*V+c为趋势函数，为基函数，令n为该Block中的控制点数量，本发明中n为该Block中采集的控制点数量，j代表的是所求的第j个点。i和j为0到n之间的整数。

对于该Block中的n个控制点，列n+3阶方程组：

求解上述方程求得该Block的参数，根据TPS公式计算估计值。求上述方程中A_i为该Block中的第i个控制点的权值，d_ij为该Block中第i个点和第j个点的距离，令a、b、c分别为趋势函数中的参数，Z_i为该Block中第i个控制点的坐标值。