CN107649802B - 一种激光视觉焊缝跟踪系统及标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光视觉焊缝跟踪系统及标定方法，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；实现该方法的系统是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；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
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，可以实现焊缝跟踪系统的标定。
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，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的标定方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)将焊缝特征点和激光视觉焊缝跟踪系统的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，保存上述世界坐标和图像坐标作为样本数据；
(3)步骤(2)中的样本数据采集完成后，需要进行数据检验；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，则代表样本数据正确，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)。
通过上述步骤(1)-(5)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运动的数据为多行数据，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(4)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，a、b、c 分别为趋势函数中的参数，为基函数；n为该Block中采集的样本点数量，i、j分别代表的是第i个控制点、第j个控制点，i和j均为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：
求解上述方程组求得该Block的参数，根据TPS公式计算估计值。上述方程中Ai为该Block中的第i个控制点的权值，dij为该Block中第i个控制点和第j 个控制点的距离，Zi为该Block中第i个控制点的坐标值。
适用于上述标定方法的激光视觉焊缝跟踪系统，其特征在于包括：
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，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控制平台的末端；
将靶标置于三轴运动控制平台下端的平面，使得靶标与激光平面垂直，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。
本发明的有益效果如下：
本发明基于高精度三轴运动控制平台和靶标，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-激光发射装置，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、靶标5、一个激光发射装置2和一个工业相机3。
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控制平台7和控制系统；所述三轴运动控制平台7的精度为5μm。
靶标5，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5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。
激光发射装置2和工业相机3，均安装于传感器外壳1上，激光发射装置2的激光平面4与靶标5位置对应。
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控制平台7的末端；
然后，将靶标5置于三轴运动控制平台7下端的平面，使得靶标5与激光平面4垂直，并使得靶标5位于焊缝跟踪传感器的视场范围内；并根据靶标5所在的位置选择合适的平台运动量程，保证靶标5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6和三轴运动控制平台7进行零点校准；
(2)三轴运动控制平台7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7根据参数进行相应的采集；同时，采集焊缝特征点6的图像坐标和三轴运动控制平台7的世界坐标，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；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；
(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)。
所述三轴运动控制平台7在合适范围内运动的数据为多行数据，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(4)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6的像素坐标，a*U+b*V+c为趋势函数，a、 b、c分别为趋势函数中的参数，为基函数，n为该Block中采集的样本点数量，i、j分别代表的是第i个控制点、第j个控制点。
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。
求解上述方程组求得该Block的参数，根据TPS公式计算估计值；上述方程中Ai为该Block中的第i个控制点的权值，dij为该Block中第i个控制点和第j 个控制点的距离，Zi为该Block中第i个控制点的坐标值。
Claims (8)
1.一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)将焊缝特征点和激光视觉焊缝跟踪系统的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；
(3)步骤(2)中的样本数据采集完成后，需要进行数据检验；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，则代表样本数据正确，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。
2.根据权利要求1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运动的数据为多行数据，每行之间的高度差相同，并且同一行数据形式为等差数列。
3.根据权利要求1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。
4.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于：步骤(4)中的每个Block内的控制点大于阈值，所述阈值是指薄板样条插值算法中有效Block的控制点的数量，大于8即可达到要求，用于保证插值精度。
5.根据权利要求1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：
式中U、V为焊缝特征点像素坐标，a*U+b*V+c为趋势函数，a、b、c分别为趋势函数中的参数，为基函数；n为该Block中采集的控制点数量，i、j分别代表的是第i个控制点、第j个控制点，i和j均为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：
求解上述方程组求得该Block的参数，根据TPS公式计算估计值；求上述方程中Ai为该Block中的第i个控制点的权值，dij为该Block中第i个控制点和第j个控制点的距离，Zi为该Block中第i个控制点的坐标值。
6.适用于权利要求1-5中任意一项所述方法的激光视觉焊缝跟踪系统，其特征在于包括：
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。
7.根据权利要求6所述的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。
8.根据权利要求6所述的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控制平台的末端；将靶标置于三轴运动控制平台下端的平面，使得靶标与激光平面垂直，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。
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| CN115283905B (zh) * | 2022-08-23 | 2024-03-26 | 中国核工业二三建设有限公司 | 一种焊接机器人的焊枪姿态调整方法 |
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN204725027U (zh) * | 2015-05-04 | 2015-10-28 | 绍兴汉立工业自动化科技有限公司 | 一种带三维焊缝识别的集装箱顶加强板自动焊接设备 |
| CN105138022A (zh) * | 2015-09-16 | 2015-12-09 | 山东中清智能科技有限公司 | 对接窄焊缝的视觉跟踪解耦控制方法及装置 |
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| CN204725027U (zh) * | 2015-05-04 | 2015-10-28 | 绍兴汉立工业自动化科技有限公司 | 一种带三维焊缝识别的集装箱顶加强板自动焊接设备 |
| CN105138022A (zh) * | 2015-09-16 | 2015-12-09 | 山东中清智能科技有限公司 | 对接窄焊缝的视觉跟踪解耦控制方法及装置 |
| CN205496812U (zh) * | 2016-04-26 | 2016-08-24 | 河北工业大学 | 一种凹凸形变角焊缝自适应跟踪控制装置 |
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