CN114789288A - 基于涡流及双目线阵视觉复合传感的焊缝三维定位跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于涡流及双目线阵视觉复合传感的焊缝三维定位跟踪方法，它主要解决中厚板焊缝定位精度难以控制，误差较大，难以提取焊缝有效三维信息等问题。所述方法包括：焊接起始定位通过两个涡流探头在运动平面内分别检测探头端面距离平板的高度及探头端面正对焊缝的面积，提取高度特征信号及左右面积特征信号获取焊缝偏差值。焊接时，通过双目线阵视觉传感器对焊缝信息进行前置检测，计算直线图像上每点三维坐标，通过焊枪移动，获得焊缝不同位置处各点的坐标，实现对焊缝从点到线再到面的三维测量；将三维坐标和偏差值进行融合处理，生成焊缝三维偏差值，根据三维偏差值采用PID控制实时跟踪焊缝轨迹，本发明主要应用于中厚板V型焊缝跟踪。

Description

基于涡流及双目线阵视觉复合传感的焊缝三维定位跟踪方法

技术领域

本发明涉及焊缝跟踪领域，特别是涉及一种基于涡流及双目线阵视觉复合传感的焊缝三维定位跟踪方法。

背景技术

中厚板一般指厚度大于4mm的钢板或其他金属材料板件，机器人中厚板焊接是一种对常见的焊接应用，通常具备以下几个特点：焊接前在工装夹具上进行组对点焊；需要使用焊缝寻找、焊缝跟踪及多层多道焊接功能；多数焊接需要配置大型变位机，使焊接处于船型焊或角焊缝的最佳位置进行焊接。应用领域包括工程机械、建筑钢结构、煤炭机械、专用车车厢板、换热器管板件、集装箱板、桥梁、锅炉船舶等。但由于中厚板焊缝定位精度难以控制，误差较大，难以提取焊缝有效三维信息等问题，导致机器人在焊接中厚板时难以通过传统示教编程和夹具定位来完成批量化的焊接，这极大的阻碍了机器人焊接在该领域的应用推广。

综上所述，这些问题阻碍了视觉技术在焊接机器人领域的进一步应用，间接影响了焊接机器人在中厚板应用领域的进一步普及。为此，迫切需要发明一种可以基于涡流及双目线阵视觉复合传感的焊缝三维定位跟踪方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种抗干扰能力强、跟踪精度高且稳定性高的，基于涡流及双目线阵视觉复合传感的焊缝三维定位跟踪方法。

本发明所采取的技术方案一方面先为：

轴向交错双涡流定位传感器获取焊缝偏差信号具体步骤如下：

轴向交错双涡流定位系统通过两个涡流探头在运动平面内分别检测探头端面距离焊缝的高度及探头端面正对焊缝的面积，其中用于检测焊缝高度的涡流传感器为探头1，用于检测探头端面正对焊缝面积的涡流传感器为探头2；利用焊枪带动双涡流定位传感器的探头1和探头2至固定位置进行信息采集；然后对采样数据进行分类和剔除，提取高度特征信号及左右面积特征信号并计算出焊缝偏差值。所述双探头涡流传感器的探头1和探头2通过复合夹具固连，探头1轴线垂直于坡口一侧，测量探头1至焊缝坡口的距离h₁并补偿得到探头2值焊缝的高度h₂；探头2轴线垂直于焊缝，用于检测探头2与焊缝正对面积S的左右变化。

所述涡流传感器的两个探头能相互补偿，将探头1和探头2的电压变化进行曲面拟合，获取合适的曲面方程再进行变量分离，将获得的距离h₂补偿给探头2，去除距离h₂对探头2的影响，从而得到的焊缝偏差信息。

本发明所采取的技术方案另一方面再为：

基于涡流及双目线阵视觉复合传感的焊缝三维定位跟踪方法，包括以下步骤：通过双目线阵视觉传感器获取焊缝的两个位置直线图像，通过计算直线每点的三维坐标，接着改变激光线扫描位置，获得焊缝不同位置各点的坐标，实现从点到线到面的测量过程。

进一步所述方法包括两个线阵相机、激光器和滤光片，测量方法包括以下步骤：

(1)两个线阵相机，激光器并排放置，两线阵相机左右分布，将带孔滤光片放于激光器前方，能在焊缝表面形成明暗交替的直线；

(2)双线阵相机同步拍摄获得两个明暗交替的直线图像，在一直线图像上取点M₁，计算点M₁区域亮度，将点M₁区域亮度与另一直线图像上各处的亮度进行比较计算方差，方差在可接受阈值内处对应的点即为M₂；

(3)将点M₁和M₂分别与对应线阵相机的中心点连成两条相交线，计算交点M点坐标；

(4)重复步骤(3)直至获得直线上所有点的坐标，改变激光投射位置，以此改变直线在焊缝表面的位置，重新执行步骤(1)直至获得焊缝表面所有点的三维坐标。

进一步步骤(3)中，所述计算该两条直线交点坐标时，需将所述点M₁和M₂图像转换到同一个坐标系中，按照下列步骤进行：

(a)将二维标记放置在两个线阵相机的前方，两个所述线阵相机分别拍摄二维标记，以此获得所述二维标记在两个不同线阵相机中的像素坐标，根据二维标记在不同线阵相机中像素计算获得两个相机的位姿关系；

(b)利用两个相机的位姿关系将M₁和M₂的图像坐标转化到同一个坐标系；

(c)M点的z方向上的坐标设定为0。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

1)利用所述双探头涡流传感器非接触的线性化计量特性,将双探头涡流传感器采集的线圈阻抗Z与传感器和金属板间距H和相对面积S的变化信息转换成电压信号输出，经处理和运算得到焊缝偏差值。

2)通过构建双目线阵视觉三维测量方法，通过在焊缝表面形成不同亮度的直线，计算直线上每个点的三维坐标，改变直线扫描焊缝位置，获得焊缝不同位置点坐标，进而实现焊缝三维坐标信息的获取，其测量速度高，不受焊缝表面影响，测量精度高。

3)本发明根据双目视觉传感器获取的位置图像和涡流传感器获取的焊缝电压信号，最终通过融合处理得到焊缝三维偏值，进而实现对焊缝的实时跟踪，克服单独采用视觉传感器易受弧光干扰，以及单独采用电弧电信号易受焊接稳定性、焊枪高度和倾角等影响的缺点，大大提高了抗干扰能力以及跟踪的精准度，增强了机器人的焊缝稳定性。

附图说明

图1为轴向交错双涡流传感器焊缝信号取样示意图；

图2为涡流探头2面积等效示意图；

图3为轴向交错双涡流传感器夹具三视图；

图4为轴向交错双涡流传感器夹具三维立体图；

图5为双线阵视觉结构示意图；

图6为双线阵视觉所构建的测量方法原理图，其中1-线阵相机，2-线阵相机，3-激光器，4-滤光片；

图7为自适应加权融合模型。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，本例焊缝坡口角度θ取π/2。

参见图1，轴向交错双涡流传感器通过直行导轨到达焊接起始位置，涡流探头1和探头2到达适宜的采样位置，双探头均沿焊接方向往返进行多点采样，探头1通过高低距离变化采集电压信号，探头2通过左右面积变化采集电压信号。

参见图2，当探头1和探头2的输入电流经处理后达到双涡流传感探头1和探头2的头部线圈阻抗Z，由探头1头部线圈阻抗Z的测量值与坡口侧边间距离h₁的变化值构成电压值信号U₁输出，同时将获得的距离h₁变换成距离h₂补偿给探头2，消除距离h₂对探头2输出的影响，并且由探头2头部线圈阻抗Z的测量值与焊缝相对面积S的变化值构成的电压值信号U₂输出，从而获得电压信号U与焊缝距离h和相对面积S的线性关系。

参见图5，基于涡流及双目线阵视觉复合传感的焊缝三维定位跟踪方法，通过线阵相机1、线阵相机2、线激光器3和滤光片4构建的明暗激光线来构建双目线阵视觉系统，获得焊缝的三维信息包括如下步骤：

S1参见图6，立体标定线阵相机1和线阵相机2之间的位姿关系，具体地包括如下步骤；

(1)两个线阵相机拍摄二维标记图案，并建立相机像素坐标系{c₁}、{c₂}和二维标记坐标系{w}的点对关系；

(2)两个线阵相机拍摄二维标记图案，相机成像的点的坐标(u，v)与二维标记三维坐标(x，y，z)的对应关系，以此建立相机像素坐标系{c₁}、{c₂}和二维标记坐标系{w}的点对关系；二维标记坐标系是以二维标记为原点建立的空间三维坐标系；

(3)改变二维标记的位姿，并重复步骤(1)

(4)根据步骤(2)中获得的像素坐标和二维标记坐标系点对关系计算单应矩阵，并通过svd分解确定两个线阵相机内参数K₁、K₂，内参数包括焦距和主点，以此确定了两个线阵相机和二维标记的位姿关系R₁T₁、R₂T₂；

H_i＝K_i[R_i T_i]

[¹h_i ²h_i]＝[¹H_i ²H_i]

[R_i T_i]＝K_i ^-1H_i

其中，i＝1，2，K₁为线阵相机1内参数，K₂为线阵相机2内参数，R_iT_i为线阵相机相对于二维标记的位姿关系，H_i为单应矩阵，其中¹H_i和²H_i为单应矩阵H_i前两维分量。

(5)步骤(4)通过刚体变换确定两个线阵相机的位姿关系RT。

[R T]＝[R₁ T₁]^-1[R₂ T₂]

其中，R₁T₁为线阵相机1和二维标记的位姿关系，R₂T₂为线阵相机2和二维标记的位姿关系，RT为线阵相机1和线阵相机2的位姿关系。

S2线阵相机1和线阵相机2获取由线激光器3和滤光片4投射的激光线在焊缝表面形成明暗交替的直线。

S3匹配计算线阵相机1和线阵相机2图像上对应同一物点的对应像素点；由于两个线阵相机共面放置，因此可通过一维搜索确定对应像素点：首先给定线阵相机1图像上的一点M₁，并选取M₁邻域内的一个子窗口；然后在线阵相机2图像上选取备选匹配点M₂，并在M₂邻域内选取与线阵相机1一致的子窗口，计算相机1和相机2子窗口的亮度的方差，方差最小值确定最佳匹配点。

S4根据三角法计算焊缝的三维坐标，直至获得直线上所有点的坐标；根据S1确定的两个线阵相机内参数及位姿关系和S3确定的对应像素点M₁和M₂确定焊缝点M(x，y)的三维坐标。

其中，K₁为线阵相机1内参数，K₂为线阵相机2内参数，R和T为线阵相机1和线阵相机2的位姿关系中旋转矩阵和平移矩阵，k₁和k₂为两个线性方程组系数，M₁，M₂分别为线阵相机1像素点和线阵相机2像素点，¹T，²T分别为线阵相机1和线阵相机2的旋转矩阵中x方向和y方向分量。

S5通过求解上述线性方程组即可确定焊缝点M的三维坐标，其中z方向的坐标值为0。

S6沿线激光平面法线方向移动双目线阵相机重复上述步骤直到获取焊缝的完整三维信息。

参考图7，对焊缝三维坐标和偏差值进行融合处理，生成焊缝三维偏差值具体包括如下：

分别计算双涡流传感器多次测量的焊缝偏差均值

与双目视觉相机获取的焊缝三维坐标均值

根据两种传感器的已知初始精度

和

分别计算传感器的测量方差

和

测量方差的优化计算公式如下：

采用自适应加权融合法，根据两个传感器优化后测量方差

和

来计算传感器的最优权值分别为w₁和w₂，固定权值w₁′和w₂′，得到融合结果焊缝三维偏差值

计算公式如下：

根据焊缝三维偏差值

采用模糊控制方法对焊缝进行实时跟踪。

Claims (4)

1.基于涡流及双目线阵视觉复合传感的焊缝三维定位跟踪方法,其特征在于：轴向交错双涡流探头多次检测焊缝坡口高度及正对焊缝面积，采用优化的加权最小二乘法拟合探头1电压信号与高度函数关系，控制补偿给探头2的高度变化，实现变量分离得到探头2电压信号与正对焊缝面积拟合函数，计算获得焊缝偏差值；双目线阵视觉获取焊缝三维坐标，激光透过带孔的滤光片在焊缝表面形成明暗交替的直线，由前置双目线阵相机获取图像，计算两条直线图像亮度方差相近位置交点的三维坐标，直至获得直线上所有坐标，改变激光线扫描焊缝位置，重复计算并获得焊缝三维坐标，实现对焊缝从点到线再到面的三维测量；采用优化传感器测量方差的加权融合法对偏差值和三维坐标进行融合，生成焊缝三维偏差值，根据三维偏差值采用模糊控制对焊缝进行实时跟踪。

2.据权利1所述基于涡流及双目线阵视觉复合传感的焊缝三维定位跟踪方法,其特征在于，轴向交错双涡流传感装置包括两个涡流传感器、轴向交错复合夹具，其中探头1和探头2通过轴向交错复合夹具固连，双涡流传感器安装位置角度取决于焊缝坡口角度θ，中厚板焊缝坡口角度θ区间在45°～60°，双涡流传感器安装位置角度(π/2-θ/4)；探头1轴线垂直于坡口一侧，通过测量得到探头1至坡口一侧的距离h₁，通过几何关系获得探头2至焊缝高度h₂对探头2进行补偿；探头2轴线垂直于焊缝，用于检测探头2与焊缝正对面积S的左右变化。

3.据权利1所述基于涡流及双目线阵视觉复合传感的焊缝三维定位跟踪方法,其特征在于，包括：通过双目线阵视觉传感器获取焊缝的三维坐标步骤具体如下：

(1)两个线阵相机，激光器并排放置，两线阵相机左右分布，将带孔滤光片放于激光器前方，能在焊缝表面形成明暗交替的直线；

(2)双线阵相机同步拍摄获得两个明暗交替的直线图像，在一直线图像上取点M₁，计算点M₁区域亮度，将点M₁区域亮度与另一直线图像上各处的亮度进行比较计算方差，方差在可接受阈值内处对应的点即为M₂；

(3)将点M₁和M₂分别与对应线阵相机的中心点连成两条相交线，计算交点M坐标；

(4)重复步骤(3)直至获得直线上所有点的坐标，改变激光投射位置，以此改变直线在焊缝表面的位置，重新执行步骤(1)直至获得焊缝表面所有点的三维坐标。

4.据权利1所述基于涡流及双目线阵视觉复合传感的焊缝三维定位跟踪方法,其特征在于，优化传感器测量方差如下：

由两个传感器测量焊缝偏差和三维坐标均值

无偏估计值

和传感器已知初始精度δ_i′²可计算出优化后传感器测量方差

再通过自适应加权融合得到焊缝三维偏差值。

Images