基于环形激光视觉的焊缝3d建模与跟踪

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1、上海交通大学博士学位论文基于环形激光视觉的焊缝3D建模与跟踪摘要机器人与计算机技术的迅速发展使焊接自动化程度日益提高。影响自动化焊接质量的因素不仅包括被焊工件的厚度、接头形式、表面状态、焊接材料的化学成分等焊接的结构因素，还包括焊接方法、焊接速度、焊矩路径规划、工件位置检测等工艺因素。特别是被焊工件的三维位置检测，一直是焊接自动化所面临的一个重要问题。焊接过程提升到自动化和人工智能化水平需要焊缝信息识别、定位与跟踪技术的相应发展。没有精确、高效且反应快速的传感器，焊接自动化的目标就无法实现。为了实现

2、焊接自动化，实时自动地获得焊缝的位置信息，已经开发了许多传感技术，其中，视觉传感器由于具有非接触、反应快速、抗干扰能力强等特点而受到广泛关注。由于熔池强光的干扰作用，主动光技术无法用于焊接熔池的信息传感，焊接熔池的自动控制通常采用被动视觉传感方法，该方法不能直接提取焊缝的深度信息，仅能通过摄像机标定、阴影恢复法、光度立体等技术实现焊缝深度信息的提取。主动光传感技术采用结构光法或光学扫描方法产生一定的激光轨迹并将其投射到待焊接的区域，利用激光三角测量原理，计算焊缝空间位置。目前，已有点状激光、单线激光

3、、双线激光、五线激光和基于线状CCD摄像机的环形激光作为焊缝位置视觉传感的应用研究，而且其中部摘要分已经进入了产品化阶段，取得了很大的成功，但其对复杂形状构件自动识别、焊缝自动跟踪时，存在着信息量少；解释模糊；跟踪精度差和仅能一维或二维方向跟踪等问题。利用线阵CCD作为接收器的环形激光视觉传感器由于同样采用三角测量方法，要求传感器各部件的空间位置符合Scheimpflug条件，所以测量效率较低，而面阵CCD的出现，使得研究工作者开发“下一代视觉传感器”成为可能。论文在调查国内外视觉传感、焊缝跟踪研究

4、的基础上，结合环形激光视觉传感思想与面阵CCD的优点，开发出一种新型的视觉传感器。提出了一种差分算法和模板方法来识别焊接接头的特征，并利用摄像机成像规律和基于锥形激光传感器的“半径．深度关系”算法，建立了焊缝特征点的三维坐标计算模型。实现了焊缝位置的迅速、准确且高效的定位与跟踪。利用正负透镜组合技术，。设计开发了一种基于环形激光的光学扫描系统，构建了环形激光视觉传感器。研究了扫描驱动系统机械振动状态对环形激光视觉器的焊缝成像的影响，提出采用理论采集效率11l、实际采集效率11：与损耗效率q3来表征电

5、枢电压变化和机械振动之间的关系。在试验的基础上，通过对电枢电压值和环形激光扫描速率参数的优化，改善了扫描驱动系统的稳定性。研究了电动机电压变化、图像细化质量和机械振动之间的关系，机械振动分析试验结果表明：当电动机电压过低时(低于11．8Ⅵ，图像采集II上海交通大学博士学位论文效率下降，从而导致环形激光焊缝图像部分数据丢失，无法获得完整的反映焊缝形态的环形激光轨迹图像，严重影响图像细化质量，在图像中表现为主体骨架周围形成许多细小毛刺，降低焊缝图像的识别精度；而当电动机电压过高时(22V-额定电压)，由

6、于电动机扭矩变大，扫描速度过快，使整个视觉传感系统发生强烈振动，可能会影响焊缝图像识别精度。本文研究了摄像机内参数和传感器系统空间参数的计算问题，利用激光法和改进的显示标定方法对摄像机内参数进行了标定。分析了激光锥体坐标系原点、摄像机比例系数、分离角对焊缝3D计算的影响，提出了一种利用激光成像的原理来计算各参数的方法。实际试验表明：该方法既避免了工具空间测量误差较大的难题、也解决了使用空间三维测量仪造成的投资较大和利用率不高的问题。标定精度能够满足焊接应用要求。论文针对环形激光焊缝图像存在的噪声问题

7、，将小波变换用于图像去噪处理，试验结果表明，3j罢Harrd',波不仅去除了环形激光焊缝图像中的噪声，而且最大程度地保留了焊缝细节信息；针对光线弱化的问题，提出了一种顺序统计量非线性滤波技术一以模板内最大值减1来代替模板中值作为计算值来进行滤波的方法，实际滤波结果表明，光线弱化问题得到完全解决；此外根据环形激光焊缝图像的特点，开发了基于灰度m摘要最大值统计与区域分割的两步法分割技术。试验结果表明，该分割方法能够实现环形激光焊缝图像的准确分割。论文讨论了如何根据图像中的二维像素坐标计算焊缝3D坐标的问

8、题，建立了三种焊缝深度计算数学模型，并给出了完整的推导公式；研究了焊缝深度(气)随着分离角(∥)的变化规律。试验结果表明，利用基于“半径．深度关系和摄像机放大系数”的焊缝3D计算模型能够实时计算多种焊缝的3D坐标；论文计算了“对接v-型坡口接头、对接I型接头、搭接接头、角接接头、环形焊缝及斜坡焊缝”的3D坐标，并将焊缝三维坐标的计算值与测量值进行对比分析，结果表明焊缝位置三维坐标的计算精度完全可以用于焊缝特征点提取、定位与跟踪，论文基于焊缝激光视觉图像分析了不同焊接接