基于双目视觉的机器人水下空间焊缝跟踪系统的研究

摘要

随着深海资源的开发，海洋工程建造规模和施工深度不断加大，而水下焊接作为海洋工程建造和维修中必不可少的技术之一，其应用要求也越来越高。在海洋工程的建造和维修中，水下工程结构均巳固定，维修时必须要适应巳有的焊缝进行作业，那么就避免不了三维焊缝的焊接，因此立体视觉将成为今后水下三维焊接的必须手段。由于深水水下焊接时水下焊工连续作业的时间短，机器人焊接作为先进焊接技术的重要标志之一，当然成为水下焊接自动化和智能化的发展方向，因此，机器人焊缝跟踪成为了其中的重要研究内容之一。
　　 论文以实现药芯焊丝水下空间焊缝跟踪为目标，建立了一套双目立体视觉的机器人水下空间焊缝跟踪系统。该系统包括双目立体视觉系统、图像处理及特征识别系统、双目视觉标定系统、立体匹配及机器人定位系统，机器人位姿调节系统、机器人焊缝跟踪及控制。
　　 根据水下焊接的特殊情况，设计一套适合水下焊缝跟踪的水下双目立体视觉系统。采用卤钨灯作为辅助光源在熔池前方进行照明，配合复合滤光片进行滤光，获取了清晰的焊缝图像。设计了相交光轴的双目摄像头装配结构，使其适应于水下焊接，并且易于匹配。
　　 针对水下焊接情况下环境恶劣，特别是在深水焊接的情况下，难以采用靶标进行水下现场标定。对机器人双目立体视觉系统采用了基于单参考点的自标定方法，为了提高自标定的精度及准确性，采用了梯度下降法精确地求出了双目视觉系统的内外参数，同时采用自制标定板进行了算法验证。
　　 水下焊接过程中存在强烈弧光、飞溅、气泡等不规则扰动、烟尘的聚集等不利因素，使焊接图像中存在着噪声干扰，在进行焊缝识别之前要进行图像的滤波处理。比较了不同的去噪滤波方法后，提出采用小波去噪图像处理方法，处理后很好地去掉了飞溅等干扰噪声。针对水下焊缝图像模糊，对比度低的特点，采用模糊增强图像处理技术，对Pal处理算法进行了改进，改进算法中采用OTSU法选择最佳阀值，提出了新的隶属度函数，实验表明，该算法提高了图像处理的效率，提取的边缘比较精细，为空间焊缝跟踪中焊缝识别及立体匹配打下了基础。
　　 采用基于极线约束的立体匹配的方法对焊缝进行空间匹配，匹配时先提取焊缝的边缘及中心线作为匹配特征。然后建立极线方程，找出两图像对应的匹配点对，最后求取二匹配点对应的空间坐标．并对机器人手眼坐标进行了转换，从而实现了基于双目视觉的机器人水下空间焊缝的定位，
　　 根据Ⅰ形对接焊缝和Ⅴ形坡口焊缝的不同特点，提出了四点法的计算原理，实现了机器人末端位姿的调节。同时进行了位姿调节实验，实验表明，所提出的算法能较好地控制机器人末端位姿的调节角度，使焊枪在焊接过程中保持较好的工作角及行走角，保证焊缝的成型质量较好，满足实际工程的需要。
　　 搭建了有效的双目立体视觉机器人水下空间焊缝跟踪硬件平台，采用VC++6．0软件开发了焊缝跟踪系统软件。利用中心检测法对焊缝的起始位置进行了机器人双目视觉引导。对Ⅰ形对接焊缝和Ⅴ形坡口焊缝进行了水下跟踪试验，试验结果表明，Ⅰ形对接焊缝的跟踪精度较Ⅴ形坡口的要高．但总的来说，跟踪精度和成型质量满足水下药芯焊丝焊接的要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪 论

1.1 前言

1.2 焊缝跟踪传感系统的发展

1.2.1 电弧传感技术

1.2.2 立体视觉传感技术

1.3 焊接机器人的应用及发展

1.3.1 焊接机器人的研究现状

1.3.2 焊接机器人的发展趋势

1.4 国内外焊缝跟踪及控制技术发展

1.4.1 国外的研究发展

1.4.2 国内的应用情况

1.5 水下焊接的研究与发展

1.5.1 水下焊接的方法及其特点

1.5.2 水下焊接技术的应用和发展

1.5.3 水下焊接研究的先进技术及趋势

1.6 本课题的研究意义、难点及主要研究内容

1.6.1 本课题的研究意义

1.6.2 本课题主要研究内容及难点

第二章 机器人水下双目立体视觉系统

2.1 引言

2.2 水下焊接中的影响因素

2.3 水下CCD视觉传感器

2.4 复合滤光系统

2.5 水下辅助光源

2.6 水下双目视觉传感器总体结构设计

2.6.1 摄像机的布局形式

2.6.2 视觉系统的装配

2.7 本章小结

第三章 机器人水下双目立体视觉系统标定

3.1 引言

3.2 摄像机内外参数模型

3.2.1 摄像机的内参数模型

3.2.2 摄像机的外参数模型

3.2.3 两摄像机的关系模型

3.3 摄像机标定

3.4 基于单参考点的机器人手眼立体视觉自标定方法

3.4.1 相对于单特征点的摄像机内外参数

3.4.2 特征原点的标定及相对于机器人末端的摄像机外参数

3.4.3 梯度下降法精确求取摄像机内外参数

3.4.4 实验与结果分析

3.5 本章小结

第四章 水下焊缝图像处理及识别

4.1 引言

4.2 水下焊缝图像采集与处理系统

4.3 水下焊缝图像噪声分析

4.4 水下焊缝图像的去噪

4.4.1 均值滤波去噪

4.4.2 中值滤波去噪

4.4.3 小波变换去噪

4.5 水下焊缝图像分割

4.6 水下焊缝图像边缘特征及检测

4.6.1 传统的边缘检测算子

4.6.2 模糊理论在图像增强中的应用

4.6.3 Pal模糊增强检测算法

4.6.4 改进的模糊增强及边缘检测算法

4.7 水下焊缝中心提取

4.8 本章小结

第五章 机器人水下双目视觉定位及位姿调节

5.1 引言

5.2 双目视觉定位

5.3 双目视觉匹配技术

5.4 机器人水下空间焊缝位置信息的匹配算法

5.4.1 基于极线约束的焊缝特征点匹配

5.4.2 匹配实验

5.5 机器人末端姿态调节

5.5.1 焊接质量的影响因素

5.5.2 机器人末端姿态的调节原理

5.5.3 机器人末端位姿调节算法

5.5.4 焊接位姿与机器人末端位姿关系

5.5.5 位姿调节实验

5.6 本章小结

第六章 机器人水下空间焊缝跟踪及控制

6.1 引言

6.2 机器人焊缝跟踪的硬件系统

6.3 机器人焊缝跟踪软件系统

6.4 基于局部环境的焊接初始位置的引导

6.4.1 焊接初始位置特征点提取

6.4.2 机器人坐标变换

6.4.3 焊接初始位置引导

6.4.4 试验及结果分析

6.5 机器人焊缝跟踪及控制

6.5.1 焊缝跟踪原理

6.5.2 工控机与机器人之问的通信

6.5.3 机器人焊缝跟踪控制

6.6 焊缝跟踪试验及结果分析

6.6.1 试验工件及焊接规范

6.6.2 跟踪试验及结果分析

6.7 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的与学位论文内容相关的学术论文

致谢