罐體內(nèi)支撐角焊縫激光視覺定位方法★

呂 波， 劉海生， 肖光潤(rùn)， 晏 濤， 王中任

（湖北文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院， 湖北 襄陽 441053）

引言

在儲(chǔ)罐罐體生產(chǎn)中，為保證罐體的強(qiáng)度和圓度，需要在容器罐內(nèi)部焊接大量的內(nèi)支撐圈，內(nèi)支撐與罐體內(nèi)表面形成角焊縫。目前罐體內(nèi)支撐的角焊縫采用人工焊接，自動(dòng)化程度低。影響焊接自動(dòng)化的原因很多，弧光和電磁干擾下的智能傳感一直是個(gè)難題[1]，因此，焊縫視覺定位具有重要的研究?jī)r(jià)值。焊縫定位的方法主要有兩種，一種采用提取上下邊緣求中點(diǎn)的方法，通過兩條直線端點(diǎn)取中點(diǎn)定位焊縫[2]。另一種直接計(jì)算激光中線，求取交點(diǎn)即焊點(diǎn),對(duì)圖像進(jìn)行濾波降噪，細(xì)化激光條紋求取中線[3]。本文擬采用高斯擬合法提取激光條紋中心，進(jìn)而求取角焊縫的位置坐標(biāo)，為研發(fā)實(shí)用化的角焊縫視覺傳感器提供支撐。

1 角焊縫圖像獲取與預(yù)處理

實(shí)驗(yàn)中選用大恒DH-HV1351UM-ML數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，該相機(jī)分辨率為1 280×1 024像素，像元尺寸為5.2μm×5.2μm，鏡頭焦距為8 mm。激光選用XR658G50型650 nm紅色線結(jié)構(gòu)光。光軸和激光器軸線成45°，如圖1。紅色激光照射在“L”形內(nèi)撐反射到相機(jī)傳感器CMOS上生成圖像，如圖2。

圖1 相機(jī)和激光位置關(guān)系

圖2 角焊縫圖片

1.1 圖像轉(zhuǎn)化成單通道圖像

由于罐體內(nèi)表面灰度值隨機(jī)散分布的原因，為驗(yàn)證算法的通用性，進(jìn)行多次圖像采集。采集結(jié)果如圖3分別為有無點(diǎn)焊部分。采集的圖像為三通道圖像，通過（1）式把三通道圖像轉(zhuǎn)變成灰度圖像。

式中：F（x，y）表示轉(zhuǎn)變后單通道圖像；R（x，y），G（x，y），B（x，y），分別表示三通道圖像中每個(gè)像素的紅、綠、藍(lán)分量。

1.2 濾波平滑

角焊縫光學(xué)性質(zhì)介于漫反射與鏡面反射之間[4]，焊縫表面的激光會(huì)反射，散射在相鄰表面，產(chǎn)生椒鹽噪聲。焊接弧光會(huì)產(chǎn)生高斯噪聲。選用中值濾波除去椒鹽噪聲，一維高斯濾波除去高斯噪聲。高斯濾波函數(shù)為：

式中：σ2為方差，確定高斯模板的權(quán)值。高斯濾波是對(duì)整幅圖像進(jìn)行加權(quán)平均運(yùn)算的過程，每一個(gè)像素值均是由其本身和領(lǐng)域內(nèi)的其他像素加權(quán)平均算得。高斯濾波的平滑過程：用一個(gè)模板掃描圖像中的每一個(gè)像素。用模板確定領(lǐng)域內(nèi)像素的加權(quán)值代替模板中心點(diǎn)的像素值。在這里選用算子gen_gauss_filter（）進(jìn)行濾波平滑，降低噪聲。比較濾波后效果，如圖3。

圖3 圖像濾波的比較

1.3 固定閾值

單通道圖像像素范圍在0～255之間，由于激光的灰度值和罐體的灰度值基本不變，且激光的灰度值和高壓容器的灰度值有明顯的灰度差，故用閾值分割將激光和罐體內(nèi)壁分開。固定閾值的原理：

固定閾值分割是將原圖像感興趣區(qū)域內(nèi)灰度值fr，c處于gmin和gmax范圍之內(nèi)的所有像素全部輸出到區(qū)域S中。gmin和gmax選取基于直方圖的峰谷算法，當(dāng)圖像灰度值方圖得到兩個(gè)唯一極大值和它們之間的一個(gè)唯一極小值，此時(shí)可選定合適的閾值。罐體內(nèi)壁的灰度值偏小，激光的灰度值偏大，通過分析灰度直方圖知小于近似極小值的區(qū)域?yàn)楦邏喝萜鞴迌?nèi)部，大于近似極小值的區(qū)域?yàn)榘缚p的區(qū)域，因此這里選用 gmin=99，gmax=255。

1.4 求直線的交點(diǎn)

提取結(jié)構(gòu)光照射區(qū)域，使用connection（）算子將圖像像素相連的區(qū)域合并成一個(gè)元素，以便后面對(duì)感興趣區(qū)域的選擇?；诿娣e特征提取獲得目標(biāo)區(qū)域，使用lines_gauss（）算子提取結(jié)構(gòu)光的中心線。提取的中心線有三段長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其它線段，且目標(biāo)線段長(zhǎng)度分別為最長(zhǎng)與次長(zhǎng)，基于長(zhǎng)度特征提取，篩選得到目標(biāo)線段。為得到更為準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)光中心線，使用fit_line_contours_xld（）對(duì)亞像素線段進(jìn)行線性回歸擬合，如圖4所示。圖像中不可避免地會(huì)存在一些噪點(diǎn)影響直線擬合的精度，根據(jù)每個(gè)點(diǎn)到線距離的遠(yuǎn)近為其引入權(quán)重 w（δ），w（δ）使用 halcon 內(nèi)部提供的Turky權(quán)重函數(shù)，定義如下：

τ代表削波因數(shù)，忽略距離δ＞τ的點(diǎn)，其權(quán)重值在0～1之間[5]。使用intersection_ll( )算子對(duì)擬合后的直線求取交點(diǎn)即為焊點(diǎn)，如圖5所示。

圖4 亞像素提取

圖5 交點(diǎn)求取結(jié)果

2 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 相機(jī)的標(biāo)定

標(biāo)定相機(jī)驗(yàn)證上述方法穩(wěn)定性和確定提取精度。實(shí)驗(yàn)設(shè)備與上述相同，標(biāo)定板選用60 mm×60 mm圓點(diǎn)型，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景，如圖6所示，采用如圖7所示圓點(diǎn)相機(jī)標(biāo)定板。為測(cè)試方便，選取焊縫局部進(jìn)行標(biāo)定。因不需深度信息，默認(rèn)標(biāo)定焊點(diǎn)的世界坐標(biāo)Zw=0。標(biāo)定板與焊縫共面，相機(jī)鏡頭與標(biāo)定平面的距離為300 mm。標(biāo)定后相機(jī)內(nèi)外參數(shù)如表1、表2所示。

2.2 結(jié)果分析

為驗(yàn)證該方法，提取焊縫定位焊點(diǎn)的精度，在不同位置采集圖片，采集前先使用精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺測(cè)得焊點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)，與標(biāo)定計(jì)算得到的焊點(diǎn)坐標(biāo)比較（見表3，由于版面有限，只列出部分測(cè)得值），并分別將X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)，綜合位置偏差制成更為直觀的折線圖（圖8）。由圖8可見，綜合誤差值小于0.8 mm，滿足實(shí)際焊接精度要求。

圖6 模擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

圖7 標(biāo)定板

表1 相機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定值

表2 相機(jī)外參數(shù)

3 結(jié)論

實(shí)現(xiàn)了一種罐體角焊縫的視覺識(shí)別定位，對(duì)圖像預(yù)處理過程、特征提取、直線擬合原理、標(biāo)定規(guī)則進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法可以快速提取焊點(diǎn)且與實(shí)際焊點(diǎn)的偏差在0.8 mm以內(nèi)，滿足實(shí)際焊接精度要求，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊提供了數(shù)據(jù)支持。

表3 焊點(diǎn)坐標(biāo)比較

圖8 誤差分析