基于三線激光結(jié)構(gòu)光的船體大拼接焊縫交叉類型辨識

李冬明， 張 軻， 薛士枚， 陳易新， 顏 樂

(1.上海江南長興造船有限責(zé)任公司， 上海 201913； 2.上海交通大學(xué) 焊接與激光制造研究所， 上海 200240；3.滬東中華造船(集團)有限公司， 上海 200129)

0 引 言

船體分段合龍的大拼接焊縫在噴漆之前必須在船塢現(xiàn)場進行除銹工作，而建造完工的大型船體結(jié)構(gòu)件的除銹工作量巨大，傳統(tǒng)采用高空作業(yè)車或吊籃方式的人工噴砂除銹不僅效率低、污染環(huán)境、危害人體健康，而且存在安全隱患。采用環(huán)保無塵除銹爬壁機器人則可實現(xiàn)98%的磨料回收和99%的無粉塵排放，該機器人具有大范圍移動的靈活性，可顯著提升除銹效率，降低工人的勞動強度和安全性。相關(guān)研究人員在這方面已開展大量的研究和應(yīng)用工作[1]。薛正雄等[2]、衣正堯等[3]和XU等[4]研制的各類大拼接焊縫噴砂除銹爬壁機器人已在各大船廠初步應(yīng)用。

現(xiàn)有的爬壁機器人主要應(yīng)用于大范圍的移動除銹，不具備焊縫線自動檢測和跟蹤功能，對特定船體分段的大拼接焊縫的除銹還需人工手動操控。如果爬壁機器人具有焊縫線的自動跟蹤功能，其除銹效率和智能化程度將大幅提高。

針對焊接線的辨識、定位和檢測進行的研究有：ZENG等[5]設(shè)計一套被動視覺識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)可運用不同方向的光源實現(xiàn)對焊縫雙輪廓的識別； XU等[6]使用被動視覺技術(shù)進行鎢極惰性氣體保護焊(Gas Tungsten Arc Weld, GTAW)焊接過程中的焊縫信息捕捉；HE等[7]提出線結(jié)構(gòu)光的多道焊坡口識別和特征點提取方案；ZHANG等[8]提出十字結(jié)構(gòu)光的焊縫檢測方案。

船體外板等大型結(jié)構(gòu)件上既有橫向焊縫，又有縱向焊縫，不同方向的焊縫相互交叉，如T字交叉和十字交叉。在這種情況下，僅進行焊縫辨識還不夠，則還需要對焊縫的交叉類型進行辨識，以便于根據(jù)交叉類型做出運動路徑規(guī)劃和決策。王志剛等[9]提出一種基于雙電荷耦合器件(Charge-Coupled Device, CCD)外加輔助光源的被動視覺焊縫跟蹤方法，但該方法對環(huán)境光的穩(wěn)定性有較高的要求，也無法準(zhǔn)確地對交叉焊縫的接頭類型進行辨識。有人嘗試用單條紋激光結(jié)構(gòu)光辨識焊縫交叉類型，該結(jié)構(gòu)光雖然受環(huán)境光影響較小，但識別焊縫接頭的信息不足，辨別交叉類型也較困難。

在前期研究[10]的基礎(chǔ)上提出一種基于三線激光焊縫線檢測方法，不但可以利用3條相互平行的線激光對焊縫偏差進行實時辨識，還可利用光帶形狀的變化和3條光帶的間距變化實現(xiàn)對焊縫是否交叉及交叉類型的判定，為機器人的運動路徑提供決策，實現(xiàn)爬壁機器人的全自主移動除銹，與原有的CCD方法相比，該方法準(zhǔn)確、可靠，判定焊縫交叉類型更為簡便。

1 三線激光結(jié)構(gòu)光焊縫辨識系統(tǒng)

圖1所示為噴砂除銹爬壁機器人的運動場景，爬壁機器人對船體分段的縱向焊縫或橫向焊縫進行噴砂除銹，實現(xiàn)全自主移動除銹需要爬壁機器人具有焊縫辨識功能，不僅能識別焊縫進行焊接路徑糾偏，而且能對縱橫交錯的接頭類型進行辨識。

圖1 噴砂除銹機器人全自主跟蹤除銹應(yīng)用場景

所提出的三線激光結(jié)構(gòu)光傳感器原理如圖2所示。激光器傾斜一定角度，發(fā)出的激光條紋傾斜投射到工件和焊縫表面，3條激光條紋相互平行，距離相等，通過調(diào)整激光器的高度可調(diào)整3條激光條紋間的距離，相機垂直拍攝發(fā)生畸變的3條激光條紋，基于激光器、相機及工件位置之間的三角幾何關(guān)系，可判定焊縫的空間位置?；诩す鈼l紋掃描焊縫時的特征變化和3條激光條紋間的關(guān)系，可準(zhǔn)確辨識交叉焊縫的接頭類型。

圖2 三線激光結(jié)構(gòu)光分別照射在不同焊縫的原理示例

2 交叉焊縫類型辨識

正確識別焊縫交叉類型是實現(xiàn)爬壁機器人全自主除銹的前提。焊件表面狀態(tài)的變化會影響激光光帶形狀的變化，而激光光帶形狀的變化也會導(dǎo)致激光條紋在相機中成像的變化。單條激光條紋的特征變化能反映當(dāng)前掃描到的焊縫截面特征的變化，而3條激光條紋前后距離的變化則能反映當(dāng)前焊縫是否處于交叉狀態(tài)和交叉類型。圖3反映了3條激光條紋經(jīng)過不同焊縫類型時激光條紋特征的變化，其中L1、L2和L3分別表示3條激光條紋，H1、H2和H3分別表示相應(yīng)每條激光條紋的高度差，D1表示第2條激光條紋L2和第1條激光條紋L1之間的距離，D2表示第3條激光條紋L3和第2條激光條紋L2之間的距離。當(dāng)?shù)?條激光條紋L2掃描到橫向焊縫時，激光條紋形態(tài)發(fā)生了明顯的變化，其外形由包含特征點的典型形態(tài)朝接近直線的方向變化，光帶在y方向上的范圍減小，激光條紋被縱向壓縮；而從激光條紋之間的相互關(guān)系來看，L2與前后激光條紋的間距發(fā)生了明顯變化，其與L1的間距減小，而與L3的間距則明顯增大。由此可見，通過激光條紋自身特征的變化及其與前后激光條紋之間的位置關(guān)系，可準(zhǔn)確判定焊縫的交叉類型。

圖3 不同焊縫類型激光條紋特征變化

為反映三線激光條紋特征的變化，準(zhǔn)確識別焊縫交叉以及交叉的類型，定義以下變量：

(1)Hi=max[Yi]-min {Yi}，其中Yi為第i條光帶骨架點的y坐標(biāo)集合，Hi反映了光帶沿y方向的變化特征；

(2)Mi=median{Yi}，Mi為骨架點y坐標(biāo)的中位數(shù)，反映了骨架點的普遍位置；

(3)Di=Mi+1-Mi，Di反映了前后激光條紋之間的位置關(guān)系變化。

根據(jù)定義，Hi、Di均為相對量。下面分析三線激光條紋掃描交叉焊縫過程中的特征變化，并據(jù)此建立焊縫交叉類型的判定準(zhǔn)則。

2.1 十字交叉焊縫激光條紋特征變化

激光通過十字交叉焊縫的最顯著特征是L2到交叉焊縫時，3條激光條紋前后間的距離D1迅速減小、D2迅速增大(見圖4虛線框A部分)，這表示中間的激光光帶經(jīng)過十字交叉部位整體被抬升，L1與L2間距D1減小，L2與L3間距D2增大。與此同時，在H1、H3保持相對穩(wěn)定的情況下H2迅速減小，表明通過十字交叉焊縫時L2在y方向上被壓縮。

圖4 十字交叉焊縫激光條紋特征變化

2.2 T字交叉焊縫激光條紋特征變化

與通過十字交叉焊縫相同，當(dāng)三線激光條紋經(jīng)過T字交叉焊縫時也存在D1迅速減小、D2迅速增大的時刻，不同之處在于當(dāng)L2通過T字交叉部位時L1已進入焊件的平面區(qū)域，此時H1與H2均處于低值，表明2條光帶均被壓縮。此外，隨著L2逐漸離開交叉部位，H2的值會出現(xiàn)短暫上升(見圖 5虛線框B部分)，這是由于L2離開交叉部位后也進入平板區(qū)域，光帶主體回落但仍有邊緣地帶處于交叉部位的高位焊縫上。

圖5 T字交叉焊縫激光條紋特征變化

2.3 焊縫交叉類型辨識模型

為實現(xiàn)船體外板大拼接焊縫的全自主除銹，除了十字交叉焊縫和T字交叉焊縫外，還需識別直線焊縫(未交叉焊縫)、工件平面和不具有上述特征的其他情況等。

當(dāng)激光條紋掃描直線焊縫時，3條激光條紋前后之間的距離D1和D2基本不變或者變化很小，且L2仍然保持焊縫截面曲線的正常特征而未被壓縮，即H2仍然是一個較大的值且基本不變。

當(dāng)激光條紋掃描工件表面而非焊縫時，雖然激光條紋前后之間的距離D1和D2基本不變，但條紋特征有一處顯著的不同，即3條激光條紋的高度H1、H2和H3基本為零，未發(fā)生畸變。根據(jù)上述規(guī)律，建立焊縫交叉類型識別模型：

(1)

在上述模型中，ε(|D1-D2|-T1)用于判斷激光是否進入焊縫交叉處，若不是則函數(shù)值為0。[ε(H1-Hr)+ε(H2-Hr)+ε(H3-Hr)]用于辨識當(dāng)前y方向上未被壓縮的激光條紋數(shù)。S值代表模型識別的焊縫交叉類型，如表1所示。

表1 不同焊縫類型特征的S值

3 試驗和驗證

為驗證所提出的焊縫交叉類型辨識算法的有效性，在一個模擬船體外板的曲面板上進行測試，如圖6所示。在測試過程中，機器人沿焊縫線以1 m/min的速度移動，移動機器人先后經(jīng)過直線焊縫和十字交叉焊縫，使用三線激光對焊件進行正掃和斜掃，掃描部位包括直焊縫和十字交叉部位。掃描路徑為直線，行進速度為10 mm/s，每隔100 ms用攝像機拍照取樣，分別得到172 張、203張不同類型樣圖。

圖6 三線激光焊縫接頭類型辨識試驗

圖 7所示為十字交叉類型焊縫辨識結(jié)果。圖8所示為三線激光經(jīng)過十字交叉焊縫時條紋特征變化及算法識別結(jié)果。從圖7可以看出，在直線焊縫區(qū)域激光條紋的高度特征與激光條紋之間的距離特征基本平穩(wěn)，無較大的波動，當(dāng)激光條紋掃描到交叉焊縫區(qū)域時，激光條紋特征出現(xiàn)3個顯著波動的區(qū)域，A區(qū)為L1掃描到交叉焊縫時的情況，L1的高度特征H1發(fā)生顯著變化，同時D1增大而D2保持不變，由于此時H2、H3和D2未顯著變化，因此無法判斷是否已到交叉焊縫區(qū)域及交叉焊縫的類型。當(dāng)掃描到B區(qū)時，L3狀態(tài)不變，L1已經(jīng)掃描到直線焊縫區(qū)域，H1狀態(tài)恢復(fù)正常，H2發(fā)生明顯畸變，逐漸被壓縮，激光條紋整體抬高而條紋高度被壓縮，導(dǎo)致D1逐漸減小，D2隨著L2的整體抬升顯著增大，根據(jù)模型方程，此時S值為3，顯然此時可明確判斷激光條紋掃描到十字交叉焊縫。同理，當(dāng)激光條紋繼續(xù)向前掃描時，L2逐漸進入直線焊縫區(qū)域，此時條紋高度特征H1和H2恢復(fù)正常，D1也逐漸恢復(fù)正常，D2和H3也發(fā)生顯著變化，當(dāng)繼續(xù)向前掃描時，激光條紋進入直線焊縫區(qū)域，距離特征和高度特征又恢復(fù)正常狀態(tài)。

圖7 十字交叉類型焊縫辨識結(jié)果

圖8 三線激光經(jīng)過十字交叉焊縫時條紋特征變化

圖 9所示為T字交叉類型焊縫的辨識結(jié)果。圖10所示為三線激光經(jīng)過T字交叉焊縫時條紋特征變化及算法識別結(jié)果。在A區(qū)的高度特征和距離特征的變化有些類似，在B區(qū)時，L1的高度特征變化比A區(qū)更大一些，表明激光條紋掃描到工件平面上，L2位于交叉焊縫上，激光條紋被壓縮，此時H2也發(fā)生顯著變化，同時D1逐漸變小再逐漸變大，D2則逐漸變大再逐漸變小，條紋特征發(fā)生顯著變化，根據(jù)模型方程，此時S值為2，表明激光掃描處為T字交叉焊縫。當(dāng)激光條紋繼續(xù)進行掃描時，激光條紋進入C區(qū)，L1和L2都進入工件平面區(qū)域，L3逐漸掃描交叉焊縫區(qū)域，因此H3顯著變化，D2逐漸減小。

圖9 T字交叉類型焊縫辨識結(jié)果

圖10 三線激光經(jīng)過T字交叉焊縫時條紋特征變化

從上述結(jié)果可知，基于上述模型，能準(zhǔn)確地辨識當(dāng)前激光條紋掃描處的焊縫類型，從而為拼接焊縫的全自主除銹控制策略奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

針對船體外板的縱橫交叉大拼接焊縫的自動化除銹，提出采用三線激光結(jié)構(gòu)光的方法，對除銹過程中的焊縫交叉類型的辨識展開研究，結(jié)論如下：

(1) 提出一種基于三線結(jié)構(gòu)光的焊縫交叉類型識別方法。采用激光結(jié)構(gòu)光的主動視覺傳感方式提高系統(tǒng)抗干擾能力，3條激光的存在可進一步提高系統(tǒng)的容錯能力，增強識別的可靠性。

(2) 根據(jù)三線激光的特性定義描述激光形態(tài)和激光條紋間距的5個變量，根據(jù)十字焊縫交叉和T字焊縫交叉特征參量的變化規(guī)律，建立辨識焊縫交叉類型的識別模型。

(3) 試驗結(jié)果表明，采用三線激光條紋與焊縫類型識別模型可有效地識別焊縫，為爬壁機器人焊縫的跟蹤、定位和軌跡規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。