基于激光视觉的焊缝跟踪系统方案
基于激光视觉的焊缝跟踪及纠偏系统
硕士学位论文MASTER DISSERTATION基于激光视觉的焊缝跟踪及纠偏系统Welding Seam Tracking and Correcting System Based on Laser Vision作者沈鹏程校内导师孙坚教授校外导师倪鹏专业领域控制工程中国计量学院二〇一五年六月Welding Seam Tracking and Correcting System Based on Laser VisionByPengcheng ShenA Dissertation Submitted toChina Jiliang UniversityIn partial fulfillment of the requirementFor the degree ofMaster of EngineeringChina Jiliang UniversityJune, 2015中图分类号TP242.2 学校代码10356 UDC621.3 密级公开硕士学位论文MASTER DISSERTATION基于激光视觉的焊缝跟踪及纠偏系统Welding Seam Tracking and Correcting System Based on Laser Vision作者沈鹏程专业领域控制工程校内导师孙坚教授校外导师倪鹏申请学位工学硕士论文类型应用研究二〇一五年六月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国计量学院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解中国计量学院有关保留、使用学位论文的规定。
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基于激光视觉传感器的机器人实时焊缝跟踪方法
第５１卷 第４期 激光与红外Ｖｏｌ．５１，Ｎｏ．４ ２０２１年４月 ＬＡＳＥＲ ＆ ＩＮＦＲＡＲＥＤＡｐｒｉｌ，２０２１ 文章编号：１００１ ５０７８（２０２１）０４ ０４２１ ０７·激光应用技术·基于激光视觉传感器的机器人实时焊缝跟踪方法陈新禹，张庆新，朱琳琳，胡 为（沈阳航空航天大学自动化学院，辽宁沈阳１１０１３６）摘 要：为实现变姿态焊接过程的实时焊缝跟踪，提出基于机器人坐标系下绝对焊缝轨迹的实时跟踪算法。
将线式激光传感器安装在机器人的法兰盘上，且位于焊枪运行的前方。
焊接过程中，激光传感器连续采集焊缝位置信息，并结合手眼标定矩阵以及机器人实时姿态，将传感器采集的焊缝坐标转换到机器人基础坐标系下，从而形成空间绝对焊缝轨迹；再根据焊枪的当前位置与焊缝的空间绝对轨迹生成位置偏差。
为了提高计算精度，提出采用三次非均匀有理Ｂ样条进行数据插值和检索；最后，将位置偏差变换到焊枪工具坐标系下进行实时修正。
实验结果表明：该跟踪算法能够实现焊接机器人针对变姿态焊接过程的连续跟踪，跟踪过程平滑光顺，跟踪整体精度优于０ ５ｍｍ。
基本满足焊缝实时跟踪应用的一般要求。
关键词：焊缝跟踪；实时跟踪；样条插值；激光传感器；焊接机器人中图分类号：ＴＰ２４２ ２ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１ ５０７８．２０２１．０４．００４ＴｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｒｅａｌｔｉｍｅｓｅａｍｔｒａｃｋｉｎｇｆｏｒｒｏｂｏｔｉｃｗｅｌｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｌａｓｅｒｖｉｓｉｏｎｓｅｎｓｏｒＣＨＥＮＸｉｎ ｙｕ，ＺＨＡＮＧＱｉｎｇ ｘｉｎ，ＺＨＵＬｉｎ ｌｉｎ，ＨＵＷｅｉ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＳｈｅｎｙａｎｇＡｅｒｏｓｐａｃｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０１３６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅａｌｉｚｅｒｅａｌ ｔｉｍｅｓｅａｍｔｒａｃｋｉｎｇｗｈｉｌｅｃｈａｎｇｉｎｇｗｅｌｄｉｎｇｔｏｒｃｈ′ｓｇｅｓｔｕｒｅ，ａｎｏｖｅｌｔｒａｃｋｉｎｇｓｔｒａｔｅｇｙｂａｓｅｄｏｎａｂｓｏｌｕｔｅｓｅａｍｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ Ｔｈｅｌｉｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｌａｓｅｒｓｅｎｓｏｒｉｓｍｏｕｎｔｅｄｏｎｔｈｅｆｌａｎｇｅｏｆｒｏｂｏｔｉｎｔｈｅｆｒｏｎｔｏｆｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｔｏｒｃｈ Ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｌａｓｅｒｓｅｎｓｏｒｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙｃｏｌｌｅｃｔｓｔｈｅｓｅａｍｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｓｅｎｓｏｒｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍ Ｕｓｉｎｇｈａｎｄ ｅｙｅｍａｔｒｉｘａｎｄｒｏｂｏｔｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｇｅｓｔｕｒｅｍａｔｒｉｘ，ｔｈｅｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｖａｌｕｅｃａｎｂｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄｆｒｏｍｓｅｎｓｏｒｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍｉｎｔｏｒｏｂｏｔｂａｓｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈｆｏｒｍｅｄｔｈｅａｂｓｏｌｕｔｅｓｅａｍｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ；ｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｄｅｖｉａｔｉｏｎｃａｎｂｅｃｏｍｐｕｔｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｔｏｒｃｈａｎｄｔｈｅａｂｓｏｌｕｔｅｓｅａｍｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ａｍｅｔｈｏｄｏｆｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｃｕｂｉｃｎｏｎｕｎｉｆｏｒｍｒａｔｉｏｎａｌＢ ｓｐｌｉｎｅｓｉｓａｄｄｒｅｓｓｅｄ；ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｄｅｖｉａｔｉｏｎｉｓｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄｔｏｔｈｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍｏｆｗｅｌｄｉｎｇｔｏｒｃｈｔｏｏｌｆｏｒｒｅａｌ ｔｉｍｅｐｏｓｉｔｉｏｎｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｎｏｖｅｌｓｔｒａｔｅｇｙｃａｎｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｓｍｏｏｔｈｌｙｔｒａｃｋｉｎｇｗｈｉｌｅｃｈａｎｇｉｎｇｔｏｒｃｈ′ｓｇｅｓｔｕｒｅｉｎｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎｄｉｔｓｔｒａｃｋｉｎｇｅｒｒｏｒｉｓｂｅｔｔｅｒｔｈａｎ０ ５ｍｍｗｈｉｃｈｓａｔｉｓｆｉｅｓｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃｗｅｌｄｉｎｇＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅａｍｔｒａｃｋｉｎｇ；ｒｅａｌ ｔｉｍｅｔｒａｃｋｉｎｇ；ｓｐｌｉｎｅｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ；ｌａｓｅｒｓｅｎｓｏｒ；ｗｅｌｄｉｎｇｒｏｂｏｔ基金项目：国家自然科学基金项目（Ｎｏ．６１５０３２５６）；辽宁省自然科学基金联合基金项目（Ｎｏ．２０１５０２００６１）资助。
基于激光视觉的螺旋焊管内外焊焊缝跟踪系统
接头几何形状 的测量基础上 ， 他不受工件 的表面
形 态或 焊 接过 程 的影 响 。 Ｖｓ ｌ 统 结 构 框 图 如 图 １所 示 ， 统 ｉａＷｅｄ系 ｔ 系
吸收国外先进技术 ， 将英 国 Ｍ Ｔ Ｅ Ａ公 司 自动 图像 识别跟踪技术成 功地应用 到螺旋 焊管生 产工艺
中 ， 得 了 良好 的 效果 。这 项 技 术 采 用 视 频 摄 像 取
０ 前
言
本 文介 绍一 种新 型 的基 于激 光视 觉 的 内外 焊 跟踪 系 统 Ｖｓ ｌ， 系 统 采 用 非 接 触 式 激 光 ｉａＷｅ 该 ｔ ｄ 视觉 传感 器 ， 采用 一套 控 制 器 同 时控 制 内焊 和 外 焊焊 枪 ， 而 保证 焊 缝成形 的均匀 一 致性 。 从
等 其它 光源 的影 响 。
（） ｃ 内焊焊缝 图像 （） ｄ 内焊焊缝位置分析 结果
图 ３ 内 外 焊 焊 缝 图像 处 理
如果 发 现 当前 的焊枪 位 置与 观察 到 的焊缝 位 置之 问有 偏差 ，Ｃ机 就将 控制 指令 发 送 给 可编 程 Ｐ 控 制 器 （ Ｌ ，Ｐ Ｃ输 出模 拟 信 号 驱 动 电机驱 Ｐ Ｃ） 由 Ｌ
外焊（ Ｄ 传 感器 ０）
暑三 ＿ 塞 ＝驷 厂 ［ － ｛
—
～
内、 外焊 【 ， 由于图像来源 于强度 不高 的 自然 ４但 Ｊ 光， 对不 同管径 、 不同类型焊缝坡 口及遇到焊漏等
情况 时 ，Ｃ 的 图像 就 有 可 能 无 法 处 理 和 识 别 ， ＣＤ 需要 手工 干 预 。这是 我们 今后 要 解决 的课题 。
主要包 括激光传感器 、 控制器 、 操作者控制单元 、
机 头调 整机 构 四个 部分 。
焊缝跟踪技术
xi (xu cx ) sx
yi
( yu
cy )
sy
xu,yu,cx,cy：像素坐标Ou
sx, sy：单位距离上的像素点
.
3
1
D
O
β
h
P
ΔZ
F1 F
f
FF1=I
2
3
4
1.激光发生器 D成像靶面 D摄像机透镜 4.被测平面
htgaD rctIg/ f
ZhDtg
.
4
1
4
5
2
6
姿态修正
实际轨迹 修正后轨迹
示教轨迹
ε ：设定偏差 0.2-0.3 mm
姿态修正较复杂，一般传感系统不采用
.
9
激光扫描焊缝跟踪传感器
.
传感器控制系统
10
长征系列火箭贮箱箱底. 机器人自动焊接系统
11
双目视觉导引/跟踪、熔透控制传感器系统
.
12
双目视觉导引/跟踪、熔透. 控制传感器系统
13
基于视觉传感的多机器人智能化焊接系统
第6章 焊缝跟踪技术
1. 激光扫描视觉传感器原理 2. 焊缝类型识别和特征提取 3. 机器人直接视觉跟踪系统实现
.
1
一、激光扫描视觉传感器原理
基 于 三 角 测 量 原 理
.
2
标定
需标定的摄像机内参数有 (cx, cy)，sx，sy，k及f 等六个参数
xi
yi
xn (1 kr 2 ) yn (1 kr 2 )
Δ
激光扫描Y型坡口轮廓线
.
6
V/Y型坡口接头轮廓模式示意图
搭接接头轮廓模式示意图
对接无坡口轮廓示意图
基于改进TLD算法的激光视觉传感型焊缝跟踪
第４５卷 第３期２０２１年５月激 光 技 术ＬＡＳＥＲＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．４５，Ｎｏ．３Ｍａｙ，２０２１ 文章编号：１００１ ３８０６（２０２１）０３ ０２９２ ０６基于改进ＴＬＤ算法的激光视觉传感型焊缝跟踪杜健准１，高向东１，黎扬进１，肖小亭１，孙友松１，卢新钊２（１．广东工业大学广东省焊接工程技术研究中心，广州５１０００６；２．广东精泰人防工程有限公司，肇庆５２６２３８）摘要：为了解决基于线激光视觉传感的焊缝中心位置定位精度不高的问题，采用了一种基于改进跟踪 学习 检测（ＴＬＤ）算法的焊缝跟踪方法。
由激光视觉传感器实时获取焊缝图像，采用将跟踪器与检测器结合的ＴＬＤ算法实时跟踪焊缝特征点，同时通过在线学习机制更新分类器参量。
在此基础上对激光条纹图像截取感兴趣区域，大幅减少检测器的搜索区域；根据激光条纹光强分布特性，结合纠偏方向选取跟踪器有效特征点，以此提高算法效率，对不锈钢板Ｖ型焊缝和搭接焊缝进行跟踪试验。
结果表明，跟踪与检测可实现共同定位焊缝中心位置，其融合的焊缝跟踪方法能够准确地提取焊缝特征点，两种焊缝跟踪平均绝对误差分别为０．０６２ｍｍ和０．０５２ｍｍ。
此方法为提高焊缝跟踪精度提供了依据。
关键词：图像处理；焊缝跟踪；跟踪 学习 检测算法；激光视觉中图分类号：ＴＮ２４９；ＴＧ４０９ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０ ７５１０／ｊｇｊｓ ｉｓｓｎ １００１ ３８０６ ２０２１ ０３ ００４ＡｌａｓｅｒｖｉｓｉｏｎｓｅｎｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄｆｏｒｓｅａｍｔｒａｃｋｉｎｇｂａｓｅｄｏｎａｎｉｍｐｒｏｖｅｄＴＬＤａｌｇｏｒｉｔｈｍＤＵＪｉａｎｚｈｕｎ１，ＧＡＯＸｉａｎｇｄｏｎｇ１，ＬＩＹａｎｇｊｉｎ１，ＸＩＡＯＸｉａｏｔｉｎｇ１，ＳＵＮＹｏｕｓｏｎｇ１，ＬＵＸｉｎｚｈａｏ２（１．ＧｕａｎｇｄｏｎｇＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＷｅｌｄｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒ，ＧｕａｎｇｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０００６，Ｃｈｉｎａ；２．ＧｕａｎｇｄｏｎｇＪｉｎｇｔａｉＣｉｖｉｌＡｉｒＤｅｆｅｎｓｅＰｒｏｊｅｃｔｓＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｚｈａｏｑｉｎｇ５２６２３８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｌｏｗｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｗｅｌｄｓｅａｍｃｅｎｔｅｒｂａｓｅｄｏｎｌｉｎｅｌａｓｅｒｖｉｓｉｏｎｓｅｎｓｉｎｇ，ａｓｅａｍｔｒａｃｋｉｎｇｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎａｎｉｍｐｒｏｖｅｄｔｒａｃｋｉｎｇ ｌｅａｒｎｉｎｇ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ（ＴＬＤ）ａｌｇｏｒｉｔｈｍｗａｓａｄｏｐｔｅｄ．Ｔｈｅｗｅｌｄｉｍａｇｅｓｗｅｒｅａｃｑｕｉｒｅｄｉｎｒｅａｌｔｉｍｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｗｅｌｄｓｅａｍｔｒａｃｋｉｎｇ．ＴｈｅＴＬＤａｌｇｏｒｉｔｈｍｃｏｍｂｉｎｉｎｇｔｈｅｔｒａｃｋｅｒ（ｔｒａｃｋｉｎｇ）ａｎｄｔｈｅｄｅｔｅｃｔｏｒ（ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）ｗａｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｔｒａｃｋｗｅｌｄｆｅａｔｕｒｅｐｏｉｎｔｓｉｎｒｅａｌｔｉｍｅａｎｄｔｈｅｏｎｌｉｎｅｌｅａｒｎｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ（ｌｅａｒｎｉｎｇ）ｗａｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｕｐｄａｔｅｔｈｅｃｌａｓｓｉｆｉｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｓｏａｓｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｓｅａｍｔｒａｃｋｉｎｇ．Ｏｎｔｈｉｓｂａｓｉｓ，ｔｈｅｒｅｇｉｏｎｏｆｉｎｔｅｒｅｓｔ（ＲＯＩ）ｗａｓｉｎｔｅｒｃｅｐｔｅｄｆｒｏｍｔｈｅｌａｓｅｒｓｔｒｉｐｅｉｍａｇｅｓ，ｗｈｉｃｈｇｒｅａｔｌｙｒｅｄｕｃｅｄｔｈｅｄｅｔｅｃｔｏｒ’ｓｓｅａｒｃｈａｒｅａ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｆｅａｔｕｒｅｐｏｉｎｔｓｏｆｔｈｅｔｒａｃｋｅｒｗｅｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｌｉｇｈｔｉｎｔｅｎｓｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｌａｓｅｒｓｔｒｉｐｅｉｎｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｒｅｃｔｉｆｙｉｎｇｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．ＴｈｅＶ ｓｈａｐｅｄｗｅｌｄａｎｄｔｈｅｌａｐｐｅｄｗｅｌｄｏｆｔｈｅｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｐｌａｔｅｗｅｒｅｔｒａｃｋｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｅａｍｃｅｎｔｅｒｃａｎｂｅａｃｈｉｅｖｅｄｂｙｔｒａｃｋｉｎｇａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｎｇａｎｄｔｈｅｆｕｓｉｏｎｗｅｌｄｔｒａｃｋｉｎｇｍｅｔｈｏｄｃａｎａｃｃｕｒａｔｅｌｙｅｘｔｒａｃｔｗｅｌｄｆｅａｔｕｒｅｐｏｉｎｔｓ．Ｔｈｅｍｅａｎａｂｓｏｌｕｔｅｔｒａｃｋｉｎｇｅｒｒｏｒｓｏｆｂｏｔｈｗｅｌｄｓｅａｍｓｗｅｒｅ０．０６２ｍｍａｎｄ０．０５２ｍｍ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｂａｓｉｓｆｏｒｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｗｅｌｄｓｅａｍｔｒａｃｋｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ｓｅａｍｔｒａｃｋｉｎｇ；ＴＬＤａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｌａｓｅｒｖｉｓｉｏｎ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１６７５１０４）；广州市科技计划资助项目（２０２００２０２００６８）；广东省教育厅创新团队资助项目（２０１７ＫＣＸＴＤ０１０）作者简介：杜健准（１９９４ ），男，硕士研究生，主要从事焊接自动化方面的研究。
基于激光视觉的焊缝跟踪系统方案
基于激光视觉的焊缝跟踪系统一、焊缝自动跟踪系统构成基于激光视觉传感,具有主动性、非接触、能获取物体的三维信息、灵敏度精度高、抗电磁场干扰能力强等优点,被认为是焊缝检测的主要发展方向。
线激光法是一种直接获取深度图像的方法,它可以获取焊缝的二维半信息。
基于激光视觉的焊缝跟踪系统如图1所示，主要有3个组成部分，分别是视觉传感、图像处理和跟踪控制。
CCD摄像机垂直对准工件,激光器倾斜布置，激光器打出的激光,经柱透镜形成一光片照射到工件上形成一条宽度很窄的光带。
当该光带被工件反射或折射后,经滤光片保留激光器发出的特定波长的光,而滤除其他波长的光,最后进入CCD摄像机成像。
由于坡口各处与工件在垂直方向深度不同,故从垂直工件的方向看去,反射光成一折线,折线反映了光纹中心与焊缝坡口中心的三维位置关系。
计算机对采集图像进行图像预处理，减少图像中的噪声污染，并加强焊缝特征信息信号，通过一定的算法提取焊缝特征点，得到焊缝与电弧偏差。
此偏差作为跟踪控制系统的输入条件，依据控制算法进行处理，最后获得驱动信号控制焊炬运动，实现焊缝跟踪过程实时控制。
图1 系统构成二、焊缝自动跟踪硬件设计1.激光器在本系统中决定采用半导体激光器。
半导体激光器是以半导体为工作介质，具有超小形、高效率、结构简单、价格便宜、工作速度快、波长范围宽等一系列优点。
本视觉系统中采用的激光器是红光一字线激光器，由点激光二极管发光通过一柱透镜变换成直线形的激光条纹。
有文献通过测量MIG焊弧光的光谱范围，提出弧光的范围为150～970nm。
通过比较弧光波长与普通激光二极管波长，认为弧焊传感器中所用激光二极管的中心波长最好为467nm，594nm，610nm，632nm和950nm。
从而可选择适当波长的激光感器以减少弧光对激光的干扰。
参考多篇文献，本系统选用弧光干扰最小中心波长650 nm的条形半导体激光器。
2.摄像头CCD和滤光片本系统采用面阵型CCD工业摄像头，主要考虑其性能稳定，工作可靠的特点，要求CCD 尺寸1/3"，帧率25fps以上。
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基于激光视觉的焊缝跟踪系统
一、焊缝自动跟踪系统构成
基于激光视觉传感,具有主动性、非接触、能获取物体的三维信息、灵敏度精度高、抗电磁场干扰能力强等优点,被认为是焊缝检测的主要发展方向。
线激光法是一种直接获取深度图像的方法,它可以获取焊缝的二维半信息。
基于激光视觉的焊缝跟踪系统如图1所示，主要有3个组成部分，分别是视觉传感、图像处理和跟踪控制。
CCD摄像机垂直对准工件,激光器倾斜布置，激光器打出的激光,经柱透镜形成一光片照射到工件上形成一条宽度很窄的光带。
当该光带被工件反射或折射后,经滤光片保留激光器发出的特定波长的光,而滤除其他波长的光,最后进入CCD摄像机成像。
由于坡口各处与工件在垂直方向深度不同,故从垂直工件的方向看去,反射光成一折线,折线反映了光纹中心与焊缝坡口中心的三维位置关系。
计算机对采集图像进行图像预处理，减少图像中的噪声污染，并加强焊缝特征信息信号，通过一定的算法提取焊缝特征点，得到焊缝与电弧偏差。
此偏差作为跟踪控制系统的输入条件，依据控制算法进行处理，最后获得驱动信号控制焊炬运动，实现焊缝跟踪过程实时控制。
图像采集卡
图像预处理
焊缝识别
控制器
驱动系统
焊机控制
工件
激光器摄像机
滤光片
焊炬
焊缝
柱透镜
图1 系统构成
二、焊缝自动跟踪硬件设计
1.激光器
在本系统中决定采用半导体激光器。
半导体激光器是以半导体为工作介质，具有超小形、高效率、结构简单、价格便宜、工作速度快、波长范围宽等一系列优点。
本视觉系统中采用的激光器是红光一字线激光器，由点激光二极管发光通过一柱透镜变换成直线形的激光条纹。
有文献通过测量MIG焊弧光的光谱范围，提出弧光的范围为150～970nm。
通过比较弧光波长与普通激光二极管波长，认为弧焊传感器中所用激光二极管的中心波长最好为467nm，594nm，610nm，632nm和950nm。
从而可选择适当波长的激光感器以减少弧光对
激光的干扰。
参考多篇文献，本系统选用弧光干扰最小中心波长650 nm 的条形半导体激光器。
2. 摄像头CCD 和滤光片
本系统采用面阵型CCD 工业摄像头，主要考虑其性能稳定，工作可靠的特点，要求CCD 尺寸1/3"，帧率25fps 以上。
采用中心波长650 nm 的窄带滤光片（配合激光器光源的中心波段）安装在CCD 摄像机的镜头前，其能有效地排除焊接区弧光的干扰，防止焊缝的特征信号被弧光淹没。
滤光片既能保证激光顺利进入CCD ，又可以达到最大的信噪比。
本系统视觉采集系统布局采用激光器倾斜照射，摄像机垂直接收的方式。
这样1）由于激光器偏转一定的角度，而且角度可以任意调整，使得激光束可根据需要以任意距离投射到熔池前沿。
而CCD 垂直拍摄可以最大限度避开弧光区的干扰；2）激光器、CDD 及焊枪三者在空间上的相对位置，使得拍摄的图像可以非常清晰地反映焊缝和焊枪的相对位置在左右和高度上发生偏差的情况，特别是在高度偏差上显得更加直观。
3. 辅助装置
● 冷却吹灰装置
为保证CCD 和激光器在强热的周边环境下稳定长时间正常的工作，可考虑设计一个冷却吹灰系统。
采取循环冷却水方式，并设计由热敏电阻组成自动温控系统，当传感器内部温度高于CCD 和激光器正常工作温度，自动切断CCD 和激光器的电源并报警。
焊接过程中还伴有强烈的弧光、飞溅和烟尘，特别是烟尘可能导致整个图像充满白色而根本无法辨清激光条带，从而增加焊缝图像预处理的难度。
设计吹灰系统可采取在焊炬和传感器的中间吹入空气，这样就基本上排除了烟尘对图像的干扰，也减少了弧光和飞溅对图像造成的干扰。
● 挡光板和防飞溅透明片
由于弧光和飞溅干扰，通过CCD 摄像机采集的焊缝坡口图像将难于辨认，大大增加了图像处理的难度，在传感器和焊炬之间设计安装了一块防飞溅挡板，挡光板可以阻挡焊接时一部分的弧光和飞溅进入CCD 的拍摄范围，从而减少它们对采集图像的影响。
防飞溅透明片的功能是防止焊接时的飞溅损伤柱透镜和滤光片，并防止焊接时的烟尘影响激光的质量和CCD 摄像机拍摄图像的质量。
三、焊缝自动跟踪系统软件设计
本软件系统采用Visual C++开发，软件系统的结构如图2所示。
软件系统由四大模块组成：图像采集模块、图像处理模块、图像检测/识别模块和焊缝信息提取模块。
图2 软件系统结构
图像采集 图像处理 焊缝位置信息
图
像
预
处
理 图像分割 图像 形态学 处 理 焊缝特 征 提 取
图像识别 图像增强 图像滤波
1.图像处理
由于在图像的采集过程中存在着大量的噪声信号，在图像的传送和转换过程中也会造成图像质量的降低，因此图像处理一般首先应用滤波技术和恢复技术对图像进行降噪处理和图像复原，即进行图像预处理，降低弧光、飞溅、电噪声等干扰信号的影响，增强图像特征信息。
为满足实时图像处理快速性要求，采用空间域方法直接对图像象素进行运算，常采用直方图修正、邻域平均法、中值滤波法等。
本系统可采用中值滤波法，其是一种非线性的处理方法，它用来抑制图像中的噪声而不使其边缘模糊。
图像分割是将数字图像分割为互不相交（不重叠）区域的技术和过程，它一般把灰度图像变换为二值图像。
图像分割是图像分析中的关键问题，通过图像分割可以提取图像中感兴趣的区域或景物。
本系统图像分割的方法有自适应阈值分割和边缘检测。
对于分割后的图像，接着进行图像后处理，以便于提取物体的信息。
对于焊缝图像来说，图像后处理包括细化，去除伪边缘，直线拟和等。
边缘检测处理后的图像边缘较粗，对其进行细化处理以便于提取焊缝边缘。
在边缘细化后，图像可能存在小的孤立点和孤立区域，这些点和区域对整个系统来说是一种噪声，需要滤掉。
提取焊缝中心一般是通过垂直于焊缝方向扫描来获取焊缝边缘点作为特征点，然后计算出焊缝中心坐标。
实际的焊缝在小范围内可近似为一条直线，此时可利用一些数学方法（如最小二乘法）拟合出焊缝轨迹坐标。
2.焊缝特征提取
提取焊缝特征的目的是焊缝的自动跟踪及为焊接参数的控制等提供所需要的信息。
视觉传感器及其低层处理提供了被采集焊缝的表面轮廓，选取什么样的焊缝特征和采用什么样的特征提取算法取决于实际的焊缝形式和应用需要。
其中特征参数提取的过程和算法也具有一定的共性。
需要在较高层次上描述焊缝的轮廓，进而提取焊缝信息。
算法要具有实时性，结果要具有高精度。
描述焊缝，最重要的是找到拐点，确定了拐点即可描述判断焊缝了，提取焊缝的特征参数。
对一些常见的焊缝类型，如V形、U形、对接、搭接、角接和有间隙的V形焊缝，研究其特征点的判断识别方法，以便提取焊缝特征参数。
四、焊缝跟踪控制系统的设计
焊缝跟踪控制系统主要由工控机、运动控制卡、步进电动机、步进电机控制器、行走机构以及行走机构控制器等组成。
本系统选择激光视觉传感器作为焊缝自动跟踪系统的传感器，采集接缝表面信息通过图像采集卡输入到计算机中，然后通过计算机分析处理该信息得出控制信号，并通过运动控制卡将控制信号传达到步进电机驱动行走机构的两个轴，以控制焊枪的运动。
系统搭建好之后，必须要对CCD摄像机进行标定，即确定CCD相面各像素点对应的测量距离与实际距离之间的映射关系。