基于视觉传感的焊缝跟踪控制系统

基于视觉传感的焊缝跟踪控制系统

试　验　与　研　究 　　! 　

直　方　图　修　正　、　图　像　分　割　和　边　缘　提　取　等　方　法　。　

焊　接　技　术　

第　第　! * * * 年　! 月　! : 卷　# 期　

图　像　横　坐　标　方　向　有　一　明　显　的　灰　度　值　变　化　，　该　区　域　

方　图　修　正　（　两　个　箭　头　所　指　之　处　）　就　是　实　际　中　的　焊　缝　。　对　每　行　中　! " # 直　焊　缝　原　始　图　像　由　于　受　到　一　些　现　场　干　扰　，　图　像　的　灰　的　相　邻　像　素　相　减　，　通　过　焊　缝　的　行　中　有　四　处　差　值　为　，　. $ 度　往　往　与　实　际　焊　缝　不　匹　配　，　需　要　对　图　像　作　预　处　理　，　进　行　图　像　增　强　、　灰　度　修　正　、　噪　声　过　滤　和　畸　变　校　正　等　。　其　中　，　直　方　图　修　正　是　图　像　增　强　最　常　用　、　最　重　要　的　方　法　之　一　。　利　用　直　方　图　（　图　像　灰　度　分　布　）　信　息　，　对　灰　度　分　布　

第　（　，　…　）　次　相　减　值　为　位　# # ! . $ 的　! ( 和　! ( / ( 0

置　为　“　焊　缝　边　缘　特　征　点　”，　　两　个　焊　缝　边　缘　特　征　点　的　中　心　即　为　“　焊　缝　中　心　特　征　点　”。　　试　验　表　明　，　该　方　法　基　本　

［　能　满　足　焊　缝　跟　踪　要　求　$ ］　。　但　不　足　之　处　是　事　先　要　选　定　阈　

形　式　作　校　正　来　修　正　图　像　灰　度　，　达　到　图　像　增　强　的　目　的　。　值　，　当　焊　接　过　程　中　焊　缝　变　形　较　大　时　，　仍　会　对　焊　缝　跟　踪　

图　焊　缝　原　始　图　像　（　图　）　的　灰　度　值　和　直　方　图　，　直　精　度　造　成　一　定　影　响　。　$ 为　! 方　图　修　正　中　具　有　最　优　性　质　的　是　直　方　图　均　衡　。

子　焊　缝　检　测　方　法　! " $ 1 ( 2 2 算　

图　! 焊　

缝　图　像　灰　度　及　直　方　图　将　图　像　灰　度　作　正　规　化　处　理　，　把　焊　缝　原　始　图　像　灰　度范　围　［! 　% & ’ ，　! % ( ) ］　

压　缩　至　［* 　，　# ］　。　设　图　像　灰　度　! !! % & ’ ，　! % ( )

］　，　作　线　性　变　换　+

" #! % ( ) $!（　% & ’ #

）　使　变　换　后　图　像　灰　度　! 压　缩　成!

　, ! ［* 　，　# ］　。　取　图　像　变换　% 为　以　下　形　式　

% （　! " ）　!

" # "

（　（　　*

& ! " ! ）’ ! ），　! 　" !［　* ，　# ］　（　! ）　式　中　& !

（　" ! ）为　　! " 的　分　布　密　度　。　经　上　式　变　换　后　可　得　到以　% （　! , ）　为　灰　度　的　图　像　。% 　（　! , ）　在　［* 　，　# ］　均　匀　分　布　，这　　种　直　方　图　均　衡　为　焊　缝　图　像　识　别　打　下　了　坚　实　基　础　。　

" ! 图　

像　分　割　图　像　分　割　是　将　灰　度　值　接　近　和　位　置　靠　近　的　像　素　划　成一　个　区　域　。　例　如　，　应　用　二　值　分　割　法　可　以　提　取　熔　池　形　状特　征　，　但　该　方　法　不　太　适　于　检　测　受　弧　光　干　扰　的　焊　缝　，　原因　是　焊　缝　的　一　些　重　要　信　息　容　易　被　淹　没　。　为　此　，　将　图　像进　行　三　值　分　割　处　理　，　灰　度　值　大　于　# * - 的　像　素　置　为　# $ ! ，　分　割　出　熔　池　；　灰　度　值　小　于　. * 的　像　素　置　为　* ，　分　割　出　焊缝　；　灰　度　值　介　于　. * ! # * - 的　像　素　置　为　. $ ，　分　割　出　被　弧光　照　亮　的　钢　板　，　如　图　-所　

示　。　图　" 图　

像　三　值　化　焊　缝　原　始　图　像　常　常　受　到　噪　声　干　扰　，　而　边　缘　和　噪　声　在　空　间　域　表　现　为　灰　度　有　比　较　大　的　起　落　，　应　用　传　统　算　子　如　梯　度　算　子　、3 　4 5 6 7 算　子　等　进　行　焊　缝　边　缘　检　测　时　容　易　把　噪　声　当　作　边　缘　点　检　测　出　来　，　而　真　正　的　边　缘　由　于　受　噪　声　干　扰　而　被　忽　略　。　为　解　决　这　一　问　题　，　本　文　设　计　基　于　1 ( 2 2 算　子　的　焊　缝　边　缘　检　测　法　，　首　先　对　焊　缝　原　始　图　像　作　最　佳　平　滑　，　再　用　拉　普　拉　斯　算　子　对　平　滑　的　结　果　进　行　零　交　叉　点　边　缘　检　测　。　观　察　图　! 和　图　$ ，　焊　缝　边　缘　灰　度　有　明　显　的　跃　变　，　对　每　像　素　的　光　强　而　言　，　与　像　素　同　一　位　置　

的　景　物　点　周　围　对　该　像　素　光　强　度　贡　献　呈　正　态　分　布　规　

律　［　- ］　。　

对　焊　缝　原　始　图　像　，　选　择　二　维　正　态　函　数　

) （　* ）　#

6 ) 8 （　$ * !

／　! # !

!

" # !

）　）　（　$

）　式　中　，* 　是　以　滤　波　像　素（　　+ ，　, ）　为　中　心　的　极　坐　标　的　半　径　，# ! 为　方　差　。　对　原　始　图　像　｛　- （　+ ，　, ）　｝　作　卷　积　，　得　到　平　滑　图　像　

. （　+ ，　, ）　# ) （　* ）　# - （　+ ，　, ）　（　- ）　在　靠　近　和　平　行　于　边　缘　（　零　交　叉　线　）　时　，. 　（　+ ，　, ）　变　化　呈　线　性　规　律　，　与　边　缘　正　交　的　方　向　. （　+ ，　, ）　的　二　阶　导　数　斜　率　取　最　大　。　考　虑　到　卷　积　性　质　，　可　以　得　到　：　

/ （　+ ，　, ）　# $ ! ｛　. （　+ ，　, ）　｝　# $ ! （　) （　* ）　# - （　+ ，　,

）　）　# （　$ ! ) （　* ）　）　# - （　+ ，　, ）　（　9 ）　式　中　，　$ ! 为　拉　普　拉　斯　算　子　，$ 　! ) （　* ）　# （　$ #

／　" # - ）　（　# $ * ! ／　! # ! ）　6 ) 8 （　$ *! ／　! # ! ）　，　求　取　/ （　+ ，　,

）　的　零　交　叉　点　轨　迹　，　即　可　得　到　焊　缝　图　像　｛- （　　+ ，　, ）　｝　的　边　缘　。　! 焊　

缝　跟　踪　自　调　整　模　糊　控　制　器　由　于　焊　接　动　态　过　程　难　以　用　精　确　的　数　学　模　型　来　表　达　，　并　且　焊　枪　运　动　的　驱　动　装　置　是　一　种　包　含　多　重　非　线　性　的　系　统　，　因　此　采　用　传　统　控　制　方　法　实　现　焊　缝　的　精　确　跟　踪　相　当　困　难　。　图　9 为　设　计　焊　枪　位　移　控　制　的　自　调　整　控　制　器　，0 　为　焊　枪　与　焊　缝　之　间　的　偏　差　，0 1 　为　0 的　变　化　，2 　为　步　进　电　机　脉　冲　频　率　控　制　量　。　该　模　糊　控　制　器　包　含　一　个　常　规　二　维　模　糊　控　制　器　和　一　个　积　分　控　制　器　，　可　以　消　除　极　限　环　振　荡　和　系　统　余　差　。　

$ 0 和　$ 1

为　误　差　和　误　差　变　化　的　比　例　因　子　，$ 　2 为　控　制　量　的　比　例　因　子　，　它　们　与　变　量　的　基　本　论　域　和　模　糊　集　论　域　

　［　　　　!