（电力电子与电力传动专业论文）基于激光视觉传感的螺旋管焊缝跟踪技术的研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 车l 象日期：盈喧进坦冱 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：粗导师签名：邋日 期：竺。罗尸 目录 目录 摘要i 第1 章绪论l 1 1 课题的背景和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 焊缝跟踪传感器2 1 2 2 焊缝识别算法4 1 2 3 系统主要控制设备5 1 2 4 各种控制算法6 1 2 5 伺服电机j 7 1 3 本课题的研究内容8 第2 章焊缝跟踪系统原理与硬件组成9 2 1 焊缝跟踪系统的设计目标及功能特点9 2 2 系统原理与硬件组成9 2 2 1 系统原理9 2 2 2 系统硬件组成1 0 2 3 本章小结1 5 第3 章焊缝跟踪图像处理技术的研究1 7 3 1 焊缝跟踪图像处理相关理论知识1 7 3 1 1 焊缝跟踪图像处理基础知识1 7 3 1 2 图像处理软件开发平台2 2 3 2 图像预处理及其实验结果2 2 3 3 图像识别及其实验结果2 3 3 3 1 图像分割2 4 3 3 2 焊缝中心线细化2 5 3 3 3 特征点检测2 6 3 4 本章小结2 7 第4 章激光三维视觉标定技术的研究2 9 山东大学硕士学位论文 4 1 摄像头标定相关理论知识2 9 4 1 1 激光视觉概述2 9 4 1 2 激光视觉标定模型2 9 4 1 3 标定模型参数计算基础知识3 2 4 2 摄像头标定方法及其实验结果3 6 4 2 1 标定数据采集3 6 4 2 2s v d 法解模型参数。3 9 4 2 3 基于b p 神经网络模型的激光三维视觉标定4 6 4 3 本章小结4 8 第5 章上位机软件系统的设计4 9 5 1v i s u a lc + + 简介4 9 5 2 软件系统总体设计4 9 5 3 上位机界面设计5 0 5 3 1 系统设置5 0 5 3 2 状态显示5 1 5 3 3 数据保存5 2 5 4 上位机与下位机的通信5 2 5 4 1 通信方式及其原理5 2 5 4 2 通信程序设计5 4 5 5 本章小结5 7 第6 章全文总结与展望5 9 6 1 全文工作总结5 9 6 2 后续研究内容展望5 9 参考文献6 1 致谢6 5 m e r l u m e n u a b s t r a c t 1 1 1 c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f t h es u b j e c t 1 1 2r e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a d 2 1 2 1s e a mt r a c k i n gs e n s o r 2 1 2 2g r o o v er e c o g n i t i o na l g o r i t h m 一4 1 2 3m a i nc o n t r o ld e v i c eo ft h es y s t e m 5 1 2 4v a r i o u sc o n t r o la l g o r i t h m s 6 1 2 5s e r v om o t o r 7 1 3r e s e a r c hc o n t e n to ft h et h e s i s 8 c h a p t e r2p r i n c i p l ea n dh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h e s y s t e m 9 2 1d e s t i n a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so f t h es y s t e m 9 2 2p r i n c i p l ea n dh a r d w a r es t r u c t u r e 9 2 2 ip r i n c i p l e 9 2 2 2h a r d w a r es t r u c t u r e 。1 0 2 3c h a p t e rs u m m a r y 15 c h a p t e r3r e s e a r c ho fi m a g ep r o c e s s i n gf o r s e a m t r a c k i n g 17 3 1i m a g ep r o c e s s i n gt h e o r i e sr e l a t e dw i t hs e a m t r a c k i n g 1 7 3 1 1b a s i ck n o w l e d g eo f i m a g ep r o c e s s i n gf o rs e a l t lt r a c k i n g 1 7 3 1 2s o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mf o rs e a mt r a c k i n g 2 2 3 2i m a g ep r e p r o c e s s i n ga n di t sr e s u l t s 2 2 3 3i m a g er e c o g n i t i o na n di t sr e s u l t s 2 3 3 3 1i m a g es e g m e n t i o n 2 3 3 3 2r e f i n e m e n to ft h eg r o o v el i n e 2 5 3 3 3d e t e c t i o no f t h ef e a t u r ep o i n t s 2 6 3 4c h a p t e rs u m m a r y 2 7 山东大学硕十学位论文 c h a p t e r4r e s e a r c ho ft h ec a l i b r a t i o nt e c h n o l o g yf o r t h el a s e rv i s i o n 2 9 4 1t h e o r i e sr e l a t e dw i t hc a m e r ac a l i b r a t i o n 2 9 4 1 1o v e r v i e wo fl a s e rv i s i o n 2 9 4 1 2c a l i b r a t i o nm o d e lf o rl a s e rv i s i o n 2 9 4 1 3b a s i ck n o w l e d g eo fp a r a m e t e rc a l c u l a t i o nf o rc a l i b r a t i o nm o d e l3 2 4 2m e t h o d sf o rc a m e r ac a l i b r a t i o na n di t se x p e r i m e n t a lr e s u l t s 3 6 4 2 1c o l l e c t i o no f t h ec a l i b r a t i o nd a t a s 3 6 4 2 2p a r a m e t e rc a l c u l a t i o nb a s e do ns v d 3 9 4 2 3l a s e rv i s i o nc a l i b r a t i o nb a s e do nb pa n n “4 6 4 3c h a p t e rs u m m a r y 4 8 c h a p t e r5d e s i g no ft h eh o s t c o m p u t e rs o f t w a r es y s t e m 4 9 5 1i n t r o d u c t l 0 nf o rv i s u a lc + + 4 9 5 2f r a m e w o r kf o r t h es o f t w a r es y s t e m 4 9 5 3d e s i g no f t h eh u m a ni n t e r f a c e 5 0 5 3 1s y s t e ms e t t i n g s 5 0 5 3 2s t a t u sd i s p l a y 51 5 3 3d a t ar e t e n t i o n 5 2 5 4c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eh o s t - c o m p u t e ra n dt h e c o n s o l e c o m p u t e r 5 2 5 4 1c o m m u n i c a t i o nm e t h o d sa n dp r i n c i p l e s 5 2 5 4 2d e s i g no ft h ec o m m u n i c a t i o np r o g r a m 5 4 5 5c h a p t e rs u m m a r y 5 7 c h a p t e r6s u m m a r ya n do u t l o o ko ft h et h e s i s 5 9 6 1s u m m a r y 5 9 6 2o u t l o o k 5 9 r e f e i 江；n c e s 6 1 a c k n o w l e d g m e n t 6 5 摘要 摘要 螺旋管焊缝跟踪系统能够在螺旋管生产中提高效率、优化质量、改善 劳动条件。受泰安钢铁科技有限公司委托，本课题旨在研制出一套具有自 主知识产权的基于激光视觉传感的螺旋管焊缝跟踪系统。 通过分析系统的原理，结合国内外研究现状，本文设计出符合企业实 际情况和要求的焊缝跟踪系统硬件结构，并且购买了各种必要的硬件设备。 本文重点研究了焊缝识别算法和激光三维视觉模型的标定。在焊缝识 别算法方面，本文结合前人算法的优点，提出了一种快速有效的o s t u 图 像分割法。随后利用平均加权质心法、形态学滤波以及斜率分析法提取出 了焊缝特征点。所使用的软件开发工具为v i s u a lc + + 和o p e n c v 。在激光 三维视觉模型标定方面，本文采用了一种简单有效的激光三维视觉标定模 型，并且提出采用基于r a n s a c 算法的s v d 法求解该模型。在此基础上， 又提出采用b p 神经网络法求解激光三维视觉模型。所使用的运算软件为 m a t l a b ，最终的模型效果都较好，完全可以用来求取焊缝特征点的世界 坐标，获取焊缝特征信息。 本文根据焊接现场的实际情况，最后还设计了上位机软件系统的总体 框架。使用v i s u a lc + + 软件完成了系统界面的初步编写。除此之外，本文 还详细讨论了上位机与下位机的串行通信。上位机采用v i s u a lc + + 的 m s c o m m 控件编写通信程序，下位机则采用s 7 2 0 0 的自由口通信方式。 关键词：激光视觉；焊缝跟踪；焊缝识别；模型标定 a b s t r c t a b s t r a c t t h es p i r a lp i p es e a mt r a c k i n gs y s t e mc a r le n h a n c ee f f i c i e n c y , o p t i m i z e p r o d u c tq u a l i t ya n di m p r o v ew o r kc o n d i t i o n si n t h es p i r a lp i p ep r o d u c t i o n e n r u s t e db yt a i a ns t e e lt e c h n o l o g yl i m i t e dc o m p a n y , t h i st h e s i si st od e v e l o p as p i r a lp i p es e a mt r a c k i n gs y s t e mb a s e do nl a s e rs t r i p e s e n s o r s ，o fw h i c ht h e c o m p a n yw i l lh a v ei n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s i nt e r m so ft h ep r i n c i p l e so fa n a l y z i n gs y s t e m s ，u n d e rd o m e s t i ca n d i n t e m a t i o n a lr e s e a r c hs i t u a t i o n ，t h i st h e s i sh a sd e v e l o p e dah a r d w a r es t r u c t u r e o ft h es e a mt r a c k i n gs y s t e m ，w h i c hm a i n t a i n st h ep r a c t i c a lc o n d i t i o n sa n d r e q u i r e m e n t so f t h ec o m p a n y t h en e c e s s a r yh a r d w a r ed e v i c e sw e r ep u r c h a s e d f o rt h ep r o je c t t h et h e s i si sf o c u s e do nt h ea l g o r i t h mo ft h eg r o o v er e c o g n i t i o na n dt h e c a l i b r a t i o no ft h et h r e e - d i m e n s i o n a l ( 3 d ) l a s e rv i s u a lm o d e l f o rt h eg r o o v e r e c o g n i t i o na l g o r i t h m ，af a s ta n de f f e c t i v eo s t ui m a g es e g m e n t a t i o nm e t h o d i si n t r o d u c e db a s e do nt h ec u r r e n ta l g o r i t h m s t h em e t h o d so fw e i g h t e d c e n t r o i d ，m o r p h o l o g i c a lf i l t e r i n g ，a n ds l o p ea n a l y s i sa r eu s e dt oe x t r a c tt h e f e a t u r e p o i n t s o ft h e g r o o v e v i s u a lc + + a n do p e n c va r e u s e df o rt h e p r o g r a m m i n g f o rt h ec a l i b r a t i o no ft h e3 dl a s e rv i s u a lm o d e l ，a ne a s ya n d e f f e c t i v e3 dl a s e rv i s u a lc a l i b r a t i o nm o d e li su s e d t h es v dm e t h o db a s e do n t h er a n s a ca l g o r i t h mi su s e dt os o l v et h ep r o b l e m b pn e u r a ln e t w o r ki sa l s o u s e dt os o l v et h e3 dl a s e rv i s u a lm o d e l t h ep r o g r a m m i n gt o o li sm a t l a b t h ef i n a lr e s u l t so fb o t hm o d e l sa r eg o o de n o u g ht og e tt h ew o r l dc o o r d i n a t e s o ft h eg r o o v ef e a t u r ep o i n t s ，w h i c ha r eu s e dt oo b t a i nf e a t u r e di n f o r m a t i o no f t h eg r o o v e t h eo v e r a l lf r a m e w o r ko ft h eh o s t - c o m p u t e rs o f t w a r ei sa l s od e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o no f t h ew e l d i n gs i t e t h ep r e l i m i n a r yh u m a ni n t e r f a c e o ft h e s y s t e m i si m p l e m e n t e d b y v i s u a lc + + i na d d i t i o n ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nt h eh o s t - - c o m p u t e ra n dt h ec o n s o l e - c o m p u t e r a r e d i s c u s s e di nd e t a i l t h ec o m m u n i c a t i o np r o g r a mo ft h eh o s t c o m p u t e ri s i i i 山东大学硕士学位论文 c o m p l e t e db ym s c o m mc o n t r o l so fv i s u a lc + + ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o n p r o g r a mo ft h ec o n s o l e - c o m p u t e ri sc o m p l e t e db yf r e ep o r t sc o m m u n i c a t i o n m o d eo fs 7 2 0 0p l c k e y w o r d s ：l a s e rv i s i o n ；s e a mt r a c k i n g ；g r o o v er e c o g n i t i o n ；m o d e l c a l i b r a t i o n 第1 章绪论 第1 章绪论 “中国制造 这个词语逐渐成为国人乃至世界各国人耳熟能详的词语， 制造业的发展已经成为整个国民经济增长的主要源泉之一。焊接是仅次于 装配和机械加工的第三大制造领域产业。为了提高生产效率、降低工人劳 动强度，焊缝自动跟踪系统应运而生。国外焊接自动化程度已经很高，而 我国手工焊接所占比例却很大。本课题受泰安甬泰钢铁科技有限公司委托， 致力于研究螺旋管焊缝自动跟踪技术。虽说本课题是针对螺旋管焊缝跟踪， 但是与其他焊接自动化技术有着大体相同的研究范畴。 1 1 课题的背景和意义 作为一种专用物料运输方法，管道运输己越来越为人们所了解，现己 发展为重要的运输工具。与其他运输方法相比，管道运输具有价格低、占 地少、效率高、污染小、可靠性高等优点。管道运输在石油天然气运输、 各种物料传送等领域发挥了重要的作用，截至2 0 0 9 年末，我国油气管道干 线总长己超4 万千米。西气东输和东水西调工程的发展，导致焊管的需求 量越来越大。在建造管线时，钢管必须具有一定程度的耐压性和耐腐蚀性， 否则钢管很容易破裂，从而造成泄漏事故。这样不仅难以检测和维修，在 经济方面造成巨大损失，甚至可能出现人员伤亡。目前国内大口径钢管制 造主要采用螺旋焊接技术。实践证明，螺旋管破裂最经常在焊接处发生。 造成这种现象的主要原因是螺旋管生产过程中焊接技术粗糙，并且质检人 员没有检查出焊管上的未焊透、未熔合、裂纹、气孔、夹渣等缺陷。螺旋 管自动焊接系统由于其非手工操作性，能够大大地减少上述问题。 随着时代的发展，螺旋管自动焊接技术逐渐显示出它的重要性。传统 的手工焊接已不能满足螺旋管制造在质量和数量上的要求。企业对于螺旋 管焊接在各方面都提出了更高的要求，包括操作方便可行、质量要求和经 济性等。不仅在螺旋管焊接工艺方面，各种焊接制造工艺都在经历着从手 工焊到自动焊的逐步改变。现代化生产对各种焊接技术提出了更高的要求， 山东大学硕十学位论文 优化产品质量、提高生产效率、改善劳动条件成为必然，焊接自动化就是 这种要求的具体体现。工业发达国家如德国、日本、美国的焊接自动化 6 0 - 7 0 ，而我国仅为2 0 3 0 。因此，发展和应用新型焊接自动化技 术对我国国民经济发展将会起到巨大的推动作用，而焊缝自动跟踪系统正 是焊接自动化研究的一个重要方面。 计算机视觉的实质是使用计算机及附属设备模拟生物视觉。像人类以 及许多其他生物的视觉系统一样，计算机视觉的主要任务就是采集图片或 视频并且进行一些特殊处理，以获得相应场景的三维信息。它是- n 涉及 多个领域的交叉学科。作为计算机科学的一个重要分支，计算机视觉技术 最近发展势头迅猛，其应用领域涉及到军事、农业、工业等等，它大幅度 地提高了这些领域的自动化水平。随着计算机视觉技术的发展，基于激光 视觉传感的焊缝跟踪技术应运而生，它是一种稳定、高效、高精度的跟踪 技术，是新时代前沿的焊缝跟踪技术。发达国家在这方面的技术已经日趋 成熟，而我国还处于比较落后的状态，有待继续研究。 1 2 国内外研究现状 一个完整的自动焊缝跟踪系统一般由传感器、控制器、伺服系统和执 行机构组成，是一个涉及交叉学科的控制系统，需要对多方面进行研究。 我们有必要对国内外的研究现状和存在的主要问题进行全方位的了解，这 样才能站在巨人的肩膀上继续前进，少走弯路。本文将对焊缝跟踪传感器、 焊缝识别算法、系统主要控制设备、各种控制算法以及伺服系统作一个简 要综合的介绍。 1 2 1 焊缝跟踪传感器 传感器是一种以一定的精确度将被测量转换为与之有确定对应关系 的、易于精确处理的和显示的某种测量部件或装置。在焊缝跟踪系统中， 传感器至关重要，决定着整个系统的控制精度。它用于获取焊枪偏离焊缝 的位置信息，然后传输给控制器，控制器根据位置信息控制焊枪的运动。 传感器发展迅速，种类很多，按获得信息的方式可分为间接式和直接式。 图1 1 是传感器的分类【。 2 第1 章绪论 图1 - 1 传感器的分类 虽然焊缝跟踪传感器种类众多，但是目前应用于焊缝跟踪器的两大主 流传感器是电弧式传感器和视觉传感器。电弧式传感器直接检测电流和电 压，以获得焊枪相对于焊缝的位置信息。其优缺点如表1 1 所示。 表1 - 1 电弧式传感器优缺点 优点缺点 检测点和焊接点在同一个位置 电弧点燃后才能工作 无需添加辅助设备跟踪过程需要进行摆动或旋转 不怕电弧的飞溅、烟尘、弧光灯影只适用于对称接头的工件，应用范围有 响限 成本低 实时性好 表1 - 2 视觉传感器优缺点 优点缺点 信息量大成本较高 与工件不接触检测点和焊接点不在同一位置 灵敏度和精度高 抗电磁干扰能力强 适用于各种坡口形状 随着计算机视觉技术的发展，视觉传感器逐渐发展为焊缝跟踪主流传 山东大学硕士学位论文 感器，并且成为当今最前沿的产品。其主要优缺点如表1 2 所示。 对比电弧式传感器和视觉传感器的优缺点，本课题决定选择视觉传感 器作为研究对象。视觉传感器用以采集焊接过程中焊缝相对于焊枪的位置 信息，主要有两种方法采集图像信息，分别是被动光视觉法和主动光视觉 法。被动光视觉法不采用辅助激光光源，直接使用c c d 摄像头拍摄在弧 光或者普通光源背景下的焊缝图像。主动光视觉法则是一种利用辅助激光 光源，并基于激光三角测量原理的测量方法。其光路系统主要由c c d 摄 像机、激光器、窄带滤光片和圆柱透镜组成，c c d 摄像头和激光源成一个 已知角度固定地安装在同一设备上。相对于被动光视觉法，主动光视觉法 具有图像处理简单、高度偏差提取容易、获取接头信息容易等优点，因而 本课题采用主动光视觉法。对于主动光视觉传感器，根据激光束和c c d 摄像头倾斜角度的不同，可分为三种光路系统： 激光束垂直照射，c c d 摄像头倾斜接受散射光( 瑞典s e l c o m 公司 的l a s e rt r a c k 和s e a mf i n d e r 焊缝检测和跟踪传感器采用了此种 方案) 。 c c d 摄像头在垂直方向上接受散射光，激光束倾斜照射( 英国 m e t a 公司的m e t at o r c h 系列焊缝跟踪传感器采用这种方式) 激光束倾斜照射，c c d 摄像头倾斜接收散射光。 有文献证明当采用第一种方式并且c c d 摄像头倾斜角度为5 5 。时，系 统本身测量误差将最小【2 】，因而本文将采用第一种方式。 1 2 2 焊缝识别算法 焊缝跟踪时，激光源发出的较粗的线结构激光经过圆柱透镜形成很细 的线结构激光打在焊缝上，该激光带经过反射或漫反射，再通过窄带滤光 片，滤掉不需要的波长的光，最后进入c c d 摄像机。从c c d 摄像机出来 的图像包含焊缝的尺寸、中心位置和截面形状等信息。焊缝识别算法就是 用来获取这些信息的一系列图像处理过程。该算法一般包括图像预处理和 图像识别两个过程。 图像预处理是指对最低抽象层次的图像所进行的各种处理，这时的输 入和输出都是亮度图像。这些初始图像是与视觉传感器抓取到的焊缝信息 4 第1 章绪论 原始数据同类的，通常是用矩阵表示的图像亮度。从信息理论的角度来说， 最好的预处理是没有预处理。然而焊接过程存在飞溅、弧光、电磁噪声等 干扰信号的影响，所以图像预处理是不可避免的。在焊缝图像预处理过程 中，常用的算法包括空间域预处理和频率域预处理两种。典型的空间域预 处理算法包括图像增强、平均值滤波、中值滤波、l o g 滤波等等。典型的 频率域预处理算法包括小波滤波、各种低通滤波器、各种高通滤波器等等。 考虑到空间域预处理算法具有快速简单的优点，并且能够满足处理要求， 本文将采用此类预处理算法。 图像预处理只是焊缝识别的前奏，图像识别才是焊缝识别算法的关键 所在。焊缝跟踪系统中，图像识别算法一般先通过一定的分割算法将焊缝 提取出来，进而识别其中的关键信息点。图像分割算法包括图像二值化分 割算法、图像三值化分割算法以及o s t u 阈值分割算法等等。文献【3 采用 二值化分割算法将焊缝从图像中分割出来。文献 4 提出了一种判断选择法 自动选择阈值，文献【5 】则采用了一种改进的迭代o s t u 阈值分割算法。还 有文献利用c c d 摄像头采集的两幅连续图像来获取图像中的焊缝【6 j 。在采 集的实时图像中提取出焊缝以后，需要进一步识别其中的关键信息。有些 文献采用h o u g h 变换进行关键信息提取，有些文献则采用线检测模板提取 关键信息【7 】 还有些文献采用自己独特的关键信息提取法【3 】【5 】。 各种焊缝识别算法都是当事人在自己遇到的特定情况中研究出来的算 法，在别的场合未必具有适用性，本文结合各种识别算法的优点，提出了 一种改进的焊缝识别算法。 1 2 3 系统主要控制设备 系统的主要控制设备包括上位机和下位机。上位机用以执行图像处理 算法得到焊缝信息，并且根据焊缝信息运行跟踪控制算法，得出伺服系统 的运行指令传输给下位机。另外上位机还应能显示系统操作界面，以方便 工人现场操作。下位机则是用来接收上位机的指令，根据指令控制伺服系 统的运行。下位机还用来完成一些基本的现场操作控制。 在焊缝跟踪系统中，常用的上位机包括d s p 引、f p g a l 2 】、工控机【9 】等。 d s p 芯片，也被称为数字信号处理器，是一种非常适合于进行数字信号处 山东大学硕士学位论文 理运算的微处理器，其主要特点是能够实时快速地完成各种数字信号处理 算法。d s p 具有成本低、精度高、速度快等优点，但是由d s p 构成的系统 容易受电磁信号干扰而且相对于工控机需要更长的开发周期，所以本系统 不采用d s p 系统。f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ，即现场可编程 门阵列，它是在g a l 、p a l 、c p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的 产物。f p g a 运行速度很快，内部程序并行运行，能够处理各种更复杂的 功能，但是它具有和d s p 一样的缺点，所以本焊缝跟踪系统也不采用它作 为主控制器。工控机( i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p m e r ) ，是一种抗干扰能力更 强的特殊计算机，作为一种工业控制器，它能够在复杂的工业环境中稳定 运行。工控机价格便宜、软件丰富、性能可靠、稳定性高，在市场上愈来 愈受欢迎，应用日趋广泛。由于工控机的高可靠性，并且不需要自己搭建 硬件平台，开发周期短，所以企业方面决定选用工控机作为上位机。 在焊缝跟踪系统中，常用的下位机包括单片机、p l c 等。单片机也被 称为微控制器( m i c r o c o n t r o l l e r ) ，它在工业控制领域属于元老级控制设备。 p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，可编程逻辑控制器，它是计算机技术 与继电器、接触器控制技术相结合的产物。相对于p l c ，单片机具有成本 低的优点，但是p l c 具有高可靠性，并且开发周期短，所以企业方面决定 选择p l c 作为下位机。 1 2 4 各种控制算法 发达国家对焊缝跟踪已进行了很多年的研究和探索，取得了不菲的成 绩。焊接系统是一个复杂的不确定性的非线性系统，传统控制方法难于建 立模型。近些年由于模糊控制和神经网络的出现，使焊缝跟踪踏入一个崭 新的时代智能焊缝跟踪时代。国外对焊缝跟踪的研究开展的比较早， 研究的也比较广泛，对许多新的控制算法进行了研究。目前主要的控制算 法包括经典p i d 控制、模糊控制、神经网络控制和专家系统等。 p i d 控制器已有5 0 多年历史，是最早的实用化控制器，现在还是应用 最广泛的工业控制器。p i d 控制器简单易于实现、不需要精确的系统模型 的特点，使它成为应用最为频繁的控制器。由于焊接过程不仅具有时变、 多因素、非线性等复杂特点，而且存在着电压波动、热变形、弧光和工艺 6 第1 章绪论 j i ! i! i i im la i ! i m l 皇曼曼曼曼皇曼量量曼曼寰 规范等多方面因素的影响，所以单纯采用经典p i d 控制难以实现焊缝自动 跟踪。 模糊控制是用人类的逻辑思维为基础建立的一种新的控制技术，它不 采用数学函数来描述输入和输出变量之间的关系，而是运用专业人员的实 践知识，根据控制对象的输出效果及其发展趋势是否符合专业人员的要求， 来判断输入参量的调整方向【i4 1 。早在1 9 8 5 年，保加利亚的d l a k o v 提出 采用模糊模型解决弧焊过程的不确定性问题。借助于特定的非接触式激光 传感器，它能够按照示教方式对焊缝进行自动跟踪。实验结果表明，采用 模糊集概念可以进行对焊接系统进行在线评估、预测和控制。文献 1 5 】采 用f u z z y p 控制方法，选取一个合适的阈值，当焊枪与焊缝中心的偏差大于 或等于这个阈值时采用比例控制，小于这个阈值时则采用自调整模糊控制。 神经网络控制是人工神经网络理论与控制理论相结合的产物，是- - r u 发展中的学科。它是数学、脑科学、神经生理学、遗传学、人工智能、计 算机科学、自动控制等多门学科相结合的产物。神经网络包括前馈神经网 络、反馈神经网络、模糊神经网络等等。1 9 9 5 年h b s m a r t t 将模糊控制和 人工神经网络同时应用于焊缝跟踪过程，通过测量焊枪和焊缝之间的位置 偏差，应用模糊控制和神经网络，最终实现焊枪的位置控制。目前焊缝跟 踪系统中应用最多的神经网络控制方法是b p 网络【i7 。 专家系统是一种具有相当于某个专门领域的专家的知识和经验水平的 智能系统，能够解决某些专门问题。焊接领域的专家系统研究大约从2 0 世纪8 0 年代中期开始。最早被报道的是美国科罗拉多矿业学院( c s m ) 研究 所联合开发的焊接材料选择系统。对于焊接专家系统的研究，国内外几乎 是同时开始进行的。国内最早被报道的是南昌航空工业学院的焊接方法选 择专家系统。经过国内外焊接工作者的长期努力，目前焊接专家系统研究 已涉及焊接生产的很多方面，主要有缺陷分析、工艺制定和材料选择等专 家系统【1 1 。用于焊缝自动跟踪的专家系统目前尚处于初始研究阶段。 1 2 5 伺服电机 伺服电机是在伺服控制系统中控制各种机械设备运转的马达，它分为 直流伺服电机和交流伺服电机。伺服电机具有控制精度高的优点，它有位 7 山东大学硕十学位论文 置、速度、转矩三个控制环。在早期的焊缝跟踪系统中，电机一般使用步 进电机和伺服电机。但是由于焊缝跟踪系统控制精度要求很高，步进电机 逐渐被淘汰，伺服电机所占比例越来越大。 1 3 本课题的研究内容 泰安甬泰钢铁科技有限公司是一家以生产螺旋钢管为主的企业，该企 业想研发具有自主知识产权的螺旋管焊缝跟踪系统。应企业委托和导师授 意，本人对基于激光视觉传感的螺旋管焊缝跟踪系统进行了研究，主要研 究内容包括如下几个方面： ( 1 ) 螺旋管焊缝跟踪系统试验平台的搭建。先明确整个系统的运行原 理从而进行器件选型，再购买器件，搭建实验室研究阶段所需的 各种实验平台。 ( 2 ) 焊缝识别算法的研究。主要包括图像预处理和图像识别两个阶段， 所使用的开发软件包括v i s u a lc + + 和o p e n c v 。 ( 3 ) 基于激光三维视觉的c c d 摄像机标定。为了能够将摄像机采集的 焊缝位置信息由图像坐标系转换为世界坐标系，必须对c c d 摄像 机进行标定，所使用的计算软件为m a t l a b 。 ( 4 ) 上位机软件系统的设计以及上位机与下位机之间的通信。所使用 的开发软件包括v i s u a lc + + 和v 4 0s t e p7m i c r o w i ns p 3 。 8 第2 章焊缝跟踪系统原理与硬件组成 第2 章焊缝跟踪系统原理与硬件组成 2 1 焊缝跟踪系统的设计目标及功能特点 本课题根据泰安甬泰科技有限公司的要求，致力于设计适合于该公司 实际情况的基于激光视觉的焊缝自动跟踪系统，使其应用于螺旋管焊接生 产线。该系统将通过激光视觉传感器检测焊缝运动轨迹，控制焊枪保持在 焊缝正上方，实现焊接自动化。整套系统应该具有响应迅速，调节灵活， 维护方便等特点。通过该系统，公司将可以降低操作工人的劳动强度，提 高焊接生产效率，对整体提升螺旋管埋弧焊接生产线的自动化水平具有一 定意义。该系统应该具有如下功能特点： ( 1 ) 自动跟踪焊缝运动轨迹，使焊枪保持在螺旋管焊缝的正上方。 ( 2 ) 实时显示焊枪位置偏差、焊缝宽度和焊缝错变量，方便现场操作 人员掌握生产情况。 ( 3 ) 系统实时性好。 ( 4 ) 和螺旋管生产系统联动。当焊缝跟踪系统出现影响生产的故障时， 应该使螺旋管生产系统自动急停。 ( 5 ) 具有手动自动切换功能，当上位机出现故障时，现场工人可以使 用手动跟踪保证生产顺利进行。 ( 6 ) 提高焊缝质量和生产效率。 ( 7 ) 降低返修率和废品率。 ( 8 ) 降低操作工人劳动强度。 2 2 系统原理与硬件组成 2 2 1 系统原理 基于激光视觉的螺旋管焊缝跟踪系统主要由激光视觉传感器、控制设 备、执行机构三部分组成。图2 1 是焊缝跟踪系统的原理图。 9 山东大学硕士学位论文 滑台 图2 - 1 螺旋管焊缝跟踪系统原理图 焊缝跟踪系统工作原理及流程如下所示： ( 1 ) 基于三角成像原理的激光视觉传感器，使用半导体激光器将激光 投射到焊缝上，工业c c d 摄像机精确地采集到焊缝的形状，并将 采集到的焊缝图像传输给图像采集卡。 ( 2 ) 上位机通过激光焊缝自动跟踪软件对图像采集卡采集到的图像信 息进行焊缝识别，得到焊枪与焊缝位置的偏差信息。 ( 3 ) 上位机根据焊枪