毕业论文-无导轨焊接机器人视觉跟踪系统的设计与仿真

无导轨焊接机器人视觉跟踪系统的设计与仿真摘要无导轨焊接机器人是焊接机器人的一种类型，因其无需进行焊接轨道铺设，从而极大提高了焊接效率，并节约了焊接成本。然而，无导轨焊接机器人不能利用导轨进行焊接过程中的定向，必须配备跟踪系统进行导向。本文在参照国内外无导轨焊接机器人视觉跟踪系统的基础上，针对我校重点实验室研发的无导轨焊接机器人进行了视觉跟踪系统的设计。选取经济可靠的高性能线阵CCDTCD1206SUP为核心元件，焊缝图像由线阵CCD摄像系统摄取，通过图像采集系统和计算机软件，对检测到的图像进行处理来准确地识别焊缝位置，计算焊炬和实际焊缝之间的偏差，通过此偏差信号，控制器来控制执行系统运动进行实时跟踪，从而有效地提高焊缝跟踪精度。根据以上提出的焊缝路径轨迹线偏差检测算法，进行硬件系统电路的设计。整个系统设计分为三个模块：CCD驱动模块的核心是一片复杂可编程逻辑器件(CPLD)，对其进行VHDL编程，产生CCD的驱动脉冲及同步控制信号；CCD输出信号经比较、放大等二值化处理后，输出二值化信号；光电信号处理系统将此二值化信号进行信号处理及D/A转换，获得模拟量电压，即可获得焊缝偏差。利用仿真软件对设计的视觉跟踪系统进行仿真，仿真结果表明所设计的无导轨焊接机器人视觉跟踪系统可以有效识别焊缝位置，并给出偏差信号。关键字：焊缝跟踪，线阵CCD，CPLD，saber软件仿真，MAX+PLUSII软件仿真I无导轨焊接机器人视觉跟踪系统的设计与仿真AbstractWeldingrobotwithoutrailisonetypeofweldingrobots.Becauseitdoesntneedaweldingrail,theweldingefficiencyisimprovedandthecostissaved.However,therailfreeweldingrobotcannotusetherailtoorientateinthecourseofwelding,butitmustbeallocatedwiththetrackingsystem.Inthispaper,onthebasisofreferringtotheseam-trackingsystemoftheweldingrobotwithoutrailhomeandabroad,thevisual-trackingsystemisdesignedfortherailfreeweldingrobotdevelopedbytheprioritylaboratoryinmyschool.Inthisdesign,thehigh-propertyCCDTCD1206SUPischosenasthemaincomponent.TheweldingpositioncanbedetectedaccuratelybythevisionsensorCCD(chargecoupleddevice).Bythesystemofimagecollectionandcomputer-ware,thepositionoftheweldinglinecanberecognizedexactly;thedeviationcanbecountedbetweenthemovingtrackoftorchandtheweldingline.Throughthedeviationsignalthetorchsactcanbecontrolledreal-timelyandtheseamtrackingaccuracyisenhancedefficiently.Accordingtothealgorithmofdetectingtheweldingpathdeviationsubmittedbytheprecedingpartofthetext,thehardwaresystemcircuitisdesigned.Thesystemcomprisesthreemodules:thefirstistheCCDdrivermodulewhichiscontrolledbyCPLD.ProgrammingtheCPLDwithVHDLtoproduceCCDdrivingpulsesandsynchronizedcommunicationsignals;next,theCCDoutputsignalisprocessedbythecomparisonandamplifierdevice,andthentheoutputsignalisout;Atlast,theprecedingsignalisdisposedbythelight-electricitysignalprocessingsystem,andthenitistransmittedintothedigital-analogyconverter.Afterthisstep,theanalogysignalisobtainedandthentheweldingdeviation.Finally,thesimulatedsoftwareisappliedtosimulatethedesignedseam-trackingsystem;thesimulationresultpresentsthatthedesignedvisual-trackingsystemwhichisusedfortherailfreeweldingrobotcandiscerntheweldingpositioneffectively,andthedeviationsignalisout.Keywords:seam-tracking,CCDsensor,CPLD,sabersimulation,MAX+PLUSIIII无导轨焊接机器人视觉跟踪系统的设计与仿真simulationIII无导轨焊接机器人视觉跟踪系统的设计与仿真目录第一章绪论.11.1研究的背景.11.2研究的意义.21.3国内外发展现状.31.3.1焊缝跟踪的现状和发展趋势.31.3.2CCD的现状和发展趋势.41.4焊缝跟踪系统的分类.51.4.1直接电弧式焊缝跟踪系统.51.4.2接触式焊缝跟踪系统.61.4.3非接触式焊缝跟踪系统.61.5课题研究的主要内容.10第二章焊缝跟踪系统分析.112.1引言.112.2焊缝跟踪系统原理.112.2.1焊缝跟踪系统功能.112.2.2焊缝跟踪原理.112.3视觉传感原理.122.4线阵CCD传感器系统.122.4.1系统组成.122.4.2焊缝路径轨迹线偏差检测原理.132.5本章小结.15第三章焊缝跟踪系统方案设计.163.1引言.163.2CCD系统方案设计.163.3TCD1206SUP的时序分析.173.4驱动模块CPLD设计.183.4.1时序分析.183.4.2原理图设计.183.5CCD输出信号预处理模块设计.193.6信号处理模块设计.211无导轨焊接机器人视觉跟踪系统的设计与仿真3.7光电信号处理系统设计.223.8本章小结.25第四章系统仿真与试验分析.264.1引言.264.2saber软件概述.264.2.1saber软件的仿真流程.264.2.2saber软件的功能.264.3线阵CCD仿真.264.4MAX+PLUSII10.2软件概述.284.5驱动电路仿真.284.6仿真分析.294.6.1CCD驱动和输出信号.294.6.2抗干扰措施.334.7本章小结.33第五章结论.34参考文献.35致谢.37声明.382无导轨焊接机器人视觉跟踪系统的设计与仿真第一章绪论1.1研究的背景近些年来，我国焊接科技和生产技术水平虽有很大发展，但从整体生产水平看，与发达国家相比还存在很大差距，尤其在高新技术的应用上差距更大。今后一个相当长时间里，我国整个国民经济的主体仍然是以重工业为中心的“重厚长大型”传统产业，焊接设备仍将是钢铁作为主要的焊接对象。因此，把现代焊接技术迅速推广应用到发展我国传统工业上去，是这一时期我们的主要任务。与此同时，也要把微电子技术、计算机技术和软件技术等高等技术引入到焊接设备的研制、生产和使用中去。总的发展是优质、高效、成套和自动化。埋弧焊（含埋弧堆焊及电渣堆焊等）作为一种重要的焊接方法，其固有的焊接质量稳定、焊接生产率高、无弧光及烟尘很少等优点，使其成为压力容器、管段制造、箱型梁柱等重要钢结构制作中的主要焊接方法。众所周知，在“以焊代铸”趋势的发展下，焊接的自动化得到进一步发展。其中焊缝跟踪技术就是焊接自动化的一个重要发展方向之一。实施正确的焊缝跟踪是保证焊接质量的基本条件，是实现焊接自动化的必备条件。长期以来，国内外的焊接专家研制了各种各样的弧焊跟踪系统。从控制方式来看，这些系统大都可以归为2类：程序控制系统和前馈随动系统。所谓程序控制系统，就是焊炬运动轨迹在焊接前根据坡口形状预先设定，而在焊接过程中不加任何调节，这种方式简单易行，上世纪80年代以前大多采用这种方法。但这种方法对坡口的加工、工件的装配精度要求很高，浪费了大量的人力物力，而且有些焊缝的形状很难用数学方法表示出来。因此，进入上世纪80年代以后，焊接工作者纷纷致力于实时跟踪系统的研制。一个典型的实时跟踪系统一般由焊缝偏差信号传感器、控制器和跟踪执行机构3部分组成。传感器获取焊线偏离焊炬的位置信息，并把该信息转换为相应大小的数据，控制器通过一定的算法由获得的偏差信号得到控制信号，然后把控制信号送给执行机构，执行机构实施相应的纠偏动作，从而达到精确跟踪的目的。目前，我国的绝大部分工厂的焊缝自动跟踪技术还很落后，基本上停留在直线焊缝的程序控制阶段。在焊接机器人相关技术的研究中，导航技术是其核心，而视觉跟踪是导航研究的一个重要环节和课题。最近，随着数字视频技术的不断完善和高性能数字处理芯片的大量涌现，焊接机器人的视觉导引开始成为研究开发的热点。视觉方法是近年发展起来的一种先进导航方法，其和非视觉类传感器相比，视觉传感器具1无导轨焊接机器人视觉跟踪系统的设计与仿真无噪声、无有害影响、信息量大等特点。近年来，机器人视觉因其所含丰富的环境信息而受到普遍的关注，随着视觉系统的价格下降，基于相关技术的导航已成为研究的热点。随着计算机技术、传感技术、控制技术、材料技术的发展，特别是网络技术和图像信息处理技术的迅猛发展，焊接机器人视觉跟踪的研究已取得了丰硕的研究成果，其应用领域不断扩大，应用的复杂程度也越来越高，因此对焊接机器人跟踪及其相关技术提出了许多新的要求。速度更快、性能更强、集成度更高的芯片已经成为机器人发展的迫切需要。CCD光电传感器是一种新型半导体器件，它能通过光电转换将非电量的图像信号转换成电信号，有利于后续信号的处理。将应用于几何量测量中具有测量精度高、价格低廉、易于维护、操作容易等优点，可以实现高效率、自动化、动态检测、非接触测量等要求,在工程实际检测中，尤其是在小尺寸测量方面有很强的优势，CCD器件应用于几何量测量适应测量技术发展的潮流，是今后几何量测量的发展方向之一。但是己有的CCD产品还存在某些不足,无法满足专用系统的要求。另外，这些产品都是配套使用,价格昂贵,且数据采集卡要与计算机相连接,不便于携带。线阵CCD的分辨率高，结构简单，价格便宜，输出视频信号处理简便，因而得到了广泛应用。线阵CCD主要应用于工业检测、文字与图像识别、传感及空间遥感等领域。线阵CCD在焊缝视觉跟踪系统中也得到了很好的应用。1.2研究的意义近年来，先后出现了许多种高效、优质的自动焊接方法。埋弧焊的自动焊缝跟踪也得到较快发展。现阶段，国内焊缝跟踪技术可以说是种类繁多，譬如机械式跟踪、光电式跟踪、红外线跟踪等，但大部分处于实验室阶段，技术成熟度不够，存在较多的问题和不足，在市场上难以站稳脚跟。本项目将弧焊机器人中的视觉焊缝跟踪系统应用在埋弧焊焊接工艺中，通过视觉焊缝跟踪系统识别不同形状的焊缝，在焊接过程中通过它来判断焊枪和工艺所要求焊缝位置的偏移量，通过控制器将信号发送给执行机构来改变焊枪的位置，使焊枪始终处于准确的焊接位置。上世纪70年代以前，焊缝跟踪主要是接触式传感器以便获得焊缝跟踪信息，但有跟踪精度低、使用不便等缺点。从上世纪70年代起，焊接工作者对非接触式传感器进行了大量的研究工作，但因结构复杂受到限制。在上世纪80年代末到90年代初，国外普通埋弧焊已普遍采用闭环控制和焊缝跟踪技术，提高了埋弧焊自2无导轨焊接机器人视觉跟踪系统的设计与仿真动控制水平和焊接质量。目前，对于焊缝自动跟踪的研究己经取得了相当的成就，采用激光、光纤、CCD传感、摄像、图像处理、计算机控制等当代高新技术使跟踪系统的先进性大大提高。CCD图象传感器的出现和迅速发展是成象技术领域中的一个重大的突破，它将微电子加工技术应用于成像技术领域，结束了以往各种电子束摄像管独占成象领域的局面，与电子束摄像管相比，这种物性型固体摄像器件具有很多的优势，应用日益广泛。为了提高CCD传感器的性能及使用范围，人们不断研究新的器件结构和信号处理方法，赋予CCD器件更强的功能，以满足各种特殊应用的需要。例如，为了满足某些特殊的高分辨率应用的要求，采用CCD拼接技术，可得到高位CCD阵列：在医用光电内窥镜中的CCD，为了保证所需的分辨率，其象元尺寸只有1.5微米。随着CCD应用范围日益广泛，对CCD器件的要求也越来越多。CCD传感器的出现使传统的光电技术发生了重大变化，对人类生活的许多领域有着积极的影响。目前，CCD应用技术的研究方兴未艾，CCD产品日新月异，国际上竞争相当激烈，国内CCD应用技术也有很大的发展，它的研究受到普遍重视。由于焊接生产的复杂性，在实际焊接生产中存在着各种各样的干扰，因此严重影响了跟踪信号的取得，影响了自动跟踪的稳定性、精度及可靠性。在焊缝自动跟踪方面，传感器提供着系统赖以进行处理和控制所必须的有关焊缝的信息，在各种传感器中，光学（激光、红外线式）传感器，是目前研究得最多的一类传感器。在国内外所研制的埋弧焊自动跟踪系统中使用最多的是电荷耦合器件CCD光电传感器。而线阵CCD视觉跟踪系统又具有较高的性能价格比。随着我国国民经济的高速发展，对埋弧焊焊接工艺的需求也会越来越大，因此研制埋弧焊线阵CCD视觉自动跟踪系统有着广阔的市场需求和应用前景。本项目用到的CCD产品是线阵CCD黑条检测系统，此检测系统主要是用CCD的视觉传感原理进行焊缝跟踪，准确地检测出焊缝的位置，达到视觉跟踪的效果。1.3国内外发展现状1.3.1焊缝跟踪的现状和发展趋势【2】自从40年代埋弧焊产生以来，焊缝跟踪就作为一个课题提了出来。在容易施焊的场合，焊接工人可以通过人工调节的方法做出调整决策，但在工作条件恶劣或需要预热的场合，人工调节的方法无疑会加重焊接工人的劳动强度且焊接质量3无导轨焊接机器人视觉跟踪系统的设计与仿真难以得到保障。种种原因是埋弧焊的焊缝自动跟踪成为迫切需要解决的问题。上世纪70年代以前，焊缝跟踪主要是接触式传感器以便获得焊缝跟踪信息，但有跟踪精度低、使用不便等缺点。从上世纪70年代起，焊接工作者对非接触式传感器进行了大量的研究工作，但因结构复杂受到限制。在上世纪80年代末到90初，国外普通埋弧焊已普遍采用闭环控制和焊缝跟踪技术，提高了埋弧焊自动控制水平和焊接质量。目前，对于焊缝自动跟踪的研究己经取得了相当的成就，采用激光、光纤、CCD传感、摄像、图像处理、计算机控制等当代高新技术使跟踪系统的先进性大大提高。综合国内外焊缝跟踪研究成果不难看出，未来的发展趋势将是以视觉传感器为主，是系统获得更多的信息，进而增大系统的灵活性和智能性。1.3.2CCD的现状和发展趋势【1】电荷藕合器件(ChargeCoupledDevice)，简称CCD，是一种集光电转换、电荷储存、电荷转移为一体的传感器件。它的主要功能是把光学图像转换为电信号，即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息，转换为按时序串行输出的电信号-视频信号，视频信号能再现入射的光辐射图像。在1969年，美国贝尔实验室的W.5.波涅尔、G.E.史密斯等人在研究磁泡时，发现了电荷通过半导体势阱发生转移的现象，提出了电荷藕合这个新概念，并且构思出了一维线阵电荷藕合器件(CCD)的模型，同时预言了CCD器件在信号处理、信号储存及图像传感器中的应用前景。这个设想很快被实验所证实，并演示了世界上第一个电荷转移器件模型。鉴于美国MOS器件工艺及硅材料研究的雄厚基础，这个新型器件的设想很快得到了实现。不久，二维面阵CCD也研制成功。1973年，第一次国际CCD应用研究学术会议在美国举行，标志着CCD应用技术己成为电子及光电科学的一个重要分支。至1974年，美国RCA公司的512x320象元面阵CCD摄像机首先问世，标志着CCD产业的蓬勃兴起。随着超大规模集成电路工艺的不断完善和推广，其他一些国家也相继赶上，纷纷研制成功了各种CCD器件，各种卓有成效的CCD结构促进了CCD应用领域的进一步发展。CCD应用技术的研究在全世界范围内普遍开展。美国是最早开展CCD技术研究的国家，也是目前投入人力、物力和财力最大的国家之一，在CCD应用研究领域一直保持领先的地位，美国政府对一些具有较大规模的实验研究中心提供了大力资助。日本是目前世界上CCD产品的生产大国，其产量居世界之首，雄居了中低档家用CCD的广大市场，日本政府非常重视CCD技术的开发和研究。法国、英国、荷兰等国家在CCD技术的研究与开发方4无导轨焊接机器人视觉跟踪系统的设计与仿真面也投入了巨资。我国研制CCD的单位比较多，其中以机电部44所和13所水平较高，但与国外相比，还存在一些差距。由于各个国家的政府和企业都十分重视CCD的研究和应用，CCD的性能大幅度提高，成本不断降低，数百类不同结构、不同用途的CCD技术非常成熟。CCD的发展异常迅速，器件的象元数目增多，中心间距减小。以线阵CCD为例，其象元中心距在研制成功初期为30微米，到1984年己减小到7微米，到1999年，性能比较高的CCD中心距已可做到4微米；象元数最初为128元，到1984年提高到5000元，到1999年，象元数已可达到8800元。CCD中心间距的减小和象元数的增加，意味着测量精度的提高。面阵CCD的发展也很快，1975年，面阵CCD的象元数只有512x320，1985年就推出2048x2048象元的面阵CCD，1999年4096x4096象元的器件也已问世，面阵CCD的中心距也有明显的减小。CCD结构也从开始时的单沟道结构，发展为双沟道结构，如今正向性能更好的结构发展。随着CCD应用范围日益广泛，对CCD器件的要求也越来越多。CCD传感器的出现使传统的光电技术发生了重大变化，对人类生活的许多领域有着积极的影响。目前，CCD应用技术的研究方兴未艾，CCD产品日新月异，国际上竞争相当激烈，国内CCD应用技术也有很大的发展，它的研究受到普遍重视。1.4焊缝跟踪系统的分类【1】本文根据焊缝跟踪所用传感器的不同对埋弧焊焊缝跟踪进行分类，主要分为直接电弧式跟踪系统、接触式跟踪系统与非接触式跟踪系统。1.4.1直接电弧式焊缝跟踪系统在埋弧焊焊接中，焊接电弧式埋在焊剂中的，但仍可作为传感器的信号检测点。该跟踪系统利用电弧和电压的变化中获得焊炬与焊缝横向与高低偏差信息。当焊炬与工件距离变化时，电弧摆动扫描焊缝的坡口，电流相应变化，因此电弧电流的变化反映了焊炬高度的变化。该传感器的优点是不需要在焊接区附加其它传感装置，电弧传感器的信号检测点就是焊接电弧点，不存在传感器位置前导误差，可实现对坡口状态、焊炬高度等实时传感。另外其不怕电弧的飞溅、烟尘、弧光等的干扰，成本较低，已成功用于弧焊机器人及自动焊接设备的焊缝自动跟踪。但其缺点也是显而易见的，由于电弧被埋住，只能获得焊接区的局部信息，不能获得焊炬的高度匹配度、焊根间隙、焊缝形势等重要的信息，因而限制了使用范围。5无导轨焊接机器人视觉跟踪系统的设计与仿真1.4.2接触式焊缝跟踪系统最初的焊缝自动跟踪系统就是采用的接触式传感器。该传感器结构相对简单、操作维修方便且不怕电弧的磁、光、烟尘、飞溅等干扰。传感器的探头直接与焊缝的坡口接触，直接对偏差进行检测，可进行水平横向调节和高度垂直方向检测器调节。微动开关探头图1.1接触式传感器示例图如果焊丝偏离焊缝或焊丝干伸长变化过大，传感器则发出相应的电信号，通过伺服控制系统来减少或消除。该传感器成本较低，但有时会因坡口及焊缝的加工装配不均匀影响传感的测量精度和焊接质量。对于不同坡口需要不同形式的探头;探头磨损大，易变形。1.4.3非接触式焊缝跟踪系统目前，用于焊缝跟踪的非接触式传感器很多，主要有电磁传感器、超声波传感器及视觉传感器等。(1)电磁传感器电磁传感器的原理如图1.2所示，一次线圈中流过后高频激磁电流在二次线圈上产生感应电势U21、U22。偏差的存在将使左右两个二次线圈的磁路出现不对称。利用U21、U22之差可以反映偏差的大小和方向，为抑制错边、点固点引起的干扰信号，现研制出漏磁抑制式、电势抑制式和扫描式电磁传感器。U21U1U22图1.2互感式电磁传感器原理6无导轨焊接机器人视觉跟踪系统的设计与仿真电磁式传感器适用于对接、搭接和角焊缝，其体积较大，是用灵活性差，且对磁场干扰和工件装配条件比较敏感。一般应用于对精度要求不慎严格的场合。(2)超声波传感器非接触式超声波焊缝跟踪传感器是一种新型的传感器，对电弧焊产生的强光以及电、磁场等干扰不敏感。因此，在焊缝自动跟踪中有着广泛的应用前景。非接触超声波焊缝跟踪传感器的检测原理就是利用超声波传感器发射超声波，在空气中传播，遇到罕见金属表面时，超声波信号被反射回来，并由超声波传感器接收。如图1.3所示。通过计算超声波由传感器发射到接收的声程时间T0，可以得到传感器与焊件之间的垂直距离H，从而实现焊枪与工件之间的高度测量。H=T0C/2(C为超声波在空气介质中的传播速度)扫描XXLXR图1.3焊缝左右偏差检测原理图焊缝左右偏差的检测，通常采用寻棱边法，其基本原理就是在超声波声程检测原理的基础上，利用超声波反射原理进行检测信号的判别和处理。众所周知，声波的传输与光的传输有类似的特点，即当声波遇到工件时会发生反射，当声波入射到工件坡口表面时，由于坡口表面与入射波的角度不是90，因此其反射波就很难返回到传感器，也就是说，传感器接收不到回波信号，利用声波的这一特性，就可以判别是否检测到了焊缝坡口的边缘。(3)视觉传感器据日本焊接技术学会对在日本使用的弧焊机器人的调查结果显示，领导未来焊缝跟踪传感器的主要是光学传感器。其中以视觉传感器最引人注目，由于视觉传感器所获得的信息量大，结合计算机视觉和图像处理的最新技术成果，大大增强了焊缝跟踪系统的外部适应能力。视觉传感器采用的光电转换器件最简单的是7无导轨焊接机器人视觉跟踪系统的设计与仿真单元感光器件，如光电二极管等；其次是一维的感光单元线阵，如线阵CCD(电荷藕合器件)；应用最多的是结构最复杂的二维感光单元面阵，如面阵CCD，是二维图像的常规感光器件，它代表着目前传感器发展的最新阶段，因而应用日益广泛。在焊缝跟踪系统中，使用何种视觉传感方法是首先需要确定的问题，根据使用的照明光的不同，可以把视觉方法分为“被动视觉”和“主动视觉”两种。这里被动视觉只利用弧光或普通光源和摄像机组成的系统，而主动视觉一般只使用具有特定结构的光源与摄像机组成的视觉传感系统。在大部分被动视觉方法中，电弧本身就是检测位置，所以没有热变形等因素所引起的超前检测误差，并且能够获得接头和熔池的大量信息，这对焊接质量自适应控制非常有利。但是直接观测法易受到电弧的严重千扰，信息的真实性和准确性有待提高。它较难获得接头的三维信息，也不能用于埋弧焊。为获得接头的三维轮廓，人们研究了基于三角测量原理的主动视觉方法。由于采用的光源的能量大都比电弧的能量小，一般把这种传感器放在焊枪前面以避开弧光直射的干扰。主动光源一般为单光面或多光面的激光或激光束。为简单起见，分别称之为结构光和激光扫描法。由于光源是可控的，所获得的图像受环境的干扰可除掉，真实性好一些。其图像的底层处理稳定、简单、实时性也较好。(1)结构光视觉在视觉测量系统中，国内外关于结构光视觉的研究较多，国外己进入实用化阶段。所谓结构光方法就是将平面光束照射在物体上可以形成光带，光带的偏转数据反映了物体表面的三维形状信息，用这种方法可以精确地获取物体的三维信息。借助于一组平行的平面光，或将物体置于专门的旋转工作台上通过一束平面光，都可以利用偏转数据直接地计算出深度信息，称这种方法为结构光方法。结构光方法适合于限制条件下，局部范围内需要精确测量的情况，用于不规则表面的三维建模。国内对结构光视觉进行了大量的研究，中国科学院自动化所也对结构光视觉进行了探讨，实验结果表明结构光视觉算法简单，实时性好。结构光视觉的优点是实现较简单，成本较低，实时性好，但不足之处为精度相对较低。另外，在结构光照射到光洁的金属表面时，会产生强烈的镜面反射，往往会导致视觉的后续处理失败。许多文献标明，结构光视觉是视觉跟踪中最有发展前途的方法。国内在结构光视觉测量方面作了大量的工作。目前，基于位置的视觉伺服、基于图像的视觉伺服和混合视觉伺服这三种方法，在实际生产中得到成功应用的视觉伺服主要是基于位置的视觉伺服，而基于图像的视觉伺服和混合视觉伺服的实际应用8无导轨焊接机器人视觉跟踪系统的设计与仿真尚未见报道。(2)激光扫描法同结构光方法相比，激光扫描法将激光束集中于一点，测量时聚焦探测装置拍摄光点图像并使之相对于光点处于聚焦位置，光点的位置信息由聚焦探测装置给出，测量精度为微米级。但信噪比要比结构光大得多。目前用于激光扫描三角测量的敏感器主要有二维面型PSD(位置敏感器件)、线型PSD和CCD。目前，瑞典已研制出基于该原理的与焊枪集成在一起的系统，国内开展这方面的研究较少。哈尔滨工业大学完成的激光扫描式弧焊过程控制视觉系统，测量精度0.1mm，每秒测量12次。(3)图像处理技术人类传递信息的主要媒介是语音和图像。据统计，在人类接受的信息中，听觉信息占20%，视觉信息占60%，其他如味觉、触觉、嗅觉总的加起来不过占20%。所以，作为传递信息的重要媒体和手段图象处理是十分重要的。从技术发展来看，数字图像处理技术起源于20世纪20年代，当时通过海底电缆从英国伦敦到美国纽约传输了一幅照片，它采用了数字压缩技术。就1920年的技术水平来看，如果不压缩，传一幅图像要一星期时间，压缩后只需3小时。1964年美国的喷气推进实验室处理了太空船“徘徊者七号”发回的月球照片，这标志着随着硬件技术的发展，数字图像处理概念开始得到应用。其后，数字图像处理技术发展迅速，目前已在工程学、计算机科学、信息科学、统计学、物理学、化学、生物学、医学等领域大显身手。图像处理技术可分为两大类模拟图像处理和数字图像处理。(l)模拟图像处理模拟图像处理包括：光学处理(利用透镜)和电子处理，如:照相、遥感图像处理、电视信号处理等。模拟图像处理的特点是速度快，一般为实时处理，理论上可达到光速，并可以并行处理。电视图像是模拟信号处理的典型例子，它处理的是活动图像，25祯/秒。模拟图像处理的缺点是精读较差，灵活性差，很难有判断能力和非线性处理能力。(2)数字图像处理数字图像处理一般都用计算机处理或实时的硬件处理，因此称之为计算机图像处理。其优点是处理精度高，处理内容丰富，可进行复杂的非线性处理，有灵活的变通能力，一般来说只要改变软件就可以改变处理内容。其缺点是处理速度还是一个问题，特别是进行复杂的处理更是如此。一般情况下处理静止画面居多，如果实时处理一般精度的数字图像处理需要具有100MIPS的处理能力;其次是分辨率及精度尚有一定限度，如果精度及分辨率再高，所需处理时间将显著增加。9无导轨焊接机器人视觉跟踪系统的设计与仿真数字图像处理离不开模拟技术，尤其是在人-机对话和自然的人机接口的实现中，模拟图像处理是必不可少的。1.5课题研究的主要内容论文在对CCD工作原理的研究基础上，设计实现了CCD数据采集系统的硬件电路，然后对系统进行了仿真，并给出了仿真结果和分析。CCD驱动电路的设计是CCD应用的关键问题之一。因不同的生产厂家生产的CCD其驱动时序不尽相同，而同一厂家的不同型号的CCD其驱动时序也不完全一样，使CCD的驱动电路很难规范化、产品化。因此许多CCD用户必须面对驱动电路的设计间题。本文提出了一种基于CPLD技术的CCD驱动电路的设计方案。用CPLD设计的CCD驱动电路具有体积小、功耗低、速度快、抗干扰强的特点，可减小电路的体积和提高工作频率，满足机器人实时性要求。10无导轨焊接机器人视觉跟踪系统的设计与仿真第二章焊缝跟踪系统分析2.1引言本章旨在对焊缝跟踪系统进行分析，首先，介绍了焊缝跟踪系统的功能和原理；其次，介绍了用于焊缝跟踪的视觉传感的原理；最后，对本次设计用到的线阵CCD传感器系统的组成和焊缝偏差检测原理进行了详细的介绍。2.2焊缝跟踪系统原理【2】2.2.1焊缝跟踪系统功能自动焊机主要由爬行机构、摆动机构、柔性或半柔性轨道等部分组成，其焊接过程仍需依靠人工来紧盯焊缝，不断进行跟踪等操作，无论是劳动强度还是质量控制都有待改进与提高。无导轨焊接机器人的功能主要有以下几个方面：(l)良好的人机界面，包括各种控制、指令的给定，模拟量的给定和系统状态的显示；(2)磁吸式焊接小车按预定行走规律自由稳定运动的功能；(3)在多层多道焊接时进行二维实时跟踪，使焊枪的中心在给定高度上，实时对准坡口中心的功能；(4)焊枪按照预定摆动规律摆动的功能，要求能无级调节摆幅、摆速及滞时等参数；(5)准确检测和传递焊接坡口中心位置和焊枪高度信息的功能；(6)准确检测摆动中心位置并使摆动中心稳定的功能。2.2.2焊缝跟踪原理焊缝自动跟踪是焊接自动化的一个重要发展方向之一，是保证焊接质量，实现焊接自动化的重要技术手段。一个典型的实时跟踪系统一般由焊缝偏差信号传感器、控制器和跟踪执行机构3部分组成。如图2.1所示。11无导轨焊接机器人视觉跟踪系统的设计与仿真上位机PIPWM执行机构CCD光电编码图2.1焊缝自动跟踪系统框图在该焊缝跟踪系统中，传感器采用CCD(电荷耦合器件)获取焊缝偏离焊炬的位置信息，并把该信息转换为相应大小的数据，控制器通过PI算法由获得的偏差信号进行PI计算得到控制信号，然后把控制信号生成的PWM波形送给执行机构，执行机构实施相应的纠偏动作，从而达到精确跟踪的目的。2.3视觉传感原理【2】人类感知外界环境信息一般是通过感觉器官进行的，其中大部分信息来源于人的眼睛，即有人眼的视觉传感来完成，因而视觉在传感技术领域中占有非常重要的地位。视觉传感是通过图像输入设备如摄像机摄取图像，然后进行图像分析和识别的，可称为计算机视觉或机器视觉。该方法以满足视觉传感为目标，不关心是否具有与生物视觉类似的结构和过程。机器视觉是现在研究的重点，而且在实际中得以应用，并具有广泛的发展前途。视觉传感技术的应用主要有两个方面。一是机器人导航、避障，要求视觉系统能够识别室内外目标，进行道路跟踪和视觉导航，这种视觉传感探测的范围宽、识别能力强、反应速度快，但对测距精度要求相对低一些。另一个应用领域就是非接触检测，主要包括两方面，其一是用于装配，其二是用于工件质量检查和尺寸测量，其测量精度要求相度较高一些，范围小，实时检测时速度要求快。2.4线阵CCD传感器系统【15】2.4.1系统组成线阵CCD传感器的系统组成如图2.2所示。它由线阵CCD芯片、CCD驱动电路、光源、滤光片、透镜以及光电信号处理系统组成。12无导轨焊接机器人视觉跟踪系统的设计与仿真CCD驱动光电信号处偏差量输出电路理系统CCD芯片组合透镜激光片光源轨迹线光线焊焊缝球罐表面图2.2传感器系统组成传感器所用线阵CCD芯片的有效像元数为2160，像元信号频率设定为1.152MHz，帧同步信号频率500Hz，曝光时间为2ms，光敏面有效长度为30.24mm。传感器的光学系统由光源、滤光片以及组合透镜组成。光源选用对称放置的两个普通小灯泡，如图2.2所示。滤光片的作用是增强被测物体的反差，减小电弧光的干扰。组合透镜的等效焦距为50mm，按如图2.2所示的位置关系与滤光片、线阵CCD芯片组装在同一镜筒里，CCD芯片中心所在轴线和光学系统光轴保持共轴关系，这样，CCD芯片中心位置和传感器中心重合。为使得CCD传感器的体积小巧，并能满足传感器检测范围的要求，选择成像系统的像距为100mm，计算得传感器的物距为100mm左右，物体和其所成像的大小相等。2.4.2焊缝路径轨迹线偏差检测原理通常球罐表面涂有均匀一致的红色防锈漆，在工程中利用待焊球罐表面的一条和焊缝中心线平行的黑色轨迹线中心来间接表征焊缝路径中心，如图2.2所示。将CCD传感器固定于球罐焊接机器人上，由于机器人本体的中心和传感器中心位置相对固定，所以传感器中心位置相对于表征焊缝路径的轨迹线中心偏差即为焊接机器人偏离焊缝路径中心的偏差量。在光源的照射下，表征焊缝路径中心的轨迹线通过滤光片和透镜组成的光学系统，在线阵CCD芯片表面成像，成像电荷与CCD芯片表面感光强度成正比。由于黑色轨迹线反射光强较红色球罐表面弱，所以轨迹线在CCD芯片表面成像处所产生的像元信号电压较球罐表面处的弱。每帧图像所生成的像元信号，经过光13无导轨焊接机器人视觉跟踪系统的设计与仿真电信号处理系统的二值化电路处理后得到如图2.3中的二值化信号，其中高电平代表红色球罐表面处，低电平代表黑色轨迹线处。低电平形成的方波中心代表轨迹线中心，整个一帧图像信号的中心代表传感器的中心位置，二值化信号低电平的宽度正比于轨迹线的实际宽度。光电信号处理系统将此二值化信号进行信号处理、计算及D/A转换，可以获得一个正比于轨迹线中心和传感器中心偏差的模拟量电压。由于轨迹线中心即代表焊缝路径中心位置，所以传感器的输出即为其偏离焊缝路径中心位置的偏差量。图2.3(a)为传感器中心向右偏离焊缝路径中心时CCD的