基于主动光视觉传感的焊缝自动跟踪系统研究

发布时间：2017-07-30 14:19

  本文关键词：基于主动光视觉传感的焊缝自动跟踪系统研究

  更多相关文章： 结构光视觉传感 焊缝跟踪 图像处理 时空上下文 特征点提取

【摘要】：由于手工焊接存在生产效率低、工作环境恶劣等问题,焊接机器人逐渐在国内的众多生产制造领域得到应用。然而前工序的定位误差和焊接过程出现的热变形可能导致示教编程获得的机器人焊接轨迹偏离实际的焊缝轨迹,从而影响焊接质量。为此,本文研了制基于主动光视觉传感的焊缝跟踪系统,采用基于图像处理和时空上下文学习的焊缝特征点提取算法,以实现在强烈的弧光、飞溅、尘烟等干扰下,实时检测焊缝特征点,并驱动机器人完成自动跟踪焊接。本课题的研究获得国家04科技重大专项项目(编号:2015ZX04005006,五千台具有完全自主知识产权的面向机床自动化生产的机器人开发及产业工程)和广东省科技重大专项项目(编号:2014B090920001,面向数控机床与机器人集成一体化技术的研究)的资助。本文建立了以结构光为主动光的激光视觉三维测量数学模型,针对数学模型所需的摄像机内参数和激光平面方程,研究了摄像机和激光平面的标定方法,完成标定实验,获得了所需的参数。针对结构光视觉传感器与三轴机器人平台组成的Eye-in-Hand系统,提出了一种手眼标定算法,获得了摄像机坐标系与三轴机器人基坐标系的变换关系,实现了像素坐标系和基坐标系的转换。焊缝跟踪系统的一个重要技术指标是测量点与焊接点之间的距离。该距离越小,系统的综合性能越高,但弧光和飞溅对视觉传感器的干扰越严重,从而导致测量精度下降甚至测量失败。为此,本文提出了一种基于图像处理和时空上下文学习的焊缝特征点提取算法。焊接开始前,基于图像处理提取初始特征点,其过程包括滤波、阈值分割、形态学修正、ROI提取、中心线提取和特征点提取;焊接开始,利用初始特征点的时空上下文信息进行建模,通过模型对当前图像特征点的位置进行估计,再利用当前特征点的时空上下文信息对模型进行更新,用于下一帧图像的估计;通过噪声污染程度评估,检测出污染程度较低的图像,基于图像处理方法提取实际特征点并对模型进行修正。该算法大大提升了系统的抗干扰能力。设计和研制了一套基于TwinCAT实时控制软件的三轴机器人焊缝跟踪实验平台,控制系统包括运行于TwinCAT实时核的实时运动控制模块和运行于Windows的上位机软件模块。在此平台上分别进行了焊缝特征点提取实验和焊缝轨迹跟踪实验。实验结果表明:在存在强烈弧光和飞溅的工况下,系统能够正常进行实时自动跟踪焊接,测量点与焊接点的最小距离可达30mm,视觉传感器测量频率可达30Hz,跟踪的平均绝对误差小于0.4mm,能满足实际焊接生产的需求。
【关键词】：结构光视觉传感 焊缝跟踪 图像处理 时空上下文 特征点提取
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 课题研究背景和意义12-13
• 1.2 焊缝跟踪的国内外研究现状13-16
• 1.2.1 焊缝跟踪的传感技术13-14
• 1.2.2 主动光视觉焊缝跟踪系统的研究现状14-16
• 1.3 视觉传感图像处理的研究现状16-18
• 1.3.1 图像去噪16-17
• 1.3.2 图像分割17
• 1.3.3 特征提取17-18
• 1.4 论文研究的目的与主要内容18-20
• 第二章 结构光视觉系统原理20-28
• 2.1 基本测量原理20
• 2.2 三维测量数学模型20-25
• 2.2.1 基于三角测量法的数学模型20-23
• 2.2.2 基于透视投影的数学模型23-25
• 2.3 激光器和滤光镜25-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第三章 视觉系统标定28-48
• 3.1 摄像机标定28-36
• 3.1.1 摄像机模型28-29
• 3.1.2 内外参数求解29-32
• 3.1.3 基于HALCON的摄像机标定32-34
• 3.1.4 标定精度检验34-36
• 3.2 激光平面标定36-41
• 3.2.1 标定原理37-39
• 3.2.2 标定实验39-41
• 3.3 三轴机器人手眼标定41-47
• 3.3.1 手眼系统42-43
• 3.3.2 标定原理43-45
• 3.3.3 标定实验45-47
• 3.4 本章小结47-48
• 第四章 焊缝特征点提取48-77
• 4.1 初始特征点提取49-61
• 4.1.1 图像滤波49-50
• 4.1.2 阈值分割50-52
• 4.1.3 形态学基本运算52-54
• 4.1.4 形态学修整54-55
• 4.1.5 ROI提取55-57
• 4.1.7 中心线提取57-59
• 4.1.8 特征点和倾斜角提取59-61
• 4.2 基于时空上下文的特征点提取61-66
• 4.2.1 算法原理62-64
• 4.2.2 特征点提取过程64-66
• 4.3 时空上下文模型的修正66-74
• 4.3.1 噪声污染程度评估66-67
• 4.3.2 实际特征点的提取67-73
• 4.3.3 模型修正73-74
• 4.4 参数设定74-76
• 4.4.1 空间上下文区域的尺寸74-75
• 4.4.2 其他参数设定75-76
• 4.5 本章小结76-77
• 第五章 实验研究与分析77-95
• 5.1 实验平台77-81
• 5.1.1 运动执行机构78-79
• 5.1.2 结构光视觉传感器79
• 5.1.3 软件系统设计和开发79-81
• 5.2 特征点提取实验81-87
• 5.3 焊缝轨迹跟踪实验87-94
• 5.3.1 数据滤波87-88
• 5.3.2 轨迹跟踪方法88-89
• 5.3.3 焊缝轨迹跟踪的实验过程与实验结果89-94
• 5.4 本章小结94-95
• 总结与展望95-98
• 全文总结95-96
• 创新点96
• 未来展望96-98
• 参考文献98-104
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果104-105
• 致谢105-106
• 附件106

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 刘立;谭邦;肖建田;;尺度不变特征点提取[J];南华大学学报(自然科学版);2009年01期

2 闫伟齐,丁玮,齐东旭;字形设计中曲线特征点提取方法的研究[J];北方工业大学学报;1999年03期

3 邱鹏;赵和鹏;朱长仁;;部分遮挡目标的稳健局部特征点提取方法[J];现代电子技术;2013年22期

4 张敏;乔梦萱;刘亭;张海艳;;基于图像的人脸检测及特征点提取综述[J];科技视界;2014年06期

5 于岱峰;李良良;周广勇;;摄影测量特征点提取与匹配技术研究[J];电脑知识与技术;2008年12期

6 吴子章;;球形图像的特征点提取与匹配综述[J];数字技术与应用;2011年05期

7 乔警卫;胡少兴;;三维重建中特征点提取与匹配算法研究[J];系统仿真学报;2008年S1期

8 彭小奇;李玉晓;李晟;;一种基于信息融合的指纹特征点提取方法[J];计算机测量与控制;2008年11期

9 戚世贵;;尺度不变特征点提取算法的改进算法[J];国外电子测量技术;2008年09期

10 李文;郭立;袁红星;关华;;多视环境下特征点提取的并行实现[J];计算机工程;2012年01期

中国重要会议论文全文数据库 前9条

1 聂玖星;李建华;王宏;;基于笔划类型的汉字特征点提取算法研究[A];2008通信理论与技术新发展——第十三届全国青年通信学术会议论文集（下）[C];2008年

2 梁倬;尹梁;;指纹识别中的特征点提取算法[A];第二届全国信息获取与处理学术会议论文集[C];2004年

3 陈平;王培珍;周芳;王雪峰;;苗木图像的特征点提取与匹配方法研究[A];第十五届全国图象图形学学术会议论文集[C];2010年

4 钟宝江;廖文和;;曲率特征点提取及应用的一些进展[A];几何设计与计算的新进展[C];2005年

5 朱希安;宋波;;基于8邻域编码的指纹图像特征点提取与去伪[A];第六届全国信息获取与处理学术会议论文集（1）[C];2008年

6 杨晓晖;宁彦俊;王文娟;;图像特征点提取角点量阈值自适应选取方法[A];第十届全国光电技术学术交流会论文集[C];2012年

7 谈正;郭春霞;邢延超;;单幅人像的全自动3D重建及情感表达[A];第一届中国情感计算及智能交互学术会议论文集[C];2003年

8 陈倩;唐劲松;石敏;;水声宽带相关成像的图像特征点提取技术[A];中国声学学会2006年全国声学学术会议论文集[C];2006年

9 阮晓钢;魏若岩;朱晓庆;李建更;Quattara SIE;;小天体软着陆中的特征点提取与跟踪算法研究[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第九届学术年会论文集（上册）[C];2012年

中国博士学位论文全文数据库 前3条

1 李璐璐;基于结构光反射的平面子镜拼接检测技术研究[D];电子科技大学;2015年

2 刘佳;叶片复杂曲面原位测量关键技术研究[D];吉林大学;2016年

3 毛敏;基于宽基线的弱纹理特征点提取与描述方法研究[D];东华大学;2014年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 张世欣;基于AP-SoC嵌入式图像特征点提取系统的设计实现[D];北京理工大学;2016年

2 陈学;基于球形相机模型的鱼眼图像特征点提取和匹配的研究[D];东北大学;2014年

3 刘雨;基于边界特征点提取的网格分割[D];吉林大学;2016年

4 汪洋;扫地机器人定位算法设计与嵌入式系统实现[D];中国科学技术大学;2016年

5 龚国基;基于主动光视觉传感的焊缝自动跟踪系统研究[D];华南理工大学;2016年

6 崔哲;基于SIFT算法的图像特征点提取与匹配[D];电子科技大学;2016年

7 陶茂垣;数字水印中的几何不变特征点提取算法研究[D];华中科技大学;2007年

8 李淳;基于曲率尺度空间的手部特征点提取[D];北京工业大学;2015年

9 黎俊超;移动设备上特征点提取加速方法研究[D];华中科技大学;2013年

10 张绍光;基于局部重建的点云特征点提取[D];大连理工大学;2013年

，

本文编号：594629