用于遥控焊接的立体视觉焊缝建模研究

论文摘要

极限环境中的焊接任务需要以遥控焊接的方式来完成。遥控焊接任务中,焊缝空间位置的获取和焊缝模型的表达都具有非常重要的意义。通过传感器迅速、准确的获得远端焊缝信息,并将其提供给焊接机器人,可提高工作效率和安全性。本文采用遥控焊接立体视觉系统,在远距离处对焊缝进行全局建模,先获得焊缝点云,再对其进行曲线拟合建立焊缝NURBS曲线模型,为机器人焊接轨迹规划等提供了保证。本文分析了立体视觉的重建过程,完成了系统标定。并采用极线校正算法对图像进行重投影变换,使对应极线变为沿着图像的水平扫描线方向,以降低特征匹配算法的复杂度。提出了一种新的特征检测算法:先使用底帽变换对图像进行预处理突出焊缝部分,通过Canny算子边缘检测和闭操作获得像素级焊缝边缘;根据焊缝的边缘连续性和宽度有限特点去除焊缝特征中的误检测点;然后对焊缝离散点进行三次平滑样条拟合,获得了光滑的亚像素级焊缝特征。接下来在极线约束下完成了焊缝的特征匹配,并根据立体视觉原理计算焊缝的点云数据。NURBS曲线模型具有很好的通用性和灵活性。本文实现了点云数据的NURBS曲线拟合,建立了焊缝的参数曲线模型,不仅降低了数据量,而且建立的曲线模型可为机器人的运动控制提供便利。为了验证本文焊缝建模方法的可行性和优势,对平面和曲面典型焊缝进行了实验,并对焊缝模型误差进行分析。经统计得到:平面S形焊缝模型的平均拟合误差为0.10mm,平均绝对定位距离误差为1.49mm;曲面S形焊缝模型的平均拟合误差为0.43mm,平均绝对定位距离误差为1.98mm;圆筒对接式焊缝模型的平均拟合误差为0.15mm,平均绝对定位距离误差为1.37mm。实验结果表明,本文研究的焊缝建模方法能够满足遥控焊接环境中宏观建模所需的焊缝模型精度要求,为实现遥控焊接的自动化和智能化奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景与意义
• 1.2 遥控焊接技术的研究现状
• 1.3 焊缝三维信息获取与建模技术研究现状
• 1.3.1 焊缝自动跟踪系统
• 1.3.2 基于立体视觉的焊缝信息获取技术
• 1.3.3 面向遥控焊接的焊缝建模技术
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 立体视觉系统标定与极线校正
• 2.1 立体视觉基本原理
• 2.2 课题总体方案设计
• 2.3 立体视觉焊缝建模实验系统
• 2.4 立体视觉焊缝建模系统标定
• 2.4.1 摄像机模型
• 2.4.2 系统参数标定
• 2.5 极线校正
• 2.5.1 极线约束
• 2.5.2 立体视觉图像对的极线校正
• 2.6 本章小结
• 第3章 焊缝特征检测与匹配
• 3.1 常用立体视觉特征检测与匹配算法
• 3.2 焊缝特征检测与匹配算法的基本思路
• 3.3 焊缝边缘特征检测与匹配算法
• 3.3.1 形态学焊缝图像处理与像素级焊缝特征检测
• 3.3.2 像素级数据点的筛选
• 3.3.3 三次平滑样条拟合
• 3.3.4 焊缝匹配特征的寻找与视差值的计算
• 3.4 本章小结
• 第4章 焊缝点云的曲线拟合
• 4.1 焊缝点云的获取
• 4.2 焊缝点云NURBS曲线拟合
• 4.2.1 NURBS曲线数学模型
• 4.2.2 数据点集的参数化与节点向量的计算
• 4.3 基于迭代的NURBS曲线拟合算法
• 4.4 本章小结
• 第5章 立体视觉焊缝建模实验
• 5.1 焊缝建模实验过程
• 5.2 立体视觉焊缝建模实验结果
• 5.3 实验结果误差分析
• 5.3.1 系统标定误差
• 5.3.2 焊缝模型拟合误差
• 5.3.3 焊缝模型绝对定位误差
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢