水下焊接机器人视觉传感焊缝跟踪方法研究

论文摘要

随着人们对海洋探索步伐的加快,水下焊接机器人在深海探测和海洋开发中扮演着越来越重要的角色。焊缝跟踪是焊接机器人的一项重要内容。本论文以实现水下焊缝激光传感视觉传感跟踪为目标,建立了一套水下焊缝跟踪系统。该系统以线型激光为主动光源,利用CCD获取焊缝的结构光图像,经过图像采集卡传输至计算机,并根据计算机图像处理后得到焊缝的位置偏差控制焊枪的运动,达到焊缝跟踪的目的。本文针对水下视觉传感系统的成像的环境因素以及水下各种干扰因素对激光图像的影响。在此基础上,研制了适合水下环境的激光焊缝传感器,主要讨论了传感器元器件选择依据,传感器光路、机构、密封设计等。利用所研制的激光视（?）传感器获取了大量的水下焊接图像,分析了水下（?）光焊缝传感图像的特点。为了从这些图像中有效地提取焊缝,比较使用了各种不同的图像处理方法,选取了一组效果较好的图像处理、焊缝信号提取的方法,即:形态学滤波、改进类间方差最大法图像分割、中心取样细化图像、霍夫变换提取焊缝信号。并且为了满足焊接系统实时性的要求,对中心取样和霍夫变换算法加以改进。并使用VC++编写了焊缝图像处理软件,可以准确的取得焊缝的信息。最后,在获取焊缝信号,得出焊缝偏差的基础上,以焊缝的偏差和偏差变化率（即相邻两幅焊接图像获取焊缝位置的差值）为输入,设计了FUZZY—PID控制系统,并针对其不足之处,基于遗传算法离线优化,对模糊控制器的比例因子进行优化,使模糊控制器的输出更为精确,克服了单独模糊控制中模糊规则和隶属度函数难以确定的缺点以及焊接机构运动参数在线测量技术抗干扰能力弱和调节幅度过大、控制不够精确的缺点,取得较好的效果。并使用VC++语言编写了控制算法软件。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 水下焊接方法及其发展
• 1.2 水下焊接机器人的发展概况
• 1.2.1 水下机器人的发展
• 1.2.2 水下焊接机器人的现状
• 1.2.3 水下焊接机器人的发展趋势
• 1.3 焊缝跟踪技术的发展
• 1.3.1 焊缝跟踪方法
• 1.3.2 视觉传感的发展状况
• 1.3.3 水下焊缝跟踪控制方法
• 1.3.4 本课题组研究成果
• 1.4 本课题研究内容及意义
• 1.4.1 主要研究内容
• 1.4.2 课题意义
• 第2章 水下焊缝跟踪激光视觉传感系统
• 2.1 水下激光视觉传感原理及系统组成
• 2.1.1 水下激光视觉传感原理
• 2.1.2 水下激光视觉焊缝跟踪系统的组成
• 2.2 水下激光焊缝传感器设计
• 2.3 主要性能指标
• 2.4 本章小结
• 第3章 水下焊缝图像信号提取方法研究
• 3.1 水下焊缝图像特点
• 3.2 水下焊缝图像信号提取方法
• 3.2.1 水下焊缝图像平滑处理
• 3.2.2 水下焊接图像分割
• 3.2.3 水下焊接图像特征提取
• 3.2.4 焊缝识别效果实验
• 3.3 本章小结
• 第4章 水下焊接机器人焊缝跟踪控制方法
• 4.1 水下焊缝跟踪控制系统构成
• 4.2 水下焊缝跟踪控制方案选择
• 4.3 基于GA比例因子优化的模糊PID控制系统设计
• 4.3.1 模糊PID控制器比例因子优化理论
• 4.3.2 基于GA比例因子优化的模糊PID控制器设计
• 4.3.3 GA比例因子优化调整原理
• 4.3.4 基于GA比例因子调整的模糊PID控制器结构
• 4.3.5 仿真研究
• 4.3.6 控制方案性能比较试验
• 4.4 小结
• 第5章 水下焊缝跟踪系统与实验
• 5.1 水下自动焊接硬件的构成
• 5.2 系统软件
• 5.3 焊缝识别试验
• 5.4 跟踪试验
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果