專利名稱：用于焊縫檢測的爬壁機(jī)器人的視覺導(dǎo)航系統(tǒng)及焊縫的焊接定位方法及焊縫偏移量獲取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明適用于對塔筒的檢修維護(hù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
最近幾年風(fēng)電產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，風(fēng)電塔筒數(shù)量猛增，相應(yīng)的對于塔筒的檢修維護(hù)エ作需求量也大增。一般的風(fēng)電塔筒高度在50到100米之間，塔筒分為若干段，每段由單塊鋼板卷板焊接而成。由于焊接エ藝和焊接精度的影響，焊縫部分難免會出現(xiàn)虛焊、氣孔、夾渣等問題，在風(fēng)場使用過程中容易進(jìn)ー步引起裂縫。由于風(fēng)電場多數(shù)都建立于海上、峽谷、山ロ等自然環(huán)境惡劣場所，導(dǎo)致上述問題在風(fēng)機(jī)的使用中成為極大的安全隱患。一直以來，都是采用垂吊式作業(yè)方式來進(jìn)行風(fēng)電塔筒的檢修、維護(hù)工作，風(fēng)險較高，因此迫切需要極限方式下工作的機(jī)器來代替人工作業(yè)。而在這種極限條件下，很難通過示教再現(xiàn)方式來實現(xiàn)機(jī)器人工作過程的訓(xùn)練，需要機(jī)器人具有更智能的控制系統(tǒng)來適應(yīng)工作環(huán)境，并進(jìn)行相關(guān)的工作。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決自然環(huán)境惡劣場所現(xiàn)有技術(shù)無法實現(xiàn)示教再現(xiàn)方式對塔筒的檢修維護(hù)工作的問題，從而提供了用于焊縫檢測的爬壁機(jī)器人的視覺導(dǎo)航系統(tǒng)及焊縫的焊接定位方法及焊縫偏移量獲取方法。本發(fā)明所述的用于焊縫檢測的爬壁機(jī)器人的視覺導(dǎo)航系統(tǒng)，它包括電荷耦合攝像機(jī)、十字激光發(fā)射器和計算機(jī)，電荷耦合攝像機(jī)和十字激光發(fā)射器固定在機(jī)器人頭部的正前端，并且十字激光發(fā)射器在電荷耦合攝像機(jī)的正上方，所述的十字激光發(fā)射器發(fā)射的激光照射在被焊接エ件表面形成十字光斑，電荷耦合攝像機(jī)用于拍攝エ件表面的十字光斑，且十字激光發(fā)射器發(fā)射的激光光束的光軸與電荷耦合攝像機(jī)的攝像頭的光軸的夾角為45°，電荷耦合攝像機(jī)的數(shù)據(jù)輸出端與計算機(jī)的數(shù)據(jù)輸入端連接。焊接定位方法，它包括下述步驟步驟一、十字激光發(fā)射器發(fā)射紅色十字線型激光束，所述激光束照射在被焊接エ件表面形成十字光斑，并采用該激光束掃描エ件表面，在掃描過程中，采用電荷耦合攝像機(jī)采集エ件表面的視頻信息，執(zhí)行步驟ニ；步驟ニ、計算機(jī)接收電荷耦合攝像機(jī)所采集的視頻信息；步驟三、計算機(jī)把視頻信息中每ー幀圖像進(jìn)行如下處理步驟三一、將該幀圖像分割成像素點(diǎn)，所述的像素點(diǎn)的值表示該點(diǎn)圖像紅、黃和藍(lán)三色的值；步驟三ニ、將該幀圖像的所有紅、黃和藍(lán)三種顔色分量的數(shù)值分別存儲于三個數(shù)組里；
步驟三三、計算機(jī)通過ニ維最大熵分割法對該幀圖像對應(yīng)的紅色分量的數(shù)組求取紅色分量數(shù)值對應(yīng)的灰度值的最佳閾值；步驟三四、將該幀圖像的所有像素的灰度值與步驟三三獲得的最佳閾值相比較，并將高于閾值的像素的灰度值置為255，將低于閾值的像素灰度值置為0，將該幀圖像轉(zhuǎn)換為ニ值圖；步驟三五、運(yùn)用Canny算子對步驟三四得到的ニ值圖進(jìn)行邊緣檢測，以獲得ニ值圖像的邊緣信息，在該幀圖像上表現(xiàn)為十字光斑的邊緣；步驟三六、提取步驟三五的邊緣信息，取十字光斑的邊緣的中線作為骨架，得到光滑的單像素寬度的骨架曲線；步驟三七、根據(jù)步驟三六得到的骨架曲線進(jìn)行直線的Hough變換，得到弧線兩邊的兩條直線，并標(biāo)記出弧線的兩個端點(diǎn)，找到弧線部分，檢測出焊縫在該幀圖像中的位置。焊縫偏移量獲取方法，經(jīng)過焊縫定位后，提取焊縫弧線的兩個端點(diǎn)和十字光的中心點(diǎn)三個特征點(diǎn)，所述兩個端點(diǎn)之間距離為a，中心點(diǎn)到與焊縫臨近的端點(diǎn)之間的距離為b，設(shè)a，b的測量值為a'，b'，可求得偏移角度為
權(quán)利要求
1.用于焊縫檢測的爬壁機(jī)器人的視覺導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于它包括電荷耦合攝像機(jī)(I)、十字激光發(fā)射器(2)和計算機(jī)， 電荷耦合攝像機(jī)(I)和十字激光發(fā)射器(2)固定在機(jī)器人頭部的正前端，并且十字激光發(fā)射器(2)在電荷耦合攝像機(jī)(I)的正上方，所述的十字激光發(fā)射器(2)發(fā)射的激光照射在被焊接エ件表面形成十字光斑，電荷耦合攝像機(jī)(I)用于拍攝エ件表面的十字光斑，且十字激光發(fā)射器(2)發(fā)射的激光光束的光軸與電荷耦合攝像機(jī)(I)的攝像頭的光軸的夾角為45°，電荷耦合攝像機(jī)(I)的數(shù)據(jù)輸出端與計算機(jī)的數(shù)據(jù)輸入端連接。
2.基于權(quán)利要求I所述的視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的焊縫的焊接定位方法，其特征在于，它包括下述步驟 步驟一、十字激光發(fā)射器(2)發(fā)射紅色十字線型激光束，所述激光束照射在被焊接エ件表面形成十字光斑，并采用該激光束掃描エ件表面，在掃描過程中，采用電荷耦合攝像機(jī)(I)采集エ件表面的視頻信息，執(zhí)行步驟ニ ； 步驟ニ、計算機(jī)接收電荷耦合攝像機(jī)所采集的視頻信息； 步驟三、計算機(jī)把視頻信息中每ー幀圖像進(jìn)行如下處理 步驟三一、將該幀圖像分割成像素點(diǎn)，所述的像素點(diǎn)的值表示該點(diǎn)圖像紅、黃和藍(lán)三色的值； 步驟三ニ、將該幀圖像的所有紅、黃和藍(lán)三種顔色分量的數(shù)值分別存儲于三個數(shù)組里； 步驟三三、計算機(jī)通過ニ維最大熵分割法對該幀圖像對應(yīng)的紅色分量的數(shù)組求取紅色分量數(shù)值對應(yīng)的灰度值的最佳閾值； 步驟三四、將該幀圖像的所有像素的灰度值與步驟三三獲得的最佳閾值相比較，并將高于閾值的像素的灰度值置為255,將低于閾值的像素灰度值置為O,將該巾貞圖像轉(zhuǎn)換為ニ值圖； 步驟三五、運(yùn)用Canny算子對步驟三四得到的ニ值圖進(jìn)行邊緣檢測，以獲得ニ值圖像的邊緣信息，在該幀圖像上表現(xiàn)為十字光斑的邊緣； 步驟三六、提取步驟三五的邊緣信息，取十字光斑的邊緣的中線作為骨架，得到光滑的單像素寬度的骨架曲線； 步驟三七、根據(jù)步驟三六得到的骨架曲線進(jìn)行直線的Hough變換，得到弧線兩邊的兩條直線，并標(biāo)記出弧線的兩個端點(diǎn)，找到弧線部分，檢測出焊縫在該幀圖像中的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的焊縫的焊接定位方法，其特征在干，步驟三三所述的求取紅色分量數(shù)值對應(yīng)的灰度值的最佳閾值方法為 圖像上一個像素點(diǎn)緊鄰的上下左右四個像素點(diǎn)以及其4個對角的相鄰像素就構(gòu)成了該像素點(diǎn)的8個像素點(diǎn)的鄰域信息，通過ニ維最大熵分割法作出圖像關(guān)于像素點(diǎn)灰度值及該像素點(diǎn)鄰域信息灰度均值的ニ維直方圖，利用ニ維熵最大求取紅色分量數(shù)值對應(yīng)的灰度值的最佳閾值f(x，y)； 其中，U，y)為像素點(diǎn)的坐標(biāo)， ニ維直方圖沿對角線分布的A區(qū)和B區(qū)分別代表目標(biāo)和背景，遠(yuǎn)離對角線的C區(qū)和D區(qū)代表邊界和噪聲，在A區(qū)和B區(qū)上利用點(diǎn)灰度-區(qū)域灰度均值ニ維最大熵法確定最佳閾值，可使真正代表目標(biāo)和背景的信息量最大，ニ維熵為
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的焊縫的焊接定位方法，其特征在干，步驟三五中的根據(jù)ニ值圖進(jìn)行邊緣檢測的具體步驟為 步驟三五一、用Gaussian濾波器對圖像的最佳閾值f (x, y)進(jìn)行卷積
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的焊縫的焊接定位方法，其特征在干，步驟三五四中鏈接獲得圖像中十字光斑的邊緣的具體步驟為 步驟三五四一，對圖像2進(jìn)行掃描，當(dāng)遇到一個非零灰度值的像素點(diǎn)吋，跟蹤以其為開始點(diǎn)的輪廓線，直到輪廓線的終點(diǎn)； 步驟三五四ニ，考察圖像I中與圖像2中輪廓線的終點(diǎn)位置對應(yīng)的像素點(diǎn)的8個像素點(diǎn)的鄰域信息，如果在該點(diǎn)的8個像素點(diǎn)的鄰域中有非零灰度值的像素點(diǎn)存在，則將其包括到圖像2中，作為新的開始點(diǎn)，然后重復(fù)步驟三六四一，直到在圖像I和圖像2中都無法繼續(xù)為止； 步驟三五四三，當(dāng)完成對包含某一像素點(diǎn)的輪廓線的鏈接之后，將這條輪廓線標(biāo)記為已經(jīng)訪問； 重復(fù)步驟三五四一、步驟三五四ニ和步驟三五四三，直到圖像2中找不到新輪廓線為止。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的焊縫的焊接定位方法，其特征在干，步驟三六所述的骨架曲線為 P = xcos Θ +ysin Θ ； (13) 其中，P = XCOS Θ +ysin Θ表示圖像空間的一點(diǎn)(x,y)對應(yīng)于(P , Θ )空間的一條正弦曲線，χ表示像素的橫坐標(biāo)，y表示像素的縱坐標(biāo)，圖像坐標(biāo)原點(diǎn)到該直線的距離為P，該直線的法線與χ軸的夾角為Θ。
7.基于權(quán)利要求2所述的焊縫的焊接定位方法的焊縫偏移量獲取方法，其特征在干，經(jīng)過焊縫定位后，提取焊縫弧線的兩個端點(diǎn)和十字光的中心點(diǎn)三個特征點(diǎn)，所述兩個端點(diǎn)之間距離為a，中心點(diǎn)到與臨近的端點(diǎn)之間的距離為b，設(shè)a，b的測量值為a'，b'，可求得偏移角度為 θ =眶os!^ = arcco 厶,C14) a +bο 位置偏移量為 w = b' +b, (15) 當(dāng)a' =a，b' =b，為正常情況，機(jī)器人正常行進(jìn)中；當(dāng)a' >a，b'彡b，機(jī)器人向左偏移；當(dāng)a' > a,b'彡b,機(jī)器人向右偏移。
全文摘要
用于焊縫檢測的爬壁機(jī)器人的視覺導(dǎo)航系統(tǒng)及焊縫的焊接定位方法及焊縫偏移量獲取方法，本發(fā)明涉及用于焊縫檢測的爬壁機(jī)器人的視覺導(dǎo)航系統(tǒng)及焊縫的焊接定位方法及焊縫偏移量獲取方法。它為了解決自然環(huán)境惡劣場所現(xiàn)有技術(shù)無法實現(xiàn)示教再現(xiàn)方式對塔筒的檢修維護(hù)工作的問題。視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的電荷耦合攝像機(jī)和十字激光發(fā)射器固定在機(jī)器人頭部的正前端，并且十字激光發(fā)射器在電荷耦合攝像機(jī)的正上方，十字激光發(fā)射器發(fā)射的激光照射在被焊接工件表面形成十字光斑，電荷耦合攝像機(jī)用于拍攝工件表面的十字光斑，電荷耦合攝像機(jī)數(shù)據(jù)輸出端與計算機(jī)的數(shù)據(jù)輸入端連接。本發(fā)明適用于對塔筒的檢修維護(hù)領(lǐng)域。
文檔編號G01C21/00GK102645219SQ20121015084
公開日2012年8月22日 申請日期2012年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月16日
發(fā)明者張立國, 焦建彬, 肖波, 高學(xué)山 申請人:航天科工哈爾濱風(fēng)華有限公司