本發(fā)明涉及一種基于光柵投影的三維重構(gòu)方法，用于工件的自動(dòng)焊接。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，焊接技術(shù)成為了重要的金屬熱加工技術(shù)，并在制造、材料等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。手工焊接在大批量生產(chǎn)中很難保證加工的一致性和精確性，且焊接的效率較低，需要投入大量的人力資源，因而為了保證產(chǎn)品的焊接品質(zhì)，焊接工業(yè)自動(dòng)化已經(jīng)成為了未來焊接的主要發(fā)展方向。目前大多數(shù)焊接機(jī)器人都是基于示教再現(xiàn)模式的工作方式，往往需要操作者靠近加工工位的位置完成示教，且對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型工件存在極大的示教難度，難以保證焊接效果，因此焊接工件三維輪廓數(shù)據(jù)的高精度快速檢測顯得尤其重要，是實(shí)現(xiàn)焊接技術(shù)的全面自動(dòng)化、提高焊接效率和質(zhì)量的前提條件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決焊接工件快速自動(dòng)檢測，實(shí)現(xiàn)焊接技術(shù)的自動(dòng)化和智能化，本發(fā)明提供了一種基于光柵投影三維重構(gòu)的工件自動(dòng)焊接方法，該方法不僅可以快速檢測工件的三維輪廓信息，并且測量范圍寬、精度高，能夠直接用于焊接機(jī)器人的操作軌跡控制，實(shí)現(xiàn)工件檢測、焊接的全自動(dòng)化。

附圖說明

圖1是光柵投影測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是平行光軸光柵投影測量原理圖。

圖3是交叉光軸光柵投影測量原理圖。

圖4是局部單應(yīng)性矩陣標(biāo)定法部分格雷碼圖。

圖5是工件二維輪廓提取流程圖。

圖6是工件自動(dòng)焊接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

圖1所示為光柵投影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。一套基于數(shù)字光柵投影的三維重構(gòu)系統(tǒng)，主要包括了計(jì)算機(jī)、工控機(jī)、攝像機(jī)以及投影儀等硬件。正弦光柵條紋通過一臺(tái)計(jì)算機(jī)編程控制投影儀生成，并投射到參考平面和物體表面上，攝像機(jī)用來拍攝攜帶了變形光柵條紋的參考平面和物體圖像。首先，數(shù)字投影裝置向參考平面投射光強(qiáng)呈正弦分布的光柵條紋，攝像機(jī)同時(shí)拍攝具有光柵條紋的參考平面圖像并且保存下來。然后，放入待測物體，將同樣的光柵圖像投射到待測物體的表面上，使用攝像機(jī)拍攝經(jīng)待測物體表面調(diào)制而變形的光柵圖像并且保存。因?yàn)槲矬w表面高度的不同導(dǎo)致投射的正弦光柵條紋發(fā)生了變形，所以可以通過分析對(duì)比投射到參考平面上的無變形光柵圖像和投射到待測物體的變形光柵圖像之間的不同，提取出物體表面的高度信息，這就是基于光柵投影的三維重構(gòu)技術(shù)的基本原理。本發(fā)明中三維測量系統(tǒng)是采用面結(jié)構(gòu)光進(jìn)行光柵投影，其基本原理是通過計(jì)算得到經(jīng)被測物體表面調(diào)制后的光柵相位信息分布，再根據(jù)相位-高度映射關(guān)系來恢復(fù)被測物體表面的三維結(jié)構(gòu)。光柵投影主要是以分析相位信息來進(jìn)行三維重構(gòu)的一種方法，屬于光學(xué)測量方法中的一個(gè)重要研究方向，其中面結(jié)構(gòu)光投影方法具有重構(gòu)速度快、精度高、測量量程大等特點(diǎn)。

圖2所示為平行光軸光柵投影測量原理圖。投影儀向參考平面r投射等相位面相互平行的光柵條紋。d點(diǎn)是被測物體上的一點(diǎn)，θ0為投影條紋光路與參考面之間的夾角，p0為投影在參考面的等周期正弦干涉條紋的節(jié)距。

根據(jù)圖2所示，在參考平面上的c點(diǎn)相位為：

d點(diǎn)的相位是點(diǎn)a經(jīng)過待測物體調(diào)制后的相位值，其值為：

由1式和2式可得3式：

根據(jù)幾何關(guān)系可以得到d點(diǎn)對(duì)于參考平面的高度h，最后得到簡化后的結(jié)果：

其中定義系統(tǒng)的有效波長為λe＝p0tanθ0，是基于該系統(tǒng)模型的重要參數(shù)，由系統(tǒng)的參數(shù)p0和θ0決定。

圖3所示為交叉光軸光柵投影測量原理圖。oc為ccd攝像機(jī)的鏡頭光心，op為投影儀的鏡頭光心，l和d分別為攝像機(jī)光心到參考平面和投影儀光心的距離。對(duì)于物體表面上的任意一點(diǎn)d，其在參考平面上的投影為點(diǎn)c，a、b兩點(diǎn)分別為點(diǎn)d與兩鏡頭光心連線和參考平面的交點(diǎn)。在未放置被測物體時(shí)，光束opb投射到參考平面上并與其交點(diǎn)為點(diǎn)b，但當(dāng)放置被測物體后，光束opb在經(jīng)過物體時(shí)光路發(fā)生了變化，會(huì)投射到物體表面的d點(diǎn)上。從攝像機(jī)的視角觀察，被測物體表面進(jìn)行高度調(diào)制后，光束從原來的b點(diǎn)轉(zhuǎn)換至a點(diǎn)，也就是b點(diǎn)到a點(diǎn)的位移攜帶了點(diǎn)d的高度信息dc，根據(jù)圖3中的光路關(guān)系，由三角原理可以解算出高度信息dc，并將該過程映射到整個(gè)x-y平面上的所有點(diǎn)，最終便提取出物體的高度矩陣。這個(gè)系統(tǒng)存在兩個(gè)約束條件：

(1)攝像機(jī)和投影儀的光軸相交在參考平面oxy上；

(2)攝像機(jī)和投影儀的鏡頭光心連線與參考平面oxy平行。

由上述兩個(gè)約束條件得到參考平面oxy與投影平面平行，且其y軸與光柵投影平面平行，根據(jù)三角形相似原理得到δbdc≈δbopo,則有：

同理得到δadc≈δaocod，則有：

由于投射在待測物體表面上，使得點(diǎn)d(x,y)投射的光束在參考平面上的交點(diǎn)由點(diǎn)b移動(dòng)至點(diǎn)a，則有：

其中θa與θb分別為a、b兩點(diǎn)的相位，f0為投影光柵條紋的頻率。

根據(jù)5式-7式，可以得到相位差與物體表面高度信息的關(guān)系，如下：

其中l(wèi)、d、f0是可以通過系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定解算出來的，因此只要求解出投影到參考平面上的光柵圖像的相位值θb，以及計(jì)算攜帶光柵條紋的被測物體圖像求解出相位值θa,從而得到物體表面的相位差δθ(a,b),便可解出物體表面高度hdc。

為了精確獲取物體的高度信息，需要準(zhǔn)確地獲取物體面形分布引起的相位分布。本發(fā)明采用相移法完成相位場的提取。相移法使用至少三幀圖像來求解物體引起相位分布，相比傅里葉變換法、小波變換法等，相移法對(duì)噪聲有一定抑制，因此可以獲取精度更高的相位分布。

用相移法解算出來的相位信息是利用反正切函數(shù)來計(jì)算得到的，其得到的相位主值呈不連續(xù)的鋸齒狀分布，需要從由反正切計(jì)算引起的截?cái)嘞辔恢谢謴?fù)出連續(xù)的實(shí)際相位分布，這個(gè)恢復(fù)過程稱為相位展開，也被稱為相位去包裹或者相位解纏繞。時(shí)間相位展開是采用向待測物體投射一定數(shù)量的不同頻率的光柵條紋圖像的方法，通過相移法求得每個(gè)頻率下的截?cái)嘞辔?，圖像上每一個(gè)像素點(diǎn)都可以采集到相位值，然后把所有的相位信息按照時(shí)間序列進(jìn)行展開。這種解包裹方式有效解決了空間相位展開中的相鄰點(diǎn)的誤差傳播的問題，利用足夠多的條紋圖像信息進(jìn)行相位展開，其精度可以得到更好的保障。

為了得到物體的三維信息，在準(zhǔn)確獲取被測物體相位信息的同時(shí)還需要對(duì)測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。系統(tǒng)的標(biāo)定就是確定測量系統(tǒng)中投影儀和攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)以及設(shè)備之間的外部參數(shù)關(guān)系。其標(biāo)定的精度將會(huì)直接影響后續(xù)獲取三維坐標(biāo)的精度。本發(fā)明采用基于圖像局部單應(yīng)性矩陣的標(biāo)定方法。

圖4所示為局部單應(yīng)性矩陣標(biāo)定法部分格雷碼圖。利用投影儀向棋盤格標(biāo)定板投射多幅正交格雷碼光柵，通過圖像局部單應(yīng)性矩陣方法獲得棋盤格標(biāo)定板各個(gè)特征角點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的投影儀圖像坐標(biāo)，從而進(jìn)行標(biāo)定。該方法標(biāo)定過程易于實(shí)現(xiàn)，且可以得到較高的標(biāo)定結(jié)果。使用局部單應(yīng)性矩陣對(duì)系統(tǒng)標(biāo)定的具體步驟如下：

(1)通過投影儀分別向棋盤格標(biāo)定板不同位置投射明暗視場圖案和不同頻率的正交格雷碼圖案，同時(shí)攝像機(jī)進(jìn)行采集；

(2)對(duì)包含有格雷碼圖案的棋盤格標(biāo)定板進(jìn)行角點(diǎn)坐標(biāo)提??；

(3)進(jìn)行格雷碼圖案解碼。將攝像機(jī)像素與投影儀圖案坐標(biāo)系行列聯(lián)系起來，并且以第1步正確提取的角點(diǎn)為中心，分別提取矩陣區(qū)域中正確解碼的像素，計(jì)算每個(gè)角點(diǎn)的局部單應(yīng)性矩陣，使用該矩陣將攝像機(jī)坐標(biāo)系和投影儀坐標(biāo)系進(jìn)行對(duì)應(yīng)映射；

(4)利用第3步檢測到的兩個(gè)坐標(biāo)系的角點(diǎn)坐標(biāo)，分別可以解出攝像機(jī)和投影儀的內(nèi)部參數(shù)；

(5)利用棋盤格特征角點(diǎn)在世界坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系和投影儀坐標(biāo)系中的位置，從而可以計(jì)算出系統(tǒng)的外部參數(shù)。

圖5所示為工件二維輪廓提取流程圖。輪廓是圖像的基本特征之一，對(duì)圖像輪廓進(jìn)行分析可以分割出目標(biāo)感興趣邊緣區(qū)域，能夠更加準(zhǔn)確地對(duì)目標(biāo)有用信息進(jìn)行描述。本發(fā)明中焊接工件的輪廓提取通過攝像機(jī)對(duì)被測工件進(jìn)行圖像采集，然后利用圖像處理算法采集機(jī)器人控制所需要的必要特征輪廓信息。工件輪廓提取具體步驟如下：

(1)圖像預(yù)處理：由于環(huán)境光照以及攝像機(jī)采集過程中都會(huì)對(duì)圖像產(chǎn)生脈沖噪聲影響，因此為了降低圖像噪聲對(duì)圖像的影響，保留圖像中有用信息，則需要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。本發(fā)明使用中值濾波技術(shù)對(duì)工件圖像進(jìn)行濾波處理，中值濾波是一種基于排序統(tǒng)計(jì)理論的非線性信號(hào)處理技術(shù)，具有計(jì)算速度快，實(shí)現(xiàn)方便等特點(diǎn)，并且可以有效保護(hù)圖像邊緣部分，是進(jìn)行后續(xù)圖像輪廓提取的一個(gè)重要預(yù)處理環(huán)節(jié)。

(2)圖像分割：圖像分割的主要目的是分割出圖像中感興趣區(qū)域，以便更加有效地提取圖像特征。本發(fā)明采用最大類間方差法(ostu法)進(jìn)行閾值分割，具有簡單、快速和實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，其使用的是聚類的思想，把圖像的灰度按灰度級(jí)分為2個(gè)部分，同一灰度級(jí)之間的像素點(diǎn)灰度差最小，不同的灰度級(jí)像素點(diǎn)灰度值差最大，以方差值來確定一個(gè)合適的灰度級(jí)別來進(jìn)行劃分，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選取閾值；

(3)形態(tài)學(xué)處理：形態(tài)學(xué)是將形態(tài)結(jié)構(gòu)元素概念應(yīng)用到圖像領(lǐng)域的數(shù)學(xué)工具，用于圖像處理方面，其基本原理是用具有一定形態(tài)的結(jié)構(gòu)元素去度量和提取圖像中的對(duì)應(yīng)形狀來達(dá)到簡化圖像數(shù)據(jù)以及去除圖像不相干區(qū)域；

(4)提取輪廓：獲得形態(tài)學(xué)處理過的二值圖像，通過對(duì)該圖像進(jìn)行拓?fù)浞治?，確定二值圖像邊界的圍繞關(guān)系，確定內(nèi)外邊界的層次關(guān)系，從而進(jìn)行輪廓的提取。

圖6所示的工件自動(dòng)焊接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖中，通過光柵投影三維掃描儀對(duì)被測工件檢測，提取出三維信息；通過輪廓提取方法，得到工件的二維輪廓數(shù)據(jù)。三維信息和二維輪廓數(shù)據(jù)相結(jié)合可以得到待焊接工件的輪廓三維數(shù)據(jù)，將該輪廓三維數(shù)據(jù)提供給工控機(jī)并生成工件焊接的空間軌跡，再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量發(fā)送給機(jī)器人控制器，最后通過機(jī)器人控制器控制焊接機(jī)器人末端執(zhí)行器的軌跡運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)焊接。