管道焊接機(jī)器人視覺傳感實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)研究.pdf

1、管道運(yùn)輸是運(yùn)量大、安全、經(jīng)濟(jì)的油氣產(chǎn)品輸送方式，其建設(shè)投資為鐵路的一半，運(yùn)輸成本更只有三分之一。因此，我國(guó)政府已將“加強(qiáng)輸油氣管道建設(shè)，形成管道運(yùn)輸網(wǎng)”的發(fā)展戰(zhàn)略列入了“十五”發(fā)展規(guī)劃。根據(jù)有關(guān)方面的規(guī)劃，未來10年內(nèi)，我國(guó)將建成14條油氣輸送管道，形成“兩縱、兩橫、四樞紐、五氣庫(kù)”，總長(zhǎng)超過萬公里的油氣管輸格局。隨著海洋石油和天然氣工業(yè)的發(fā)展，海洋管道工程日益向深海挺進(jìn)，我國(guó)作為一個(gè)發(fā)展中的沿海大國(guó)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)要持續(xù)發(fā)展，就必須把海洋的

2、開發(fā)和保護(hù)作為一項(xiàng)長(zhǎng)期的戰(zhàn)略任務(wù)。伴隨著人類對(duì)海洋的開發(fā)，大量的海底管道施工工程對(duì)水下焊接技術(shù)提出了新的要求。 目前，我國(guó)管道焊接施工仍以手工電弧焊為主，半自動(dòng)焊為輔。在施工過程中，由于人為因素造成的質(zhì)量不穩(wěn)定問題比較突出。而全位置自動(dòng)焊技術(shù)在大直徑厚壁壓力管道焊接中全面應(yīng)用尚有一定難度，其主要原因是大直徑厚壁壓力管道的安裝環(huán)縫組裝難以達(dá)到均勻一致的高精度，這就要求全位置自動(dòng)焊設(shè)備能根據(jù)坡口尺寸和偏差自動(dòng)調(diào)整焊槍位置，從而實(shí)現(xiàn)焊

3、縫的自動(dòng)跟蹤。本文就目前全位置自動(dòng)焊技術(shù)存在的問題，設(shè)計(jì)能夠自動(dòng)調(diào)整焊槍位置的全位置自動(dòng)焊系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)管道焊縫的實(shí)時(shí)自動(dòng)跟蹤。本文建立的視覺傳感實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)由圖像采集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、跟蹤控制系統(tǒng)及管道焊接機(jī)器人組成。 本文提出了焊縫圖像模板識(shí)別算法。該算法主要分為可識(shí)別紋理提取、建立模板及模板匹配三部分。其中可識(shí)別紋理提取部分包括對(duì)圖像進(jìn)行二維B-樣條小波變換及對(duì)小波變換結(jié)果的二值化處理，給出了提取可識(shí)別紋理所需小波尺度的判

4、據(jù)。通過對(duì)坡口及焊縫圖像的分析，得出對(duì)于坡口圖像，只需橫向小波對(duì)其進(jìn)行小波變換，對(duì)小波變換結(jié)果各點(diǎn)取絕對(duì)值后求平均，以所得平均值為閾值作二值化處理；對(duì)于焊縫圖像，用橫向及縱向小波對(duì)其進(jìn)行小波變換，對(duì)兩方向小波變換結(jié)果對(duì)應(yīng)各點(diǎn)求平方并加和，生成一個(gè)新的二維數(shù)組，以該二維數(shù)組平均值為閾值作二值化處理。建立模板部分包括確定焊縫跟蹤的初始條件，分析不同尺度下焊縫及坡口紋理的特點(diǎn)，基于提取可識(shí)別紋理的判據(jù)來選擇相應(yīng)小波尺度對(duì)初始圖像進(jìn)行小波變換，

5、并進(jìn)行相應(yīng)的二值化處理，然后根據(jù)設(shè)定的管道環(huán)縫識(shí)別的初始條件獲取坡口及焊縫部分模板。最后進(jìn)行模板匹配計(jì)算，首先對(duì)被測(cè)圖像進(jìn)行小波變換，采用的小波尺度與建立模板時(shí)采用的小波尺度相同，然后對(duì)小波變換結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的二值化處理，將模板在被測(cè)圖像的處理結(jié)果中平移，計(jì)算模板平移到各位置時(shí)的互相關(guān)系數(shù)，最后根據(jù)文中提出的模板匹配判據(jù)確定被測(cè)圖像中焊縫中心位置。為了加快模板匹配的速度，利用等效易位關(guān)系，對(duì)模板及被測(cè)圖像的小波變換結(jié)果進(jìn)行抽取操作，大大減

6、少了模板匹配計(jì)算量。 鑒于DSP在系統(tǒng)集成及數(shù)字信號(hào)處理上的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)基于DSP的圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行了研究。開發(fā)了適用于DSP的小波變換算法，解決了小波系數(shù)的生成、小波系數(shù)與二維矩陣卷積等關(guān)鍵技術(shù)。另外還開發(fā)了建立模板算法及模板匹配算法。 本文采用CCD傳感器本體與焊炬固連在一起的視覺跟蹤系統(tǒng)。文中對(duì)CCD傳感器前置型跟蹤機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)跟蹤原理及跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，編寫了基于PLC的實(shí)時(shí)跟蹤控制程序，設(shè)計(jì)了跟蹤控制系統(tǒng)中