基于雙目視覺(jué)的焊縫隱性損傷跟蹤定位方法

余志程，陳富安

(河南工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450000)

1 引言

金屬制造行業(yè)的一種重要加工策略是焊接，其憑借可靠、精確、低成本連接材料等諸多優(yōu)勢(shì)，在金屬連接領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及與工業(yè)水平的飛速發(fā)展，焊接結(jié)構(gòu)[1]工件的應(yīng)用范圍與前景越來(lái)越廣闊，比如船舶、航天以及汽車制造等工業(yè)領(lǐng)域，與此同時(shí)，對(duì)焊接質(zhì)量與效率的要求也日益提升，因此，對(duì)焊縫隱性損傷跟蹤定位的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

文獻(xiàn)[2]針對(duì)V型坡口的焊接識(shí)別定位，構(gòu)建一種激光視覺(jué)傳感下局部區(qū)域的分步式定位方案，采用架構(gòu)的模板匹配取得焊縫初始范圍，經(jīng)過(guò)閾值分割、邊緣提取，得到激光條紋邊緣線，利用Shi-Tomasi算法獲取邊緣線的亞像素角點(diǎn)方位，通過(guò)最小二乘法擬合出邊緣直線，求取上下邊界線的均值，完成激光條紋中心線與坡口輪廓拐點(diǎn)信息提?。晃墨I(xiàn)[3]針對(duì)連接焊縫的易損傷問(wèn)題，提出一種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)焊縫損傷識(shí)別方法，求解焊縫損傷發(fā)生時(shí)節(jié)點(diǎn)的加速度響應(yīng)值后，利用小波變換探索節(jié)點(diǎn)高頻分量奇異值，并依此判定損傷的影響區(qū)域，通過(guò)傳感器布置測(cè)得加速度響應(yīng)，最后經(jīng)應(yīng)變模態(tài)分析策略，完成損傷定位。

由于上述文獻(xiàn)方法抗干擾能力較差，在跟蹤定位焊縫隱性損傷時(shí)效果欠佳，因此，本文采用一種非接觸測(cè)量方式，設(shè)計(jì)出基于雙目視覺(jué)的焊縫隱性損傷跟蹤定位方法。以雙目視覺(jué)較高的檢測(cè)精度與較強(qiáng)的抑制性能為基礎(chǔ)，構(gòu)建世界坐標(biāo)系，統(tǒng)一雙目視覺(jué)與損傷坐標(biāo)系，提升定位準(zhǔn)度，同時(shí)利用模擬輸出卡，降低焊縫誤差。

2 雙目視覺(jué)下焊縫隱性損傷跟蹤定位

2.1 雙目視覺(jué)模型標(biāo)定

采用雙目視覺(jué)觀察空間點(diǎn)時(shí)，其空間點(diǎn)坐標(biāo)具有唯一性。以其中一個(gè)攝像機(jī)的坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，構(gòu)建世界坐標(biāo)系[4]Ow-XwYwZw，假設(shè)兩攝像機(jī)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為矩陣M1與M2，則基于各攝像機(jī)坐標(biāo)系的空間點(diǎn)P坐標(biāo)分別如下所示

(1)

(2)

式中，兩攝像機(jī)下空間點(diǎn)P的圖像齊次坐標(biāo)分別是(u1，v1，1)、(u2，v2，1)，基于雙目視覺(jué)的投影矩陣元素為mi，j(i，j∈[1，4])，世界坐標(biāo)系下空間點(diǎn)P的圖像齊次坐標(biāo)為(X，Y，Z，1)。

根據(jù)上列兩個(gè)矩陣表達(dá)式推導(dǎo)出各方向的線性方程組，如下所示

(3)

經(jīng)過(guò)求解該方程組，即可得到空間點(diǎn)P的坐標(biāo)。

通過(guò)標(biāo)定雙攝像機(jī)即可完成雙目視覺(jué)系統(tǒng)標(biāo)定。依據(jù)取得的雙攝像機(jī)外部參數(shù)R1、R2、T1以及T2，計(jì)算出雙攝像機(jī)的坐標(biāo)系間變換關(guān)系。假設(shè)基于雙攝像機(jī)坐標(biāo)系以及世界坐標(biāo)系的P點(diǎn)坐標(biāo)分別是P1(X1，Y1，Z1)、P2(X2，Y2，Z2)與Pw(Xw，Yw，Zw)，則得到下列關(guān)系表達(dá)式

P1=R1Pw+T1

(4)

P2=R2Pw+T2

(5)

經(jīng)過(guò)改寫(xiě)可推導(dǎo)出下列表達(dá)式

(6)

上式里，R表示雙攝像機(jī)間的旋轉(zhuǎn)矩陣[5]，T表示雙攝像機(jī)間的平移向量[6]。

利用下列計(jì)算公式完成雙目視覺(jué)旋轉(zhuǎn)矩陣R與平移向量T的參數(shù)標(biāo)定

(7)

(8)

2.2 焊縫隱性損傷識(shí)別

假設(shè)待識(shí)別隱性損傷的最大似然值[7]與期望值間距為dij，貼近度為tij，表達(dá)式如下所示

dij=Aij-Ej

(9)

(10)

上式里，待識(shí)別的焊縫損傷最大似然概率為Ej，期望概率為Aij。

用集合Θ指代焊縫的全部識(shí)別結(jié)果，且集合函數(shù)m：2θ→[0，1]使下列方程式成立

m(φ)=0

(11)

(12)

假定集合Θ信度函數(shù)bel1與bel2的基本可信度分配[8]為m1、m2，切向與法向信號(hào)的損傷狀態(tài)焦元分別為C、D，則得到下列表達(dá)式

(13)

由此可采用下列表達(dá)式對(duì)基本可信度分配做出界定

(14)

式中，不一致因子為K，表達(dá)式如下所示

(15)

當(dāng)下列各式成立時(shí)，C1即為得到的識(shí)別結(jié)果

m(C1)=max(m(Ci)，C?Θ)

(16)

m(C2)=max(m(Ci)，C?Θ，Ci≠C1)

(17)

(18)

上式里，不確定度為m(Θ)，所設(shè)門限值分別為ε1、ε2。

2.3 焊縫隱性損傷跟蹤定位

采用焊接機(jī)器人[9]、雙目視覺(jué)傳感器、送絲機(jī)、PC機(jī)、AD Link I/O控制卡、圖像采集卡CG400以及十字滑塊機(jī)構(gòu)等，針對(duì)雙目視覺(jué)技術(shù)獲取識(shí)別出來(lái)的焊縫隱性損傷信息，利用圖像采集卡將焊縫損傷圖像信息轉(zhuǎn)換成可識(shí)別的數(shù)據(jù)后輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)對(duì)圖像特征信息進(jìn)行處理，得到焊縫空間方位，完成焊接機(jī)器人與焊縫損傷位置姿態(tài)的坐標(biāo)變換，結(jié)合軟件協(xié)調(diào)的控制指令，利用模擬輸出卡把多路控制量輸出至電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，降低焊縫誤差，實(shí)現(xiàn)焊縫隱性損傷的跟蹤定位。

在跟蹤定位法的框架流程中，爬行模塊與十字滑塊模塊的功能分別為機(jī)器人跟蹤定位動(dòng)力與誤差補(bǔ)償，焊縫識(shí)別模塊由雙目視覺(jué)部分與計(jì)算機(jī)處理部分架構(gòu)而成，主要用于識(shí)別焊縫隱性損傷，而損傷的跟蹤定位則通過(guò)控制電路模塊與計(jì)算機(jī)控制模塊共同實(shí)現(xiàn)。

跟蹤定位方法的實(shí)現(xiàn)步驟描述如下：

1)先對(duì)焊縫控制參數(shù)做初始化處理；

2)利用雙目視覺(jué)采集并預(yù)處理識(shí)別出的焊縫隱性損傷圖像，提取焊縫信息；

3)若未提取到焊縫信息，則返回第二步重新進(jìn)行圖像采集；反之，則進(jìn)入下一步；

4)求取拐點(diǎn)等損傷信息匹配點(diǎn)；

5)恢復(fù)焊縫損傷三維數(shù)據(jù)，獲取控制量；

6)利用運(yùn)動(dòng)控制卡輸出控制電機(jī)，完成焊縫跟蹤定位。

3 跟蹤定位方法實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)環(huán)境主要為Windows XP操作系統(tǒng)、酷睿2.1GHz 512M內(nèi)存處理器，采用由Intel公司研發(fā)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)類代碼open CV與VC++語(yǔ)言編程軟件，處理圖像，完成視覺(jué)算法與焊縫損傷跟蹤定位。

3.1 雙目視覺(jué)采集偏差

基于設(shè)定的雙目視覺(jué)結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用棋盤(pán)格間距的測(cè)量方法分析雙目視覺(jué)偏差。按照固定間距測(cè)量棋盤(pán)格，該棋盤(pán)格規(guī)格是6*6毫米，選取1格、3格、5格的棋盤(pán)格長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，6 mm、18 mm以及30 mm為測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)距離。

針對(duì)兩個(gè)方位的雙目視覺(jué)棋盤(pán)格圖像，測(cè)量6 mm、18 mm以及30 mm的棋盤(pán)格長(zhǎng)度，得到如下列各表所示的測(cè)量結(jié)果。

表1 6mm雙目視覺(jué)測(cè)量數(shù)據(jù)

表2 18mm雙目視覺(jué)測(cè)量數(shù)據(jù)

表3 30mm雙目視覺(jué)測(cè)量數(shù)據(jù)

整理各表中的數(shù)據(jù)后，得到各棋盤(pán)格長(zhǎng)度的雙目視覺(jué)測(cè)量誤差，如下表4所示。

表4 測(cè)量偏差統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表4可知，雙目視覺(jué)的測(cè)量偏差隨著棋盤(pán)格長(zhǎng)度的遞增而變大，但增加測(cè)量長(zhǎng)度會(huì)減小雙目視覺(jué)的測(cè)量誤差波動(dòng)幅度，使誤差值變化范圍更加平穩(wěn)，因此，在跟蹤定位焊縫隱形損傷的過(guò)程中，應(yīng)選取適宜的長(zhǎng)度距離參數(shù)，以滿足損傷跟蹤定位的初步要求，所以，將3個(gè)棋盤(pán)格數(shù)的18mm長(zhǎng)度作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量距離，既符合實(shí)際測(cè)量需求，又滿足跟蹤定位效率。

3.2 焊縫損傷掃描速度影響

焊縫掃描是不間斷的測(cè)量階段，生成的波動(dòng)將直接影響跟蹤定位準(zhǔn)度，下圖1所示為各跟蹤方向在不同掃描速度下的平均偏差。

圖1 焊縫損傷掃描速度與跟蹤定位準(zhǔn)度關(guān)系

從上圖中各曲線走勢(shì)可以看出，各跟蹤方向的平均偏差隨著掃描速度的加快而持續(xù)上升，但上升過(guò)程中存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在掃描速度到達(dá)該數(shù)值之前，偏差波動(dòng)幅度較小，一旦超過(guò)該速度值，偏差曲線斜率便大幅度增加，所以，為獲取更準(zhǔn)確的焊縫跟蹤定位效果，需將掃描速度控制在4mm/s以下，結(jié)合損傷掃描效率的考慮，可將掃描速度選定為4mm/s。

3.3 焊縫隱性損傷跟蹤定位效果

下表5所示為恢復(fù)的焊縫隱性損傷方位與控制信號(hào)。

表5 損傷方位與控制信號(hào)

為驗(yàn)證方法的可行性與有效性，采用文獻(xiàn)[2]、[3]方法以及本文方法，對(duì)焊縫隱性損傷展開(kāi)跟蹤定位，跟蹤定位軌跡如下圖2所示。

圖2 各方法損傷跟蹤軌跡示意圖

由上圖2中各方法的跟蹤軌跡可以看出，對(duì)比文獻(xiàn)[2]、[3]方法，本文方法具有較為顯著的跟蹤優(yōu)越性，與實(shí)際焊縫隱性損傷的擬合度更高，這是因?yàn)楸疚姆椒ń⒘耸澜缱鴺?biāo)系，并統(tǒng)一了雙目視覺(jué)坐標(biāo)系、運(yùn)動(dòng)軸坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系，利用雙目視覺(jué)重建了焊縫損傷的三維坐標(biāo)，通過(guò)精準(zhǔn)控制跟蹤的線速度與運(yùn)動(dòng)方向，提升了跟蹤準(zhǔn)度。

下表6所示為各方法取得的幾組定位坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)的對(duì)比結(jié)果。

表6 定位結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)上表6中的對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，相比文獻(xiàn)[2]、[3]方法，由于本文方法利用雙目視覺(jué)采集并預(yù)處理了識(shí)別出的焊縫隱性損傷圖像，提取出了焊縫信息，取得了拐點(diǎn)等損傷信息匹配點(diǎn)與控制量，因此，定位精準(zhǔn)度更加理想。

4 結(jié)論

由于當(dāng)前焊縫隱性損傷的識(shí)別與定位方面存在一定的難度與挑戰(zhàn)性，所以，本文以雙目立體視覺(jué)為技術(shù)背景，提出一種焊縫隱性損傷跟蹤定位方法。

在標(biāo)定雙目視覺(jué)模型的過(guò)程中，流程又多又復(fù)雜，極有可能產(chǎn)生誤差傳遞，故在今后的工作中應(yīng)探索一種更有效、更穩(wěn)定、更可靠、更高精度的標(biāo)定算法，令操作更加簡(jiǎn)易，誤差傳遞更小，預(yù)處理圖像階段可引用縮放處理來(lái)減少運(yùn)算時(shí)長(zhǎng)，但如何在確保圖像精度的同時(shí)降低分辨率、縮減匹配點(diǎn)個(gè)數(shù)，將是下一個(gè)亟待解決的重難點(diǎn)。