用于管道焊接的双模板匹配视觉定位方法

现有管道焊接的需求量越来越大,对自动焊接提出了更高的要求。为高效实现管道焊缝自动跟踪,本文引入机器视觉方法,设计一个视觉系统采集焊缝坡口图像,提出基于双模板匹配的视觉定位方法对焊缝中心和焊枪摆动中心进行实时定位处理,并根据二者偏差值实现焊接过程中的自动纠偏操作。实验结果表明,即便在弧光干扰下,所提出的双模板匹配方法仍能很好的实现定位处理。在计算复杂度相当,不影响定位实时性的情况下,其匹配精度可由单模板条件下的70%左右提升到90%以上,有效地提升了管道自动焊接的精确度与可靠性。     

不等厚板激光焊接焊缝缺陷结构光视觉检测

为了检测不等厚钢板激光焊接焊缝表面缺陷,采用结构光主动视觉检测法和高斯数据拟合技术进行了焊缝表面缺陷检测的实验研究。首先采用高斯拟合法对激光条纹图像进行处理,提取出具有亚像素精度的激光条纹中心线;然后通过最小二乘法拟合出3条相交直线并求其交点,近而获得精确的焊缝端点位置坐标;最后给出焊缝表面缺陷-凹度和凸度的检测方法,并以不等厚钢板激光焊接焊缝为检测对象进行验证。结果表明,这种基于拟合技术的结构光视觉检测法为判断激光焊接焊缝质量是否合格提供了较为准确的判断依据。     

一种基于线结构光的焊缝三维重建方法

介绍了一种基于结构光和双目视觉的焊缝三维重建方法。该方法利用轮廓点曲率提取激光条纹的轮廓关键点,再由所提取的关键点计算轮廓横截面法向量。并根据激光条纹服从正态分布的特点,借助灰度重心法提取条纹中心线。将焊缝在双目摄像机中的图像坐标点转换为世界坐标点,从而完成焊缝三维空间信息的重建。实验结果证明本文方法快速、准确,可以满足自动焊接机器人系统的应用要求。     

管道焊接激光视觉跟踪的定位方法研究

为解决在管道自动焊接过程中V型坡口的识别定位问题,提出了一种基于激光视觉传感的局部区域内分步式定位方法。首先建立模板匹配,利用模板匹配方式获取焊缝初始位置区域;然后采用阈值分割和边缘提取获得激光条纹边缘线,通过Shi-Tomasi算法对边缘线进行角点检测,得到边缘线上的亚像素角点位置坐标;最后采用最小二乘法拟合得到精确的边缘直线,对上下边界线求平均值提取激光条纹的中心线,求取直线的交点得到坡口轮廓的拐点信息。通过对实际焊接现场拍摄的50幅同一高度不同位置的图像进行检测,结果表明,分步式定位方法抗干扰性强,精度较高,为完成整个跟踪自动焊接过程奠定了基础。     

线结构光视觉传感器二维机器人焊缝跟踪系统

提出了一种基于线结构光视觉传感器示教及纠偏的二维机器人焊缝跟踪方法。利用简单快速的系统标定,视觉传感器分别对焊缝上示教特征点和实际特征点坐标进行测量记录,同时采用模板匹配进行图像处理,测出它们之间的偏差,ABB机器人根据得到的偏差实时调整焊枪位置,从而实现自动跟踪。利用线结构光视觉传感器和ABB机器人设计了实验系统,对所提的方法进行了验证。     

基于无线遥控与视觉跟踪的焊接控制系统

为解决焊接工程现场有线示教器操作不便、传统模板匹配方法受电弧与飞溅干扰而导致跟踪稳定性差等问题,设计了一种基于无线遥控与视觉跟踪的焊接控制系统。首先,设计了包含视觉单元、控制单元和执行单元的嵌入式PC无线控制系统,实现图像采集处理和焊缝跟踪偏移信息计算,并控制焊机机器人执行相应的动作。然后,采用了粒子滤波跟踪算法进行焊缝跟踪,该算法通过粒子滤波对图像大目标区域进行搜索,减少焊缝位置发生突变或焊缝图像缺失时跟踪失效的问题,确保视觉单元能够在强烈噪声干扰下快速、准确地识别焊缝特征位置。焊接测试结果表明,本系统纠偏误差小于0.12 mm,且操作方便、稳定性好、纠偏精度高、焊接表面成型质量良好,满足管道焊接的工艺要求。     

基于平面靶标的线结构光视觉传感器机器人手眼标定方法

为确定线结构光视觉传感器与工业机器人法兰中心的位姿关系，设计了一种只有单个圆的平面靶标及标定方法。调整机器人姿态，使激光线经过平面靶标上实心圆的圆心，通过图像处理，得到圆心的像素坐标，转换后得到圆心在传感器坐标系下的坐标；多次调整姿态，获取多组图像，得到多组传感器坐标系下圆心坐标；结合对应机器人位姿关系，采用最小二乘法直接解算出手眼矩阵。实验结果表明，所提方法与采用标准球为靶标的手眼标定方法对比，反求得到的三维坐标的标准差由0.3893 mm降为0.2145 mm，以同一目标的不同间距为测量对象，均方根误差均有效减小。该方法提高了标定精度，不需要采用昂贵的靶标，适合于现场标定。     

激光再制造机器人待加工零件形貌三维重建

采用双目摄像机结合结构光组成主动视觉测量系统,并与机器人耦合,构建了一种具有视觉功能的智能激光加工机器人,能够感知各种复杂曲面轮廓,重建三维形貌。系统由六自由度机器人、双目摄像机和结构光发射器组成。机器人带动双目摄像机和结构光发射器运动,既实现多视角测量,消除测量中的"死角",重建工件的完整三维形貌,又将测量到的点云数据转换到机器人坐标系。阐述了测量原理和数学模型,进行了单摄像机内外参数的标定,双目摄像机相对关系的标定,双目摄像机与机器人之间的手眼关系标定,得到摄像机内参数矩阵,手眼关系矩阵,机器人与世界坐标系关系矩阵。对双目图像进行大步距图像分割,提取目标区域,平滑降低图像噪声,重心法提取亚像素级结构光条纹中心,根据极线约束进行左右条纹配准,三维算法得到空间点坐标,可方便地转换到世界坐标系,实现全局坐标的统一。     

基于多相机系统的高精度标定

随着工业机器视觉的深入发展，大视野高精度视觉系统的需求越来越多。针对大视野导致的精度过低问题，提出一种基于多个低像素相机联合标定的方法。在多相机中选择一个相机作为主相机，求取其他相机的像素坐标系与主相机像素坐标系的映射矩阵，使得主相机的视野无限扩展。同时，为了更精确地得到标定板图像中的圆心像素坐标位置，采用两步标定法提升标定精度。提取标定板圆心像素坐标进行第1次粗标定，获取相机内参以及标定板位姿，从而获取图像平面与世界坐标系的平面Z=0之间的映射关系。对其进行透视偏差矫正，提取矫正后标定板的圆心，再利用逆映射变换把相应的圆心转换回原始位置，用转换后圆心像素坐标位置对主相机进行第2次精标定。最后通过LevenbergMarquardt算法进行非线性优化获取全局最优解。实验结果表明，所提标定方法的重投影误差在0.005 pixel～0.01 pixel之间。     

基于双目视觉的机器人引导系统研究

随着智能制造技术的快速发展,汽车制造也已逐步向少人化、无人化方向发展,而视觉技术的应用更是加快了汽车生产线无人化的进程。对双目视觉进行研究,相机平行布置并安装在机器人末端。通过以太网分别获取左右相机二维图像并上传到上位机,使用特征提取算法提取标定板上特征点的像素坐标导入标定模型计算出双目相机内外参数并生成相应的图像矫正矩阵,利用矫正矩阵分别矫正左右相机二维图像以消除镜头畸变;使用图像去噪、图像二值化化、特征提取、极线约束及模板匹配算法,计算出零件上特征点在左右图像上的视差,采用双目视差测距原理,计算特征点在相机坐标系下的三维坐标。通过眼在手上的手眼标定方式标定出相机坐标系到机器人工具坐标系的旋转矩阵,采用SVD奇异值分解算法计算模型坐标系到目标零件坐标系的偏移矩阵,通过坐标系变换算法将零件的偏移矩阵转换为机器人工具坐标系的偏移,再使用TCP/IP以太网通讯发送偏移量给机器人,从而实现机器人引导定位功能。测试结果表明,该双目视觉引导系统可满足基本的零件定位需求。     

基于双目相机的光学高度测量系统

根据双目立体视觉模型,搭建一个实验室专用的高度测量系统。首先使用Matlab自带的工具箱对双目相机进行多次标定,获取实验所需的诸多参数,然后通过立体校正技术建立修正后的世界坐标与像素坐标之间的关系方程。在VS2015结合OpenCV的编程环境下,利用立体匹配算法和视差理论获取目标表面的三维空间信息。最后通过选定同一目标的2个特征点获取其空间坐标,达到高度测量的目的。实验结果显示,该系统能够有效实现真实场景下的三维信息测量。     

捷联图像导引系统传感器稳像方法

以消除捷联图像导引系统视频抖动为出发点,深入研究了捷联图像导引系统传感器稳像方法.通过分析惯性坐标系与弹体坐标系之间的转换关系,推导出了弹体姿态变化与探测器成像平面上像素点坐标变化之间的映射关系,利用该映射关系并结合陀螺提供的弹体实时姿态信息建立起当前帧中像素点坐标在抖动前后的对应关系,再通过数字图像处理中常用的重采样技术和插值技术实现对当前帧的运动补偿,完成了传感器实时稳像方案的设计.实验结果表明,该稳像方法具有很好的实时性和较高的稳像精度.     

基于格雷码和线移编码的结构光系统标定

结构光系统标定是影响三维物体表面形状测量的关键因素,其中投影仪标定是难点问题。把投影仪当做逆向光路摄像机,采用格雷码和线移的编码方法捕获黑白棋盘标定板,得到其在"投影仪成像平面"上的像素坐标,继而采用传统的摄像机标定方法对投影仪进行标定。采用常规的双目视觉标定技术,最终完成结构光系统的标定。实验结果表明,本文方法实现简单易行,有较高的鲁棒性和标定精度。     

基于视觉的微细对接焊缝检测方法

本文将机器视觉和图像处理技术融入到紧密对接焊缝的检测系统中,提出一种采用LED光源照明的焊缝检测方法。第一步采用Canny算法对焊缝进行边缘处理,第二步采用概率Hough变换提取焊缝中心线。实验结果表明,该方法鲁棒性强,可以精确检测出焊缝中心线,达到了期望的检测精度,解决了微细对接焊缝检测问题,结果令人满意。     

一种基于平面标靶的线结构光视觉传感器标定方法

提出了一种适合于现场的线结构光视觉传感器标定 方法。建立了标定的数学模型,设计了一种平面点阵标靶,提出了坐标映射方法。根据结构 光条纹特征点的图像坐标和对应在标靶坐标系下的坐标,以及 相机内参,计算出标靶坐标系到摄像机坐标系的转移矩阵,再由转移矩阵得到特征点在摄像 机坐标系下的 坐标;在视场范围内,平面标靶按不同位姿摆放多次,获取投射在标靶上的所有特征点,对 这些特征点进 行平面拟合,得到结构光平面在摄像机坐标系下的方程。对标定的精度进行了验证,实验表 明,本文方法标定 过程简单,精度较高,适合于结构光传感器的现场标定。     

基于EPNP算法的单目视觉测量系统研究

利用计算机视觉进行姿态测量的方法已广泛应用于现代控制、导航、跟踪等多个领域中。研究并设计了一种基于P4P矩形分布的平面靶标和EPNP算法结合的单目视觉姿态测量方法。首先,利用单相机获取平面靶标图像,经图像处理后得到四个特征点的像素坐标,并使用EPNP算法进行姿态解算;其次,对姿态角测量误差进行了仿真分析,为提高姿态测量精度提供了理论指导和依据;最后,提出一种与高精度二维转台结合的坐标系配准方法,利用该方法对三个方向姿态角精度进行验证。实验结果表明:当绕x和y轴的转动角度在[-6,6]时,姿态测量误差小于0.1,可以满足测量应用需求。     

大视场线结构光两轴测量系统

提出了一种由CCD摄像机、线结构光投射器和两个回转工作台构成的大视场线结构光2轴测量系统。通过两个回转工作台的转动使线结构光平面扫过被测物体1周,在1次装夹下测量出物体的1周全貌。首先建立了由二维摄像机像面坐标系向被测物体转台坐标系变换的数学模型;利用标准球作为标定器具,根据线结构光平面中标准球的球心坐标和2转台转角可确定1个"共轭对",利用多组"共轭对"求出了系统模型中的未知参数;从而根据两个回转工作台分别转动的角度和CCD二维图像可获得线结构光平面上点的三维数据。实验结果证明,这种方法具有较高的测量精度,能在1次装夹下完整测量结构复杂物体的1周全貌,同时具有视场大、结构简单和成本低的优点。     

一种用于光学器械跟踪的近红外双目系统

近红外光学跟踪系统以其高精度、便捷的特点迅速发展成为手术导航中的重要组成部分。基于双目视觉设计了一套高精度、低成本的光学跟踪系统,该系统使用安装在器械上的被动标记球（NDI Passive Sphere）作为标记,并在双目相机镜头前添加近红外滤光片,以消除环境光的干扰。首先,采用轮廓过滤算法,用于标记轮廓的提取,使用最小二乘椭圆拟合算法获取标记投影中心的像素坐标;其次,设计了器械识别算法,使每个器械可以单独有序储存标记球的中心像素坐标,用于多个器械的分辨;最后,通过左右视图对应标记中心匹配,重建其空间坐标,进而推导出器械尖端在世界坐标系中的坐标。实验使用该系统跟踪器械,利用器械的无规则摆放实验验证了器械识别算法的准确性和鲁棒性,准确率达95%,平均识别时间仅需4 ms。并对系统进行了稳定性、静态定位精度、动态跟踪等测试。结果表明:稳定性误差可达0.13 mm,静态定位精度可达0.373 mm,所提出的近红外光学跟踪系统具有较高的精度和稳定性,可以满足手术导航的要求。     

复杂深孔内轮廓结构光图像畸变矫正算法

为实现针对复杂深孔内轮廓表面几何参数的高精度测量,建立了基于结构光的内轮廓检测系统,但由于深孔内轮廓的曲面特性,相机采集到的图像相比于内轮廓展开后的平面图像存在较大的几何畸变,直接影响到内壁几何参数的量化精度。首先针对深孔内轮廓和内轮廓展开结构进行无差别建模,分析两者之间的空间坐标转换关系;然后综合考虑畸变矫正的精度和速度,借鉴三次样条插值函数、离散映射等理念提出了基于离散映射的深孔内轮廓矫正算法,实现针对深孔内轮廓的畸变在线矫正,检测精度达到亚像素水平,低于0.1 mm。