罐體內支撐角焊縫激光視覺定位方法★

呂 波， 劉海生， 肖光潤， 晏 濤， 王中任

（湖北文理學院機械工程學院， 湖北 襄陽 441053）

引言

在儲罐罐體生產中，為保證罐體的強度和圓度，需要在容器罐內部焊接大量的內支撐圈，內支撐與罐體內表面形成角焊縫。目前罐體內支撐的角焊縫采用人工焊接，自動化程度低。影響焊接自動化的原因很多，弧光和電磁干擾下的智能傳感一直是個難題[1]，因此，焊縫視覺定位具有重要的研究價值。焊縫定位的方法主要有兩種，一種采用提取上下邊緣求中點的方法，通過兩條直線端點取中點定位焊縫[2]。另一種直接計算激光中線，求取交點即焊點,對圖像進行濾波降噪，細化激光條紋求取中線[3]。本文擬采用高斯擬合法提取激光條紋中心，進而求取角焊縫的位置坐標，為研發實用化的角焊縫視覺傳感器提供支撐。

1 角焊縫圖像獲取與預處理

實驗中選用大恒DH-HV1351UM-ML數字攝像機，該相機分辨率為1 280×1 024像素，像元尺寸為5.2μm×5.2μm，鏡頭焦距為8 mm。激光選用XR658G50型650 nm紅色線結構光。光軸和激光器軸線成45°，如圖1。紅色激光照射在“L”形內撐反射到相機傳感器CMOS上生成圖像，如圖2。

圖1 相機和激光位置關系

圖2 角焊縫圖片

1.1 圖像轉化成單通道圖像

由于罐體內表面灰度值隨機散分布的原因，為驗證算法的通用性，進行多次圖像采集。采集結果如圖3分別為有無點焊部分。采集的圖像為三通道圖像，通過（1）式把三通道圖像轉變成灰度圖像。

式中：F（x，y）表示轉變后單通道圖像；R（x，y），G（x，y），B（x，y），分別表示三通道圖像中每個像素的紅、綠、藍分量。

1.2 濾波平滑

角焊縫光學性質介于漫反射與鏡面反射之間[4]，焊縫表面的激光會反射，散射在相鄰表面，產生椒鹽噪聲。焊接弧光會產生高斯噪聲。選用中值濾波除去椒鹽噪聲，一維高斯濾波除去高斯噪聲。高斯濾波函數為：

式中：σ2為方差，確定高斯模板的權值。高斯濾波是對整幅圖像進行加權平均運算的過程，每一個像素值均是由其本身和領域內的其他像素加權平均算得。高斯濾波的平滑過程：用一個模板掃描圖像中的每一個像素。用模板確定領域內像素的加權值代替模板中心點的像素值。在這里選用算子gen_gauss_filter（）進行濾波平滑，降低噪聲。比較濾波后效果，如圖3。

圖3 圖像濾波的比較

1.3 固定閾值

單通道圖像像素范圍在0～255之間，由于激光的灰度值和罐體的灰度值基本不變，且激光的灰度值和高壓容器的灰度值有明顯的灰度差，故用閾值分割將激光和罐體內壁分開。固定閾值的原理：

固定閾值分割是將原圖像感興趣區域內灰度值fr，c處于gmin和gmax范圍之內的所有像素全部輸出到區域S中。gmin和gmax選取基于直方圖的峰谷算法，當圖像灰度值方圖得到兩個唯一極大值和它們之間的一個唯一極小值，此時可選定合適的閾值。罐體內壁的灰度值偏小，激光的灰度值偏大，通過分析灰度直方圖知小于近似極小值的區域為高壓容器罐內部，大于近似極小值的區域為包含焊縫的區域，因此這里選用 gmin=99，gmax=255。

1.4 求直線的交點

提取結構光照射區域，使用connection（）算子將圖像像素相連的區域合并成一個元素，以便后面對感興趣區域的選擇。基于面積特征提取獲得目標區域，使用lines_gauss（）算子提取結構光的中心線。提取的中心線有三段長度遠大于其它線段，且目標線段長度分別為最長與次長，基于長度特征提取，篩選得到目標線段。為得到更為準確的結構光中心線，使用fit_line_contours_xld（）對亞像素線段進行線性回歸擬合，如圖4所示。圖像中不可避免地會存在一些噪點影響直線擬合的精度，根據每個點到線距離的遠近為其引入權重 w（δ），w（δ）使用 halcon 內部提供的Turky權重函數，定義如下：

τ代表削波因數，忽略距離δ＞τ的點，其權重值在0～1之間[5]。使用intersection_ll( )算子對擬合后的直線求取交點即為焊點，如圖5所示。

圖4 亞像素提取

圖5 交點求取結果

2 標定實驗與結果分析

2.1 相機的標定

標定相機驗證上述方法穩定性和確定提取精度。實驗設備與上述相同，標定板選用60 mm×60 mm圓點型，在實驗室進行模擬實驗的場景，如圖6所示，采用如圖7所示圓點相機標定板。為測試方便，選取焊縫局部進行標定。因不需深度信息，默認標定焊點的世界坐標Zw=0。標定板與焊縫共面，相機鏡頭與標定平面的距離為300 mm。標定后相機內外參數如表1、表2所示。

2.2 結果分析

為驗證該方法，提取焊縫定位焊點的精度，在不同位置采集圖片，采集前先使用精度為0.02 mm的游標卡尺測得焊點的實際坐標，與標定計算得到的焊點坐標比較（見表3，由于版面有限，只列出部分測得值），并分別將X坐標、Y坐標，綜合位置偏差制成更為直觀的折線圖（圖8）。由圖8可見，綜合誤差值小于0.8 mm，滿足實際焊接精度要求。

圖6 模擬實驗場景

圖7 標定板

表1 相機內參數標定值

表2 相機外參數

3 結論

實現了一種罐體角焊縫的視覺識別定位，對圖像預處理過程、特征提取、直線擬合原理、標定規則進行了分析。實驗結果表明：該方法可以快速提取焊點且與實際焊點的偏差在0.8 mm以內，滿足實際焊接精度要求，為實現自動焊提供了數據支持。

表3 焊點坐標比較

圖8 誤差分析