技术领域
本发明涉及水下机器人领域，尤其涉及一种基于图像识别的水下焊接机器人。
背景技术：
机器人，英文名称为Robot，是自动控制机器的简称。在当代工业中，机器人指的是能够自动执行任务的人造机器装置，用于取代或协助人类工作，尤其在一些危险和对人体有伤害或人体无法长期定留的场所，例如，排爆机器人、水下机器人等。水下焊接是水下机器人的一个重要应用，采用水下机器人执行水下焊接，解决了人们无法长期停留在水下执行焊接的难题。
但是，现有的水下焊接机器人无法自动寻找到待焊接工件上的焊缝，需要人们在水面上进行远程操控，具体为水下焊接机器人将水下图像无线发送给水上计算机系统以显示给操作人员，操作人员根据显示结果操控水下机器人的焊接部件到达焊接位置，才能完成焊接操作。这种水下焊接方式需要不停地与水上设备和人员交互，浪费了人力和物力，自动化水平不高。
因此，需要一种新的水下焊接机器人，能够在水下自行分析出焊接工件上的焊接缝隙，并进行焊接设备和焊接缝隙之间的位置比较，发出位置驱动信号控制焊接设备自动到达焊接位置进行焊接，避免出现大量的人机交互过程。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于图像识别的水下焊接机器人，改造现有的水下焊接机器人系统，使用高分辨率的图像识别处理设备即时识别出焊接工件上的焊接缝隙位置，引入位置传感器检测到焊枪的具体位置，将两个位置相比较以发出位置驱动信号，自动控制焊枪进行焊接，整个过程不需人为操作，极大地提高了水下焊接的效率。
根据本发明的一方面，提供了一种基于图像识别的水下焊接机器人，所述水下焊接机器人包括焊枪驱动设备、高清图像传感器、图像处理器和主控制器，所述高清图像传感器用于采集焊接工件的焊接图像，所述图像处理器与所述高清图像传感器连接，对所述焊接图像执行图像识别处理以检测所述焊接图像中的焊缝位置，所述主控制器与所述焊枪驱动设备和所述图像处理器分别连接，基于所述焊缝位置控制所述焊枪驱动设备以驱动水下焊枪到达所述焊缝位置。
更具体地，在所述基于图像识别的水下焊接机器人中，还包括：水下焊枪，用于在所述焊接工件的焊缝位置上实行焊接操作；电力供应设备，用于为所述水下焊接机器人提供电力供应，所述电力供应设备包括弧焊电源，用于为所述水下焊枪提供焊接电力，所述电力供应设备还连接所述主控制器，以在所述主控制器的控制下对所述水下焊接机器人进行用电模式的切换，所述用电模式包括节电模式和正常用电模式；RS485串行通信接口，与所述主控制器和所述焊枪驱动设备分别连接，实现所述主控制器和所述焊枪驱动设备之间的RS485串行通信；无线通信接口，通过水下电缆与所述主控制器连接，用于与水上控制系统建立双向的无线通信链路，以接收所述水上控制系统发送的控制指令，并向所述水上控制系统发送焊枪位置失联报警信号或焊缝位置失联报警信号；位置传感器，与所述水下焊枪连接，检测并输出相对于所述焊接工件的所述水下焊枪的当前位置；所述焊枪驱动设备设置在所述水下焊接机器人的手臂机构上，接收所述主控制器通过所述RS485串行通信接口转发的定位信号，以根据所述定位信号驱动水下焊枪到达所述焊缝位置；所述高清图像传感器包括紫红色滤光片和红色滤光片，所述紫红色滤光片和所述红色滤光片依次放置在所述高清图像传感器的镜头上，用于在所述高清图像传感器采集焊接工件的焊接图像时滤除电弧光，所述高清图像传感器的分辨率为1920×1080，所述高清图像传感器的镜头采用的是鱼眼镜头；所述图像处理器包括图像预处理装置、阈值确定装置和焊缝识别装置，所述图像预处理装置与所述高清图像传感器连接，用于对所述焊接图像依次执行自适应递归滤波、边缘增强和灰度化处理，获得灰度图像，所述阈值确定装置与所述图像预处理装置连接，逐一选择0-255之间的每一个灰度值作为候选灰度值阈值，使用候选灰度值阈值将所述灰度图像分割为目标灰度图像和背景灰度图像，并统计所述目标灰度图像和所述背景灰度图像之间的像素灰度值方差，取所述像素灰度值方差最大的候选灰度值阈值作为目标灰度值阈值，所述焊缝识别装置与所述阈值确定装置和所述图像预处理装置连接，基于所述目标灰度值阈值将所述灰度图像分为目标灰度图像和背景灰度图像，识别出基于所述目标灰度值阈值分割到的目标灰度图像中的焊缝，确定识别到的焊缝在所述焊接工件中的相对位置以作为焊缝位置输出；所述主控制器为ARM9嵌入式处理器，与所述RS485串行通信接口、所述位置传感器和所述焊缝识别装置分别连接，基于所述焊缝位置和所述水下焊枪的当前位置确定所述水下焊枪的移动距离，并将所述水下焊枪的移动距离包括在定位信号中，将所述定位信号通过所述RS485串行通信接口输出；其中，所述图像预处理装置、所述阈值确定装置和所述焊缝识别装置分别采用不同的FPGA芯片来实现；所述主控制器接收所述水下焊枪的当前位置失败时，发出焊枪位置失联报警信号，并在接收所述焊缝位置失败时，发出焊缝位置失联报警信号。
更具体地，在所述基于图像识别的水下焊接机器人中，所述位置传感器包括红外线检测仪，以用于检测相对于所述焊接工件的所述水下焊枪的当前位置。
更具体地，在所述基于图像识别的水下焊接机器人中，所述位置传感器包括超声波检测仪，以用于检测相对于所述焊接工件的所述水下焊枪的当前位置。
更具体地，在所述基于图像识别的水下焊接机器人中，所述电力供应设备、所述高清图像传感器、所述图像处理器和所述主控制器被集成在一块集成电路板上，所述集成电路板具有封闭式外壳。
更具体地，在所述基于图像识别的水下焊接机器人中，所述水下焊枪设置在所述水下焊接机器人的手臂机构上，并与所述焊枪驱动设备连接。
附图说明
以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中：
图1为根据本发明实施方案示出的基于图像识别的水下焊接机器人的结构方框图。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明的基于图像识别的水下焊接机器人的实施方案进行详细说明。
随着大量的桥梁基建工程的启动和海洋石油和天然气工业的发展，水下作业的情况越来越多，由于水下环境的特殊性，操作人员已经不能像在陆地上一样正常执行工件焊接操作，而只能借助焊接工具替代自己下水焊接，其中，应用最普遍的设备是水下焊接机器人。
现有技术的水下焊接机器人具有焊枪驱动机构和工件图像采集机构，能够将焊接工件的实时工况发送到水面上的控制设备以供操作人员参考，操作人员也能通过通信工具实时对焊枪驱动机构的移动方式进行控制，以将焊枪驱动机构快速移动到焊接工件上的焊接缝隙上，启动正常的水下焊接操作。
然而，现有技术中的这种水下焊接机器人仍属于半自动工作模式，需要等待水上操作人员的指令，过多的人为操作影响了水下焊接的工作效率，也提高了水下焊接的人力成本和经济效益。
本发明的基于图像识别的水下焊接机器人，引入图像识别技术确定焊接缝隙位置，引入位置传感器确定焊枪位置，基于焊接缝隙位置和焊枪位置确定焊枪位移距离，实现水下焊接机器人的全自动化控制。
图1为根据本发明实施方案示出的基于图像识别的水下焊接机器人的结构方框图，所述水下焊接机器人包括：水下焊枪1、焊枪驱动设备2、高清图像传感器3、图像处理器4、主控制器5、RS485串行通信接口6、无线通信接口7、位置传感器8和电力供应设备9，所述主控制器5与所述水下焊枪1、所述焊枪驱动设备2、所述高清图像传感器3、所述图像处理器4、所述RS485串行通信接口6、所述无线通信接口7、所述位置传感器8和所述电力供应设备9分别连接，所述水下焊枪1与所述焊枪驱动设备2连接，所述高清图像传感器3与所述图像处理器4连接。
其中，所述高清图像传感器3用于采集焊接工件的焊接图像，所述图像处理器4用于对所述焊接图像执行图像识别处理以检测所述焊接图像中的焊缝位置，所述主控制器5用于基于所述焊缝位置控制所述焊枪驱动设备2以驱动水下焊枪1到达所述焊缝位置。
接着，继续对本发明的基于图像识别的水下焊接机器人的具体结构进行进一步的说明。
所述水下焊枪1，用于在所述焊接工件的焊缝位置上实行焊接操作；所述电力供应设备9，用于为所述水下焊接机器人提供电力供应，所述电力供应设备9包括弧焊电源，用于为所述水下焊枪1提供焊接电力，所述电力供应设备9还连接所述主控制器5，以在所述主控制器5的控制下对所述水下焊接机器人进行用电模式的切换，所述用电模式包括节电模式和正常用电模式。
所述RS485串行通信接口6，与所述主控制器5和所述焊枪驱动设备2分别连接，实现所述主控制器5和所述焊枪驱动设备2之间的RS485串行通信；所述无线通信接口7，通过水下电缆与所述主控制器5连接，用于与水上控制系统建立双向的无线通信链路，以接收所述水上控制系统发送的控制指令，并向所述水上控制系统发送焊枪位置失联报警信号或焊缝位置失联报警信号。
所述位置传感器8，与所述水下焊枪1连接，检测并输出相对于所述焊接工件的所述水下焊枪1的当前位置；所述焊枪驱动设备2设置在所述水下焊接机器人的手臂机构上，接收所述主控制器5通过所述RS485串行通信接口6转发的定位信号，以根据所述定位信号驱动水下焊枪1到达所述焊缝位置。
所述高清图像传感器3包括紫红色滤光片和红色滤光片，所述紫红色滤光片和所述红色滤光片依次放置在所述高清图像传感器3的镜头上，用于在所述高清图像传感器3采集焊接工件的焊接图像时滤除电弧光，所述高清图像传感器3的分辨率为1920×1080，所述高清图像传感器3的镜头采用的是鱼眼镜头。
所述图像处理器4包括图像预处理装置、阈值确定装置和焊缝识别装置，所述图像预处理装置与所述高清图像传感器3连接，用于对所述焊接图像依次执行自适应递归滤波、边缘增强和灰度化处理，获得灰度图像。
所述阈值确定装置与所述图像预处理装置连接，逐一选择0-255之间的每一个灰度值作为候选灰度值阈值，使用候选灰度值阈值将所述灰度图像分割为目标灰度图像和背景灰度图像，并统计所述目标灰度图像和所述背景灰度图像之间的像素灰度值方差，取所述像素灰度值方差最大的候选灰度值阈值作为目标灰度值阈值，所述焊缝识别装置与所述阈值确定装置和所述图像预处理装置连接，基于所述目标灰度值阈值将所述灰度图像分为目标灰度图像和背景灰度图像，识别出基于所述目标灰度值阈值分割到的目标灰度图像中的焊缝，确定识别到的焊缝在所述焊接工件中的相对位置以作为焊缝位置输出。
所述主控制器5为ARM9嵌入式处理器，与所述RS485串行通信接口6、所述位置传感器8和所述焊缝识别装置分别连接，基于所述焊缝位置和所述水下焊枪1的当前位置确定所述水下焊枪1的移动距离，并将所述水下焊枪1的移动距离包括在定位信号中，将所述定位信号通过所述RS485串行通信接口6输出。
其中，所述图像预处理装置、所述阈值确定装置和所述焊缝识别装置分别采用不同的FPGA芯片来实现；所述主控制器5接收所述水下焊枪1的当前位置失败时，发出焊枪位置失联报警信号，并在接收所述焊缝位置失败时，发出焊缝位置失联报警信号。
其中，在所述基于图像识别的水下焊接机器人中，所述位置传感器8包括红外线检测仪，以用于检测相对于所述焊接工件的所述水下焊枪的当前位置，所述位置传感器也可包括超声波检测仪，以用于检测相对于所述焊接工件的所述水下焊枪的当前位置，所述电力供应设备9、所述高清图像传感器3、所述图像处理器4和所述主控制器5被集成在一块集成电路板上，所述集成电路板具有封闭式外壳，所述水下焊枪1设置在所述水下焊接机器人的手臂机构上，并与所述焊枪驱动设备2连接。
另外，所述无线通信接口7使用的无线通信网络可以为3G或4G通信网络中的一种，3G是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统，3G与2G的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升，他能够在全球范围内更好地实现无线漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps(兆比特/每秒)、384kbps(千比特/每秒)以及144kbps的传输速度(此数值根据网络环境会发生变化)。
4G是第四代移动通信及其技术的简称，是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像且图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。4G系统能够以100Mbps的速度下载，比拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。此外，4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。
采用本发明的基于图像识别的水下焊接机器人，针对现有半自动化水下焊接机器人人为操作过多影响焊接效率的技术问题，引入高精度的图像识别技术和位置传感技术以确定焊接机器人焊接机构到达焊接位置所需移动的距离，并自行控制焊接机构移动到焊接位置，实现水下焊接机器人的全自动焊接。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。