专利名称：用于焊缝检测的爬壁机器人的视觉导航系统及焊缝的焊接定位方法及焊缝偏移量获取方法
技术领域：
本发明适用于对塔筒的检修维护领域。
背景技术：
最近几年风电产业蓬勃发展，风电塔筒数量猛增，相应的对于塔筒的检修维护エ作需求量也大增。一般的风电塔筒高度在50到100米之间，塔筒分为若干段，每段由单块钢板卷板焊接而成。由于焊接エ艺和焊接精度的影响，焊缝部分难免会出现虚焊、气孔、夹渣等问题，在风场使用过程中容易进ー步引起裂縫。由于风电场多数都建立于海上、峡谷、山ロ等自然环境恶劣场所，导致上述问题在风机的使用中成为极大的安全隐患。一直以来，都是采用垂吊式作业方式来进行风电塔筒的检修、维护工作，风险较高，因此迫切需要极限方式下工作的机器来代替人工作业。而在这种极限条件下，很难通过示教再现方式来实现机器人工作过程的训练，需要机器人具有更智能的控制系统来适应工作环境，并进行相关的工作。
发明内容
为了解决自然环境恶劣场所现有技术无法实现示教再现方式对塔筒的检修维护工作的问题，从而提供了用于焊缝检测的爬壁机器人的视觉导航系统及焊缝的焊接定位方法及焊缝偏移量获取方法。本发明所述的用于焊缝检测的爬壁机器人的视觉导航系统，它包括电荷耦合摄像机、十字激光发射器和计算机，电荷耦合摄像机和十字激光发射器固定在机器人头部的正前端，并且十字激光发射器在电荷耦合摄像机的正上方，所述的十字激光发射器发射的激光照射在被焊接エ件表面形成十字光斑，电荷耦合摄像机用于拍摄エ件表面的十字光斑，且十字激光发射器发射的激光光束的光轴与电荷耦合摄像机的摄像头的光轴的夹角为45°，电荷耦合摄像机的数据输出端与计算机的数据输入端连接。焊接定位方法，它包括下述步骤步骤一、十字激光发射器发射红色十字线型激光束，所述激光束照射在被焊接エ件表面形成十字光斑，并采用该激光束扫描エ件表面，在扫描过程中，采用电荷耦合摄像机采集エ件表面的视频信息，执行步骤ニ；步骤ニ、计算机接收电荷耦合摄像机所采集的视频信息；步骤三、计算机把视频信息中每ー帧图像进行如下处理步骤三一、将该帧图像分割成像素点，所述的像素点的值表示该点图像红、黄和蓝三色的值；步骤三ニ、将该帧图像的所有红、黄和蓝三种顔色分量的数值分别存储于三个数组里；
步骤三三、计算机通过ニ维最大熵分割法对该帧图像对应的红色分量的数组求取红色分量数值对应的灰度值的最佳阈值；步骤三四、将该帧图像的所有像素的灰度值与步骤三三获得的最佳阈值相比较，并将高于阈值的像素的灰度值置为255，将低于阈值的像素灰度值置为0，将该帧图像转换为ニ值图；步骤三五、运用Canny算子对步骤三四得到的ニ值图进行边缘检測，以获得ニ值图像的边缘信息，在该帧图像上表现为十字光斑的边缘；步骤三六、提取步骤三五的边缘信息，取十字光斑的边缘的中线作为骨架，得到光滑的单像素宽度的骨架曲线；步骤三七、根据步骤三六得到的骨架曲线进行直线的Hough变换，得到弧线两边的两条直线，并标记出弧线的两个端点，找到弧线部分，检测出焊缝在该帧图像中的位置。焊缝偏移量获取方法，经过焊缝定位后，提取焊缝弧线的两个端点和十字光的中心点三个特征点，所述两个端点之间距离为a，中心点到与焊缝临近的端点之间的距离为b，设a，b的測量值为a'，b'，可求得偏移角度为
权利要求
1.用于焊缝检测的爬壁机器人的视觉导航系统，其特征在于它包括电荷耦合摄像机(I)、十字激光发射器(2)和计算机， 电荷耦合摄像机(I)和十字激光发射器(2)固定在机器人头部的正前端，并且十字激光发射器(2)在电荷耦合摄像机(I)的正上方，所述的十字激光发射器(2)发射的激光照射在被焊接エ件表面形成十字光斑，电荷耦合摄像机(I)用于拍摄エ件表面的十字光斑，且十字激光发射器(2)发射的激光光束的光轴与电荷耦合摄像机(I)的摄像头的光轴的夹角为45°，电荷耦合摄像机(I)的数据输出端与计算机的数据输入端连接。
2.基于权利要求I所述的视觉导航系统的焊缝的焊接定位方法，其特征在于，它包括下述步骤 步骤一、十字激光发射器(2)发射红色十字线型激光束，所述激光束照射在被焊接エ件表面形成十字光斑，并采用该激光束扫描エ件表面，在扫描过程中，采用电荷耦合摄像机(I)采集エ件表面的视频信息，执行步骤ニ ； 步骤ニ、计算机接收电荷耦合摄像机所采集的视频信息； 步骤三、计算机把视频信息中每ー帧图像进行如下处理 步骤三一、将该帧图像分割成像素点，所述的像素点的值表示该点图像红、黄和蓝三色的值； 步骤三ニ、将该帧图像的所有红、黄和蓝三种顔色分量的数值分别存储于三个数组里； 步骤三三、计算机通过ニ维最大熵分割法对该帧图像对应的红色分量的数组求取红色分量数值对应的灰度值的最佳阈值； 步骤三四、将该帧图像的所有像素的灰度值与步骤三三获得的最佳阈值相比较，并将高于阈值的像素的灰度值置为255,将低于阈值的像素灰度值置为O,将该巾贞图像转换为ニ值图； 步骤三五、运用Canny算子对步骤三四得到的ニ值图进行边缘检測，以获得ニ值图像的边缘信息，在该帧图像上表现为十字光斑的边缘； 步骤三六、提取步骤三五的边缘信息，取十字光斑的边缘的中线作为骨架，得到光滑的单像素宽度的骨架曲线； 步骤三七、根据步骤三六得到的骨架曲线进行直线的Hough变换，得到弧线两边的两条直线，并标记出弧线的两个端点，找到弧线部分，检测出焊缝在该帧图像中的位置。
3.根据权利要求2所述的视觉导航系统的焊缝的焊接定位方法，其特征在干，步骤三三所述的求取红色分量数值对应的灰度值的最佳阈值方法为 图像上一个像素点紧邻的上下左右四个像素点以及其4个对角的相邻像素就构成了该像素点的8个像素点的邻域信息，通过ニ维最大熵分割法作出图像关于像素点灰度值及该像素点邻域信息灰度均值的ニ维直方图，利用ニ维熵最大求取红色分量数值对应的灰度值的最佳阈值f(x，y)； 其中，U，y)为像素点的坐标， ニ维直方图沿对角线分布的A区和B区分别代表目标和背景，远离对角线的C区和D区代表边界和噪声，在A区和B区上利用点灰度-区域灰度均值ニ维最大熵法确定最佳阈值，可使真正代表目标和背景的信息量最大，ニ维熵为
4.根据权利要求2所述的视觉导航系统的焊缝的焊接定位方法，其特征在干，步骤三五中的根据ニ值图进行边缘检测的具体步骤为 步骤三五一、用Gaussian滤波器对图像的最佳阈值f (x, y)进行卷积
5.根据权利要求4所述的视觉导航系统的焊缝的焊接定位方法，其特征在干，步骤三五四中链接获得图像中十字光斑的边缘的具体步骤为 步骤三五四一，对图像2进行扫描，当遇到一个非零灰度值的像素点吋，跟踪以其为开始点的轮廓线，直到轮廓线的终点； 步骤三五四ニ，考察图像I中与图像2中轮廓线的終点位置对应的像素点的8个像素点的邻域信息，如果在该点的8个像素点的邻域中有非零灰度值的像素点存在，则将其包括到图像2中，作为新的开始点，然后重复步骤三六四一，直到在图像I和图像2中都无法继续为止； 步骤三五四三，当完成对包含某一像素点的轮廓线的链接之后，将这条轮廓线标记为已经访问； 重复步骤三五四一、步骤三五四ニ和步骤三五四三，直到图像2中找不到新轮廓线为止。
6.根据权利要求2所述的视觉导航系统的焊缝的焊接定位方法，其特征在干，步骤三六所述的骨架曲线为 P = xcos Θ +ysin Θ ； (13) 其中，P = XCOS Θ +ysin Θ表示图像空间的一点(x,y)对应于(P , Θ )空间的一条正弦曲线，χ表示像素的横坐标，y表示像素的纵坐标，图像坐标原点到该直线的距离为P，该直线的法线与χ轴的夹角为Θ。
7.基于权利要求2所述的焊缝的焊接定位方法的焊缝偏移量获取方法，其特征在干，经过焊缝定位后，提取焊缝弧线的两个端点和十字光的中心点三个特征点，所述两个端点之间距离为a，中心点到与临近的端点之间的距离为b，设a，b的測量值为a'，b'，可求得偏移角度为 θ =眶os!^ = arcco 厶,C14) a +bο 位置偏移量为 w = b' +b, (15) 当a' =a，b' =b，为正常情况，机器人正常行进中；当a' >a，b'彡b，机器人向左偏移；当a' > a,b'彡b,机器人向右偏移。
全文摘要
用于焊缝检测的爬壁机器人的视觉导航系统及焊缝的焊接定位方法及焊缝偏移量获取方法，本发明涉及用于焊缝检测的爬壁机器人的视觉导航系统及焊缝的焊接定位方法及焊缝偏移量获取方法。它为了解决自然环境恶劣场所现有技术无法实现示教再现方式对塔筒的检修维护工作的问题。视觉导航系统的电荷耦合摄像机和十字激光发射器固定在机器人头部的正前端，并且十字激光发射器在电荷耦合摄像机的正上方，十字激光发射器发射的激光照射在被焊接工件表面形成十字光斑，电荷耦合摄像机用于拍摄工件表面的十字光斑，电荷耦合摄像机数据输出端与计算机的数据输入端连接。本发明适用于对塔筒的检修维护领域。
文档编号G01C21/00GK102645219SQ20121015084
公开日2012年8月22日 申请日期2012年5月16日 优先权日2012年5月16日
发明者张立国, 焦建彬, 肖波, 高学山 申请人:航天科工哈尔滨风华有限公司