結構光視覺傳感器在小信號下的問題及對策

喬東虓，鄭軍，熊震宇，潘際鑾

(清華大學機械工程系先進成形教育部重點實驗室，北京100084)

結構光視覺傳感器在小信號下的問題及對策

喬東虓，鄭軍，熊震宇，潘際鑾

(清華大學機械工程系先進成形教育部重點實驗室，北京100084)

目前結構光視覺傳感器廣泛的應用于焊縫的跟蹤。在多層多道焊中，最后一層焊接以及蓋面焊的情況下，結構光傳感器跟蹤存在兩個方面的問題：跟蹤精度差以及結果擾動大；在焊縫偏差持續增大的情況下，甚至出現跟蹤誤差。結合國產激光跟蹤傳感器，分析了這兩種現象產生的條件及原因，同時認為，要減少這兩種現象，其根本方法在于提高坡口圖像質量，通過優化傳感器結構來解決問題。

焊縫跟蹤；激光視覺傳感器；結構光

1 結構光視覺傳感器的結構與原理

結構光視覺傳感器廣泛應用于各種焊接專機的焊縫跟蹤中，具有結構簡單、抗干擾能力強的特點。世界著名的結構光傳感器生產商有英國的META和加拿大的ServoRobot公司，二者提供的結構光傳感器占據了世界焊縫跟蹤市場的絕大多數份額，廣泛應用于以機器人焊接、自動化管線焊等為代表的焊接自動化產品中。國內也有廠商和科研機構研制了結構光傳感器[1]，其性能已經與國外產品相當。典型的結構光傳感器焊縫跟蹤系統如圖1所示[2]。

其中，結構光視覺傳感器主要由產生線激光的激光器和采集激光線照射在待測焊縫上以后形成的特征圖樣的攝像機傳感器組成。典型的傳感器結構和工作原理如圖2所示。

圖1 典型結構光傳感器自動焊接系統

激光照射在工件表面以后，激光所在的平面與工件表面以及坡口表面相交，形成一條空間曲線。該曲線的典型形貌如圖2右側所示。焊槍相對于傳感器發生垂直焊縫方向(以下簡稱橫向)位移時，該曲線在感光元件表面的位置改變，通過計算機圖像處理，即可得到位移的大小。通過控制系統進行矯正，保證焊槍和焊縫的相對位置準確。

圖2 結構光傳感器原理

1 小信號下的干擾

1.1 在正常坡口焊接情況下的性能

在此使用的傳感器為實驗室自行研制的結構光視覺傳感器，該傳感器性能優良，工作穩定，其主要參數如表1所示。

表1 結構光傳感器的主要參數

該傳感器在實際使用中，噪聲小，跟蹤精度高，其跟蹤偏斜焊縫的典型工作曲線如圖3所示。

圖3 傳感器典型輸出曲線

該傳感器在跟蹤完整坡口時，輸出信號干擾小，正常結果跳動小于兩個像素，對應的誤差低于0.2mm，跟蹤靈敏度達到0.1 mm。曲線中間的小平臺是由于焊縫不完全是直線所引起的。根據實際使用情況，焊槍端的位置精度達到±0.3mm，可以滿足工作要求。

但是在傳感器用于橫焊的單邊跟蹤時，工作性能會下降，誤差增加，甚至出現輸出結果總是小于實際偏差的情況，導致焊接不能正常進行。下面將對這些現象進行分析。

1.2 跟蹤焊縫棱邊的性能測試

橫焊采用多層多道焊。焊接最后一道的情況下，因為坡口部分地方已經被覆蓋，特征不明顯，一般可跟蹤棱邊。在焊接K行坡口時，棱邊本身角度較小，加上激光器的斜度有限，實際上投射在CCD表面的圖像所反映的坡口表面與工件表面的角度僅有18°。由于激光線的寬度約為1 mm，所以該特征信號雖然可以用肉眼觀察，在宏觀上可以跟蹤，但是實際跟蹤存在問題。

圖4 跟蹤區域

為了說明跟蹤棱邊造成的擾動，選擇大小不同的棱邊區域進行了實驗研究，選取如圖4所示。選取為圖4a時，得到的曲線如圖5所示。

圖5 捕捉區域為坡口半側時的傳感器輸出

為驗證區域減小以后，傳感器性能的下降，進一步減小窗口，得到的結果如圖6所示。

使用結構光傳感器在對焊縫的局部進行跟蹤時，由于所獲得的圖像信息量減少，導致焊縫位置計算結果的誤差增加，傳感器性能下降。

2 小特征下的系統誤差

上述兩次實驗是在相同的條件下完成的，根據理論計算，從開頭到結束，傳感器輸出的總偏差應該是4 mm，實際上，選區大小不同時，傳感器輸出偏差也有不同，如表2所示。

圖6 跟蹤棱邊一半時的傳感器輸出

表2 不同跟蹤區域傳感器輸出對比

可見，在跟蹤棱邊時，跟蹤的模板相對于起始模板發生了變化，導致穩態情況下10個像素的偏差。通過對跟蹤過程的觀察，出現上述現象的原因如下：

(1)角度過小導致計算機圖像處理的相關性峰值減小。激光器圖像與CCD角度及激光器安裝方位的關系如圖7所示。

圖7 激光器圖像與CCD角度及激光器安裝方位的關系

實際上，在只跟蹤棱邊局部的情況下，跟蹤區域內激光線在x方向的寬度同樣可以用式(1)計算。若取θ＝18°，則tanθ＝0.325，若實際焊縫深度為3 mm，則實際反映在激光圖像上為1 mm大小，在CCD表面約10個像素。

這兩個參數與識別的精度相關。如果角度過小，或者由于最后一道填充余量小，導致二者減少，特征減少，會逐步淹沒在激光線寬度、CCD工作景深外造成的噪聲中。

(2)在鋼板表面反光情況變化，引起圖像的變化，如圖8所示。

圖8 由于鋼板表面反射引起的圖像高亮區域跳動示意

如圖8所示，原型表示鋼板上由于機加工因素出現的高反光區域。雖然跟蹤窗口的焊縫形狀宏觀上無變化，但是圖像上灰度值最高的部分出現了有規律的位置變化。模板匹配的方法廣泛的應用于此類圖像處理，由于灰度變化，模板匹配是關系著系數峰的移動，引起計算結果的偏差。有的算法為了適應坡口形狀的變化，對用于匹配的模板進行更新。但在這種情況下，模板進行不必要的更新會引起誤差[3]。

(3)在圖像處理中，由于在跟蹤區域變小，特征不清楚的情況下，圖像處理結果因為干擾等因素會出現較大的跳動。由于焊縫偏差變化較小，而疊加在較小信號上的噪聲(跳動)較大，導致濾波難度增加，濾波后的結果也許不能很好的從質量和速度兩個方面反映傳感器的實際移動。

在傳感器實際使用中，在閉環控制的情況下，圖像進行橫向運動(即焊縫相對焊槍在垂直焊縫方向的運動)時，并不都是勻速直線運動，而可能是由于控制系統滯后導致以焊縫為中心振蕩。所以在實際焊接中，偏差可能更大。根據實際焊接的經驗，該誤差可以達到1 mm以上，與焊絲直徑相當，影響焊接的正常進行。

3 改進方法分析

從以上分析討論可以看出，導致誤差增加的主要根源在于跟蹤窗口減小后，信息來源減少，同時，由于激光器和CCD傳感器之間夾角有限，坡口側壁與鋼板角度較小的情況下，在傳感器獲得的圖像上特征角度較小，引起圖像處理的結果不穩定。從前面的公式可以看出，要提高性能，可以在以下幾個方面進行改進：(1)采用性能更高的激光器；(2)改進算法；(3)增大激光器光軸和CCD攝像機系統的光軸之間的夾角。

角度從18°增大到30°以后，傳感器的性能顯著提高，跟蹤信號的跳動和穩態誤差都得到了控制。

雖然增大角度可以解決問題，但是角度的增大也會帶來很多副作用，如縮小了傳感器量程，增加了傳感器的體積。這兩個問題可以通過使用新型的體積較小的激光器，或者重新設計更為優化的光路來解決。

4 結論

(1)結構光傳感器具有結構簡單、性能優良的特點，廣泛應用于各種坡口的焊接跟蹤。但是該傳感器的問題在于多層多道焊的上層焊縫焊接中，在跟蹤棱邊的情況下存在跟蹤誤差大的問題，可能存在穩態誤差。

(2)通過改進傳感器的結構可以減少問題，但是由于增大角度會引起量程減小、傳感器尺寸增大的問題，作用有限。

(3)通過改進光路、使用新型的激光器可以克服尺寸限制，提高傳感器性能。

[1]鄒媛媛，趙明揚，張雷，等.結構光視覺傳感器誤差分析與結構分析[J].儀器儀表學報，2008，29(12)：2605－2610.

[2]潘際鑾.現代弧焊控制[M].北京：機械工業出版社，2000.

[3]程柏，鄭軍，潘際鑾.強弧光干擾下焊縫結構光圖像跟蹤信息獲取[J].清華大學學報(自然科學版)，2008，48 (11)：1900－1903.

Problems of structure laser sensor in incomplete seem character and its solution

QIAO Dong-xiao，ZHENG Jun，XIONG Zhen-yu，PAN Ji-luan
(Key Laboratory for Advanced Materials Processing，Ministry of Education，Department of Mechanical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

Structure laser vision sensors are widely used in welding seam tracking.But its usage is limited in the last pass of multi-pass welding because of lack of character.And this lack will decrease the tracking precise and increase a disturbance，and make tracking error when welding seam deviation is increasing.With home laser sensors，these conditions and reasons of phenomena are analysed in details.And put forward the solutions to reduce these phenomena，include getting better image of the seam，optimizing the structure of laser sensors.

seam tracking；laser-vision sensor；structure laser

book=65,ebook=304

TG409

A

1001－2303(2010)11－0065－04

2010－10－25

喬東虓(1986—)，男，陜西佳縣人，博士，主要從事焊接自動化技術以及水下焊接方面的研究工作。