基于三線激光結構光的船體大拼接焊縫交叉類型辨識

李冬明， 張 軻， 薛士枚， 陳易新， 顏 樂

(1.上海江南長興造船有限責任公司， 上海 201913； 2.上海交通大學 焊接與激光制造研究所， 上海 200240；3.滬東中華造船(集團)有限公司， 上海 200129)

0 引 言

船體分段合龍的大拼接焊縫在噴漆之前必須在船塢現場進行除銹工作，而建造完工的大型船體結構件的除銹工作量巨大，傳統采用高空作業車或吊籃方式的人工噴砂除銹不僅效率低、污染環境、危害人體健康，而且存在安全隱患。采用環保無塵除銹爬壁機器人則可實現98%的磨料回收和99%的無粉塵排放，該機器人具有大范圍移動的靈活性，可顯著提升除銹效率，降低工人的勞動強度和安全性。相關研究人員在這方面已開展大量的研究和應用工作[1]。薛正雄等[2]、衣正堯等[3]和XU等[4]研制的各類大拼接焊縫噴砂除銹爬壁機器人已在各大船廠初步應用。

現有的爬壁機器人主要應用于大范圍的移動除銹，不具備焊縫線自動檢測和跟蹤功能，對特定船體分段的大拼接焊縫的除銹還需人工手動操控。如果爬壁機器人具有焊縫線的自動跟蹤功能，其除銹效率和智能化程度將大幅提高。

針對焊接線的辨識、定位和檢測進行的研究有：ZENG等[5]設計一套被動視覺識別系統，該系統可運用不同方向的光源實現對焊縫雙輪廓的識別； XU等[6]使用被動視覺技術進行鎢極惰性氣體保護焊(Gas Tungsten Arc Weld, GTAW)焊接過程中的焊縫信息捕捉；HE等[7]提出線結構光的多道焊坡口識別和特征點提取方案；ZHANG等[8]提出十字結構光的焊縫檢測方案。

船體外板等大型結構件上既有橫向焊縫，又有縱向焊縫，不同方向的焊縫相互交叉，如T字交叉和十字交叉。在這種情況下，僅進行焊縫辨識還不夠，則還需要對焊縫的交叉類型進行辨識，以便于根據交叉類型做出運動路徑規劃和決策。王志剛等[9]提出一種基于雙電荷耦合器件(Charge-Coupled Device, CCD)外加輔助光源的被動視覺焊縫跟蹤方法，但該方法對環境光的穩定性有較高的要求，也無法準確地對交叉焊縫的接頭類型進行辨識。有人嘗試用單條紋激光結構光辨識焊縫交叉類型，該結構光雖然受環境光影響較小，但識別焊縫接頭的信息不足，辨別交叉類型也較困難。

在前期研究[10]的基礎上提出一種基于三線激光焊縫線檢測方法，不但可以利用3條相互平行的線激光對焊縫偏差進行實時辨識，還可利用光帶形狀的變化和3條光帶的間距變化實現對焊縫是否交叉及交叉類型的判定，為機器人的運動路徑提供決策，實現爬壁機器人的全自主移動除銹，與原有的CCD方法相比，該方法準確、可靠，判定焊縫交叉類型更為簡便。

1 三線激光結構光焊縫辨識系統

圖1所示為噴砂除銹爬壁機器人的運動場景，爬壁機器人對船體分段的縱向焊縫或橫向焊縫進行噴砂除銹，實現全自主移動除銹需要爬壁機器人具有焊縫辨識功能，不僅能識別焊縫進行焊接路徑糾偏，而且能對縱橫交錯的接頭類型進行辨識。

圖1 噴砂除銹機器人全自主跟蹤除銹應用場景

所提出的三線激光結構光傳感器原理如圖2所示。激光器傾斜一定角度，發出的激光條紋傾斜投射到工件和焊縫表面，3條激光條紋相互平行，距離相等，通過調整激光器的高度可調整3條激光條紋間的距離，相機垂直拍攝發生畸變的3條激光條紋，基于激光器、相機及工件位置之間的三角幾何關系，可判定焊縫的空間位置。基于激光條紋掃描焊縫時的特征變化和3條激光條紋間的關系，可準確辨識交叉焊縫的接頭類型。

圖2 三線激光結構光分別照射在不同焊縫的原理示例

2 交叉焊縫類型辨識

正確識別焊縫交叉類型是實現爬壁機器人全自主除銹的前提。焊件表面狀態的變化會影響激光光帶形狀的變化，而激光光帶形狀的變化也會導致激光條紋在相機中成像的變化。單條激光條紋的特征變化能反映當前掃描到的焊縫截面特征的變化，而3條激光條紋前后距離的變化則能反映當前焊縫是否處于交叉狀態和交叉類型。圖3反映了3條激光條紋經過不同焊縫類型時激光條紋特征的變化，其中L1、L2和L3分別表示3條激光條紋，H1、H2和H3分別表示相應每條激光條紋的高度差，D1表示第2條激光條紋L2和第1條激光條紋L1之間的距離，D2表示第3條激光條紋L3和第2條激光條紋L2之間的距離。當第2條激光條紋L2掃描到橫向焊縫時，激光條紋形態發生了明顯的變化，其外形由包含特征點的典型形態朝接近直線的方向變化，光帶在y方向上的范圍減小，激光條紋被縱向壓縮；而從激光條紋之間的相互關系來看，L2與前后激光條紋的間距發生了明顯變化，其與L1的間距減小，而與L3的間距則明顯增大。由此可見，通過激光條紋自身特征的變化及其與前后激光條紋之間的位置關系，可準確判定焊縫的交叉類型。

圖3 不同焊縫類型激光條紋特征變化

為反映三線激光條紋特征的變化，準確識別焊縫交叉以及交叉的類型，定義以下變量：

(1)Hi=max[Yi]-min {Yi}，其中Yi為第i條光帶骨架點的y坐標集合，Hi反映了光帶沿y方向的變化特征；

(2)Mi=median{Yi}，Mi為骨架點y坐標的中位數，反映了骨架點的普遍位置；

(3)Di=Mi+1-Mi，Di反映了前后激光條紋之間的位置關系變化。

根據定義，Hi、Di均為相對量。下面分析三線激光條紋掃描交叉焊縫過程中的特征變化，并據此建立焊縫交叉類型的判定準則。

2.1 十字交叉焊縫激光條紋特征變化

激光通過十字交叉焊縫的最顯著特征是L2到交叉焊縫時，3條激光條紋前后間的距離D1迅速減小、D2迅速增大(見圖4虛線框A部分)，這表示中間的激光光帶經過十字交叉部位整體被抬升，L1與L2間距D1減小，L2與L3間距D2增大。與此同時，在H1、H3保持相對穩定的情況下H2迅速減小，表明通過十字交叉焊縫時L2在y方向上被壓縮。

圖4 十字交叉焊縫激光條紋特征變化

2.2 T字交叉焊縫激光條紋特征變化

與通過十字交叉焊縫相同，當三線激光條紋經過T字交叉焊縫時也存在D1迅速減小、D2迅速增大的時刻，不同之處在于當L2通過T字交叉部位時L1已進入焊件的平面區域，此時H1與H2均處于低值，表明2條光帶均被壓縮。此外，隨著L2逐漸離開交叉部位，H2的值會出現短暫上升(見圖 5虛線框B部分)，這是由于L2離開交叉部位后也進入平板區域，光帶主體回落但仍有邊緣地帶處于交叉部位的高位焊縫上。

圖5 T字交叉焊縫激光條紋特征變化

2.3 焊縫交叉類型辨識模型

為實現船體外板大拼接焊縫的全自主除銹，除了十字交叉焊縫和T字交叉焊縫外，還需識別直線焊縫(未交叉焊縫)、工件平面和不具有上述特征的其他情況等。

當激光條紋掃描直線焊縫時，3條激光條紋前后之間的距離D1和D2基本不變或者變化很小，且L2仍然保持焊縫截面曲線的正常特征而未被壓縮，即H2仍然是一個較大的值且基本不變。

當激光條紋掃描工件表面而非焊縫時，雖然激光條紋前后之間的距離D1和D2基本不變，但條紋特征有一處顯著的不同，即3條激光條紋的高度H1、H2和H3基本為零，未發生畸變。根據上述規律，建立焊縫交叉類型識別模型：

(1)

在上述模型中，ε(|D1-D2|-T1)用于判斷激光是否進入焊縫交叉處，若不是則函數值為0。[ε(H1-Hr)+ε(H2-Hr)+ε(H3-Hr)]用于辨識當前y方向上未被壓縮的激光條紋數。S值代表模型識別的焊縫交叉類型，如表1所示。

表1 不同焊縫類型特征的S值

3 試驗和驗證

為驗證所提出的焊縫交叉類型辨識算法的有效性，在一個模擬船體外板的曲面板上進行測試，如圖6所示。在測試過程中，機器人沿焊縫線以1 m/min的速度移動，移動機器人先后經過直線焊縫和十字交叉焊縫，使用三線激光對焊件進行正掃和斜掃，掃描部位包括直焊縫和十字交叉部位。掃描路徑為直線，行進速度為10 mm/s，每隔100 ms用攝像機拍照取樣，分別得到172 張、203張不同類型樣圖。

圖6 三線激光焊縫接頭類型辨識試驗

圖 7所示為十字交叉類型焊縫辨識結果。圖8所示為三線激光經過十字交叉焊縫時條紋特征變化及算法識別結果。從圖7可以看出，在直線焊縫區域激光條紋的高度特征與激光條紋之間的距離特征基本平穩，無較大的波動，當激光條紋掃描到交叉焊縫區域時，激光條紋特征出現3個顯著波動的區域，A區為L1掃描到交叉焊縫時的情況，L1的高度特征H1發生顯著變化，同時D1增大而D2保持不變，由于此時H2、H3和D2未顯著變化，因此無法判斷是否已到交叉焊縫區域及交叉焊縫的類型。當掃描到B區時，L3狀態不變，L1已經掃描到直線焊縫區域，H1狀態恢復正常，H2發生明顯畸變，逐漸被壓縮，激光條紋整體抬高而條紋高度被壓縮，導致D1逐漸減小，D2隨著L2的整體抬升顯著增大，根據模型方程，此時S值為3，顯然此時可明確判斷激光條紋掃描到十字交叉焊縫。同理，當激光條紋繼續向前掃描時，L2逐漸進入直線焊縫區域，此時條紋高度特征H1和H2恢復正常，D1也逐漸恢復正常，D2和H3也發生顯著變化，當繼續向前掃描時，激光條紋進入直線焊縫區域，距離特征和高度特征又恢復正常狀態。

圖7 十字交叉類型焊縫辨識結果

圖8 三線激光經過十字交叉焊縫時條紋特征變化

圖 9所示為T字交叉類型焊縫的辨識結果。圖10所示為三線激光經過T字交叉焊縫時條紋特征變化及算法識別結果。在A區的高度特征和距離特征的變化有些類似，在B區時，L1的高度特征變化比A區更大一些，表明激光條紋掃描到工件平面上，L2位于交叉焊縫上，激光條紋被壓縮，此時H2也發生顯著變化，同時D1逐漸變小再逐漸變大，D2則逐漸變大再逐漸變小，條紋特征發生顯著變化，根據模型方程，此時S值為2，表明激光掃描處為T字交叉焊縫。當激光條紋繼續進行掃描時，激光條紋進入C區，L1和L2都進入工件平面區域，L3逐漸掃描交叉焊縫區域，因此H3顯著變化，D2逐漸減小。

圖9 T字交叉類型焊縫辨識結果

圖10 三線激光經過T字交叉焊縫時條紋特征變化

從上述結果可知，基于上述模型，能準確地辨識當前激光條紋掃描處的焊縫類型，從而為拼接焊縫的全自主除銹控制策略奠定了基礎。

4 結 論

針對船體外板的縱橫交叉大拼接焊縫的自動化除銹，提出采用三線激光結構光的方法，對除銹過程中的焊縫交叉類型的辨識展開研究，結論如下：

(1) 提出一種基于三線結構光的焊縫交叉類型識別方法。采用激光結構光的主動視覺傳感方式提高系統抗干擾能力，3條激光的存在可進一步提高系統的容錯能力，增強識別的可靠性。

(2) 根據三線激光的特性定義描述激光形態和激光條紋間距的5個變量，根據十字焊縫交叉和T字焊縫交叉特征參量的變化規律，建立辨識焊縫交叉類型的識別模型。

(3) 試驗結果表明，采用三線激光條紋與焊縫類型識別模型可有效地識別焊縫，為爬壁機器人焊縫的跟蹤、定位和軌跡規劃奠定基礎。