基于机器视觉的直缝焊管焊缝位置识别研究与应用

作     者：于兵 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈占春

授予年度：2021年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：机器视觉 直缝焊管 焊缝识别 Canny算法 颜色标定 角度测量 

摘      要：随着直缝焊管应用越来越广泛,其焊缝作为整根焊管最为薄弱的位置往往需要突出检测以满足实际场景的使用要求。本文依据水压机对直缝焊管进行静水压试验时,需要控制焊缝位置来观察焊缝处是否存在泄露的要求,提出了基于机器视觉来判断直缝焊管焊缝位置的方案。直缝焊管的焊缝位置在焊管上属于周向特征,位置信息为三维信息。本文通过单目视觉检测旋转中的直缝焊管焊缝距离目标位置的偏角,对转动停止时间进行控制,使焊缝最终停在目标位置。根据不同视角下对应的坐标系及其之间关系建立焊缝偏角与成像平面对应特征之间的数学关系计算偏转角度,为了获得焊缝特征的位置,本文设计了两种解决方案。(1)直接提取焊缝边缘与焊管边缘信息。针对传统Canny算法在识别直缝焊管焊缝边缘时易受噪声干扰、强弱边缘连接不佳等问题,提出一种改进的Canny算法检测直缝焊管焊缝位置方法。首先在进行非极大值抑制中引入了梯度方向局部均值偏差;其次对非极大值抑制之后的点利用最大类间方差法计算阈值;最后通过焊管图片强弱边缘分布特点将强边缘边界所连边界作为附加连接条件。通过实验验证改进的非极大值相对于传统方法能够有效的抑制噪声点并保留边缘信息。在直缝焊管焊缝边缘位置识别中改进的Canny算法相对于传统边缘检测算法能够减轻锈斑划痕等因素的干扰,保留更多的焊管边缘与焊缝边缘。在常用的BSDS500数据集上改进的Canny算法的峰值信噪比与均方误差在88.79%的图片中优于其他边缘算法。最后利用Hough直线特征识别,进行直线检测并带入焊缝位置数学模型得到最终焊缝的位置信息。(2)利用直缝焊管在焊接时焊缝位置的确定性,在焊缝位置周向90°位置喷涂颜色标定。对图像进行彩色分割,以彩色连通区域最小外接矩形中线作为颜色标定位置。对图像利用最大类间方差法进行二值化,并使用竖直边缘检测器得到焊管的边缘,带入焊缝位置数学模型得到颜色标定位置,并延迟90°后得到焊缝位置。经过实验验证,通过图像处理颜色标定特征比直缝焊管焊缝特征检测结果更加稳定。对检测系统硬件进行了分析选型,分析了各种光源组合方案对于金属柱面照明的优劣,完成了系统的硬件选型。设计了检测程序的人机交互窗口,通过窗口能够进行参数的输入,运行状态的监控,系统的启停控制等操作。根据检测现场硬件条件设计了焊缝位置验证实验台,模拟整个识别控制过程。将直缝焊管管端与角度传感器相连,以角度传感器检测结果作为整个系统控制结果。实验结果表明在静态测量下两种方案得到的角度偏差均小于1.5°,动态测量控制结果均满足设计需求。本文通过建立图像与检测目标之间的关系,对图像检测使用到的算法做出改进,针对检测需求完成了硬件选型与程序界面设计,最终实现了利用单目视觉对直缝焊管焊缝位置的识别,满足了静水压试验对焊缝位置的要求。