CN114473153B - 一种油气长输管道焊接系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油气长输管道焊接系统及方法，涉及焊接机器人、焊接智能化领域。本发明通过向待焊接管道表面投射组合激光线，并实时采集焊接过程中的焊接坡口及焊接坡口邻域处的变形激光线图像，基于所述变形激光线图像确定伺服反馈控制信号，从而使管道焊接机器人根据伺服反馈控制信号实时调整焊枪的位姿和运动轨迹，能够实现焊缝自动跟踪、对焊枪相对于焊接坡口位置进行实时纠偏以及焊枪位姿反馈调整，进而提高管道填充‑盖面焊作业的智能化水平和焊缝成形质量，具有重要的技术意义和应用价值。

Description

一种油气长输管道焊接系统及方法

技术领域

本发明涉及焊接机器人、焊接智能化领域，特别是涉及一种油气长输管道焊接系统及方法。

背景技术

油气长输管道是能源供给的大动脉，是关系国家能源安全、社会经济发展和人民生活福祉的重要能源基础设施。长输管道的现场铺设施工作业主要包括管端坡口加工、管口装配、预热、内焊、填充和盖面焊等工序。目前，应用管道外焊机实施管道填充-盖面焊时，普遍面临管端坡口存在角度和尺寸偏差、管口装配间隙不一致，管道外焊机运行轨道与管端坡口、管壁不平行等问题，严重影响管道填充-盖面焊接过程的稳定性和管道外焊机的适应性，进而影响焊缝成形质量。

为解决这些问题，对管道填充-盖面焊接过程的焊枪位姿和运动轨迹，在进行焊前合理设置的基础上，焊接过程中需要进一步进行精确的实时调整和控制，并有针对性地调控相应的焊接工艺参数，而现有实施管道填充-盖面焊作业的外焊机不具备高精度的焊接坡口特征尺寸和焊枪相对于焊接坡口偏差信息的在线检测功能，也就不具备实现焊缝实时自动跟踪、对焊枪相对于焊接坡口位置实时纠偏、焊枪相对姿态反馈调整和控制的能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种油气长输管道焊接系统及方法，以实现实时调整焊枪的位姿和运动轨迹，提高焊缝成形质量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种油气长输管道焊接系统，所述系统包括：

管道焊接机器人；

视觉传感单元，用于向待焊接管道表面投射组合激光线，并实时采集焊接过程中的焊接坡口及焊接坡口邻域处的变形激光线图像；所述组合激光线包括至少两束相互平行的激光线；

反馈控制单元，分别与所述视觉传感单元及所述管道焊接机器人连接，用于基于所述变形激光线图像确定伺服反馈控制信号；所述管道焊接机器人用于根据所述伺服反馈控制信号实时调整焊枪的位姿和运动轨迹。

可选地，所述视觉传感单元包括：

工业相机，位于所述管道焊接机器人的焊枪的前进方向一侧，用于实时拍摄焊接过程中的焊接坡口及焊接坡口邻域处的变形激光线图像；所述工业相机的光轴与所述焊枪的中轴线平行；

激光器组件，位于所述工业相机的前进方向上，用于向待焊接管道表面投射组合激光线；所述组合激光线在焊接坡口及焊接坡口邻域处发生变形。

可选地，所述反馈控制单元包括：

图像处理模块，与所述视觉传感单元连接，用于采用图像处理算法确定所述变形激光线图像中的特征点，并获取各所述特征点的像素坐标；

特征反馈控制模块，分别与所述图像处理模块及所述管道焊接机器人连接，用于根据各所述特征点的像素坐标确定所述焊接坡口的特征尺寸及所述焊枪相对于所述焊接坡口的位姿偏差，并根据所述特征尺寸及所述位姿偏差确定伺服反馈控制信号。

可选地，所述管道焊接机器人包括：

焊枪；

行走机构，与所述焊枪连接，用于带动所述焊枪在导向轨道上按设定方向前进；

调整机构，与所述焊枪连接，用于调整所述焊枪的位姿和运动轨迹；

焊接控制器，分别与所述反馈控制单元及所述调整机构连接，用于根据所述伺服反馈控制信号控制所述调整机构。

可选地，所述激光器组件包括：

第一激光发射器及第二激光发射器；所述第一激光发射器及所述第二激光发射器依次固定连接在所述工业相机的焊接前进方向上；所述第一激光发射器的轴线、所述第二激光发射器的轴线、所述焊枪的中轴线及所述工业相机的光轴共面。

本发明还提供一种油气长输管道焊接方法，所述方法应用于上述系统，所述方法包括：

向待焊接管道表面投射组合激光线，所述组合激光线在焊接坡口及焊接坡口邻域处发生变形；

实时采集焊接过程中的焊接坡口及焊接坡口邻域处的变形激光线图像；

基于所述变形激光线图像确定伺服反馈控制信号，所述伺服反馈控制信号用于驱动管道焊接机器人实时调整焊枪的位姿和运动轨迹。

可选地，所述基于所述变形激光线图像确定伺服反馈控制信号，具体包括：

采用图像处理算法确定所述变形激光线图像中的特征点，并获取各所述特征点的像素坐标；

根据各所述特征点的像素坐标确定所述焊接坡口的特征尺寸及所述焊枪相对于所述焊接坡口的位姿偏差；

根据所述特征尺寸及所述位姿偏差确定伺服反馈控制信号。

可选地，所述采用图像处理算法确定所述变形激光线图像中的特征点，并获取各所述特征点的像素坐标，具体包括：

对所述变形激光线图像进行预处理，得到预处理后的变形激光线图像；

对预处理后的变形激光线图像进行特征提取，得到变形激光线图像中的各特征线段；

根据各所述特征线段的端点坐标值确定对应的极坐标参数，并分别对共直线的特征线段的极坐标参数取均值，得到对应的中心线的极坐标参数；

根据各所述中心线的极坐标参数对各所述中心线进行排序，并根据排序后中心线的参数方程计算得到变形激光线图像中的各特征点的像素坐标；所述特征点为变形激光线上相交线段的交点。

可选地，所述根据各所述特征点的像素坐标确定所述焊接坡口的特征尺寸及所述焊枪相对于所述焊接坡口的位姿偏差，具体包括：

根据各所述特征点的像素坐标分别确定各所述特征点在图像坐标系下的图像坐标；

根据各所述特征点的图像坐标分别确定各所述特征点在相机坐标系下的三维点坐标；

根据各所述特征点的三维点坐标确定焊接坡口的特征尺寸及焊枪相对于焊接坡口的位姿偏差；所述特征尺寸包括坡口宽度和坡口深度，所述位姿偏差包括焊枪距离焊接坡口上表面的纵向高度、焊枪距离焊接坡口中心线的横向距离以及焊枪运动方向与焊接坡口走向之间的夹角。

可选地，所述根据所述特征尺寸及所述位姿偏差确定伺服反馈控制信号，具体包括：

根据所述坡口宽度及所述坡口深度计算得到焊枪角摆幅度，并生成对应的角摆机构摆动信号；

判断焊枪距离焊接坡口上表面的纵向高度是否大于焊枪预设高度，得到第一判断结果；若所述第一判断结果为是，则生成垂直机构反向缩回信号，若所述第一判断结果为否，则生成垂直机构正向伸出信号；

判断焊枪距离焊接坡口中心线的横向距离是否大于0，得到第二判断结果；若所述第二判断结果为是，则生成水平机构反向缩回信号，若所述第二判断结果为否，则生成水平机构正向伸出信号；

判断焊枪运动方向与焊接坡口走向之间的夹角是否等于0，得到第三判断结果；若所述第三判断结果为否，则生成对应的旋转机构控制信号；

所述伺服反馈控制信号包括所述角摆机构摆动信号、所述垂直机构正向伸出信号、所述垂直机构反向缩回信号、所述水平机构正向伸出信号、所述水平机构反向缩回信号及所述旋转机构控制信号。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明通过向待焊接管道表面投射组合激光线，并实时采集焊接过程中的焊接坡口及焊接坡口邻域处的变形激光线图像，基于所述变形激光线图像确定伺服反馈控制信号，从而使管道焊接机器人根据伺服反馈控制信号实时调整焊枪的位姿和运动轨迹，能够实现焊缝自动跟踪、对焊枪相对于焊接坡口位置进行实时纠偏以及焊枪位姿反馈调整，进而提高管道填充-盖面焊作业的智能化水平和焊缝成形质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的油气长输管道焊接系统的结构图；

图2为本发明提供的视觉传感单元的结构及工作原理示意图；

图3为本发明提供的油气长输管道焊接方法的流程图；

图4为本发明视觉传感单元采集获得的变形激光线图像；

图5为变形激光线图像的轮廓提取图；

图6为变形激光线中心线及特征点提取示意图；

图7为焊接坡口的特征尺寸示意图；

图8为焊枪相对于焊接坡口的位姿偏差的整体示意图；

图9为焊枪相对于焊接坡口的位姿偏差的局部放大图；

图10为本发明提供的油气长输管道焊接系统进行视觉伺服闭环反馈控制的流程图。

符号说明：

管道焊接机器人—1，行走机构—2，焊枪水平调整机构—3，焊枪垂直调整机构—4，焊枪左右角摆调整机构—5，焊枪前后倾角调整机构—6，导向轨道—7，待焊接管道—8，焊接坡口—9，工业相机—10，镜头—11，激光器组件—12，滤光装置—13，视觉传感单元—14，焊枪—15；

第一激光发射器—121，第二激光发射器—122，第一激光投射结构光平面—P1，第二激光投射结构光平面—P2，第一激光线—L1，第二激光线—L2。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种油气长输管道焊接系统及方法，以实现实时调整焊枪的位姿和运动轨迹，提高焊缝成形质量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种油气长输管道焊接系统，图1为本发明提供的油气长输管道焊接系统的结构图，如图1所示，所述系统包括：管道焊接机器人1、视觉传感单元14和反馈控制单元。

其中，所述视觉传感单元14用于向待焊接管道8表面投射组合激光线，并实时采集焊接过程中的焊接坡口9及焊接坡口9邻域处的变形激光线图像；所述组合激光线包括至少两束相互平行的激光线。所述反馈控制单元分别与所述视觉传感单元14及所述管道焊接机器人1连接；所述反馈控制单元用于基于所述变形激光线图像确定伺服反馈控制信号；所述管道焊接机器人1则用于根据所述伺服反馈控制信号实时调整焊枪15的位姿和运动轨迹。

具体地，所述管道焊接机器人1包括：焊枪15、行走机构2、调整机构及焊接控制器。所述行走机构2及所述调整机构均与所述焊枪15连接；所述行走机构2用于带动所述焊枪15在导向轨道7上按设定方向前进；所述调整机构用于调整所述焊枪15的位姿和运动轨迹。所述焊接控制器分别与所述反馈控制单元及所述调整机构连接，所述焊接控制器用于根据所述伺服反馈控制信号控制所述调整机构。此外，所述管道焊接机器人1还包括用于供电的焊接电源。

在本实施例中，所述管道焊接机器人1为轨道式焊接机器人，具有五个运动自由度调节机构，包括行走机构2、焊枪水平调整机构3、焊枪垂直调整机构4、焊枪左右角摆调整机构5以及焊枪前后倾角调整机构6。其中，所述行走机构2、所述焊枪水平调整机构3、所述焊枪垂直调整机构4及所述焊枪左右角摆调整机构5为电气控制调整的自由度机构，所述焊枪前后倾角调整机构6为手动调整的自由度机构。在本实施例中，将所述焊枪水平调整机构3、所述焊枪垂直调整机构4、所述焊枪左右角摆调整机构5以及焊枪前后倾角调整机构6统称为调整机构。具体地，导向轨道7装卡于待焊接管道8外表面，轨道式焊接机器人通过两侧滑轮装卡于导向轨道7上，通过底部行走齿轮与轨道齿的啮合实现机器人在圆周方向的行走。其中，待焊接管道8为DN559mm的标准重量管，其壁厚为9.53mm，采用的焊接坡口9为V型坡口，其坡口面角度为22°。

所述视觉传感单元14包括：工业相机10和激光器组件12。所述工业相机10位于所述管道焊接机器人1的焊枪15的前进方向一侧，用于实时拍摄焊接过程中的焊接坡口9及焊接坡口9邻域处的变形激光线图像；所述工业相机10的光轴与所述焊枪15的中轴线平行。所述激光器组件12位于所述工业相机10的前进方向上；所述激光器组件12用于向待焊接管道8表面投射组合激光线；所述组合激光线在焊接坡口9及焊接坡口9邻域处发生变形。

进一步地，所述视觉传感单元14还包括：镜头11和滤光装置13。所述镜头11位于所述工业相机10的末端，所述镜头11用于调节所述工业相机10的光学参数；所述滤光装置13位于所述镜头11的末端，所述滤光装置13用于滤除焊接过程中的干扰光。作为一种具体的实施方式，所述滤光装置13为带通的窄带滤光片，所述干扰光为焊接过程中的非带通范围内的弧光和自然光。

图2为本发明提供的视觉传感单元的结构及工作原理示意图，如图2所示，在本发明具体实施例中，所述激光器组件12包括：第一激光发射器121及第二激光发射器122。所述第一激光发射器121及所述第二激光发射器122依次固定连接在所述工业相机10的焊接前进方向上；所述第一激光发射器121的轴线、所述第二激光发射器122的轴线、所述焊枪15的中轴线及所述工业相机10的光轴共面。所述第一激光发射器121及所述第二激光发射器122均为一字线激光发射器。

所述第一激光发射器121用于发射第一激光线L1，所述第二激光发射器122用于发射第二激光线L2；所述第一激光线L1及所述第二激光线L2分别在所述待焊接管道8表面的焊接坡口9及焊接坡口9邻域处形成第一激光投射结构光平面P1和第二激光投射结构光平面P2，且两平面平行。两激光器轴线之间的距离为25mm；两激光投射结构光平面与相机光轴之间的夹角为30°；相机光心到第一激光发射器121的激光投射结构光平面P1的距离为50-70mm。

所述第一激光发射器121与第二激光发射器122依次固连于工业相机10的焊接前进方向上，与镜头11与滤光装置13共同构成视觉传感单元14。视觉传感单元14通过中间连接件固连于焊枪15的前进方向一侧，焊枪15的中轴线、工业相机10的光轴、第一激光发射器121的轴线和第二激光发射器122的轴线共面，且此面垂直于第一激光投射结构光平面P1和第二激光投射结构光平面P2，同时焊枪15的中轴线与工业相机10的光轴平行，两者之间的距离为80mm。

进一步地，在本发明的一些具体的实施例中，第一激光发射器121投射在待焊接管道外表面及焊接接头（即焊接坡口、焊缝）的第一激光线L1、第二激光发射器122投射在待焊接管道外表面及焊接接头（即焊接坡口、焊缝）的第二激光线L2均与焊接接头（即焊接坡口、焊缝）的走向垂直。

在本实施例中，所述工业相机10采用大恒图像公司的工业CMOS相机MER2-503-23GM，其分辨率为2448*2048，单位像元尺寸大小为3.45um*3.45um，最高采集帧率为23.5fps，完全可以满足焊接前或者焊接过程中的实时采集焊接坡口及坡口邻域处的图像的需求。所述镜头11采用日本Computar公司的M1228-MPW3，其焦距为12mm，最大兼容靶面尺寸为2/3英寸，安装于相机的末端，可以用以调节工业相机10的光学参数。本实施例中的熔化极气体保护电弧焊的弧光强度在620nm-700nm波长范围时最弱，故选择一字线激光发射器的波长为660nm；一字线激光发射器的功率为200mW，透镜为玻璃透镜，其发射的一字线激光在长度方向符合高斯分布，有利于保证焊接坡口内激光线条的亮度。滤光装置13为660±8nm（即中心波长在652nm-668nm之间）的窄带滤光片，通过螺纹连接于镜头11的末端，可以有效滤除弧光干扰和保障激光的高比率透过。

所述反馈控制单元包括：图像处理模块和特征反馈控制模块。所述图像处理模块与所述视觉传感单元14连接；所述图像处理模块用于采用图像处理算法确定所述变形激光线图像中的特征点，并获取各所述特征点的像素坐标。所述特征反馈控制模块分别与所述图像处理模块及所述管道焊接机器人1连接；所述特征反馈控制模块用于根据各所述特征点的像素坐标确定所述焊接坡口9的特征尺寸及所述焊枪15相对于所述焊接坡口9的位姿偏差，并根据所述特征尺寸及所述位姿偏差确定伺服反馈控制信号。

具体地，所述反馈控制单元为工控机，所述反馈控制单元与所述视觉传感单元14及所述管道焊接机器人1通过千兆网线连接。视觉传感单元14将焊接前或者焊接过程中采集获得的变形激光线图像数据通过千兆网线实时传输至工控机，工控机内具有的图像处理模块对采集到的变形激光线图像进行处理，提取出图像特征；然后通过计算获得焊接坡口9的特征尺寸（包括坡口宽度B和坡口深度h）以及焊枪15相对于焊接坡口9的位姿偏差（包括焊枪15距焊接坡口9上表面的纵向高度H、焊枪15距焊接坡口9中心线的横向距离e、焊枪15运动方向与焊接坡口9走向之间的夹角γ）；最后，工控机利用获得的焊接坡口9的特征尺寸以及焊枪15相对于焊接坡口9的位姿偏差确定伺服反馈控制信号，并通过千兆网线向管道焊接机器人1的焊接控制器发送伺服反馈控制信号，对焊枪15的下一步动作进行伺服反馈控制。

进一步地，在本发明的一些具体的实施例中，视觉传感单元14将采集获得的变形激光线图像数据通过千兆网线传输至工控机后，工控机通过在Visual Studio 2017平台使用C++语言调用大恒相机的API函数库和编写图像处理算法，实现对变形激光线图像的读取和处理；管道焊接机器人1的焊接控制器采用正运动公司的正运动控制器ZMC406，工控机使用千兆网线与焊接控制器通信，通过C++语言调用正运动控制器的API函数库实现对焊接控制器的控制，根据计算获得的焊接坡口9的特征尺寸以及焊枪15相对于焊接坡口9的位姿偏差，向焊接控制器发送伺服反馈控制信号，实现对管道焊接机器人的视觉伺服反馈控制。随着管道焊接机器人1主运动的进行，视觉传感单元14不断地采集焊枪15当前位置的图像，工控机实时进行读取、处理与计算，并根据计算获得的焊接坡口9的特征尺寸以及焊枪15相对于焊接坡口8的位姿偏差，通过管道焊接机器人1的焊接控制器对焊枪15的位姿（和运动轨迹）进行实时调整控制，便实现了焊接过程中对管道焊接机器人的视觉闭环伺服反馈控制。

本发明还提供一种油气长输管道焊接方法，所述方法应用于上述系统，图3为本发明提供的油气长输管道焊接方法的流程图，如图3所示，所述方法包括：

步骤S1：向待焊接管道表面投射组合激光线，所述组合激光线在焊接坡口及焊接坡口邻域处发生变形。

步骤S2：实时采集焊接过程中的焊接坡口及焊接坡口邻域处的变形激光线图像。

步骤S3：基于所述变形激光线图像确定伺服反馈控制信号，所述伺服反馈控制信号用于驱动管道焊接机器人实时调整焊枪的位姿和运动轨迹。

下面对上述各步骤进行详细论述：

进一步地，所述基于所述变形激光线图像确定伺服反馈控制信号，具体包括：

步骤S31：采用图像处理算法确定所述变形激光线图像中的特征点，并获取各所述特征点的像素坐标。

步骤S32：根据各所述特征点的像素坐标确定所述焊接坡口的特征尺寸及所述焊枪相对于所述焊接坡口的位姿偏差。

步骤S33：根据所述特征尺寸及所述位姿偏差确定伺服反馈控制信号。

优选地，所述采用图像处理算法确定所述变形激光线图像中的特征点，并获取各所述特征点的像素坐标，具体包括：

步骤S311：对所述变形激光线图像进行预处理，得到预处理后的变形激光线图像。预处理的具体步骤如下：

首先，对所述变形激光线图像进行高斯滤波，滤除所述变形激光线图像中的干扰噪声；其中，高斯卷积核的大小为19*19，能够抑制所述变形激光线图像中的干扰噪声，达到平滑图像的目的。

然后，采用Ostu全局分割法通过遍历不同阈值下滤波后的变形激光线图像的前景区域和背景区域的类间方差，找到最大类间方差下的阈值，对滤波后的变形激光线图像进行二值化分割。

最后，对二值化分割后的图像先采用膨胀运算，再采用腐蚀运算的形态学闭运算处理，得到填充小孔、弥合裂缝后的变形激光图像，作为预处理后的变形激光线图像。

步骤S312：对预处理后的变形激光线图像进行特征提取，得到变形激光线图像中的各特征线段。

图像处理的时间主要在于图像特征的提取。对于变形激光线图像特征的提取，目前主要有轮廓提取和骨架提取两种方式；在本发明的一些具体的实施例中，一幅五百万像素图像的轮廓提取时间在60ms左右，而其骨架细化时间在5000ms左右。为满足焊接过程中视觉伺服反馈控制的实时性要求，在本发明实施例的实施过程中对形态学闭运算处理后的变形激光线图像（即预处理后的变形激光线图像）采用低阈值为140，高阈值为250的Canny算子进行轮廓提取，此种轮廓提取方法不仅实时性较好，还可获得较为完整的变形激光线的轮廓。视觉传感单元采集获得的变形激光线图像如图4所示，采用轮廓提取方式获得的轮廓图像如图5所示。

再对轮廓图像采用Hough直线方法进行检测，以获得图像中的符合要求的每一条特征线段。在本实施例中，Hough直线方法检测中取线段的检测阈值为40，低于此阈值的线段不会显示，便可检测出的图像轮廓中的满足要求的多条特征线段。

步骤S313：根据各所述特征线段的端点坐标值确定对应的极坐标参数，并分别对共直线的特征线段的极坐标参数取均值，得到对应的中心线的极坐标参数。

具体为，根据Hough直线方法检测出的每条特征线段的端点坐标值计算出其极坐标系下的ρ和θ值，并将相邻线段的ρ和θ取均值，作为该线段的最终检测结果。即，首先将一条线段的参数值作为基准，并将其它线段的参数值与之进行比较，判断是否与其它线段共直线，然后将多条共直线的线段参数值取均值作为此直线（特征线段中心线）的参数值。以此类推，直至得到所有的特征线段中心线的参数值。在本发明的一些具体实施例中，当每两条线段之间的ρ之差小于10个像素且θ之差小于0.1°时，则认为这些线段共直线，则将满足此条件的多条线段的ρ和θ取均值，得到图像中该直线的最终检测结果。在本发明的一些具体的实施例中，当采用两个激光发射器时，采集的变形激光线图像经过处理可得到如图6所示的8条中心线（所述中心线为两条激光线投射在V型焊接坡口处产生变形后的8条激光特征线段中心线所在的直线）及其方程参数（ρ _i ,θ _i ），i=1, 2, ……, 8，表示图像中具有不同直线特征的激光线的数目。

步骤S314：根据各所述中心线的极坐标参数对各所述中心线进行排序，并根据排序后中心线的参数方程计算得到变形激光线图像中的各特征点的像素坐标；所述特征点为变形激光线上相交线段的交点。

根据排序得到的直线方程计算变形激光线图像中相交线段的交点（即特征点）的像素坐标的具体公式为：

u=（ρ ₁sinθ ₂ -ρ ₂sinθ ₁）/sin（θ ₂ -θ ₁）；

v=（ρ ₁cosθ ₂ -ρ ₂cosθ ₁）/sin（θ ₁ -θ ₂）。

该公式是将两条相交直线其中的任意一条的参数记作（ρ ₁,θ ₁），另一条的参数记作（ρ ₂,θ ₂）。即可求得变形激光线图像中各特征点的像素坐标，记为（u _i ,v _i ）,i=1,2,… …, 8，将各特征点分别记作点Q1、Q2、……Q8，各特征点的位置如图6所示。以图6中左侧的4条直线为第一激光线L1对应的4条中心线，图6中右侧的4条直线为第二激光线L2对应的4条中心线为例，在本实施例中，将第一激光线L1对应的4条中心线中相互平行的两条分别记为L11（右）和L12（左），将另外两条分别记为L13和L14，则L13、L14与L11的交点为点Q1、Q4，与L12的交点为点Q5、Q8；将第二激光线L2对应的4条中心线中相互平行的两条分别记为L21（右）和L22（左），将另外两条分别记为L23和L24，则L23、L24与L21的交点为点Q2、Q3，与L22的交点为点Q6、Q7。

优选地，所述根据各所述特征点的像素坐标确定所述焊接坡口的特征尺寸及所述焊枪相对于所述焊接坡口的位姿偏差，具体包括：

步骤S321：根据各所述特征点的像素坐标分别确定各所述特征点在图像坐标系下的图像坐标。

具体地，根据特征点的像素坐标计算图像坐标的计算公式为：

；

其中，（x _i , y _i ）为第i个特征点的图像坐标，（u _i , v _i ）为第i个特征点的像素坐标，dx、dy分别为CCD靶面单位像元沿x、y方向的像素宽度，单位为（mm/pixel），u ₀、v ₀分别为图像坐标系原点在像素坐标系的横向位置和竖向位置，单位为（pixel）。dx、dy、u ₀及v ₀均为相机的内参数，在相机出厂或标定后可获得。

步骤S322：根据各所述特征点的图像坐标分别确定各所述特征点在相机坐标系下的三维点坐标。

具体地，根据特征点的图像坐标计算三维点坐标的计算公式（即传感器视觉检测模型）为：

X _Ci =-（D _j x _i ）/（A _j x _i+ B _j y _i -C _j f）；

Y _Ci =-（D _j y _i ）/（A _j x _i+ B _j y _i -C _j f）；

Z _Ci =（D _j f）/（A _j x _i+ B _j y _i -C _j f）；

其中，（X _Ci , Y _Ci , Z _Ci ）为第i个特征点在相机坐标系下的三维点坐标；A _j , B _j , C _j ,D _j （j=1, 2），分别代表第i个特征点所在第一或第二激光投射结构光平面的方程参数（以点Q1、Q4、Q5及Q8位于第一激光投射结构光平面P1上，点Q2、Q3、Q6及Q7位于第二激光投射结构光平面P2上为例，对于点Q1、Q4、Q5及Q8，j的取值为1，对于点Q2、Q3、Q6及Q7，j的取值为2），可通过结构光平面方程标定获得；（x _i , y _i ）为第i个特征点的图像坐标；f表示相机小孔成像模型的焦距（即像平面与相机坐标系原点的距离）。

步骤S323：根据各所述特征点的三维点坐标确定焊接坡口的特征尺寸及焊枪相对于焊接坡口的位姿偏差；所述特征尺寸包括坡口宽度和坡口深度，所述位姿偏差包括焊枪距离焊接坡口上表面的纵向高度、焊枪距离焊接坡口中心线的横向距离以及焊枪运动方向与焊接坡口走向之间的夹角。

由于油气长输管道的外表面的曲率都较小，在相机成像视野范围内的管道焊接坡口可以近似为空间平面工件焊接坡口，近似的坡口尺寸误差不超过0.01mm，可以忽略。

图7为焊接坡口的特征尺寸示意图，图8为焊枪相对于焊接坡口的位姿偏差的整体示意图，图9为图8中虚线框内的焊枪相对于焊接坡口的位姿偏差的局部放大图。如图7、图8及图9所示，根据求得的图6中8个点的三维点坐标（X _Ci , Y _Ci , Z _Ci ），i=1, 2, ……, 8，可由点Q1、Q2、Q3及Q4求得近似局部管道外表面的平面方程F ₁（x），点Q5、Q6、Q7或Q8到该平面的距离即为坡口深度h；点Q1、Q2构成的直线与点Q3、Q4构成的直线间的距离即为坡口宽度B；焊枪中轴线在相机坐标系下的空间直线方程为：Y _C =0，X _C =-80，与点Q5、Q6、Q7及Q8拟合的近似局部管道焊接坡口底面的平面方程F ₂（x）相交于点P _j1，则点P _j1至焊枪末端点N（-80, 0,H ₀）的距离即为焊枪高度H，其中H ₀为可标定出的焊枪末端点N沿焊枪轴线至相机光心的距离；点Q5、Q8的中点m与点Q6、Q7的中点n的连线为平面F ₂（x）内的直线mn，点P _j1至直线mn的距离即为横向偏差，即距离e；相机光轴与近似局部管道坡口底面的平面方程F ₂（x）相交于点P _j0，则直线P _j0 P _j1的方向便代表局部焊接主运动方向，那么直线P _j0 P _j1与直线mn之间的夹角即为角度偏差，即夹角γ。

图10为本发明提供的油气长输管道焊接系统进行视觉伺服闭环反馈控制的流程图，如图10所示，所述根据所述特征尺寸及所述位姿偏差确定伺服反馈控制信号，具体包括：

根据所述坡口宽度及所述坡口深度计算得到焊枪角摆幅度，并生成对应的角摆机构摆动信号。

判断焊枪距离焊接坡口上表面的纵向高度是否大于焊枪预设高度，得到第一判断结果；若所述第一判断结果为是，则生成垂直机构反向缩回信号，若所述第一判断结果为否，则生成垂直机构正向伸出信号。

判断焊枪距离焊接坡口中心线的横向距离是否大于0，得到第二判断结果；若所述第二判断结果为是，则生成水平机构反向缩回信号，若所述第二判断结果为否，则生成水平机构正向伸出信号。

判断焊枪运动方向与焊接坡口走向之间的夹角是否等于0，得到第三判断结果；若所述第三判断结果为否，则生成对应的旋转机构控制信号。

所述伺服反馈控制信号包括所述角摆机构摆动信号、所述垂直机构正向伸出信号、所述垂直机构反向缩回信号、所述水平机构正向伸出信号、所述水平机构反向缩回信号及所述旋转机构控制信号。

其中，所述角摆机构摆动信号用于控制所述焊枪左右角摆调整机构，所述垂直机构正向伸出信号及所述垂直机构反向缩回信号用于控制所述焊枪垂直调整机构，所述水平机构正向伸出信号及所述水平机构反向缩回信号用于控制所述焊枪水平调整机构，所述旋转机构控制信号用于控制焊枪旋转调整机构。

具体地，工控机根据求得的焊接坡口宽度B和坡口深度h，可控制焊枪的角摆的幅度，实现较好的焊缝填充和侧壁熔合效果；根据焊枪预设的高度H ₁，可对焊枪的高度进行调整，使焊枪末端（喷嘴）和母材之间保持适当的距离，保证电弧的稳定性，避免气孔、凹坑的产生；根据焊枪距坡口中心线的横向距离e，可调整焊枪的水平位置使其对中焊接坡口中心线，实现高精度的焊缝跟踪和焊缝定位，避免咬边等焊接缺陷的产生；根据焊枪运动方向与坡口走向之间的夹角γ，可在其它实施例中加装焊枪旋转的自由度（即焊枪旋转调整机构），使得焊枪运动方向与坡口走向保持一致，从而获得更高的焊缝成形质量。

进一步地，在本发明的一些具体实施例中，视觉传感单元采集到变形激光线图像后，工控机对图像进行处理并根据计算获得的焊接坡口的特征尺寸及焊枪相对于焊接坡口的位姿偏差信息，向管道焊接机器人的焊接控制器发送信号，对焊枪进行如图10中所示流程的位置和姿态伺服反馈控制，实现基于视觉传感的管道焊接机器人闭环伺服反馈控制。通过现场试验，焊枪运动轨迹对焊接坡口（焊缝）的跟踪误差基本在0.2mm以内，可以满足管道填充-盖面全位置焊接的焊缝跟踪、焊枪位置和姿态纠偏等要求。

本发明将基于透视投影原理的线结构光视觉传感技术应用于机器人自动化焊接工作中，基于透视投影原理的线结构光视觉传感技术属于主动视觉范畴，较之其它类型的视觉传感技术具有操作简便、检测精度高、相干性好及系统成本低等综合优势，将其应用于管道的填充-盖面外焊作业，可以实现焊接过程的焊枪位姿和运动轨迹的在线检测和实时自动调节，进而提高管道填充-盖面焊作业的智能化水平和焊缝成形质量，具有重要的技术意义和应用价值。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种油气长输管道焊接系统，其特征在于，所述系统包括：

管道焊接机器人；所述管道焊接机器人为轨道式焊接机器人；

视觉传感单元，用于向待焊接管道表面投射组合激光线，并实时采集焊接过程中的焊接坡口及焊接坡口邻域处的变形激光线图像；所述组合激光线包括至少两束相互平行的激光线；

反馈控制单元，分别与所述视觉传感单元及所述管道焊接机器人连接，用于基于所述变形激光线图像确定伺服反馈控制信号；所述管道焊接机器人用于根据所述伺服反馈控制信号实时调整焊枪的位姿和运动轨迹；

所述反馈控制单元包括：图像处理模块，与所述视觉传感单元连接，用于采用图像处理算法确定所述变形激光线图像中的特征点，并获取各所述特征点的像素坐标；特征反馈控制模块，分别与所述图像处理模块及所述管道焊接机器人连接，用于根据各所述特征点的像素坐标确定所述焊接坡口的特征尺寸及所述焊枪相对于所述焊接坡口的位姿偏差，并根据所述特征尺寸及所述位姿偏差确定伺服反馈控制信号；所述特征尺寸包括坡口宽度和坡口深度，所述位姿偏差包括焊枪距离焊接坡口上表面的纵向高度、焊枪距离焊接坡口中心线的横向距离以及焊枪运动方向与焊接坡口走向之间的夹角；所述伺服反馈控制信号包括角摆机构摆动信号、垂直机构正向伸出信号、垂直机构反向缩回信号、水平机构正向伸出信号、水平机构反向缩回信号及旋转机构控制信号；

所述采用图像处理算法确定所述变形激光线图像中的特征点，并获取各所述特征点的像素坐标，具体包括：对所述变形激光线图像进行预处理，包括高斯滤波、二值化分割和形态学闭运算，得到预处理后的变形激光线图像；对预处理后的变形激光线图像进行特征提取，包括Canny轮廓提取和Hough直线检测，得到变形激光线图像中的各特征线段；根据各所述特征线段的端点坐标值确定对应的极坐标参数，并分别对共直线的特征线段的极坐标参数取均值，得到对应的中心线的极坐标参数；根据各所述中心线的极坐标参数对各所述中心线进行排序，并根据排序后中心线的参数方程计算得到变形激光线图像中的各特征点的像素坐标；所述特征点为变形激光线上相交线段的交点；

所述根据各所述特征点的像素坐标确定所述焊接坡口的特征尺寸及所述焊枪相对于所述焊接坡口的位姿偏差，具体包括：

根据各所述特征点的像素坐标分别确定各所述特征点在图像坐标系下的图像坐标；

根据各所述特征点的图像坐标分别确定各所述特征点在相机坐标系下的三维点坐标；

根据各所述特征点的三维点坐标确定焊接坡口的特征尺寸及焊枪相对于焊接坡口的位姿偏差；

所述根据所述特征尺寸及所述位姿偏差确定伺服反馈控制信号，具体包括：

根据所述坡口宽度及所述坡口深度计算得到焊枪角摆幅度，并生成对应的角摆机构摆动信号；

判断焊枪距离焊接坡口上表面的纵向高度是否大于焊枪预设高度，得到第一判断结果；若所述第一判断结果为是，则生成垂直机构反向缩回信号，若所述第一判断结果为否，则生成垂直机构正向伸出信号；

判断焊枪距离焊接坡口中心线的横向距离是否大于0，得到第二判断结果；若所述第二判断结果为是，则生成水平机构反向缩回信号，若所述第二判断结果为否，则生成水平机构正向伸出信号；

判断焊枪运动方向与焊接坡口走向之间的夹角是否等于0，得到第三判断结果；若所述第三判断结果为否，则生成对应的旋转机构控制信号。

2.根据权利要求1所述的油气长输管道焊接系统，其特征在于，所述视觉传感单元包括：

工业相机，位于所述管道焊接机器人的焊枪的前进方向一侧，用于实时拍摄焊接过程中的焊接坡口及焊接坡口邻域处的变形激光线图像；所述工业相机的光轴与所述焊枪的中轴线平行；

激光器组件，位于所述工业相机的前进方向上，用于向待焊接管道表面投射组合激光线；所述组合激光线在焊接坡口及焊接坡口邻域处发生变形。

3.根据权利要求1所述的油气长输管道焊接系统，其特征在于，所述管道焊接机器人包括：

焊枪；

行走机构，与所述焊枪连接，用于带动所述焊枪在导向轨道上按设定方向前进；

调整机构，与所述焊枪连接，用于调整所述焊枪的位姿和运动轨迹；

焊接控制器，分别与所述反馈控制单元及所述调整机构连接，用于根据所述伺服反馈控制信号控制所述调整机构。

4.根据权利要求2所述的油气长输管道焊接系统，其特征在于，所述激光器组件包括：

第一激光发射器及第二激光发射器；所述第一激光发射器及所述第二激光发射器依次固定连接在所述工业相机的焊接前进方向上；所述第一激光发射器的轴线、所述第二激光发射器的轴线、所述焊枪的中轴线及所述工业相机的光轴共面。

5.一种油气长输管道焊接方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-4中任一项所述的系统，所述方法包括：

向待焊接管道表面投射组合激光线，所述组合激光线在焊接坡口及焊接坡口邻域处发生变形；

实时采集焊接过程中的焊接坡口及焊接坡口邻域处的变形激光线图像；

基于所述变形激光线图像确定伺服反馈控制信号，所述伺服反馈控制信号用于驱动管道焊接机器人实时调整焊枪的位姿和运动轨迹；

所述基于所述变形激光线图像确定伺服反馈控制信号，具体包括：采用图像处理算法确定所述变形激光线图像中的特征点，并获取各所述特征点的像素坐标；根据各所述特征点的像素坐标确定所述焊接坡口的特征尺寸及所述焊枪相对于所述焊接坡口的位姿偏差；根据所述特征尺寸及所述位姿偏差确定伺服反馈控制信号；所述特征尺寸包括坡口宽度和坡口深度，所述位姿偏差包括焊枪距离焊接坡口上表面的纵向高度、焊枪距离焊接坡口中心线的横向距离以及焊枪运动方向与焊接坡口走向之间的夹角；所述伺服反馈控制信号包括角摆机构摆动信号、垂直机构正向伸出信号、垂直机构反向缩回信号、水平机构正向伸出信号、水平机构反向缩回信号及旋转机构控制信号；

所述采用图像处理算法确定所述变形激光线图像中的特征点，并获取各所述特征点的像素坐标，具体包括：对所述变形激光线图像进行预处理，包括高斯滤波、二值化分割和形态学闭运算，得到预处理后的变形激光线图像；对预处理后的变形激光线图像进行特征提取，包括Canny轮廓提取和Hough直线检测，得到变形激光线图像中的各特征线段；根据各所述特征线段的端点坐标值确定对应的极坐标参数，并分别对共直线的特征线段的极坐标参数取均值，得到对应的中心线的极坐标参数；根据各所述中心线的极坐标参数对各所述中心线进行排序，并根据排序后中心线的参数方程计算得到变形激光线图像中的各特征点的像素坐标；所述特征点为变形激光线上相交线段的交点；

所述根据各所述特征点的像素坐标确定所述焊接坡口的特征尺寸及所述焊枪相对于所述焊接坡口的位姿偏差，具体包括：

根据各所述特征点的像素坐标分别确定各所述特征点在图像坐标系下的图像坐标；

根据各所述特征点的图像坐标分别确定各所述特征点在相机坐标系下的三维点坐标；

根据各所述特征点的三维点坐标确定焊接坡口的特征尺寸及焊枪相对于焊接坡口的位姿偏差；

所述根据所述特征尺寸及所述位姿偏差确定伺服反馈控制信号，具体包括：

根据所述坡口宽度及所述坡口深度计算得到焊枪角摆幅度，并生成对应的角摆机构摆动信号；

判断焊枪距离焊接坡口上表面的纵向高度是否大于焊枪预设高度，得到第一判断结果；若所述第一判断结果为是，则生成垂直机构反向缩回信号，若所述第一判断结果为否，则生成垂直机构正向伸出信号；

判断焊枪距离焊接坡口中心线的横向距离是否大于0，得到第二判断结果；若所述第二判断结果为是，则生成水平机构反向缩回信号，若所述第二判断结果为否，则生成水平机构正向伸出信号；

判断焊枪运动方向与焊接坡口走向之间的夹角是否等于0，得到第三判断结果；若所述第三判断结果为否，则生成对应的旋转机构控制信号。

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