[发明专利]基于Zynq的嵌入式焊缝轨迹视觉检测系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于Zynq的嵌入式焊缝轨迹视觉检测系统及方法，通过实时检测焊缝特征点信息，实现自适应的焊缝位置跟踪，为焊接机械手的焊接路径规划提供实时数据；系统基于Zynq开发平台，构建视觉传感器模块、视觉标定与焊缝特征提取模块、通信与存储模块和LCD触摸屏显示与控制模块，视觉传感器模块用于焊接时实时图像采集；视觉标定与焊缝特征提取模块用于视觉传感器模块标定及实时获取焊点空间坐标信息；通信与存储模块用于实时存储与传输数据；LCD触摸屏显示与控制模块用于各模块的有序控制与实时显示。本发明提供的嵌入式焊缝检测系统集成度高，功耗低，体积小，特征提取算法鲁棒性好，满足数字图像实时处理与传输的要求。

技术领域

本发明涉及基于结构光的三维重构、焊缝检测技术领域，具体涉及一种基于Zynq的嵌入式焊缝轨迹视觉检测系统及方法。

技术背景

焊接自动化与焊缝检测机器人广泛使用于工业生产、航天航空、机械制造、医疗工程等焊接应用场景中。焊缝轨迹检测技术主要有基于电弧的接触式检测方法和基于计算机视觉的非接触式检测方法，后者结合图像处理技术与视觉技术可以获得较高的检测精度。

基于主动光源的焊缝轨迹检测系统主要由视觉传感器、控制器和执行机构构成。视觉传感器模块包括图像传感器和激光器，控制器一般为PC机，执行机构则是由执行焊接作业的机械手臂与机械手控制柜构成。这种基于PC机+工业相机的传统视觉系统是由PC机来处理分析工业相机采集的数字图像，算法的实现较为灵活，速度尚可，但是体积受到了很大的影响，处理平台和便携性有限。因此本发明采用嵌入式处理器作为硬件核心，开发一套独立的、体积小、能耗低、性能稳定的嵌入式焊缝轨迹视觉检测系统。

目前图像处理领域的嵌入式系统多基于单一平台，如ARM处理器，具有丰富的开发资源和强大的管理能力，但是难以满足复杂图像处理算法下的实时性要求；FPGA并行处理的特点适合应用于图像处理场合，但对于这类复杂的特征提取算法难以满足较高的实时性要求。

发明内容

本发明的目的在于针对目前广泛以PC机+工业相机作为核心来实现数字图像采集、处理与特征实时提取的传统机器视觉系统具有的价格昂贵，体积大，处理平台和便携性有限的缺陷，提出一种基于Zynq的嵌入式焊缝轨迹视觉检测系统及方法，既满足实时性的要求，也具有嵌入式图像处理系统体积小、集成度高、能耗低的优点。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于Zynq的嵌入式焊缝轨迹视觉检测系统，基于Zynq嵌入式开发平台构建视觉传感器模块、视觉标定与焊缝特征提取模块、通信与存储模块以及LCD触摸屏显示与控制模块；

所述视觉传感器模块由COMS传感器和线激光器组成，用于采集焊缝激光特征图像；所述视觉标定与焊缝特征提取模块用于提取焊缝激光图像特征点，依据标定结果获取焊点空间坐标信息；所述通信与存储模块负责传输存储数字图像与数据；所述LCD触摸屏显示与控制模块通过设计的用户图像界面实时显示图像和控制各模块有序执行。

一种嵌入式焊缝轨迹视觉检测方法，包括：

步骤1、视觉传感器模块与机械手臂执行机构末端相连，对视觉传感器模块中的相机和线结构光光平面进行标定，获取相机的内参和畸变参数以及线结构光光平面参数，将标定结果存入存储模块；

步骤2、由PS部分接收视觉传感器采集的激光焊缝数字图像数据，焊缝特征提取模块对图像数据进行图像预处理与激光条纹中心线提取算法处理获取的像素数据即为焊缝特征点；

步骤3、利用步骤1中标定结果计算图像焊缝二维特征点对应的世界坐标信息，将坐标信息通过通信模块与机械手控制器和上位机进行数据传输；

步骤4、LCD触摸屏显示与控制模块将各项数据实时显示；

步骤5、机械手臂执行机构依据接收的焊点空间坐标信息改变运动轨迹，同时视觉传感器继续采集激光焊缝图像，继续从步骤2按顺序执行。