焊缝起始点的导引是机器人智能化焊接必不可少的技术之一[1-3]。传统的应用机器人视觉进行焊接初始位置导引方法主要为立体视觉方法和模板匹配方法。立体视觉方法主要是利用双目视觉原理，获取焊缝的三维信息，对图像进行立体匹配使提取的焊缝边缘细化到单像素，并求取对应点 [4-6]，但由于算法复杂以及立体匹配等环节中的立体视觉标定加大了定位误差，运算速度慢且定位结果误差大，同时实际焊接环境较为复杂，被动光图像处理过程易受工件表面灰度分布不均匀、边缘反光、工作台及夹具等工作环境影响，使得通过边缘提取求取特征点的方法难以实现；模板匹配方法为了提升匹配的成功率需要选择强反射平面曲线的工件[7-9],增加了算法应用的局限性。
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针对以上缺点，文中提出了一种基于特定平面的单目视觉焊缝起始点导引方法，首先对放置待焊工件的试验台进行平面标定：采用“单目双位”的方法采集特定平面上特征点的三维信息并通过随机一致性算法进行平面拟合，计算出特定平面在摄像机坐标系下的激光平面方程。然后将待焊工件放置于该平面上，采用点激光为主动光源照射到该平面，在摄像机姿态不变的情况下将摄像机导引至焊缝起始点，进而计算该点三维信息指导焊枪到达焊接位置。
系统采用“单目双位”的方式对空间中的点进行三维测量，测量原理如图1所示，图中Cw为世界坐标系，Ci，Cj为用以对相机坐标系进行控制的工具坐标系，Cc1，Cc2为工具处于i，j位置时的相机坐标系，控制相机从两个位置对固定点P进行图像采集，根据相机小孔成像原理，点P在两个方位的摄像机成像平面上成的像点分别为P1，P2，则空间中的点P应处于Pi，Pj与其相应的摄像机光轴中心O1，O2的连线上。因此，如果想求得点P在世界坐标系Cw中的坐标，只需求得空间直线O1P1与O2 P2的交点坐标即可。而在实际情况下，测得的两幅图像中点P的对应点往往存在误差，所求的直线通常为空间异面直线的关系，为了减小误差，可取两异面直线共垂线中点作为P点。
图1 “单目双位”方法的工作原理
平面方程的求解可以通过对该平面上的点进行平面拟合获得，如图2所示。相机从不同位置采集平面上的特征图像，通过求解经过特征点与相机坐标中心的直线的交点即可求得特征点的三维坐标，进而通过平面拟合的形式求解平面方程。求解过程中，相机的位姿需要进行可控性操作，一般通过机械手的运动来确认相机的位置参数，另外可以通过在平面上建立特征点较多的复杂图形来增加标定结果的精度。
图2 平面标定示意图
试验采用平面度较高的玻璃平板作为检测平面，为了增加平面特征，在平面上做工字型标记，如图3a所示，首先对图像进行二值化处理获取工字形标记的区域特征，结果如图3b所示，对二值化后的图像进行基于Forstner方法的角点信息检测[10]。Forstner算子是通过计算像素(c,r)为中心的窗口的灰度协方差矩阵以及每一个像素Robert’s的梯度，在影像中寻找尽可能小并且接近于圆的误差椭圆点为特征点。该方法主要是对兴趣值q与w的确定：
(1)
(2)
式中,Det(N)为协方差矩阵N的行列式；tr(N)为协方差矩阵N的迹；Q为协方差矩阵N的逆矩阵；w为该像元的权；q是像素(c,r)对应的误差椭圆的圆度：
(3)
其中，a和b为椭圆的长短半轴(若a，b中任一为0,则q=0)。这表明该点可能是位于边缘上面，若a = b，则q=1，表明为一个圆。将q和w与已知阈值Tq和Tw作对比，若q，w大于给定阈值，那么该点为代选点。检测结果如图3c所示，图像中角点像素坐标信息见表1。
图3 玻璃平板图像处理
表1 角点像素坐标1
序号xy178.278 3366.8982128.040241.2253121.600381.4044140.433332.3855156.053291.7626171.176253.3617338.219483.068359.445412.3829371.729370.53410394.115300.47811382.345492.13112436.553316.078
分别从两个方位对平面进行图像采集，对不同图像中平板上的工字形标记的角点信息进行采集，求出其像素坐标；为了保证不同图像中相同的角点进行匹配，采用基于Forstner角点检测的图像匹配[11]方法对两幅图像进行图像匹配，匹配结果如图4所示。
图4 平面图像匹配
可以求出第一幅图中的角点在第二幅图中对应的像素坐标信息见表2。
光伏发电的不确定性可能严重影响电力系统的性能，但是利用配电网调度可以补偿光伏发电的变化，限制了光伏发电的影响，提高了电力系统的可靠性。本文在考虑配电网调度的PPF算法的基础上，提出了考虑光伏经济成本和不确定性影响的调度策略。
表2 角点像素坐标2
序号xy134.647 9356.501250.407 0216.261380.851 7360.564487.421 2308.842592.938 8261.335697.221 6218.3837312.823411.7588320.461338.4039325.710291.21910334.226219.32911359.170409.97512380.704221.332
同时机器人处于不同位置时的位姿参数为
(4)
(5)
在得知特征点的图像坐标、系统标定参数以及机器人处于不同位置时的末端位姿参数后，利用上述的方法将其转换为机器人基坐标系下的坐标。
文中采用随机一致性算法进行平面拟合，过程如下：
(1)在数据集中随机选择三个点求出其所在平面方程；计算数据集中的点(xi，yi，zi)到该平面的距离t。
t=|axi+byi+czi+d|
(6)
(2)根据经验设定阈值e，若t<e，则可认为该点属于平面内点，并统计出数据集中内点的个数。
(3)对所拟合的平面的内点数进行比较，选择内点数较多的点的平面方程作为平面方程。
平面在机器人基坐标系下的方程确定后，目标点在平面上的运动即可通过单幅图像进行确定，通过求取通过该点与相机坐标系原点的直线在机器人基坐标系下的方程与平面方程的交点求得。已知直线方程和平面的方程为
(7)
Ax+By+Cz+D=0
(8)
平面与直线的交点坐标为：
(9)
式中，
图5为机器人在特定平面上的目标点的导引过程示意图，图中M，N为目标点在特定平面上不同时间的不同位置，其坐标分别为(x1, y1, z1)，(x2, y2, z2)；从M点移动到N的坐标增量为Δx1，Δy1，Δz1；O1(X1，Y1，Z1)，O2(X2，Y2，Z2)分别为导引过程中目标点处于M，N位置时的工具坐标系；坐标增量为Δx2，Δy2，Δz2；导引过程中工具坐标系与目标点始终保持固定距离d，由图可知：
国学大师饶宗颐说：“汉字是中华民族的肌理骨干，可以说是整个汉文化构成的因子”。某种程度上，如果“具”字少一横，那么文化因子就丢掉一点。网络讨论已经过去，但汉字的使用危机仍未解除。期盼相关部门出台一些系统性的保护措施，每个人也能有意识地从鼠标键盘中“透个气”，在那些竖折弯钩中，激活中华文化的生命力。
从理性的视角分析，日本之所以脱亚入欧，就在于最终选择了欧洲的进步主义历史观，坚持以“西洋文明为标准”，并将其视为“世界通论”。[8]P9实际上，进步主义为世界构建了一个崭新的“时空结构”，而且该时空并非抽象的，而是通过强大的理性分析来加固、维持、创新和持续的。从科学的视角分析，可以用一个典型的知识案例予以说明。西方经济学通过科学主义学术范式，构建起一个与西方“现代文明”紧密关联、彼此匹配的学科体系，这是从科学的视角证明人类进步观念的确立。西方文明发展演进逻辑本身是一个有机体系，它依赖于资本主义的强大物质力量，同时又继承了其传统的“神学成分”和“优秀传统”，从而使人越来越从属于物质。
图5 特定平面目标点导引过程
(10)
(11)
(12)
(13)
进一步可知：
+
(14)
在导引过程中，通常保持工具坐标系的表示姿态的四元数参数保持不变，工具坐标系的增量后即可通过调整机器人位姿进行目标点的导引跟踪。
洗井结束后，开始测定初始静止水位，从地面算起，初始静止水位为-98.51 m。根据地质技术设计要求和规范规定，该井进行了大、中、小落程抽水试验，并在大落程结束后进行恢复水位观测。抽放水试段1594.75～3167.11 m，含水层厚度196.00 m，恢复水位-98.55 m。抽水试验成果见表1。
(15)
试验以ABB IRB1410机器人为平台，采用像素为656×492的相机进行图像采集，试验系统如图6所示，试验过程中首先需要对相机以及机器人手眼关系进行标定[12]。
使用工装撑紧齿圈2的内圈，使得齿圈2的倒角端面6朝上放置于淬火感应圈1中，齿圈2与淬火感应圈1同心设置，淬火感应圈1的长直角边5朝上设置，位于淬火感应圈1的短直角边8一侧设有矩形截面结构的喷水圈3，喷水圈3通过紧固件与淬火感应圈1连接在一起，用于喷水冷却，淬火冷却介质浓度为3%～5%，其浓度太小淬火件易出现裂纹现象，浓度太大淬火件的硬度不够。
试验过程中采用激光点作为目标点对V形焊缝进行导引，图6所示是导引过程中的三个位置的状态，经计算三个位置的激光点的三维坐标分别为(1.064 8，0.757 3，0.186 0)，(1.128 9，0.782 9，0.186 1) (1.167 9，0.812 5，0.185 9)；两两之间的坐标增量为(0.060 1，0.025 6,0.000 1)，(0.041 0，0.029 6，-0.000 2)；导引过程中保持机器人末端的姿态信息不变，位置信息随着目标点的变化而变化。
图6 试验系统图
跟踪过程中三个位置所对应的机器人末端的位姿为(1.107 0，0.777 9，0.994 9，0.173 20，-0.314 78，0.932 55，0.035 67)，(1.116 71，0.803 5，0.995 0，0.173 20，-0.314 78，0.932 55，0.035 67)，(1.208 1，0.833 1，0.994 8，0.173 20，-0.314 78，0.932 55，0.035 67)；可见导引过程中激光点始终位于图像中的固定位置不变。
2.1 穿刺成功率 穿刺活检病理未见肺组织为穿刺不成功，若穿刺病理见肺组织或仅见坏死组织、肉芽肿病变均判断穿刺成功。本研究中30例均为一次性成功取材，穿刺活检取材成功率100%。
结合激光平面方程易求得图7c中激光点位置在基坐标系下的三维坐标，控制机器人所示运动使焊枪到达该目标点。
文中提取图7中的3个上激光点位置计算其在机器人基坐标系下的三维坐标，与实际示教的点进行对比结果见表3。
图7 初始焊位摄像机导引阶段
表3 定位误差
编号x方向误差/mmy方向误差/mmz方向误差/mm10.835 21.108 60.648 521.374 61.254 60.865 730.762 91.046 50.817 3
文中通过将导引范围限制在实施焊接的工作平面内，实现了单目视觉的目标点三维信息提取。特定平面标定过程通过Halcon 12.0实现，在保证机器人与该平面位置不变的情况下只需进行一次标定。导引精度在0.5～1.6 mm范围之内，可以满足焊接需要。
参考文献
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