【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及圖像采集和處理，尤其涉及基于3d視覺路徑規劃的汽輪機葉片表面圖像采集方法和系統。
技術介紹
1、現有的汽輪機葉片表面圖像采集方法主要依賴于預定的路徑和固定的角度進行采集，這種方法存在諸多缺陷。首先，預定路徑和固定角度的采集方式效率低，無法靈活應對葉片復雜的幾何結構，導致部分區域無法有效覆蓋，圖像采集的全面性和準確性難以保證。其次，葉片表面的復雜結構和產品的多樣性進一步增加了圖像采集的難度和時間成本，尤其是在面對不同類型和形狀的葉片時，傳統方法難以適應快速變化的需求。這種方法不僅耗時耗力，還容易遺漏關鍵細節，影響后續的質量檢測和分析。
2、隨著3d視覺技術的發展，結合路徑規劃算法，為葉片表面圖像采集提供了全新的解決方案。通過實時構建葉片的3d模型和智能規劃采集路徑算法，可以動態調整采集設備的位置和角度，引導數據采集系統實現對葉片表面的全面、精確的圖像采集。這種方法不僅能夠顯著提升采集效率，減少不必要的重復和停頓，還能相對提高圖像質量。通過路徑規劃，可以根據葉片的不同特征進行自適應調整，提高系統的靈活性和適應性，滿足復雜表面結構的圖像采集需求。因此，為了更好的采集汽輪機葉片表面圖像，設計利用3d視覺結合智能規劃采集路徑的技術，以確保圖像每一個細節都被清晰捕捉采集，且能高效、全面和精確采集汽輪機葉片表面圖像。
技術實現思路
1、本專利技術的目的是提供一種基于3d視覺路徑規劃的汽輪機葉片表面圖像采集方法和系統，以解決現有技術中效率低、采集不全面、圖像質量不高等問題
2、本專利技術的技術方案如下：
3、基于3d視覺路徑規劃的汽輪機葉片表面圖像采集方法，包括以下步驟：
4、s1.將3d傳感器安裝于機械臂末端，進行手眼標定流程，實現傳感器相機坐標系與機械臂工作運行的世界坐標系的精準融合。
5、s2.3d模型構建，使用3d傳感器獲取汽輪機葉片表面的三維點云數據，該步驟包括數據預處理，如去噪和濾波以確保模型的精確性，構建高精度的3d表面模型為后續路徑規劃提供基礎；
6、s3.基于構建的3d葉片表面模型，本專利技術實現了一種網格聚類算法,將點云分割成若干塊，具體是，首先獲取待分割點云坐標的最小值和最大值，設定分割的每塊點云的寬度和高度，如寬度width和高度height。然后對每個點遍歷，根據其每個點與最小值點云坐標建立網格關系，計算出每個點所對應的寬度和高度關系，判斷該點與網格的所屬關系，如下公式：
7、寬度網格x＝(當前點x值-點云x最小值)/寬度width
8、寬度網格y＝(當前點y值-點云y最小值)/高度height
9、然后對點集進行網格聚類劃分，得到設定寬度和高度的目標點云區域集合；
10、s4.對上述s3的點云集合進行遍歷，對每塊點云求其質心和其法向量，通常物體質心坐標pc計算公式如下：
11、
12、其中，ri＝(xi,yi,zi),i＝1,2...n為各質點的坐標，mi為質點對應的質量。令上述公式mi＝1,即可得到點云質心坐標計算公式如下：
13、
14、s5.基于局部表面擬合的方式對步驟s4中的區域塊質點就進行法向量計算；
15、首先對點云的表面進行光滑濾波處理，為此任何點的局部鄰域都可以用平面進行很好的擬合，對于點云中的每個掃描點p，搜索到與其最鄰近的k個相鄰點，然后計算k個相鄰點最小二乘意義上的局部平面p，此平面可以表示為
16、
17、式中，為平面p的法向量，d為平面p到坐標原點的距離，pi為點云中的每個掃描點；由k個最近點擬合出的平面的法向量即當前掃描點的法向量；
18、平面p的法向量可以由主成分分析pca得到，由運算知p經過其k個相鄰點的質心p0，且法向量滿足先對式(4)中的協方差矩陣m進行特征值分解，求得m的各特征值，m的最小特征值所對應的特征向量即p的法向量。
19、s6.法向量定向，上述計算的法向量具有二義性，即只是得到了法向量所在的直線，而沒有確定以直線的那個方向為法向量的最終方向，接下來將進行對法向量進行定向處理。
20、假設點云足夠稠密且采樣平面處處光滑，那么相鄰兩點的法向量會接近于平行，令若此內積為負，則說明其中某個點的法向量需要被翻轉。因此，首先為點云中的某個點設定一個法向量朝向，然后遍歷其他所有的點，若當前點法向量設定為為下一個要遍歷的點，如果則將翻轉，否則保持不變。
21、s7.計算區域點云塊的表面曲率，對上式(4)中的協方差矩陣m進行特征值分解，求得m的各特征值，若特征值滿足λ0≤λ1≤λ2，則p點的表面曲率為：
22、
23、δ越小表明領域越平坦，δ越大則表明領域的起伏變化越大。通過表面曲率可判斷汽輪機葉片表面的彎曲度，即更加合理的進行劃區域分塊分割，達到葉片表面采集的數據清晰穩定可靠。
24、s8.依據上述內容，對分割后每個點云的質心沿法向量偏移到表面圖像采集系統的工作距離，結合3d傳感器與機器人手眼標定的結果，將采集點的集合轉換到機器人的坐標系下，便可引導機器人實現對葉片表面的全面、精確的圖像采集。
25、適用于上述方法的汽輪機葉片表面圖像采集系統，具體包括工業機器人、產品工裝平臺、表面數據采集單元和幾何光學單元，產品工裝平臺位于工業機器人的作業方向上，表面數據采集單元安裝于機器人作業末端，幾何光學單元安裝于表面數據采集單元的下方和前方，幾何光學單元的光源照射范圍覆蓋表面數據采集單元的采集范圍。
26、所述產品工裝平臺上設置有若干組用于同時夾持不同規格葉片的夾具，每兩組夾具之間有留有保證被夾持葉片均在表面數據采集單元采集范圍內的距離。
27、所述工業機器人的移動范圍覆蓋整個產品工裝平臺；所述工業機器人按照機器人末端關節坐標系與攝像機坐標系之間的位置變換關系確定移動路徑。
28、所述表面數據采集單元包括3d傳感器和2d工業相機，3d傳感器和2d工業相機均安裝于工業機器人末端，作業狀態的3d傳感器位于2d工業相機上端。
29、所述表面數據采集單元配置有沿2d工業相機拍攝方向安裝的相機光源連接件。
30、所述幾何光學單元至少包括環形光源和條形光源；所述環形光源和條形光源均通過相機光源連接件安裝于工業機器人末端，且均可以根據環境和要求調節亮度、色溫、照射方向和角度，環形光源安裝于2d工業相機前端，條形光源安裝于環形光源前端。作業狀態中，條形光源的高度位于3d傳感器和環形光源之間。
31、本專利技術的技術方案，具有以下有益效果：
32、(1)提高檢測精度。本專利技術通過3d視覺技術獲取葉片表面的高分辨率三維點云數據，智能規劃路徑引導高精度2d視覺系統采集表面圖像，可以捕捉到葉片表面的細微缺陷，如微小裂紋本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.基于3D視覺路徑規劃的汽輪機葉片表面圖像采集方法，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于3D視覺路徑規劃的汽輪機葉片表面圖像采集方法，其特征在于：機器人末端關節坐標系與攝像機坐標系之間的位置變換關系，具體用方程AX＝XB求解；其中A表示相鄰兩次運動時機器人末端關節的變換關系，B表示相鄰兩次運動時攝像機坐標的相對運動，X即是手眼關系。
3.適用于權利要求1或2所述方法的汽輪機葉片表面圖像采集系統，其特征在于：包括工業機器人、產品工裝平臺、表面數據采集單元和幾何光學單元，產品工裝平臺位于工業機器人的作業方向上，表面數據采集單元安裝于機器人作業末端，幾何光學單元安裝于表面數據采集單元的下方和前方，幾何光學單元的光源照射范圍覆蓋表面數據采集單元的采集范圍。
4.根據權利要求3所述的基于3D視覺路徑規劃的汽輪機葉片表面圖像采集系統，其特征在于：所述產品工裝平臺上設置有若干組用于同時夾持不同規格葉片的夾具，每兩組夾具之間有留有保證被夾持葉片均在表面數據采集單元采集范圍內的距離。
5.根據權利要求3所述的基于3D視覺路徑規劃的汽輪機葉片
6.根據權利要求3所述的基于3D視覺路徑規劃的汽輪機葉片表面圖像采集系統，其特征在于：所述表面數據采集單元包括3D傳感器和2D工業相機，3D傳感器和2D工業相機均安裝于工業機器人末端，作業狀態的3D傳感器位于2D工業相機上端。
7.根據權利要求6所述的基于3D視覺路徑規劃的汽輪機葉片表面圖像采集系統，其特征在于：所述表面數據采集單元配置有沿2D工業相機拍攝方向安裝的相機光源連接件。
8.根據權利要求7所述的基于3D視覺路徑規劃的汽輪機葉片表面圖像采集系統，其特征在于：所述幾何光學單元至少包括環形光源和條形光源；所述環形光源和條形光源均通過相機光源連接件安裝于工業機器人末端，環形光源安裝于2D工業相機前端，條形光源安裝于環形光源前端。
9.根據權利要求8所述的基于3D視覺路徑規劃的汽輪機葉片表面圖像采集系統，其特征在于：作業狀態中的汽輪機葉片表面圖像采集系統，所述條形光源的高度位于3D傳感器和環形光源之間。
10.根據權利要求6所述的基于3D視覺路徑規劃的汽輪機葉片表面圖像采集系統，其特征在于：所述環形光源的亮度、色溫、照射方向和角度根據環境和要求調節，所述條形光源的亮度、照射方向和角度根據環境和要求調節。
...【技術特征摘要】
1.基于3d視覺路徑規劃的汽輪機葉片表面圖像采集方法，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于3d視覺路徑規劃的汽輪機葉片表面圖像采集方法，其特征在于：機器人末端關節坐標系與攝像機坐標系之間的位置變換關系，具體用方程ax＝xb求解；其中a表示相鄰兩次運動時機器人末端關節的變換關系，b表示相鄰兩次運動時攝像機坐標的相對運動，x即是手眼關系。
3.適用于權利要求1或2所述方法的汽輪機葉片表面圖像采集系統，其特征在于：包括工業機器人、產品工裝平臺、表面數據采集單元和幾何光學單元，產品工裝平臺位于工業機器人的作業方向上，表面數據采集單元安裝于機器人作業末端，幾何光學單元安裝于表面數據采集單元的下方和前方，幾何光學單元的光源照射范圍覆蓋表面數據采集單元的采集范圍。
4.根據權利要求3所述的基于3d視覺路徑規劃的汽輪機葉片表面圖像采集系統，其特征在于：所述產品工裝平臺上設置有若干組用于同時夾持不同規格葉片的夾具，每兩組夾具之間有留有保證被夾持葉片均在表面數據采集單元采集范圍內的距離。
5.根據權利要求3所述的基于3d視覺路徑規劃的汽輪機葉片表面圖像采集系統，其特征在于：所述工業機器人的移動范圍覆蓋整個產品工裝平臺；所述工業機器人按照機器人末端關節坐標系與攝像機坐...
【專利技術屬性】
技術研發人員：卓磊，周東，凌樂，盛仲曦，楊霄，朱訓，劉子豪，
申請(專利權)人：東方電氣股份有限公司，
類型：發明
國別省市：
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