本發(fā)明涉及焊接領(lǐng)域，特別涉及一種爬行焊接機(jī)器人和焊縫間夾角估計(jì)方法。
背景技術(shù)：
在爬行焊接機(jī)器人系統(tǒng)中，需要保證爬行機(jī)器人前進(jìn)方向與焊縫保持基本平行。因此，需要對(duì)爬行焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，其中對(duì)爬行焊接機(jī)器人和焊縫間夾角的反饋和控制是爬行焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵。并且，爬行焊接機(jī)器人和焊縫間夾角還需要用于校正焊槍與焊縫之間的橫向距離。因此，獲得爬行焊接機(jī)器人和焊縫間夾角是非常重要的。然而，并沒有傳感器直接對(duì)爬行焊接機(jī)器人與焊縫間的夾角進(jìn)行直接測(cè)量。
目前，主流的方法是使用激光焊縫跟蹤傳感器獲取焊縫的坐標(biāo)，通過焊縫的坐標(biāo)對(duì)爬行焊接機(jī)器人進(jìn)行位置反饋。這種方法不能夠獲取爬行焊接機(jī)器人與焊縫間的夾角，僅僅能控制機(jī)器人在焊縫附近，并且由于激光焊縫跟蹤傳感器普遍精度較低，對(duì)控制精度也有一定的影響。另一種方法是控制機(jī)器人在一段時(shí)間內(nèi)走直線，使用這段時(shí)間內(nèi)的焊縫楞的坐標(biāo)計(jì)算出爬行焊接機(jī)器人與焊縫之間夾角，并進(jìn)行一次反饋。這種方法實(shí)時(shí)性較低，進(jìn)行一次反饋后無法得知調(diào)整后的前進(jìn)方向是否與焊縫方向基本平行。
現(xiàn)有專利為申請(qǐng)?zhí)枮镃N201610550556.7，申請(qǐng)日為2016.07.13，名稱為“一種基于視覺的在線焊縫跟蹤方法及系統(tǒng)”的發(fā)明專利，其技術(shù)方案為：本發(fā)明公開種基于視覺的在線焊縫跟蹤方法及系統(tǒng)，其針對(duì)焊縫跟蹤過程中高斯噪聲存在時(shí)變性以及傳統(tǒng)卡爾曼濾波算法無法處理焊縫跟蹤中的稀疏噪聲的問題，提出了在線卡爾曼濾波框架，用基于凸優(yōu)化的在線卡爾曼濾波器來對(duì)焊接軌跡的噪聲參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，并在焊縫跟蹤模型中對(duì)量測(cè)過程同時(shí)加入了高斯噪聲和稀疏噪聲項(xiàng)，通過建立合理的優(yōu)化模型，能夠在線對(duì)高斯噪聲和稀疏噪聲進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)，進(jìn)而提高了焊縫跟蹤的準(zhǔn)確性。上述專利只使用了激光焊縫跟蹤傳感器測(cè)量得到的焊縫坐標(biāo)信息。使用估計(jì)出的傳感器前進(jìn)速度進(jìn)行遞推，使用焊縫坐標(biāo)信息進(jìn)行反饋，濾波穩(wěn)定性及得到的濾波精度均較低。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明目的在于克服單一激光焊縫跟蹤傳感器無法實(shí)時(shí)獲取爬行焊接機(jī)器人與焊縫間夾角的問題，提供了一種同時(shí)使用激光焊縫跟蹤傳感器、陀螺儀及機(jī)器人本身測(cè)量的機(jī)器人速度、角位移信息，聯(lián)合得到夾角的最優(yōu)估計(jì)的方法。這種方法還能用于對(duì)激光焊縫跟蹤傳感器得到的焊縫楞的坐標(biāo)進(jìn)行濾波，提高焊縫楞的坐標(biāo)的精度。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
一種爬行焊接機(jī)器人和焊縫間夾角估計(jì)方法，其特征在于：包括如下步驟：
步驟一：獲取傳感器采集的信息；傳感器包括激光焊縫跟蹤傳感器和陀螺儀測(cè)量，信息具體包括激光焊縫跟蹤傳感器采集的焊縫楞的焊縫楞的坐標(biāo)，陀螺儀測(cè)量的機(jī)器人角速度信息；
獲得k時(shí)刻的焊縫楞的坐標(biāo)X1m(k)和X2m(k)，陀螺儀測(cè)量的機(jī)器人角速度ωm(k)。m代表這個(gè)值為測(cè)量值。
步驟二：獲取激光焊縫跟蹤傳感器的運(yùn)動(dòng)信息；
運(yùn)動(dòng)信息具體指速度和轉(zhuǎn)角。這兩個(gè)值由機(jī)器人系統(tǒng)給出。
獲得k時(shí)刻的機(jī)器人前進(jìn)速度VC(k)，碼盤計(jì)算出的機(jī)器人轉(zhuǎn)角Δθm(k)。
步驟三：根據(jù)焊縫楞的坐標(biāo)、機(jī)器人角速度以及前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)角，建立狀態(tài)方程，使用卡爾曼濾波器對(duì)爬行焊接機(jī)器人與焊縫間夾角進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，并得到焊縫楞的坐標(biāo)的濾波值；
具體方法如下：
A.建立狀態(tài)方程如下：
其中，T為采樣時(shí)間，k為時(shí)刻，VC為爬行焊接機(jī)器人前進(jìn)速度，θ為爬行焊接機(jī)器人與焊縫間夾角，ω為爬行焊接機(jī)器人旋轉(zhuǎn)角速度，X1和X2分別為焊縫第一、第二條楞的橫坐標(biāo)，δ為陀螺儀零偏，Δθm為通過碼盤計(jì)算的爬行機(jī)器人轉(zhuǎn)角，ωm為陀螺儀測(cè)量的角速度，X1m和X2m分別為激光焊縫跟蹤傳感器測(cè)量的焊縫第一、第二條楞的橫坐標(biāo)，W為系統(tǒng)誤差矩陣，V為測(cè)量誤差矩陣。
將上式簡記為：
X(k)＝Φ(k,k-1)X(k-1)+W
Z(k)＝HX(k)+V
其中，X為狀態(tài)值向量，Φ為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，Z為觀測(cè)值向量，H為觀測(cè)矩陣，其值分別為：
B.使用卡爾曼濾波器進(jìn)行濾波，遞推得到k時(shí)刻的狀態(tài)值向量的估計(jì)值
P(k|k-1)＝Φ(k,k-1)P(k-1|k-1)ΦT(k,k-1)+Q
K(k)＝P(k|k-1)HT(HP(k|k-1)HT+R)-1
P(k|k)＝(I-K(k)H)P(k|k-1)
其中，Q為系統(tǒng)誤差W的協(xié)方差矩陣，R為測(cè)量誤差V的協(xié)方差矩陣，為狀態(tài)值向量的估計(jì)值，P為狀態(tài)值向量的估計(jì)值的噪聲協(xié)方差矩陣，I為單位矩陣，K為增益矩陣。
C.得到k時(shí)刻的爬行焊接機(jī)器人與焊縫間夾角估計(jì)值和濾波后的焊縫楞的橫坐標(biāo)及
步驟四：重復(fù)上述步驟，不斷地得到新的結(jié)果，直到焊接過程結(jié)束。
建立的矩陣形式的狀態(tài)方程展開后，包括如下方程：
其中，n代表焊縫的第n條楞，且不包括噪聲項(xiàng)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
1、本申請(qǐng)?jiān)诩す夂缚p跟蹤傳感器的基礎(chǔ)上使用了陀螺儀測(cè)量的角速度和機(jī)器人系統(tǒng)給出的速度及轉(zhuǎn)角，建立了更復(fù)雜更合理的濾波模型。不僅使得坡口焊縫的楞坐標(biāo)的濾波結(jié)果更加精確，而且能夠估計(jì)出爬行焊接機(jī)器人與焊縫間夾角。通過多傳感器數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)爬行焊接機(jī)器人與焊縫間夾角的實(shí)時(shí)最優(yōu)估計(jì)。
2、本發(fā)明能夠?qū)す夂缚p跟蹤傳感器采集的焊縫楞的坐標(biāo)進(jìn)行濾波，提高精度；通過陀螺儀采集的角速度及機(jī)器人系統(tǒng)給出的運(yùn)動(dòng)信息——激光焊縫跟蹤傳感器的速度和轉(zhuǎn)角——與激光焊縫跟蹤傳感器采集的坡口焊縫楞坐標(biāo)結(jié)合，得到焊縫楞坐標(biāo)的濾波結(jié)果和爬行機(jī)器人與焊縫間夾角。
3、本發(fā)明方法簡單，計(jì)算準(zhǔn)確，易于實(shí)現(xiàn)。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的流程圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
一種爬行焊接機(jī)器人和焊縫間夾角估計(jì)方法，其特征在于：包括如下步驟：
步驟一：獲取傳感器采集的信息；傳感器包括激光焊縫跟蹤傳感器和陀螺儀測(cè)量，信息具體包括激光焊縫跟蹤傳感器采集的焊縫楞的焊縫楞的坐標(biāo)，陀螺儀測(cè)量的機(jī)器人角速度信息；
獲得k時(shí)刻的焊縫楞的坐標(biāo)X1m(k)和X2m(k)，陀螺儀測(cè)量的機(jī)器人角速度ωm(k)。m代表這個(gè)值為測(cè)量值。
步驟二：獲取激光焊縫跟蹤傳感器的運(yùn)動(dòng)信息；
運(yùn)動(dòng)信息具體指速度和轉(zhuǎn)角。這兩個(gè)值由機(jī)器人系統(tǒng)給出。
獲得k時(shí)刻的機(jī)器人前進(jìn)速度VC(k)，碼盤計(jì)算出的機(jī)器人轉(zhuǎn)角Δθm(k)。
步驟三：根據(jù)焊縫楞的坐標(biāo)、機(jī)器人角速度以及前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)角，建立狀態(tài)方程，使用卡爾曼濾波器對(duì)爬行焊接機(jī)器人與焊縫間夾角進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，并得到焊縫楞的坐標(biāo)的濾波值；
步驟四：重復(fù)上述步驟，不斷地得到新的結(jié)果，直到焊接過程結(jié)束。
本申請(qǐng)?jiān)诩す夂缚p跟蹤傳感器的基礎(chǔ)上使用了陀螺儀測(cè)量的角速度和機(jī)器人系統(tǒng)給出的速度及轉(zhuǎn)角，建立了更復(fù)雜更合理的濾波模型。不僅使得坡口焊縫的楞坐標(biāo)的濾波結(jié)果更加精確，而且能夠估計(jì)出爬行焊接機(jī)器人與焊縫間夾角。通過多傳感器數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)爬行焊接機(jī)器人與焊縫間夾角的實(shí)時(shí)最優(yōu)估計(jì)。
實(shí)施例2
一種爬行焊接機(jī)器人和焊縫間夾角估計(jì)方法，其特征在于：包括如下步驟：
步驟一：獲取傳感器采集的信息；傳感器包括激光焊縫跟蹤傳感器和陀螺儀測(cè)量，信息具體包括激光焊縫跟蹤傳感器采集的焊縫楞的焊縫楞的坐標(biāo)，陀螺儀測(cè)量的機(jī)器人角速度信息；
獲得k時(shí)刻的焊縫楞的坐標(biāo)X1m(k)和X2m(k)，陀螺儀測(cè)量的機(jī)器人角速度ωm(k)。m代表這個(gè)值為測(cè)量值。
步驟二：獲取激光焊縫跟蹤傳感器的運(yùn)動(dòng)信息；
運(yùn)動(dòng)信息具體指速度和轉(zhuǎn)角。這兩個(gè)值由機(jī)器人系統(tǒng)給出。
獲得k時(shí)刻的機(jī)器人前進(jìn)速度VC(k)，碼盤計(jì)算出的機(jī)器人轉(zhuǎn)角Δθm(k)。
步驟三：根據(jù)焊縫楞的坐標(biāo)、機(jī)器人角速度以及前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)角，建立狀態(tài)方程，使用卡爾曼濾波器對(duì)爬行焊接機(jī)器人與焊縫間夾角進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，并得到焊縫楞的坐標(biāo)的濾波值；
具體方法如下：
A.建立狀態(tài)方程如下：
其中，T為采樣時(shí)間，k為時(shí)刻，VC為爬行焊接機(jī)器人前進(jìn)速度，θ為爬行焊接機(jī)器人與焊縫間夾角，ω為爬行焊接機(jī)器人旋轉(zhuǎn)角速度，X1和X2分別為焊縫第一、第二條楞的橫坐標(biāo)，δ為陀螺儀零偏，Δθm為通過碼盤計(jì)算的爬行機(jī)器人轉(zhuǎn)角，ωm為陀螺儀測(cè)量的角速度，X1m和X2m分別為激光焊縫跟蹤傳感器測(cè)量的焊縫第一、第二條楞的橫坐標(biāo)，W為系統(tǒng)誤差矩陣，V為測(cè)量誤差矩陣。
將上式簡記為：
X(k)＝Φ(k,k-1)X(k-1)+W
Z(k)＝HX(k)+V
其中，X為狀態(tài)值向量，Φ為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，Z為觀測(cè)值向量，H為觀測(cè)矩陣，其值分別為：
B.使用卡爾曼濾波器進(jìn)行濾波，遞推得到k時(shí)刻的狀態(tài)值向量的估計(jì)值
P(k|k-1)＝Φ(k,k-1)P(k-1|k-1)ΦT(k,k-1)+Q
K(k)＝P(k|k-1)HT(HP(k|k-1)HT+R)-1
P(k|k)＝(I-K(k)H)P(k|k-1)
其中，Q為系統(tǒng)誤差W的協(xié)方差矩陣，R為測(cè)量誤差V的協(xié)方差矩陣，為狀態(tài)值向量的估計(jì)值，P為狀態(tài)值向量的估計(jì)值的噪聲協(xié)方差矩陣，I為單位矩陣，K為增益矩陣。
C.得到k時(shí)刻的爬行焊接機(jī)器人與焊縫間夾角估計(jì)值和濾波后的焊縫楞的橫坐標(biāo)及
步驟四：重復(fù)上述步驟，不斷地得到新的結(jié)果，直到焊接過程結(jié)束。
建立的矩陣形式的狀態(tài)方程展開后，包括如下方程：
其中，n代表焊縫的第n條楞，且不包括噪聲項(xiàng)。
本申請(qǐng)?jiān)诩す夂缚p跟蹤傳感器的基礎(chǔ)上使用了陀螺儀測(cè)量的角速度和機(jī)器人系統(tǒng)給出的速度及轉(zhuǎn)角，建立了更復(fù)雜更合理的濾波模型。不僅使得坡口焊縫的楞坐標(biāo)的濾波結(jié)果更加精確，而且能夠估計(jì)出爬行焊接機(jī)器人與焊縫間夾角。通過多傳感器數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)爬行焊接機(jī)器人與焊縫間夾角的實(shí)時(shí)最優(yōu)估計(jì)。
本發(fā)明能夠?qū)す夂缚p跟蹤傳感器采集的焊縫楞的坐標(biāo)進(jìn)行濾波，提高精度；通過陀螺儀采集的角速度及機(jī)器人系統(tǒng)給出的運(yùn)動(dòng)信息——激光焊縫跟蹤傳感器的速度和轉(zhuǎn)角——與激光焊縫跟蹤傳感器采集的坡口焊縫楞坐標(biāo)結(jié)合，得到焊縫楞坐標(biāo)的濾波結(jié)果和爬行機(jī)器人與焊縫間夾角。本發(fā)明方法簡單，計(jì)算準(zhǔn)確，易于實(shí)現(xiàn)。
實(shí)施例3
本發(fā)明硬件部分包括如下基本單元：激光焊縫跟蹤傳感器、陀螺儀、給出激光焊縫跟蹤傳感器速度和轉(zhuǎn)角的機(jī)器人系統(tǒng)。其中，安裝時(shí)，陀螺儀的敏感軸垂直于焊縫平面。
下面按照步驟詳細(xì)說明實(shí)施方式。
步驟一：獲取傳感器采集的信息。包括激光焊縫跟蹤傳感器采集的焊縫楞的坐標(biāo)，陀螺儀測(cè)量的機(jī)器人角速度：
獲得k時(shí)刻的焊縫楞的坐標(biāo)X1m(k)和X2m(k)，陀螺儀測(cè)量的機(jī)器人角速度ωm(k)。
步驟二：獲取激光焊縫跟蹤傳感器的運(yùn)動(dòng)信息：
獲得k時(shí)刻的機(jī)器人前進(jìn)速度VC(k)，碼盤計(jì)算出的機(jī)器人轉(zhuǎn)角Δθm(k)。
步驟三：根據(jù)焊縫楞的坐標(biāo)、機(jī)器人角速度以及前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)角，建立狀態(tài)方程，使用卡爾曼濾波器對(duì)爬行焊接機(jī)器人與焊縫間夾角進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，并得到焊縫楞的坐標(biāo)的濾波值：
建立狀態(tài)方程如下：
將上式簡記為：
X(k)＝Φ(k,k-1)X(k-1)+W
Z(k)＝HX(k)+V
其中，X為狀態(tài)值向量，Φ為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，Z為觀測(cè)值向量，H為觀測(cè)矩陣，其值分別為：
使用卡爾曼濾波器進(jìn)行濾波，遞推得到k時(shí)刻的狀態(tài)值向量的估計(jì)值
P(k|k-1)＝Φ(k,k-1)P(k-1|k-1)ΦT(k,k-1)+Q
K(k)＝P(k|k-1)HT(HP(k|k-1)HT+R)-1
P(k|k)＝(I-K(k)H)P(k|k-1)
其中，Q為系統(tǒng)誤差W的協(xié)方差矩陣，R為測(cè)量誤差V的協(xié)方差矩陣，為狀態(tài)值向量的估計(jì)值，P為狀態(tài)值向量的估計(jì)值的噪聲協(xié)方差矩陣，I為單位矩陣，K為增益矩陣。
得到k時(shí)刻的爬行焊接機(jī)器人與焊縫間夾角估計(jì)值和濾波后的焊縫楞的橫坐標(biāo)及
步驟四：重復(fù)上述步驟，不斷地得到新的結(jié)果，直到焊接過程結(jié)束。