王健博，陳雨，白煥旭，張?zhí)以矗员?/p>

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076)

0 引言

運(yùn)載火箭在運(yùn)達(dá)發(fā)射陣地后處于加注狀態(tài)時(shí)，在風(fēng)擺的影響下會做小幅無規(guī)律晃動，文獻(xiàn)[1-2]分析了箭體的運(yùn)動對連接器造成的影響，箭體帶動連接器作無規(guī)則的微小擺動。加注流程開始后，隨著火箭燃料加注量增加，箭體高度會隨之緩慢下沉。由于箭體風(fēng)擺和下沉?xí)影惭b于勤務(wù)塔擺桿上的連接器同時(shí)運(yùn)動，且連接器同箭體上加注口閥門固聯(lián)，會給箭體帶來較大的內(nèi)應(yīng)力，影響連接的可靠性和密閉性，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致連接器脫開、燃料泄露。因此有必要研究一種自動對接裝置，在火箭箭地連接器第1次連接上后，可以根據(jù)火箭箭體運(yùn)動隨動，在連接器意外脫開后，可以自動對接連接器接口與閥門。

1 自動對接測量技術(shù)方案

目前世界上主要有2種不同研究方向：以俄羅斯為代表的“架棲”和以美國為代表的“箭棲”。文獻(xiàn)[3]中提到俄羅斯的技術(shù)以觸覺檢測作為偏差測量主要手段，雖然結(jié)構(gòu)簡單可靠、并具有二次對接功能，但是其核心屬于剛性裝配。不可避免地存在裝配要求高、裝備體積大等缺點(diǎn)。美國國家航空航天局(NASA)在文獻(xiàn)[4-6]中提到研制了一種可用于運(yùn)載火箭的遠(yuǎn)程智能臍帶對接系統(tǒng)。如圖1所示，該自動對接系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)任意時(shí)刻箭體連接、分離以及再對接。在臍帶對接的過程中，由安裝于對接系統(tǒng)的傳感器檢測箭體運(yùn)動前后位移偏差，自動對接系統(tǒng)控制終端接收來自于傳感器的空間位置信息。并對其進(jìn)行解算，求出位移偏差量，驅(qū)動運(yùn)動終端實(shí)現(xiàn)連接器在x，y，z3個(gè)方向上的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)連接器與箭上閥門的隨動，實(shí)現(xiàn)連接器和箭體準(zhǔn)確對接。

在文獻(xiàn)[7-9]中提到上海交通大學(xué)研發(fā)出一種能夠?qū)崿F(xiàn)自動對接與脫離的工程樣機(jī)，其研制出的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖2所示，該系統(tǒng)通過火箭箭體加注口閥門周圍的4個(gè)螺釘孔實(shí)現(xiàn)對接機(jī)構(gòu)與箭體活門的相對連接固定，對樣機(jī)的操控方式有2種：分別為近控及遠(yuǎn)控，可實(shí)現(xiàn)所需的對接與撤收動作，采用可變剛度柔順設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了柔順對接及應(yīng)對大泄漏等意外情況的快速再對接，解決了推進(jìn)劑加注過程中最危險(xiǎn)環(huán)節(jié)的自動化操作問題。

參考文獻(xiàn)[10-11]提出的激光及視覺測量位姿系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)了一種自動對接偏差測量系統(tǒng)，連接器與火箭箭體閥門對接后，能夠通過光學(xué)攝像機(jī)實(shí)時(shí)檢測特定標(biāo)志(人工靶標(biāo))的位置，同時(shí)采用激光測距傳感器測量連接器與火箭簡體的距離，從而得到閥門在三維空間中的位置。控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作以調(diào)整連接器的位置，使得連接器和箭體上的對接口實(shí)現(xiàn)精確對接。完成對接并鎖緊后，實(shí)現(xiàn)連接器隨箭體一起擺動。采用隨動技術(shù)可以大大減小連接器及其管路對箭體接口的作用力，對箭體結(jié)構(gòu)有利，并且可以隨時(shí)直接和火箭箭體進(jìn)行對接或分離，大大縮短對接和脫落的時(shí)間，有助于實(shí)現(xiàn)火箭的快速發(fā)射，提高了安全可靠性。

根據(jù)連接器自動對接技術(shù)及二次對接技術(shù)中對偏差測量的任務(wù)需求，提出了基于動態(tài)方位檢測對準(zhǔn)技術(shù)的偏差測量系統(tǒng)(以下簡稱測量系統(tǒng))，本方案如圖3所示，采用光學(xué)攝像機(jī)獲取特定目標(biāo)的視頻圖像，快速提取視頻圖像中的隨機(jī)運(yùn)動目標(biāo)，輔以激光測距傳感器精確識別隨機(jī)運(yùn)行目標(biāo)的位姿信息，并輸出至伺服機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置和姿態(tài)的精確控制。

后文描述中所提及的方向以連接器為定義對象，沿連接器長度方向?yàn)樯炜s方向(z軸)，水平面內(nèi)軸向法線方向?yàn)闄M移方向(x軸)，第3坐標(biāo)軸方向?yàn)楦〕练较?y軸)，繞垂直軸方向?yàn)闄M擺(或方位角α)，繞橫向軸為俯仰(俯仰角β)，繞前后軸(軸向)為滾轉(zhuǎn)(橫滾角γ)，如圖4所示。

2 系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)工作過程

首先在目標(biāo)上的某個(gè)固定區(qū)域附加人工標(biāo)靶[12]，通過識別與跟蹤人工標(biāo)靶就可以完成對目標(biāo)位姿的精確識別。以人工標(biāo)靶為參照對象的目標(biāo)位姿識別系統(tǒng)的功能框圖如圖5所示。

圖5中，圖像采集處理主機(jī)實(shí)時(shí)采集由攝像機(jī)輸入的標(biāo)靶視頻圖像；標(biāo)靶檢測模塊通過模式匹配從標(biāo)靶視頻圖像中快速確定標(biāo)靶所在范圍；靶元檢測模塊針對標(biāo)靶所在范圍通過圖像分割與目標(biāo)跟蹤確定靶元所在位置；靶心估計(jì)模塊根據(jù)靶元所在位置通過光束平差估計(jì)靶心位置；向元檢測模塊針對標(biāo)靶所在范圍通過圖像分割與目標(biāo)跟蹤確定向元位置；靶向估計(jì)模塊在垂直于攝像機(jī)視線方向的像平面內(nèi)根據(jù)向元位置估計(jì)標(biāo)靶主方向，輸出旋轉(zhuǎn)角；距離采集模塊實(shí)時(shí)采集安裝在機(jī)構(gòu)上的3個(gè)激光測距傳感器的測距數(shù)據(jù)；傾角估計(jì)模塊沿著攝像機(jī)視線方向通過分析激光測距傳感器的偏差估計(jì)攝像機(jī)相對于標(biāo)靶的傾斜程度，輸出高低角與方位角；位姿估計(jì)模塊根據(jù)估計(jì)所得的標(biāo)靶位姿數(shù)據(jù)結(jié)合標(biāo)靶與目標(biāo)的相對位置信息估計(jì)目標(biāo)的位姿數(shù)據(jù)。

2.2 成像系統(tǒng)

目標(biāo)的位姿識別依賴于能否精確提取標(biāo)靶圖像中的靶元與向元，必須保證攝像機(jī)在整個(gè)工作行程范圍內(nèi)都要能對靶元與向元清晰成像，因此，選擇合適的攝像機(jī)與光學(xué)鏡頭是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的前提。根據(jù)目標(biāo)隨機(jī)運(yùn)動的頻率范圍(0.1～2 Hz)，本系統(tǒng)選用模擬攝像機(jī)，成像傳感器為SONY Super HAD CCD II，CCD 成像靶面尺寸為1/3″，像元尺寸為水平方向Sx=5 μm，垂直方向Sy=5 μm，分辨率(即像元個(gè)數(shù))為水平方向Nx=5 μm，垂直方向

Ny=576，輸出視頻幀率為25 幀/s，輸出視頻格式為PAL制。鏡頭焦距的選取視攝像機(jī)工作行程范圍而定，技術(shù)指標(biāo)要求目標(biāo)與攝像機(jī)之間的距離為0.05～1 m，且相距1 m時(shí)目標(biāo)隨機(jī)運(yùn)動幅度為0.5 m。獲得清晰物像，目標(biāo)與攝像機(jī)之間的距離必須大于鏡頭的最短成像距離，該參數(shù)是鏡頭的固有參數(shù)，由生產(chǎn)工藝確定，可由鏡頭參數(shù)表查得。若設(shè)鏡頭的最短成像距離為0.2 m，則得攝像機(jī)工作行程范圍為0.2～1.2 m。

在攝像機(jī)工作行程最遠(yuǎn)端D=1.2 m，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求可知圖像覆蓋的物理空間范圍至少滿足300 mm×200 mm，此時(shí)目標(biāo)圖像才不會溢出視場，因此可取空間范圍邊長為L=1 m。極限情況下，此空間范圍將完全覆蓋圖像平面，由成像傳感器的參數(shù)可知圖像平面的尺寸，水平方向lx=NxS=768×5 μm=3.84 mm，垂直方向ly=NyS=576×5 μm=2.88 mm。在同一焦距下，水平方向會比垂直方向覆蓋更大的空間范圍，因此僅考慮垂直方向。令空間范圍邊長對應(yīng)的圖像長度為l=2.88 mm，根據(jù)薄透鏡成像的幾何光學(xué)原理計(jì)算鏡頭焦距f。

實(shí)際上無法任意選取鏡頭參數(shù)，必須根據(jù)實(shí)際可選配參數(shù)選擇鏡頭，經(jīng)過比對，選取參數(shù)最接近的鏡頭。實(shí)際應(yīng)用中，可選擇變焦鏡頭或定焦鏡頭，變焦鏡頭使用靈活，適應(yīng)性強(qiáng)但不便于調(diào)校，因此本文選取定焦鏡頭。經(jīng)過比對，選取鏡頭焦距f=5 mm，最短成像距離為0.2 m?？梢则?yàn)證，相距鏡頭1.2 m處，圖像可覆蓋的空間范圍垂直方向?yàn)?.09 m，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

2.3 靶標(biāo)設(shè)計(jì)

基于機(jī)器視覺的測量技術(shù)中，圖像處理技術(shù)是其中的關(guān)鍵，為滿足處理的實(shí)時(shí)性，處理方式一般分成形狀檢測和模式匹配2種。形狀檢測主要根據(jù)待測物的幾何特征進(jìn)行檢測，包括圓檢測、線檢測等；模式匹配則首先根據(jù)待測物的區(qū)別于周邊環(huán)境的差異性對其進(jìn)行提取，然后對待測物進(jìn)行檢測，得到相對的偏差量。人工標(biāo)靶的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵要素[13]。針對研究目標(biāo)和技術(shù)要求，以易于檢測與跟蹤為原則設(shè)計(jì)人工標(biāo)靶[14-15]，如圖6所示為本方案設(shè)計(jì)的人工標(biāo)靶。為提高視頻圖像中標(biāo)靶上靶元與背景的對比度，以大反差的單一灰度背景與簡單形狀目標(biāo)為要素設(shè)計(jì)標(biāo)靶，考慮到攝像機(jī)的相平面與標(biāo)靶間可能存在相對旋轉(zhuǎn)，為便于提取與跟蹤目標(biāo)，采用具有旋轉(zhuǎn)不變性的實(shí)心圓作為靶元，采用圓心共線的多個(gè)實(shí)心圓組合作為向元。在實(shí)際工作過程中，首先檢測8個(gè)靶元整體所在位置，在此過程中，如果有遮擋發(fā)生，由于靶元作為一個(gè)整體，其幾何關(guān)系事先已知，因此可以通過靶元共圓心對標(biāo)靶的整體偏差值進(jìn)行求解，由于三點(diǎn)即可求出圓心，因此系統(tǒng)抗遮擋性較強(qiáng)。求出圓心之后，根據(jù)幾何關(guān)系及向元檢測結(jié)果，可以得到標(biāo)靶相對于相機(jī)的方位俯仰偏差，結(jié)合小孔成像原理，可求出連接器相對于相機(jī)在橫移和浮沉方向上的偏差。

2.4 靶心位置識別

要識別目標(biāo)的位姿，首先得準(zhǔn)確檢測標(biāo)靶，準(zhǔn)確提取標(biāo)靶中的靶元與向元，然后再通過穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)估計(jì)關(guān)鍵參數(shù)。如圖7所示為標(biāo)靶圖像分析結(jié)果。

圖7中，a)為原始標(biāo)靶圖像，圖像尺寸為水平方向720 像元，垂直方向576像元；b)為二值圖像，是對原始標(biāo)靶圖像作閾值化處理得到的圖像分割結(jié)果，由于標(biāo)靶采用了高對比度設(shè)計(jì)，因此在較寬的范圍內(nèi)選擇閾值對標(biāo)靶圖像作閾值化處理，都能獲得比較清晰的二值圖像，也就是說，二值圖像中實(shí)心圓區(qū)域清晰可辨、背景干擾相對較少；c)為標(biāo)靶檢測結(jié)果，圖中方框標(biāo)示檢測到的實(shí)心圓，多個(gè)圓心共圓的實(shí)心圓確定標(biāo)靶區(qū)域，通過模式匹配(霍夫變換)可以準(zhǔn)確提取圓心共圓的多個(gè)實(shí)心圓；d)為靶元檢測結(jié)果，標(biāo)靶區(qū)域內(nèi)只有圓心共圓實(shí)心圓才是靶元，可用于靶心估計(jì)，圖中綠點(diǎn)標(biāo)示的面積較大的實(shí)心圓為靶元，藍(lán)線標(biāo)示靶元中心連線；e)為靶心估計(jì)結(jié)果，靶心位置由綠十字標(biāo)示，理論上，多個(gè)靶元中心連線的中垂線將交匯于一點(diǎn)，該點(diǎn)即為靶心。實(shí)際上，多個(gè)中垂線無法匯集于一點(diǎn)，可以通過光束平差法估計(jì)一點(diǎn)，該點(diǎn)滿足到各中垂線的距離總和最短，這樣可以減少估計(jì)誤差；f)為標(biāo)靶主方向的估計(jì)結(jié)果，圖中綠點(diǎn)標(biāo)示的面積較小的實(shí)心圓為向元，藍(lán)線標(biāo)示標(biāo)靶主方向，為減少估計(jì)誤差，標(biāo)靶主方向由多個(gè)向元中心，距離向元最近的靶元中心及靶心通過一元線性回歸估計(jì)求得。通過標(biāo)靶圖像分析，可以準(zhǔn)確識別攝像機(jī)視線與靶面交點(diǎn)相對于靶心的位置偏差(xd，yd)，標(biāo)靶主方向在攝像機(jī)像平面內(nèi)的橫滾角γ。實(shí)際上，攝像機(jī)在標(biāo)靶座標(biāo)系內(nèi)的三維位姿信息并未得到。要獲得真實(shí)的三維位姿信息，需要測得攝像機(jī)像平面與標(biāo)靶平面的傾角關(guān)系(方位角和俯仰角)，具體測角方案參見第2.4節(jié)。

2.5 測角與測距

本方案采用3個(gè)激光測距傳感器實(shí)現(xiàn)測角安裝關(guān)系與位置，如圖8所示。架設(shè)機(jī)構(gòu)保證了激光測距傳感器JG_3和激光測距傳感器JG_1所在直線L31與激光測距傳感器JG_3和激光測距傳感器JG_2所在直線L32正交。3個(gè)激光測距傳感器分別測量攝像機(jī)與標(biāo)靶之間的距離，通過分析距離差來估計(jì)沿著攝像機(jī)視線方向的傾角，輸出俯仰角β與方位角α，兩者計(jì)算原理相同。

以方位角的估計(jì)為例，設(shè)配對的2個(gè)激光測距傳感器1和激光測距傳感器3進(jìn)行平行測距，相距為定值D31，獲得距離差Δd，根據(jù)三角原理計(jì)算方位角α。

α=arctan(Δd/D31).

(2)

同理計(jì)算俯仰角β，進(jìn)一步，可由3只激光測距傳感器所測距離的均值估計(jì)得到攝像機(jī)光心到標(biāo)靶的距離zd。

激光測距傳感器1和激光測距傳感器3通過標(biāo)定，得到光束中心的間距D31=703 mm，激光測距傳感器的測距精度為1 mm，則根據(jù)公式(2)可知測角精度為：α=4.89′，即激光測距傳感器變化1 mm對應(yīng)測角變化4.89′。

2.6 位姿識別

攝像機(jī)與標(biāo)靶相對位姿關(guān)系的完整描述需要6個(gè)參數(shù)，即攝像機(jī)的光心在標(biāo)靶坐標(biāo)系3個(gè)坐標(biāo)軸上的位置(x,y,z)與攝像機(jī)的光軸圍繞3個(gè)坐標(biāo)軸的傾角(α,β,γ)。成像時(shí)，攝像機(jī)視線與標(biāo)靶相交，根據(jù)攝像機(jī)光心到靶面交點(diǎn)的距離zd，經(jīng)簡單推算可得攝像機(jī)光心在標(biāo)靶坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)(xc,yc,zc)。

xc=-zdsinαcosγ+zdsinβsinγ,

(3)

yc=-zdsinαsinγ-zdsinβcosγ,

(4)

zc=zdcosαcosβ.

(5)

根據(jù)靶心位置偏差(xd,yd)作修正，可得攝像機(jī)在標(biāo)靶坐標(biāo)系內(nèi)的正確坐標(biāo)。

z=zc.

(8)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

如圖9所示為本測量系統(tǒng)試驗(yàn)平臺，其中并聯(lián)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)六自由度的運(yùn)動，目標(biāo)模擬工裝架設(shè)在一個(gè)三自由度的滑臺上。通過編程實(shí)現(xiàn)滑臺三自由度運(yùn)動來模擬火箭運(yùn)動，測量系統(tǒng)通過識別標(biāo)靶圖像及距離信息實(shí)現(xiàn)連接器與閥門的自動對接。由于連接器采用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以適應(yīng)一定范圍內(nèi)的角度變化，因此在試驗(yàn)過程中，重點(diǎn)考核測量系統(tǒng)在橫移、伸縮、浮沉3個(gè)方向上位移的測量準(zhǔn)確程度。

由于閥門運(yùn)動無法直接觀測，且滑臺運(yùn)動分辨率為0.1 mm，則在本實(shí)驗(yàn)中將滑臺輸出的位移量設(shè)為真值，用以評價(jià)測量系統(tǒng)輸出偏差值準(zhǔn)確程度。

由于目的是考核測量系統(tǒng)的測量精度，因此調(diào)整并聯(lián)機(jī)構(gòu)，使并聯(lián)機(jī)構(gòu)上測量系統(tǒng)安裝基面平行于目標(biāo)模擬工裝安裝基面，減弱安裝面不平行帶來的測量誤差。保持并聯(lián)機(jī)構(gòu)空間位置固定，驅(qū)動滑臺運(yùn)動，并記錄數(shù)據(jù)。如圖10～12所示即為3個(gè)軸的相對位移測量誤差曲線，橫坐標(biāo)表征系統(tǒng)測試時(shí)間，由于系統(tǒng)輸出測量值的頻率為相機(jī)頻率，因此橫坐標(biāo)為相機(jī)采集幀數(shù)，縱坐標(biāo)為3個(gè)方向上的相對位移變化。可以看出，測量系統(tǒng)的測量精度滿足技術(shù)條件要求，測量精度可達(dá)到1 mm。

4 結(jié)束語

為實(shí)現(xiàn)火箭升空前加泄連接器與火箭閥門的自動對接與分離，本文提出了一種基于視覺的自動對接偏差測量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。該方案原理清晰可行，通過實(shí)現(xiàn)對人工靶標(biāo)的姿態(tài)識別間接得到火箭閥門的位置及姿態(tài)，可實(shí)現(xiàn)連接器與閥門的自動對接、隨動，能避免箭上閥門由于連接器無法隨動導(dǎo)致的應(yīng)力，提高了連接器密封的可靠性，有利于提高發(fā)射效率和安全性。