湯 輝，晉嚴(yán)尊，劉賽華

(中國空空導(dǎo)彈研究院，洛陽 471009)

0 引言

雷達(dá)系列空空導(dǎo)彈是由多個(gè)艙段組成，具有尺寸小、質(zhì)量大、對(duì)接面特征復(fù)雜等特點(diǎn)。目前對(duì)接模式是人工將待對(duì)接的兩個(gè)艙段放置到對(duì)接臺(tái)的托架上，手動(dòng)調(diào)節(jié)托架位置，使相鄰兩個(gè)艙段的軸線對(duì)準(zhǔn)、對(duì)接面上的定位銷及定位槽精準(zhǔn)配合[1]。因各艙段重量較大、艙段間配合公差高要求等因素，依靠人工將各艙段間的同軸度偏差和圓周方向上定位銷與定位槽的對(duì)準(zhǔn)偏差調(diào)整到要求范圍內(nèi)，存在效率低、精度和質(zhì)量難以保證等問題。實(shí)現(xiàn)對(duì)接工序的自動(dòng)化、智能化是保證裝調(diào)質(zhì)量和安全性的前提下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能提升的一個(gè)重要途徑。

對(duì)于自動(dòng)化艙段對(duì)接系統(tǒng)來說，艙段在對(duì)接過程中的位置是隨機(jī)的，執(zhí)行元件通過“平移”和“旋轉(zhuǎn)”動(dòng)作以便將艙段的位置和姿態(tài)調(diào)整到位。但執(zhí)行元件并不能知道需要移動(dòng)多少距離或者旋轉(zhuǎn)多少角度，需要有相應(yīng)的測量系統(tǒng)反饋至控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)將移動(dòng)量傳達(dá)至執(zhí)行元件。因此，測量系統(tǒng)的性能將直接決定位姿調(diào)整的精度和效率。

軸線姿態(tài)的測量技術(shù)可分為兩大類，接觸測量與非接觸測量。接觸性測量包括三坐標(biāo)測量機(jī)、關(guān)節(jié)式測量臂等。三坐標(biāo)測量機(jī)具有自動(dòng)測量、技術(shù)成熟、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。關(guān)節(jié)式測量臂則需要人力移動(dòng)測頭測量，雖體積小但不滿足自動(dòng)化裝配，存在測量誤差，可能造成設(shè)備表面損傷。非接觸測量包括激光跟蹤儀+靶標(biāo)[2]、機(jī)器視覺+靶標(biāo)[3]和線結(jié)構(gòu)光等手段[4]。激光跟蹤儀具有精度高、相干性好、抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但不能對(duì)特征量進(jìn)行直接測量，且價(jià)格昂貴。機(jī)器視覺方法需進(jìn)行三維姿態(tài)測量，配置3D相機(jī)，價(jià)格昂貴。線結(jié)構(gòu)光測量需要對(duì)筒件無接觸測量，無靶標(biāo)，精度高，但有局限性。

相較于其它測量手段，三坐標(biāo)測量機(jī)[5]在技術(shù)上成熟且價(jià)格低廉、精度高，因此本文選擇三坐標(biāo)測量機(jī)作為艙段軸線偏差的測量手段。由于定位銷與定位槽的角度偏差測量可以在二維平面內(nèi)進(jìn)行，因此采用單目工業(yè)相機(jī)視覺實(shí)現(xiàn)角度偏差的測量?；谌鴺?biāo)測量機(jī)和視覺系統(tǒng)，本文研究了融合位姿檢測和對(duì)接面關(guān)鍵特征識(shí)別與定位的測量方法，并應(yīng)用于導(dǎo)彈艙段自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈艙段高質(zhì)高效對(duì)接。

1 對(duì)接系統(tǒng)及對(duì)接工藝選擇

1.1 對(duì)接系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化對(duì)接系統(tǒng)主要完成導(dǎo)彈導(dǎo)引艙、飛行控制艙、過渡段和舵機(jī)艙的連接，如圖1所示。

圖1 導(dǎo)彈組成 圖2 艙段間周向定位銷、定位槽

各艙段間軸線方向上為軸孔間隙配合，并用楔塊和螺釘進(jìn)行緊固，圓周方向通過定位銷與定位槽完成限位，如圖2所示。

自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)主要由3個(gè)6自由度并聯(lián)平臺(tái)(也稱steward平臺(tái))、1個(gè)固定平臺(tái)、工業(yè)相機(jī)(機(jī)器視覺)、三坐標(biāo)測量機(jī)組成，組成如圖3所示。

圖3 自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)組成圖

各艙段在對(duì)接平臺(tái)上固定后，通過三坐標(biāo)測量機(jī)檢測各個(gè)艙段的軸線位置，通過工業(yè)相機(jī)掃描各艙段定位銷和定位槽的空間位置，并將信息傳至控制系統(tǒng)。通過計(jì)算發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)6自由度并聯(lián)平臺(tái)帶動(dòng)各艙段做相對(duì)位置調(diào)整，最終達(dá)到各艙段的同軸度對(duì)準(zhǔn)及圓周方向定位銷和定位槽對(duì)準(zhǔn)。調(diào)整完成后，活動(dòng)艙段在驅(qū)動(dòng)裝置作用下沿對(duì)接平臺(tái)導(dǎo)軌繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，直至完成各艙段對(duì)接。

1.2 對(duì)接過程測量工藝分析

對(duì)接過程中，以某一艙段作為基準(zhǔn)艙段，依次完成相鄰艙段的軸線偏差的測量及調(diào)整、艙段間圓周方向定位銷與定位槽的測量及對(duì)準(zhǔn)。對(duì)接系統(tǒng)工作時(shí)，艙段位置和姿態(tài)調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)依據(jù)測量系統(tǒng)所測得的各艙段實(shí)時(shí)位置和姿態(tài)信息，對(duì)艙段進(jìn)行調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)接。需解決兩個(gè)關(guān)鍵問題：

(1)艙段間軸線識(shí)別與調(diào)整。各艙段對(duì)接前，需對(duì)各艙段軸線(同軸度)偏差進(jìn)行調(diào)整。在對(duì)接臺(tái)上，將某一艙段固定，以其軸線作為基準(zhǔn)對(duì)其它活動(dòng)艙段軸線進(jìn)行調(diào)整，識(shí)別出活動(dòng)艙段軸線與固定艙段軸線的偏差，再由對(duì)接臺(tái)帶動(dòng)活動(dòng)艙段做俯仰、偏航方向位姿調(diào)整，直至各艙段軸線重合，對(duì)接后要求同軸度偏差≤0.05 mm。因無有效的測量手段，肉眼較難準(zhǔn)確識(shí)別出各艙段間的同軸度偏差，偏差較大時(shí)需分開重新對(duì)接，因此需要反復(fù)識(shí)別和調(diào)整，對(duì)接時(shí)間長、效率低。

(2)對(duì)接面關(guān)鍵特征(定位銷與定位槽)定位。導(dǎo)彈艙段對(duì)接工作除需要各艙段位姿(軸線)調(diào)整外，還需通過定位銷與定位槽完成圓周方向位置的對(duì)準(zhǔn)。由于部分定位銷為暗銷，且定位槽的尺寸小，對(duì)準(zhǔn)偏差要求高(≤0.02°)，同樣需要人工輔助定位。為保證對(duì)接精度，必須采取有效的測量方法，提前測量出艙段軸線偏差以及定位銷和定位槽的位置，才能實(shí)現(xiàn)安全可靠對(duì)接。

2 艙段間軸線識(shí)別與測量

本系統(tǒng)采用的三坐標(biāo)測量機(jī)位于對(duì)接系統(tǒng)的支撐平臺(tái)上，同時(shí)在測量機(jī)上搭載了雷尼紹OMP40超小型測頭組件和工業(yè)視覺相機(jī)。

三坐標(biāo)測量機(jī)帶動(dòng)測頭在垂直導(dǎo)彈軸線的剖切面上進(jìn)行測量，提取導(dǎo)彈端面上多個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值(至少4個(gè)點(diǎn)，如圖4所示)以及用于艙段前后圓心計(jì)算的點(diǎn)的坐標(biāo)值(一個(gè)圓心由4個(gè)點(diǎn)擬合得到)，即一個(gè)艙段要測量12個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)，從而計(jì)算出彈體艙段的坐標(biāo)系。

圖4 艙段坐標(biāo)系的建立

首先測量前端面內(nèi)壁上4個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)m1、m2、m3、m4,通過擬合算法計(jì)算出圓心坐標(biāo)O1，然后測量后端面內(nèi)壁上的4個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)值n1、n2、n3、n4,通過擬合算法計(jì)算出圓形坐標(biāo)O2，后端面的上的4個(gè)點(diǎn)p1、p2、p3、p4，通過p1、p2、p3、p4擬合出平面，通過點(diǎn)O1、O2和平面p1、p2、p3、p4計(jì)算出該艙段的坐標(biāo)系M1。

圓心擬合計(jì)算如下：

多點(diǎn)所在的平面方程表示為：

ax+by+cz-1=0

矩陣形式：

MA=L1

根據(jù)最小二乘法[6]計(jì)算出:

A=(MTM)-1MTL1

由于點(diǎn)都在圓上，任意兩點(diǎn)連線的中垂線必過圓心。取圓上兩點(diǎn)P1=(x1,y1,z1)與P2=(x2,y2,z2)，假設(shè)圓心為P0=(x0,y0,z0),記Δx12=x2-x1,Δy12=y2-y1,Δz12=z2-z1。

所有的點(diǎn)在圓上，則

記

則

BTBC=BTL2

可得:

A=(MTM)-1MTL1

則圓心坐標(biāo):

C=(DTD)-1DTL3

將多點(diǎn)三維坐標(biāo)值作為導(dǎo)彈的測量輸入?yún)?shù)，前后圓上的點(diǎn)分別擬合出前后圓心，然后通過后端面上4個(gè)點(diǎn)擬合出平面，通過兩個(gè)圓心和一個(gè)平面計(jì)算出彈體艙段的位姿。假設(shè)將導(dǎo)彈分成4段進(jìn)行對(duì)接，則需要在每一個(gè)艙段前后兩個(gè)剖面上進(jìn)行測量并計(jì)算出活動(dòng)艙段相對(duì)于固定艙段的位置關(guān)系。每個(gè)艙段需要測量的點(diǎn)數(shù)是12個(gè)點(diǎn)，那么要完成整個(gè)彈體的測量就需要測量48個(gè)點(diǎn)。

當(dāng)固定艙段的測量計(jì)算完成后，則開始測量下一段的12個(gè)點(diǎn)并計(jì)算出此艙段的坐標(biāo)，通過擬合可以得到活動(dòng)艙段坐標(biāo)系在固定艙段坐標(biāo)系的位姿(x,y,z,c,b,a)。如圖5～圖7所示。

圖5 初始階段

圖6 計(jì)算艙段之間的位姿關(guān)系

位姿關(guān)系表達(dá)式：

3 定位銷和定位槽角度偏差測量

通過搭載在三坐標(biāo)測量機(jī)上的工業(yè)相機(jī)(機(jī)器視覺)系統(tǒng)測量定位銷和定位槽的角度偏差，旋轉(zhuǎn)艙段保證定位銷和定位槽位置一致。定位槽外漏于彈體外表面，通過視覺系統(tǒng)可直接識(shí)別。定位銷位于彈體內(nèi)部并且彈體表面部分也容易被漆層覆蓋，不便于視覺系統(tǒng)直接識(shí)別，因此采用視覺輔助塊將定位銷的位置引出。

高分辨率相機(jī)采集視覺輔助塊上定位銷及定位槽的圖像后，經(jīng)過halcon軟件[7]的圖像處理和模板匹配準(zhǔn)確計(jì)算出定位銷和定位槽的位置，通過算法計(jì)算出兩者的角度偏差，從而控制平臺(tái)旋轉(zhuǎn)，保證對(duì)接端面的定位銷和定位槽精準(zhǔn)固定。視覺系統(tǒng)識(shí)別控制角度偏差流程如圖8所示。

圖8 圖像處理流程

在圖像進(jìn)行特征點(diǎn)識(shí)別時(shí)，由于外界光線的變化會(huì)導(dǎo)致識(shí)別率降低，為克服這個(gè)難題，采用歸一化相關(guān)系數(shù)法的模板匹配[8-9]。

采用歸一化相關(guān)系數(shù)匹配的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)適合光照線性變化的情況；

(2)適合物體輕微變形的情況；

(3)適合邊緣不清的、有紋理的或模糊的圖像。

圖像匹配過程中使用金字塔分層搜索策略[10-11]，如圖9所示。搜索過程由高層到底層拓展，將高層圖像搜索到的模板實(shí)例追蹤到圖像金字塔最底層，這個(gè)過程中需要將匹配結(jié)果從高層映射到金字塔下一層，也就是直接將找到的坐標(biāo)乘以2?？紤]到匹配位置存在不確定性，將下一層搜索定位匹配結(jié)果的周圍的區(qū)域定義為搜索區(qū)域，然后在該區(qū)域進(jìn)行匹配。一般情況下，金字塔層數(shù)太高，可能導(dǎo)致搜索不到目標(biāo)，金字塔層數(shù)太低，又會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，所以需要根據(jù)實(shí)際情況會(huì)合理選用金字塔層數(shù)。

圖9 圖像金字塔

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 艙段間軸線識(shí)別與測量實(shí)驗(yàn)

在6自由度并聯(lián)平臺(tái)上放置目標(biāo)靶鏡，用激光跟蹤儀測量各艙段所在平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的定位精度以及重復(fù)精度，測量結(jié)果如表1所示。由數(shù)據(jù)可知，各艙段所在平臺(tái)的調(diào)整精度均在0.03 mm以內(nèi)，符合對(duì)接系統(tǒng)調(diào)整精度小于0.05 mm的要求。

表1 并聯(lián)平臺(tái)的定位與重復(fù)精度 (mm)

4.2 定位銷和定位槽角度偏差測量實(shí)驗(yàn)

對(duì)3發(fā)導(dǎo)彈進(jìn)行重復(fù)對(duì)接實(shí)驗(yàn)，每發(fā)導(dǎo)彈需要完成4個(gè)艙段即3個(gè)對(duì)接面的裝配。

各艙段完成軸線調(diào)整后，系統(tǒng)進(jìn)行各艙段對(duì)接面上的定位銷、定位槽對(duì)準(zhǔn)偏差測量及調(diào)整，如圖10和圖11所示。

圖10 定位銷、槽位置調(diào)整前

圖11 定位銷、槽位置調(diào)整后

對(duì)準(zhǔn)偏差結(jié)果如表2所示

表2 定位銷、定位槽的對(duì)準(zhǔn)偏差

由表2數(shù)據(jù)可知，3發(fā)導(dǎo)彈艙段間定位銷、定位槽對(duì)準(zhǔn)偏差均在0.01°以內(nèi)，符合對(duì)準(zhǔn)偏差小于0.02°的對(duì)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

本文基于導(dǎo)彈艙段自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)，對(duì)導(dǎo)彈艙段對(duì)接過程中裝配對(duì)象識(shí)別及精確測量、位姿調(diào)整、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)執(zhí)行等關(guān)鍵工藝過程進(jìn)行分析，主要解決對(duì)接過程中的艙段間軸線識(shí)別與測量，定位銷與定位槽角度偏差識(shí)別問題。基于三坐標(biāo)測量方法實(shí)現(xiàn)艙段間軸線識(shí)別，采用視覺測量方法實(shí)現(xiàn)定位銷與定位槽的角度偏差測量，最終通過反饋實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)接，結(jié)果表明，偏差測量精度能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)對(duì)接要求。