劉傳凱，李東升，謝劍鋒，雷俊雄，袁春強, 2，何錫明

1. 北京航天飛行控制中心，北京 100190

2. 航天飛行動力學(xué)技術(shù)重點實驗室，北京 100190

3. 江西理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，贛州 341000

2020年12月1日，嫦娥五號探測器成功在月球正面呂姆克山脈以北地區(qū)軟著陸，次日經(jīng)過約19 h月面工作，順利完成月球表面采樣，并已按預(yù)定形式將樣品封裝保存在上升器攜帶的貯存裝置中，完成了我國首次月球無人采樣封裝任務(wù)[1]。在進(jìn)行月面采樣封裝任務(wù)過程中，由于四自由度機(jī)械臂細(xì)長柔性特點，使得采樣和放樣操作中機(jī)械臂采樣器末端難以準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)位置，造成采樣碰撞和放樣外撒的風(fēng)險。為此引入動態(tài)視覺定位引導(dǎo)技術(shù)，控制機(jī)械臂實現(xiàn)末端精確操作，以確保采樣和放樣過程的精確性和安全性。

最早實施月面無人采樣的是蘇聯(lián)，于1970年發(fā)射月球16號探測器著陸月球表面，實現(xiàn)了人類首次月面無人采樣返回任務(wù)[2]。此次任務(wù)中的采樣機(jī)構(gòu)較為單一，主要采用0.9 m長的鉆臂進(jìn)行定點鉆取采樣，并未考慮機(jī)構(gòu)形變對采樣的影響，相機(jī)圖像主要用來人工判讀采樣狀態(tài)，并未進(jìn)行定位引導(dǎo)。后續(xù)實施的月球20、24等月面采樣任務(wù)也基本沿用了月球16的探測模式[3-4]。應(yīng)用視覺測量手段引導(dǎo)機(jī)械臂采樣操作方面比較成功的案例是美國NASA的鳳凰號(Phoenix)和洞察號(Insight)火星探測任務(wù)[5-6]。鳳凰號探測器和洞察號探測器分別于2008年和2018年著陸火星表面，在火星表面實施采樣、儀器安放和科學(xué)探測等活動，視覺引導(dǎo)的機(jī)械臂操作是支撐各類任務(wù)實施的關(guān)鍵[7-8]。

鳳凰號帶有四自由度機(jī)械臂，機(jī)械臂末端裝有相機(jī)RAC(Robotic Arm Camera)和配套使用的紅、綠、藍(lán)三色LED燈組成的照明系統(tǒng)以及裝載在桅桿上的表面立體成像儀(SSI)。RAC相機(jī)可以提供低至22 μm/像素分辨率的機(jī)械臂鏟斗近距離土壤偽真彩色圖像。鳳凰號配有視覺圖像處理與測量系統(tǒng)[9]，能夠完成RAC和SSI等相機(jī)圖像的處理與目標(biāo)定位，任務(wù)中主要采用視差測量和三角測量方法實現(xiàn)對目標(biāo)或地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)的定位，輔助機(jī)械臂實現(xiàn)對火星表面樣品的采集任務(wù)[10]。

洞察號探測器在繼承鳳凰號探測器的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增強儀器安放和鉆取探測功能，深度開展火星內(nèi)部狀態(tài)考察。洞察號探測器配備了廣角視圖的儀器環(huán)境相機(jī)[11](Instrument Context Camera，ICC)，用于監(jiān)視探測器部署過程；攜帶了一個四自由度機(jī)械臂(Instrument Deployment Arm，IDA)，并在機(jī)械臂上裝載一個單目相機(jī)(Instrument Deployment Camera，IDC)，用于獲取探測器以及周圍地形的圖像[12]，引導(dǎo)機(jī)械臂進(jìn)行儀器安放操作。跟鳳凰號相比，洞察號探測器對鳳凰號的視覺測量系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，增加了基準(zhǔn)定位法和立體定位法2種定位方法[13-14]。

基準(zhǔn)定位法主要包括2類，第1類是基于圓形單點基準(zhǔn)和AprilTag靶標(biāo)基準(zhǔn)的聯(lián)合定位方法[13]。其中單點基準(zhǔn)由簡單的十字準(zhǔn)線和黑白相間的象限組成，便于在遠(yuǎn)距離和低分辨率條件下準(zhǔn)確地檢測到基準(zhǔn)圓心[15]；AprilTag是方形靶標(biāo)，中間有不對稱圖案，每個AprilTag靶標(biāo)有唯一編碼，通過檢測AprilTag的4個角及可選的中心點就可以準(zhǔn)確給出目標(biāo)儀器的位姿[16-17]。洞察號任務(wù)中采用橢圓擬合算法來檢測基準(zhǔn)點，基準(zhǔn)定位位置誤差約為±1.5 cm、姿態(tài)誤差約為±2°，在實際任務(wù)中定位位置誤差約為±0.5 cm。第2類是抓鉤定位法[15]，通過將機(jī)械臂上的抓鉤在儀器上方多次移動拍攝圖像實現(xiàn)定位，任務(wù)中首先移動到儀器定位抓鉤上方3 cm，再上下移動1 cm，在每個姿勢拍攝圖像。利用圖像準(zhǔn)確估計垂直于機(jī)械臂切向誤差，通過高低圖像之間的運動估計出重力方向誤差，再通過機(jī)械臂抓鉤的影子和儀器定位抓鉤的相對關(guān)系估計徑向誤差，最終實現(xiàn)3個方向的定位。該方法主要用于完善洞察號上抓斗、鏟斗等各類儀器的定位。由于該定位方法采用近距離抵近觀測方法，因此定位同時便于確定機(jī)械臂對儀器的可達(dá)性和可操作性。

立體定位法是在洞察號部署過程中，通過移動IDA和IDC一小段距離來模擬2個不同的攝像頭獲取立體像對，再根據(jù)生成的立體網(wǎng)格點提取儀器的位置。此方法通過設(shè)計IDA移動的距離和相機(jī)拍攝位姿來保證2次拍攝的圖像中有足夠的目標(biāo)及其周圍的特征，以保證圖像匹配的關(guān)聯(lián)性[18]。此方法需要考慮相機(jī)的位姿定位精度和視場中是否包含標(biāo)尺信息等因素，主要用于某些特殊情況(如其他相機(jī)故障)下的目標(biāo)位姿獲取?；鶞?zhǔn)定位法和立體定位法的組合應(yīng)用于洞察號在火星表面的儀器安放與部署任務(wù)中，實現(xiàn)了儀器安放過程的準(zhǔn)確引導(dǎo)和儀器安放位姿的準(zhǔn)確測量。

中國嫦娥五號探測器攜帶細(xì)長結(jié)構(gòu)的四自由度機(jī)械臂，在地面遙操作中心的控制下，利用該機(jī)械臂完成表取采樣、樣品放置、樣品罐抓取和樣品罐放入上升器密封罐等操作任務(wù)。由于細(xì)長機(jī)械臂在月面微重力作用下的柔性形變不可預(yù)知，因此利用視覺引導(dǎo)的方式完成精確操作控制。在嫦娥五號著陸器、上升器和機(jī)械臂上帶有多個相機(jī)，如圖1所示，主要包括采樣區(qū)觀測雙目相機(jī)、采樣器相機(jī)、臂載相機(jī)[19]和多個監(jiān)視相機(jī)，利用這些相機(jī)測量引導(dǎo)完成對采樣、放樣、抓罐和放罐等操作任務(wù)。

圖1 著陸器、上升器和機(jī)械臂上的各類相機(jī)

本文針對采樣、放樣、抓罐和放罐等操作中的視覺引導(dǎo)問題，提出了基于光束逆投影的多特征融合視覺定位算法框架，通過對靜態(tài)相機(jī)測量動態(tài)目標(biāo)和動態(tài)相機(jī)測量靜態(tài)目標(biāo)的過程進(jìn)行抽象建模，建立了雙目、單目相機(jī)對圓形目標(biāo)和靶標(biāo)的組合定位優(yōu)化模型，并分析了位姿誤差對定位迭代過程收斂性的影響，實現(xiàn)了不同操作應(yīng)用場景下適應(yīng)不同相機(jī)數(shù)量的多類特征組合定位。通過仿真和實際應(yīng)用實驗，驗證了上述框架和方法的有效性。

本文第1節(jié)介紹多特征融合視覺定位模型，第2節(jié)進(jìn)行位姿誤差對定位模型收斂性的影響分析，第3節(jié)介紹仿真實驗和嫦娥五號任務(wù)中的應(yīng)用情況。最后給出本文結(jié)論。

1 多特征融合視覺定位建模

嫦娥五號在月面執(zhí)行采樣、放樣、抓罐、放罐等任務(wù)的過程中，受細(xì)長結(jié)構(gòu)機(jī)械臂柔性形變的影響，機(jī)械臂末端操作存在一定偏差，難以滿足采樣、放樣、抓罐和放罐等任務(wù)的精度要求，需要依靠視覺相機(jī)的引導(dǎo)才能實現(xiàn)機(jī)械臂末端的精確操作控制。由于機(jī)械臂操作過程涉及的環(huán)節(jié)和場景較多，每個環(huán)節(jié)對操作精度的要求不同，各個場景下可使用的相機(jī)及其組合模式較多且各相機(jī)視場范圍和觀測特征各不相同，對相機(jī)的統(tǒng)一規(guī)劃使用、實現(xiàn)各類操作下的高精度測量引導(dǎo)，是月面采樣封裝任務(wù)的一個難題。本節(jié)針對上述問題，提出了基于光束逆投影的多特征融合視覺定位算法框架，從靜態(tài)相機(jī)對動態(tài)目標(biāo)測量和動態(tài)相機(jī)對靜態(tài)目標(biāo)測量2個層面，設(shè)計了多場景下的相機(jī)測量引導(dǎo)模式，為多相機(jī)的統(tǒng)一規(guī)劃管理和問題的簡化解決提供了支撐。

基于光束逆投影的多特征融合框架設(shè)計如下。假設(shè)空間中有N個相機(jī)，其中N1個靜態(tài)相機(jī)，即固定在著陸器或上升器上、不隨機(jī)械臂運動的相機(jī)；N2個動態(tài)相機(jī)，即臂載相機(jī)或者采樣器相機(jī)。在相機(jī)視場中包含自然特征(如圓形目標(biāo))、靶標(biāo)特征2類特征，自然特征的幾何尺寸已知、靶標(biāo)之間的相對三維坐標(biāo)已知。相機(jī)對2類特征的測量問題如圖2所示，相機(jī)對2類特征的相對測量均可通過統(tǒng)一的測量模型實現(xiàn),描述如下：

(1)

(2)

圖2 多特征融合視覺測量示意圖

圖3 基于光束逆投影的目標(biāo)特征點幾何表征

(3)

(4)

nk=Rz(φk)Rx(ψk)n0=

[sinφksinψk,-cosφksinψk,cosψk]T

(5)

(6)

(7)

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)已知靶標(biāo)特征的相對位置和自然特征的幾何形狀特性構(gòu)建誤差方程。假設(shè)僅有靶標(biāo)和圓形目標(biāo)2類特征，則光束逆投影誤差可以寫作：

(8)

(9)

2 定位模型的收斂性分析

2.1 目標(biāo)位姿變化對特征誤差函數(shù)的影響

圖4 誤差函數(shù)隨圓形目標(biāo)位置誤差的變化

圖5 誤差函數(shù)隨圓形目標(biāo)姿態(tài)角度誤差的變化

圖6 不同對應(yīng)的空間圓與實際目標(biāo)圓

圖7 圓形目標(biāo)誤差函數(shù)在不同真值情況下的變化

同理改變圓形目標(biāo)的位置真值，仿真位置真值變化對誤差函數(shù)曲面形狀和收斂性的影響，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)位置的真值為不同值時，位置變化對誤差函數(shù)的仿真曲面形狀基本不變。因此，在位置與姿態(tài)取不同真值時，位置真值變化對誤差函數(shù)的影響較小，姿態(tài)真值的變化則會改變誤差函數(shù)曲面的形狀，當(dāng)取特定值時，誤差函數(shù)曲面近似對稱。

從圖8可以得知，當(dāng)目標(biāo)姿態(tài)誤差范圍擴(kuò)大到(-π/5，π/5)≈(-0.63,0.63)時，誤差函數(shù)曲面的碗狀特性不再明顯、收斂性變差，這表明當(dāng)目標(biāo)姿態(tài)偏移初始姿態(tài)較大時，會使得現(xiàn)誤差函數(shù)不能很好地收斂或收斂速度較慢，所以在進(jìn)行實際的月面采樣定位過程中，目標(biāo)姿態(tài)的初值選取不能與真值偏移過大，應(yīng)控制在一定誤差范圍內(nèi)(如π/10以內(nèi))，否則可能無法獲取準(zhǔn)確的視覺定位結(jié)果。

圖8 圓形目標(biāo)誤差函數(shù)隨姿態(tài)變化時的仿真結(jié)果

從圖9中可以看出，當(dāng)存在一定姿態(tài)誤差時，位置變化對誤差函數(shù)的影響增大，但是不會改變誤差函數(shù)為碗狀的特性，說明在存在較小的姿態(tài)誤差情況下并不影響誤差函數(shù)的收斂。但姿態(tài)誤差較大時，如圖10所示，誤差函數(shù)曲面圖的形狀也發(fā)生了較大改變，曲面的凹凸性變?nèi)酰諗克俣茸兟?，且誤差函數(shù)的收斂點發(fā)生了偏移。這說明跟位置變化相比較，姿態(tài)誤差增大到一定程度時，會使誤差函數(shù)收斂性變差，影響視覺定位結(jié)果的正確性。

圖9 姿態(tài)偏移π/10時誤差函數(shù)隨目標(biāo)位置變化情況

圖10 姿態(tài)偏移π/3時誤差函數(shù)隨目標(biāo)位置變化情況

2.2 相機(jī)位姿變化對特征誤差函數(shù)的影響

圖11和圖14表明，隨著相機(jī)位置逐漸偏離或靠近相機(jī)坐標(biāo)真值，多特征融合的光束逆投影誤差函數(shù)值呈漸增或漸減趨勢，誤差函數(shù)值變化趨勢在自變量大范圍改變情況下仍然呈碗狀特性，表明誤差函數(shù)保持較好的收斂性，而權(quán)重因子α=0.5相較于α=0.1的光束逆投影誤差函數(shù)收斂趨勢更加陡峭，收斂速度更快。

圖11 多特征誤差隨相機(jī)位置誤差改變的趨勢圖(α=0.1)

圖12和圖15表明，相機(jī)姿態(tài)角αi和βi在一個較小范圍內(nèi)改變時，誤差函數(shù)具有良好的收斂性，當(dāng)考慮滾轉(zhuǎn)角γi對誤差函數(shù)產(chǎn)生作用時，誤差函數(shù)值變化趨勢不再呈一個碗狀而是呈滑梯狀，且均自γi軸的正半軸滑向負(fù)半軸，說明以下3點：① 與其余2個角度相比，滾轉(zhuǎn)角γi對誤差函數(shù)造成的影響更大；② 增大滾轉(zhuǎn)角γi對誤差函數(shù)的影響遠(yuǎn)大于其減小對誤差函數(shù)的影響；③ 增大目標(biāo)的姿態(tài)誤差可能導(dǎo)致殘差函數(shù)收斂性質(zhì)變差，容易出現(xiàn)收斂到局部極小值現(xiàn)象。同樣地，權(quán)重因子α=0.5相較于α=0.1的光束逆投影誤差函數(shù)收斂趨勢更加陡峭，收斂速度更快。

圖12 多特征誤差隨相機(jī)姿態(tài)角改變的趨勢圖(α=0.1)

圖13 存在相機(jī)姿態(tài)誤差情況下多特征誤差隨相機(jī)位置改變的趨勢圖(α=0.1)

圖14 多特征誤差隨相機(jī)位置誤差改變的趨勢圖(α=0.5)

圖13和圖16是相機(jī)姿態(tài)角存在(Δα,Δβ,Δγ)=(π/20,π/20,π/20)的誤差時，相機(jī)位置偏移改變對誤差函數(shù)值變化趨勢的影響?？梢钥闯鱿鄼C(jī)姿態(tài)誤差使得相機(jī)的位置偏移誤差對誤差函數(shù)產(chǎn)生的影響更加顯著，相機(jī)在z方向的位置偏移Xw(x,y,z)對誤差函數(shù)產(chǎn)生的影響增大，使得xz方向位置偏差和yz方向的位置偏差仿真曲面的深度增加。相機(jī)存在姿態(tài)誤差時位置偏差對誤差函數(shù)的影響增大且收斂點的位置發(fā)生偏移，姿態(tài)誤差變化越大，收斂點偏移越多，所以在定位計算時姿態(tài)準(zhǔn)確才能保證最終定位結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖15 多特征誤差隨相機(jī)姿態(tài)誤差改變的趨勢圖(α=0.5)

圖16 存在相機(jī)姿態(tài)誤差情況下多特征誤差隨相機(jī)位置誤差改變的趨勢圖(α=0.5)

2.3 多類特征視覺定位情況的比對分析

通過2.1和2.2節(jié)的仿真分析可以得到以下3條結(jié)論，基于這些結(jié)論指導(dǎo)開展多特征融合定位實驗，實現(xiàn)目標(biāo)的位姿求解。

1) 位置誤差的適應(yīng)性。基于光束逆投影的誤差函數(shù)模型對目標(biāo)位置或相機(jī)位置的偏差具有很好的適應(yīng)性，即使初始位置誤差較大，也通過迭代實現(xiàn)收斂，求得精確的視覺定位結(jié)果。

2) 姿態(tài)誤差的容許能力。基于光束逆投影的誤差函數(shù)對應(yīng)的曲面是非凸的多極值點曲面，對目標(biāo)姿態(tài)和相機(jī)姿態(tài)偏差的容許能力較弱，如果初值選取超出了一定范圍，就會發(fā)生收斂錯誤或者不收斂的情況。在實際任務(wù)中應(yīng)盡可能準(zhǔn)確地選取姿態(tài)初值，減小姿態(tài)迭代步長，以保證迭代過程始終在局部凸化的鄰域內(nèi)進(jìn)行，確保最終定位結(jié)果的正確性。

3) 位姿誤差耦合影響關(guān)系。對于位置誤差和姿態(tài)誤差同時存在的情況，目標(biāo)和相機(jī)姿態(tài)誤差的存在會增大位置誤差對誤差函數(shù)的影響且使誤差函數(shù)的收斂點發(fā)生偏移；姿態(tài)誤差變化越大，對位置誤差影響力增加的越大，收斂點也偏移得越多。位置誤差和姿態(tài)誤差耦合影響誤差函數(shù)曲面的形狀，使得局部鄰域的凸性變差，迭代過程中更易跳出局部鄰域，因此在迭代求優(yōu)時應(yīng)合理選擇自變量改變的步長，以確保在局部鄰域內(nèi)收斂到正確的位姿。

3 實驗分析與驗證

嫦娥五號月面采樣封裝過程中，針對觸月、采樣、放樣、抓罐及放罐等要求，利用視覺定位方法引導(dǎo)機(jī)械臂精調(diào)操作，主要采用了基于自然特征和合作靶標(biāo)組合的視覺定位方法，而基于自然特征定位方法又分成了單目橢圓視覺定位法和雙目橢圓視覺定位法。本節(jié)以月面采樣精調(diào)和放樣精調(diào)為例介紹融合單目、雙目橢圓特征的機(jī)械臂末端觸月圓盤位姿視覺定位實驗和融合橢圓、靶標(biāo)特征的機(jī)械臂臂載相機(jī)位姿視覺定位實驗。

3.1 融合單目、雙目橢圓特征的視覺定位實驗

為了驗證融合單目、雙目橢圓特征的視覺定位算法在真實月面采樣環(huán)境下的精確性和穩(wěn)定性，本文建立了月面數(shù)字仿真實驗平臺，使用月面著陸器A-B靜態(tài)監(jiān)視相機(jī)拍攝數(shù)字仿真環(huán)境下月面采樣機(jī)械臂末端圖像作為實驗圖像，圖17是融合單目、雙目橢圓特征的月面數(shù)字仿真環(huán)境下對機(jī)械臂末端觸月圓盤外側(cè)中心點定位實驗流程圖。

圖17 融合單、雙目橢圓特征視覺定位實驗流程圖

表1為使用單目視覺和雙目視覺的定位算法解算出6組機(jī)械臂末端觸月圓盤的位姿結(jié)果與真值的對比情況，由于仿真中未考慮機(jī)械臂柔性形變，因此真實位姿可根據(jù)機(jī)械臂關(guān)節(jié)角數(shù)據(jù)通過機(jī)械臂正運動學(xué)求解得到。圓心三維坐標(biāo)為Xw(x,y,z)，單位為mm；機(jī)械臂末端圓盤(圓平面)姿態(tài)角分別使用偏航角φ和滾轉(zhuǎn)角ψ表示。

圖18是6組基于橢圓特征單目與雙目視覺定位實驗結(jié)果誤差的比對圖。從數(shù)字仿真實驗結(jié)果看，基于雙目監(jiān)視相機(jī)對機(jī)械臂末端圓形目標(biāo)定位精度較高，6組定位試驗中圓心三維坐標(biāo)最大誤差優(yōu)于10 mm，姿態(tài)角的最大誤差不超過0.5°，而基于單目視覺定位的方法定位精度相對較低，圓心三維坐標(biāo)最大的單向誤差<30 mm，姿態(tài)角的最大誤差不超過1°。

通過上述數(shù)字仿真實驗驗證了單目視覺定位和雙目視覺定位的精度，證明了雙目橢圓目標(biāo)定位算法的優(yōu)越性。

實際應(yīng)用中，單目橢圓定位采用解析求解方法實現(xiàn)，其定位結(jié)果在雙目特征定位誤差模型的收斂域內(nèi)，滿足第2節(jié)多特征融合視覺定位的初值選取要求，因此可利用單目橢圓定位結(jié)果作為雙目橢圓特征算法的初始值，迭代實現(xiàn)定位結(jié)果的精化求解。

在嫦娥五號任務(wù)中，在S1、S2、S5點總共進(jìn)行了2次觸月精調(diào)、12次采樣精調(diào)，其中在S1點附近進(jìn)行了5次采樣精調(diào)，在S2點進(jìn)行了6次采樣，在S5點進(jìn)行1次采樣。

圖19是在S1點處進(jìn)行第1次表取采樣時，機(jī)械臂末端采樣器到達(dá)采樣點，著陸器攜帶的A-B靜態(tài)監(jiān)視相機(jī)拍攝機(jī)械臂末端觸月圓盤進(jìn)行橢圓輪廓特征提取處理后的圖像。

表1 數(shù)字仿真環(huán)境下實驗結(jié)果

利用基于單、雙目橢圓特征定位方法實現(xiàn)了月面采樣的精調(diào)引導(dǎo)，采樣精調(diào)過程中在精調(diào)起始點處進(jìn)行定位，定位結(jié)果為機(jī)械臂末端與規(guī)劃目標(biāo)采樣點的偏移在機(jī)械臂坐標(biāo)系下的精調(diào)量。在采樣S1點、S2點、S3點3次采樣精調(diào)結(jié)果的比較如圖20所示。

圖18 單目橢圓特征與雙目橢圓特征定位結(jié)果誤差比對

圖19 第1次月表采樣機(jī)械臂末端圓盤輪廓特征提取效果圖

圖20 真實月面采樣精調(diào)量計算結(jié)果比較

與實際采樣精調(diào)策略中的精調(diào)量比對結(jié)果表明，使用單目視覺方法獲得的定位結(jié)果在x、y、z方向的偏差分別不超過37.2 mm、16.2 mm、18.2 mm，使用雙目視覺方法獲得的定位結(jié)果在x、y、z方向的偏差不超過9.6 mm、11.6 mm、10.7 mm，雙目定位結(jié)果的穩(wěn)定性較好，優(yōu)于單目定位結(jié)果。定位結(jié)果與實際精調(diào)策略存在差異的主要原因是：采樣精調(diào)策略的設(shè)計中近似忽略x、y方向的誤差，將這2個方向的調(diào)整量設(shè)為0；實際精調(diào)中主要考慮z方向下移至采樣位置的移動距離，考慮采樣目標(biāo)位置會隨著采樣器的下移進(jìn)行逐步調(diào)整，z方向定位得到的移動量與精調(diào)策略應(yīng)存在一定的偏差。

3.2 融合橢圓、靶標(biāo)特征的視覺定位實驗

為了驗證融合橢圓、靶標(biāo)特征的視覺定位方法的有效性和精確性，本節(jié)針對2類特征的聯(lián)合優(yōu)化模型以月面放樣精調(diào)為例分別進(jìn)行MATLAB數(shù)值仿真實驗和月面數(shù)字仿真實驗，驗證融合定位算法的精度，最后介紹真實月面放樣精調(diào)實施情況。

融合橢圓特征和靶標(biāo)特征的數(shù)值仿真實驗使用MATLAB在三維空間中分別構(gòu)建離散點序列，組成圓形輪廓特征和靶標(biāo)特征。根據(jù)相機(jī)成像投影關(guān)系將罐口圓特征和合作靶標(biāo)特征投影至機(jī)械臂臂載相機(jī)像平面，形成橢圓特征像素坐標(biāo)和靶標(biāo)特征像素坐標(biāo)，對罐口圓成像和靶標(biāo)特征成像后的投影橢圓特征和靶標(biāo)特征點添加均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為σ=1的高斯白噪聲來提取特征時的不確定性和誤差，獲取所需的像素坐標(biāo)。

實驗結(jié)果表明，隨著機(jī)械臂臂載相機(jī)與密封罐之間的距離逐漸減小，即采樣器逐漸接近放樣位置時，相機(jī)的x和z方向的位置誤差逐漸降低，而y方向的誤差值因相機(jī)y方向坐標(biāo)未改變而呈局部區(qū)間震蕩起伏狀，3個方向的誤差均優(yōu)于2 mm。其中x和z方向測量誤差逐步減小主要原因為：一是測量距離減小導(dǎo)致圓形密封罐在臂載相機(jī)像素平面成像區(qū)域增大，特征區(qū)域所占的像素數(shù)增多，橢圓像素改變跟隨相機(jī)位置的改變更加明顯；二是成像橢圓的大小隨測量距離減小而變大，從而使相同等級的噪聲對大橢圓的影響減小。因此使得測量誤差減小、精度增加，隨著動態(tài)臂載相機(jī)從遠(yuǎn)處逐漸接近密封罐罐口，利用多特征融合的視覺定位方法的平均誤差逐漸降低，單向測量精度優(yōu)于2 mm，滿足放樣任務(wù)精度需求。

圖21 多特征融合數(shù)值仿真實驗結(jié)果圖

進(jìn)一步考慮基于月面數(shù)字仿真實驗平臺的多特征融合定位精度驗證情況。首先根據(jù)放樣操作要求，模擬機(jī)械臂臂載相機(jī)拍攝數(shù)字仿真環(huán)境中的圓形罐口和合作靶標(biāo)，再從圖像中提取橢圓特征和靶標(biāo)特征對機(jī)械臂末端臂載相機(jī)進(jìn)行定位，圖22給出了2類特征的提取效果圖。

表2為使用本文方法解算出的機(jī)械臂臂載相機(jī)位姿結(jié)果與其真值的對比，其中真實位姿根據(jù)機(jī)械臂正運動學(xué)求解得到，其中機(jī)械臂臂載相機(jī)光心三維坐標(biāo)為Xw(x,y,z)；臂載相機(jī)的姿態(tài)角為偏航角α、俯仰角β和滾轉(zhuǎn)角γ。

從月面數(shù)字仿真實驗結(jié)果看，本文提出的基于橢圓特征和靶標(biāo)特征融合的視覺定位方法定位的最大單向位置誤差<2 mm，姿態(tài)角的最大誤差不超過0.5°，驗證了本方法的有效性和精確性。

需要注意的是，月面數(shù)字仿真實驗的精度略低于仿真合成圖像實驗精度，分析原因主要是由攝像機(jī)的標(biāo)定誤差(包含相機(jī)內(nèi)、外參標(biāo)定誤差)、圖像噪聲和特征提取誤差造成，仿真合成圖像實驗采用了考慮一定噪聲影響的特征像素坐標(biāo)和理想的相機(jī)參數(shù)，而月面數(shù)字仿真實驗?zāi)M了成像、特征提取和定位的真實過程，考慮的誤差因素更多，與真實情況也更加接近。另一方面，控制機(jī)械臂臂載相機(jī)移動至不同的位置和姿態(tài)處重復(fù)多次實驗，得到的結(jié)果精度基本相同，證明了多特征融合定位算法的魯棒性。

圖22 橢圓輪廓特征和靶標(biāo)特征提取效果圖

實際應(yīng)用中，通常是首先根據(jù)機(jī)械臂無形變狀態(tài)的正運動學(xué)模型近似估計相機(jī)在機(jī)械臂坐標(biāo)系中的大致位姿，經(jīng)分析因機(jī)械臂柔性和關(guān)節(jié)間隙引起的誤差量在多特征融合定位誤差模型的收斂域內(nèi)，滿足第2節(jié)多特征融合視覺定位的初值選取要求，因此可利用基于正運動學(xué)的位姿估算結(jié)果作為多特征融合定位算法的初始值，迭代實現(xiàn)定位結(jié)果的精化求解。

為了進(jìn)一步說明本文算法的有效性，下面將該算法在實際月面放樣中的應(yīng)用情況進(jìn)行說明。首先真實月面放樣精調(diào)過程中對橢圓罐口和棋盤格靶標(biāo)的特征提取圖像數(shù)據(jù)如圖23所示。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對放樣精調(diào)過程及其與真實精調(diào)策略比較的偏差情況進(jìn)行描述。

在月面實際放樣精調(diào)過程中在精調(diào)起始點、中間過程點和到位點進(jìn)行視覺定位，定位結(jié)果為機(jī)械臂末端與目標(biāo)放樣點偏移在機(jī)械臂坐標(biāo)系下的精調(diào)量。以12次放樣起始點精調(diào)量計算為例介紹融合橢圓與靶標(biāo)特征的真實月面放樣精調(diào)結(jié)果與實際精調(diào)策略偏差對比如圖24所示。

表2 橢圓特征和靶標(biāo)特征融合月面數(shù)字仿真實驗結(jié)果

圖23 多特征融合定位的特征提取效果圖

圖24 12次放樣精調(diào)起始點定位的精調(diào)量與實際精調(diào)策略的偏差

融合橢圓與靶標(biāo)特征視覺定位方法獲取的精調(diào)量和精調(diào)策略中的精調(diào)量定位精度進(jìn)行比對分析結(jié)果表明使用融合橢圓與靶標(biāo)特征定位方法計算得到的定位結(jié)果與實際精調(diào)策略中的精調(diào)量在x、y、z3個方向的定位偏差范圍均小于2 mm,實現(xiàn)了對放樣過程的精確引導(dǎo)與精調(diào)策略一致性復(fù)核。

4 結(jié) 論

本文針對月面采樣封裝任務(wù)中的精確采樣、放樣、抓罐、放罐等操作任務(wù)，設(shè)計了多特征融合的視覺引導(dǎo)到位方法，對不同的操作過程選擇圓形目標(biāo)、靶標(biāo)及其組合等不同類型特征，對目標(biāo)和相機(jī)光心相對于機(jī)械臂坐標(biāo)系的位姿進(jìn)行測量計算。轉(zhuǎn)換計算采樣器相對機(jī)械臂坐標(biāo)系的精確位置，引導(dǎo)機(jī)械臂實施精確操作。主要貢獻(xiàn)在于：

1) 提出了基于光束逆投影變換的多特征融合定位的統(tǒng)一模型，將圓形目標(biāo)特征和靶標(biāo)特征統(tǒng)一到同一框架下，構(gòu)建了基于位姿偏移的誤差最小化優(yōu)化函數(shù)，設(shè)計了不同類特征定位誤差的同尺度統(tǒng)一與迭代優(yōu)化策略，實現(xiàn)了已知量和待求量靈活可變的迭代優(yōu)化定位求解。

2) 針對不同操作應(yīng)用場景實現(xiàn)了基于單個或多個相機(jī)的不同類型特征組合定位過程，設(shè)計了多類不同形式的實驗驗證方式，實驗結(jié)果表明本文提出的算法在雙目條件下對遠(yuǎn)距離小目標(biāo)定位誤差優(yōu)于2 cm，對近距離目標(biāo)的相對定位精度優(yōu)于2 mm，精度與美國洞察號儀器安放等操作的視覺定位精度水平相當(dāng)。

本文提出的方法滿足了嫦娥五號任務(wù)中的采樣、放樣、抓罐和放罐等多類操作要求，實現(xiàn)了采樣全程的操作精確定位引導(dǎo)，成功支撐了嫦娥五號月面采樣封裝任務(wù)的順利實施。該方法也將進(jìn)一步應(yīng)用于中國嫦娥六號月面采樣任務(wù)中，引導(dǎo)月面采樣機(jī)械臂實現(xiàn)更加多元的精確操作。

致 謝

論文在北京航天飛行控制中心空間遙操作團(tuán)隊的通力協(xié)助下得以順利完成, 在此深表感謝。