空間站吊裝安全監測系統研制及應用

劉孟周， 張成立， 萬畢樂， 王鵬飛， 李明利

（1.北京衛星環境工程研究所，北京100094；2.北京市航天產品智能裝配技術與裝備工程技術研究中心，北京100094）

0 引言

我國空間站包括核心艙、實驗艙I和實驗艙Ⅱ，通過交會對接和艙體轉位組裝構成空間站基本構型［1］。最終確定為1個核心艙加2個實驗艙的3個20 t級艙段組合方案，使空間應用能力提升到約20t［2］。在空間站研制過程中，吊裝環節多而且非常關鍵，存在大量的艙段、艙段組合體的整體水平起吊、垂直起吊、艙段對接、與工裝對接的工況。

航天器吊裝作業中，總裝廠房的天車吊是吊裝的動力源。在現有的總裝條件下，航天器下落的高度、速度控制主要依靠天車操作人員的技能［3］。 圖1（a）為日本航空航天探索局 （JAXA）的貨運飛船艙段垂直吊裝現場，圖1（b）為美國太空探索公司（SpaceX）的 “龍”飛船艙段水平吊裝現場。從操作現場可以看出，大型航天器的吊裝由于艙體結構尺寸過大而出現較嚴重的視線遮擋，人員操作主要靠多臺升降車或者大型操作平臺到達對接面，這兩個因素嚴重影響操作對吊裝情況的判斷準確性和便捷性。地面指揮人員需目視觀察吊裝過程來指導吊車工進行吊裝作業，缺乏定量監測的手段，吊裝過程存在磕碰的隱患。

以空間站為代表的大型艙段的吊裝過程急需引入安全監測手段，實現對吊裝過程的實時監測，以及定量引導與輔助航天器艙段吊裝作業過程。

圖1 國外大型載人航天器吊裝現場Fig.1 Hoisting scene of large manned spacecraft abroad

1 監測系統總體需求分析

空間站總裝期間的吊裝工況主要為艙段的水平吊裝、垂直吊裝以及水平和垂直間狀態變換的吊裝，吊裝工況包括艙段水平落放到支架車上、艙段垂直落放到支架車上、艙段垂直對接等。空間站艙段數量較多，組合以后的吊裝工況達21種。綜合分析各項吊裝情況，都存在幾個共性特點：吊裝對接均為一個移動端和靜止端對接；吊裝過程中移動端、靜止端幾何外形不發生變化，可看做剛體；吊裝指揮需要全面了解移動端、靜止端的相對位置后，指揮吊車操作；對接面相距0.5m前調整艙段的軸心和姿態，接近對接面時只進行垂直方向的調整。精確對接時均設置導向銷，導向長度約50mm。吊裝流程及關鍵監測指標如圖2所示，可以6自由度相對姿態量為基礎，在不同階段選取某幾個維度作為關鍵監測指標，指導吊裝過程。

圖2 艙段吊裝流程及關鍵監測指標Fig.2 Cabin hoisting process and key monitoring indicators

針對以上關鍵任務，空間站安全監測系統的主要功能包括：

1）監測吊裝產品相對位姿，定量引導吊裝過程；

2）保證在對接面相對10m內系統有測量數據，在0.5m內精度優于5mm；

3）仿真顯示作業過程，設置安全距離進行危險預警；

4）安全監測系統的測量單元尺寸應盡量小，且獨立工作2h以上，并且方便使用、拆卸簡單；

5）手持數據處理終端續航時間大于4h。

2 測量方案的選用

2.1 基于數字化的柔性對接裝配系統方案

數字化柔性對接裝配系統把各艙段裝配成具有完整功能的航天產品，它具有能夠實時檢測各定位點位置數據的能力，并自動裝配各艙段在空間中的位置與方向，實現艙段之間的對接裝配工作［4］。目前，測量設備包括激光跟蹤儀、iGPS測量系統等，在飛機、導彈、衛星等產品的數字化柔性裝配中已有不少應用。由于位姿監測需要采用數字化測量設備進行多目標點并行測量，因此其成本較高，監測準備和部署較為復雜，主要用于柔性裝配過程中部件的位姿調整控制，不太適用于大型艙段快速吊裝的監測需求。

2.2 基于攝影測量的位姿監測方案

攝影測量是指利用光學攝像機獲取目標物體的影像，通過圖像處理技術獲取目標物體的形狀、大小及位置，在航天器對接、地理測繪等領域應用較為廣泛［5］。同時，基于雙目或三目CCD的攝影測量系統也被應用于大型產品的外形逆向工程與型面質量檢測。

基于攝影測量的位姿監測方案包括圖像采集硬件和圖像處理軟件兩部分，其中圖像處理軟件和處理算法的實現是位姿監測的關鍵。通常對原始圖像的處理需要以實際問題為依據進行定制化軟件開發，圖像存儲和處理過程較為消耗資源和時間，因此，其測量成本較高。

2.3 基于超聲測量的距離監測方案

在距離測量方面，應用較為廣泛的技術是基于超聲波的非接觸檢測技術，主要應用于倒車雷達。由探頭發送超聲波，遇到障礙物產生網波信號，傳感器接收到回波信號后，測出發射超聲波和接收到同波的時間延遲，從而計算出車體與障礙物之間的距離［6］。

由于航天器的吊裝是一個復雜裝配過程，對接面的附近可能會有各種突出物的干涉，必須采用分離式對射策略，使用特征點進行航天器姿態定位。分離式對射技術需要進行發射端和接收端的時間同步，在室外對接使用GPS信號較容易實現，但航天器吊裝操作一般都在潔凈廠房內，無法引入GPS信號，使用其他如紅外同步的方式受光線影響較嚴重，測量精度難以達到預期。

2.4 基于多模式的集成監測方案

針對航天器吊裝的精度不高、使用簡單、裝置成本不高的要求，單一測量方式很難滿足，考慮多種簡易測量手段融合的監測方案。分析艙段吊裝的過程發現，在艙段起吊前只需檢測艙段的吊裝姿態，在遠離對接面時只需調整吊裝姿態和確定對接距離，在對接面附近時需要準確測量出對接面的姿態。因此，可采用陀螺、激光測距和數字相機3種測量方式集成的監測方案。

九軸陀螺儀模塊集成高精度的陀螺儀、加速度計、地磁場傳感器，采用高性能的微處理器和先進的動力學解算與Kalman動態濾波算法，能夠快速求解出模塊當前的實時運動姿態。激光測距傳感器先由激光二極管對準目標發射激光脈沖，經目標反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學系統接收后成像到雪崩光電二極管上，從而記錄并處理從光脈沖發出到返回被接收所經歷的時間，即可測定目標距離。數字照相測量是利用數碼相機、數碼攝像機、CCD攝像機、CT掃描、激光照相等圖像采集手段，獲得觀測目標的數字圖像后，再利用計算機數字圖像處理與分析技術，對觀測目標進行變形或特征識別分析的一種通用性很強的現代量測新技術。

對比多種測量方案，單一的測量方式無法滿足吊裝過程快速便捷、成本低的要求，而基于陀螺、激光和相機等多模式的集成測量方案能很好地滿足空間站吊裝監測需求。

3 系統設計方案

3.1 系統總體架構

安全監測系統由軟、硬件兩個子系統組成，又根據上下位機關系，每個子系統分為兩部分。硬件部分包含下位機集成測量單元與上位機手持數據處理終端，二者通過RF信號建立連接；軟件部分包含前端集成數據采集軟件與后端吊裝狀態監測軟件，二者通過特定格式的數據進行通信。系統顯示吊裝件與基準件的相對位姿、速度、加速度等信息，為吊裝操作提供安全預警與作業定量指導。系統總體組成圖3所示。

圖3 系統總體組成Fig.3 Structure of the system

3.2 硬件系統設計

如圖4所示，集成測量單元將供電模塊、數據處理模塊、多傳感器模塊以及RF模塊集成于一體，封裝到鋁制外殼中，尺寸在150mm×150mm×150mm以內，連接部分均用螺栓連接，陀螺儀使用樹脂粘貼到殼體上，其他模塊使用卡槽固定于殼體中。

集成測量單元中的多傳感器模塊采集到數據，通過串口方式傳輸至數據處理模塊，經數據解析與時間對齊，由RF模塊將數據包回傳至上位機，進行位姿解算與后續處理。進行總裝時，集成測量單元通過底部定位孔安裝于吊裝產品上，與之配合的相機靶標安裝于停放產品或工裝上，操作人員手持工業平板電腦進行吊裝產品狀態監測。

圖4 集成測量單元Fig.4 Integrated measuring unit

供電模塊由兩塊移動電源組成，移動電源容量均為5000mA時，一塊電池為數據處理模塊的小型計算機供電，一塊為多傳感器模塊中的HUB以及RF模塊供電，兩塊電池完全足夠支持整套集成測量設備工作4h及以上。

視覺測量模塊利用工業相機采集目標圖像后，對觀測靶標進行特征識別處理為特征點，利用多點對PNP算法計算相機外參數，最終處理為相對位姿。視覺測量模塊解算步驟為：1）進行相機內參數的標定，采用張正友標定法；2）通過在世界坐標系Ow-xyz指定位置安放多個 （通常放置6個）靶標點，或是任意安放靶標點后依靠第三方測量儀器確定其位置，可以獲得靶標點在Ow-xyz下的三維坐標；3）根據圖像處理方法獲得靶標點對應的二維圖像坐標，構建PnP（Perspective-n-Point）問題模型；4）根據 EPnP （Efficient Perspective-n-Point）算法求解相機在世界坐標系中位姿。

激光測距模塊為小型激光測距模塊，測量范圍為0.05m～50m，測距精度最高可達1mm，測距頻率為20Hz，支持USB2.0通信。姿態測量模塊由九軸陀螺儀構成，集成高精度的角速度計、加速度計、磁力計，采用高性能的微處理器和先進的動力學解算與Kalman動態濾波算法，能夠快速求解出模塊當前的實時運動姿態。

數據傳輸模塊（RF射頻）采用射頻通信的方式進行低功耗的數據傳輸；高速率，空速最高可達100kbps，傳輸延遲短；高穩定性，采用軟硬件看門狗雙重保護，保證系統的長期穩定性，與抗干擾能力低功耗，休眠電流僅1.7μA；自動分包，適合組網，支持多種串口波特率，支持透明傳輸模式；使用方便，即插即用，支持點到點、點到多點、串口到串口的應用；安全性：傳輸內容只包含不超過120字節的相對位姿信息。

靶標由6個靶標點組成，靶標點分為正方形與圓形兩種形狀，目的是區分周向轉角。每種靶標點通過邊緣提取、重心計算等過程將圖像轉換為視場下的坐標點，利用實際與圖像中6個點的對應關系，可以獲取相機與靶標相對位姿。由于相機視場角一定，所測量位姿z向距離越短，則靶標板面積越小，反之越大，其上靶標點的面積也相應變化，保證靶標板始終在視場內。

手持數據處理終端采用普通的平板電腦，操作系統Windows10，存儲容量64G，系統內存4G，續航能力10h，安裝自研上位機軟件。接收集成測量單元回傳的相對位姿數據，在三維可視化界面中實現對接模型的仿真運動，具有對接過程安全示警與相對位姿關鍵測量值、速度、加速度定量顯示功能。

3.3 軟件系統設計

空間站吊裝安全監測軟件系統，通過吊裝過程中的數據采集、解析、轉移、處理、顯示等一系列過程，支持用戶實現對于吊裝過程的監測。軟件采用簡潔、友好的人機交互界面實時展示測量數據、計算結果數據、三維仿真動畫，用于測量吊裝件相對于基準件的相對位姿，實時監控吊裝過程，實現吊裝過程的仿真運動，并對運動過程中可能到達安全閾值的情況進行示警，能夠有效輔助、引導操作人員完成吊裝作業。其主界面如圖5所示。

圖5 空間站艙段吊裝安全監測軟件系統Fig.5 Safety monitoring software system for space station hoisting

軟件系統基于Windows系統利用C++編程語言開發，采用.NET Framework編程模型與MFC框架編程實現軟件系統各模塊的業務邏輯，傳感器數據通過串口通信協議采集，同時集成OpenCascade三維模型引擎和OpenCV計算機視覺庫。通過測量信息融合、數據濾波處理、相對位姿擬合、位姿變換實現運動數據分析。

3.4 測量單元校準標定

集成測量單元通過外殼的基準孔與被測物固連，而各傳感器測量坐標系與外殼的設計坐標系關系未知，需要進行標定，以實現將不同傳感器測量位姿數據統一于外殼設計坐標系下，即完成多傳感器模塊與測量單元外殼關系的提前標定。然后建立吊裝產品與測量單元的位置關系，即可將吊裝位姿求解轉換為對設備外殼位姿的求解。利用機器人可以完成相機、陀螺、激光傳感器與集成測量單元的標定，如圖6所示。

圖6 傳感器標定Fig.6 Sensor calibration

相機與陀螺的標定屬于典型的手眼標定問題，由Navy手眼標定算法［7］可知，可以使機器人運動到多于3個不同位置，同時記錄機器人與傳感器測量到的位姿，建立優化問題，通過最小二乘擬合求解。激光的標定以相機和陀螺儀標定結果為參考，聯立光點在靶標平面方程、激光測量距離方程和空間線段方程，可以得到在集成測量單元設備外殼坐標系下的激光發射點坐標與激光束的發射方向。

3.5 應用方案

進行裝配吊裝前，根據艙體的幾何外形特點選擇集成測量單元的安裝位置。使用緊固件牢固安裝在吊裝艙段或工裝表面，相機鏡頭的對應位置粘貼靶標，確保相機鏡頭與靶標點間無遮擋，如圖7所示。首次吊裝需導入吊裝件和基準件的三維模型，準確標定出相機與靶標在吊裝系統坐標系下的位置。后續再進行吊裝時，集成測量單元和靶標保持不變，即可快速獲得艙段的姿態，同時給出現有姿態與對接目標姿態間的差值，從而量化吊裝過程中位姿參數。

圖7 集成測量單元與靶標安裝約束Fig.7 Installation constraints between integrated measuring unit and target

4 系統性能驗證

如圖8所示，空間站吊裝安全監測系統進行了兩種吊裝工作模式的試驗驗證。驗證10m范圍內吊裝產品位置檢測靈敏度及精度，0.5m范圍內吊裝產品的相對位置的精度，驗證吊裝過程艙體位置的實時監測與可視化顯示。實驗結束后，復原吊裝對接過程，并測試電源系統工作能力。

圖8 系統性能驗證流程圖Fig.8 Flow chart of system performance verification

模式1為首次吊裝過程：適用于吊裝件與基準件首次吊裝工況。集成測量單元能夠引導首次吊裝過程的進行，待裝件與基準件吊裝到位時的相對位姿數據基于設計值，即來源于三維模型參數。

模式2為復原吊裝過程：將上一次吊裝完成后待裝件最終位姿設為目標位姿，適用于裝配完成分離后恢復吊裝的工況。待裝件與基準件吊裝到位時的相對位姿數據為之前吊裝到位的數據，引導恢復原吊裝的工況。

兩種工況均在實驗室和總裝現場進行了驗證。實驗室驗證時，機器人作為運動執行機構模擬吊車，轉接板安裝面模擬吊裝件對接面，集成測量單元通過轉接板安裝于機械臂末端，貼有靶標點的平板模擬基準件至于平整地面上，機械臂運動模擬吊車運動來完成兩個吊裝過程的試驗驗證。實物驗證時，集成測量單元安裝在艙段對接面附近，靶標板安裝在垂直支架上，現場吊車指揮人員根據手持終端的指導，調整天車使航天器在天車的運動下與垂直支架進行對接，對接面緊固螺栓連接順暢，證明吊裝成功。

經過試驗驗證，吊裝安全監控系統的相關性能滿足各項要求指標，如表1所示。

表1 吊裝安全監測系統性能指標Table 1 Performance index of hoisting safety monitoring system

5 結論

本文根據空間站吊裝安全監測的特點，提出了一種多測量模式集成的吊裝安全監測系統方案。通過對吊裝過程數據的采集與解析，獲取吊裝件與基準件的相對位姿，以三維可視化的方式顯示作業過程并且進行安全閾值示警，實現對吊裝過程的實時監測，以及定量引導與輔助航天器艙段吊裝作業過程。與傳統的監測系統設計相比，具有功耗低、可靠性高、抗干擾能力強、成本低和操作簡便等顯著優點。該吊裝安全監測裝置具有較強的通用性，可用于類似的產品吊裝監測和過程分析，對提高企業安全生產將起到重要推動作用。系統在未來可以集成應力傳感器，將應力信息納入整個吊裝安全監控，使單個集成測量單元所獲取的信息更豐富；還可以利用多個集成測量單元組網使用，將測量的基準擴大，從而適應更高精度監測系統的需求。

［1］周建平.我國空間站工程總體構想［J］.載人航天，2013， 19 （2）： 1-10.ZHOU Jian-ping.Chinese space station project overall vision［J］.Manned Spacelight， 2013， 19 （2）： 1-10.

［2］王永志.實施我國載人空間站工程推動載人航天事業科學發展［J］. 載人航天， 2011， 17 （1）： 1-4.WANG Yong-zhi.Launching manned space station project and promoting the development of China's manned space engineering［J］.Manned Spacelight， 2011， 17 （1）： 1-4.

［3］杜瑞兆，胡瑞欽，邢帥，等.液壓定位器在航天器吊裝中的應用分析［J］.江漢大學學報 （自然科學版），2015， 43 （6）： 566-570.DU Rui-zhao， HU Rui-qin， XING Shuai， et al.Analysis of application of hydraulic positioner in spacecraft hoisting［J］.Journal of Jianghan University （Natural Science Edition）， 2015， 43 （6）： 566-570.

［4］董耀軍.基于數字化的航天產品柔性化對接裝配方法研究［C］.中國航天科技集團公司數字化制造論壇，2011.DONG Yao-jun.Research on flexible assembly method of aerospace products based on Digitalization［C］.China Aerospace Science and Technology Corporation Digital Manufacturing Forum，2011.

［5］范容謙.基于機器視覺的位姿測量關鍵技術研究［D］.重慶大學，2014.FAN Rong-qian.Key technology research on visual measurement based on machine vision［D］.Chongqing University，2014.

［6］朱維杰，于湘珍.基于超聲波測距的自適應倒車雷達設計［J］. 汽車電器， 2009 （4）： 15-17.ZHU Wei-jie，YU Xiang-zhen.Design of self-adaptive reverse radar based on ultrasonic ranging［J］.Auto Electric Parts， 2009 （4）： 15-17.

［7］Park F C， Martin B J.Robot sensor calibration solving AX＝XB on the euclidean group［J］.IEEE Transactions on Robotics ＆ Automation， 1994， 10 （5）： 717-721.