機器視覺的火箭連接器自動對接檢測技術研究

王健博，陳雨，白煥旭，張桃源，郄曉斌

(北京航天發射技術研究所，北京 100076)

0 引言

運載火箭在運達發射陣地后處于加注狀態時，在風擺的影響下會做小幅無規律晃動，文獻[1-2]分析了箭體的運動對連接器造成的影響，箭體帶動連接器作無規則的微小擺動。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。由于箭體風擺和下沉會帶動安裝于勤務塔擺桿上的連接器同時運動，且連接器同箭體上加注口閥門固聯，會給箭體帶來較大的內應力，影響連接的可靠性和密閉性，嚴重時導致連接器脫開、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，可以根據火箭箭體運動隨動，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[3]中提到俄羅斯的技術以觸覺檢測作為偏差測量主要手段，雖然結構簡單可靠、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。美國國家航空航天局(NASA)在文獻[4-6]中提到研制了一種可用于運載火箭的遠程智能臍帶對接系統。如圖1所示，該自動對接系統可實現任意時刻箭體連接、分離以及再對接。在臍帶對接的過程中，由安裝于對接系統的傳感器檢測箭體運動前后位移偏差，自動對接系統控制終端接收來自于傳感器的空間位置信息。并對其進行解算，求出位移偏差量，驅動運動終端實現連接器在x，y，z3個方向上的運動，實現連接器與箭上閥門的隨動，實現連接器和箭體準確對接。

在文獻[7-9]中提到上海交通大學研發出一種能夠實現自動對接與脫離的工程樣機，其研制出的實驗樣機如圖2所示，該系統通過火箭箭體加注口閥門周圍的4個螺釘孔實現對接機構與箭體活門的相對連接固定，對樣機的操控方式有2種：分別為近控及遠控，可實現所需的對接與撤收動作，采用可變剛度柔順設計，實現了柔順對接及應對大泄漏等意外情況的快速再對接，解決了推進劑加注過程中最危險環節的自動化操作問題。

參考文獻[10-11]提出的激光及視覺測量位姿系統，本文設計了一種自動對接偏差測量系統，連接器與火箭箭體閥門對接后，能夠通過光學攝像機實時檢測特定標志(人工靶標)的位置，同時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。控制執行機構動作以調整連接器的位置，使得連接器和箭體上的對接口實現精確對接。完成對接并鎖緊后，實現連接器隨箭體一起擺動。采用隨動技術可以大大減小連接器及其管路對箭體接口的作用力，對箭體結構有利，并且可以隨時直接和火箭箭體進行對接或分離，大大縮短對接和脫落的時間，有助于實現火箭的快速發射，提高了安全可靠性。

根據連接器自動對接技術及二次對接技術中對偏差測量的任務需求，提出了基于動態方位檢測對準技術的偏差測量系統(以下簡稱測量系統)，本方案如圖3所示，采用光學攝像機獲取特定目標的視頻圖像，快速提取視頻圖像中的隨機運動目標，輔以激光測距傳感器精確識別隨機運行目標的位姿信息，并輸出至伺服機構，以實現目標位置和姿態的精確控制。

后文描述中所提及的方向以連接器為定義對象，沿連接器長度方向為伸縮方向(z軸)，水平面內軸向法線方向為橫移方向(x軸)，第3坐標軸方向為浮沉方向(y軸)，繞垂直軸方向為橫擺(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(橫滾角γ)，如圖4所示。

2 系統方案

2.1 系統工作過程

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

圖5中，圖像采集處理主機實時采集由攝像機輸入的標靶視頻圖像；標靶檢測模塊通過模式匹配從標靶視頻圖像中快速確定標靶所在范圍；靶元檢測模塊針對標靶所在范圍通過圖像分割與目標跟蹤確定靶元所在位置；靶心估計模塊根據靶元所在位置通過光束平差估計靶心位置；向元檢測模塊針對標靶所在范圍通過圖像分割與目標跟蹤確定向元位置；靶向估計模塊在垂直于攝像機視線方向的像平面內根據向元位置估計標靶主方向，輸出旋轉角；距離采集模塊實時采集安裝在機構上的3個激光測距傳感器的測距數據；傾角估計模塊沿著攝像機視線方向通過分析激光測距傳感器的偏差估計攝像機相對于標靶的傾斜程度，輸出高低角與方位角；位姿估計模塊根據估計所得的標靶位姿數據結合標靶與目標的相對位置信息估計目標的位姿數據。

2.2 成像系統

目標的位姿識別依賴于能否精確提取標靶圖像中的靶元與向元，必須保證攝像機在整個工作行程范圍內都要能對靶元與向元清晰成像，因此，選擇合適的攝像機與光學鏡頭是系統實現的前提。根據目標隨機運動的頻率范圍(0.1～2 Hz)，本系統選用模擬攝像機，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(即像元個數)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工作行程范圍而定，技術指標要求目標與攝像機之間的距離為0.05～1 m，且相距1 m時目標隨機運動幅度為0.5 m。獲得清晰物像，目標與攝像機之間的距離必須大于鏡頭的最短成像距離，該參數是鏡頭的固有參數，由生產工藝確定，可由鏡頭參數表查得。若設鏡頭的最短成像距離為0.2 m，則得攝像機工作行程范圍為0.2～1.2 m。

在攝像機工作行程最遠端D=1.2 m，根據技術指標要求可知圖像覆蓋的物理空間范圍至少滿足300 mm×200 mm，此時目標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的圖像長度為l=2.88 mm，根據薄透鏡成像的幾何光學原理計算鏡頭焦距f。

實際上無法任意選取鏡頭參數，必須根據實際可選配參數選擇鏡頭，經過比對，選取參數最接近的鏡頭。實際應用中，可選擇變焦鏡頭或定焦鏡頭，變焦鏡頭使用靈活，適應性強但不便于調校，因此本文選取定焦鏡頭。經過比對，選取鏡頭焦距f=5 mm，最短成像距離為0.2 m。可以驗證，相距鏡頭1.2 m處，圖像可覆蓋的空間范圍垂直方向為1.09 m，滿足技術指標要求。

2.3 靶標設計

基于機器視覺的測量技術中，圖像處理技術是其中的關鍵，為滿足處理的實時性，處理方式一般分成形狀檢測和模式匹配2種。形狀檢測主要根據待測物的幾何特征進行檢測，包括圓檢測、線檢測等；模式匹配則首先根據待測物的區別于周邊環境的差異性對其進行提取，然后對待測物進行檢測，得到相對的偏差量。人工標靶的設計是系統實現的關鍵要素[13]。針對研究目標和技術要求，以易于檢測與跟蹤為原則設計人工標靶[14-15]，如圖6所示為本方案設計的人工標靶。為提高視頻圖像中標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為要素設計標靶，考慮到攝像機的相平面與標靶間可能存在相對旋轉，為便于提取與跟蹤目標，采用具有旋轉不變性的實心圓作為靶元，采用圓心共線的多個實心圓組合作為向元。在實際工作過程中，首先檢測8個靶元整體所在位置，在此過程中，如果有遮擋發生，由于靶元作為一個整體，其幾何關系事先已知，因此可以通過靶元共圓心對標靶的整體偏差值進行求解，由于三點即可求出圓心，因此系統抗遮擋性較強。求出圓心之后，根據幾何關系及向元檢測結果，可以得到標靶相對于相機的方位俯仰偏差，結合小孔成像原理，可求出連接器相對于相機在橫移和浮沉方向上的偏差。

2.4 靶心位置識別

要識別目標的位姿，首先得準確檢測標靶，準確提取標靶中的靶元與向元，然后再通過穩健統計估計關鍵參數。如圖7所示為標靶圖像分析結果。

圖7中，a)為原始標靶圖像，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，是對原始標靶圖像作閾值化處理得到的圖像分割結果，由于標靶采用了高對比度設計，因此在較寬的范圍內選擇閾值對標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，二值圖像中實心圓區域清晰可辨、背景干擾相對較少；c)為標靶檢測結果，圖中方框標示檢測到的實心圓，多個圓心共圓的實心圓確定標靶區域，通過模式匹配(霍夫變換)可以準確提取圓心共圓的多個實心圓；d)為靶元檢測結果，標靶區域內只有圓心共圓實心圓才是靶元，可用于靶心估計，圖中綠點標示的面積較大的實心圓為靶元，藍線標示靶元中心連線；e)為靶心估計結果，靶心位置由綠十字標示，理論上，多個靶元中心連線的中垂線將交匯于一點，該點即為靶心。實際上，多個中垂線無法匯集于一點，可以通過光束平差法估計一點，該點滿足到各中垂線的距離總和最短，這樣可以減少估計誤差；f)為標靶主方向的估計結果，圖中綠點標示的面積較小的實心圓為向元，藍線標示標靶主方向，為減少估計誤差，標靶主方向由多個向元中心，距離向元最近的靶元中心及靶心通過一元線性回歸估計求得。通過標靶圖像分析，可以準確識別攝像機視線與靶面交點相對于靶心的位置偏差(xd，yd)，標靶主方向在攝像機像平面內的橫滾角γ。實際上，攝像機在標靶座標系內的三維位姿信息并未得到。要獲得真實的三維位姿信息，需要測得攝像機像平面與標靶平面的傾角關系(方位角和俯仰角)，具體測角方案參見第2.4節。

2.5 測角與測距

本方案采用3個激光測距傳感器實現測角安裝關系與位置，如圖8所示。架設機構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個激光測距傳感器分別測量攝像機與標靶之間的距離，通過分析距離差來估計沿著攝像機視線方向的傾角，輸出俯仰角β與方位角α，兩者計算原理相同。

以方位角的估計為例，設配對的2個激光測距傳感器1和激光測距傳感器3進行平行測距，相距為定值D31，獲得距離差Δd，根據三角原理計算方位角α。

α=arctan(Δd/D31).

(2)

同理計算俯仰角β，進一步，可由3只激光測距傳感器所測距離的均值估計得到攝像機光心到標靶的距離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對應測角變化4.89′。

2.6 位姿識別

攝像機與標靶相對位姿關系的完整描述需要6個參數，即攝像機的光心在標靶坐標系3個坐標軸上的位置(x,y,z)與攝像機的光軸圍繞3個坐標軸的傾角(α,β,γ)。成像時，攝像機視線與標靶相交，根據攝像機光心到靶面交點的距離zd，經簡單推算可得攝像機光心在標靶坐標系內的坐標(xc,yc,zc)。

xc=-zdsinαcosγ+zdsinβsinγ,

(3)

yc=-zdsinαsinγ-zdsinβcosγ,

(4)

zc=zdcosαcosβ.

(5)

根據靶心位置偏差(xd,yd)作修正，可得攝像機在標靶坐標系內的正確坐標。

z=zc.

(8)

3 試驗驗證

如圖9所示為本測量系統試驗平臺，其中并聯機構可實現六自由度的運動，目標模擬工裝架設在一個三自由度的滑臺上。通過編程實現滑臺三自由度運動來模擬火箭運動，測量系統通過識別標靶圖像及距離信息實現連接器與閥門的自動對接。由于連接器采用的結構設計可以適應一定范圍內的角度變化，因此在試驗過程中，重點考核測量系統在橫移、伸縮、浮沉3個方向上位移的測量準確程度。

由于閥門運動無法直接觀測，且滑臺運動分辨率為0.1 mm，則在本實驗中將滑臺輸出的位移量設為真值，用以評價測量系統輸出偏差值準確程度。

由于目的是考核測量系統的測量精度，因此調整并聯機構，使并聯機構上測量系統安裝基面平行于目標模擬工裝安裝基面，減弱安裝面不平行帶來的測量誤差。保持并聯機構空間位置固定，驅動滑臺運動，并記錄數據。如圖10～12所示即為3個軸的相對位移測量誤差曲線，橫坐標表征系統測試時間，由于系統輸出測量值的頻率為相機頻率，因此橫坐標為相機采集幀數，縱坐標為3個方向上的相對位移變化。可以看出，測量系統的測量精度滿足技術條件要求，測量精度可達到1 mm。

4 結束語

為實現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的實現方案。該方案原理清晰可行，通過實現對人工靶標的姿態識別間接得到火箭閥門的位置及姿態，可實現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致的應力，提高了連接器密封的可靠性，有利于提高發射效率和安全性。