十年匠心，精益求“睛”——為我國空間站機械臂鑲上“慧眼”

十年匠心，精益求“睛”——為我國空間站機械臂鑲上“慧眼”

天和機械臂是支持中國空間站組裝、運營、維護和空間應用的重要技術手段，是空間站核心艙的重要分系統。北京空間機電研究所為天和機械臂配置了5臺智能相機，用于近距離目標檢測、識別、三維位姿測量以及三維運動測量，向世人呈現了機械臂在軌工作的高清智能視頻畫面。研究所十年匠心打造的“慧眼”，為我國空間站天和機械臂的在軌良好運行提供了全方位技術支持。

這5臺智能相機包含2臺腕部相機、1臺肘部相機和2臺對接相機。2臺腕部相機分別安裝在機械臂兩端的執行器上，以監視末端執行器的工作，并對近距離空間合作目標進行檢測、識別和連續測量，引導機械臂末端執行器完成對目標的捕獲。肘部相機安裝于肘部關節，為機械臂操控提供必需的圖像視覺信息，并監視機械臂工作區域。2臺對接相機安裝在“天和核心艙”節點艙對接機構附近，監視對接局部操作區域，并對近距離空間合作目標進行檢測、識別和連續測量，引導機械臂完成“問天實驗艙”、“巡天實驗艙”與“天和核心艙”的換位對接。

機械臂的5臺相機具有嚴苛的大視場、低畸變、高相對照度、高能量集中度要求，相關指標優于目前在軌運行的其他成像測量相機，且具備高清彩色成像、三維位姿測量、LED主動照明、H.264視頻壓縮、自動曝光、自動白平衡處理、百兆以太網等諸多功能，是光、機、電、熱、智能算法高度集成的成像測量相機。

由于空間站軌道傾角較大，而“天和核心艙”機械臂又具有7個自由度，因此機械臂相機所處的成像環境和外熱流均處于不斷變化之中。在這種情況下，如何保證相機能夠安全可靠地完成交會對接等復雜任務是必須面對且從未碰到過的難題。項目團隊抽絲剝繭層層深入，通過內因與外因辯證分析、仿真與實驗相互印證、深挖任務剖面與邊界條件，最終明確了相機成功包絡線。

隨著國產化和平臺化設計的要求，機械臂相機研制過程中，采用了很多“首次使用”的芯片和設計方案，也因此遇到了很多難啃的骨頭。機械臂相機對電子學設計的一致性、穩定性等均有著特殊的要求，同時為了能夠兼容空間站平臺，相機采用了1 080P高清H.264視頻壓縮和百兆以太網數據傳輸。這些在民用領域已經相對成熟的技術，受硬件芯片能力的限制，在宇航化時卻面臨著各種各樣的工程應用難題。項目團隊匠心獨運，著力于新的高性能嵌入式平臺的宇航工程化應用，完成了工程技術攻關和環境適應性驗證，為相機打造了一個可靠的高性能硬件平臺。

“天和核心艙”入軌以來，我國空間站機械臂的一系列操作引起了世界廣泛關注，而機械臂相機是鑲嵌在機械臂上的“慧眼”，經過項目團隊10年精益求“睛”的匠心打造，實現了“看得清、辯得明、測得準”。

（供稿：張青春）