孫露萍　張文昌　王志華　王振文　任志墨　張倩

摘要：針對艙段對接裝配需求，結(jié)合艙段對接工藝過程，提出一種基于2D激光位移傳感器的艙段自動對接測量方法。首先將待對接艙段調(diào)整至相距基準艙段約50 mm待裝位，采用2D激光位移傳感器檢測兩艙段對接處三個點位的2D輪廓偏差，計算得到待對接艙段除自轉(zhuǎn)角外的5個自由度位姿；然后根據(jù)兩艙段法蘭端面上的豁口特征，通過掃描兩個艙段法蘭豁口位置，計算得到待對接艙段自轉(zhuǎn)角；最后將結(jié)果反饋至控制系統(tǒng)，驅(qū)動執(zhí)行機構進行位姿的調(diào)整。通過引入誤差的仿真并結(jié)合對接實驗對所提方法進行了驗證，結(jié)果表明，所提方法測量精度高，對接效果良好，能夠滿足艙段自動對接需求，有效提高了自動對接系統(tǒng)的效率、穩(wěn)定性和一致性。

關鍵詞：艙段自動對接；2D激光位移傳感器；圖像處理；位姿測量

中圖分類號：TP242

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.09.013

Measurement Method of Cabin Automatic Docking Based on 2D Laser Displacement Sensor

SUN Luping1，3 ZHANG Wenchang1，3 WANG Zhihua WANG Zhenwen1，3 REN Zhimo1，3 ZHANG Qian1，3

Abstract： In view of the docking and assembly requirements of the cabins， a method for automatic docking measurement was proposed based on 2D laser displacement sensor in combination with the docking processes of the cabins. The displacement sensors detected the 2D contour deviation of the three points at the docking points of the two cabins， and calculated the pose of the cabins to be docked with 5 degrees of freedom except for the rotation angle; The positions of the flange gap in the cabins were calculated to obtain the rotation angle of the cabins to be docked. Finally， the results are fed back to the control system to drive the actuator to adjust the pose. The proposed method was verified by introducing error simulation and combining with docking experiments. The results show that the automatic docking method has high measurement accuracy and good docking effectiveness， which may meet the needs of cabin automatic docking， and improve the efficiency and stability of the automatic docking systems effectively.

Key words： cabin automatic docking; 2D laser displacement sensor; image processing; pose measurement

0 引言

艙段對接是航天領域生產(chǎn)制造中的重要一環(huán)，對接的精度和穩(wěn)定性直接影響總體性能的優(yōu)劣。目前國內(nèi)艙段對接作業(yè)采用人工的方式，對接效率低，質(zhì)量難以保證。艙段對接中，兩艙段相對位姿測量的精度和效率是該任務的需求難點，因此，研發(fā)高精度、高效率的艙段自動對接系統(tǒng)具有十分重要的現(xiàn)實意義。

早期的艙段類部件測量方式是通過三坐標測量機和關節(jié)式測量臂完成的，但裝置體積大并且需要人力移動測頭完成測量，難以滿足自動化需求，并且這種接觸式測量方法可能會對表面造成損傷 ［1-2］。國內(nèi)外研究人員提出采用激光跟蹤儀的非接觸式測量方法完成艙段位姿測量［3-4］，這種方法精度高，測量范圍廣，但該測量手段需借助靶標，即先將靶標布置在被測物體上，再使用激光跟蹤儀采集靶標位置計算艙段位姿，不便于現(xiàn)場實施［5-8］。近年來，機器視覺技術的快速發(fā)展為工業(yè)自動化提供了新思路。宋興君［9］通過在艙段布置多個特征點，結(jié)合雙目視覺技術檢測特征點的三維坐標，完成了艙段姿態(tài)的測量。金賀榮等［10-11］同樣基于該模式的雙目視覺技術，提出了一種矢量位姿求解方法，獲得了較好的測量效果。2D激光輪廓傳感器的出現(xiàn)為脫離靶標的測量方式提供了新思路。上海航天精密機械研究所和西安電子科技大學提出了一種多傳感器測量的艙段自動對接方法，使用2D激光輪廓傳感器掃描艙體外輪廓計算除自轉(zhuǎn)角外的5個自由度位姿，使用CCD傳感器測量艙段自轉(zhuǎn)角，完成艙段的整體位姿測量［12-14］，受限于傳感器測量范圍，針對大直徑艙段的高精度測量，該方法代價較高。

本文結(jié)合艙段對接工藝過程，提出了一種基于2D激光位移傳感器的艙段自動對接方法。首先將兩個艙段調(diào)整至相距約50 mm處，采用2D激光位移傳感器檢測兩艙段對接處三個點位的2D輪廓偏差，計算得到兩艙段除自轉(zhuǎn)角外的5個自由度位姿；根據(jù)艙段法蘭對接面上的豁口特征，通過掃描兩個艙段法蘭豁口位置，計算得到艙段自轉(zhuǎn)角。最后將結(jié)果反饋至控制系統(tǒng)，驅(qū)動執(zhí)行機構進行位姿的調(diào)整。通過引入誤差的仿真并結(jié)合對接實驗對所提方法進行了驗證。

1 艙段位姿測量硬件系統(tǒng)

1.1 硬件系統(tǒng)的搭建

艙段對接系統(tǒng)的整體實物圖見圖1，該系統(tǒng)主要由艙段、艙段位姿測量單元、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構組成。其中，艙段由基準艙段和待對接艙段兩部分組成，兩艙段的法蘭上均勻分布著同等大小的銷孔，在兩艙段法蘭的底部分別有一個徑向?qū)挾?0 mm、軸向深度30 mm的豁口；艙段位姿測量單元由2D激光位移傳感器、工控機、圖像處理軟件組成；執(zhí)行機構由4個抱環(huán)、4個支撐小車、導軌等組成。

圖2為該測量系統(tǒng)的局部實物圖，2D激光位移傳感器通過連接板安裝在環(huán)形軌道上，可以實現(xiàn)在軌道上勻速運動。通過采集艙段對接處不同位置的輪廓數(shù)據(jù)及底部兩艙段的豁口輪廓信息計算兩艙段的相對位姿，最后將姿態(tài)數(shù)據(jù)反饋至控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)驅(qū)動執(zhí)行機構調(diào)整艙段的位姿，完成對接作業(yè)。

1.2 2D激光位移傳感器

2D激光位移傳感器由激光發(fā)射器和CCD相機組成，其工作原理如圖3所示，激光發(fā)射器垂直投射到被測工件表面，相機以θ角對工件表面的激光條紋進行采集。由于受到待測工件表面實際形狀的影響，激光發(fā)射器投射的直線型激光會發(fā)生變形，相機記錄變形的待測表面激光信息。因為CCD相機、激光發(fā)射器和被測工件之間的位置關系是確定的，故使用光學三角測量法建立該圖像采集系統(tǒng)的數(shù)學模型，可以快速對被測物體表面深度信息進行計算，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)即可還原出被測物體的表面三維形貌。

以傳感器端面某一點為原點，定義傳感器局部坐標系OcXcYcZc，沿著激光線方向為Xc，沿著物體掃描方向為Yc，傳感器深度方向為Zc。

2 艙段的位姿計算

2.1 姿態(tài)測量原理

如圖4所示，以基準艙段端面中心為原點，定義基坐標系ObXbYbZb，艙段端面的軸線方向定義為Xb軸，艙段端面水平方向定義為Yb，艙段端面豎直方向定義為Zb。定義傳感器全局坐標系OwXwYwZw，其方向和基坐標系方向一致。

待對接艙段的相對位姿記為（xb，yb，zb，α，β，γ），其中xb、yb、zb表示待對接艙段相對于基準艙段的平移關系，α、β、γ表示待對接艙段相對于基準艙段繞三個軸的旋轉(zhuǎn)關系。待對接艙段端面圓中心坐標記為Om，即

采用2D激光位移傳感器在三個檢測位置對兩艙段對接圓上的三對點位進行檢測，得到艙段端面的輪廓偏差，使用位姿求解算法求得兩艙段除自轉(zhuǎn)角α外的5個自由度位姿，再使用該激光位移傳感器對兩艙段底部的豁口處進行徑向掃描得到兩個豁口的徑向偏差S，進而計算得到自轉(zhuǎn)角α，從而完成兩艙段相對位姿的測量。

2.2 位姿求解算法

采用2D激光位移傳感器獲得基準艙段中Q1、Q2、Q3和待對接艙段中Q′1、Q′2、Q′3處的輪廓偏差轉(zhuǎn)化至傳感器局部坐標系中，表示為Pc11、Pc12、Pc13、Pc21、Pc22、Pc23。將這六個點從傳感器局部坐標系中轉(zhuǎn)化到傳感器全局坐標系下表示為Pw11、Pw12、Pw13、Pw21、Pw22、Pw23，即

式中，R1為檢測位置2的傳感器局部坐標系到傳感器全局坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣；T1為檢測位置2的傳感器局部坐標系到相機世界坐標系的平移矩陣；R2為檢測位置3的傳感器局部坐標系到傳感器全局坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣；T2為檢測位置3的傳感器局部坐標系到傳感器全局坐標系的平移矩陣。

Q1、Q2、Q3、Q′1、Q′2、Q′3處六個點在基準艙段基坐標系下表示為Pb11、Pb12、Pb13、Pb21、Pb22、Pb23。由于基坐標系和傳感器全局坐標系只存在平移關系，所以存在以下關系：

3 仿真分析與實驗

3.1 仿真分析

由于豁口的識別僅為了計算兩艙段軸向角度，故只通過兩艙段對接處3個點位的2D輪廓偏差求取兩艙段除自轉(zhuǎn)角α外的5個自由度位姿進行仿真驗證。以直徑700 mm的艙段為例，所選測點位置為：θ1=-90°，θ2=90°?；鶞逝摱蔚?個特征點坐標見表1。

假定待對接艙段存在以下3組位姿偏差，見表2?？紤]到艙段加工引起的誤差，每個測點數(shù)據(jù)引入0.05 mm量級的誤差，待對接艙段3個特征點坐標見表3。

采用本文方法的仿真結(jié)果見表4?？芍抡孀R別結(jié)果比較理想，在引入0.05 mm誤差的條件下，仿真結(jié)果位置誤差小于0.1 mm，角度誤差小于0.01°。

3.2 實驗

針對某直徑為700 mm的該艙段，采用SickRulerXR150傳感器，該傳感器的視場寬度為106～146 mm，工作距離為85～145 mm，Z方向

分辨率為4～7 μm，該配置完全滿足艙段姿態(tài)測量的精度要求。

具體的姿態(tài)測量和調(diào)整流程如圖9所示。將兩艙段調(diào)整至50 mm待裝位，首先使用2D激光位移傳感器在三個檢測位置處采集兩艙段的輪廓信息及底部豁口位置信息，求得當前艙段的相對姿態(tài)數(shù)據(jù)xb、yb、zb、α、β、γ。首先判斷α、β、γ是否達到精度要求，如果沒有達到精度要求則驅(qū)動執(zhí)行機構調(diào)整α、β、γ角度；如果達到要求則再判斷yb、zb是否達到精度要求，如果沒有達到要求則驅(qū)動執(zhí)行機構調(diào)整yb、zb，否則驅(qū)動執(zhí)行機構前進xb完成對接。

待對接艙段法蘭端面圓采用2D輪廓傳感器對艙段對接端面的三個位置進行檢測和處理，處理的結(jié)果如圖10所示，圖10a～圖10c所示分別是三個位置的兩艙段對接圓的輪廓信息，橫軸代表傳感器局部坐標系中的Xm方向，縱軸代表傳感器局部坐標系中的Zm方向。根據(jù)這些輪廓信息用姿態(tài)求解算法可求得除自轉(zhuǎn)角外的5個自由度位姿。圖10d表示豁口位置的圖像處理結(jié)果，根據(jù)求得的豁口輪廓特征求解艙段的自轉(zhuǎn)角α位姿。

圖11a所示是兩艙段在某一姿態(tài)下對接前的狀態(tài)，圖11b所示是對接完成后的狀態(tài)。該姿態(tài)下兩艙段對接過程中的姿態(tài)數(shù)據(jù)見表5，可知檢測6個循環(huán)即可完成艙段的對接。

經(jīng)過多次實驗驗證，在兩艙段處于不同位姿狀態(tài)下，使用該姿態(tài)測量方法和姿態(tài)調(diào)整機構均能順利完成對接。

4 結(jié)論

（1）采用2D激光位移傳感器對加工精度符合要求的艙段法蘭對接面的3個位置進行檢測得到對接處的輪廓偏差信息，計算得到待對接法蘭圓上3個點的空間坐標，進而解得待對接艙段相對于基準艙段的除自轉(zhuǎn)角的5個自由度位姿。

（2）采用2D激光位移傳感器對兩艙段的豁口信息進行掃描，得到待對接艙段相對于基準法蘭的自轉(zhuǎn)角偏差。

（3）通過引入0.05 mm量級誤差，經(jīng)過仿真分析得出姿態(tài)數(shù)據(jù)中的位置誤差小于0.1 mm，角度誤差小于0.01°。結(jié)合實驗對艙段對接方法的驗證，結(jié)果表明，所提方法測量精度高，對接效果良好，完全滿足艙段自動對接需求，有效提高了自動對接系統(tǒng)的效率、穩(wěn)定性和一致性。

（4）本文方法是一種脫離靶標、不需要人工參與的非接觸測量方式，大大提高了對接的效率，為進一步提高自動對接質(zhì)量和效率打下了基礎，在自動對接領域具有廣闊的應用前景。

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（編輯 陳 勇）

作者簡介：

孫露萍，女，1995年生，碩士。研究方向為機器視覺。

張 倩（通信作者），女，1982年生，正高級工程師、博士。研究方向為機械裝備自動化。E-mail：zhangqian82618@163.com。

收稿日期：2022-08-01

基金項目：江蘇省重點研發(fā)計劃（BE2021057）