面向空间机械臂在轨服务操作的视觉感知技术

郝颖明 ，付双飞 ，范晓鹏 ，魏景阳 ，朱 枫

（1.中国科学院沈阳自动化研究所，沈阳 110016；2.中国科学院光电信息处理重点实验室，沈阳 110016；3.辽宁省图像理解与视觉计算重点实验室，沈阳 110016）

1 引言

随着航天技术的飞速发展，空间飞行器的结构、组成日趋复杂，性能、技术水平不断提高。在这种情况下，如何保证空间飞行器在复杂的空间环境中更加持久、稳定的在轨运行，已成为目前空间技术领域亟待解决的重要问题。空间在轨服务（On-Orbit Servicing，OOS）逐渐成为航天领域的研究热点。空间在轨服务即指在太空中通过人、机器人（或类机器人卫星）或两者协同来完成涉及延长卫星、平台、空间站附属舱和空间运载器寿命和能力的空间装配、维护和服务（Space Assembly，Main-tenance and Servicing，SAMS）任务[1]。

自20世纪60年代早期提出概念，在轨服务技术迄今已经历四十多年的发展历程，并取得了丰硕的成果[2]。早期的在轨服务大多是由航天员完成的，但由于航天员出舱活动存在生理限制和巨大风险，随着机器人、遥操作等技术的不断发展，以空间机械臂代替航天员进行空间在轨服务已成为一种必然趋势[3]。空间机械臂要实现在轨服务操作，离不开感知系统的支持，而视觉作为空间机械臂最主要的传感器，相当于机械臂的眼睛，在空间机械臂在轨服务操作中具有举足轻重的地位。

空间目标航天器可分为两类：合作目标航天器和非合作目标航天器。合作目标航天器指航天器上安装有经过特殊设计以配合完成在轨服务任务的专用部件，如用于机械手抓取的抓捕手柄和用于视觉测量的合作标志器。而非合作目标航天器则指不是为对接或捕获设计的任一航天器，即航天器上不安装用于机械臂捕获的抓持机构（手柄）以及用于辅助测量的合作标志器和特征块，或不能进行姿态控制，在空间自由翻滚的航天器。一般包括己方未装置合作部件的卫星、己方装置合作部件但燃料耗尽或姿轨控系统故障的卫星、己方失效卫星、空间碎片，以及对方航天器[4]。从空间机械臂操作的控制方式来说主要有两种：一种是遥操作，即通过操作者在空间舱内或地面对空间的机械手进行遥控操作；一种是自动操作，即不需要人的参与，自动完成对机械臂的控制。

对空间机械臂遥操作来说，视觉系统仅需提供待操作目标的图像即可，机械臂操作均由人工操作完成，这是最简单的视觉感知，可以称为遥操作监控。对自动操作来说，为实现机械臂的闭环控制，视觉系统必须能够在线测量出机械臂末端与待操作目标间的相对位置和姿态。由于操作对象有合作目标和非合作目标之分，因此自动操作的视觉测量可分为合作目标视觉测量和非合作目标视觉测量。对于非合作目标，根据目标模型是否已知，又可分为目标模型完全已知或部分已知的非合作目标和目标模型完全未知的非合作目标。这里目标模型部分已知是指目标模型的信息不能完全已知，如已知目标形状，但无法获得具体形状参数等。空间在轨服务中，绝大多数航天器是己方航天器，其目标模型应该是完全已知或部分已知的，仅在空间轨道垃圾清运中，操作对象可能不是己方的航天器，其目标模型就是完全未知的。对模型完全未知的操作目标来说，首先要建立目标三维模型，在此基础上进行相对位姿测量。因此，根据空间机械臂操作的需求，视觉感知技术从简单到复杂，包括遥操作监控、合作目标视觉测量、模型已知或部分已知的非合作目标视觉测量和模型完全未知的非合作目标视觉三维建模与测量等，各项技术的具体描述详见表1。

本文将结合国外空间在轨服务计划，对空间机械手在轨服务中的视觉感知的历史、关键技术及发展趋势进行综述。

2 国外典型空间在轨服务计划中的视觉感知

由于空间在轨服务在航天领域具有迫切的应用需求，各空间大国启动了多项空间在轨服务计划，本节将简要介绍这些计划中的视觉感知系统与技术。由于没有查到有关目标模型完全未知的非合作目标测量的计划，这里仅给出与前几项技术相关的空间计划。

表1 空间机械臂视觉感知技术需求与状态

2.1 空间计划中的遥操作监控

德国1993年发射的ROTEX是空间机器臂首次在轨遥操作。该机械臂上安装了4个CCD摄像机，一对在手爪上，形成手爪立体视觉，一对提供机器人工作空间的立体视觉，以虚拟立体图形预测为主，立体视觉监视图像为辅的方式通过地面遥控实现了对自由漂浮物体的捕获[5-7]。该项目中，所有的视觉处理都是在地面完成的，可以通过双目视觉给出自由漂浮物体的相对位姿。

美国NASA的RRM计划（Robotic Refueling Mission）是目前已经成功完成的空间在轨维修计划，其目的是利用机器人对卫星进行燃料补给。其第一阶段任务于2013年完成，第二阶段任务于2015年开始[8]。RRM首次使用加拿大的空间遥控机械臂（Space Station Remote Manipulator System，SSRMS）及专用灵巧机械臂（Canadian Space Agency’s Special Purpose Dexterous Manipulator，SPDM）及相关程序，为在役卫星的推进剂燃料箱加注了推进剂燃料。RRM计划中使用的机械臂末端可以固联4种不同功能的执行器[9]，分别为导线切割工具、安全盖工具、加油工具及多功能工具。每个工具上带有两个相机及照明系统用于为遥操作提供视频信息。第二阶段任务中使用了新型敏感器VIPIR （Visual Inspection Poseable Invertebrate robot）[10]。VIPIR包含三个相机，分别为焦距变化为8～24mm的变焦相机，焦距为6mm的定焦镜头相机以及一个直径为1.2mm、分辨率为224×224的航天用最小相机，每个相机上都包含有光源。图1给出了RRM计划使用的4种工具和VIPIR传感器。RRM计划中，当目标星停泊后，机械手要找到加油接口的位置，切开包覆的多层，切断导线，摘掉两种类型安全盖，完成加油操作。以上所有操作任务均由遥操作实现，机械手上的相机仅起到遥控监视的作用，不具备测量功能，可利用获取的图像信息进行三维重建。RRM的视觉系统采集到了不同光照条件下的大量图像，为后续视觉处理算法开发提供了真实的输入图像[11]。

图1 RRM计划的四种工具及VIPIR

图2 ETS-VII卫星、机械臂及合作标志器

2.2 空间计划中的合作目标测量

空间合作目标视觉测量技术已经相对成熟，并已成功进行了多次在轨试验验证。国外与机械手操作直接相关的合作目标视觉测量在轨试验包括日本的ETS-VII计划和美国的轨道快车计划。

日本的ETS-VII是1997年发射的一颗实验卫星系统，用来研究及演示在轨接近、交会、抓捕及其他机器人技术。由两颗卫星组成，分别为2.5t的任务星及0.4t的目标星。任务星上装有2m长的6自由度机械臂，机械手上装有一个手眼视觉相机，为机械手控制器提供用于视觉伺服控制的图像和测量结果[12]。其手眼视觉相机采用合作标志器进行视觉测量，在200mm范围内，位置测量精度距离方向上为3mm，其它两个方向上为1mm，姿态测量精度达到1°[13]。在速度不超过20mm/s，旋转角度不超过0.2deg/s的情况下，通过视觉伺服可以抓取目标。ETS-VII机械手对目标星的抓捕在仅有地球反射光的时候进行，此时不需考虑太阳光的影响，选择地球反射光均匀的时间段进行抓捕以提高相机的成像质量并保证快门时间稳定。该系统在首次在轨实验中通过接近固定目标验证了视觉伺服算法，第二次实验中抓捕了在轨道上自由漂浮的目标星并取得成功。

美国的轨道快车计划（Orbital Express，OE）于1999年11月提出，2007年发射升空，是一项较为完善的在轨服务体系演示计划。轨道快车是一种维修卫星的太空机器人，主体由追踪星ASTRO与目标星NextSat组成，追踪星上装有空间机械臂[15]。轨道快车完成了多项机械臂在轨操作演示试验，其中最为关键的是对自由飞行的目标星的自主捕获和对电池ORU的自动更换。轨道快车机械臂对自由飞行的目标星的自动抓捕是基于视觉引导实现的，其机械臂末端执行器上装有一个手眼视觉相机，在机械手对目标星自动捕获过程中，采用合作目标视觉测量获取机械臂末端与目标星间的相对位姿，其合作标志器如图3（b）所示，中间为抓捕机构。

图3 轨道快车计划的卫星和合作标志器图像

2.3 空间计划中模型已知或部分已知的非合作目标视觉测量

美国在自主在轨服务方面一直处于国际领先地位，开展了多项与非合作目标在轨服务相关的空间计划。FREND计划属于比较早期的空间计划，全称为Front-end Robotics Enabling Near-term Demonstration，其前身为SUMO计划（Spacecraft for the Universal Modification of Orbits），2006年更名为FREND计划。项目目标是研制与GEO轨道上航天器进行对接的空间飞行机器人，验证对那些没有对接装置的空间目标实现自动抓捕的能力，已开发了地面试验样机，并在美国海军实验室近距离操作实验平台上成功进行了关键技术的演示实验。FREND机械臂的视觉测量系统由三个相机组成[16]，每个相机为10bit像素深度，640×480的图像分辨率，且都带有照明。三个相机具有冗余备份功能，当测量目标在一个相机中成像效果差时，另外两个相机仍可构成双目立体视觉实现相对位姿测量，如果目标在三个相机中均正常成像，则可通过信息冗余提高测量精度。FREND机械臂的测量范围为20cm以内，测量输出频率为5Hz。抓捕对象有两种[18]，一种是对接环目标，一种是杯锥状目标。对接环目标限于1194和1666对接环；杯锥状目标为内径大约为4cm的金属圆筒。目标识别算法要适应不同光照条件，为提高测量结果的可靠性，需要已知抓捕对象的物理尺寸信息。图4（c）给出了地面演示实验现场图。

美国DAPRA发起的“凤凰计划”，以及后来RSGS计划，和NASA发起的Restore-L划都使用机械臂来完成空间卫星的抓捕、维修等操作，其中“凤凰计划”从2012年开始，持续4年，到目前为止已经完成了地面原理样机的实验论证，为后续的RSGS计划累积了多项技术[19]。RSGS计划主要针对高轨地球同步卫星进行在轨维护，预计2021年发射[20]；Restore-L计划主要针对低轨道地球卫星进行燃料加注，预计2020年发射[21]。凤凰计划和RSGS计划都使用了FREND机械臂技术。凤凰计划设计了三条机械臂，其中有一条为柔性机械臂，两条FREND机械臂；RSGS计划使用两条FREND机械臂，一条用来捕获和握紧目标，另一条用于取工具和修理，如图5所示。RSGS计划的机械手操作采用自主操作与遥操作两种方式。FREND机械臂在不同的研制阶段又划分为不同的具体型号，在RSGS计划中FREND机械臂的具体型号为MARKII，机械臂末端如图6（a）所示，包括控制板、工具更换装置、相机系统及其光源。相机系统为三目相机，单个相机为带有照明的MDA相机。相机在2018年完成工程样机，2019年完成飞行件，采用双目视觉对目标进行位姿测量，同时另一相机作为备份。测量数据可以用来引导机械手进行抓捕等操作，完成空间在轨维护任务。目前，已经在地面实现了对对接环的自动抓捕，其对接环抓捕工具如图6（c）所示，抓捕工具的手爪很短，3个相机镜头在抓捕工具最前端，两相机间的距离很大，基线很长。但采用的具体测量方法没有查到相关文献，图7给出了地面演示实验现场图。

图4 FREND计划的抓捕对象与地面实验

图5 在轨维修过程示意图

图6 FREND机械臂末端结构及对接环抓捕工具

DEOS计划全称为Deutsche Orbitale Servicing，于2007年开始概念设计，旨在演示验证以半自主方式从地面为地球同步轨道上的非合作卫星提供维护、燃料加注和故障维修（非合作、滚转）服务，以及如何清除非合作卫星和轨道碎片[22]。DEOS是对德国此前开展的轻型机械臂、遥操作等在轨服务技术的首次综合在轨演示验证。DEOS机械臂的抓捕对象是目标航天器的标准对接接口，目标航天器上没有合作标志器，对视觉测量来说，属于非合作目标视觉测量。DEOS机械臂末端执行器上的视觉传感器，2011年发表的文献中采用立体视觉系统，即立体相机加光源[23]。其相机的视角为44.4°×30.4°，分辨率为384×256，刷新频率为10Hz，立体相机基线长为约5cm。2015年发表的文献中，机械臂末端采用单目相机加光源的形式，其中相机视场约为60°，保证在抓捕过程中在夹子范围内的所有物体都可以被拍摄到[24]。捕获操作以“有监督的自动”模式执行，正常情况下完全自动执行，只在异常和突发情况下，或星上故障检测不能正确触发时才需要地面操作人员控制。

图7 对接环抓捕地面演示试验

图8 MDA公司的对接抓捕工具及机械臂作业概念图

欧洲航天局（ESA）的e.Deorbit计划属于ESA清洁太空倡议工作，于2012年启动，目的是移除800～1000km太阳同步轨道和极轨道上的大质量非合作目标。将在2023年执行首次主动碎片清除任务[25]。该计划选择的废弃卫星为欧洲环境卫星Envisat。加拿大的MDA公司还有欧洲的OHB公司分别开展了针对Envisat卫星的救援计划。这两家公司的解决方案都是采用单根机械臂抓捕对接环。与RSGS计划不同的是救援星的接近方向不是从对接环的正面而是从对接环的侧面接近，当接近到一定距离后，机械臂伸出，再从对接环的正面进行抓取。加拿大MDA公司提出的对接环抓捕工具如图8（a）所示[25，26]，包含两个闩锁抓捕机构，可以抓捕直径大于937mm的对接环。其上的非接触式传感器可以判断圆环是否进入抓捕包络内。该工具的视觉系统有两组。第一组为监视用视觉系统，包括黑白相机加LED照明灯，用于人工操作时的监视，其中照明可用于补光。第二组是用于自动操作的视觉系统，包括两个相机及两个激光发射器，可以构成两套结构光测量系统。从图8（b）的机械臂作业概念图上可以看出，每个激光发射器可以发出5条点激光[27]。德国OHB公司设计的另一种空间机械臂视觉系统如图9所示[29]。该系统采用双目视觉结合机械手，进行对接环的抓捕。在对接初期观察电池板电机和对接环边缘来完成6自由度的追踪。在抓捕末期通过观察对接环边缘，来完成5个自由度的追踪。

图9 OHB公司的空间机械臂视觉系统

德国的ESS计划全称为Experimental Servicing Satellite，是德国宇航局于1994年左右提出的研究计划。该计划主要针对早期发射的TV-Sat-1卫星故障（人轨后未能打开太阳帆板中的一块）进行维修，需要接近、抓捕并维修卫星。ESS计划机械臂的抓捕对象为故障卫星的远地点发动机喷嘴，通过将抓捕工具插入目标卫星远地点发动机的喷嘴中来实现抓捕。其视觉测量系统通过安装在手腕上的立体视觉相机对目标卫星远地点发动机喷嘴成像，激光测距仪测量相对距离，由图像处理系统计算相对位姿。该计划经过了概念设计和地面试验阶段以后宣告结束，但是其关键技术和抓捕装置却延续到后续项目中。

欧洲SMART-OLEV计划全称为Smart Orbital Life Extension Vehicle[30]，相当于一个太空拖船，针对的目标是地球静止轨道上燃料耗尽或姿轨控系统故障的通信卫星，它在接近并抓捕目标卫星后。接管目标卫星的姿轨控系统，为其提供推进、导航、制导和控制，使目标卫星保持合适的轨道和姿态，使其有效载荷继续发挥作用。SMART-OLEV包括平台和抓捕系统两部分，没有专门的机械手，抓捕对象仍旧是目标航天器的远地点发动机喷嘴。平台采用瑞典Space公司的SMART-1并做了改进。抓捕系统包括：抓捕工具、伸缩臂、目标支撑托架、视觉系统（如图10所示）[31]。视觉系统包括近距离立体视觉相机和照明系统，用于在距目标5m内的相对导航。近距离立体视觉相机对待抓捕目标成像，地面根据图像计算相对距离，并导引SMART-OLEV逼近至离目标0.3m处。SMARTOLEV是一个商用化的在轨服务项目，其服务对象是2010年后大批即将因燃料用尽而退役的GEO通讯卫星该计划于2009年启动了C/D/E阶段的研究工作[2]。轨道ATK公司2016年和2018年先后两次获得“任务扩展飞行器”（Mission Extension Vehicle）MEV-1和 MEV-2合同[32，33]，为Intel.SA卫星提供商务服务，采用的抓捕方案和SMART-OLEV看起来几乎相同[34]。

图10 SMART-OLEV概念图及抓捕工具

2.4 空间计划中的视觉感知总结

综上所述，到目前为止各种空间在轨维护计划中，空间机械手的主要操作任务包括：对目标卫星的抓捕、维修、装配、加油、在轨更换等，其中对目标卫星的抓捕是最主要也是最基本的操作。可以自动进行，而其它操作相对复杂，多采用遥操作与自动操作相结合的方式。在抓捕对象的选择上，有星箭对接环、分离螺栓孔和远地点发动机喷嘴，以前者居多。在传感器配置上，对合作目标的视觉测量一般采用单目视觉；而对非合作目标的测量则多采用双目视觉和结构光；为提高可靠性，在设计中多考虑传感器的备份。三种传感器配置中，单目视觉结构简单，更容易满足空间机械手对测量设备质量、体积、功耗的要求，但要求目标模型完全已知，且目标特征足够多能够满足相对位姿求解的要求，受环境光照影响较大。双目立体视觉比单目视觉增加了一个相机，质量、体积、功耗都会增加，且两相机图像特征的匹配有一定难度；但不要求目标模型完全已知，在相同条件下比单目视觉具有更高的测量精度，受环境光照影响与单目视觉相当；结构光视觉比单目视觉增加了一个或多个激光发射器，增加了质量、体积、功耗，但也不需要目标模型完全已知；与双目立体视觉相比，不存在图像特征匹配的问题，且受环境光照影响较小，但测量精度略低于双目立体视觉。表2给出了个空间计划中的视觉系统统计。

从发展趋势看，空间机械手在轨维护操作的视觉感知，经历了遥操作监控、合作目标视觉测量，目前正处于模型已知或部分已知的非合作目标视觉测量阶段，今后的发展趋势是模型完全未知的非合作目标视觉测量。对具体空间计划来说，根据机械手操作任务复杂程度的不同，在同一个空间计划中，遥操作监控、合作目标视觉测量和非合作目标视觉测量可能同时存在，各自服务于不同的操作任务。如通过非合作目标视觉测量完成对目标航天器的抓捕操作，通过合作目标视觉测量完成对操作工具的抓取操作，而通过遥操作监控实现复杂的在轨维修操作。

3 面向空间非合作目标机械手操作的视觉感知关键技术

面向空间机械手操作的视觉感知在经历了遥操作监控、合作目标视觉测量后，目前主要集中在模型已知或部分已知的非合作目标视觉测量上，当解决了这一难题后，进一步的发展方向将是模型完全未知的非合作目标视觉测量。因此，本节重点阐述非合作目标视觉测量的关键技术。

相比于合作目标视觉测量，空间非合作目标视觉测量的难度更大，这主要表现在：

（1）视觉测量的观察目标不是专门设计的，而是目标航天器本身固有的。由于目标航天器本身都包有反光效果极强的热控包覆材料，不仅使得航天器本身能够提供精确几何特征的部位相对较少，这些特征对于相对位姿态求解不见得是最佳的，而且这些特征与背景间的差异也不见得很强。因此，对于非合作目标视觉测量来说，即便目标模型完全已知，其目标识别和相对位姿求解也有相当大的难度。

表2 各空间计划中的视觉系统统计表

（2）空间在轨道服务时，空间光照环境变化多端，特别是高轨卫星，绝大部分时间均处于太阳光照中。视觉传感器又是受环境光照影响较大的传感器。因此，如何从硬件上减弱空间光照对相机成像的影响，在软件上提高目标识别的鲁棒性和适应性，是空间视觉测量要解决的又一个难题。

（3）待操作的非合作目标航天器不受维修航天器的控制，还可能处于空间翻滚状态，空间机械手在接近非合作航天器的过程中要有很精确的位姿控制和很快的响应速度以避免碰撞，这就要求视觉测量不仅要有很高的精度还要有很高的数据输出频率。高精度和高速度构成了一对矛盾，因为高精度要求相机分辨率高，而高分辨率则直接影响处理速度。要想同时保证精度和处理速度，只能提高视觉处理器的处理能力。而空间视觉处理器受质量、体积、功耗和空间特殊环境的限制，其处理能力要比地面低得多。因此，一方面要研究适应空间应用环境的快速处理器，另一方面从软件上要研究快速算法，才能满足工程应用的需求。

根据前面的分析，面向空间非合作目标机械手操作的视觉测量关键技术包括：

（1）复杂光照条件下高鲁棒性目标识别与特征提取技术。无论采用哪种传感器配置方案，视觉位姿测量都离不开目标图像特征的提取，而提取目标图像特征的前提是将目标从杂乱的背景中识别出来。非合作航天器上，可用的视觉特征明显的特征可能有点（特殊载荷的部件、卫星的自然角点、太阳帆板的角点等），直线（部分部件的直线边缘、太阳能帆板边缘或支架等），圆或曲线（螺栓孔边缘、对接环边缘等）。这些特征与背景间的区别本身就不是很大，特别是当遇到热控包覆材料反光的时候，干扰特征更多。而空间光照条件变化较大，目标与背景间的对比关系会随着光照条件的变化而变化。因此，如何在不同光照条件下均能将目标从背景中分离出来以实现正确的图像分割，以及如何在众多类似目标的区域中找的真正的目标区域完成目标识别都是空间非合作目标视觉测量必须解决的关键技术。虽然图像分割和目标识别方法与具体测量任务和目标直接相关，但针对空间航天器的共同特点，研究其典型特征的目标识别和特征提取方法，为非合作目标视觉测量的工程应用提供技术储备，我国现阶段是完全必要的。涉及的关键技术包括：面向复杂光照条件的图像预处理技术、基于目标模型约束的空间飞行器及典型部件稳定识别技术、基于目标模型约束的空间飞行器及典型部件高精度特征提取技术等。

（2）基于全部或部分目标模型约束的相对位姿高精度求解技术。非合作目标视觉测量时，当目标模型完全已知且目标特征足够多时，可以用单目视觉实现相对位姿求解。当目标模型部分已知时，如已知目标形状但不知目标参数时，可以通过目标特征间位置关系不变的约束，通过优化求解目标模型参数和相对位姿。当采用双目视觉和结构光视觉时，目标特征间的约束条件更多，冗余信息也更多，可以利用冗余信息通过优化求解相对位姿以提高测量精度。因此，基于空间航天器的典型特征，研究不同特征组合条件下如何实现高精度位姿求解是空间非合作目标视觉测量要解决的一个关键技术。涉及的关键技术包括：不同传感器配置下的目标特征选择技术、基于冗余信息的相对位姿优化求解技术、基于部分目标模型约束的相对位姿求解技术、多相机非共视场的相对位姿求解技术等。

（3）基于完全未知的非合作目标的三维建模与视觉测量技术。对完全非合作目标，事实上已不能定义姿态，因为对非合作目标已不能对其建立坐标系了，姿态角也就无从定义。此时，首先需要利用双目立体视觉、结构光甚至三维测量传感器对目标进行三维建模，并根据建立的三维模型实现相对位姿的测量。此时，三维建模完成后目标坐标系的建立即可以通过人机交互的方式建立，也可以以目标初始状态为基准，后续测量只测量相对于初始状态的位置与姿态。涉及的关键技术包括：基于双目立体视觉或结构光的目标三维建模技术、基于三维点云数据与图像数据相融合的相对位姿求解技术、基于稀疏点云数据的相对位姿求解技术。

（4）面向空间机械手操作的视觉感知硬件技术。传感器是视觉测量的硬件基础，既适应空间环境特点又能满足机械手操作需求的新型空间传感器是必须解决的关键技术。空间环境具有光照动态范围大、普通摄像机对亮区与暗区的细节均不能清晰成像，需研发高动态范围的摄像机。三维点云成像技术在空间非合作目标位姿测量方面有着巨大的应用空间，目前还存在精度低、分辨率低和作用范围小等问题，且还需要解决空间环境的约束与应用等问题。空间视觉处理器硬件速度较慢，难以满足视觉测量高速度的要求。涉及的关键技术包括：适应空间复杂光照条件下的高动态成像传感器技术；高精度、高分辨率三维成像传感器技术，适应航天环境的高速处理器硬件技术等。

（5）空间视觉测量工程实现技术。面向空间在轨维护与服务的需要，设计空间视觉测量系统，开发空间视觉测量软件，研制空间视觉测量样机并完成在轨试验验证。这里，既要满足空间设备对质量、体积功耗以及备份的苛刻要求，又能满足空间机械手的多种操作任务需求；既要适应空间光照条件的复杂变化实现目标的特征的稳定提取、在输入参数误差较大的情况下优化求解相对位姿以保证测量精度，又要受空间处理器处理能力及内存容量的限制。涉及的关键技术包括：面向多感知任务的传感器配置技术、基于人机协同的目标识别与特征提取技术、面向空间处理器的算法优化技术、测量系统地面验证与测试技术、在轨试验设计与验证技术等。

4 结论

本文面向空间机械手在轨服务操作，分析机械手操作对视觉感知技术的需求；通过对国外典型空间在轨服务计划中空间机械手视觉系统的介绍，给出了空间视觉感知的发展历史和趋势；对目前各航天大国普遍关注的非合作目标视觉测量关键技术进行了综述。目前，遥操作监控和非合作目标视觉测量在理论与技术上相对成熟，模型已知和部分已知的非合作目标视觉测量正处于技术攻关阶段，而模型完全未知的非合作目标视觉测量则处于探索阶段。因此，结合空间机械手在轨服务操作的应用需求，开展非合作目标视觉测量关键技术研究，对我国航天事业的发展具有重要意义。

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［30］Kaiser C，Sj berg F，del Cura B JM.Eilertsen∶On-Orbit Servicing of a Geostationary Satellite Fleet∶ OLEV as a Novel Concept for Future Telecommunication Services［C］.60th IAF Congress，12.-16.10.2009，Daejeon，Republic of Korea，Paper No.IAC-09.D3.2.4.

［31］Clemens Kaiser，Fredrik Sj berg，Juan Manuel Delcura，et al.SMART-OLEV—An orbital life extension vehicle for servicing commercial spacecrafts in GEO［J］.Acta Astronau tica，2008，63（1-4），400-410.

［32］庞子彦.轨道ATK首个在轨维护飞行器将由质子号发射［J］.中国航天.

［33］轨道ATK获得第二个在轨卫星服务飞行器的订单.http∶//www.ronghe.org.cn/news/newsview/202344.

［34］轨道ATK公司的任务扩展飞行器（MEV）在轨延寿星.https∶//www.bilibili.com/video/av4344825/.