机器视觉的火箭连接器自动对接检测技术研究

王健博，陈雨，白焕旭，张桃源，郄晓斌

(北京航天发射技术研究所，北京 100076)

0 引言

运载火箭在运达发射阵地后处于加注状态时，在风摆的影响下会做小幅无规律晃动，文献[1-2]分析了箭体的运动对连接器造成的影响，箭体带动连接器作无规则的微小摆动。加注流程开始后，随着火箭燃料加注量增加，箭体高度会随之缓慢下沉。由于箭体风摆和下沉会带动安装于勤务塔摆杆上的连接器同时运动，且连接器同箭体上加注口阀门固联，会给箭体带来较大的内应力，影响连接的可靠性和密闭性，严重时导致连接器脱开、燃料泄露。因此有必要研究一种自动对接装置，在火箭箭地连接器第1次连接上后，可以根据火箭箭体运动随动，在连接器意外脱开后，可以自动对接连接器接口与阀门。

1 自动对接测量技术方案

目前世界上主要有2种不同研究方向：以俄罗斯为代表的“架栖”和以美国为代表的“箭栖”。文献[3]中提到俄罗斯的技术以触觉检测作为偏差测量主要手段，虽然结构简单可靠、并具有二次对接功能，但是其核心属于刚性装配。不可避免地存在装配要求高、装备体积大等缺点。美国国家航空航天局(NASA)在文献[4-6]中提到研制了一种可用于运载火箭的远程智能脐带对接系统。如图1所示，该自动对接系统可实现任意时刻箭体连接、分离以及再对接。在脐带对接的过程中，由安装于对接系统的传感器检测箭体运动前后位移偏差，自动对接系统控制终端接收来自于传感器的空间位置信息。并对其进行解算，求出位移偏差量，驱动运动终端实现连接器在x，y，z3个方向上的运动，实现连接器与箭上阀门的随动，实现连接器和箭体准确对接。

在文献[7-9]中提到上海交通大学研发出一种能够实现自动对接与脱离的工程样机，其研制出的实验样机如图2所示，该系统通过火箭箭体加注口阀门周围的4个螺钉孔实现对接机构与箭体活门的相对连接固定，对样机的操控方式有2种：分别为近控及远控，可实现所需的对接与撤收动作，采用可变刚度柔顺设计，实现了柔顺对接及应对大泄漏等意外情况的快速再对接，解决了推进剂加注过程中最危险环节的自动化操作问题。

参考文献[10-11]提出的激光及视觉测量位姿系统，本文设计了一种自动对接偏差测量系统，连接器与火箭箭体阀门对接后，能够通过光学摄像机实时检测特定标志(人工靶标)的位置，同时采用激光测距传感器测量连接器与火箭简体的距离，从而得到阀门在三维空间中的位置。控制执行机构动作以调整连接器的位置，使得连接器和箭体上的对接口实现精确对接。完成对接并锁紧后，实现连接器随箭体一起摆动。采用随动技术可以大大减小连接器及其管路对箭体接口的作用力，对箭体结构有利，并且可以随时直接和火箭箭体进行对接或分离，大大缩短对接和脱落的时间，有助于实现火箭的快速发射，提高了安全可靠性。

根据连接器自动对接技术及二次对接技术中对偏差测量的任务需求，提出了基于动态方位检测对准技术的偏差测量系统(以下简称测量系统)，本方案如图3所示，采用光学摄像机获取特定目标的视频图像，快速提取视频图像中的随机运动目标，辅以激光测距传感器精确识别随机运行目标的位姿信息，并输出至伺服机构，以实现目标位置和姿态的精确控制。

后文描述中所提及的方向以连接器为定义对象，沿连接器长度方向为伸缩方向(z轴)，水平面内轴向法线方向为横移方向(x轴)，第3坐标轴方向为浮沉方向(y轴)，绕垂直轴方向为横摆(或方位角α)，绕横向轴为俯仰(俯仰角β)，绕前后轴(轴向)为滚转(横滚角γ)，如图4所示。

2 系统方案

2.1 系统工作过程

首先在目标上的某个固定区域附加人工标靶[12]，通过识别与跟踪人工标靶就可以完成对目标位姿的精确识别。以人工标靶为参照对象的目标位姿识别系统的功能框图如图5所示。

图5中，图像采集处理主机实时采集由摄像机输入的标靶视频图像；标靶检测模块通过模式匹配从标靶视频图像中快速确定标靶所在范围；靶元检测模块针对标靶所在范围通过图像分割与目标跟踪确定靶元所在位置；靶心估计模块根据靶元所在位置通过光束平差估计靶心位置；向元检测模块针对标靶所在范围通过图像分割与目标跟踪确定向元位置；靶向估计模块在垂直于摄像机视线方向的像平面内根据向元位置估计标靶主方向，输出旋转角；距离采集模块实时采集安装在机构上的3个激光测距传感器的测距数据；倾角估计模块沿着摄像机视线方向通过分析激光测距传感器的偏差估计摄像机相对于标靶的倾斜程度，输出高低角与方位角；位姿估计模块根据估计所得的标靶位姿数据结合标靶与目标的相对位置信息估计目标的位姿数据。

2.2 成像系统

目标的位姿识别依赖于能否精确提取标靶图像中的靶元与向元，必须保证摄像机在整个工作行程范围内都要能对靶元与向元清晰成像，因此，选择合适的摄像机与光学镜头是系统实现的前提。根据目标随机运动的频率范围(0.1～2 Hz)，本系统选用模拟摄像机，成像传感器为SONY Super HAD CCD II，CCD 成像靶面尺寸为1/3″，像元尺寸为水平方向Sx=5 μm，垂直方向Sy=5 μm，分辨率(即像元个数)为水平方向Nx=5 μm，垂直方向

Ny=576，输出视频帧率为25 帧/s，输出视频格式为PAL制。镜头焦距的选取视摄像机工作行程范围而定，技术指标要求目标与摄像机之间的距离为0.05～1 m，且相距1 m时目标随机运动幅度为0.5 m。获得清晰物像，目标与摄像机之间的距离必须大于镜头的最短成像距离，该参数是镜头的固有参数，由生产工艺确定，可由镜头参数表查得。若设镜头的最短成像距离为0.2 m，则得摄像机工作行程范围为0.2～1.2 m。

在摄像机工作行程最远端D=1.2 m，根据技术指标要求可知图像覆盖的物理空间范围至少满足300 mm×200 mm，此时目标图像才不会溢出视场，因此可取空间范围边长为L=1 m。极限情况下，此空间范围将完全覆盖图像平面，由成像传感器的参数可知图像平面的尺寸，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，水平方向会比垂直方向覆盖更大的空间范围，因此仅考虑垂直方向。令空间范围边长对应的图像长度为l=2.88 mm，根据薄透镜成像的几何光学原理计算镜头焦距f。

实际上无法任意选取镜头参数，必须根据实际可选配参数选择镜头，经过比对，选取参数最接近的镜头。实际应用中，可选择变焦镜头或定焦镜头，变焦镜头使用灵活，适应性强但不便于调校，因此本文选取定焦镜头。经过比对，选取镜头焦距f=5 mm，最短成像距离为0.2 m。可以验证，相距镜头1.2 m处，图像可覆盖的空间范围垂直方向为1.09 m，满足技术指标要求。

2.3 靶标设计

基于机器视觉的测量技术中，图像处理技术是其中的关键，为满足处理的实时性，处理方式一般分成形状检测和模式匹配2种。形状检测主要根据待测物的几何特征进行检测，包括圆检测、线检测等；模式匹配则首先根据待测物的区别于周边环境的差异性对其进行提取，然后对待测物进行检测，得到相对的偏差量。人工标靶的设计是系统实现的关键要素[13]。针对研究目标和技术要求，以易于检测与跟踪为原则设计人工标靶[14-15]，如图6所示为本方案设计的人工标靶。为提高视频图像中标靶上靶元与背景的对比度，以大反差的单一灰度背景与简单形状目标为要素设计标靶，考虑到摄像机的相平面与标靶间可能存在相对旋转，为便于提取与跟踪目标，采用具有旋转不变性的实心圆作为靶元，采用圆心共线的多个实心圆组合作为向元。在实际工作过程中，首先检测8个靶元整体所在位置，在此过程中，如果有遮挡发生，由于靶元作为一个整体，其几何关系事先已知，因此可以通过靶元共圆心对标靶的整体偏差值进行求解，由于三点即可求出圆心，因此系统抗遮挡性较强。求出圆心之后，根据几何关系及向元检测结果，可以得到标靶相对于相机的方位俯仰偏差，结合小孔成像原理，可求出连接器相对于相机在横移和浮沉方向上的偏差。

2.4 靶心位置识别

要识别目标的位姿，首先得准确检测标靶，准确提取标靶中的靶元与向元，然后再通过稳健统计估计关键参数。如图7所示为标靶图像分析结果。

图7中，a)为原始标靶图像，图像尺寸为水平方向720 像元，垂直方向576像元；b)为二值图像，是对原始标靶图像作阈值化处理得到的图像分割结果，由于标靶采用了高对比度设计，因此在较宽的范围内选择阈值对标靶图像作阈值化处理，都能获得比较清晰的二值图像，也就是说，二值图像中实心圆区域清晰可辨、背景干扰相对较少；c)为标靶检测结果，图中方框标示检测到的实心圆，多个圆心共圆的实心圆确定标靶区域，通过模式匹配(霍夫变换)可以准确提取圆心共圆的多个实心圆；d)为靶元检测结果，标靶区域内只有圆心共圆实心圆才是靶元，可用于靶心估计，图中绿点标示的面积较大的实心圆为靶元，蓝线标示靶元中心连线；e)为靶心估计结果，靶心位置由绿十字标示，理论上，多个靶元中心连线的中垂线将交汇于一点，该点即为靶心。实际上，多个中垂线无法汇集于一点，可以通过光束平差法估计一点，该点满足到各中垂线的距离总和最短，这样可以减少估计误差；f)为标靶主方向的估计结果，图中绿点标示的面积较小的实心圆为向元，蓝线标示标靶主方向，为减少估计误差，标靶主方向由多个向元中心，距离向元最近的靶元中心及靶心通过一元线性回归估计求得。通过标靶图像分析，可以准确识别摄像机视线与靶面交点相对于靶心的位置偏差(xd，yd)，标靶主方向在摄像机像平面内的横滚角γ。实际上，摄像机在标靶座标系内的三维位姿信息并未得到。要获得真实的三维位姿信息，需要测得摄像机像平面与标靶平面的倾角关系(方位角和俯仰角)，具体测角方案参见第2.4节。

2.5 测角与测距

本方案采用3个激光测距传感器实现测角安装关系与位置，如图8所示。架设机构保证了激光测距传感器JG_3和激光测距传感器JG_1所在直线L31与激光测距传感器JG_3和激光测距传感器JG_2所在直线L32正交。3个激光测距传感器分别测量摄像机与标靶之间的距离，通过分析距离差来估计沿着摄像机视线方向的倾角，输出俯仰角β与方位角α，两者计算原理相同。

以方位角的估计为例，设配对的2个激光测距传感器1和激光测距传感器3进行平行测距，相距为定值D31，获得距离差Δd，根据三角原理计算方位角α。

α=arctan(Δd/D31).

(2)

同理计算俯仰角β，进一步，可由3只激光测距传感器所测距离的均值估计得到摄像机光心到标靶的距离zd。

激光测距传感器1和激光测距传感器3通过标定，得到光束中心的间距D31=703 mm，激光测距传感器的测距精度为1 mm，则根据公式(2)可知测角精度为：α=4.89′，即激光测距传感器变化1 mm对应测角变化4.89′。

2.6 位姿识别

摄像机与标靶相对位姿关系的完整描述需要6个参数，即摄像机的光心在标靶坐标系3个坐标轴上的位置(x,y,z)与摄像机的光轴围绕3个坐标轴的倾角(α,β,γ)。成像时，摄像机视线与标靶相交，根据摄像机光心到靶面交点的距离zd，经简单推算可得摄像机光心在标靶坐标系内的坐标(xc,yc,zc)。

xc=-zdsinαcosγ+zdsinβsinγ,

(3)

yc=-zdsinαsinγ-zdsinβcosγ,

(4)

zc=zdcosαcosβ.

(5)

根据靶心位置偏差(xd,yd)作修正，可得摄像机在标靶坐标系内的正确坐标。

z=zc.

(8)

3 试验验证

如图9所示为本测量系统试验平台，其中并联机构可实现六自由度的运动，目标模拟工装架设在一个三自由度的滑台上。通过编程实现滑台三自由度运动来模拟火箭运动，测量系统通过识别标靶图像及距离信息实现连接器与阀门的自动对接。由于连接器采用的结构设计可以适应一定范围内的角度变化，因此在试验过程中，重点考核测量系统在横移、伸缩、浮沉3个方向上位移的测量准确程度。

由于阀门运动无法直接观测，且滑台运动分辨率为0.1 mm，则在本实验中将滑台输出的位移量设为真值，用以评价测量系统输出偏差值准确程度。

由于目的是考核测量系统的测量精度，因此调整并联机构，使并联机构上测量系统安装基面平行于目标模拟工装安装基面，减弱安装面不平行带来的测量误差。保持并联机构空间位置固定，驱动滑台运动，并记录数据。如图10～12所示即为3个轴的相对位移测量误差曲线，横坐标表征系统测试时间，由于系统输出测量值的频率为相机频率，因此横坐标为相机采集帧数，纵坐标为3个方向上的相对位移变化。可以看出，测量系统的测量精度满足技术条件要求，测量精度可达到1 mm。

4 结束语

为实现火箭升空前加泄连接器与火箭阀门的自动对接与分离，本文提出了一种基于视觉的自动对接偏差测量系统的实现方案。该方案原理清晰可行，通过实现对人工靶标的姿态识别间接得到火箭阀门的位置及姿态，可实现连接器与阀门的自动对接、随动，能避免箭上阀门由于连接器无法随动导致的应力，提高了连接器密封的可靠性，有利于提高发射效率和安全性。