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(hù)和空間應(yīng)用的重要技術(shù)手段，是空間站核心艙的重要分系統(tǒng)。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(biāo)檢測、識別、三維位姿測量以及三維運動測量，向世人呈現(xiàn)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(shù)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(zhí)行器上，以監(jiān)視末端執(zhí)行器的工作，并對近距離空間合作目標(biāo)進(jìn)行檢測、識別和連續(xù)測量，引導(dǎo)機械臂末端執(zhí)行器完成對目標(biāo)的捕獲。肘部相機安裝于肘部關(guān)節(jié)，為機械臂操控提供必需的圖像視覺信息，并監(jiān)視機械臂工作區(qū)域。2臺對接相機安裝在“天和核心艙”節(jié)點艙對接機構(gòu)附近，監(jiān)視對接局部操作區(qū)域，并對近距離空間合作目標(biāo)進(jìn)行檢測、識別和連續(xù)測量，引導(dǎo)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(yán)苛的大視場、低畸變、高相對照度、高能量集中度要求，相關(guān)指標(biāo)優(yōu)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(wǎng)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(huán)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(fù)雜任務(wù)是必須面對且從未碰到過的難題。項目團(tuán)隊抽絲剝繭層層深入，通過內(nèi)因與外因辯證分析、仿真與實驗相互印證、深挖任務(wù)剖面與邊界條件，最終明確了相機成功包絡(luò)線。

隨著國產(chǎn)化和平臺化設(shè)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(shè)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(xué)設(shè)計的一致性、穩(wěn)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(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。這些在民用領(lǐng)域已經(jīng)相對成熟的技術(shù)，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(yīng)用難題。項目團(tuán)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(yīng)用，完成了工程技術(shù)攻關(guān)和環(huán)境適應(yīng)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(guān)注，而機械臂相機是鑲嵌在機械臂上的“慧眼”，經(jīng)過項目團(tuán)隊10年精益求“睛”的匠心打造，實現(xiàn)了“看得清、辯得明、測得準(zhǔn)”。

（供稿：張青春）