孫露萍　張文昌　王志華　王振文　任志墨　張倩

摘要：針對(duì)艙段對(duì)接裝配需求，結(jié)合艙段對(duì)接工藝過(guò)程，提出一種基于2D激光位移傳感器的艙段自動(dòng)對(duì)接測(cè)量方法。首先將待對(duì)接艙段調(diào)整至相距基準(zhǔn)艙段約50 mm待裝位，采用2D激光位移傳感器檢測(cè)兩艙段對(duì)接處三個(gè)點(diǎn)位的2D輪廓偏差，計(jì)算得到待對(duì)接艙段除自轉(zhuǎn)角外的5個(gè)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(guò)掃描兩個(gè)艙段法蘭豁口位置，計(jì)算得到待對(duì)接艙段自轉(zhuǎn)角；最后將結(jié)果反饋至控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行位姿的調(diào)整。通過(guò)引入誤差的仿真并結(jié)合對(duì)接實(shí)驗(yàn)對(duì)所提方法進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，所提方法測(cè)量精度高，對(duì)接效果良好，能夠滿足艙段自動(dòng)對(duì)接需求，有效提高了自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)的效率、穩(wěn)定性和一致性。

關(guān)鍵詞：艙段自動(dòng)對(duì)接；2D激光位移傳感器；圖像處理；位姿測(cè)量

中圖分類號(hào)：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(duì)接是航天領(lǐng)域生產(chǎn)制造中的重要一環(huán)，對(duì)接的精度和穩(wěn)定性直接影響總體性能的優(yōu)劣。目前國(guó)內(nèi)艙段對(duì)接作業(yè)采用人工的方式，對(duì)接效率低，質(zhì)量難以保證。艙段對(duì)接中，兩艙段相對(duì)位姿測(cè)量的精度和效率是該任務(wù)的需求難點(diǎn)，因此，研發(fā)高精度、高效率的艙段自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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

本文結(jié)合艙段對(duì)接工藝過(guò)程，提出了一種基于2D激光位移傳感器的艙段自動(dòng)對(duì)接方法。首先將兩個(gè)艙段調(diào)整至相距約50 mm處，采用2D激光位移傳感器檢測(cè)兩艙段對(duì)接處三個(gè)點(diǎn)位的2D輪廓偏差，計(jì)算得到兩艙段除自轉(zhuǎn)角外的5個(gè)自由度位姿；根據(jù)艙段法蘭對(duì)接面上的豁口特征，通過(guò)掃描兩個(gè)艙段法蘭豁口位置，計(jì)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行位姿的調(diào)整。通過(guò)引入誤差的仿真并結(jié)合對(duì)接實(shí)驗(yàn)對(duì)所提方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 艙段位姿測(cè)量硬件系統(tǒng)

1.1 硬件系統(tǒng)的搭建

艙段對(duì)接系統(tǒng)的整體實(shí)物圖見(jiàn)圖1，該系統(tǒng)主要由艙段、艙段位姿測(cè)量單元、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。其中，艙段由基準(zhǔn)艙段和待對(duì)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(gè)徑向?qū)挾?0 mm、軸向深度30 mm的豁口；艙段位姿測(cè)量單元由2D激光位移傳感器、工控機(jī)、圖像處理軟件組成；執(zhí)行機(jī)構(gòu)由4個(gè)抱環(huán)、4個(gè)支撐小車、導(dǎo)軌等組成。

圖2為該測(cè)量系統(tǒng)的局部實(shí)物圖，2D激光位移傳感器通過(guò)連接板安裝在環(huán)形軌道上，可以實(shí)現(xiàn)在軌道上勻速運(yùn)動(dòng)。通過(guò)采集艙段對(duì)接處不同位置的輪廓數(shù)據(jù)及底部?jī)膳摱蔚幕砜谳喞畔⒂?jì)算兩艙段的相對(duì)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整艙段的位姿，完成對(duì)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(jī)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(cè)工件表面，相機(jī)以θ角對(duì)工件表面的激光條紋進(jìn)行采集。由于受到待測(cè)工件表面實(shí)際形狀的影響，激光發(fā)射器投射的直線型激光會(huì)發(fā)生變形，相機(jī)記錄變形的待測(cè)表面激光信息。因?yàn)镃CD相機(jī)、激光發(fā)射器和被測(cè)工件之間的位置關(guān)系是確定的，故使用光學(xué)三角測(cè)量法建立該圖像采集系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，可以快速對(duì)被測(cè)物體表面深度信息進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)即可還原出被測(cè)物體的表面三維形貌。

以傳感器端面某一點(diǎn)為原點(diǎn)，定義傳感器局部坐標(biāo)系OcXcYcZc，沿著激光線方向?yàn)閄c，沿著物體掃描方向?yàn)閅c，傳感器深度方向?yàn)閆c。

2 艙段的位姿計(jì)算

2.1 姿態(tài)測(cè)量原理

如圖4所示，以基準(zhǔn)艙段端面中心為原點(diǎn)，定義基坐標(biāo)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(biāo)系OwXwYwZw，其方向和基坐標(biāo)系方向一致。

待對(duì)接艙段的相對(duì)位姿記為（xb，yb，zb，α，β，γ），其中xb、yb、zb表示待對(duì)接艙段相對(duì)于基準(zhǔn)艙段的平移關(guān)系，α、β、γ表示待對(duì)接艙段相對(duì)于基準(zhǔn)艙段繞三個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)關(guān)系。待對(duì)接艙段端面圓中心坐標(biāo)記為Om，即

采用2D激光位移傳感器在三個(gè)檢測(cè)位置對(duì)兩艙段對(duì)接圓上的三對(duì)點(diǎn)位進(jìn)行檢測(cè)，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(gè)自由度位姿，再使用該激光位移傳感器對(duì)兩艙段底部的豁口處進(jìn)行徑向掃描得到兩個(gè)豁口的徑向偏差S，進(jìn)而計(jì)算得到自轉(zhuǎn)角α，從而完成兩艙段相對(duì)位姿的測(cè)量。

2.2 位姿求解算法

采用2D激光位移傳感器獲得基準(zhǔn)艙段中Q1、Q2、Q3和待對(duì)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(biāo)系中，表示為Pc11、Pc12、Pc13、Pc21、Pc22、Pc23。將這六個(gè)點(diǎn)從傳感器局部坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)化到傳感器全局坐標(biāo)系下表示為Pw11、Pw12、Pw13、Pw21、Pw22、Pw23，即

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

Q1、Q2、Q3、Q′1、Q′2、Q′3處六個(gè)點(diǎn)在基準(zhǔn)艙段基坐標(biāo)系下表示為Pb11、Pb12、Pb13、Pb21、Pb22、Pb23。由于基坐標(biāo)系和傳感器全局坐標(biāo)系只存在平移關(guān)系，所以存在以下關(guān)系：

3 仿真分析與實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真分析

由于豁口的識(shí)別僅為了計(jì)算兩艙段軸向角度，故只通過(guò)兩艙段對(duì)接處3個(gè)點(diǎn)位的2D輪廓偏差求取兩艙段除自轉(zhuǎn)角α外的5個(gè)自由度位姿進(jìn)行仿真驗(yàn)證。以直徑700 mm的艙段為例，所選測(cè)點(diǎn)位置為：θ1=-90°，θ2=90°。基準(zhǔn)艙段的3個(gè)特征點(diǎn)坐標(biāo)見(jiàn)表1。

假定待對(duì)接艙段存在以下3組位姿偏差，見(jiàn)表2?？紤]到艙段加工引起的誤差，每個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)引入0.05 mm量級(jí)的誤差，待對(duì)接艙段3個(gè)特征點(diǎn)坐標(biāo)見(jiàn)表3。

采用本文方法的仿真結(jié)果見(jiàn)表4。可知仿真識(shí)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(shí)驗(yàn)

針對(duì)某直徑為700 mm的該艙段，采用SickRulerXR150傳感器，該傳感器的視場(chǎng)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(cè)量的精度要求。

具體的姿態(tài)測(cè)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(gè)檢測(cè)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(dāng)前艙段的相對(duì)姿態(tài)數(shù)據(jù)xb、yb、zb、α、β、γ。首先判斷α、β、γ是否達(dá)到精度要求，如果沒(méi)有達(dá)到精度要求則驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整α、β、γ角度；如果達(dá)到要求則再判斷yb、zb是否達(dá)到精度要求，如果沒(méi)有達(dá)到要求則驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整yb、zb，否則驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)前進(jìn)xb完成對(duì)接。

待對(duì)接艙段法蘭端面圓采用2D輪廓傳感器對(duì)艙段對(duì)接端面的三個(gè)位置進(jìn)行檢測(cè)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(gè)位置的兩艙段對(duì)接圓的輪廓信息，橫軸代表傳感器局部坐標(biāo)系中的Xm方向，縱軸代表傳感器局部坐標(biāo)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(gè)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(duì)接前的狀態(tài)，圖11b所示是對(duì)接完成后的狀態(tài)。該姿態(tài)下兩艙段對(duì)接過(guò)程中的姿態(tài)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5，可知檢測(cè)6個(gè)循環(huán)即可完成艙段的對(duì)接。

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在兩艙段處于不同位姿狀態(tài)下，使用該姿態(tài)測(cè)量方法和姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)均能順利完成對(duì)接。

4 結(jié)論

（1）采用2D激光位移傳感器對(duì)加工精度符合要求的艙段法蘭對(duì)接面的3個(gè)位置進(jìn)行檢測(cè)得到對(duì)接處的輪廓偏差信息，計(jì)算得到待對(duì)接法蘭圓上3個(gè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，進(jìn)而解得待對(duì)接艙段相對(duì)于基準(zhǔn)艙段的除自轉(zhuǎn)角的5個(gè)自由度位姿。

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

（3）通過(guò)引入0.05 mm量級(jí)誤差，經(jīng)過(guò)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(shí)驗(yàn)對(duì)艙段對(duì)接方法的驗(yàn)證，結(jié)果表明，所提方法測(cè)量精度高，對(duì)接效果良好，完全滿足艙段自動(dòng)對(duì)接需求，有效提高了自動(dòng)對(duì)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(biāo)、不需要人工參與的非接觸測(cè)量方式，大大提高了對(duì)接的效率，為進(jìn)一步提高自動(dòng)對(duì)接質(zhì)量和效率打下了基礎(chǔ)，在自動(dòng)對(duì)接領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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（編輯 陳 勇）

作者簡(jiǎn)介：

孫露萍，女，1995年生，碩士。研究方向?yàn)闄C(jī)器視覺(jué)。

張 倩（通信作者），女，1982年生，正高級(jí)工程師、博士。研究方向?yàn)闄C(jī)械裝備自動(dòng)化。E-mail：zhangqian82618@163.com。

收稿日期：2022-08-01

基金項(xiàng)目：江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（BE2021057）