航天器艙段自動對接研究進展及關鍵技術分析

劉 淵，費允鋒，宋銀灝，涂群章

(1.中國人民解放軍96657 部隊， 北京 100011; 2.解放軍理工大學， 南京 210007)

航天器機械系統的性能在很大程度上由裝配的精度決定。航天器各艙段的外形尺寸大、涉及部件多、結構輕薄易變形，將這些分離的艙段裝配成一個整體，大部件和艙段的對接是其中的重要環節，是技術難度大、涉及領域多的復雜工程。

傳統的航天器艙段裝配采用剛性工裝定位、手工制孔連接，通過人眼對操作界面進行視覺反饋，勞動強度大，效率低，裝配周期較長[1]。而且，這種方式的對接效果取決于人員的經驗和操作水平，精度低、安裝速度慢、操作穩定性差。近年來，隨著機器視覺測量技術[2-4]、激光跟蹤測量技術[5-6]及機器人技術[7]等的發展，在多約束、大質量、非規則的大型航天器艙段對接方面，自動化對接成為必然的發展趨勢[8]。

自動對接技術在航天器艙段對接領域中的研究及應用尚處于起步階段，鮮有這方面的綜合介紹。因此，本文在介紹航天器艙段自動對接領域的國內外研究應用的基礎上，著重對關鍵技術進行了分析，以期為相關研究人員提供方法和思路借鑒。

1 航天器艙段自動對接研究現狀

在高科技的推動下，自動對接技術快速發展，其在飛機的裝配中體現得尤為明顯[9-11]。而在航天器艙段對接領域中的研究及應用尚處于起步階段，只有部分國外頂級航天器艙段裝配單位配備自動對接系統，國內對航天器艙段自動對接技術的研究還停留在方案討論、理論研究以及部分關鍵技術實驗室驗證階段，未有整套系統研制應用的報道。

美國波音公司采用激光跟蹤儀作為對接測量系統，實時監測航天器艙段對接偏差，利用數字化管理系統根據偏差信息驅動導軌式數控對接平臺完成艙段對接[9]。雷神公司于2012年研制了全自動化的導彈柔性裝配生產線[12]，采用激光制導的高精度機器人作為物流設備和柔性工裝設備，系統總體定位誤差很小。美國白沙導彈自動對接系統[13]，其形式與雷神公司設備基本相同，對接平臺采用伺服電機驅動，根據位姿調節完成導彈的對接。圖1為導彈自動對接技術在國外的應用案例。

國內一些高校和企業積極開展了航天器艙段自動對接相關技術的理論和實驗研究，取得了一定的成績。哈爾濱工業大學高超、馬劍鋒等針對導彈艙段自動對接系統中柔性對接、激光測距及質心測量等關鍵問題進行了實驗設計及驗證工作，自動對接技術不但能夠提高導彈裝配的精度和一致性，還能極大地提高裝配效率，解決大型導彈艙段對接裝配困難的問題[14,15]。中國科學院沈陽自動化研究所王丙戌等人提出利用導彈艙段調整機構及基于激光測距傳感器測量的位姿測量系統實現艙段的自動對接，并進行仿真驗證了設計方法的正確性[16]。在導彈總裝幾何量數字化測量方面，國防科學技術大學吳寶中等人進行了積極探索，采用測量步驟進行導彈總裝測量流程的表達方法，給出了導彈測量流程創建的步驟，為導彈總裝測量流程建模及數據后續處理奠定了基礎[17]。北京衛星環境工程研究所易旺民等人為滿足航天器艙段對接裝配的高精度、自動化需求，提出一種基于自動化手段的大型艙段對接裝配技術[18]，介紹了該技術的工作原理，闡述了其基于并聯機構的位姿控制和力隨動控制兩大要點，并進行了艙段水平對接裝配試驗。

2 自動對接關鍵技術

由前述自動對接技術的研究及應用案例可知，航天器艙段自動對接系統主要包含位姿檢測系統、計算機控制系統、運動執行機構等，其中位姿檢測系統用于裝配中航天器艙段的實時定位測量；運動執行機構主要是對活動部件施加一定的運動推力，完成對接過程；計算機控制系統根據測量系統的數據對定位系統進行姿態及位置調整[16]，圖2所示為航天器艙段自動對接系統原理。

2.1 位姿檢測技術

高精度數字化空間位姿檢測是實現自動對接的基礎，能夠應用于空間位置測量的設備主要包括激光跟蹤儀、室內GPS測量系統、視覺測量設備、電子經緯儀和關節臂三坐標測量機等，其中電子經緯儀和關節臂三坐標測量機因為精度較低或需要人工進行瞄準操作等原因，難以實現自動化，不適用于自動對接系統的應用[19]。

2.1.1 激光跟蹤儀

激光跟蹤儀的測量原理為測量頭發出激光束，經過放置在待測關鍵特征(KC)點上的目標靶球中的反射鏡后，反射光沿原路返回，經分光鏡一束與參考光形成干涉測量出高精度的距離信息，另一束被光電位置接受器件接收，當靶球移動，激光束偏離靶球反射鏡的中心時，就會在光電位置接受器中產生偏差電壓，控制電機帶動測量頭旋轉，使發出的激光束始終追蹤靶球中心，由高精度角度編碼器測得測量頭球坐標系中靶球的水平角α和垂直角β，結合距離信息得到靶球空間坐標的高精度測量值[19]，如圖3所示。

激光跟蹤儀是增量式測量系統，測量前需將靶球放置于某一距離和位置固定的原點上進行初始化，再移動靶球完成空間坐標的測量。激光跟蹤儀具有高精度大尺度測量能力，能夠自動追蹤靶球，實時測量，對于非運動目標的測量精度能夠達到5 μm/m，對于運動目標的測量精度能夠達到10 μm/m。激光跟蹤儀的缺點是被測物體被遮擋后無法測量，轉站后的精度會受影響，單臺激光跟蹤儀只能實現多點靜態間斷式測量，多點實時動態測量只能采用多臺激光跟蹤儀來完成。

2.1.2 室內GPS

室內GPS 的測量原理為由發射器產生2個與垂直平面呈正負30°的扇形激光面，在測量區域高速旋轉[20]，如圖4所示。接收器通過測量激光平面掃過的時間以及兩個激光平面掃過的時間間隔，能夠得到接收器相對于發射器的水平角α和垂直角β，采用兩個或多個發射器，由三角交匯原理得到接收器的空間坐標。發射器越多，同一接收器接受的測量結果越多(一般至少要接收到4個發射器信號)，可以得到的測量精度就越高[21]。

室內GPS 測量系統比較適合大型車間等固定場所的定位測量，只需將接收器放在待測關鍵特征點上，并能被發射器發出的扇形激光面掃到即可。室內GPS支持多點測量和多用戶，不必像激光跟蹤儀增加儀器個數，一旦經過標定后無需再次標定，無溫度影響，斷光后無需重新標定，只需要不斷安裝發射器，就能夠實現測量范圍的擴大。其缺點主要是只能應用于固定車間，不能便攜，布站沒有激光跟蹤儀靈活，不便于隱蔽點的測量，近距離精度低于激光跟蹤儀。

激光跟蹤儀和室內GPS 測量系統需要在待測位置放置靶球或接收器，屬于接觸式測量，應用時需要根據測量部件的三維模型信息和測量點在模型上的位置推算被測部件的位姿，自帶軟件一般僅能完成靶標空間位置的測量，應用中需根據API 應用程序接口函數開發適用于對接過程的應用軟件，根據測得的地面及對接部件上的靶球坐標建立地面坐標系與對接部件坐標系的關系，開發工作量較大[22]。

2.1.3 計算機視覺測量

計算機視覺和圖像處理技術在機械部件自動對接中的應用，往往采用不直接獲取深度信息的測量方法，方法簡單[23]。視覺測量的優點是不需要放置靶球或接收器，屬于非接觸測量方法，可以直接根據對接面的圖像信息控制完成對接(在某些應用中，對接面可能會受到遮擋，這時需要通過標識工具或模板，事先將對接面的測量信息轉換到對接部件的外側表面)，標定過程簡單并無需經常標定，無需其他輔助測量設備，價格相對低廉，對溫度濕度等不同的環境適應力強。缺點是對環境光線要求較高、圖像轉換算法復雜、測量頻率低。

激光跟蹤儀、室內GPS和計算機視覺三種測量方法的性能特征見表1所示。

表1 三種位姿檢測方法的性能特征

2.2 運動執行機構

在自動對接系統中，作為末端執行單元，執行機構是一些數字化自動控制的高精度定位裝置，主要有分布式自動對接工裝和托架式自動對接工裝兩類[24]。分布式自動對接工裝由若干個機械隨動定位裝置(稱為定位器，也稱POGO柱)組合而成，如圖5(a)所示，每個定位器都可以沿XYZ三個方向做直線運動，聯調多個定位器可以實現對接部件的定位和調姿。此外，一旦定位器接觸到機械部件，其自身攜帶的載荷檢測元件便連續測量定位器的觸壓并反饋給控制系統，防止過觸壓現象。分布式自動對接工裝的優點是結構簡單、形式多樣、配置靈活。

托架式自動對接工裝是將兩臺定位器與保型架相連，對接部件放置在保型架上，如圖5(b)所示。保型架增加了對接部件與定位器的接觸面積，可以有效減小部件的形變。

在由多個定位器組成的柔性裝配系統中，不同的機械部件通常具有各自不同的結構形式和對接方式，要合理設置執行機構中定位器的數量、空間位置和每個定位器主動、隨動運動的維數和方向。太多的自由度冗余使得該技術難以應用在有手動和自動結合要求且活動空間較小的對接系統中。為解決這一問題，文獻[25]提供了一種用于火箭部件對接的調姿裝配系統，如圖6所示。該調姿系統由兩個具有4自由度的調姿裝置組成，四自由度的調姿裝置通過導軌、平移絲杠、升降機完成XYZ三方向移動，通過回轉滾輪和回轉絲杠完成繞X軸的旋轉，每個自由度的運動均安裝有手輪實現手動調節。兩個4自由度的調姿裝置配合使用實現6自由度調姿，相比于基于定位器的6自由度調姿系統，降低了調姿平臺的高度，易于實現手動調姿。

除定位器外，在自動對接系統中，6自由度調姿平臺技術也得到了廣泛應用。6自由度調姿平臺根據結構分為串聯式、并聯式及串并混合式，如圖7所示。其中并聯機構的特點為支路較多，單個支路的載荷低，提高了機構的整體承載能力，剛度大；各支路誤差相互影響沒有積累，精度高；可以采用質量較輕的部件，總體質量小，降低了機構慣性，動態性能優越；但并聯機構各支路相互影響，限制了機構的工作空間。相反，串聯機構各驅動支路，單個支路的載荷高；運動鏈較長，有誤差積累；總質量大，增加了機構慣性，動態性能欠佳；但工作空間大。為彌補并聯機構和串聯機構各自的不足，串并混合機構引起了人們的興趣，其中，文獻[26]設計了新型6自由度串并聯機構，文獻[27]構造了由2個3自由度并聯機構串聯而成的串并混合機構等等。但串并混合機構尺寸較大、質量重、制造安裝成本高。

另外，從調姿平臺兩種不同結構設計的特點考慮，并聯機構逆解容易，正解困難，適合于計算機聯動控制，在要求有手自結合或手自聯調的系統難以應用，而串聯機構正解容易，更適合于在有手自結合或手自聯調系統中應用。不同調姿平臺的性能比較見表2。

精度工作空間快速性技術復雜程度/市場資源特點并聯調姿平臺高小好一般/好逆解容易,正解難串聯調姿平臺中等大差中等/一般正解容易,逆解難串并聯調姿平臺較高中等中等大/差設計難度大,技術復雜

2.3 計算機控制系統

計算機控制系統作為自動對接系統的核心部件，相當于人的大腦和神經，起樞紐作用。一方面，控制系統需要接受來自于位姿檢測系統的測量數據，用計算機軟件將其與設計模型進行比對、分析和處理；另一方面，根據計算機軟件的比對結果，輸出相應的控制指令給執行機構，控制執行機構產生需要的位置變化量，實現機械部件空間位姿的調整；同時還要實現人機交互功能，即將測量的數據、控制指令的執行情況以數據和圖像的形式實時生動地在計算機屏幕上顯示，便于操作者及時發出控制指令，如圖8所示。圖9為其對接系統的人機交互界面。

在接觸式測量的對接系統中，每當測量系統完成一次測量任務，計算機的定位分析軟件都會對測量數據進行處理，通過與設計模型的比對和配準，計算出各部件之間的相對位姿偏差，將這種偏差轉化為執行機構所需的位姿調整指令，驅動定位器完成對接部件的位姿調整。

在非接觸式測量的對接系統中，計算機應用圖像處理軟件對視覺設備攝取的對接面圖像信息進行處理，計算出機械部件間的相對位姿偏差，將這些偏差轉化為執行機構所需的位置調整指令，完成對接部件的位姿調整。

3 結論

1) 隨著科技的發展，自動化、智能化成為航天器艙段對接必然的發展趨勢。

2) 位姿檢測系統用于裝配作業中航天器艙段的實時定位測量，其核心功能是建立地面坐標系與對接部件坐標系的關系，是實現自動對接的基礎。非接觸式位姿測量可以在較大范圍內對被跟蹤物體進行實時測量，計算機視覺成本較低，無需靶球裝置，具有較強的適應性。

3) 串聯機構正解容易，更適合于在有手自結合或手自聯調系統中的應用。

4) 計算機控制系統根據測量系統的數據對定位系統進行姿態及位置調整，可實現航天器艙段的高精度對接。

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