導(dǎo)彈艙段對接姿態(tài)偏差測量方法研究*

湯 輝，晉嚴尊，劉賽華

(中國空空導(dǎo)彈研究院，洛陽 471009)

0 引言

雷達系列空空導(dǎo)彈是由多個艙段組成，具有尺寸小、質(zhì)量大、對接面特征復(fù)雜等特點。目前對接模式是人工將待對接的兩個艙段放置到對接臺的托架上，手動調(diào)節(jié)托架位置，使相鄰兩個艙段的軸線對準、對接面上的定位銷及定位槽精準配合[1]。因各艙段重量較大、艙段間配合公差高要求等因素，依靠人工將各艙段間的同軸度偏差和圓周方向上定位銷與定位槽的對準偏差調(diào)整到要求范圍內(nèi)，存在效率低、精度和質(zhì)量難以保證等問題。實現(xiàn)對接工序的自動化、智能化是保證裝調(diào)質(zhì)量和安全性的前提下實現(xiàn)產(chǎn)能提升的一個重要途徑。

對于自動化艙段對接系統(tǒng)來說，艙段在對接過程中的位置是隨機的，執(zhí)行元件通過“平移”和“旋轉(zhuǎn)”動作以便將艙段的位置和姿態(tài)調(diào)整到位。但執(zhí)行元件并不能知道需要移動多少距離或者旋轉(zhuǎn)多少角度，需要有相應(yīng)的測量系統(tǒng)反饋至控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)將移動量傳達至執(zhí)行元件。因此，測量系統(tǒng)的性能將直接決定位姿調(diào)整的精度和效率。

軸線姿態(tài)的測量技術(shù)可分為兩大類，接觸測量與非接觸測量。接觸性測量包括三坐標測量機、關(guān)節(jié)式測量臂等。三坐標測量機具有自動測量、技術(shù)成熟、價格低廉等特點。關(guān)節(jié)式測量臂則需要人力移動測頭測量，雖體積小但不滿足自動化裝配，存在測量誤差，可能造成設(shè)備表面損傷。非接觸測量包括激光跟蹤儀+靶標[2]、機器視覺+靶標[3]和線結(jié)構(gòu)光等手段[4]。激光跟蹤儀具有精度高、相干性好、抗干擾能力較強等優(yōu)點，但不能對特征量進行直接測量，且價格昂貴。機器視覺方法需進行三維姿態(tài)測量，配置3D相機，價格昂貴。線結(jié)構(gòu)光測量需要對筒件無接觸測量，無靶標，精度高，但有局限性。

相較于其它測量手段，三坐標測量機[5]在技術(shù)上成熟且價格低廉、精度高，因此本文選擇三坐標測量機作為艙段軸線偏差的測量手段。由于定位銷與定位槽的角度偏差測量可以在二維平面內(nèi)進行，因此采用單目工業(yè)相機視覺實現(xiàn)角度偏差的測量。基于三坐標測量機和視覺系統(tǒng)，本文研究了融合位姿檢測和對接面關(guān)鍵特征識別與定位的測量方法，并應(yīng)用于導(dǎo)彈艙段自動對接系統(tǒng)，實現(xiàn)導(dǎo)彈艙段高質(zhì)高效對接。

1 對接系統(tǒng)及對接工藝選擇

1.1 對接系統(tǒng)設(shè)計

自動化對接系統(tǒng)主要完成導(dǎo)彈導(dǎo)引艙、飛行控制艙、過渡段和舵機艙的連接，如圖1所示。

圖1 導(dǎo)彈組成 圖2 艙段間周向定位銷、定位槽

各艙段間軸線方向上為軸孔間隙配合，并用楔塊和螺釘進行緊固，圓周方向通過定位銷與定位槽完成限位，如圖2所示。

自動對接系統(tǒng)主要由3個6自由度并聯(lián)平臺(也稱steward平臺)、1個固定平臺、工業(yè)相機(機器視覺)、三坐標測量機組成，組成如圖3所示。

圖3 自動對接系統(tǒng)組成圖

各艙段在對接平臺上固定后，通過三坐標測量機檢測各個艙段的軸線位置，通過工業(yè)相機掃描各艙段定位銷和定位槽的空間位置，并將信息傳至控制系統(tǒng)。通過計算發(fā)出指令驅(qū)動6自由度并聯(lián)平臺帶動各艙段做相對位置調(diào)整，最終達到各艙段的同軸度對準及圓周方向定位銷和定位槽對準。調(diào)整完成后，活動艙段在驅(qū)動裝置作用下沿對接平臺導(dǎo)軌繼續(xù)運動，直至完成各艙段對接。

1.2 對接過程測量工藝分析

對接過程中，以某一艙段作為基準艙段，依次完成相鄰艙段的軸線偏差的測量及調(diào)整、艙段間圓周方向定位銷與定位槽的測量及對準。對接系統(tǒng)工作時，艙段位置和姿態(tài)調(diào)整執(zhí)行機構(gòu)依據(jù)測量系統(tǒng)所測得的各艙段實時位置和姿態(tài)信息，對艙段進行調(diào)整，最終實現(xiàn)精準對接。需解決兩個關(guān)鍵問題：

(1)艙段間軸線識別與調(diào)整。各艙段對接前，需對各艙段軸線(同軸度)偏差進行調(diào)整。在對接臺上，將某一艙段固定，以其軸線作為基準對其它活動艙段軸線進行調(diào)整，識別出活動艙段軸線與固定艙段軸線的偏差，再由對接臺帶動活動艙段做俯仰、偏航方向位姿調(diào)整，直至各艙段軸線重合，對接后要求同軸度偏差≤0.05 mm。因無有效的測量手段，肉眼較難準確識別出各艙段間的同軸度偏差，偏差較大時需分開重新對接，因此需要反復(fù)識別和調(diào)整，對接時間長、效率低。

(2)對接面關(guān)鍵特征(定位銷與定位槽)定位。導(dǎo)彈艙段對接工作除需要各艙段位姿(軸線)調(diào)整外，還需通過定位銷與定位槽完成圓周方向位置的對準。由于部分定位銷為暗銷，且定位槽的尺寸小，對準偏差要求高(≤0.02°)，同樣需要人工輔助定位。為保證對接精度，必須采取有效的測量方法，提前測量出艙段軸線偏差以及定位銷和定位槽的位置，才能實現(xiàn)安全可靠對接。

2 艙段間軸線識別與測量

本系統(tǒng)采用的三坐標測量機位于對接系統(tǒng)的支撐平臺上，同時在測量機上搭載了雷尼紹OMP40超小型測頭組件和工業(yè)視覺相機。

三坐標測量機帶動測頭在垂直導(dǎo)彈軸線的剖切面上進行測量，提取導(dǎo)彈端面上多個點的三維坐標值(至少4個點，如圖4所示)以及用于艙段前后圓心計算的點的坐標值(一個圓心由4個點擬合得到)，即一個艙段要測量12個點坐標，從而計算出彈體艙段的坐標系。

圖4 艙段坐標系的建立

首先測量前端面內(nèi)壁上4個點坐標m1、m2、m3、m4,通過擬合算法計算出圓心坐標O1，然后測量后端面內(nèi)壁上的4個坐標點值n1、n2、n3、n4,通過擬合算法計算出圓形坐標O2，后端面的上的4個點p1、p2、p3、p4，通過p1、p2、p3、p4擬合出平面，通過點O1、O2和平面p1、p2、p3、p4計算出該艙段的坐標系M1。

圓心擬合計算如下：

多點所在的平面方程表示為：

ax+by+cz-1=0

矩陣形式：

MA=L1

根據(jù)最小二乘法[6]計算出:

A=(MTM)-1MTL1

由于點都在圓上，任意兩點連線的中垂線必過圓心。取圓上兩點P1=(x1,y1,z1)與P2=(x2,y2,z2)，假設(shè)圓心為P0=(x0,y0,z0),記Δx12=x2-x1,Δy12=y2-y1,Δz12=z2-z1。

所有的點在圓上，則

記

則

BTBC=BTL2

可得:

A=(MTM)-1MTL1

則圓心坐標:

C=(DTD)-1DTL3

將多點三維坐標值作為導(dǎo)彈的測量輸入?yún)?shù)，前后圓上的點分別擬合出前后圓心，然后通過后端面上4個點擬合出平面，通過兩個圓心和一個平面計算出彈體艙段的位姿。假設(shè)將導(dǎo)彈分成4段進行對接，則需要在每一個艙段前后兩個剖面上進行測量并計算出活動艙段相對于固定艙段的位置關(guān)系。每個艙段需要測量的點數(shù)是12個點，那么要完成整個彈體的測量就需要測量48個點。

當固定艙段的測量計算完成后，則開始測量下一段的12個點并計算出此艙段的坐標，通過擬合可以得到活動艙段坐標系在固定艙段坐標系的位姿(x,y,z,c,b,a)。如圖5～圖7所示。

圖5 初始階段

圖6 計算艙段之間的位姿關(guān)系

位姿關(guān)系表達式：

3 定位銷和定位槽角度偏差測量

通過搭載在三坐標測量機上的工業(yè)相機(機器視覺)系統(tǒng)測量定位銷和定位槽的角度偏差，旋轉(zhuǎn)艙段保證定位銷和定位槽位置一致。定位槽外漏于彈體外表面，通過視覺系統(tǒng)可直接識別。定位銷位于彈體內(nèi)部并且彈體表面部分也容易被漆層覆蓋，不便于視覺系統(tǒng)直接識別，因此采用視覺輔助塊將定位銷的位置引出。

高分辨率相機采集視覺輔助塊上定位銷及定位槽的圖像后，經(jīng)過halcon軟件[7]的圖像處理和模板匹配準確計算出定位銷和定位槽的位置，通過算法計算出兩者的角度偏差，從而控制平臺旋轉(zhuǎn)，保證對接端面的定位銷和定位槽精準固定。視覺系統(tǒng)識別控制角度偏差流程如圖8所示。

圖8 圖像處理流程

在圖像進行特征點識別時，由于外界光線的變化會導(dǎo)致識別率降低，為克服這個難題，采用歸一化相關(guān)系數(shù)法的模板匹配[8-9]。

采用歸一化相關(guān)系數(shù)匹配的優(yōu)點如下：

(1)適合光照線性變化的情況；

(2)適合物體輕微變形的情況；

(3)適合邊緣不清的、有紋理的或模糊的圖像。

圖像匹配過程中使用金字塔分層搜索策略[10-11]，如圖9所示。搜索過程由高層到底層拓展，將高層圖像搜索到的模板實例追蹤到圖像金字塔最底層，這個過程中需要將匹配結(jié)果從高層映射到金字塔下一層，也就是直接將找到的坐標乘以2?？紤]到匹配位置存在不確定性，將下一層搜索定位匹配結(jié)果的周圍的區(qū)域定義為搜索區(qū)域，然后在該區(qū)域進行匹配。一般情況下，金字塔層數(shù)太高，可能導(dǎo)致搜索不到目標，金字塔層數(shù)太低，又會耗費大量時間，所以需要根據(jù)實際情況會合理選用金字塔層數(shù)。

圖9 圖像金字塔

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 艙段間軸線識別與測量實驗

在6自由度并聯(lián)平臺上放置目標靶鏡，用激光跟蹤儀測量各艙段所在平臺運動的定位精度以及重復(fù)精度，測量結(jié)果如表1所示。由數(shù)據(jù)可知，各艙段所在平臺的調(diào)整精度均在0.03 mm以內(nèi)，符合對接系統(tǒng)調(diào)整精度小于0.05 mm的要求。

表1 并聯(lián)平臺的定位與重復(fù)精度 (mm)

4.2 定位銷和定位槽角度偏差測量實驗

對3發(fā)導(dǎo)彈進行重復(fù)對接實驗，每發(fā)導(dǎo)彈需要完成4個艙段即3個對接面的裝配。

各艙段完成軸線調(diào)整后，系統(tǒng)進行各艙段對接面上的定位銷、定位槽對準偏差測量及調(diào)整，如圖10和圖11所示。

圖10 定位銷、槽位置調(diào)整前

圖11 定位銷、槽位置調(diào)整后

對準偏差結(jié)果如表2所示

表2 定位銷、定位槽的對準偏差

由表2數(shù)據(jù)可知，3發(fā)導(dǎo)彈艙段間定位銷、定位槽對準偏差均在0.01°以內(nèi)，符合對準偏差小于0.02°的對準要求。

5 結(jié)論

本文基于導(dǎo)彈艙段自動對接系統(tǒng)，對導(dǎo)彈艙段對接過程中裝配對象識別及精確測量、位姿調(diào)整、末端執(zhí)行機構(gòu)精準執(zhí)行等關(guān)鍵工藝過程進行分析，主要解決對接過程中的艙段間軸線識別與測量，定位銷與定位槽角度偏差識別問題。基于三坐標測量方法實現(xiàn)艙段間軸線識別，采用視覺測量方法實現(xiàn)定位銷與定位槽的角度偏差測量，最終通過反饋實現(xiàn)精準對接，結(jié)果表明，偏差測量精度能夠滿足實際生產(chǎn)對接要求。