航天器舱段自动对接研究进展及关键技术分析

刘 渊，费允锋，宋银灏，涂群章

(1.中国人民解放军96657 部队， 北京 100011; 2.解放军理工大学， 南京 210007)

航天器机械系统的性能在很大程度上由装配的精度决定。航天器各舱段的外形尺寸大、涉及部件多、结构轻薄易变形，将这些分离的舱段装配成一个整体，大部件和舱段的对接是其中的重要环节，是技术难度大、涉及领域多的复杂工程。

传统的航天器舱段装配采用刚性工装定位、手工制孔连接，通过人眼对操作界面进行视觉反馈，劳动强度大，效率低，装配周期较长[1]。而且，这种方式的对接效果取决于人员的经验和操作水平，精度低、安装速度慢、操作稳定性差。近年来，随着机器视觉测量技术[2-4]、激光跟踪测量技术[5-6]及机器人技术[7]等的发展，在多约束、大质量、非规则的大型航天器舱段对接方面，自动化对接成为必然的发展趋势[8]。

自动对接技术在航天器舱段对接领域中的研究及应用尚处于起步阶段，鲜有这方面的综合介绍。因此，本文在介绍航天器舱段自动对接领域的国内外研究应用的基础上，着重对关键技术进行了分析，以期为相关研究人员提供方法和思路借鉴。

1 航天器舱段自动对接研究现状

在高科技的推动下，自动对接技术快速发展，其在飞机的装配中体现得尤为明显[9-11]。而在航天器舱段对接领域中的研究及应用尚处于起步阶段，只有部分国外顶级航天器舱段装配单位配备自动对接系统，国内对航天器舱段自动对接技术的研究还停留在方案讨论、理论研究以及部分关键技术实验室验证阶段，未有整套系统研制应用的报道。

美国波音公司采用激光跟踪仪作为对接测量系统，实时监测航天器舱段对接偏差，利用数字化管理系统根据偏差信息驱动导轨式数控对接平台完成舱段对接[9]。雷神公司于2012年研制了全自动化的导弹柔性装配生产线[12]，采用激光制导的高精度机器人作为物流设备和柔性工装设备，系统总体定位误差很小。美国白沙导弹自动对接系统[13]，其形式与雷神公司设备基本相同，对接平台采用伺服电机驱动，根据位姿调节完成导弹的对接。图1为导弹自动对接技术在国外的应用案例。

国内一些高校和企业积极开展了航天器舱段自动对接相关技术的理论和实验研究，取得了一定的成绩。哈尔滨工业大学高超、马剑锋等针对导弹舱段自动对接系统中柔性对接、激光测距及质心测量等关键问题进行了实验设计及验证工作，自动对接技术不但能够提高导弹装配的精度和一致性，还能极大地提高装配效率，解决大型导弹舱段对接装配困难的问题[14,15]。中国科学院沈阳自动化研究所王丙戌等人提出利用导弹舱段调整机构及基于激光测距传感器测量的位姿测量系统实现舱段的自动对接，并进行仿真验证了设计方法的正确性[16]。在导弹总装几何量数字化测量方面，国防科学技术大学吴宝中等人进行了积极探索，采用测量步骤进行导弹总装测量流程的表达方法，给出了导弹测量流程创建的步骤，为导弹总装测量流程建模及数据后续处理奠定了基础[17]。北京卫星环境工程研究所易旺民等人为满足航天器舱段对接装配的高精度、自动化需求，提出一种基于自动化手段的大型舱段对接装配技术[18]，介绍了该技术的工作原理，阐述了其基于并联机构的位姿控制和力随动控制两大要点，并进行了舱段水平对接装配试验。

2 自动对接关键技术

由前述自动对接技术的研究及应用案例可知，航天器舱段自动对接系统主要包含位姿检测系统、计算机控制系统、运动执行机构等，其中位姿检测系统用于装配中航天器舱段的实时定位测量；运动执行机构主要是对活动部件施加一定的运动推力，完成对接过程；计算机控制系统根据测量系统的数据对定位系统进行姿态及位置调整[16]，图2所示为航天器舱段自动对接系统原理。

2.1 位姿检测技术

高精度数字化空间位姿检测是实现自动对接的基础，能够应用于空间位置测量的设备主要包括激光跟踪仪、室内GPS测量系统、视觉测量设备、电子经纬仪和关节臂三坐标测量机等，其中电子经纬仪和关节臂三坐标测量机因为精度较低或需要人工进行瞄准操作等原因，难以实现自动化，不适用于自动对接系统的应用[19]。

2.1.1 激光跟踪仪

激光跟踪仪的测量原理为测量头发出激光束，经过放置在待测关键特征(KC)点上的目标靶球中的反射镜后，反射光沿原路返回，经分光镜一束与参考光形成干涉测量出高精度的距离信息，另一束被光电位置接受器件接收，当靶球移动，激光束偏离靶球反射镜的中心时，就会在光电位置接受器中产生偏差电压，控制电机带动测量头旋转，使发出的激光束始终追踪靶球中心，由高精度角度编码器测得测量头球坐标系中靶球的水平角α和垂直角β，结合距离信息得到靶球空间坐标的高精度测量值[19]，如图3所示。

激光跟踪仪是增量式测量系统，测量前需将靶球放置于某一距离和位置固定的原点上进行初始化，再移动靶球完成空间坐标的测量。激光跟踪仪具有高精度大尺度测量能力，能够自动追踪靶球，实时测量，对于非运动目标的测量精度能够达到5 μm/m，对于运动目标的测量精度能够达到10 μm/m。激光跟踪仪的缺点是被测物体被遮挡后无法测量，转站后的精度会受影响，单台激光跟踪仪只能实现多点静态间断式测量，多点实时动态测量只能采用多台激光跟踪仪来完成。

2.1.2 室内GPS

室内GPS 的测量原理为由发射器产生2个与垂直平面呈正负30°的扇形激光面，在测量区域高速旋转[20]，如图4所示。接收器通过测量激光平面扫过的时间以及两个激光平面扫过的时间间隔，能够得到接收器相对于发射器的水平角α和垂直角β，采用两个或多个发射器，由三角交汇原理得到接收器的空间坐标。发射器越多，同一接收器接受的测量结果越多(一般至少要接收到4个发射器信号)，可以得到的测量精度就越高[21]。

室内GPS 测量系统比较适合大型车间等固定场所的定位测量，只需将接收器放在待测关键特征点上，并能被发射器发出的扇形激光面扫到即可。室内GPS支持多点测量和多用户，不必像激光跟踪仪增加仪器个数，一旦经过标定后无需再次标定，无温度影响，断光后无需重新标定，只需要不断安装发射器，就能够实现测量范围的扩大。其缺点主要是只能应用于固定车间，不能便携，布站没有激光跟踪仪灵活，不便于隐蔽点的测量，近距离精度低于激光跟踪仪。

激光跟踪仪和室内GPS 测量系统需要在待测位置放置靶球或接收器，属于接触式测量，应用时需要根据测量部件的三维模型信息和测量点在模型上的位置推算被测部件的位姿，自带软件一般仅能完成靶标空间位置的测量，应用中需根据API 应用程序接口函数开发适用于对接过程的应用软件，根据测得的地面及对接部件上的靶球坐标建立地面坐标系与对接部件坐标系的关系，开发工作量较大[22]。

2.1.3 计算机视觉测量

计算机视觉和图像处理技术在机械部件自动对接中的应用，往往采用不直接获取深度信息的测量方法，方法简单[23]。视觉测量的优点是不需要放置靶球或接收器，属于非接触测量方法，可以直接根据对接面的图像信息控制完成对接(在某些应用中，对接面可能会受到遮挡，这时需要通过标识工具或模板，事先将对接面的测量信息转换到对接部件的外侧表面)，标定过程简单并无需经常标定，无需其他辅助测量设备，价格相对低廉，对温度湿度等不同的环境适应力强。缺点是对环境光线要求较高、图像转换算法复杂、测量频率低。

激光跟踪仪、室内GPS和计算机视觉三种测量方法的性能特征见表1所示。

表1 三种位姿检测方法的性能特征

2.2 运动执行机构

在自动对接系统中，作为末端执行单元，执行机构是一些数字化自动控制的高精度定位装置，主要有分布式自动对接工装和托架式自动对接工装两类[24]。分布式自动对接工装由若干个机械随动定位装置(称为定位器，也称POGO柱)组合而成，如图5(a)所示，每个定位器都可以沿XYZ三个方向做直线运动，联调多个定位器可以实现对接部件的定位和调姿。此外，一旦定位器接触到机械部件，其自身携带的载荷检测元件便连续测量定位器的触压并反馈给控制系统，防止过触压现象。分布式自动对接工装的优点是结构简单、形式多样、配置灵活。

托架式自动对接工装是将两台定位器与保型架相连，对接部件放置在保型架上，如图5(b)所示。保型架增加了对接部件与定位器的接触面积，可以有效减小部件的形变。

在由多个定位器组成的柔性装配系统中，不同的机械部件通常具有各自不同的结构形式和对接方式，要合理设置执行机构中定位器的数量、空间位置和每个定位器主动、随动运动的维数和方向。太多的自由度冗余使得该技术难以应用在有手动和自动结合要求且活动空间较小的对接系统中。为解决这一问题，文献[25]提供了一种用于火箭部件对接的调姿装配系统，如图6所示。该调姿系统由两个具有4自由度的调姿装置组成，四自由度的调姿装置通过导轨、平移丝杠、升降机完成XYZ三方向移动，通过回转滚轮和回转丝杠完成绕X轴的旋转，每个自由度的运动均安装有手轮实现手动调节。两个4自由度的调姿装置配合使用实现6自由度调姿，相比于基于定位器的6自由度调姿系统，降低了调姿平台的高度，易于实现手动调姿。

除定位器外，在自动对接系统中，6自由度调姿平台技术也得到了广泛应用。6自由度调姿平台根据结构分为串联式、并联式及串并混合式，如图7所示。其中并联机构的特点为支路较多，单个支路的载荷低，提高了机构的整体承载能力，刚度大；各支路误差相互影响没有积累，精度高；可以采用质量较轻的部件，总体质量小，降低了机构惯性，动态性能优越；但并联机构各支路相互影响，限制了机构的工作空间。相反，串联机构各驱动支路，单个支路的载荷高；运动链较长，有误差积累；总质量大，增加了机构惯性，动态性能欠佳；但工作空间大。为弥补并联机构和串联机构各自的不足，串并混合机构引起了人们的兴趣，其中，文献[26]设计了新型6自由度串并联机构，文献[27]构造了由2个3自由度并联机构串联而成的串并混合机构等等。但串并混合机构尺寸较大、质量重、制造安装成本高。

另外，从调姿平台两种不同结构设计的特点考虑，并联机构逆解容易，正解困难，适合于计算机联动控制，在要求有手自结合或手自联调的系统难以应用，而串联机构正解容易，更适合于在有手自结合或手自联调系统中应用。不同调姿平台的性能比较见表2。

精度工作空间快速性技术复杂程度/市场资源特点并联调姿平台高小好一般/好逆解容易,正解难串联调姿平台中等大差中等/一般正解容易,逆解难串并联调姿平台较高中等中等大/差设计难度大,技术复杂

2.3 计算机控制系统

计算机控制系统作为自动对接系统的核心部件，相当于人的大脑和神经，起枢纽作用。一方面，控制系统需要接受来自于位姿检测系统的测量数据，用计算机软件将其与设计模型进行比对、分析和处理；另一方面，根据计算机软件的比对结果，输出相应的控制指令给执行机构，控制执行机构产生需要的位置变化量，实现机械部件空间位姿的调整；同时还要实现人机交互功能，即将测量的数据、控制指令的执行情况以数据和图像的形式实时生动地在计算机屏幕上显示，便于操作者及时发出控制指令，如图8所示。图9为其对接系统的人机交互界面。

在接触式测量的对接系统中，每当测量系统完成一次测量任务，计算机的定位分析软件都会对测量数据进行处理，通过与设计模型的比对和配准，计算出各部件之间的相对位姿偏差，将这种偏差转化为执行机构所需的位姿调整指令，驱动定位器完成对接部件的位姿调整。

在非接触式测量的对接系统中，计算机应用图像处理软件对视觉设备摄取的对接面图像信息进行处理，计算出机械部件间的相对位姿偏差，将这些偏差转化为执行机构所需的位置调整指令，完成对接部件的位姿调整。

3 结论

1) 随着科技的发展，自动化、智能化成为航天器舱段对接必然的发展趋势。

2) 位姿检测系统用于装配作业中航天器舱段的实时定位测量，其核心功能是建立地面坐标系与对接部件坐标系的关系，是实现自动对接的基础。非接触式位姿测量可以在较大范围内对被跟踪物体进行实时测量，计算机视觉成本较低，无需靶球装置，具有较强的适应性。

3) 串联机构正解容易，更适合于在有手自结合或手自联调系统中的应用。

4) 计算机控制系统根据测量系统的数据对定位系统进行姿态及位置调整，可实现航天器舱段的高精度对接。

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