基于激光扫描的火箭对接装配测量及调整技术

王 津 朱艳妮 吴华阳 陈宝有 张学伟 崔 蕴

(1.天津航天长征火箭制造有限公司，天津 300462；2.中国人民解放军空军指挥学院，北京 100089；

3.北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

1 引 言

运载火箭是一种将人造卫星，载人飞船，空间站，空间探测器等有效载荷送入预定轨道的航天运输工具[1]。在航天制造业中，运载火箭这种大型航天器均是采用分段制造，整体装配的方法进行制造，所以装配精度决定最终火箭质量[2]。

火箭总装方式主要分为水平总装和垂直总装两种方式，垂直装配主要通过吊装的方式进行对接，具有垂直度易于校正的优点。水平装配则全程需要辅助工装进行火箭的定位与固定，通过调整工装姿态来实现部段对接。美国和俄罗斯作为世界航天技术的领头羊，无论是水平装配还是垂直装配均已实现自动化，通过现代化检测测量手段配合姿态调节装置完成[3]。国内火箭总装主要学习俄罗斯的水平装配方式，目前自动化程度较低，主要通过多人同步旋转支撑架车手轮，调整支撑架车姿态，进而调整箭体姿态实现对接操作。

现代化测量手段是火箭自动装配的基础，是实现精确装配、完成设计技术指标的首要前提。三维位置姿态测量方法主要包括经纬仪测量，室内GPS测量，激光跟踪仪测量和激光扫描测量。经纬仪测量系统采用合作目标的方式，需要人工瞄准靶标，测量效率低。室内GPS需要放置多组发射器于厂房内，标定后需固定多个接收器于产品上，安装定位困难。激光跟踪仪是实现单点测量，使用靶球跟随测量位置移动方可测量，效率较低[4]。激光扫描测量为非合作目标方式，分层扫描，高效便捷，适用于总装厂房内的现场测量。本文采用北京航天计量测试技术研究所自主研发大尺寸非合作目标三维形貌测量仪来实现数据的采集，通过协调控制算法驱动控制机构实现精准对接。

2 大尺寸非合作目标三维形貌测量仪介绍

大尺寸非合作目标三维形貌测量仪主要包括激光测距系统、精密伺服三维扫描系统和中央控制系统三部分组成，如图1所示。激光测距系统的主要功能是发射激光并对目标距离进行测量。精密伺服三维扫描系统的主要功能是实现大角度范围的目标精确扫描，并测量目标的方位、俯仰角度信息。中央控制系统负责整机的控制、信息处理以及数据解算。

激光测距系统由激光测距装置、俯仰轴和水平轴组成一个标准的空间球坐标系，设被测点是此球坐标系下任意一点，通过绝对测距，得到仪器中心到被测点P的距离L，利用水平和俯仰两个测角码盘进行水平角α和俯仰角β的同步测量，从而得到被测点P的三维坐标值(L,α,β)，如图2所示。多次反复测量取平均作为该点的三维坐标测量值。被测点P坐标可表示为

(1)

式中：L——仪器中心到被测点P距离；β——被测点P与XY平面的夹角；α——被测点P在XY平面的投影距离与X方向的夹角。

火箭部段都是薄壁大开口部件，均可用圆柱形来拟合，使用大尺寸非合作目标三维形貌测量仪对待测物件进行扫描，通过测量的点云数据拟合待测物件的外形，建立相应数学模型，可以获取足够的高精度测量信息，如实反馈部段的形状[5]。

3 水平自动对接实现

箭体水平对接主要是实现箱体和壳段的连接操作，在完成箱内和壳段内的部分总装操作后，进行对接以便后面的箭体总装工作，布置测量仪及箭体以实现水平方向的自动对接，如图3所示。

图3 水平对接系统布置方案Fig.3 Horizontal docking system layout scheme

在布置之前，需要将两个测量仪所测数据融合进同一坐标系下，在箭体尚未推到预定位置时，固定测量仪。在厂房布置一些基准转换靶标，这些基准转换靶标每三个都不共线。为了提高准确度，在地面和墙面各布置不共线的4个靶标，两个测量仪均测量这些靶标即可统一进同一坐标系中，最后建立以大地铅锤方向为Z轴，轨道方向为X轴的坐标系。设一个测量仪测得的八个点坐标为

A=RB

(2)

式中：R——两个测量仪测量数据转换矩阵。

R可表示为

R=ABT(BBT)-1

(3)

可以求出

(4)

(5)

(6)

第一个测量仪内数据经过一次变换，第二个测量仪内数据经过两次变换，所测数据均转换到铅垂坐标系内。

标定后，将箭体推入预定位置后，分别测量箱体端框外表面和壳段端框外表面，由于测量的是点云数据[6]，难免存在粗大误差，需要将所测数据进行最小二乘法拟合圆柱，利用拉依达准则去除粗大误差后，分别将剩余数据进行拟合，计算箱体和壳段的圆柱轴线。再通过调整支撑架车的控制机构调节箭体姿态实现两部段的轴线统一，支撑架车调整姿态原理如图4所示。

图4 支撑架车姿态调整原理Fig.4 Principle of attitude adjustment of support frame

计算完两个部段轴线后，通过Y向和Z向调整电机调整支撑架车姿态进而调整箭体姿态，实现两个部段的轴线统一，同时尽量实现调整后的两个部段支撑电机处于行程的中间位置。姿态调整完后，壳段支撑架车的X向电机动作，使得两部段对接面距离2cm左右后，目测定位销钉与定位销孔相对位置，调整W向电机，实现两个部段姿态的完全统一，再动作壳段支撑架车的X向电机完成水平对接。

4 垂直自动对接实现

目前国内运载火箭主要采用水平装配的方式进行总装，但国内某型号的二级和级间段试对过程需要在垂直状态进行，而垂直试对过程系统布置如图5所示。

图5 垂直对接系统布置方案Fig.5 Vertical docking system layout scheme

为了保证测量的级间段准确，需使用三个测量仪所测的端面部分重叠，进而保证最终计算的轴线精准。对接开始前需要将三个测量仪所测数据融合进同一坐标系下，同水平对接方法。融合后再分别测量级间段和芯二级的外表面，由于箭体部段加工过程中，对接框区域精度最高，故芯二级分别选取对接框区域进行测量，去除粗大误差后再通过最小二乘法拟合计算出轴线位置，其中级间段为提前固定好，所以通过调整天车位置实现两者轴线的统一，由于天车是通过柔性吊索连接芯二级，故需缓慢分段下降落至级间段内，每次稳定后测量保证轴线的统一后再缓慢降落芯二级，直至芯二级与级间段对接完成。

5 对接角度测量误差分析

三维形貌测量仪在0～50m，水平180°，垂直45°的范围内测量误差MPE为±(20+20H)μm，H为仪器中心到被测点距离。

图6 水平对接示意图Fig.6 Horizontal docking error analysis

建立对接测量坐标系xyz，其中：x为轴线坐标、z为垂直坐标、y符合右手法则。则箱体与对接轴线夹角的简化数学模型为

(7)

可测筒段最远端为直径的一半，最大测量误差为

ξ=20+20×(H0+0.5D)

(8)

式中：ξ——最大测量误差；H0——测量仪与测点距离；D——箱体或筒段直径。

测量仪到A点距离HA为20.6m，筒段直径D为5m，A点最大测量误差为

ξA11=20+20×(HA+0.5D)=0.482mm

测量仪与B点距离HB为5m，B点最大测量误差为

ξB11=20+20×(HB+0.5D)=0.17mm

实际测量时，采用两个测量仪进行测量，A点拟合最大误差为

B点拟合最大误差为

箱体与对接轴线夹角的误差最大值为

同理，可得筒段上C点与D点最大误差为

ξC1=0.3mm

ξD1=0.342mm

筒段与对接轴线夹角的误差最大值为

则水平对接时相对角度误差最大值为

ψ1=ψ11+ψ12

(9)

ψ1=0.003°+0.018°=0.021°

6 试验验证

在某型号发射场试验期间，分别采用三维形貌测量仪和激光跟踪仪在技术阵地垂直总装厂房进行了星罩组合体与芯二级垂直对接装配辅助测量工作，三维形貌测量仪采用扫描方式测量三维点云数据并通过软件获取节圆数据进行对接角度信息解算，激光跟踪仪测量相同节圆并进行对接角度信息解算，测量结果如表1所示。

表1 测量结果Tab.1 Measurementresults(°)角度值测量次数三维形貌测量仪激光跟踪仪偏差方位角Α15.625.41-0.21A24.184.240.06A31.691.57-0.12俯仰角B110.029.92-0.1B26.716.54-0.17B32.932.77-0.16

续表1角度值测量次数三维形貌测量仪激光跟踪仪偏差滚转角C11.721.66-0.06C21.391.570.18C30.380.18-0.2

由表1可知，采用两种方法对对接筒段进行姿态测量，最大偏差为0.21°，与激光跟踪仪具有较好的符合性。

7 结束语

大尺寸非合作目标三维形貌测量仪具有测量精度高、测量速度快，量程大及现场测量等特点，在火箭总装过程的水平对接和垂直对接过程均使用效果良好，大幅度提高工作效率，降低劳动强度，对其他火箭型号乃至航空船舶等总装过程有一定借鉴意义。