一种在轨遥操作机械臂照明系统的设计方法.doc

一种在轨遥操作机械臂照明系统的设计方法 刘皓挺 王巍 高峰 阚宝玺（中国航天电子技术研究院 北京 100094）摘 要：针对未来在轨遥操作机械臂的设计问题，提出了一种相机照明系统的设计方法。首先，建立了适合人眼感知的成像照明标准；其次，设计了根据相机图像恢复光场分布的计算技术；再次，建立了根据相机成像质量反馈LED灯亮度和照明方向调节的自适应照明系统计算的模型，并搭建了原型系统。初期的仿真实验证明了本文提出方法的正确性与有效性。通过本文照明系统设计方法的介绍，为未来我国空间站建设、飞行器的在轨维护与维修、空间机器人技术的应用提供了一种有效的技术途径。关键词：遥操作机械臂 照明评估 照明设计 人眼特性 光场估计1. 引言遥操作机械臂1-2主要用来完成在人力所难以到达环境下各类复杂的作业与精细操作。在航天领域，常见的任务包括3：出舱活动、航天器的维修与维护、飞行器关键部位的拍照、伴飞卫星的抓取与放飞等。一般而言，在轨遥操作机械臂主要由机械臂本体、末端执行器、运算控制器、多目相机系统，以及照明系统等组成。其中，机械臂本体负责实现对末端执行器的传送，末端执行器则实现对目标的抓取与放飞等特定操作，运算控制器完成机械臂姿态的空间自定位与控制、路径规划、故障诊断等计算功能，多目相机系统实现对目标及周围环境图像的采集与测量，而照明系统4-5负责完成对相机系统提供可靠的环境照明。与其它应用不同的是，在轨遥操作机械臂工作的环境往往较为恶劣，而航天任务本身又会对系统的安全性、可靠性，以及任务执行的成功率有较高的要求，因此有必要对机械臂各子系统进行专门的设计与试验。本文介绍一种在轨遥操作机械臂照明系统的设计方法，综合采用了机器视觉、模式识别、计算机图形学等方面的理论与方法，进行了在轨遥操作机械臂照明系统的智能化设计与开发，以期研发出一种符合人眼视觉特性的自适应照明系统的控制技术，对未来该项技术在空间站建设中的应用提供一定的参考。2. 照明系统设计技术一般而言，传统的智能照明系统常采用如下几类技术6-8进行系统的控制：一种方法是通过在LED照明系统附近加装简单传感器（如红外传感器、声学传感器、温湿度传感器等）的方式，感知LED灯附近环境变化的状况，进而指导LED灯亮度的自动调节；另一种方法则是在LED灯电路设计过程中采用光敏材料，通过光敏材料对环境亮度的采集，自适应控制LED灯电路电阻等控制器件的电器性能大小，以实现自动调节LED灯亮度的目的。此外，还有的技术通过结合光伏传感器等产品，根据环境光强度自动调节照明产品的供电，达到节约能源的目的。相比较而言，上述几类技术的优点体现在系统实现相对简单，不存在大规模数据的处理或复杂的运算；而缺点则在于各类系统对环境的感知较为“粗放”与“迟钝”，往往无法进行精细的环境光感知与分析，因此很难提高照明系统的工作效率。多目图像采集图像预处理根据图像恢复光场分布信息照明条件是否合理？照明系统的调节开始结束是否图1 照明系统工作流程图如图1中所示，给出了一种通过相机拍摄的图像分析、估计环境光分布的在轨遥操作机械臂智能照明系统的设计方法。在轨遥操作机械臂照明系统设计的目的，就是为配合遥操作机械臂末端执行器的相机顺利执行图像采集与分析任务，使相机能够在复杂在轨环境光照条件下尽可能高的改善成像质量等级。为了对LED灯等照明设备的工作状态进行控制，本系统的设计采用闭环控制的设计方法，提出采用相机图像成像质量分析的方式实现上述的控制过程。首先，采用人因工程的研究方法，建立适合人眼感知9的成像照明标准。遥操作机械臂的特点就是需要人为观察末端安装相机所采集到图像进行机械臂的手动控制与操作，因此，如何判定机械臂相机的成像质量与人眼感知之间的关联关系，是亟待解决的问题之一。其次，需要设计出根据相机所拍摄的二维图像恢复三维光场分布的计算方法。只有从图像中较为精确的恢复出三维的光场分布10，才有可能利用光照与人眼感知的关联关系进行理想光照环境的控制与调节。最后，需要根据最优光场分布的估计结果计算出LED灯的调节方式。根据对当前三维光场分布的估计，采用相关计算机图形、图像学技术计算出LED灯的亮度和照明方向，进而实现照明系统的自动调节，使之始终保持与人眼视觉感知的最佳匹配。3. 应用案例3.1 应用背景本文以航天某应用为背景，简要介绍遥操作机械臂照明系统的应用。如图2中所示，给出了在轨照明环境分析示意图及神舟十号拍摄到的飞船在轨飞行的照片样例。其中，图(a)为在轨环境光光源分析11示意图，图(b)、(c)、(d)为来自互联网的神舟十号飞船完成交会对接过程中不同距离、不同姿态条件下采集到的目标飞行器图像。从图中可见，对于神舟系列飞船的飞行任务，由于飞行轨道较低，在一天24小时内绕地球飞行的次数约为十余次，因此相对地面而言其受太阳光影响的情况较为复杂；同时，飞船在阳照区与阴影区条件下飞行的照明环境又截然不同，因此需要采用人工的方式进行环境照明的控制与补偿。此外，由于地球辐射、飞船变轨等因素的影响，飞行器视频传感器也极易受其它光源的影响，因此还有必要进行专门的飞船相机系统的建模。(a)(b)(c)(d)图2 在轨照明环境分析示意图及神舟十号任务拍摄图像样例3.2 计算技术为解决在轨照明系统的设计问题，本文提出了采用遥操作机械臂相机成像质量的评估结果自适应控制LED灯照明系统调节的技术。首先，制定出了适合人眼感知的成像照明标准。采用人因工程12的研究方法，通过大量的人体实验，分析出了相关的人眼生理学和人脑认知心理学的特征，建立符合航天应用需求的成像照明主观评价体系指标。该体系的建立，需同时考虑生理学、心理学、色度学、相机成像原理，以及图像显示技术等的基本原理，并采用多元统计分析的技术，使得测量的数据指标通过反复迭代计算的方法，建立不同模型间的关联关系并形成固化的指标。其次，设计了根据图像恢复光场分布的计算方法。根据相机成像的原理和图像亮度分布的规律，采用机器视觉技术、模式识别技术，以及计算机图形学技术，建立了光源定位、光强度分布估计的计算模型，最终通过模型的运算达到对环境主要光场分布情况的估计与模拟。再次，建立了根据相机成像质量反馈LED灯亮度和方向调节的自适应计算模型。通过对高维数据距离度量的计算实现了对最优亮度调节问题的解算，并采用PID控制的方法实现了对LED灯的自适应控制。3.3 硬件系统如图3中所示，本系统原理样机的硬件组成包括：机械臂本体系统、相机系统、照明系统以及终端控制系统。图中，图(a)为五自由度遥操作机械臂系统的外形示意图，相机和照明设备被安装于机械臂的末端执行器部位，终端控制器则分布于机械臂的底座之中。图(b)为遥操作机械臂的工作示意图。当系统工作时，地面或舱内操作人员通过控制操作杆采用无线或有线通信的方式遥控机械臂的运动。在本文所使用的系统中，机械臂本体采用一款五自由度串联型机械臂产品，相机系统采用焦距可精确控制的可见光相机产品，照明系统目前采用白光LED照明灯具，终端控制器则采用单片机的硬件系统实现模式。在未来为了引入更为精细的图像分析与计算技术，可采用FPGA与DSP混合处理的终端电路板设计模式进行系统的实现。相机照明系统具机械臂终端控制系统(a)(b)拍照目标抓取出舱活动设备维修地面操作杆机械臂通信图3 原理样机的硬件系统设计4 技术的推广价值本文所介绍的照明系统设计方法，其核心在于采用相机采集、图像分析的方式进行LED灯照明系统的反馈控制。本文所介绍的技术具有较高的推广价值。首先，相机与LED灯配合工作的模式具有应用的普遍性。除了本文所介绍的带有相机和照明设备的航天遥操作机械臂外，各类带相机和照明设备的水下潜航器、直升机的着陆或着舰系统、带行车记录仪车辆的车灯系统、矿井下的可穿戴的头灯系统、带视频监控的路灯、隧道灯等，均属于这类系统的应用案例。LED灯具有方向性好、亮度高、功耗低，且产品不易损坏的特点，而各类相机设备近些年也逐步得到普及，因此本技术的推广在未来具有良好的市场前景。其次，随着相机技术的应用，图像处理、机器视觉、模式识别等先进信息分析技术被引入到LED灯照明系统智能控制的设计领域，有效提高了控制本身的效能与可靠性。与传统采用红外传感器、温度传感器、声学传感器等相比，采用图像传感器并对图像进行光场的恢复与重建，可以直观有效的帮助照明系统的设计者理解当前照明效果的好坏，进而为提高照明系统的效能提供帮助。再次，通过本技术的推广，拓展了LED灯的应用领域并加速了LED灯的推广与普及。目前，LED灯单纯作为照明设备被使用时，由于其成本较高，推广较为困难；然而在配合相机系统协作工作，特别是与目前已广泛使用的监控系统联合使用后，将信息技术应用到了LED灯的控制之中，增加了LED灯的新的功能点，因此有助于该类产品的推广与应用。本文介绍技术的局限性在于：一方面，虽然图像分析的方法可以被用来拓展LED照明的智能控制功能，但图像分析技术往往涉及复杂的数学运算，因此该系统工作的实时性往往受到制约，一般需使用专用的硬件设备进行系统的实现。另一方面，图像分析技术极易受相机自身因素的影像，如相机的分辨率（包括像元尺寸、像元个数）、响应度（灵敏度）、动态范围、镜头焦距、变焦能力、A/D转换的颜色位数、相机的白平衡能力、相机的等效感光度（ISO）等的影响，这就对相机产品的选型提出了一定的要求。此外，本文所设计系统的复杂度、成本均比常见的智能照明系统会有所增加，目前较适合高端照明应用或大范围集中控制式照明系统的设计与开发。5. 结束语本文介绍了一种在轨遥操作机械臂照明系统的设计方法。本文提出的技术，通过相机采集图像的方式，利用图像恢复环境光场的分布，进而反馈指导LED照明系统的工作。文中提出综合采用图像处理、模式识别等技术进行复杂光照变化条件下智能照明系统的自适应调节。与传统的智能照明技术相比，本文提出的方法能够更为精细的分析环境光照明情况，指导LED灯照明系统更友好的配合遥操作机械臂的工作，保证航天任务的顺利完成。在未来，本文提出的技术可在航空、车辆、船舶、市政工程建设等多个方面进行推广与应用，能够有效提高照明的效果，降低能源的消耗。参 考 文 献1 王永,谢圆,周建亮.空间机器人大时延遥操作技术研究综述.宇航学报.32（2）：299-306.2010. 2 Seungho Kim, Seung Ho Jung, Chang Hoi Kim. Preventive Maintenance and Remote Inspection of Nuclear Power Plants Using Tele-robotics. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. pp. 603-608. 1999. 3 周建平.我国空间站工程总体构想.载人航天.19（2）：1-10.2013. 4 Junchao Zhang, Junjie Chen. The Study of Lighting Controller Routing Algorithm Design. Advances in Intelligent and Soft Computing. vol. 114. pp. 801-808. 2009. 5 严萍,李剑清.照明用LED光学系统的计算机辅助设计.半导体光电.25（3）：181-182. 2004. 6 周求湛,张秀媛,刘富.一种新型基于微控制器的智能车灯控制系统的设计与实现.吉林大学学报（工学版）.39（2）：480-483.2009. 7 Shanshan Guo, Hanting Gu, Lan Wu, Shuixiu Jiang. Energy-saving Tunnel Illumination System Based on LEDs Intelligent Control. Journal of Physics： Conference Series. vol. 276. no.