一种在轨遥操作机械臂照明系统的设计方法

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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。

7、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

8、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