【摘 要】飞机悬挂物挂装的传统方法，采用人员近距离观测指挥挂装设备调姿完成挂装，对于作业空间受限、挂装精度要求较高的复杂挂装作业环境，传统的人工辅助挂装实现困难。笔者提出了机器人视觉下的自动挂装方法，本文通过分析机载悬挂物挂装场景，研究SLAM技术在悬挂物挂装设备上的应用，实现挂装设备自动挂装的使用需求，从而有效提升机载悬挂物挂装的效率。 关键词：飞机悬挂物 SLAM技术 自动挂装
1 引言
SLAM(Simultaneous localization and mapping)，即同步定位与地图构建，主要用于解决机器人在未知环境运动时的定位与地图构建问题，辅助机器人执行路径规划、自主探索、导航等任务，目前SLAM根据传感器的不同主要分为两类，一种是基于激光雷达的激光SLAM和另一种基于视觉的VSLAM。随着近年来机器人、无人机、无人驾驶、VR/AR的备受青睐，SLAM技术已取得了很大的发展，它将赋予机器人和其他智能体前所未有的行动能力。
本文结合机载悬挂物挂装的使用场景，以机器人视觉下的运动作为导向，提出SLAM技术在挂装设备中的运用，研究基于SLAM技术的机载悬挂物自动挂装方法，使挂装设备智能化，最终实现机载悬挂物的自动挂装功能，将自动挂装技术应用到机载悬挂物挂装的现实场景中。
2 机载悬挂物挂装场景分析
对真实环境下的机载悬挂物挂装场景分析，悬挂物挂装的整个过程主要依赖于挂装设备，按挂装流程分为两个阶段：挂装设备的泊车阶段、调姿挂装阶段。
2.1 挂装设备的泊车阶段
使用挂装设备将悬挂物从存放区运送至飞机后方区域，人工操纵挂装设备从飞机后方进入飞机悬挂物舱正下方，锁定制动装置完成泊车。
在现实场景中，往往由于人工操作挂装设备进行泊车精度不够，导致在后续挂装调姿阶段悬挂物吊耳不易对准悬挂装置挂钩，需要进行大幅度调姿，多数情况下还会出现挂装设备调姿超限，需要重新泊车。所以对挂装设备泊车的要求是严格的，必须确保悬挂物吊耳与
悬挂装置挂钩水平、竖直平面基本对准，误差不应超过挂装设备的调姿范围。
2.2 调姿挂装阶段
挂装设备准确泊车后，一名操作人员操纵挂装设备升降机构，将悬挂物提升至距离悬挂装置一定位置处，另两名操作人员同时进入悬挂物舱内，近距离同步观测悬挂物前、后吊耳与悬挂装置挂钩的对接情况，指挥下方操作人员对悬挂物进行六自由度调姿，满足对接姿态条件后继续指挥悬挂物上升，悬挂物前、后吊耳同时进入悬挂装置挂钩，待悬挂装置前、后挂钩同时锁闭后完成挂装，此时操作人员降下挂装设备升降机构，解除泊车锁定，操纵挂装设备安全驶离飞机。
根据GJB 1C-2006《机载悬挂物和悬挂装置结合部位的通用设计准则》所述，机载悬挂物的挂装主要是进行悬挂物与其悬挂装置的机械对接，关键点在于悬挂物上方的两个吊耳与悬挂装置下方挂钩的高精度配合，误差在毫米范围内。实际情况下，操作人员通过肉眼观测吊耳与挂钩的位姿精度达不到要求，并且不同操作人员观测精度上存在差异，同步协调困难，导致重复调姿较多，需要消耗大量的挂装时间。机器视觉定位
3 基于SLAM技术的自动泊车方法
根据挂装设备泊位场景分析，人工操作挂装设备泊位无法保证泊位精度要求，若挂装设备具备机器人视觉执行路径规划、精确导航，自主控制车辆位移，一定会大幅度提高泊位精度。应用SLAM进行自动泊车通过机器视觉寻飞机特征，将挂装设备在飞机后方约20m范围内从停车点引导至飞机机腹下方，并通过悬挂物舱内特征点达到精确定位要求，确保悬挂物吊耳与悬挂装置挂钩水平、竖直平面基本对准，误差不应超过挂装设备的调姿范围。
整个自动泊车过程分为远距离行进阶段和近距离行进阶段。远距离行进时，从飞机出现在挂装设备导航相机的视野范围开始，控制计算机通过人工智能算法，解析出飞机的距离与方位，进行距离、位置规划，自动控制挂装设备大体进入方位。近距离行进时，由挂装设备激光雷达完成场地扫描建图，根据预置的目标轮廓进行定位标志物识别，再根据事先预置的参数确定泊位目标位置，进行路径规划，行进控制，到达目标位置进行挂装。挂装设备自动泊位流程如图3所示。
图3 挂装设备自动泊位流程图
3.1 远距离行进阶段
挂装设备启动后，由人工控制引导挂装设备至飞机进入车载摄像机视野范围，远距离行进
阶段控制开始。远距离行进的导航采用SLAM技术的视觉控制的原理。即行进控制采用摄像机利用人工智能的方法到泊位的目标区，根据目标轮廓大小识别出大致的距离，再经过对目标图像区几何结构的判断，识别出机头与机尾，在具备方位与距离信息基础上，根据挂装设备行进规则，完成路径规划，最终提交车辆底盘实现。
3.2 近距离行进阶段
近距离行进阶段主要是挂装设备由机尾后部位置进入后，在导航定位系统指引下，行进到舱体下泊位。导航定位系统关键技术包括挂装设备实时的位姿测量和路径规划。采用激光雷达SLAM结合双目相机特征点识别与方式，利用局部信息，进行特征匹配和多重估计关联进行定位。利用事先预置的标志物轮廓，通过模板匹配与双目相机特征点三点定位方式获得挂装设备相对于环境的位姿信息。
当挂装设备近距离行进中向上的双目相机进入泊位目标位置上方后，通过特征标识识别，向上的双目相机将精确计算出车身位姿与挂架的关系，完成精度要求范围内的准确停泊。满足条件后，托架将进行俯仰位姿调整，高度距离计算也由向上的双目相机测量获得。
4 基于SLAM技术的自动对接方法
自动挂装采用机器视觉定位，通过机器视觉测量的反馈值传递给控制系统，控制系统控制调姿机构在舱体内向上举升和调姿，再通过最后挂装阶段双目相机测量吊耳与挂钩特征点位置关系，将吊耳挂装至挂钩上，最后通过称重、声音、图像等判断确认是否完成自动挂装。挂装设备的自动挂装流程如图4所示。
图4 挂装设备自动挂装流程图
自动挂装功能应由机械臂、高精度3D双目相机、超声波雷达及计算机等实现，主要完成在
挂装时对目标物的识别、测量，对所在区域的地图构建，自身定位、到达目标物的路径规划等，将运动信息传递给运动控制器，运动控制器控制六自由度调姿机构调姿。
泊车完成后，位于挂装设备举升机构上的机械臂展开，安装于机械臂上的高精度3D双目相机工作，安装于悬挂物托架上的超声波雷达进行防撞检测，开始进行举升，当高精度3D双目相机检测到吊耳上标记的特征点和挂架上标记的特征点同时出现在相机视野后，3D双目相机测量出两者的距离及位姿，由计算机进行解析，并将数据发送至调姿控制器，调姿控制器控制调姿机构进行高精度调整，并不断修正调姿调节距离，形成闭环控制，最终将悬挂物吊耳挂入挂钩内。确保挂装完成的方式有三种，分别为通过显示屏显示图像观察挂装过程挂钩锁闭情况、传感器拾取挂钩上锁撞击声响、挂装设备托架降低后观察称重传感器数值变化，通过这三重手段能够准确判断负载是否已被挂钩锁止。挂装完成后，调姿机构自动撤收，并自动撤出机腹下方，停放在停车区域。
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