船體外板點(diǎn)位信息轉(zhuǎn)站測(cè)量方法研究

朱志潔，趙 耀，王 中，彭 飛

（1.海軍工程大學(xué)艦船工程系，武漢 430033；2.華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，武漢 430066）

船體外板點(diǎn)位信息轉(zhuǎn)站測(cè)量方法研究

朱志潔1，2，趙 耀2，王 中1，彭 飛1

（1.海軍工程大學(xué)艦船工程系，武漢 430033；2.華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，武漢 430066）

在船體外板激光測(cè)量中，存在因內(nèi)部結(jié)構(gòu)安裝而無法在一個(gè)測(cè)站位置獲取全部測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的問題。為此，提出一種通過轉(zhuǎn)移測(cè)站位置在不同坐標(biāo)系下分區(qū)測(cè)量的方法，并編制計(jì)算程序驗(yàn)證測(cè)量數(shù)據(jù)坐標(biāo)變換、數(shù)據(jù)擬合等處理算法，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)站測(cè)量船體全部待測(cè)點(diǎn)形位信息的功能。利用船體模型的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算測(cè)量誤差，結(jié)果表明，該方法能夠滿足造船工程中船體測(cè)量精度要求，可有效提高船體建造精度和施工效率，保證船體的建造質(zhì)量。

船體建造；激光測(cè)量；轉(zhuǎn)站；坐標(biāo)變換；數(shù)據(jù)處理；測(cè)量誤差

1 概述

隨著現(xiàn)代船舶噸位的增大，對(duì)船體建造精度、建造質(zhì)量的要求也更加嚴(yán)格，船體制造難度亦隨之增大。因此，日韓等造船先進(jìn)國家提出了精度造船的概念，即在船體建造的各工序中，從船體放樣開始，到號(hào)料加工、部件裝配、分段和總段的裝配與焊接，直至船臺(tái)裝配都有嚴(yán)格的加工精度標(biāo)準(zhǔn)［1］，通過在每個(gè)階段實(shí)時(shí)測(cè)量船體結(jié)構(gòu)的測(cè)量點(diǎn)位信息，并據(jù)此計(jì)算控制船體結(jié)構(gòu)變形量，對(duì)船體變形進(jìn)行檢驗(yàn)控制，而通過測(cè)量獲取船體外板等結(jié)構(gòu)上關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)的點(diǎn)位信息是用于精度控制的關(guān)鍵一步［2-3］。常用的方法是使用全站儀等測(cè)量設(shè)備來獲取船體結(jié)構(gòu)上測(cè)量點(diǎn)的位置信息，然后通坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)擬合等數(shù)據(jù)處理手段，得出實(shí)際船體形狀，與理論形狀（或三維模型）加以對(duì)比，評(píng)判加工是否到位或變形是否超差，判斷是否需要超差加強(qiáng)或矯正，以保證建造精度，利于裝配定位［4-6］。然而，由于結(jié)構(gòu)預(yù)舾裝技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在

分/總段和船臺(tái)裝配之前，平臺(tái)、艙壁及各種預(yù)敷的管路等設(shè)備已經(jīng)安裝到位，導(dǎo)致全站儀在一個(gè)位置固定時(shí)不能測(cè)得船體結(jié)構(gòu)上所有需要測(cè)量的點(diǎn)位信息，即存在不通視的點(diǎn)（不通視點(diǎn)）。對(duì)于不通視點(diǎn)的處理方法是舍棄這些不通視點(diǎn)，使用插值計(jì)算這些點(diǎn)的點(diǎn)位信息，留有隱蔽誤差，容易產(chǎn)生制造缺陷或者增加返工率，降低船體制造質(zhì)量［1，2，7］。

本文針對(duì)不通視點(diǎn)的激光測(cè)量方法展開研究，提出一種通過變換全站儀的架設(shè)位置（轉(zhuǎn)站），即在不同位置架設(shè)全站儀測(cè)量全部測(cè)量點(diǎn)位信息的方法，經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后獲取其點(diǎn)位信息的計(jì)算方法，并利用Microsoft Visual Studio 2010編制轉(zhuǎn)站測(cè)量計(jì)算程序，并以三維圖形輸出，使不通視點(diǎn)的位置信息獲取更加準(zhǔn)確便捷，同時(shí)通過船體建造工程實(shí)際測(cè)量應(yīng)用對(duì)方法的有效性加以驗(yàn)證。

2 測(cè)量原理

2.1 坐標(biāo)系的建立

某船體分段內(nèi)以全站儀所處位置為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系（測(cè)站坐標(biāo)系）如圖1所示，其中，Y軸指向天頂方向，XOY平面與水平面平行［7］。由于全站儀的使用條件決定全站儀必須調(diào)整到水平狀態(tài)方可測(cè)量，因此在測(cè)量坐標(biāo)系中Y軸即垂直于水平面。

圖1 測(cè)站坐標(biāo)系

在實(shí)際測(cè)量時(shí)，如果在一個(gè)測(cè)站上不能測(cè)得全部的測(cè)量點(diǎn)，則需要移動(dòng)全站儀，坐標(biāo)系隨之移動(dòng)，需要將所有測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一個(gè)坐標(biāo)系下進(jìn)行計(jì)算，因此，設(shè)定第一次測(cè)量時(shí)全站儀的坐標(biāo)系（如圖1中的O-XYZ所示）作為原始坐標(biāo)系，在其他位置測(cè)量的坐標(biāo)系（如圖1中的O1-X1Y1Z1所示）均需統(tǒng)一到原始坐標(biāo)系下，如多次轉(zhuǎn)站依次設(shè)立坐標(biāo)系Oi-XiYiZi（i=1，2，…）。

2.2 轉(zhuǎn)站測(cè)量原理

全站儀固定于某一點(diǎn)（測(cè)站）測(cè)量船體外板上測(cè)量點(diǎn)的位置信息時(shí)，由于艙壁、平臺(tái)等內(nèi)部構(gòu)件遮擋無法直接測(cè)量到的不通視點(diǎn)。對(duì)不通視點(diǎn)的點(diǎn)位信息的獲取可以通過轉(zhuǎn)站測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)，即通過變換全站儀的架設(shè)位置（轉(zhuǎn)換測(cè)站），從不同測(cè)站測(cè)量船體外板上的測(cè)量點(diǎn)位信息，即可獲得在不同坐標(biāo)系Oi-XiYiZi（i=1，2，…）下的點(diǎn)位數(shù)據(jù)Aij（χij，yij，zij）（i，j=1，2，…，i表示測(cè)站編號(hào)，j表示點(diǎn)位編號(hào)，即指同一肋骨位置上的測(cè)量點(diǎn)編號(hào)），如果在不同測(cè)站上能夠測(cè)量出一定數(shù)量的公共特征點(diǎn)，即可將全部點(diǎn)的坐標(biāo)統(tǒng)一到原始坐標(biāo)系O-XYZ下，得到在同一坐標(biāo)系下的測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)信息。

測(cè)量原理如圖 2所示，對(duì)于測(cè)站 O而言，A01，A02，…，A05為可見點(diǎn)，可以直接測(cè)量獲得該系列點(diǎn)的坐標(biāo)，而A06點(diǎn)為不通視點(diǎn)，將全站儀移動(dòng)到 O1后，在測(cè)站O1處可以測(cè)得A14，A15，A16三點(diǎn)的坐標(biāo)，其中可以用于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的公共特征點(diǎn)為 A04（A14）和A05（A15）。

圖2 轉(zhuǎn)站測(cè)量原理示意圖

由于在對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等處理時(shí)，必須要有一定的公共特征點(diǎn)用于求取轉(zhuǎn)換矩陣，因此測(cè)點(diǎn)的選擇要滿足與上一測(cè)點(diǎn)測(cè)量至少存在2個(gè)通視的公共特征點(diǎn)。

2.3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算

如圖2所示，在測(cè)站O測(cè)得O-XYZ坐標(biāo)系下A14和A15兩點(diǎn)的坐標(biāo)分別為 A04（χ04，y04，z04）和A05（χ05，y05，z05），在測(cè)站O1處測(cè)得O1-X1Y1Z1坐標(biāo)系下A14，A15和 A16三點(diǎn)的坐標(biāo)分別為 A14（χ14，y14，z14），A15（χ15，y15，z15），A16（χ16，y16，z16），需 要 求 出 點(diǎn)A06（A06）在O-XYZ坐標(biāo)系下的坐標(biāo)A06（χ06，y06，z06）。

在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換之前，需要利用已經(jīng)測(cè)得的2個(gè)公共特征點(diǎn)A04（A14）和A05（A15）在2個(gè)坐標(biāo)系之間建立聯(lián)系，即求出坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣。本文已經(jīng)假設(shè)在全站儀調(diào)整水平后，Y軸保持不動(dòng)，只需考慮沿X，Y，Z方向上的位移量和沿Y軸的旋轉(zhuǎn)角即可。

假設(shè)O-XYZ和O1-X1Y1Z1坐標(biāo)系之間的平移向量為（tχ，ty，tz），并繞Y軸旋轉(zhuǎn)θ角（以右手坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)為正），由計(jì)算機(jī)圖形學(xué)知識(shí)得平移矩陣T（tχ，ty，tz）和旋轉(zhuǎn)矩陣R（θ）分別為［8］：

根據(jù)坐標(biāo)平移和旋轉(zhuǎn)公式，從O1-X1Y1Z1坐標(biāo)系下的測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到O-XYZ坐標(biāo)系關(guān)系式可以寫成：

將上述2個(gè)坐標(biāo)系下測(cè)得的 A04（χ04，y04，z04），

A14（χ14，y14，z14）和 A05（χ05，y05，z05），A15（χ15，y15，z15）分別代入式（1），聯(lián)立方程組求出平移向量（tχ，ty，tz）和旋轉(zhuǎn)角θ即求得測(cè)站O1和原始測(cè)站O之間的平移矩陣T（tχ，ty，tz）和旋轉(zhuǎn)矩陣R（θ），在除原始測(cè)站以外的測(cè)站測(cè)量的點(diǎn)位信息，通過坐標(biāo)變換即可通過式（1）轉(zhuǎn)換到原始坐標(biāo)系下。

3 程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于上述轉(zhuǎn)站測(cè)量獲取船體變形點(diǎn)位信息的基本原理，在Visual Studio 2010開發(fā)平臺(tái)下開發(fā)了船體轉(zhuǎn)站測(cè)量圖形化計(jì)算系統(tǒng)［9］，系統(tǒng)由無線數(shù)據(jù)收發(fā)和測(cè)量主控制2個(gè)子模塊，其中測(cè)量主控制模塊包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、平面擬合、平面投影、曲線擬合、變形計(jì)算以及轉(zhuǎn)站計(jì)算等計(jì)算單元，系統(tǒng)功能模塊組成如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)運(yùn)行于現(xiàn)場測(cè)量控制工控機(jī)平臺(tái)上，通過Zigbee無線傳輸模塊與全站儀進(jìn)行通信，點(diǎn)擊“采集”按鈕發(fā)送測(cè)量指令至全站儀后，接收由全站儀發(fā)回包含測(cè)點(diǎn)極坐標(biāo)數(shù)據(jù)信息的字符串，經(jīng)對(duì)字符串進(jìn)行分割、轉(zhuǎn)換等處理后得到測(cè)點(diǎn)的3個(gè)點(diǎn)位參數(shù)：斜距S，垂向角α，水平角β，并由此參數(shù)自動(dòng)計(jì)算該測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)（χ，y，z）。點(diǎn)擊“添加”按鈕將該測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)信息添加到數(shù)據(jù)庫中，完成測(cè)點(diǎn)位置信息入庫操作后，再經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、平面投影、曲線擬合及插值處理等步驟生成待測(cè)船體形狀的曲線樣式，如有轉(zhuǎn)站測(cè)量的點(diǎn)，則“啟用轉(zhuǎn)站基準(zhǔn)”功能指定要進(jìn)行測(cè)站轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)坐標(biāo)系，系統(tǒng)調(diào)用“轉(zhuǎn)站計(jì)算子模塊”進(jìn)行測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)站計(jì)算，完成船體變形的測(cè)量。船體變形點(diǎn)位信息轉(zhuǎn)站測(cè)量系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)界面

系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)站計(jì)算使用的公共測(cè)點(diǎn)信息以站號(hào)和點(diǎn)號(hào)組合形式加以標(biāo)記，程序會(huì)據(jù)此自動(dòng)識(shí)別并作為已知參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系計(jì)算。系統(tǒng)界面右下部區(qū)域會(huì)隨著測(cè)點(diǎn)采集數(shù)量的增加自動(dòng)計(jì)算該測(cè)量工程中的平面差、測(cè)點(diǎn)偏移量以及使用的擬合算法和限定條件等信息，對(duì)圓形船體構(gòu)件測(cè)量時(shí)，還會(huì)實(shí)時(shí)顯示圓心三向坐標(biāo)信息。

4 實(shí)例驗(yàn)證

本文以某船體總段模型為實(shí)驗(yàn)對(duì)象（如圖5所示），為了實(shí)驗(yàn)方便在其橫艙壁上布設(shè)了6個(gè)測(cè)點(diǎn)（吸附以SOKKIA磁性旋轉(zhuǎn)標(biāo)靶），將全站儀架設(shè)在4個(gè)不同位置（第I～I(xiàn)V測(cè)站）測(cè)量上述6個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別以第I～I(xiàn)V測(cè)站為轉(zhuǎn)站測(cè)量基準(zhǔn)，對(duì)比系統(tǒng)轉(zhuǎn)站計(jì)算單元求得的三維坐標(biāo)與單站測(cè)量值之間的差異，驗(yàn)證上述算法進(jìn)行轉(zhuǎn)站測(cè)量船體結(jié)構(gòu)上測(cè)點(diǎn)信息的可行性及準(zhǔn)確程度。

圖5 某船體總段模型

本文實(shí)驗(yàn)儀器有SOKKIA SRX1X型全站儀（測(cè)角精度為0.5″，測(cè)距精度1+3ppm），SOKK IA原裝RS50N型磁性旋轉(zhuǎn)標(biāo)靶。

表1為在4個(gè)不同的測(cè)站位置對(duì)6個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量的原始數(shù)據(jù)。

表1 測(cè)量原始數(shù)據(jù)

以#6測(cè)點(diǎn)為例，假定其分別在I～I(xiàn)V測(cè)站坐標(biāo)系中為不通視點(diǎn)，即在I（II，III，IV）測(cè)站位置上，無法測(cè)得#6測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位信息，而在其他3個(gè)測(cè)站位置上均可以測(cè)得該測(cè)點(diǎn)，依次以I～I(xiàn)V測(cè)站中為基準(zhǔn)測(cè)站，除基準(zhǔn)站以外的測(cè)站上#6測(cè)點(diǎn)為已知點(diǎn)轉(zhuǎn)站計(jì)算在基準(zhǔn)測(cè)站坐標(biāo)系中#6測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，使用船體轉(zhuǎn)站測(cè)量圖形化計(jì)算系統(tǒng)的轉(zhuǎn)站計(jì)算功能，分別設(shè)置轉(zhuǎn)站基準(zhǔn)為I～I(xiàn)V測(cè)站，#1～#5測(cè)點(diǎn)為轉(zhuǎn)站公共點(diǎn)，計(jì)算得到轉(zhuǎn)站計(jì)算后的#6測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位信息，并與由表1中各個(gè)基準(zhǔn)測(cè)站坐標(biāo)系下獲得的#6測(cè)點(diǎn)沿X，Y，Z方向上進(jìn)行比對(duì)，并計(jì)算該測(cè)點(diǎn)的空間位移量 ΔS，見表2。其中：

表2結(jié)果表明，將上述轉(zhuǎn)站測(cè)量原理可以應(yīng)用于船體空間點(diǎn)位信息的獲取，而且與固定坐標(biāo)系測(cè)量結(jié)果相比較，各種轉(zhuǎn)站關(guān)系下測(cè)點(diǎn)空間位移量均不超過1 mm，對(duì)船體結(jié)構(gòu)尺寸而言，其精度完全滿足艦艇建造精度測(cè)量規(guī)范要求［10］。

表2 轉(zhuǎn)站測(cè)量三維坐標(biāo)對(duì)比mm

5 結(jié)束語

在船體建造過程中使用激光全站儀對(duì)船臺(tái)外板點(diǎn)位信息進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的安裝會(huì)導(dǎo)致無法在同一個(gè)測(cè)站位置一次獲取全部待測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位數(shù)據(jù)。針對(duì)該問題，本文提出了采用變換全站儀所在位置，即利用轉(zhuǎn)站測(cè)量的方法進(jìn)行待測(cè)點(diǎn)測(cè)量，通過選擇一定數(shù)量的公共測(cè)點(diǎn)在幾個(gè)測(cè)站坐標(biāo)系間建立坐標(biāo)變換關(guān)系，并據(jù)此在MS Visio Studio 2010開發(fā)平臺(tái)中編制了相應(yīng)計(jì)算程序，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)變換、數(shù)據(jù)擬合、矩陣計(jì)算等算法。同時(shí)，以某型艦船艙段結(jié)構(gòu)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)本文方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，使用該方法得到的船體外板點(diǎn)位信息結(jié)果滿足國家軍用標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)艦艇建造精度測(cè)量規(guī)范的精度要求，計(jì)算快捷、使用方便，在船體建造和維修活動(dòng)中外板測(cè)量領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用性。鑒于艦艇船體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形體龐大的特點(diǎn)，下一步可在全船測(cè)量控制場的建立與測(cè)量誤差傳遞方面展開研究，著重分析變換測(cè)站坐標(biāo)系時(shí)采用約束的算法結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)途徑。

［1］ 石 勇，張海寬，李 寧，等.大型柱殼結(jié)構(gòu)激光圓度檢測(cè)的轉(zhuǎn)站技術(shù)［J］.船舶標(biāo)準(zhǔn)化工程師，2014，（5）：44-46，50.

［2］ 潘國榮，張 鵬，孔 寧.造船精度控制系統(tǒng)中用移站測(cè)量獲取點(diǎn)位信息的一種方法［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2010，（10）：121-124.

［3］ 岳建平，魏葉青，張永超.船舶建造測(cè)量分析系統(tǒng)研究［J］.測(cè)繪通報(bào)，2008，（10）：20-22.

［4］ 董青林.三維圓度誤差數(shù)字化檢測(cè)與評(píng)定算法研究［D］.長沙：湖南大學(xué)，2013.

［5］ 林嘉睿.大型復(fù)雜物體組合測(cè)量方法研究［D］.天津：天津大學(xué)，2012.

［6］ 張廣軍，孫軍華，魏振中，等.基于單經(jīng)緯儀的視覺測(cè)量三維數(shù)據(jù)拼接方法［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2007，28（3）：441-445.

［7］ 朱志潔，彭 飛，王 中，等.大型構(gòu)件三維空間剖面圓度檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：中國，20120586551.1［P］.2013-06-12.

［8］ 蔡世杰，宋繼強(qiáng)，蔡敏譯.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)［M］.3版.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［9］ 孫繼磊，劉亮亮.精通Visual C#2008［M］.北京：人民郵電出版社，2008.

［10］ 中國人民解放軍總裝備部.GJB4000-2000艦船通用規(guī)范［S］.2000.

編輯 金胡考

Research on Station-transfer Measurement Method for Point Position Information of Hull

ZHU Zhijie1，2，ZHAO Yao2，WANG Zhong1，PENG Fei1
（1.Department of Naval Ship Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China；2.School of Naval Architecture&Ocean Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430066，China）

Aiming at the issue that the coordinate of the hull’s points can not be measured in the single station because of the fitting of the inner structures，this paper proposes a partition measurement method，which establishes an army of coordinate system by moving measurement station.On the base of coordinate transforming and data calculating，the function is carried out to measure all the point’s coordinates of the hull，as well as an application is programed to calculate the measure data.To validate the measurement error，a measuring test is carried out with the physical hull model.The results demonstrate that the proposed method can satisfy the precision requirement of hull measurement in shipbuilding engineering.It is beneficial to improve the precision of hull building，the quality of building and the productivity of shipbuilding.

shipbuilding；laser measurement；station-transfer；coordinate transforming；data processing；measurement errorDO I：10.3969/j.issn.1000-3428.2015.10.054

朱志潔，趙 耀，王 中，等.船體外板點(diǎn)位信息轉(zhuǎn)站測(cè)量方法研究［J］.計(jì)算機(jī)工程，2015，41（10）：286-289，294.

英文引用格式：Zhu Zhijie，Zhao Yao，Wang Zhong，et al.Research on Station-trasfer Measurement Method for Point Position Information of Hull［J］.Computer Engineering，2015，41（10）：286-289，294.

1000-3428（2015）10-0286-04

A

TP391.9

海軍工程大學(xué)自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（HGDQNEQJJ15014）。

朱志潔（1976-），男，講師、博士，主研方向：計(jì)算機(jī)輔助船體制造，精度控制；趙 耀，教授、博士；王 中，講師、博士；彭 飛，副教授、博士。

2014-12-30

2015-02-05E-m ail：vuvijx@163.com