船体外板点位信息转站测量方法研究

朱志洁，赵 耀，王 中，彭 飞

（1.海军工程大学舰船工程系，武汉 430033；2.华中科技大学船舶与海洋工程学院，武汉 430066）

船体外板点位信息转站测量方法研究

朱志洁1，2，赵 耀2，王 中1，彭 飞1

（1.海军工程大学舰船工程系，武汉 430033；2.华中科技大学船舶与海洋工程学院，武汉 430066）

在船体外板激光测量中，存在因内部结构安装而无法在一个测站位置获取全部测点数据的问题。为此，提出一种通过转移测站位置在不同坐标系下分区测量的方法，并编制计算程序验证测量数据坐标变换、数据拟合等处理算法，实现转站测量船体全部待测点形位信息的功能。利用船体模型的实际测量数据计算测量误差，结果表明，该方法能够满足造船工程中船体测量精度要求，可有效提高船体建造精度和施工效率，保证船体的建造质量。

船体建造；激光测量；转站；坐标变换；数据处理；测量误差

1 概述

随着现代船舶吨位的增大，对船体建造精度、建造质量的要求也更加严格，船体制造难度亦随之增大。因此，日韩等造船先进国家提出了精度造船的概念，即在船体建造的各工序中，从船体放样开始，到号料加工、部件装配、分段和总段的装配与焊接，直至船台装配都有严格的加工精度标准［1］，通过在每个阶段实时测量船体结构的测量点位信息，并据此计算控制船体结构变形量，对船体变形进行检验控制，而通过测量获取船体外板等结构上关键测量点的点位信息是用于精度控制的关键一步［2-3］。常用的方法是使用全站仪等测量设备来获取船体结构上测量点的位置信息，然后通坐标转换、数据拟合等数据处理手段，得出实际船体形状，与理论形状（或三维模型）加以对比，评判加工是否到位或变形是否超差，判断是否需要超差加强或矫正，以保证建造精度，利于装配定位［4-6］。然而，由于结构预舾装技术的发展和应用，在

分/总段和船台装配之前，平台、舱壁及各种预敷的管路等设备已经安装到位，导致全站仪在一个位置固定时不能测得船体结构上所有需要测量的点位信息，即存在不通视的点（不通视点）。对于不通视点的处理方法是舍弃这些不通视点，使用插值计算这些点的点位信息，留有隐蔽误差，容易产生制造缺陷或者增加返工率，降低船体制造质量［1，2，7］。

本文针对不通视点的激光测量方法展开研究，提出一种通过变换全站仪的架设位置（转站），即在不同位置架设全站仪测量全部测量点位信息的方法，经坐标转换后获取其点位信息的计算方法，并利用Microsoft Visual Studio 2010编制转站测量计算程序，并以三维图形输出，使不通视点的位置信息获取更加准确便捷，同时通过船体建造工程实际测量应用对方法的有效性加以验证。

2 测量原理

2.1 坐标系的建立

某船体分段内以全站仪所处位置为坐标原点建立坐标系（测站坐标系）如图1所示，其中，Y轴指向天顶方向，XOY平面与水平面平行［7］。由于全站仪的使用条件决定全站仪必须调整到水平状态方可测量，因此在测量坐标系中Y轴即垂直于水平面。

图1 测站坐标系

在实际测量时，如果在一个测站上不能测得全部的测量点，则需要移动全站仪，坐标系随之移动，需要将所有测量点坐标数据转换到同一个坐标系下进行计算，因此，设定第一次测量时全站仪的坐标系（如图1中的O-XYZ所示）作为原始坐标系，在其他位置测量的坐标系（如图1中的O1-X1Y1Z1所示）均需统一到原始坐标系下，如多次转站依次设立坐标系Oi-XiYiZi（i=1，2，…）。

2.2 转站测量原理

全站仪固定于某一点（测站）测量船体外板上测量点的位置信息时，由于舱壁、平台等内部构件遮挡无法直接测量到的不通视点。对不通视点的点位信息的获取可以通过转站测量方法实现，即通过变换全站仪的架设位置（转换测站），从不同测站测量船体外板上的测量点位信息，即可获得在不同坐标系Oi-XiYiZi（i=1，2，…）下的点位数据Aij（χij，yij，zij）（i，j=1，2，…，i表示测站编号，j表示点位编号，即指同一肋骨位置上的测量点编号），如果在不同测站上能够测量出一定数量的公共特征点，即可将全部点的坐标统一到原始坐标系O-XYZ下，得到在同一坐标系下的测量点的坐标信息。

测量原理如图 2所示，对于测站 O而言，A01，A02，…，A05为可见点，可以直接测量获得该系列点的坐标，而A06点为不通视点，将全站仪移动到 O1后，在测站O1处可以测得A14，A15，A16三点的坐标，其中可以用于坐标转换的公共特征点为 A04（A14）和A05（A15）。

图2 转站测量原理示意图

由于在对测量数据进行坐标转换等处理时，必须要有一定的公共特征点用于求取转换矩阵，因此测点的选择要满足与上一测点测量至少存在2个通视的公共特征点。

2.3 坐标转换计算

如图2所示，在测站O测得O-XYZ坐标系下A14和A15两点的坐标分别为 A04（χ04，y04，z04）和A05（χ05，y05，z05），在测站O1处测得O1-X1Y1Z1坐标系下A14，A15和 A16三点的坐标分别为 A14（χ14，y14，z14），A15（χ15，y15，z15），A16（χ16，y16，z16），需 要 求 出 点A06（A06）在O-XYZ坐标系下的坐标A06（χ06，y06，z06）。

在坐标转换之前，需要利用已经测得的2个公共特征点A04（A14）和A05（A15）在2个坐标系之间建立联系，即求出坐标系之间的转换矩阵。本文已经假设在全站仪调整水平后，Y轴保持不动，只需考虑沿X，Y，Z方向上的位移量和沿Y轴的旋转角即可。

假设O-XYZ和O1-X1Y1Z1坐标系之间的平移向量为（tχ，ty，tz），并绕Y轴旋转θ角（以右手坐标系旋转为正），由计算机图形学知识得平移矩阵T（tχ，ty，tz）和旋转矩阵R（θ）分别为［8］：

根据坐标平移和旋转公式，从O1-X1Y1Z1坐标系下的测点坐标转换到O-XYZ坐标系关系式可以写成：

将上述2个坐标系下测得的 A04（χ04，y04，z04），

A14（χ14，y14，z14）和 A05（χ05，y05，z05），A15（χ15，y15，z15）分别代入式（1），联立方程组求出平移向量（tχ，ty，tz）和旋转角θ即求得测站O1和原始测站O之间的平移矩阵T（tχ，ty，tz）和旋转矩阵R（θ），在除原始测站以外的测站测量的点位信息，通过坐标变换即可通过式（1）转换到原始坐标系下。

3 程序设计与实现

基于上述转站测量获取船体变形点位信息的基本原理，在Visual Studio 2010开发平台下开发了船体转站测量图形化计算系统［9］，系统由无线数据收发和测量主控制2个子模块，其中测量主控制模块包括坐标转换、平面拟合、平面投影、曲线拟合、变形计算以及转站计算等计算单元，系统功能模块组成如图3所示。

图3 系统功能模块

系统运行于现场测量控制工控机平台上，通过Zigbee无线传输模块与全站仪进行通信，点击“采集”按钮发送测量指令至全站仪后，接收由全站仪发回包含测点极坐标数据信息的字符串，经对字符串进行分割、转换等处理后得到测点的3个点位参数：斜距S，垂向角α，水平角β，并由此参数自动计算该测点的三维坐标（χ，y，z）。点击“添加”按钮将该测点的坐标信息添加到数据库中，完成测点位置信息入库操作后，再经坐标转换、平面投影、曲线拟合及插值处理等步骤生成待测船体形状的曲线样式，如有转站测量的点，则“启用转站基准”功能指定要进行测站转换的基准坐标系，系统调用“转站计算子模块”进行测点坐标的转站计算，完成船体变形的测量。船体变形点位信息转站测量系统界面如图4所示。

图4 系统界面

系统对转站计算使用的公共测点信息以站号和点号组合形式加以标记，程序会据此自动识别并作为已知参数进行转换坐标系计算。系统界面右下部区域会随着测点采集数量的增加自动计算该测量工程中的平面差、测点偏移量以及使用的拟合算法和限定条件等信息，对圆形船体构件测量时，还会实时显示圆心三向坐标信息。

4 实例验证

本文以某船体总段模型为实验对象（如图5所示），为了实验方便在其横舱壁上布设了6个测点（吸附以SOKKIA磁性旋转标靶），将全站仪架设在4个不同位置（第I～IV测站）测量上述6个测点，分别以第I～IV测站为转站测量基准，对比系统转站计算单元求得的三维坐标与单站测量值之间的差异，验证上述算法进行转站测量船体结构上测点信息的可行性及准确程度。

图5 某船体总段模型

本文实验仪器有SOKKIA SRX1X型全站仪（测角精度为0.5″，测距精度1+3ppm），SOKK IA原装RS50N型磁性旋转标靶。

表1为在4个不同的测站位置对6个测点进行测量的原始数据。

表1 测量原始数据

以#6测点为例，假定其分别在I～IV测站坐标系中为不通视点，即在I（II，III，IV）测站位置上，无法测得#6测点的点位信息，而在其他3个测站位置上均可以测得该测点，依次以I～IV测站中为基准测站，除基准站以外的测站上#6测点为已知点转站计算在基准测站坐标系中#6测点的三维坐标，使用船体转站测量图形化计算系统的转站计算功能，分别设置转站基准为I～IV测站，#1～#5测点为转站公共点，计算得到转站计算后的#6测点点位信息，并与由表1中各个基准测站坐标系下获得的#6测点沿X，Y，Z方向上进行比对，并计算该测点的空间位移量 ΔS，见表2。其中：

表2结果表明，将上述转站测量原理可以应用于船体空间点位信息的获取，而且与固定坐标系测量结果相比较，各种转站关系下测点空间位移量均不超过1 mm，对船体结构尺寸而言，其精度完全满足舰艇建造精度测量规范要求［10］。

表2 转站测量三维坐标对比mm

5 结束语

在船体建造过程中使用激光全站仪对船台外板点位信息进行测量时，由于内部结构的安装会导致无法在同一个测站位置一次获取全部待测点点位数据。针对该问题，本文提出了采用变换全站仪所在位置，即利用转站测量的方法进行待测点测量，通过选择一定数量的公共测点在几个测站坐标系间建立坐标变换关系，并据此在MS Visio Studio 2010开发平台中编制了相应计算程序，实现了测量数据的坐标变换、数据拟合、矩阵计算等算法。同时，以某型舰船舱段结构为实验对象，对本文方法进行实验验证，结果表明，使用该方法得到的船体外板点位信息结果满足国家军用标准中有关舰艇建造精度测量规范的精度要求，计算快捷、使用方便，在船体建造和维修活动中外板测量领域具有很好的应用性。鉴于舰艇船体结构复杂、形体庞大的特点，下一步可在全船测量控制场的建立与测量误差传递方面展开研究，着重分析变换测站坐标系时采用约束的算法结构与实现途径。

［1］ 石 勇，张海宽，李 宁，等.大型柱壳结构激光圆度检测的转站技术［J］.船舶标准化工程师，2014，（5）：44-46，50.

［2］ 潘国荣，张 鹏，孔 宁.造船精度控制系统中用移站测量获取点位信息的一种方法［J］.大地测量与地球动力学，2010，（10）：121-124.

［3］ 岳建平，魏叶青，张永超.船舶建造测量分析系统研究［J］.测绘通报，2008，（10）：20-22.

［4］ 董青林.三维圆度误差数字化检测与评定算法研究［D］.长沙：湖南大学，2013.

［5］ 林嘉睿.大型复杂物体组合测量方法研究［D］.天津：天津大学，2012.

［6］ 张广军，孙军华，魏振中，等.基于单经纬仪的视觉测量三维数据拼接方法［J］.仪器仪表学报，2007，28（3）：441-445.

［7］ 朱志洁，彭 飞，王 中，等.大型构件三维空间剖面圆度检测系统结构：中国，20120586551.1［P］.2013-06-12.

［8］ 蔡世杰，宋继强，蔡敏译.计算机图形学［M］.3版.北京：电子工业出版社，2010.

［9］ 孙继磊，刘亮亮.精通Visual C#2008［M］.北京：人民邮电出版社，2008.

［10］ 中国人民解放军总装备部.GJB4000-2000舰船通用规范［S］.2000.

编辑 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

朱志洁，赵 耀，王 中，等.船体外板点位信息转站测量方法研究［J］.计算机工程，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

海军工程大学自然科学基金资助项目（HGDQNEQJJ15014）。

朱志洁（1976-），男，讲师、博士，主研方向：计算机辅助船体制造，精度控制；赵 耀，教授、博士；王 中，讲师、博士；彭 飞，副教授、博士。

2014-12-30

2015-02-05E-m ail：vuvijx@163.com