鄭勤振，馬　勇，張志勇，藺世杰，唐吉濤，劉　林1，

(1.武漢體育學(xué)院 研究生院，湖北 武漢430079； 2.體育先進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢體育學(xué)院

體育工程與信息技術(shù)學(xué)院，運(yùn)動(dòng)干預(yù)與健康促進(jìn)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，國(guó)家體育總局體育

工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079；3.廣東海上項(xiàng)目訓(xùn)練中心，廣東 汕尾 516623)

奧運(yùn)會(huì)運(yùn)動(dòng)帆船船體外形測(cè)量的實(shí)驗(yàn)性研究*

鄭勤振1,2，馬勇2，張志勇1,2，藺世杰1,2，唐吉濤3，劉林1，2

(1.武漢體育學(xué)院 研究生院，湖北 武漢430079； 2.體育先進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢體育學(xué)院

體育工程與信息技術(shù)學(xué)院，運(yùn)動(dòng)干預(yù)與健康促進(jìn)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，國(guó)家體育總局體育

工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079；3.廣東海上項(xiàng)目訓(xùn)練中心，廣東 汕尾 516623)

摘要:基于全站儀技術(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)帆船470級(jí)帆船和laser帆船進(jìn)行了外形測(cè)量的實(shí)驗(yàn)性研究，闡述了利用全站儀進(jìn)行帆船船體測(cè)量的原理和步驟，對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和修正，并進(jìn)行了測(cè)量數(shù)據(jù)的驗(yàn)證分析，最終獲得了帆船船體外形的三維坐標(biāo)和船體的型線圖。

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51279154),湖北省自然科學(xué)基金杰出青年基金(2013CFA038),霍英東教育基金會(huì)高等院校青年教師基金(141112)。

關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)帆船；船體外形；全站儀；型線圖；

中圖分類號(hào)：G818.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-268X(2015)06-0076-05

Experimental Research of Sailing Hull Shape Measurement in Olympic Games

ZHEN Qingfen1,2, MA Yong2, ZHANG Zhiyong1,2, LIN Shijie1,2, TANG Jitao3, LIU Lin1,2

(1. Graduate Dept., Wuhan Sports Univ., Wuhan 430079, China; 2. Key Lab of Advanced

Sports Technology, Sports Engineering and Information Technology Dept. of Wuhan Sports

Univ., Collaborative Innovative Center of Sports Intervention and Health Promotion in Hubei

Province, Key Lab of Sports Engineering of General Administration of Sport of China, Wuhan

430079, China; 3. Guangdong Marine Sports Training Center, Shanwei 516623, China )

Abstract:The total station technology was used to measure the shape of sailing hull of grade 470 sailboat and laser sailboat. The paper discusses the theory and process of using the total station technology to measure the sailing hull, analyses and rectifies the statistics and attains the three-dimensional coordinates and linear pattern of the sailing hull.

Key words:sports sailboat; shape of sailing hull; total station; linear pattern

奧運(yùn)會(huì)帆船比賽十分激烈，帆船流體動(dòng)力性能研究為帆船運(yùn)動(dòng)員合理操作帆船提供了技術(shù)支持。其中，帆船船體水動(dòng)力性能對(duì)于帆船的推進(jìn)性、操作性等有較大影響[1]。為了研究帆船船體的水動(dòng)力性能，需要測(cè)量帆船船體外形，從而得到船體型線圖。隨著三維測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，在船體外形測(cè)量中有全站儀、激光跟蹤儀、電子測(cè)量臂、視覺測(cè)量系統(tǒng)等三維測(cè)量系統(tǒng)[2-6]。Takechi等(2002)[2]利用計(jì)算機(jī)監(jiān)控船舶建造精度，研究了船體裝配階段的分段定位問題。岳建平等(2008)[7]提出了船舶三維測(cè)量系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)，開發(fā)了測(cè)量軟件系統(tǒng)。任剛(2013)[8]分析了三維測(cè)量中的誤差并設(shè)計(jì)了船體分段搭載仿真軟件等。隨著圖像檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的快速發(fā)展，非接觸的光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)被廣泛應(yīng)用到物體表面三維測(cè)量中[4-6,9-10]。Koelman(2010)[4]進(jìn)行了有關(guān)物體外形測(cè)量和建模的研究進(jìn)展介紹，并對(duì)激光測(cè)量方法和圖像檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了比較分析。Paoli等(2012)[5]利用結(jié)合機(jī)械手臂和光學(xué)掃描技術(shù)的方法能夠非接觸的得到高精度的帆船船體的三維外形。Barone等(2012)[6]利用光學(xué)掃描技術(shù)通過掃描二維結(jié)構(gòu)構(gòu)建三維的結(jié)構(gòu)體。

利用不同方式可以進(jìn)行船體型線的測(cè)量，盡管三維激光掃描儀在某些領(lǐng)域應(yīng)用得到了很好地應(yīng)用，但由于價(jià)格昂貴在一般的研究中很少使用。集測(cè)距測(cè)角及數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)處理于一體的全站儀被廣泛應(yīng)用到船體的外形測(cè)量中。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于船體的外形測(cè)試研究幾乎都是針對(duì)大型船舶的建造和性能優(yōu)化方面，本研究對(duì)運(yùn)動(dòng)帆船的船體使用全站儀進(jìn)行外形測(cè)量的實(shí)驗(yàn)性研究，提出了測(cè)量原理和數(shù)據(jù)處理方法，并對(duì)測(cè)量精度進(jìn)行了分析。

2測(cè)量實(shí)驗(yàn)

2.1測(cè)試儀器及測(cè)量原理

測(cè)量工作采用了科力達(dá)KTS-442RLC免棱鏡紅外激光全站儀，如圖1所示。本全站儀帶激光對(duì)中、激光指向和SD卡存儲(chǔ)功能，用單棱鏡可測(cè)5km，免棱鏡可測(cè)350m，測(cè)距精度±(2 + 2PPM× D)mm(D 為距離)，測(cè)角精度2”，數(shù)字顯示最小達(dá)到0.1mm?？梢赃M(jìn)行角度、距離、坐標(biāo)、放樣、偏心、懸高和后方交會(huì)測(cè)量，在本研究中使用對(duì)邊測(cè)量功能。

對(duì)邊測(cè)量也稱為間接測(cè)距，當(dāng)兩點(diǎn)之間不能直接測(cè)距時(shí)，可將全站儀安置在能夠觀測(cè)到兩點(diǎn)的任意位置，直接測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間的斜距、平距和高差。對(duì)邊測(cè)量原理如圖2所示，對(duì)邊測(cè)量可以測(cè)量起始點(diǎn)(P1)與任何一個(gè)其他點(diǎn)間的距離，其中S表示起始點(diǎn)P1與目標(biāo)點(diǎn)的斜距，H表示起始點(diǎn)P1與目標(biāo)點(diǎn)的平距，V表示起始點(diǎn)P1與目標(biāo)點(diǎn)P2的高差。S、H、V滿足如下關(guān)系：

V2+H2=S2

(1)

圖1　全站儀

圖2　對(duì)邊測(cè)量原理

2.2測(cè)量方案

圖3　(a)船頭和(b)船中部照片(注：橫線代表基線，豎線代表站線。)

本研究中測(cè)量對(duì)象為奧運(yùn)會(huì)470級(jí)和Laser級(jí)帆船船體。470級(jí)帆船長(zhǎng)4.70m、寬1.68m；laser長(zhǎng)4.23m、寬1.37m。測(cè)量中船體由支架托起，底部朝上水平放置。由于470級(jí)和Laser級(jí)帆船是左右對(duì)稱的，只進(jìn)行了船體右舷的測(cè)量。 測(cè)量采用常規(guī)工程測(cè)量方法，使用無(wú)合作目標(biāo)的全站儀測(cè)量船體各個(gè)離散目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的距離，然后將距離數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。為此首先需要用中垂線法畫出船體站線，并在站線上標(biāo)示出需要測(cè)量的船體各個(gè)離散目標(biāo)點(diǎn)。其具體方法如下。

(1)找到帆船底部的中心線，將其作為測(cè)量的基線，如圖3(a)所示；

(2)通過中垂線法作垂直于基線的曲線作為站線，且基線與站線相交，曲率大的地方站線要密集，如圖3(b)所示。470級(jí)帆船船體作了22條站線，laser級(jí)帆船船體作了26條站線；

(3)選取中間的一條站線作為0站線，0站線與船尾之間的站線分別標(biāo)記為W1，W2，……，Wn(W表示船尾)，0站線與船頭之間的站線分別標(biāo)記為T1，T2，……，Tn(T表示船頭)；

(4)在每條站線上標(biāo)示測(cè)量點(diǎn)，曲率大的地方測(cè)量點(diǎn)要密集，甲板邊線上的點(diǎn)作為起點(diǎn)(也是每條站線的基點(diǎn))，基線與站線的交點(diǎn)為每條站線的最后一個(gè)點(diǎn)，即從甲板邊線向著基線方向依次標(biāo)注。為了提高測(cè)量的效率，可以在測(cè)量點(diǎn)上粘貼大小為1cm*1cm的反射膜片。

為了避免測(cè)量出現(xiàn)死角，全站儀觀測(cè)不到目標(biāo)點(diǎn)，全站儀要假設(shè)在一個(gè)高地上。如上所述，以甲板邊線上的點(diǎn)作為起點(diǎn)1(也是每條站線的基點(diǎn))，在測(cè)量站線上的離散目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于基點(diǎn)的距離時(shí)，全站儀不能移動(dòng)。具體實(shí)施步驟如下：

(1) 測(cè)量0站線，首先測(cè)點(diǎn)1，并將其作為0站線的基準(zhǔn)點(diǎn)，其坐標(biāo)應(yīng)為(0.0000,0.0000,0.0000)；

(2)以1為基點(diǎn)，依次測(cè)量站線上其他離散目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于基點(diǎn)1的距離(S，H，V)；

(3)以同樣的方法完成其他站線的測(cè)量，最終完成船體右舷橫剖線的測(cè)量。

另外在測(cè)量每條站線距0站線的距離時(shí)，以基線與0站線的交點(diǎn)為測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，測(cè)量方法如下：

(1)以基線與0站線的交點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，其坐標(biāo)應(yīng)為(0.0000,0.0000,0.0000)；

(2)依次測(cè)量其他站線與基線的交點(diǎn)距離基準(zhǔn)點(diǎn)的距離(S，H，V)。

2數(shù)據(jù)處理

2.1數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

表1為測(cè)量得到的原始數(shù)據(jù)，它們是各個(gè)離散目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于各自基準(zhǔn)點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)，并不是船體橫剖線的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，為此需進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

表1Laser船體0站線和W1站線上離散目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于各自基準(zhǔn)點(diǎn)的距離

肋位點(diǎn)號(hào)0站線W1站線S(m)H(m)V(m)S(m)H(m)V(m)10.00000.00000.00000.00000.00000.000020.07370.03330.06580.09290.04710.080030.15120.07420.13170.15640.08120.133740.28580.16760.23150.25200.14320.207350.39880.28770.27610.34200.22920.253860.56430.48200.29350.45030.35690.274570.70060.63130.30380.55080.47290.28228[5]0.72070.65750.2950

為了得到右舷橫剖線坐標(biāo)，需統(tǒng)一坐標(biāo)表示方法。如表2所示，距甲板邊線值H對(duì)應(yīng)三維坐標(biāo)中的 x，距甲板邊線高V對(duì)應(yīng)坐標(biāo)中的 y，z為距中縱剖面值。以0站線與基線的交點(diǎn)作為船體坐標(biāo)系的原點(diǎn)，將其他站線上的數(shù)據(jù)拼接到這個(gè)船體坐標(biāo)系中。對(duì)W1站線進(jìn)行平移，平移參考點(diǎn)為(x,y,z)=(0.6313,0.3038,0)。由于W1站線與0站線的高程差為-0.0060m，即W1站線平移終點(diǎn)距甲板邊線高y為0.3038-0.0060=0.2978m，那么W1站線平移的終點(diǎn)為(x,y,z)=(0.6575,0.2978,-0.2017)，W1站線整體沿y方向的平移量為0.2978-0.2950=0.0028m。按照這種方法，將其他站線上的離散目標(biāo)點(diǎn)拼接到以0站線與基線的交點(diǎn)作為船體坐標(biāo)系原點(diǎn)的坐標(biāo)系中，得到船體右舷橫剖線的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，見表3。

表2Laser船體W1站線距離0站線的距離

S(m)H(m)V(m)0.20180.2017-0.0060

表3laser船體右舷W1橫剖線的三維坐標(biāo)處理數(shù)據(jù)

平移前W1橫剖線的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)平移后W1橫剖線的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)x(m)y(m)z(m)x(m)y(m)z(m)0.00000.0000-0.20170.00000.0028-0.20170.04710.0800-0.20170.04710.0828-0.20170.08120.1337-0.20170.08120.1365-0.20170.14320.2073-0.20170.14320.2101-0.20170.22920.2538-0.20170.22920.2566-0.20170.35690.2745-0.20170.35690.2773-0.20170.47290.2822-0.20170.47290.2850-0.20170.65750.2950-0.20170.65750.2978-0.2017

將轉(zhuǎn)換得到的船體橫剖線坐標(biāo)輸入CAD軟件中構(gòu)建船體模型，在CAD軟件中坐標(biāo)系的確定原則為：以船體最低點(diǎn)所在水線與船尾剖面線在縱向的投影上的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。

2.2數(shù)據(jù)校正

由于船體表面經(jīng)過修補(bǔ)、操作員人為的因素影響導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)可能包含一些無(wú)效點(diǎn)，如高程突變點(diǎn)等，所以必須對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，以修正無(wú)效點(diǎn)。做一條H-V曲線進(jìn)行觀測(cè)，在圖4(a)中平距H發(fā)生了突變，圖5(a)中高程H發(fā)生了突變，需要對(duì)其修正。根據(jù)對(duì)邊測(cè)量原理，根據(jù)勾股定理對(duì)突變點(diǎn)進(jìn)行修正。修正后如圖4(b)和5(b)，并采用此方法，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)、檢驗(yàn)，最后得到需要的所有數(shù)據(jù)。

圖4　470 級(jí)帆船船體W1站線(a)修正前和(b)修正后曲線圖

圖5　laser級(jí)帆船船體W9站線(a)修正前和(b)修正后曲線圖

3結(jié)果與分析

運(yùn)動(dòng)帆船船體是對(duì)稱的，用以上方法測(cè)量得到了船體的一半外形。船體外形測(cè)量的目的是為后續(xù)進(jìn)行帆船船體水動(dòng)力性能的研究打下基礎(chǔ)，為減少在使用其他軟件時(shí)數(shù)據(jù)處理的工作量，也可通過其他仿真軟件對(duì)稱變換直接實(shí)現(xiàn)，通過CAD軟件中的鏡像操作可以獲得整個(gè)船體的三維坐標(biāo)。得到的帆船船體的俯視圖如圖6(a)所示、橫剖面圖如圖6(b)所示。

經(jīng)過測(cè)量得到470船體長(zhǎng)度為4.7181m，laser船體的長(zhǎng)度為4.1614m。理論上470級(jí)帆船長(zhǎng)4.7m，laser長(zhǎng)4.23m。測(cè)量誤差470船型為0.385%，在滿足誤差范圍內(nèi)，結(jié)果比較精確。laser船體由于船頭破損等原因，誤差達(dá)到1.6%，雖然破損嚴(yán)重，但也滿足誤差范圍要求。說明本測(cè)試精度較高，滿足精度需要。

圖6　470級(jí)帆船船體(a)俯視圖和(b)橫剖圖

4結(jié)論

本研究對(duì)奧運(yùn)會(huì)470級(jí)和Laser級(jí)帆船船體使用全站儀進(jìn)行外形測(cè)量的實(shí)驗(yàn)性研究。在本研究中使用對(duì)邊測(cè)量功能，測(cè)量船體各個(gè)離散目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的距離，然后將距離數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。由于船體表面經(jīng)過修補(bǔ)、操作員人為的因素影響導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)可能包含一些無(wú)效點(diǎn)，如高程突變點(diǎn)等，本文對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了校正。經(jīng)過與物理測(cè)量的數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)利用全站儀進(jìn)行船體外形測(cè)量滿足精確要求。

使用免棱鏡全站儀可以極大提高作業(yè)效率，縮短測(cè)量工作時(shí)間。尤其對(duì)于尺寸較小的帆船船體外形測(cè)試極具優(yōu)越性，可精確測(cè)量船體型線數(shù)據(jù)，所測(cè)成果可靠精度可達(dá)到0.1mm，另外相比于三維激光掃描儀還節(jié)約了費(fèi)用。實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)動(dòng)帆船船體的測(cè)量，為船模的建立和對(duì)船體水動(dòng)力性能的研究提供了數(shù)據(jù)支持，為各級(jí)別運(yùn)動(dòng)帆船外形測(cè)量提供了理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。

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收稿日期：(2015-10-06)