朱志潔，趙 耀，王 中，彭 飛

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

船體外板點位信息轉(zhuǎn)站測量方法研究

朱志潔1，2，趙 耀2，王 中1，彭 飛1

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

在船體外板激光測量中，存在因內(nèi)部結(jié)構(gòu)安裝而無法在一個測站位置獲取全部測點數(shù)據(jù)的問題。為此，提出一種通過轉(zhuǎn)移測站位置在不同坐標系下分區(qū)測量的方法，并編制計算程序驗證測量數(shù)據(jù)坐標變換、數(shù)據(jù)擬合等處理算法，實現(xiàn)轉(zhuǎn)站測量船體全部待測點形位信息的功能。利用船體模型的實際測量數(shù)據(jù)計算測量誤差，結(jié)果表明，該方法能夠滿足造船工程中船體測量精度要求，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；激光測量；轉(zhuǎn)站；坐標變換；數(shù)據(jù)處理；測量誤差

1 概述

隨著現(xiàn)代船舶噸位的增大，對船體建造精度、建造質(zhì)量的要求也更加嚴格，船體制造難度亦隨之增大。因此，日韓等造船先進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，到號料加工、部件裝配、分段和總段的裝配與焊接，直至船臺裝配都有嚴格的加工精度標準［1］，通過在每個階段實時測量船體結(jié)構(gòu)的測量點位信息，并據(jù)此計算控制船體結(jié)構(gòu)變形量，對船體變形進行檢驗控制，而通過測量獲取船體外板等結(jié)構(gòu)上關(guān)鍵測量點的點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量設備來獲取船體結(jié)構(gòu)上測量點的位置信息，然后通坐標轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)擬合等數(shù)據(jù)處理手段，得出實際船體形狀，與理論形狀（或三維模型）加以對比，評判加工是否到位或變形是否超差，判斷是否需要超差加強或矯正，以保證建造精度，利于裝配定位［4-6］。然而，由于結(jié)構(gòu)預舾裝技術(shù)的發(fā)展和應用，在

分/總段和船臺裝配之前，平臺、艙壁及各種預敷的管路等設備已經(jīng)安裝到位，導致全站儀在一個位置固定時不能測得船體結(jié)構(gòu)上所有需要測量的點位信息，即存在不通視的點（不通視點）。對于不通視點的處理方法是舍棄這些不通視點，使用插值計算這些點的點位信息，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］。

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

2 測量原理

2.1 坐標系的建立

某船體分段內(nèi)以全站儀所處位置為坐標原點建立坐標系（測站坐標系）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)方可測量，因此在測量坐標系中Y軸即垂直于水平面。

圖1 測站坐標系

在實際測量時，如果在一個測站上不能測得全部的測量點，則需要移動全站儀，坐標系隨之移動，需要將所有測量點坐標數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一個坐標系下進行計算，因此，設定第一次測量時全站儀的坐標系（如圖1中的O-XYZ所示）作為原始坐標系，在其他位置測量的坐標系（如圖1中的O1-X1Y1Z1所示）均需統(tǒng)一到原始坐標系下，如多次轉(zhuǎn)站依次設立坐標系Oi-XiYiZi（i=1，2，…）。

2.2 轉(zhuǎn)站測量原理

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

測量原理如圖 2所示，對于測站 O而言，A01，A02，…，A05為可見點，可以直接測量獲得該系列點的坐標，而A06點為不通視點，將全站儀移動到 O1后，在測站O1處可以測得A14，A15，A16三點的坐標，其中可以用于坐標轉(zhuǎn)換的公共特征點為 A04（A14）和A05（A15）。

圖2 轉(zhuǎn)站測量原理示意圖

由于在對測量數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換等處理時，必須要有一定的公共特征點用于求取轉(zhuǎn)換矩陣，因此測點的選擇要滿足與上一測點測量至少存在2個通視的公共特征點。

2.3 坐標轉(zhuǎn)換計算

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

在坐標轉(zhuǎn)換之前，需要利用已經(jīng)測得的2個公共特征點A04（A14）和A05（A15）在2個坐標系之間建立聯(lián)系，即求出坐標系之間的轉(zhuǎn)換矩陣。本文已經(jīng)假設在全站儀調(diào)整水平后，Y軸保持不動，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O-XYZ和O1-X1Y1Z1坐標系之間的平移向量為（tχ，ty，tz），并繞Y軸旋轉(zhuǎn)θ角（以右手坐標系旋轉(zhuǎn)為正），由計算機圖形學知識得平移矩陣T（tχ，ty，tz）和旋轉(zhuǎn)矩陣R（θ）分別為［8］：

根據(jù)坐標平移和旋轉(zhuǎn)公式，從O1-X1Y1Z1坐標系下的測點坐標轉(zhuǎn)換到O-XYZ坐標系關(guān)系式可以寫成：

將上述2個坐標系下測得的 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即求得測站O1和原始測站O之間的平移矩陣T（tχ，ty，tz）和旋轉(zhuǎn)矩陣R（θ），在除原始測站以外的測站測量的點位信息，通過坐標變換即可通過式（1）轉(zhuǎn)換到原始坐標系下。

3 程序設計與實現(xiàn)

基于上述轉(zhuǎn)站測量獲取船體變形點位信息的基本原理，在Visual Studio 2010開發(fā)平臺下開發(fā)了船體轉(zhuǎn)站測量圖形化計算系統(tǒng)［9］，系統(tǒng)由無線數(shù)據(jù)收發(fā)和測量主控制2個子模塊，其中測量主控制模塊包括坐標轉(zhuǎn)換、平面擬合、平面投影、曲線擬合、變形計算以及轉(zhuǎn)站計算等計算單元，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)運行于現(xiàn)場測量控制工控機平臺上，通過Zigbee無線傳輸模塊與全站儀進行通信，點擊“采集”按鈕發(fā)送測量指令至全站儀后，接收由全站儀發(fā)回包含測點極坐標數(shù)據(jù)信息的字符串，經(jīng)對字符串進行分割、轉(zhuǎn)換等處理后得到測點的3個點位參數(shù)：斜距S，垂向角α，水平角β，并由此參數(shù)自動計算該測點的三維坐標（χ，y，z）。點擊“添加”按鈕將該測點的坐標信息添加到數(shù)據(jù)庫中，完成測點位置信息入庫操作后，再經(jīng)坐標轉(zhuǎn)換、平面投影、曲線擬合及插值處理等步驟生成待測船體形狀的曲線樣式，如有轉(zhuǎn)站測量的點，則“啟用轉(zhuǎn)站基準”功能指定要進行測站轉(zhuǎn)換的基準坐標系，系統(tǒng)調(diào)用“轉(zhuǎn)站計算子模塊”進行測點坐標的轉(zhuǎn)站計算，完成船體變形的測量。船體變形點位信息轉(zhuǎn)站測量系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)界面

系統(tǒng)對轉(zhuǎn)站計算使用的公共測點信息以站號和點號組合形式加以標記，程序會據(jù)此自動識別并作為已知參數(shù)進行轉(zhuǎn)換坐標系計算。系統(tǒng)界面右下部區(qū)域會隨著測點采集數(shù)量的增加自動計算該測量工程中的平面差、測點偏移量以及使用的擬合算法和限定條件等信息，對圓形船體構(gòu)件測量時，還會實時顯示圓心三向坐標信息。

4 實例驗證

本文以某船體總段模型為實驗對象（如圖5所示），為了實驗方便在其橫艙壁上布設了6個測點（吸附以SOKKIA磁性旋轉(zhuǎn)標靶），將全站儀架設在4個不同位置（第I～IV測站）測量上述6個測點，分別以第I～IV測站為轉(zhuǎn)站測量基準，對比系統(tǒng)轉(zhuǎn)站計算單元求得的三維坐標與單站測量值之間的差異，驗證上述算法進行轉(zhuǎn)站測量船體結(jié)構(gòu)上測點信息的可行性及準確程度。

圖5 某船體總段模型

本文實驗儀器有SOKKIA SRX1X型全站儀（測角精度為0.5″，測距精度1+3ppm），SOKK IA原裝RS50N型磁性旋轉(zhuǎn)標靶。

表1為在4個不同的測站位置對6個測點進行測量的原始數(shù)據(jù)。

表1 測量原始數(shù)據(jù)

以#6測點為例，假定其分別在I～IV測站坐標系中為不通視點，即在I（II，III，IV）測站位置上，無法測得#6測點的點位信息，而在其他3個測站位置上均可以測得該測點，依次以I～IV測站中為基準測站，除基準站以外的測站上#6測點為已知點轉(zhuǎn)站計算在基準測站坐標系中#6測點的三維坐標，使用船體轉(zhuǎn)站測量圖形化計算系統(tǒng)的轉(zhuǎn)站計算功能，分別設置轉(zhuǎn)站基準為I～IV測站，#1～#5測點為轉(zhuǎn)站公共點，計算得到轉(zhuǎn)站計算后的#6測點點位信息，并與由表1中各個基準測站坐標系下獲得的#6測點沿X，Y，Z方向上進行比對，并計算該測點的空間位移量 ΔS，見表2。其中：

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

表2 轉(zhuǎn)站測量三維坐標對比mm

5 結(jié)束語

在船體建造過程中使用激光全站儀對船臺外板點位信息進行測量時，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的安裝會導致無法在同一個測站位置一次獲取全部待測點點位數(shù)據(jù)。針對該問題，本文提出了采用變換全站儀所在位置，即利用轉(zhuǎn)站測量的方法進行待測點測量，通過選擇一定數(shù)量的公共測點在幾個測站坐標系間建立坐標變換關(guān)系，并據(jù)此在MS Visio Studio 2010開發(fā)平臺中編制了相應計算程序，實現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)的坐標變換、數(shù)據(jù)擬合、矩陣計算等算法。同時，以某型艦船艙段結(jié)構(gòu)為實驗對象，對本文方法進行實驗驗證，結(jié)果表明，使用該方法得到的船體外板點位信息結(jié)果滿足國家軍用標準中有關(guān)艦艇建造精度測量規(guī)范的精度要求，計算快捷、使用方便，在船體建造和維修活動中外板測量領(lǐng)域具有很好的應用性。鑒于艦艇船體結(jié)構(gòu)復雜、形體龐大的特點，下一步可在全船測量控制場的建立與測量誤差傳遞方面展開研究，著重分析變換測站坐標系時采用約束的算法結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)途徑。

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

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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.船體外板點位信息轉(zhuǎn)站測量方法研究［J］.計算機工程，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

海軍工程大學自然科學基金資助項目（HGDQNEQJJ15014）。

朱志潔（1976-），男，講師、博士，主研方向：計算機輔助船體制造，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