馬向峰，趙 耀，袁 華

(華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

基于三維數(shù)字場(chǎng)的船體表面測(cè)量定位標(biāo)識(shí)系統(tǒng)研究

馬向峰，趙 耀，袁 華

(華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

在介紹三維數(shù)字場(chǎng)的基礎(chǔ)上，對(duì)構(gòu)建基于三維數(shù)字場(chǎng)的船體表面測(cè)量定位標(biāo)識(shí)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)、測(cè)量系統(tǒng)、室內(nèi)空間定位系統(tǒng)及標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)開(kāi)展了研究，重點(diǎn)對(duì)相應(yīng)的原理、涉及的技術(shù)等方面進(jìn)行探討。在此基礎(chǔ)上，以船舶表面敷設(shè)柔性矩形塊的定位點(diǎn)標(biāo)識(shí)作為應(yīng)用對(duì)象，開(kāi)發(fā)相關(guān)測(cè)量、定位、標(biāo)識(shí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在三維數(shù)字場(chǎng)中的完整原理性作業(yè)，驗(yàn)證提高作業(yè)精度和效率的可行性。

定位標(biāo)識(shí)；三維數(shù)字場(chǎng)；空間定位；標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置

0 引 言

船舶建造是一項(xiàng)大型、復(fù)雜的系統(tǒng)工程，會(huì)涉及到在指定安裝位置上進(jìn)行船體表面的測(cè)量、定位和標(biāo)識(shí)的問(wèn)題。船舶表面形狀大多為雙曲率空間復(fù)雜形狀，空間放置位置也常有立放、仰放等作業(yè)人員很難對(duì)其進(jìn)行精確測(cè)量、定位與標(biāo)識(shí)的條件，而且這樣類似的作業(yè)工作量還非常大。因?yàn)榇皹?gòu)件安裝裝配的復(fù)雜性和現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，以及安裝裝配現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行精確定位和標(biāo)識(shí)設(shè)備的缺乏，從而對(duì)安裝點(diǎn)的誤差控制也造成了困難。另外，采用人工作業(yè)方式由于場(chǎng)地的限制與人為操作的不確定性，整個(gè)標(biāo)識(shí)過(guò)程存在安裝裝配精度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作時(shí)間長(zhǎng)、穩(wěn)定性不易得到保證等問(wèn)題。利用測(cè)量系統(tǒng)對(duì)車間內(nèi)船體進(jìn)行掃描測(cè)量，定位系統(tǒng)定位用以在船體表面進(jìn)行標(biāo)識(shí)的標(biāo)識(shí)裝置來(lái)進(jìn)行標(biāo)識(shí)作業(yè)將是一種新型的較高效率、較高精度的工作模式。

快速精確測(cè)量技術(shù)在飛機(jī)的裝配制造中應(yīng)用較廣，通過(guò)采用先進(jìn)測(cè)量技術(shù)[1]，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)裝配車間全空間的快速測(cè)量[2]。在船舶建造中也開(kāi)始采用高精度測(cè)量手段，應(yīng)用于船臺(tái)的精確測(cè)量裝配[3]，相應(yīng)的在船體表面標(biāo)識(shí)劃線標(biāo)識(shí)裝置則相對(duì)較少。定位系統(tǒng)的定位原理及定位方式將直接影響定位的精度[4]。標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置多為機(jī)械臂標(biāo)識(shí)與機(jī)器人標(biāo)識(shí)。機(jī)械臂標(biāo)識(shí)自由度高，還需提供相應(yīng)的移動(dòng)支撐平臺(tái)，工作時(shí)受環(huán)境限制較多[5]，而具備吸附和爬行功能的爬壁式機(jī)器人則可用于船舶建造車間作業(yè)[6]。日本最早制作了爬壁式機(jī)器人的原理樣機(jī)[7]，其后這一類可在立放和仰放位置作業(yè)面上吸附的機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外均有研究，俄國(guó)機(jī)械科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)出應(yīng)用清洗工作的單吸盤式爬壁式機(jī)器人[8]，國(guó)內(nèi)研制出用于船舶除銹清洗的吸附機(jī)器人[9]，但其主要作業(yè)方式為表面清洗。與此相比，進(jìn)行船舶表面標(biāo)識(shí)的機(jī)器人需要更高的精度要求，目前具備這一功能的吸附爬壁式機(jī)器人相對(duì)較少。

本文在介紹三維數(shù)字場(chǎng)構(gòu)成的基礎(chǔ)上，提出基于三維數(shù)字場(chǎng)的船體表面測(cè)量定位標(biāo)識(shí)系統(tǒng)，并對(duì)組成此系統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)、室內(nèi)空間定位系統(tǒng)以及標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)等 3 個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行了重點(diǎn)探討。并在船廠車間條件下，以船體表面敷設(shè)柔性矩形塊的定位點(diǎn)標(biāo)識(shí)作為研究對(duì)象，通過(guò)開(kāi)發(fā)測(cè)量、室內(nèi)空間定位、標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在車間三維數(shù)字場(chǎng)中的完整原理性作業(yè)，驗(yàn)證了提高作業(yè)精度和效率的可行性。

1 三維數(shù)字場(chǎng)及基于數(shù)字場(chǎng)的船體表面測(cè)量定位標(biāo)識(shí)系統(tǒng)框架

三維數(shù)字場(chǎng)是指通過(guò)高精度的測(cè)量?jī)x器，選擇能夠覆蓋全車間的若干能夠滿足定位要求的定位基點(diǎn)An，通過(guò)三維數(shù)字場(chǎng)空間測(cè)量定位，實(shí)現(xiàn)全空間高精度測(cè)量，得到全空間數(shù)字化模型。三維數(shù)字場(chǎng)能夠?qū)囬g內(nèi)全空間進(jìn)行高精度測(cè)量定位，在船舶建造中安裝調(diào)試、物流運(yùn)輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、測(cè)量定位等方面能給予高精度數(shù)字化支持，擁有提高裝配安裝精度、加快物流運(yùn)輸速度、統(tǒng)一測(cè)量信息等優(yōu)勢(shì)?；谌S數(shù)字場(chǎng)的測(cè)量定位標(biāo)識(shí)系統(tǒng)其主要工作原理如圖 1 所示，選取若干能夠滿足定位要求的基點(diǎn) An，并將基點(diǎn)坐標(biāo)統(tǒng)一，建立整體坐標(biāo)系；應(yīng)用激光雷達(dá)對(duì)待標(biāo)識(shí)船體表面進(jìn)行掃描測(cè)量，將掃描數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理，通過(guò)與三維設(shè)計(jì)建立的理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，參照公差標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)坐標(biāo)變換得到最終船體數(shù)字化模型，并將理論數(shù)據(jù)中的標(biāo)識(shí)點(diǎn)信息映射到數(shù)字化模型中；超聲波等定位裝置對(duì)標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置進(jìn)行空間定位，為與數(shù)字場(chǎng)坐標(biāo)統(tǒng)一，需對(duì)超聲波等定位接收裝置進(jìn)行測(cè)量定位，最終得到標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置的車間坐標(biāo)，傳入計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理；由數(shù)字化模型中標(biāo)識(shí)信息可通過(guò)路徑規(guī)劃得到標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置的理論行進(jìn)路線，并與反饋得到的標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置的實(shí)時(shí)空間坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，偏差修正后，發(fā)送標(biāo)識(shí)命令，標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置在船體表面進(jìn)行標(biāo)識(shí)劃線作業(yè)。

若將圖 1 進(jìn)行系統(tǒng)劃分的話，基于三維數(shù)字場(chǎng)的船體表面測(cè)量定位標(biāo)識(shí)系統(tǒng)可劃分為測(cè)量系統(tǒng)、室內(nèi)空間定位系統(tǒng)與標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行系統(tǒng) 3 個(gè)子系統(tǒng)，如圖2 所示。其中，測(cè)量系統(tǒng)包括船體表面掃描、模型比對(duì)及標(biāo)試點(diǎn)信息映射與空間點(diǎn)測(cè)量。室內(nèi)空間點(diǎn)定位系統(tǒng)包括定位裝置與定位處理系統(tǒng)。標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)與標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置。

2 測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)參照三維數(shù)字場(chǎng)的搭建模式，整體設(shè)計(jì)如圖 3 所示。選取能夠滿足需求的若干基點(diǎn)，使定位基點(diǎn)的測(cè)量范圍覆蓋整個(gè)船體范圍，并對(duì)基點(diǎn)間位置進(jìn)行驗(yàn)證，統(tǒng)一坐標(biāo)基準(zhǔn)，建立的全局坐標(biāo)系。利用激光雷達(dá)對(duì)船體進(jìn)行掃描，得到船體的掃描點(diǎn)云圖。點(diǎn)云圖擬合后，與設(shè)計(jì)模型理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)公差要求，通過(guò)偏差擬合修正，重新生成最終數(shù)字化模型。并將設(shè)計(jì)模型中標(biāo)識(shí)點(diǎn)的位置信息結(jié)合數(shù)字化模型比對(duì)后，最終可以得到在數(shù)字化模型中的標(biāo)識(shí)點(diǎn)映射位置，并傳遞至標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)。通過(guò)激光雷達(dá)對(duì)安裝在車間固定位置的定位系統(tǒng)接收裝置進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)坐標(biāo)換算得到在數(shù)字場(chǎng)全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)信息，傳遞至室內(nèi)空間定位系統(tǒng)。

測(cè)量系統(tǒng)主要包括船體表面掃描、模型比對(duì)及標(biāo)識(shí)點(diǎn)信息映射與空間點(diǎn)測(cè)量 3 個(gè)組成部分。

2.1 船體表面掃描

船體表面掃描是指通過(guò)相應(yīng)的測(cè)量?jī)x器獲取船體表面的三維坐標(biāo)點(diǎn)云。獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)三維模型重建的前提。激光雷達(dá)測(cè)量結(jié)果為大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此需要對(duì)“點(diǎn)云”信息進(jìn)行分析，形成由面、體組成的船體表面模型。

2.2 模型比對(duì)及標(biāo)識(shí)點(diǎn)信息映射

船體表面掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理可得船體擬合模型。將此模型與設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)公差要求，運(yùn)用最小二乘法等比對(duì)方法，可得最終掃描船體數(shù)字化模型。三維設(shè)計(jì)建立的理論標(biāo)識(shí)點(diǎn)信息在滿足裝配安裝性能的前提下，將標(biāo)識(shí)點(diǎn)信息映射到數(shù)字化模型中，并進(jìn)行提取整理，為標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。

2.3 空間點(diǎn)測(cè)量

在船舶建造車間中待標(biāo)識(shí)船體的區(qū)域內(nèi)，將由室內(nèi)空間定位系統(tǒng)對(duì)標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，為此室內(nèi)空間定位系統(tǒng)的定位信息也要與數(shù)字場(chǎng)全局坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一。因此利用激光雷達(dá)對(duì)室內(nèi)空間定位系統(tǒng)的定位接收裝置的空間位置進(jìn)行掃描測(cè)量，并確定在全局坐標(biāo)系下空間位置，為室內(nèi)空間定位系統(tǒng)的實(shí)時(shí)定位提供基礎(chǔ)。

3 室內(nèi)空間定位系統(tǒng)

激光雷達(dá)雖然可以實(shí)現(xiàn)船體表面的高精度測(cè)量，但無(wú)法實(shí)時(shí)獲取在船體表面爬行的標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置的位置信息，需要設(shè)計(jì)室內(nèi)空間定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其動(dòng)態(tài)定位。室內(nèi)空間定位系統(tǒng)由定位裝置與定位處理系統(tǒng)組成，整體設(shè)計(jì)如圖 4 所示。安裝在標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置上的定位發(fā)射裝置不斷發(fā)射定位信號(hào)，由定位接收裝置獲取，并根據(jù)所得定位接收裝置的全局坐標(biāo)下位置信息，通過(guò)定位處理，利用定位算法，測(cè)得定位發(fā)射裝置空間坐標(biāo)，為標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。

3.1 定位裝置

室內(nèi)空間定位系統(tǒng)的定位裝置分為定位接收裝置和定位發(fā)射裝置兩類。定位接收裝置的位置不能輕易變動(dòng)；定位接收裝置的空間位置可由接收裝置根據(jù)空間算法得到。定位裝置一般包括多個(gè)位置已知的接收裝置，發(fā)射裝置多為輕便的信號(hào)發(fā)射器，便于安裝在標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置上。

3.2 定位處理系統(tǒng)

定位處理系統(tǒng)主要包括定位技術(shù)與定位算法兩部分。常用的室內(nèi)空間定位技術(shù)主要包括基于超聲波定位技術(shù)、基于紅外線定位技術(shù)、基于超寬帶定位技術(shù)、射頻識(shí)別定位技術(shù)[10]與 iGPS 定位技術(shù)[11]，如表 1 所示。

表 1 常用室內(nèi)定位技術(shù)對(duì)比Tab. 1 Common indoor positioning technology comparison

室內(nèi)空間定位系統(tǒng)常用的定位算法主要包括鄰近信息法、極點(diǎn)法與多邊形定位法[12]，如表 2 所示。

表 2 常用室內(nèi)定位算法對(duì)比Tab. 2 Common indoor location algorithm comparison

由表 1 和表 2 對(duì)室內(nèi)定位技術(shù)及方法的對(duì)比，結(jié)合船舶建造車間定位區(qū)域大、存在噪聲、粉塵干擾等現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境特點(diǎn)，定位技術(shù)優(yōu)選 iGPS，其定位范圍廣，定位精度高。

定位方法優(yōu)選多邊形定位方法，車間內(nèi)構(gòu)建多個(gè)定位基點(diǎn)，滿足多邊形定位方法需求。

4 標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)

標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)是在接收標(biāo)識(shí)點(diǎn)位置信息后，在定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)定位下，在船體表面進(jìn)行標(biāo)識(shí)劃線的裝置系統(tǒng)。標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)接收數(shù)字化模型中標(biāo)識(shí)點(diǎn)位置信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并通過(guò)路徑規(guī)劃，得到標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置的理論行進(jìn)路線，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)生成運(yùn)動(dòng)信號(hào)、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為標(biāo)識(shí)執(zhí)行設(shè)備運(yùn)動(dòng)信息，然后驅(qū)動(dòng)標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置按照一定路線在船舶表面運(yùn)動(dòng)，并在室內(nèi)空間定位系統(tǒng)的實(shí)時(shí)定位下，標(biāo)識(shí)劃線裝置反饋得到自身的實(shí)時(shí)全局空間三維坐標(biāo)，與理論線路進(jìn)行對(duì)比并進(jìn)行偏差修正，使其調(diào)整行進(jìn)方式，直至標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置到達(dá)待標(biāo)識(shí)位置的誤差允許范圍內(nèi)后進(jìn)行標(biāo)識(shí)作業(yè)?；緲?gòu)成如圖 5 所示。

標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)和標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置。

4.1 控制系統(tǒng)

標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置控制系統(tǒng)是接收測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)識(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)后，通過(guò)路徑規(guī)劃生成標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置運(yùn)動(dòng)路線同時(shí)轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并傳遞至標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置，并不斷接收標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置反饋的實(shí)時(shí)坐標(biāo)信息，與理論信息對(duì)比，做出偏差調(diào)整。標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置控制系統(tǒng)主要包括標(biāo)路徑規(guī)劃子系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)。

1）路徑規(guī)劃系統(tǒng)是指在涵蓋眾多目標(biāo)時(shí)，對(duì)目標(biāo)的完全遍歷，爭(zhēng)取最低的重復(fù)率及完全的覆蓋率。路徑規(guī)劃系統(tǒng)主要解決 3 個(gè)問(wèn)題：使標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置能從初始點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到最終目標(biāo)點(diǎn)；使標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置能繞開(kāi)障礙物并遍歷中間點(diǎn)；在任務(wù)完成的前提下，盡量?jī)?yōu)化標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置的運(yùn)行軌跡。

2）室內(nèi)空間定位系統(tǒng)解決的是“標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置當(dāng)前在何處”的問(wèn)題，路徑規(guī)劃系統(tǒng)解決的是”標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置將要去何處”的問(wèn)題，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)解決的是“標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置如何去”的問(wèn)題。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)依據(jù)路徑規(guī)劃系統(tǒng)得到的運(yùn)行路線，生成直線行走、轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng)信號(hào)。

3）運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)解決了“標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置如何去”的問(wèn)題，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)則是把“如何去”的信息傳遞給標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)信號(hào)信息與標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置本身的數(shù)據(jù)通信，提供給標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置自身可識(shí)別的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)距離以及是否進(jìn)行標(biāo)識(shí)等機(jī)械運(yùn)動(dòng)信息。

In the spectral curve where the light is absorbed, and knowing the thickness of the thin film ZnS, we can determine the absorption coefficient α for each value of the transmittance T in (%), which corresponds to an energy by the law from Beer-lambert[20].

4.2 標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置

標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置是標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)的硬件支撐，也是船舶表面測(cè)量定位標(biāo)識(shí)系統(tǒng)的最終載體，用以在船體表面進(jìn)行標(biāo)識(shí)劃線作業(yè)。標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置在船舶表面吸附運(yùn)動(dòng)，待標(biāo)識(shí)表面可能是傾斜面、垂直面、倒立面，表面曲率不一致且有突起的焊縫，標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置要滿足在船體表面上吸附牢固，并且同時(shí)滿足行走便利、標(biāo)識(shí)清晰等要求。

標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置機(jī)械部分主要針對(duì)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式、吸附方式、標(biāo)識(shí)方式等方面進(jìn)行研究設(shè)計(jì);電路控制部分接收將執(zhí)行的角速度與線速度序等列控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并通過(guò)慣性傳感、速度傳感等傳感器的反饋對(duì)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制。

5 基于三維數(shù)字場(chǎng)的船體表面測(cè)量定位標(biāo)識(shí)系統(tǒng)驗(yàn)證

船舶建造中會(huì)涉及到柔性矩形塊的敷設(shè)安裝，柔性矩形塊的安裝點(diǎn)要在船體表面上進(jìn)行標(biāo)識(shí)，以便于后續(xù)的定位安裝。首先將三維設(shè)計(jì)的模擬敷設(shè)信息提取，再與車間現(xiàn)場(chǎng)激光雷達(dá)快速掃描測(cè)量生成的數(shù)字化模型比對(duì)后，可得船體上實(shí)際待安裝點(diǎn)坐標(biāo)信息。再利用機(jī)器人進(jìn)行標(biāo)識(shí)劃線，標(biāo)識(shí)過(guò)程中還需定位系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人不斷進(jìn)行定位與偏差修正，最終在待安裝點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)識(shí)打點(diǎn)。柔性矩形塊的敷設(shè)安裝定位過(guò)程在船舶定位安裝建造中具有一定代表性，同時(shí)與本文研究的基于車間三維數(shù)字場(chǎng)的船體表面測(cè)量標(biāo)識(shí)系統(tǒng)相符，可用來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的驗(yàn)證。

5.1 測(cè)量部分

在船舶車間搭建的車間三維數(shù)字場(chǎng)基礎(chǔ)上，選取能夠覆蓋待標(biāo)識(shí)船體區(qū)域的定位基點(diǎn)，確定車間全局坐標(biāo)系。利用激光雷達(dá)對(duì)船體表面積進(jìn)行數(shù)字化掃描，得到大量點(diǎn)云圖（見(jiàn)圖 6），經(jīng)初始擬合后，得到部分初始擬合圖（見(jiàn)圖 7），與理論模型進(jìn)行比對(duì)，按照建造規(guī)范，兩模型擬合修正后，得到最終數(shù)字化模型（見(jiàn)圖 8）。在保證柔性矩形塊安裝形狀不變等性能特征前提下，對(duì)數(shù)字化模型進(jìn)行柔性矩形塊的模擬敷設(shè)，局部效果如圖 9 所示，可將敷設(shè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)提取整理，傳遞至標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)。

室內(nèi)空間定位系統(tǒng)根據(jù)前期研究，通過(guò)表 1 和表 2對(duì)定位算法、定位技術(shù)的優(yōu)劣性對(duì)比，結(jié)合船廠車間環(huán)境，由于 iGPS 定位系統(tǒng)價(jià)格昂貴、布置繁瑣，且超聲波定位原理與 iGPS 定位相似，能夠滿足實(shí)驗(yàn)精度要求，定位方式簡(jiǎn)易，故采取超聲波定位方式，定位算法采用多邊定位方法。定位裝置中定位接收裝置為 4個(gè)超聲波接收器，定位發(fā)射裝置為 2 個(gè)超聲波發(fā)射器。4 個(gè)超聲波接收器安裝在船體表面的對(duì)立面，并由激光雷達(dá)對(duì)其參照定位要求進(jìn)行空間定位，2 個(gè)超聲波發(fā)射器分別安裝在標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置的首尾，既可以測(cè)得標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置的實(shí)時(shí)位置信息，又可得到標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置的朝向姿態(tài)信息。

5.3 標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置部分

標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)根據(jù)前期研究，采用爬行機(jī)器人標(biāo)識(shí)系統(tǒng)。本系統(tǒng)中路徑規(guī)劃基于遺傳算法，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用基于角速度、線速度解析式機(jī)械運(yùn)動(dòng)信息。爬行機(jī)器人采用永磁鐵吸附、雙驅(qū)動(dòng)輪、四導(dǎo)向輪驅(qū)動(dòng)、全底盤一體式鋁合金結(jié)構(gòu)、油漆標(biāo)識(shí)。永磁鐵鑲嵌在底盤下方，與船體表面保持一定距離，提供吸附力；雙輪式驅(qū)動(dòng)行動(dòng)靈活、轉(zhuǎn)角方便，且控制簡(jiǎn)單；四導(dǎo)向輪提供導(dǎo)向支撐作用，同時(shí)避開(kāi)了中軸線，避免噴漆打點(diǎn)后標(biāo)識(shí)點(diǎn)被導(dǎo)向輪碾壓；油漆標(biāo)識(shí)方式標(biāo)識(shí)點(diǎn)醒目、標(biāo)識(shí)過(guò)程簡(jiǎn)易；同時(shí)爬行機(jī)器人底盤上安裝 4 個(gè)輔助卸載裝置，緩解機(jī)器人工作時(shí)由于吸力過(guò)大不易移動(dòng)與卸載的問(wèn)題；同時(shí)加入安全檢測(cè)保護(hù)措施，在機(jī)器人工作電路出現(xiàn)故障時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電壓電流出現(xiàn)異常，啟動(dòng)安全保護(hù)措施，增大電機(jī)阻尼，減緩機(jī)器人下滑速度，避免過(guò)度碰撞。標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置爬行機(jī)器人的原型與實(shí)物如圖 10 所示。

5.4 標(biāo)識(shí)作業(yè)

選定車間內(nèi)船體表面分段作為工作面，采用激光雷達(dá)對(duì)超聲波的 4 個(gè)接收器進(jìn)行掃描測(cè)量，在車間數(shù)字場(chǎng)基礎(chǔ)上，獲得各接收器在全局坐標(biāo)系下的位置信息。超聲波定位系統(tǒng)接收器位置與船體表面對(duì)立，發(fā)射器安裝在爬行機(jī)器人上。爬行機(jī)器人標(biāo)識(shí)系統(tǒng)將接收到的待標(biāo)識(shí)點(diǎn)三維數(shù)據(jù)信息處理整合后，生成理論爬行路線，同時(shí)在上位機(jī)中形成路線圖及待標(biāo)識(shí)點(diǎn)信息。觸發(fā)上位機(jī)中“工作”按鈕，爬行機(jī)器人將按照理論路線進(jìn)行爬行與標(biāo)識(shí)。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，爬行機(jī)器人由于重力等影響會(huì)偏離理論路線，需超聲波定位系統(tǒng)不斷將定位到的機(jī)器人的實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)反饋給機(jī)器人，機(jī)器人自身通過(guò)偏差修正算法，對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行修正，最終運(yùn)動(dòng)到真實(shí)的待標(biāo)識(shí)點(diǎn)附近，在誤差范圍內(nèi)進(jìn)行標(biāo)識(shí)打點(diǎn)。重復(fù)此動(dòng)作，直至將工作面內(nèi)的待標(biāo)識(shí)點(diǎn)全部標(biāo)識(shí)完成。圖 11 為上位機(jī)對(duì)爬行機(jī)器人位置信息的實(shí)時(shí)顯示，加深線為實(shí)際爬行線路，所覆蓋直線為理論爬行線路，十字點(diǎn)為待標(biāo)識(shí)點(diǎn)。圖 12 為實(shí)際船體表面的標(biāo)識(shí)作業(yè)，白色油漆點(diǎn)由機(jī)器人自動(dòng)標(biāo)識(shí)得到。

此標(biāo)識(shí)過(guò)程對(duì)機(jī)器人爬行速度、爬行距離、標(biāo)識(shí)效率、標(biāo)識(shí)精度、工作環(huán)境等進(jìn)行了測(cè)量記錄，詳細(xì)信息如表 3 所示。

由此標(biāo)識(shí)作業(yè)實(shí)驗(yàn)可以看出，爬行機(jī)器人能夠在最小曲率半徑 4 m 的船體表面上爬行，且能夠平穩(wěn)爬過(guò)焊縫，能適應(yīng)車間環(huán)境。爬行機(jī)器人能在一定爬行速度下保持誤差允許的精度，標(biāo)識(shí)效率較高。

表 3 機(jī)器人標(biāo)識(shí)參數(shù)記錄Tab. 3 Robot identification parameter record

6 結(jié) 語(yǔ)

船舶等龐大體積工業(yè)品進(jìn)行建造過(guò)程中，存在大量部件安裝裝配工作，而部件的安裝位置需在船體上進(jìn)行測(cè)量定位與標(biāo)識(shí)，基于高精度的三維數(shù)字場(chǎng)應(yīng)用背景下的船舶機(jī)器人等數(shù)字化工業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用到船舶建造中將提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品精確性且符合數(shù)字化造船的現(xiàn)代化需求。本文由此提出了基于三維數(shù)字場(chǎng)的船體表面測(cè)量定位標(biāo)識(shí)系統(tǒng)，總結(jié)如下：1）提出了一種基于三維數(shù)字場(chǎng)環(huán)境下，依托高精度測(cè)量?jī)x器重建數(shù)字化模型，將待標(biāo)識(shí)位置的三維數(shù)據(jù)信息傳遞至標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)處理后生成行進(jìn)路線，并在室內(nèi)空間定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)定位下，由標(biāo)識(shí)劃線執(zhí)行裝置不斷調(diào)整行進(jìn)路線并在船舶外表面進(jìn)行標(biāo)識(shí)作業(yè)的新型船舶表面定位的標(biāo)識(shí)模式。并以船體表面敷設(shè)柔性矩形塊的定位點(diǎn)標(biāo)識(shí)作為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了在三維數(shù)字場(chǎng)中的完整原理性作業(yè)，驗(yàn)證了提高精度和效率的可行性。

2）基于三維數(shù)字場(chǎng)的船體表面測(cè)量定位標(biāo)識(shí)系統(tǒng)的構(gòu)建，為現(xiàn)代化造船的高效率生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)一步奠定了基礎(chǔ)，也將有利提高后續(xù)裝配安裝工藝的精確性，推動(dòng)船舶數(shù)字化的進(jìn)一步發(fā)展。

3）可將進(jìn)行原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的軟硬件進(jìn)行優(yōu)化，擴(kuò)大測(cè)量范圍，提高測(cè)量精度與定位精度，增加標(biāo)識(shí)機(jī)器人數(shù)量等，將進(jìn)一步提高船舶表面測(cè)量標(biāo)識(shí)定位系統(tǒng)的精確性、高效性與穩(wěn)定性。

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Hull surface measurement positioning identification system research based on three-dimensional data field

MA Xiang-feng, ZHAO Yao, YUAN Hua
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

This paper introduces the basic workshop on three-dimensional data field, frame of the hull surface measurement, positioning and Identification system based on three-dimensional digital field and the measurement system, positioning system and identification interior implementing agencies to carry out research. Key aspects of the corresponding principle, the technology involved were discussed. Flexible laying tile surface ship located point identified as an application object, the development of relevant measurement, positioning, identification systems, to achieve a three-dimensional digital field in the workshop of the principle of complete job, verify the feasibility of improving the accuracy and efficiency.

location identification；three-dimensional digital field；spatial orientation；identification equipment

U671.99

A

1672–7619(2017)03–0091–06

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.03.019

2016–05–19；

2016–08–12

“十二五”預(yù)研資助項(xiàng)目（51318010401）

馬向峰(1991–)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇皵?shù)字化及機(jī)器人技術(shù)。