CN104215967A - 双船间空间位置的精确测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

双船间空间位置的精确测量系统及其测量方法，属于光学测量技术领域，为了实现在一定海况下船正常航行时的空间位置测量，测量设备分为测量系统和合作目标两部分，分别安装于两船上；测量系统安装于测量船固定安装点，合作目标安装于被测船只固定安装点；合作目标安装于目标船，具体包括反射面和跟踪目标两部分，反射面具有高反射率的金属平板，用作激光测距反射面；跟踪目标为四个可发光的目标点，通过对四个点进行拟合求出中心点作为跟踪中心；测量目标捕获，锁定跟踪中心P点进行跟踪，实时输出测量方位角α和俯仰角β；测量数据采集，激光测距传感器对目标进行激光测距，采集测距值L；姿态测量传感器对船体本身进行姿态测量；测量数据处理。

Description

双船间空间位置的精确测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种双船间空间位置的精确测量系统及其测量方法，属于光学测量技术领域。

背景技术

随着我国海上航行活动日益频繁，尤其是远洋航行活动日渐增加，由于舰船航程长，需要及时进行燃料、淡水等资源的补充。补充过程中，就需要对两船之间的相对位置进行测量。另外，在一些船舶的建造过程中，需要对船的运动特性进行测量标定，这就需要对船坞附近航行的船只与船坞固定检测面间的相对位置进行测量，这些测量将有助于船只的标定建造及性能检测。

对于行进中的两船而言，由于行进方向相同，两船中心线可以视为平行，因此需要测量的相对位置包括三个坐标轴上的三个位置坐标x₀，y₀，z₀。其中x₀为两船前后位置距离，y₀为两船横向距离，z₀为两船纵向距离。测量过程难点在于两船相距较远，且位置不固定，测量前需要对目标进行搜索识别；另外，由于测量船自身受海况影响而摇动，因此测量基准是运动的，测量过程需要对此补偿。

发明内容

本发明为了实现在一定海况下船正常航行时的空间位置测量，提出一种双船间空间位置的精确测量系统及其测量方法。

发明的技术方案是：

双船间空间位置的精确测量系统，其特征是，其包括瞄准测量部分、船姿态测量部分、激光测距部分和数据显示部分；

瞄准测量部分为主体部分，其包含光电经纬仪、跟踪控制系统和数据处理系统三个部分；光电经纬仪可以对合作目标成像，实时跟踪，并记录其瞄准角；跟踪控制系统是光电经纬仪的跟踪控制电系统，通过实时跟踪算法，对目标进行跟踪；数据处理系统将激光测距数据、船姿态角测量数据及瞄准角数据进行处理，获得两船间空间位置数据；

船姿态测量部分通过电连接器连接到瞄准测量部分，将采集到的姿态测量传感器数据实时发送到瞄准测量部分进行处理；

激光测距部分主要部件为激光测距机，通过电连接器连接到瞄准测量部分，根据命令将测距数据发送到瞄准测量部分；

数据显示部分是将瞄准测量部分获得的数据，通过显示器以数值的形式显示出来；

合作目标安置于目标船固定位置，包括反射面和跟踪目标，反射面具有高的反射率，用于激光测距；跟踪目标为可发光的目标点，用于跟踪识别。

双船间空间位置的精确测量系统的测量方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一，测量设备安装，

测量设备分为测量系统和合作目标两部分，分别安装于两船上；测量系统安装于测量船固定安装点，合作目标安装于被测船只固定安装点；

合作目标安装于目标船，具体包括反射面和跟踪目标两部分，反射面具有高反射率的金属平板，用作激光测距反射面；跟踪目标为四个可发光的目标点，通过对四个点进行拟合求出中心点作为跟踪中心；

步骤二，测量目标捕获，

开始时候，两船相对较远，测量船上的测量系统对视场内一定区域进行成像扫描，直到搜索到被测船合作目标上的四个跟踪中心点，然后锁定跟踪中心P点进行跟踪，实时输出测量方位角α和俯仰角β；

步骤三，测量数据采集，

启动激光测距传感器，对目标进行激光测距，采集测距值L；

启动姿态测量传感器，对船体本身进行姿态测量，采集船横摇角θ和纵摇角数据；

步骤四，测量数据处理，

瞄准测量部分对采集到的方位角α和俯仰角β，激光测距值L，船横摇角θ和纵摇角数据综合处理，得到两船空间位置三维坐标。

步骤四所述的数据综合处理方法包括以下步骤：

第一步，以测量设备回转中心O为原点，以垂直船甲板平面为Z_c轴，指向船艏方向为X_c轴，建立测量站右手直角坐标系OX_cY_cZ_c；

第二步，目标的船体极坐标位置(L，α，β)变换为船体直角坐标位置(x_c,y_c,z_c)；

第三步，大地坐标系以测量设备回转中心O为原点，以垂直于水平面方向向上为Z轴，以水平面内指向船艏方向为X轴，建立的右手直角坐标系OXYZ；

第四步，目标的船体直角坐标位置(x_c,y_c,z_c)变换为大地直角坐标位置(x₀,y₀,z₀)；

具体计算公式如下，船体直角坐标位置变换：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_c=L\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}\\ y_c=L\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}\\ z_c=L\sin \mathrm{\β}\end{array}\right.$

横摇及纵摇角坐标变换：

由上述计算公式可知，通过测量距离值L，方位角α和俯仰角β，船横摇角θ和纵摇角通过数据处理即可获得两船间空间位置x₀,y₀,z₀。

本发明的有益效果是：本发明方法采用光学非接触式测量，在被测船只上只安装简单的合作目标即可实现远距离测量。通过实时测量船自身姿态，大大减小了船体受海况影响摇动而造成的测量误差。采用了可发光的合作目标，可以实现夜间测量，保持了测量的全天候特性。具有自动化、精确测量及高可靠性的优点。

附图说明

图1本发明双船间空间位置测量系统组成框图。

图2本发明所述合作目标示意图。

图3本发明双船间空间位置测量原理图。

图4本发明所述方法中坐标转换图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的测量方法采用光学非接触式测量，双船间空间位置测量系统包括测量单元和合作目标两部分，测量单元由船姿态测量部分、瞄准测量部分、激光测距部分和数据显示部分组成。

瞄准测量部分为主体部分，包含光电经纬仪、跟踪控制系统和数据处理系统三个部分；光电经纬仪可以对合作目标成像，实时跟踪，并记录其瞄准角；跟踪控制系统是光电经纬仪的跟踪控制电系统，通过实时跟踪算法，对目标进行跟踪；数据处理系统将激光测距数据、船姿态角测量数据及瞄准角数据进行处理，获得两船间空间位置数据；

船姿态测量部分通过电连接器连接到瞄准测量部分，将采集到的姿态测量传感器数据实时发送到瞄准测量部分进行处理；

激光测距部分主要部件为激光测距机，通过电连接器连接到瞄准测量部分，根据命令将测距数据发送到瞄准测量部分；

数据显示部分是将瞄准测量部分获得的数据，通过显示器以数值的形式显示出来；

合作目标安置于目标船固定位置，包括反射面和跟踪目标，反射面具有高的反射率，用于激光测距；跟踪目标为可发光的目标点，用于跟踪识别。

双船间空间位置测量系统的测量方法，包括以下步骤：

步骤一，测量设备安装：

测量设备分为测量系统和合作目标两部分，分别安装于两船上。测量系统安装于测量船固定安装点，合作目标安装于被测船只固定安装点。

如图2所示，合作目标安装于目标船。其包括反射面和跟踪目标两部分，反射面具有高反射率的金属平板，用作激光测距反射面；跟踪目标为4个可发光的目标点，通过对4个点进行拟合求出中心点作为跟踪中心。

步骤二，测量目标捕获：

如图3所示，测量开始时，两船相对较远，测量船上的测量系统对视场内一定区域进行成像扫描，直到搜索到被测船合作目标上的4个跟踪中心点，然后锁定跟踪中心P点进行跟踪，实时输出测量方位角α和俯仰角β。

步骤三，测量数据采集：

启动激光测距传感器，对目标进行激光测距，采集测距值L。

启动姿态测量传感器，对船体本身进行姿态测量，采集船横摇角θ和纵摇角数据。

步骤四，测量数据处理：

瞄准测量部分对采集到的方位角α和俯仰角β，激光测距值L，船横摇角θ和纵摇角数据综合处理，得到两船空间位置三维坐标。

具体处理算法过程如下所述：

根据测量原理，具体计算过程如附图4所示，分为以下几步：

a)以测量设备回转中心O为原点，以垂直船甲板平面为Z_c轴，指向船艏方向为X_c轴，建立测量站右手直角坐标系OX_cY_cZ_c。

b)目标的船体极坐标位置(L，α，β)变换为船体直角坐标位置(x_c,y_c,z_c)；

c)大地坐标系以测量设备回转中心O为原点，以垂直于水平面方向向上为Z轴，以水平面内指向船艏方向为X轴，建立的右手直角坐标系OXYZ。

d)目标的船体直角坐标位置(x_c,y_c,z_c)变换为大地直角坐标位置(x₀,y₀,z₀)；

具体计算公式如下，船体直角坐标位置变换：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_c=L\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}\\ y_c=L\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}\\ z_c=L\sin \mathrm{\β}\end{array}\right.$

横摇及纵摇角坐标变换：

由上述计算公式可知，通过测量距离值L，方位角α和俯仰角β，船横摇角θ和纵摇角通过数据处理即可获得两船间空间位置x₀,y₀,z₀。

本发明方法采用图像捕获结合激光测距的非接触式测量方法，通过在被测船只上安装简单的合作目标，即可实现远距离空间位置测量。测量精度高且具有实时性。合作目标可发光，可以实现夜间测量，保持了测量的全天候特性。本发明的测量系统具有自动化、精确测量及高可靠性的优点。

Claims (3)

1.双船间空间位置的精确测量系统，其特征是，其包括测量单元和合作目标，该测量单元包括瞄准测量装置、船姿态测量装置、激光测距装置和数据显示装置；

瞄准测量装置为主体，其包含光电经纬仪、跟踪控制器和数据处理器；光电经纬仪可以对合作目标成像，实时跟踪，并记录其瞄准角；跟踪控制器用于跟踪控制光电经纬仪，通过实时跟踪算法，对合作目标进行跟踪；数据处理器将激光测距数据、船姿态角测量数据及瞄准角数据进行处理，获得两船间空间位置数据；

船姿态测量装置为姿态测量传感器，其通过电连接器连接到瞄准测量装置，将采集到的姿态测量传感器数据实时发送到瞄准测量装置进行处理；

激光测距装置为激光测距传感器，其通过电连接器连接到瞄准测量装置，根据命令将测距数据发送到瞄准测量装置；

数据显示装置是将瞄准测量装置获得的数据，通过显示器以数值的形式显示出来；

合作目标安置于目标船固定位置，其包括反射面和跟踪目标，反射面具有高的反射率，用于激光测距；跟踪目标为可发光的目标点，用于跟踪识别。

2.基于双船间空间位置的精确测量系统的测量方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一，测量设备安装，

测量设备分为测量单元和合作目标，分别安装于两船上；测量单元安装于测量船固定安装点，合作目标安装于被测船只固定安装点；

该测量单元包括瞄准测量装置、船姿态测量装置、激光测距装置和数据显示装置；

瞄准测量装置为主体，包含光电经纬仪、跟踪控制器和数据处理器；光电经纬仪可以对合作目标成像，实时跟踪，并记录其瞄准角；跟踪控制器用于跟踪控制光电经纬仪，通过实时跟踪算法，对合作目标进行跟踪；数据处理器将激光测距数据、船姿态角测量数据及瞄准角数据进行处理，获得两船间空间位置数据；

船姿态测量装置为姿态测量传感器，其通过电连接器连接到瞄准测量装置，将采集到的姿态测量传感器数据实时发送到瞄准测量装置进行处理；

激光测距装置为激光测距传感器，其通过电连接器连接到瞄准测量装置，根据命令将测距数据发送到瞄准测量装置；

数据显示装置是将瞄准测量装置获得的数据，通过显示器以数值的形式显示出来；

合作目标安装于目标船上，其具体包括反射面和跟踪目标，反射面具有高反射率的金属平板，用作激光测距反射面；跟踪目标为四个可发光的目标点，通过对四个点进行拟合求出中心点作为跟踪中心；

步骤二，测量目标捕获，

测量开始时，两船相对较远，测量船上的测量单元对视场内一定区域进行成像扫描，直到搜索到被测船合作目标上的四个跟踪中心点，然后锁定跟踪中心P点进行跟踪，实时输出测量方位角α和俯仰角β；

步骤三，测量数据采集，

启动激光测距传感器，对目标进行激光测距，采集测距值L；

启动姿态测量传感器，对船体本身进行姿态测量，采集船横摇角θ和纵摇角数据；

步骤四，测量数据处理，

瞄准测量部分对采集到的方位角α和俯仰角β，激光测距值L，船横摇角θ和纵摇角数据综合处理，得到两船空间位置三维坐标。

3.根据权利要求2所述的双船间空间位置测量系统的测量方法，其特征在于，步骤四所述的数据综合处理方法包括以下步骤：

第一步，以测量设备回转中心O为原点，以垂直船甲板平面为Z_c轴，指向船艏方向为X_c轴，建立测量站右手直角坐标系OX_cY_cZ_c；

第二步，目标的船体极坐标位置(L，α，β)变换为船体直角坐标位置(x_c,y_c,z_c)；

第三步，大地坐标系以测量设备回转中心O为原点，以垂直于水平面方向向上为Z轴，以水平面内指向船艏方向为X轴，建立的右手直角坐标系OXYZ；

第四步，目标的船体直角坐标位置(x_c,y_c,z_c)变换为大地直角坐标位置(x₀,y₀,z₀)；

具体计算公式如下，船体直角坐标位置变换：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_c=L\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}\\ y_c=L\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}\\ z_c=L\sin \mathrm{\β}\end{array}\right.$

横摇及纵摇角坐标变换：

由上述计算公式可知，通过测量距离值L，方位角α和俯仰角β，船横摇角θ和纵摇角通过数据处理即可获得两船间空间位置x₀,y₀,z₀。