CN115675784B - 一种基于数字化测量场的船舶总段对接系统和对接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字化测量场的船舶总段对接系统和对接方法，包括数字化测量场、激光跟踪仪、上位机和操作单元；所述数字化测量场布置在船坞内部，船坞内部侧壁和底壁上均设置有多个基准单元；待对接总段的两侧舷面上分别设置2个被测单元，多台激光发射站的扫描光面覆盖对接总段，所述上位机以激光跟踪仪获得的基准单元坐标作为高精度点位基准，由激光发射站测量获得待对接总段的实时位姿，解算操作单元的运动量并驱动所述操作单元调整待对接总段的位姿，从而完成对接。

Description

一种基于数字化测量场的船舶总段对接系统和对接方法

技术领域

本发明涉及工业现场大尺度三维坐标测量方法，多目标并行坐标测量，实时获取总段六自由度姿态信息，具体涉及一种基于数字化测量场的船舶总段对接系统和对接方法。

背景技术

提高船舶制造测量精度与自动化水平，从而提高生产效率，缩短建造周期，降低生产成本，推动船舶制造向数字化、信息化、智能化方向发展，是我国造船行业未来发展的必然趋势。

现代大型船舶制造多采用“巨型总段建造”工艺，对接过程不仅涉及到的空间尺度涵盖十几米甚至上百米的超大空间范围，而且需要获取总段的高精度姿态数据以保证对接精度。传统测量仪器由于无法实现并行多任务测量，难以建立统一基准的三维测量场，不能实现高效的自动化对接过程，测量效率问题日益凸显。专利CN110940271A公开了一种基于空间三维测控网的船舶等大型工业制造智能检测、监测和安装方法，采用三维激光扫描技术与近景摄影测量技术相结合，实现了船舶等大型工业制造的变形监测和坐标测量，但该方法从局部测量到全局测量会产生误差累积，且无法实时解算船舶制造、安装过程中各部件的姿态。专利CN114670986A提供了一种船舶总段浮态对接方法，通过全站仪在船坞的精度控制区域内勘划基准标记，得以确定第一总段和第二总段的位置，提高了船坞的利用率并提高船舶总段的对接精度，但该方法无法实现对接过程中总段姿态的实时测量。因此，需要一种自动化对接方法，能够实现对接过程中大尺寸总段姿态的实时高精度测量，以提高船舶总段对接效率和精度。

工作空间测量定位系统(wMPS)通过在工业大尺度空间内布置一定数量的发射站节点组成整体坐标测量网络，接收器接收来自多个发射站的定位信息，通过角度交会定位原理解算空间坐标，抛弃了现有设备强调以单台测站实现全部测量功能的框架，可以在满足造船现场测量精度及实施环境的条件下，方便、准确、快捷地对船体大总段进行测量，为此将wMPS应用于大型船舶总段的智能对接。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于数字化测量场的船舶总段对接系统和对接方法，以船坞坞壁、坞底的基准单元作为整个对接系统中唯一的基准坐标，无须重复测量；使用wMPS测量待对接总段的实时位姿，实现对船体和待对接总段位姿的实时测量，极大提高了总段对接效率，可满足复杂工业现场的测量要求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于数字化测量场的船舶总段对接系统，包括数字化测量场、激光跟踪仪、上位机和操作单元；

所述数字化测量场布置在船坞内部，船坞内部设置有船舶的固定总段和待对接总段，所述船坞的内部侧壁和底壁上均设置有多个基准单元；所述待对接总段的两侧舷面的首尾两端分别设置2个被测单元，所述被测单元具有多个对接控制点，所述对接控制点上端部设置有光电接收球；多台激光发射站与所述待对接总段的舷面面对设置，单侧相邻两个激光发射站为一组构成测量单元，单侧所述测量单元分别面对待对接总段的首尾两端，使待对接总段完全处于所述测量单元的激光范围内，每两个相邻激光发射站基站的激光交会角为60°～90°；

所述激光跟踪仪用于测量定位所述基准单元；

所述上位机与数字化测量场、激光跟踪仪、操作单元电连接，所述上位机对数字化测量场内分布在坞壁和坞底的基准单元进行观测，并以激光跟踪仪获得的基准单元坐标作为唯一精确观测量，为激光发射站和被测单元工作时提供覆盖数字化测量场的高精度点位基准，以此由激光发射站测量获得待对接总段的实时位姿，解算操作单元的运动量并驱动所述操作单元调整待对接总段的位姿，从而完成对接；

所述操作单元的末端与所述待对接总段固定连接，用于根据上位机的指令进行相应的位移调整待对接总段的位姿。

进一步的，所述基准单元为全局控制点，位于坞壁和坞底的全局控制点采用矩形阵列布局，位于坞壁的各全局控制点沿坞壁的水平和竖直方向布局，各控制点间隔2m-4m；位于坞底的全局控制点等间隔分布，相邻两个全局控制点间距20m，相邻层的控制点与邻层最近两点连线中心垂直距离10m。

进一步的，所述激光发射站对称设置，测量前使用全局控制点将激光发射站外部参数进行标定，获得激光发射站之间的相对位姿关系。

进一步的，所述激光发射站在高度方向多层布置。

基于数字化测量场的船舶总段对接系统的对接方法，包括以下步骤：

步骤一：预先设置好数字化测量场，将操作单元的末端与所述待对接总段固定连接；利用激光跟踪仪测量所述基准单元的坐标；在待对接总段两侧的首尾两端布置激光发射站，使被测单元能够被激光发射站的扫描光面覆盖；使用基准单元坐标标定激光发射站外部参数，获得激光发射站之间的相对位姿关系，建立统一的现场坐标系，以旋转矩阵和平移矩阵表达；

步骤二：在总段对接过程中，固定总段保持不动，实时测量待对接总段测量单元的坐标值，根据运动学原理，实时获得待对接总段的位置和姿态，总段位姿使用一个旋转矩阵和一个平移向量表示；依据相同原理，利用基准单元获得固定总段和操作单元末端的位姿；

步骤三：将获取的待对接总段位姿数据实时传输至上位机，上位机根据传输的数据解算操作单元的运动量并驱动所述操作单元调整待对接总段的位姿，然后再重复步骤二，实时测量船舶待对接总段的位姿，不断重复步骤二和步骤三，调整待对接总段位姿直至待对接总段与固定总段对接完成。

进一步的，“获得激光发射站之间的相对位姿关系，建立统一的现场坐标系”具体包括：

利用激光发射站实时扫描被测单元上的对接控制点顶端的光电接收球，得到各对接控制点对应的扫描时间信息，其中第i个激光发射站扫描第n个光电接收球对应的扫描角为θ_ni1,θ_ni2；

由于光电接收球与全局控制点具有互换性，因此根据激光发射站的测量原理可建立标定目标函数：

其中，j为激光发射站的扫描光面序号，每台激光发射站提供两个扫描光面；n为全局控制点序号，N为全局控制点数量，x_n,y_n,z_n为全局控制点的三维坐标；i为激光发射站序号，I为激光发射站数量，a_ij,b_ij,c_ij,d_ij为每个激光发射站对应两个扫描光面方程的参数。

利用Levenberg-Marquardt算法对目标函数F进行优化，基于全局坐标系确定各激光发射站之间的相对位姿关系，单个激光发射站坐标系(O_k-X_kY_kZ_k)到全局坐标系(O_G-X_GY_GZ_G)的旋转矩阵R_k和平移矩阵T_k，建立统一的现场坐标系：

其中R_k代表第k个发射站坐标系到全局坐标系的旋转矩阵，r_k1至r_k9为旋转矩阵参量，T_k代表第k个发射站坐标系到全局坐标系的平移矩阵，t_kx、t_ky、t_kz为平移矩阵参量。

进一步的，所述步骤二具体包括：

开始总段对接过程，固定总段始终保持不动，将激光发射站初始化后，待对接总段上各对接控制点上的光电接收球实时接收激光发射站的扫描光平面信号，记录所述激光发射站的两个扫描光面分别扫过各个对接控制点端部的光电接收球的时刻，测得扫描光面扫过所述对接控制点时相较于初始位置所旋转的角度，结合事先外参标定得到的激光发射站之间的相对位姿关系和激光发射站光平面参数，使用Levenberg-Marquardt算法解算出对接控制点的实时坐标值；

根据运动学原理，由对接控制点的实时坐标值获得待对接总段的位置和姿态，其位姿使用一个旋转矩阵R_S和一个平移向量T_S表示：

其中R_S代表待对接总段坐标系到全局坐标系的旋转矩阵，r_S1至r_S9为旋转矩阵参量，T_S代表待对接总段到全局坐标系的平移矩阵，t_Sx、t_Sy、t_Sz为平移矩阵参量。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1、基于数字化测量场，能够实时获取对接过程中船舶总段的高精度位姿信息，无需在每次调整后依次测量点位坐标；船坞坞壁、坞底的基准单元无需在每一次对接任务中重复测量，只需定期复测以保证全局控制点精度；

2、解决了外场环境下巨型总段实时位姿参数的高精度同步测量难题，能够实现五千吨级以上的巨型总段精准快速对接；

3、所述系统利用工作空间测量定位系统的多目标、高精度、量程易扩展等优势，与大型船舶总段制造相结合，利用数字化测量场获得大型总段的位姿信息，提高了总段对接的精度，提升了船舶制造的效率。

4、经验证，基于数字化测量场的船舶总段自动化对接方法对接精度在1mm以内，对接时间可控制在1小时以内。

附图说明

图1是设置有数字化测量场的大型船舶总段对接现场示意图；

图2a是坞壁的基准单元的位置布局的全局控制点的位置布局，图2b是坞底的基准单元的位置布局示意图；

图3示出待对接总段单侧舷面的测量单元的位置布局示意图；

图4示出基于数字化测量场的船舶总段对接系统的工作流程图。

其中，

101：固定总段，102：待对接总段，103：全局控制点，104：对接控制点，105：激光发射站，1041：测量单元。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案、有益效果及显著进步更加清楚，下面，将以工作空间测量定位系统(wMPS)为例，结合本发明实施例中所提供的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所有描述的这些实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图4，一种基于数字化测量场的船舶总段对接系统的具体应用步骤如下：

步骤一：设置数字化测量场

图1所示，大型船舶总段对接现场包含船坞、和位于在船坞内部的固定总段101和待对接总段102；所述船坞的内部侧壁和底壁上均设置有多个基准单元，各所述基准单元即为全局控制点103，所述全局控制点103由激光跟踪仪测量定位。如图2a-2b所示，位于坞壁的全局控制点103布局如下：沿坞壁的水平方向等间隔分布的全局控制点103，相邻两个全局控制点间距7.5m，沿坞壁的竖直方向分布四层，根据船坞现场环境，各全局控制点间隔2m-4m不等；位于坞底的全局控制点103采用矩形阵列布局，同层相邻全局控制点103等间隔分布，相邻两个全局控制点间距20m，相邻层的控制点与邻层最近两点连线中心垂直距离10m。实际使用中，所述全局控制点不必要均匀分布。

所述待对接总段102的两侧分别设置有四台设置在立柱顶端的wMPS激光发射站105，所述激光发射站105采用双侧八站对称布局方式，相邻两个激光发射站105为一组构成基本测量单元，单侧的两组基本测量单元分别靠近待对接总段102的首尾两端，使对接总段102完全处于所述激光发射站105的激光范围内，其激光扫描发散角为±30°，能够实现360°全周测量，每两个相邻的激光发射站基站的激光交会角为60°～90°。所述激光发射站105距离船坞底面高度约5米，距离待对接总段102的侧壁10m，从而使测量空间位于激光发射站105的最佳工作距离处。测量前使用全局控制点将激光发射站外部参数进行标定，获得激光发射站之间的相对位姿关系。根据现场实际需要，激光发射站105与待对接总段的距离根据精度水平进行设置，一般为10-15m，也可在高度方向布置两层激光发射站105，即在立柱上自顶端向下竖直设置2个激光发射站105，以确保激光扫描范围完全覆盖测量区域。

如图3所示，在所述待对接总段102的两侧舷面的首尾两端分别设置两个被测单元1041，各所述被测单元1041包括6个对接控制点104，所述对接控制点104上端部设置有光电接收球，相邻对接控制点104间隔5m，形成10m×3m的测量区域；其中所述舷面面对所述激光发射站105。所述对接控制点104不必要均匀分布，只要能够被述激光发射站的扫描光面覆盖即可。在首尾两端设置被测单元1041能够更好地通过所测对接控制点坐标值，去获得待对接总段的位置和姿态。

步骤二：获得基准单元坐标，进而确定所述激光发射站之间的全局关系，建立统一的现场坐标系

利用激光跟踪仪测量位于坞壁和坞底的所述全局控制点103从而获得各全局控制点103坐标，具体包括：设置M个激光跟踪仪得到N个全局控制点103的坐标，共M*N个坐标数据，利用激光跟踪仪测量误差特性，建立冗余测长约束，采用加权优化测角误差的方法，建立最优化目标方程并解算出各全局控制点在全局坐标系(O_G-X_GY_GZ_G)下的高精度坐标；

将所述全局坐标系作为基准，利用激光发射站105实时扫描被测单元1041上的对接控制点104顶端的光电接收球，得出各对接控制点104对应的扫描时间信息，其中第i个对接控制点104扫描第n个光电接收球对应的扫描角为θ_ni1,θ_ni2；

由于光电接收球与全局控制点103具有互换性，因此根据激光发射站105的测量原理可建立标定目标函数：

其中，j为激光发射站的扫描光面序号，每台激光发射站提供两个扫描光面；n为全局控制点序号，N为全局控制点数量，x_n,y_n,z_n为全局控制点的三维坐标；i为激光发射站序号，I为激光发射站数量，a_ij,b_ij,c_ij,d_ij为每个激光发射站对应两个扫描光面方程的参数。

利用Levenberg-Marquardt算法对目标函数F进行优化，基于全局坐标系确定各激光发射站之间的相对位姿关系，单个激光发射站坐标系(O_k-X_kY_kZ_k)到全局坐标系(O_G-X_GY_GZ_G)的旋转矩阵R_k和平移矩阵T_k，建立统一的现场坐标系。

其中R_k代表第k个发射站坐标系到全局坐标系的旋转矩阵，r_k1至r_k9为旋转矩阵参量，T_k代表第k个发射站坐标系到全局坐标系的平移矩阵，t_kx、t_ky、t_kz为平移矩阵参量。依据相同原理，利用基准单元获得固定总段和操作单元末端的位姿。

步骤三：总段对接过程

步骤3-1：开始总段对接过程，固定总段101始终保持不动，将激光发射站105初始化后，待对接总段102上各对接控制点104上的光电接收球实时接收激光发射站105的扫描光平面信号，记录所述激光发射站105的两个扫描光面分别扫过各个对接控制点104端部的光电接收球的时刻，测得扫描光面扫过所述对接控制点时相较于初始位置所旋转的角度，结合事先外参标定得到的激光发射站105之间的相对位姿关系和激光发射站105光平面参数，使用Levenberg-Marquardt算法解算出对接控制点104的实时坐标值；

步骤3-2：根据运动学原理，由对接控制点104的实时坐标值获得待对接总段102的位置和姿态，其位姿使用一个旋转矩阵R_S和一个平移向量T_S表示：

其中R_S代表待对接总段坐标系到全局坐标系的旋转矩阵，r_S1至r_S9为旋转矩阵参量，T_S代表待对接总段到全局坐标系的平移矩阵，t_Sx、t_Sy、t_Sz为平移矩阵参量。

步骤四：将待对接总段位姿数据实时传输至上位机，上位机根据传输的数据控制伺服电机驱动部件调整待对接总段的位姿，上位机判断待对接总段102的位姿是否与固定总段101位姿对应，如果否，返回步骤三，实时测量船舶总段的位姿，不断重复步骤三和步骤四，调整待对接总段位姿直至待对接总段102与固定总段101对接完成。其中，伺服电机驱动部件与上位机电连接，所述伺服电机驱动部件的末端固接所述待对接总段。

综上所述，本发明公开了一种基于数字化测量场的船舶总段自动化对接方法，利用工作空间测量定位系统测量范围大、精度高、多目标并行测量等特点，在提高对接精度的同时，极大提高了造船效率，实现了智能化对接，适应了多种复杂造船现场环境。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非是对其的限制，尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，本领域技术人员根据本说明书内容所做出的非本质改进和调整或者替换，均属本发明所要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种基于数字化测量场的船舶总段对接系统，其特征在于，包括数字化测量场、激光跟踪仪、上位机和操作单元；

所述数字化测量场布置在船坞内部，船坞内部设置有船舶的固定总段(101)和待对接总段(102)，所述船坞的内部侧壁和底壁上均设置有多个基准单元；所述待对接总段(102)的两侧舷面的首尾两端分别设置2个被测单元(1041)，所述被测单元(1041)具有多个对接控制点(104)，所述对接控制点(104)上端部设置有光电接收球；多台激光发射站(105)与所述待对接总段(102)的舷面面对设置，单侧相邻两个激光发射站(105)为一组构成测量单元，单侧的所述测量单元分别面对待对接总段(102)的首尾两端，使待对接总段(102)完全处于所述测量单元的激光范围内，每两个相邻的激光发射站基站的激光交会角为60°～90°；

所述激光跟踪仪用于测量定位所述基准单元；

所述上位机与数字化测量场、激光跟踪仪、操作单元电连接，所述上位机对数字化测量场内分布在坞壁和坞底的基准单元进行观测，并以激光跟踪仪获得的基准单元坐标作为唯一精确观测量，为激光发射站和被测单元(1041)工作时提供覆盖数字化测量场的高精度点位基准，以此由激光发射站测量获得待对接总段的实时位姿，解算操作单元的运动量并驱动所述操作单元调整待对接总段的位姿，从而完成对接；

其中，所述激光发射站(105)对称设置，测量前使用全局控制点(103)将激光发射站外部参数进行标定，获得激光发射站之间的相对位姿关系；所述基准单元即为全局控制点(103)；

所述操作单元的末端与所述待对接总段固定连接，用于根据上位机的指令进行相应的位移调整待对接总段的位姿。

2.根据权利要求1所述的基于数字化测量场的船舶总段对接系统，其特征在于，所述基准单元为全局控制点(103)，位于坞壁和坞底的全局控制点(103)采用矩形阵列布局，位于坞壁的各全局控制点沿坞壁的水平和竖直方向布局，各控制点间隔2m-4m；位于坞底的全局控制点(103)等间隔分布，相邻两个全局控制点间距20m，相邻层的控制点与邻层最近两点连线中心垂直距离10m；

3.根据权利要求2所述的基于数字化测量场的船舶总段对接系统，其特征在于，所述激光发射站(105)在高度方向多层布置。

4.利用权利要求1所述的基于数字化测量场的船舶总段对接系统的对接方法，包括以下步骤：

步骤一：预先设置好数字化测量场，将操作单元的末端与所述待对接总段固定连接；利用激光跟踪仪测量所述基准单元的坐标；在待对接总段两侧的首尾两端布置激光发射站，使被测单元(1041)能够被激光发射站的扫描光面覆盖；使用基准单元坐标标定激光发射站外部参数，获得激光发射站之间的相对位姿关系，建立统一的现场坐标系，以旋转矩阵和平移矩阵表达；

步骤二：在总段对接过程中，固定总段保持不动，实时测量待对接总段测量单元的坐标值，根据运动学原理，实时获得待对接总段的位置和姿态，总段位姿使用一个旋转矩阵和一个平移向量表示；依据相同原理，利用基准单元获得固定总段和操作单元末端的位姿；

步骤三：将获取的待对接总段位姿数据实时传输至上位机，上位机根据传输的数据解算操作单元的运动量并驱动所述操作单元调整待对接总段的位姿，然后再重复步骤二，实时测量船舶待对接总段的位姿，不断重复步骤二和步骤三，调整待对接总段位姿直至待对接总段与固定总段(101)对接完成。

5.利用权利要求4所述的对接方法，其特征在于“获得激光发射站之间的相对位姿关系，建立统一的现场坐标系”具体包括：

利用激光发射站(105)实时扫描被测单元(1041)上的对接控制点(104)顶端的光电接收球，得到各对接控制点(104)对应的扫描时间信息，其中第i个激光发射站(105)扫描第n个光电接收球对应的扫描角为θ_ni1,θ_ni2；

由于光电接收球与全局控制点(103)具有互换性，因此根据激光发射站(105)的测量原理可建立标定目标函数：

其中，j为激光发射站的扫描光面序号，每台激光发射站提供两个扫描光面；n为全局控制点序号，N为全局控制点数量，x_n,y_n,z_n为全局控制点的三维坐标；i为激光发射站序号，I为激光发射站数量，a_ij,b_ij,c_ij,d_ij为每个激光发射站对应两个扫描光面方程的参数；

利用Levenberg-Marquardt算法对目标函数F进行优化，基于全局坐标系确定各激光发射站之间的相对位姿关系，单个激光发射站坐标系(O_k-X_kY_kZ_k)到全局坐标系(O_G-X_GY_GZ_G)的旋转矩阵R_k和平移矩阵T_k，建立统一的现场坐标系：

其中R_k代表第k个发射站坐标系到全局坐标系的旋转矩阵，r_k1至r_k9为旋转矩阵参量，T_k代表第k个发射站坐标系到全局坐标系的平移矩阵，t_kx、t_ky、t_kz为平移矩阵参量。

6.利用权利要求4所述的对接方法，其特征在于所述步骤二具体包括：

开始总段对接过程，固定总段(101)始终保持不动，将激光发射站(105)初始化后，待对接总段(102)上各对接控制点(104)上的光电接收球实时接收激光发射站(105)的扫描光平面信号，记录所述激光发射站(105)的两个扫描光面分别扫过各个对接控制点(104)端部的光电接收球的时刻，测得扫描光面扫过所述对接控制点时相较于初始位置所旋转的角度，结合事先外参标定得到的激光发射站(105)之间的相对位姿关系和激光发射站(105)光平面参数，使用Levenberg-Marquardt算法解算出对接控制点(104)的实时坐标值；

根据运动学原理，由对接控制点(104)的实时坐标值获得待对接总段(102)的位置和姿态，其位姿使用一个旋转矩阵R_S和一个平移向量T_S表示：

/>

其中R_S代表待对接总段坐标系到全局坐标系的旋转矩阵，r_S1至r_S9为旋转矩阵参量，T_S代表待对接总段到全局坐标系的平移矩阵，t_Sx、t_Sy、t_Sz为平移矩阵参量。

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