1、一种船舶坐标测量方法 王欣宇 范百兴 欧健 李丛 杨占立 信息工程大学 黄河勘测规划设计有限公司 上海船舶研究设计院 摘 要： 船舶测量环境的特殊性给船舶测量带来了挑战, 如何快速高效地完成船舶测量任务十分关键;本文采用全站仪配合球棱镜进行测量, 在船头、船尾和船上分别架设仪器建立测站坐标系, 通过公共点对各测站坐标系进行转换, 统一建立龙骨坐标系, 使船上所有测量点坐标均在龙骨坐标系下, 以便在后期的安装测量及检测中能快速恢复龙骨坐标系并直接进行后续测量工作。事实表明该方法可以满足船舶测量的要求, 准确可靠地完成了船舶测量的任务。关键词： 船舶测量; 龙骨坐标系; 坐标转换; 船坞; 甲板;
2、 作者简介：王欣宇 (1990-) , 男, 内蒙古赤峰人, 大地测量学与测量工程专业硕士研究生, 主要研究方向为精密工程与工业测量。收稿日期：2016-10-21A Ship Coordinate Measuring MethodWANG Xin-yu FAN Bai-xing OU Jian LI Cong YANG Zhan-li Information Engineering University; Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute; Abstract： Special ship measurement envir
3、onment for ship measurement challenges, how fast and efficient completion of ship measurement task is the key; the coordination sphere prism are measured by using the total station, the bow and stern and respectively set up instruments to establish station coordinate system, the common points of eac
4、h station coordinate system conversion is established the keel coordinates, the ship all measuring point coordinates are in the keel coordinates for the installation of fast recovery keel coordinates directly used for the subsequent measurement can measure and detect in late. Facts show that this me
5、thod can meet the requirements of ship measurement, and it is an accurate and reliable method to complete the task of ship measurement.Keyword： ship measurement; keel coordinate system; coordinate transformation; dock; deck; Received： 2016-10-210 引言在中国工业化进程不断加快的今天, 大尺寸工业测量在船舶测量中发挥了重要作用1, 船舶制造业中众多企业通
6、过提高船舶制造的精度来提高综合竞争实力;船舶制造的精度除了受到测量仪器的影响之外, 还受到测量方法的影响, 采取不同的测量方法, 其安装测量的精度和效率有所不同。由于船体的特殊性以及船上障碍物遮挡等复杂环境, 如何建立船体坐标系成为影响船舶制造精度的关键。本文采用 Leica 公司 TCRA1201 全站仪和配合球棱镜进行测量, 如图 1 和图 2 所示, 以海洋石油 701 船体测量及检测为工程背景, 选择将船体坐标系建立在龙骨上, 并将龙骨坐标系下的甲板固定点作为后期安装测量和检测的公共点, 使后期的测量完全依赖甲板公共点, 通过 Metro In 软件2进行数据处理;避免了重新测量建立坐
7、标系的麻烦, 在甲板公共点不被破坏的情况下, 节省测量时间, 确保测量精度。图 1 TCRA1201Fig.1 TCRA1201 下载原图图 2 球棱镜 Fig.2 Ball prism 下载原图1 船舶测量原理1.1 测量过程船坞内情况复杂, 脚手架及其他船只遮挡严重, 在地面上无法通视。在船头架设测站一、船尾架设测站二、船上架设测站三, 在船头、船尾坞壁上分别布设6 个公共点。测站 1、测站 2 和测站 3 两两之间可以进行坐标转换, 最终统一在同一个坐标系下。再把所有观测值转换到龙骨坐标系下, 然后利用甲板固定点保存龙骨坐标系, 以便日后测量安装船上设备。测量示意图如图 3 所示。布设的
8、公共点用 AB 胶和硅胶固定, 确保其稳定, 且尽量分布在较大的范围上。点位布设好之后, 还要保证在胶水凝固 12 个小时之后进行测量, 由于现场环境复杂, 在地面上记录下设站的位置以及设站时的高度。图 3 测站设置示意图 Fig.3 Station setup diagram 下载原图1.2 坐标转换已知两个测量坐标系之间的转换参数, 通过一定的转换模型将一个坐标系中的点的坐标转换为另一个坐标系中该点的坐标。若转换参数未知, 通常由 3 个公共点在两个坐标系中的坐标便能求得 6 个转换参数。坐标转换需将测站坐标系转换到测量坐标系下, 设测站坐标系为 O-XYZ, 测量坐标系为 O-XYZ;对
9、公共点 Pi进行测量, 两种坐标系各坐标轴两两互不平行, 即存在 3 个旋转参数, 设测站坐标系相对于测量坐标系的旋转参数为 (R x, Ry, Rz) ;两坐标系的原点不一致, 即存在平移参数 (X 0, Y0, Z0) , 它为 O-XYZ 坐标系原点 O 在 O-XYZ中的坐标3-4。定向点 Pi在测站坐标系和测量坐标系下的坐标分别为 (X i, Yi, Zi) 和 (X i, Yi, Zi) ;两个坐标系之间的关系为:式中, a i, bi, ci分别为旋转参数 (R x, Ry, Rz) 的函数5-7。2 船体坐标系建立2.1 龙骨坐标系的建立测站 1 在测量过公共点之后, 用带顶针
10、的靶座在船头进行龙骨特征点的测量, 并测量传递平面来确定龙骨坐标系的高程;测站 2 在船尾进行相同工作;测站 3分别测量船头和船尾的公共点, 通过公共点转换建立龙骨坐标系。1) 测站 1 与测站 2 公共点转换。首先根据所测公共点, 并进行合理剔除选择, 将测站 1 所测点转换到测站 2 坐标系下, 其转换精度见表 1。表 1 测站 1 与测站 2 公共点转换精度 (单位:mm) Tab.1 Station 1 and station 2 common point conversion accuracy (unit:mm) 下载原表 2) 拟合龙骨线。在测站 1 测量龙骨点为 LGD1、LGD
11、2、LGD3、LGD4, 测站 2 测量龙骨点为 LGD0、LGD5、LGD6、LGD7、LGD8, 根据计算分析选择LGD0、LGD1、LGD2、LGD3 4 个点拟合龙骨线, 拟合精度见表 2。表 2 龙骨线拟合精度 (单位:mm) Tab.2 Keel line fitting accuracy (unit:mm) 下载原表 3) 拟合参考平面。测站 1 与测站 2 分别测量了参考面上的若干点, 在测站 2 坐标系下对其进行平面拟合, 拟合精度见表 3;其中 LGPMD1-6 表示测站 1 所测参考平面特征点, 其余点 LGPMD20-23 则表示测站 2 所测参考平面特征点。表 3 参
12、考平面拟合精度 (单位:mm) Tab.3 Reference plane fit accuracy (unit:mm) 下载原表 4) 建立龙骨坐标系。将龙骨线投影到参考平面上, 并以龙骨点 LGD0 为起点由船尾指向船头定义为+X 轴;过龙骨点 LGD0 作垂直于参考平面的直线, 向上方向定义为+Z 轴;根据右手定则, 定义初始坐标系;实际上龙骨坐标系的原点不能直接测量, 根据设计值需要将定义的初始坐标系沿+X 方向平移 17.45 mm (球棱镜的半径) , 然后再根据设计的理论值沿-X 平移 7 101 mm, 这样将初始坐标系两次平移后的坐标系作为龙骨坐标系。2.2 龙骨坐标系的校正
13、1) 测站 2 与测站 3 公共点转换。根据公共点将测站 3 所测点统一到龙骨坐标系, 其测站 3 公共点转换精度见表 4。表 4 测站 3 公共点坐标转换精度 (单位:mm) Tab.4 Station 3 common point coordinate conversion accuracy (unit:mm) 下载原表 2) 左右弦的拟合。为了进一步对龙骨坐标系进行优化, 分别拟合左右弦上特征点得到两条直线。左右弦直线拟合的精度见表 5。表 5 左右弦拟合精度 (单位:mm) Tab.5 Left and right chord fitting accuracy (unit:mm) 下载
14、原表 3) 龙骨坐标系的确定。将左右弦投影到参考平面上, 利用其在平面上的投影分别与龙骨坐标系 X 轴进行夹角的分析与比较, 最终需要将龙骨坐标系绕 Z 轴逆时针方向旋转 0.076 6, 再根据坐标系原点到左右弦在参考平面投影的距离, 需要将坐标系沿+Y 平移 8.45 mm (已经进行了右舷沿-Y 方向平移 50.9 mm (船沿的厚度 16mm+靶球的直径 34.9 mm) 的改正, 因为左弦特征点测量时靶球置于船沿的内侧, 而右舷特征点测量时靶球置于船沿的外侧, 右舷位于 Y 轴的正方向, 左舷位于 Y 轴的负方向, 设计值左右舷关于 X 轴对称) 。至此通过一系列的调整形成了最终的龙
15、骨坐标系, 此时左右弦所测特征点的坐标见表 6。表 6 左、右弦特征点在龙骨坐标系下的坐标值 (单位:mm) Tab.6 The coordinate values of the left and right chord points in the keel coordinate system (unit:mm) 下载原表 4) 由此得到甲板上焊接点在龙骨坐标系下的坐标值见表 7。表 7 甲板焊接点在龙骨坐标系下的坐标值 (单位:mm) Tab.7 The coordinate value of deck welding point in keel coordinate system (uni
16、t:mm) 下载原表 表 7 甲板焊接点在龙骨坐标系下的坐标值 (单位:mm) Tab.7 The coordinate value of deck welding point in keel coordinate system (unit:mm) 下载原表 2.3 检核本次测量最终的结果是要求得甲板点在龙骨坐标系下的坐标值, 用于以后船上设备的指导安装。为了检验处理结果的准确可靠性, 在现场用钢尺测量了若干甲板点之间的距离进行对比, 两种结果见表 8。表 8 两种测量结果对比 (单位:mm) Tab.8 Comparison of the two measurements (unit:mm)
17、 下载原表 通过表 8 可以看出两种结果相差不大, 钢尺测量距离与仪器实测最终转换到龙骨坐标系的距离基本符合, 则表 7 中数据即为我们所需的最终成果, 用于作为恢复龙骨坐标系的公共点, 使得后期在船上安装的所有设备都能以龙骨坐标系为基准。只要能够通视观测到 3 个以上的甲板固定点的位置均可设置仪器并恢复龙骨坐标系, 实际中我们选择观测到甲板点尽可能多的位置架设仪器以提高坐标转换精度, 提高测量精度。恢复龙骨坐标系之后便可在新的测站对其他点位进行测量, 所测坐标即为龙骨坐标系下的坐标。3 结束语本文提出一种船体坐标测量的方法, 通过船头船尾架设全站仪测量船坞壁的公共点以及龙骨点, 将测站 1
18、和测站 2 统一坐标系并建立龙骨坐标系, 将所测坐标统一在龙骨坐标系下, 并通过测站 3 测量甲板固定点以及船坞壁公共点, 将测站 3 所测点坐标通过公共点转换到龙骨坐标系下, 便可使所有点均在龙骨坐标系下, 包括甲板固定点的坐标;这样后期测量便可任意设站确保能观测到 3 个以上的甲板公共点, 即可完成新的测站坐标系转换为龙骨坐标系, 船上的所有测量工作便可以龙骨坐标系作为基准进行测量。实验表明测量精度可靠, 可以满足船舶安装测量及检测的需求。参考文献1李广云, 李宗春.工业测量系统原理与应用M.北京:测绘出版社, 2011. 2黄桂平.多台电子经纬仪全站仪构成混合测量系统的研究与开发D.郑州:信息工程大学, 1999. 3王佳, 刘永东, 梁晋文.工业动态跟踪测量的原则与技术特点J.计量学报, 2000, 21 (1) :34-39. 4范百兴.激光跟踪仪高精度坐标测量技术研究与实现D.郑州:信息工程大学, 2013. 5刘永东, 王佳, 梁晋文.动态目标全姿态激光跟踪测量J.激光与红外, 1999, 29 (3) :20-23. 6姜楠.坐标转换算法研究与软件实现D.淮南:安徽理工大学, 2013. 7牛丽娟.测量坐标转换模型研究与转换系统实现D.西安:长安大学, 2010.
