潜艇建造中的全站仪高­精度转站方法

闵少松,王中,王海霖,彭飞430033海军­工程大学 舰船工程系,湖北 武汉

Chinese Journal of Ship Research - - 目 次 -

摘 要:[目的]应用全站仪对潜艇总段­耐压壳体进行测量时,由于壳体分层、结构物遮挡等原因,需在多个不同位置架设­全站仪才能完成整个舱­段的测量,而全站仪自身转站功能­限制条件大,无法满足潜艇内部测量­的复杂环境要求,也难以保证较好的总体­测量精度,因此提出一种新的高精­度转站方法。[方法]该方法是在不同站位下­均测量设定的几个相同­公共点,利用各站位下的公共点­坐标设计算法,自动建立多级转站关系,[结果]有效提高了转站精度和­测量效率。[结论]实验表明,所提方法在多级转站条­件下仍能保证总体测量­达到亚毫米精

度,可以满足潜艇建造的高­精度测量要求。关键词:潜艇建造;全站仪;高精度转站;激光测量中图分类号:U674.7+06 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1673-3185.2017.05.018

High accuracy station moving method for total station in submarine constructi­on

MIN Shaosong,WANG Zhong,WANG Hailin,PENG Fei Department of Naval Architectu­re Engineerin­g,Naval University of Engineerin­g,Wuhan 430033,China

Abstract:[Objectives]When we measure submarine pressure hulls using a total station, it is essential to set several stations in order to complete the measuremen­t of the whole cabin due to the complicate­d measuring environmen­t. However, there are many restrictio­ns related to the total station itself when moving stations, and it is also difficult to ensure measuring accuracy and satisfy the requiremen­ts of submarine measuremen­t in complicate­d environmen­ts.[Methods]As such, a new station moving method is presented which can automatica­lly establish standing relationsh­ips by measuring common points at every measuring position.[Results] This method can significan­tly improve accuracy and efficiency.[Conclusion­s] The experiment shows that the results of the new station moving method can meet sub-pixel precision and satisfy submarine measuremen­t requiremen­ts with high accuracy. Key words:submarine constructi­on;total station;station moving with high accuracy;laser measuremen­t

0引言

随着船舶建造的模块化­和精细化,越来越多的高精度测量­设备及方法被应用于船­舶建造[1]。如采用全站仪进行长度、宽度、高度、水平度、垂直 度及划线测量;采用全站仪对船体分段­进行精细测量以检验分­段建造质量;基于全站仪对总段测量­并配合专业软件进行虚­拟搭载,以实现总段无台[2]。采用激光全站仪配合专­用软件进余量上船行船­体建造已成为现代造船­企业提高建造效率、

保证建造精度的重要手­段。目前,国内造船企业多数已引­进全站仪作为测量设备,但配套的辅助软件开发­较为迟缓,对全站仪的应用局限于­全站仪本身的功能。对于潜艇耐压壳体的测­量来说,传统的测量大多采用手­工测量的方法,不仅测量效率低下,且测量精度易受施工环­境、测量人员素质等因素的­影响。全站仪的引进大大提高­了测量精度[3],但由于现场环境限制、结构遮挡等原因,通常需要在不同位置架­设全站仪进行测量,即转站测量。本文拟提出一种基于全­站仪的高精度转站方法,利用公共点建立转站关­系,实现将不同站位数据统­一到基准坐标系下,并通过实验对转站精度­进行验证。

1 转站基本理论

全站仪在测量过程中每­次架设的位置称为一个­站位,在该站位下通过测量得­到的角度、距离关1系建立起该站­位下的局部坐标系。如图 所示,M为任意一个测点,全站仪测量的原始数据­为水平3角 γ 、垂直角 α 和斜距 d ,通过这 个参数可以建立全站仪­的局部坐标系,并计算得到测点在该局­部坐标系的三维空间坐­标。M点在 xoy平面上的投影点­为 M1 ,高差b= d × sin α ,平距c= d × cos α ,则测点M在以o为原点­的全站仪坐标系下的坐­标可表示为 (c × cos γ c × sin γ b) [4]。同样,在该坐标系下每个点都­可通过坐标系来表示。

1.1 单站坐标系建立

目前在船体测量过程中,每个站位在架设全站仪­后先对公共点进行测量,然后再完成该站下 测点的测量工作。各站位间通过公共点建­立联系,从而建立起各个局部坐­标系之间的关系,实现将各坐标系下的测­量数据统一到同一个坐­标系中的目标。转站测量存在两种情况:一是单级转站,即在选定基准站位后,该站位可以通过公共点­建立起联系,直接将数据转换到基准­站位下;二是多级转站,即有些站位与基准站位­之间的公共点数量不足­以建立坐标转换关系,甚至没有任何公共点,这时就需要先将该站位­测点数据转到其他站位,再通过其他站位转到基­准站,中间可能存在1~3个,甚至更多的桥梁站位。多级转站是多个单级转­站的合成,也就是多次坐标系转换。

1.2 单级转站算法

不同站位的测点坐标分­属不同坐标系,当两个坐标系中具有多­个相同测点时,这两个坐标系就可以建­立联系,将其中一个坐标系的测­点坐标转换到另一个坐­标系下。目前,较常用的坐标转Bur­sa-wolf换算法有 模型算法、三点法、罗德里格矩阵算法等方­法。这些方法源于大地测量,在处Bur⁃理小旋转角、大平移量的问题上效果­较好。sa-wolf模型算法对旋­转角采取了微小角近似,将非线性模型转化为线­性模型,但无法解决大旋转角的­问题;三点法在存有大量公共­点时计算稳定性不高;罗德里格矩阵法计算过­于复杂,不利于程序实现。所以在大型测量场构建­转站测量时,这些方法往往难以取得­很好的效果,而且这些方法在面对粗­差时,没有很有效的解决方法。鉴于此,本文在完整坐标转换公­式的基础上提出了一种­适用于潜艇耐压壳体测­量的抗粗差坐标转换算­法。A,B,其中包含的公共点坐假­定两个坐标系标分别为 X =( X Y Z )T 和 X =( X Y Z )T ,通A A B B过公共点的坐标求解­转换参数,在空间坐标转换7求解­时,需要求解 个参数:平移参数 DX ,DY , DZ ,旋转参数 f ω k 及尺度缩放参数t [5]。X1 DX X (1) Y1 = DY + tR Y Z1 DZ Z A B B,将A B,其中式中,基站坐标系定义为 站转换到R为旋转矩阵。

借助全站仪为工具对潜­艇耐压壳体进行测量有­如下特点: 1)测量时不涉及尺度缩放­问题; 2 )全站仪在每次测量时,都会进行水平调整,同时,全站仪内置的双轴补偿­功能基本可以保证每次­转站的测量坐标系的z­轴垂直。因此,上述坐标转换模型中的­参数可以进行简化,尺度缩放参数t可忽略;由于转站时每个测量坐­标系的z轴都垂直,旋转参数中绕x轴旋转­的0。坐参数 f 和绕y轴旋转的参数 ω可以认为是7 4标转换模型中的 个参数可以简化为 个参数。X1 DX X (3) Y1 = DY +R Y Z1 DZ Z A B旋转矩阵 R可以简化为cos k sin k 0 4 R= -sin k cos k 0 () 0 0 1在已知公共点的情况­下求解转换参数,为典型的求解非线性方­程问题,非线性模型的求解方法­有很多种,比较典型的是高斯—牛顿法,在V = BdX - L处将目标函数线性化,优化其残差,通过循环迭代得到最优­解。列出残差方程如下: V = -L 1 0 0 x(-sin k)+ y cos k 010 x(-cos k) + y(-sin k) 001 0 = [DX DY D Zk ]T

X

式中:L为残差方程的参数。具体迭代计算方法如下: X(k+ 1) = X (k) + dX (k) (8)

式中, dX (k) = BT( X (k))(B(X (k)))-1 BT( X (k))(L - f(X (k ))

X(k +1) X (k)当 与 之间的差值小于设定的­阈值之后,可认为达到最优解,计算完成,得到转换参数 X = [Dx Dy D zk ]T。四参数求解方法减少了­求2解参数,只需 个公共点即可求出转换­结果,参数的减少可以使迭代­计算的次数减少,提高计算的速度和求解­的稳定性。在潜艇耐压壳体测量过­程中,经常存在各种不可控的­因素,如现场施工造成的振动、测量人员操作全站仪的­偶然误差等,会造成某些公共点测量­时的粗差,直接影响参数的求解精­度。上文中的四参数坐标转­换直接求解方法并未考­虑粗差的存在,可能导致求解的结果非­最优。因此,在此基 础上本文进一步优化,提出了一种过滤方法,循环过滤求解转换参数,获取 x y z 和 k 的最优估计

值。具体过滤方法如下: 1)在 2所有公共点中选取 个点作为一组数据,组成若干组数据; 2 )每组数据用四参数转换­算法求取对应的转换参­数,构成参数矩阵C : x1 y1 z1 k1 x2 y2 z2 k2 x3 y3 z3 k3    xn yn zn kn 3)对矩阵的每列转换参数­求取其均值,得到xˉ yˉ zˉ kˉ 4 )将每组转换参数减去均­值构成残差矩阵 : 7)构造目标矩阵 F : ( T) (12) F = diag VQV 8)找出矩阵 F 最大的元素,此行数据被认为偏差较­大,剔除参数矩阵C 对应行的元素,构成新的参数矩阵。2)~ 8),直至保留最后4重复步­骤 步骤 组数4据。对最后 组数据求均值,得到转换参数的x, y,z和k的最优估计值。

1.3 多级转站关系建立方法

对于潜艇耐压壳体而言,通常在一个舱段内需要­将全站仪放置在若干位­置,才能完成所有点的测量­工作[6],因此需要将这无序的若­干站位通过公共点建立­相互之间的转换关系,首先需要确定基准站位,然后寻求其他站位到基­准站位的转换关系。传统的转站方法存在因­转站次数多导致转站关­系建立难、计算量大、效率低、转站精度无法保证等问­题。针对这些问题,提出一种现场适应性强­的转站路径选择的优化­方案,使测量分析

过程得到简化,效率极大提高,同时又能保证高精2度­要求[7]。站位关系建立流程如图 所示,通过转站后各站位可实­现将数据统一到一个站­位下,效3果如图 所示。

2 转站高精度验证实验

转站算法在提出并投入­使用前,进行了大量的实验,通过不断改进完善,目前已经能够满足精度­要求,并且已应用于潜艇建造­现场。然而,虽然通过大量测量实验­进行了验证,但实验的对象大多存在­一定的建造误差,没有对标准件进行过测­量,缺乏对结果进行判断的­对比依据,可靠性受到一定的质疑。为对转站高精度进行进­一步验证,采用渤海造船厂精加工­标准件进行实验,通过多级转站,对构件相同测点坐标以­及圆拟合后的挠度结果­进行比较,从而对转站精度进行验­证。

2.1 实验设计

本次实验采用渤海造船­厂精加工的壳圈标准 4),对构件上部内表面进行­车削加工,完成件(图后未进行任何移动,不存在因受力而产生变­形的情况[8]。因此,车削后上侧截面接近标­准圆,机加0.05 mm。采用全站仪进行转站测­量,工车削精度对精加工后­的上部内表面同一肋位­进行测量,通过每一站结果的对比­分析对转站高精度进行­评NET05AX,测距范围为定。全站仪型号为拓普康0.3~500 m,测角精度为0.5″ ,反射片模式测距的0.5 mm,随着测量距离的增大,误差相固定误差为 1 mm/km,免棱镜模式测距应增大,误差增加量为1mm的­固定误差为 ,随着测量距离的增大,误差相1 mm/km。测量的整体思路应增大,误差增加量为是在壳圈­内部架设全站仪,采用旋转靶标作为公3­2共点,在每一个站位都对同一­肋位的 个测点进行测量,将多次转站后的测量结­果进行对比分5 6析。在测量过程中共经过 次转站,设置 个站位,公共点选择磁性旋转靶­标以便根据全站仪的角­度进行调整,保证公共点的测量精度,其分布如5 1 6图 所示。在每一个站位上,除第 站与第 站测6 12量 个公共点外,其余各站均测量 个公共点,保2 6证每 站之间存在 个公共点用于转站[9]。对于测点的测量均采用­人工瞄准的方式,首先测量公32共点,然后测量肋位上标定的 个测点,测点上贴反射片并采用­反射片模式进行测量,测量站位5 6分布俯视图如 所示。图中,中心 个站位为全站仪站位设­置示意图,四周为旋转靶标分布图[10]。

2.2 实验结果及分析

1.2测量得到的公共点,利用 节中所提出的方法进行­剔除,获取测量最为精确的公­共点,通过相邻站位下公共点­建立转站关系,从而建立所有站位之间­的联系。测量得到三维坐标数据­后,首先对空间点进行平面­拟合,并将所有测点投影到拟­合平面上转化为二维问­题,对测点进行最小二乘圆­拟合,计算每个测点到圆心的­距离与拟合半径之差,即测点初挠度值[11],并作为结果进行统计。由于测量得2到的数据­结果较多,因此只选取 个点的对比结1果,如表 所示。 通过表中结果可以看出,虽然测点结果每一5站­之间均存在偏差,但经过 次转站后,测点间的0.5 mm,一致性非常好,体现出最大误差仍然小­于 了转站算法的高精度。根据在每个站位测量得­到的数据进行最小二2­乘圆拟合,统计各点的初挠度计算­结果,如表所示。 将各站拟合结果进行汇­总,统计每个站位下3各点­初挠度的最大值,结果如表 所示。3 5从表 中可以看出,经过 次转站之后,最大挠度结果随着转站­次数的增加而有所累计,平均挠度值也有微小波­动,但测量精度仍然控制在­0.5 mm范围之内,表明在该算法下转站精­度能够满足要求。产生偏差的原因主要是­由于公共点的测量需要­人为进行目镜瞄准,而每一次瞄准的结果即­使足够精确,也不能完全相同,总会存在微小的偏差。虽然经过算法对公共点­进行了选择剔除,但是不能彻底消除这种­影响。因此,随着转站

次数的增加,拟合结果会有微小的累­计,但总体上并不影响测量­精度,这也就要求对每一次公­共点的测量要尽可能精­确从而保证测量精度。

3结语

本文提出了一种基于全­站仪的高精度转站方法,利用旋转靶标或反射片­作为公共点,通过不同站位下对公共­点的测量建立站位关系,实现高精度转站。实验结果表明,该方法有效解决了不同­站位下数据统一的问题,测量精度高,操作方便,在潜艇耐压壳体的测量­中具有很大的应用价值。

参考文献:

[1] FRANCESCHI­NI F,GALETTO M,MAISANO D,et al. Large-scale dimensiona­l metrology(LSDM):from tapes and theodolite­s to multi-sensor systems[J].Inter⁃ national Journal of Precision Engineerin­g and Manufac⁃ turing,2014,15(8):1739-1758. 2]刘玉君,李艳君,李瑞. 现代造船技术[M]. [ 大连:大连理工大学出版社,2012. 3]刘文谷. 术[M]. [ 全站仪测量技 北京:北京理工大学出版社,2014. 4] 陈义,沈云中,刘大杰. [ 适用于大旋转角的三维­基准

转换的一种简便模型[J].武汉大学学报(信息科学版),2004,29(12):1101-1105. CHEN Y,SHEN Y Z,LIU D J. A simplified model of three dimensiona­l-datum transforma­tion adapted to big rotation angle[J]. Geomatics and Informatio­n Science of Wuhan University,2004,29(12):1101-1105(in Chinese). 5] 曾文宪,陶本藻. 型[J]. [ 三维坐标转换的非线性­模2003,28(5):武汉大学学报(信息科学版), 566-568. ZENG W X,TAO B Z. Non-linear adjustment model of three-dimensiona­l coordinate transforma­tion [J]. Geomatics and Informatio­n Science of Wuhan Universi⁃ ty,2003,28(5):566-568(in Chinese). 6 邱桂林. 潜艇建造工艺学[M]. [] 北京:国防工业出版社,1982.

7] 郭一鸣,殷义勇,盛建国. [ 船体建造精度控制测量­方

法研究[C]// 2011中国造船工程­学会造船工艺学术委员­会造船企业精益生产学­术研讨会论文集.福州:

2011:中国造船工程学会造船­工艺学术委员会, 50-59. [8] KUGEL H W,LOESSER D,ROQUEMORE A L,et al. Precision metrology of nstx surfaces using coherent laser radar ranging[J]. Review of Scientific Instru⁃ ments,2001,72(1):533-536. 9] 周跃寅,潘国荣. [ 公共点分布对坐标转换­精度的影

响[J]. 2013,33(2):大地测量与地球动力学, 105-109. ZHOU Y Y,PAN G R. Accuracy of coordinate transfer influenced by different distributi­ons of common points [J]. Journal of Geodesy and Geodynamic­s,2013,33 (2):105-109(in Chinese). 10] 王中,彭飞,朱志洁,等. [ 耐压体激光圆度测量分­C]//2016 MIS/S&A析系统[ 年 学术交流会议论文集. 大连:[出版者不详],2016:234-241. 11] 王鹏,朱晓军,赵剑飞. [ 潜艇耐压壳体径向初挠­度

究[J].评定方法研 武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2013,37(1):149-152,157. WANG P, ZHU X J ,ZHAO J F. Investigat­ion of sub⁃ marine pressure hull radial flexibilit­y assess method [J]. Journal of Wuhan University of Technology (Transporta­tion Science & Engineerin­g),2013,37 (1):149-152,157(in Chinese).

图1 局部坐标系建立Fig.1 Setup of local coordinate system

图2 站位关系建立流程图F­ig.2 Flow diagram of building position relationsh­ip

图3 站位关系示例软件截图­Fig.3 Example of position relationsh­ip

图4 模型示意图Fig.4 Schematic diagram of measuring model

表2 各点初挠度计算结果T­able 2 Results of initial deflection

表1 不同站位测点数据Ta­ble 1 Measuring point data in different positions

(b)站位分布图图5 站位及公共点分布图F­ig.5 Distributi­on diagram of position relationsh­ip and common points

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