鄭勤振，馬　勇，張志勇，藺世杰，唐吉濤，劉　林1，

(1.武漢體育學院 研究生院，湖北 武漢430079； 2.體育先進技術重點實驗室，武漢體育學院

體育工程與信息技術學院，運動干預與健康促進湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，國家體育總局體育

工程重點實驗室，湖北 武漢 430079；3.廣東海上項目訓練中心，廣東 汕尾 516623)

奧運會運動帆船船體外形測量的實驗性研究*

鄭勤振1,2，馬勇2，張志勇1,2，藺世杰1,2，唐吉濤3，劉林1，2

(1.武漢體育學院 研究生院，湖北 武漢430079； 2.體育先進技術重點實驗室，武漢體育學院

體育工程與信息技術學院，運動干預與健康促進湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，國家體育總局體育

工程重點實驗室，湖北 武漢 430079；3.廣東海上項目訓練中心，廣東 汕尾 516623)

摘要:基于全站儀技術對運動帆船470級帆船和laser帆船進行了外形測量的實驗性研究，闡述了利用全站儀進行帆船船體測量的原理和步驟，對測量的數(shù)據(jù)進行了分析和修正，并進行了測量數(shù)據(jù)的驗證分析，最終獲得了帆船船體外形的三維坐標和船體的型線圖。

*基金項目：國家自然科學基金(51279154),湖北省自然科學基金杰出青年基金(2013CFA038),霍英東教育基金會高等院校青年教師基金(141112)。

關鍵詞：運動帆船；船體外形；全站儀；型線圖；

中圖分類號：G818.3

文獻標識碼：A

文章編號：1672-268X(2015)06-0076-05

Experimental Research of Sailing Hull Shape Measurement in Olympic Games

ZHEN Qingfen1,2, MA Yong2, ZHANG Zhiyong1,2, LIN Shijie1,2, TANG Jitao3, LIU Lin1,2

(1. Graduate Dept., Wuhan Sports Univ., Wuhan 430079, China; 2. Key Lab of Advanced

Sports Technology, Sports Engineering and Information Technology Dept. of Wuhan Sports

Univ., Collaborative Innovative Center of Sports Intervention and Health Promotion in Hubei

Province, Key Lab of Sports Engineering of General Administration of Sport of China, Wuhan

430079, China; 3. Guangdong Marine Sports Training Center, Shanwei 516623, China )

Abstract:The total station technology was used to measure the shape of sailing hull of grade 470 sailboat and laser sailboat. The paper discusses the theory and process of using the total station technology to measure the sailing hull, analyses and rectifies the statistics and attains the three-dimensional coordinates and linear pattern of the sailing hull.

Key words:sports sailboat; shape of sailing hull; total station; linear pattern

奧運會帆船比賽十分激烈，帆船流體動力性能研究為帆船運動員合理操作帆船提供了技術支持。其中，帆船船體水動力性能對于帆船的推進性、操作性等有較大影響[1]。為了研究帆船船體的水動力性能，需要測量帆船船體外形，從而得到船體型線圖。隨著三維測量技術的發(fā)展，在船體外形測量中有全站儀、激光跟蹤儀、電子測量臂、視覺測量系統(tǒng)等三維測量系統(tǒng)[2-6]。Takechi等(2002)[2]利用計算機監(jiān)控船舶建造精度，研究了船體裝配階段的分段定位問題。岳建平等(2008)[7]提出了船舶三維測量系統(tǒng)總體框架結構，開發(fā)了測量軟件系統(tǒng)。任剛(2013)[8]分析了三維測量中的誤差并設計了船體分段搭載仿真軟件等。隨著圖像檢測技術和計算機視覺技術的快速發(fā)展，非接觸的光學三維測量技術被廣泛應用到物體表面三維測量中[4-6,9-10]。Koelman(2010)[4]進行了有關物體外形測量和建模的研究進展介紹，并對激光測量方法和圖像檢測技術進行了比較分析。Paoli等(2012)[5]利用結合機械手臂和光學掃描技術的方法能夠非接觸的得到高精度的帆船船體的三維外形。Barone等(2012)[6]利用光學掃描技術通過掃描二維結構構建三維的結構體。

利用不同方式可以進行船體型線的測量，盡管三維激光掃描儀在某些領域應用得到了很好地應用，但由于價格昂貴在一般的研究中很少使用。集測距測角及數(shù)據(jù)自動存儲處理于一體的全站儀被廣泛應用到船體的外形測量中。同時，國內(nèi)外對于船體的外形測試研究幾乎都是針對大型船舶的建造和性能優(yōu)化方面，本研究對運動帆船的船體使用全站儀進行外形測量的實驗性研究，提出了測量原理和數(shù)據(jù)處理方法，并對測量精度進行了分析。

2測量實驗

2.1測試儀器及測量原理

測量工作采用了科力達KTS-442RLC免棱鏡紅外激光全站儀，如圖1所示。本全站儀帶激光對中、激光指向和SD卡存儲功能，用單棱鏡可測5km，免棱鏡可測350m，測距精度±(2 + 2PPM× D)mm(D 為距離)，測角精度2”，數(shù)字顯示最小達到0.1mm?？梢赃M行角度、距離、坐標、放樣、偏心、懸高和后方交會測量，在本研究中使用對邊測量功能。

對邊測量也稱為間接測距，當兩點之間不能直接測距時，可將全站儀安置在能夠觀測到兩點的任意位置，直接測量兩點間的斜距、平距和高差。對邊測量原理如圖2所示，對邊測量可以測量起始點(P1)與任何一個其他點間的距離，其中S表示起始點P1與目標點的斜距，H表示起始點P1與目標點的平距，V表示起始點P1與目標點P2的高差。S、H、V滿足如下關系：

V2+H2=S2

(1)

圖1　全站儀

圖2　對邊測量原理

2.2測量方案

圖3　(a)船頭和(b)船中部照片(注：橫線代表基線，豎線代表站線。)

本研究中測量對象為奧運會470級和Laser級帆船船體。470級帆船長4.70m、寬1.68m；laser長4.23m、寬1.37m。測量中船體由支架托起，底部朝上水平放置。由于470級和Laser級帆船是左右對稱的，只進行了船體右舷的測量。 測量采用常規(guī)工程測量方法，使用無合作目標的全站儀測量船體各個離散目標點相對于基準點的距離，然后將距離數(shù)據(jù)轉換成三維坐標數(shù)據(jù)。為此首先需要用中垂線法畫出船體站線，并在站線上標示出需要測量的船體各個離散目標點。其具體方法如下。

(1)找到帆船底部的中心線，將其作為測量的基線，如圖3(a)所示；

(2)通過中垂線法作垂直于基線的曲線作為站線，且基線與站線相交，曲率大的地方站線要密集，如圖3(b)所示。470級帆船船體作了22條站線，laser級帆船船體作了26條站線；

(3)選取中間的一條站線作為0站線，0站線與船尾之間的站線分別標記為W1，W2，……，Wn(W表示船尾)，0站線與船頭之間的站線分別標記為T1，T2，……，Tn(T表示船頭)；

(4)在每條站線上標示測量點，曲率大的地方測量點要密集，甲板邊線上的點作為起點(也是每條站線的基點)，基線與站線的交點為每條站線的最后一個點，即從甲板邊線向著基線方向依次標注。為了提高測量的效率，可以在測量點上粘貼大小為1cm*1cm的反射膜片。

為了避免測量出現(xiàn)死角，全站儀觀測不到目標點，全站儀要假設在一個高地上。如上所述，以甲板邊線上的點作為起點1(也是每條站線的基點)，在測量站線上的離散目標點相對于基點的距離時，全站儀不能移動。具體實施步驟如下：

(1) 測量0站線，首先測點1，并將其作為0站線的基準點，其坐標應為(0.0000,0.0000,0.0000)；

(2)以1為基點，依次測量站線上其他離散目標點相對于基點1的距離(S，H，V)；

(3)以同樣的方法完成其他站線的測量，最終完成船體右舷橫剖線的測量。

另外在測量每條站線距0站線的距離時，以基線與0站線的交點為測量基準點，測量方法如下：

(1)以基線與0站線的交點為基準點，其坐標應為(0.0000,0.0000,0.0000)；

(2)依次測量其他站線與基線的交點距離基準點的距離(S，H，V)。

2數(shù)據(jù)處理

2.1數(shù)據(jù)轉換

表1為測量得到的原始數(shù)據(jù)，它們是各個離散目標點相對于各自基準點的距離數(shù)據(jù)，并不是船體橫剖線的坐標數(shù)據(jù)，為此需進行數(shù)據(jù)轉換。

表1Laser船體0站線和W1站線上離散目標點相對于各自基準點的距離

肋位點號0站線W1站線S(m)H(m)V(m)S(m)H(m)V(m)10.00000.00000.00000.00000.00000.000020.07370.03330.06580.09290.04710.080030.15120.07420.13170.15640.08120.133740.28580.16760.23150.25200.14320.207350.39880.28770.27610.34200.22920.253860.56430.48200.29350.45030.35690.274570.70060.63130.30380.55080.47290.28228[5]0.72070.65750.2950

為了得到右舷橫剖線坐標，需統(tǒng)一坐標表示方法。如表2所示，距甲板邊線值H對應三維坐標中的 x，距甲板邊線高V對應坐標中的 y，z為距中縱剖面值。以0站線與基線的交點作為船體坐標系的原點，將其他站線上的數(shù)據(jù)拼接到這個船體坐標系中。對W1站線進行平移，平移參考點為(x,y,z)=(0.6313,0.3038,0)。由于W1站線與0站線的高程差為-0.0060m，即W1站線平移終點距甲板邊線高y為0.3038-0.0060=0.2978m，那么W1站線平移的終點為(x,y,z)=(0.6575,0.2978,-0.2017)，W1站線整體沿y方向的平移量為0.2978-0.2950=0.0028m。按照這種方法，將其他站線上的離散目標點拼接到以0站線與基線的交點作為船體坐標系原點的坐標系中，得到船體右舷橫剖線的坐標數(shù)據(jù)，見表3。

表2Laser船體W1站線距離0站線的距離

S(m)H(m)V(m)0.20180.2017-0.0060

表3laser船體右舷W1橫剖線的三維坐標處理數(shù)據(jù)

平移前W1橫剖線的三維坐標數(shù)據(jù)平移后W1橫剖線的三維坐標數(shù)據(jù)x(m)y(m)z(m)x(m)y(m)z(m)0.00000.0000-0.20170.00000.0028-0.20170.04710.0800-0.20170.04710.0828-0.20170.08120.1337-0.20170.08120.1365-0.20170.14320.2073-0.20170.14320.2101-0.20170.22920.2538-0.20170.22920.2566-0.20170.35690.2745-0.20170.35690.2773-0.20170.47290.2822-0.20170.47290.2850-0.20170.65750.2950-0.20170.65750.2978-0.2017

將轉換得到的船體橫剖線坐標輸入CAD軟件中構建船體模型，在CAD軟件中坐標系的確定原則為：以船體最低點所在水線與船尾剖面線在縱向的投影上的交點為坐標原點。

2.2數(shù)據(jù)校正

由于船體表面經(jīng)過修補、操作員人為的因素影響導致采集的數(shù)據(jù)可能包含一些無效點，如高程突變點等，所以必須對采集的數(shù)據(jù)進行校正，以修正無效點。做一條H-V曲線進行觀測，在圖4(a)中平距H發(fā)生了突變，圖5(a)中高程H發(fā)生了突變，需要對其修正。根據(jù)對邊測量原理，根據(jù)勾股定理對突變點進行修正。修正后如圖4(b)和5(b)，并采用此方法，對所有數(shù)據(jù)進行觀測、檢驗，最后得到需要的所有數(shù)據(jù)。

圖4　470 級帆船船體W1站線(a)修正前和(b)修正后曲線圖

圖5　laser級帆船船體W9站線(a)修正前和(b)修正后曲線圖

3結果與分析

運動帆船船體是對稱的，用以上方法測量得到了船體的一半外形。船體外形測量的目的是為后續(xù)進行帆船船體水動力性能的研究打下基礎，為減少在使用其他軟件時數(shù)據(jù)處理的工作量，也可通過其他仿真軟件對稱變換直接實現(xiàn)，通過CAD軟件中的鏡像操作可以獲得整個船體的三維坐標。得到的帆船船體的俯視圖如圖6(a)所示、橫剖面圖如圖6(b)所示。

經(jīng)過測量得到470船體長度為4.7181m，laser船體的長度為4.1614m。理論上470級帆船長4.7m，laser長4.23m。測量誤差470船型為0.385%，在滿足誤差范圍內(nèi)，結果比較精確。laser船體由于船頭破損等原因，誤差達到1.6%，雖然破損嚴重，但也滿足誤差范圍要求。說明本測試精度較高，滿足精度需要。

圖6　470級帆船船體(a)俯視圖和(b)橫剖圖

4結論

本研究對奧運會470級和Laser級帆船船體使用全站儀進行外形測量的實驗性研究。在本研究中使用對邊測量功能，測量船體各個離散目標點相對于基準點的距離，然后將距離數(shù)據(jù)轉換成三維坐標數(shù)據(jù)。由于船體表面經(jīng)過修補、操作員人為的因素影響導致采集的數(shù)據(jù)可能包含一些無效點，如高程突變點等，本文對采集的數(shù)據(jù)進行了校正。經(jīng)過與物理測量的數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)利用全站儀進行船體外形測量滿足精確要求。

使用免棱鏡全站儀可以極大提高作業(yè)效率，縮短測量工作時間。尤其對于尺寸較小的帆船船體外形測試極具優(yōu)越性，可精確測量船體型線數(shù)據(jù)，所測成果可靠精度可達到0.1mm，另外相比于三維激光掃描儀還節(jié)約了費用。實現(xiàn)了對運動帆船船體的測量，為船模的建立和對船體水動力性能的研究提供了數(shù)據(jù)支持，為各級別運動帆船外形測量提供了理論支持和技術指導。

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收稿日期：(2015-10-06)