馬向峰，趙 耀，袁 華

(華中科技大學 船舶與海洋工程學院，湖北 武漢 430074)

基于三維數字場的船體表面測量定位標識系統(tǒng)研究

馬向峰，趙 耀，袁 華

(華中科技大學 船舶與海洋工程學院，湖北 武漢 430074)

在介紹三維數字場的基礎上，對構建基于三維數字場的船體表面測量定位標識系統(tǒng)的框架結構、測量系統(tǒng)、室內空間定位系統(tǒng)及標識劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)開展了研究，重點對相應的原理、涉及的技術等方面進行探討。在此基礎上，以船舶表面敷設柔性矩形塊的定位點標識作為應用對象，開發(fā)相關測量、定位、標識系統(tǒng)，實現在三維數字場中的完整原理性作業(yè)，驗證提高作業(yè)精度和效率的可行性。

定位標識；三維數字場；空間定位；標識劃線執(zhí)行裝置

0 引 言

船舶建造是一項大型、復雜的系統(tǒng)工程，會涉及到在指定安裝位置上進行船體表面的測量、定位和標識的問題。船舶表面形狀大多為雙曲率空間復雜形狀，空間放置位置也常有立放、仰放等作業(yè)人員很難對其進行精確測量、定位與標識的條件，而且這樣類似的作業(yè)工作量還非常大。因為船舶構件安裝裝配的復雜性和現場條件的限制，以及安裝裝配現場進行精確定位和標識設備的缺乏，從而對安裝點的誤差控制也造成了困難。另外，采用人工作業(yè)方式由于場地的限制與人為操作的不確定性，整個標識過程存在安裝裝配精度低、勞動強度大、工作時間長、穩(wěn)定性不易得到保證等問題。利用測量系統(tǒng)對車間內船體進行掃描測量，定位系統(tǒng)定位用以在船體表面進行標識的標識裝置來進行標識作業(yè)將是一種新型的較高效率、較高精度的工作模式。

快速精確測量技術在飛機的裝配制造中應用較廣，通過采用先進測量技術[1]，已經實現飛機裝配車間全空間的快速測量[2]。在船舶建造中也開始采用高精度測量手段，應用于船臺的精確測量裝配[3]，相應的在船體表面標識劃線標識裝置則相對較少。定位系統(tǒng)的定位原理及定位方式將直接影響定位的精度[4]。標識劃線執(zhí)行裝置多為機械臂標識與機器人標識。機械臂標識自由度高，還需提供相應的移動支撐平臺，工作時受環(huán)境限制較多[5]，而具備吸附和爬行功能的爬壁式機器人則可用于船舶建造車間作業(yè)[6]。日本最早制作了爬壁式機器人的原理樣機[7]，其后這一類可在立放和仰放位置作業(yè)面上吸附的機器人在國內外均有研究，俄國機械科學研究院開發(fā)出應用清洗工作的單吸盤式爬壁式機器人[8]，國內研制出用于船舶除銹清洗的吸附機器人[9]，但其主要作業(yè)方式為表面清洗。與此相比，進行船舶表面標識的機器人需要更高的精度要求，目前具備這一功能的吸附爬壁式機器人相對較少。

本文在介紹三維數字場構成的基礎上，提出基于三維數字場的船體表面測量定位標識系統(tǒng)，并對組成此系統(tǒng)的測量系統(tǒng)、室內空間定位系統(tǒng)以及標識劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)等 3 個子系統(tǒng)進行了重點探討。并在船廠車間條件下，以船體表面敷設柔性矩形塊的定位點標識作為研究對象，通過開發(fā)測量、室內空間定位、標識劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)，實現了在車間三維數字場中的完整原理性作業(yè)，驗證了提高作業(yè)精度和效率的可行性。

1 三維數字場及基于數字場的船體表面測量定位標識系統(tǒng)框架

三維數字場是指通過高精度的測量儀器，選擇能夠覆蓋全車間的若干能夠滿足定位要求的定位基點An，通過三維數字場空間測量定位，實現全空間高精度測量，得到全空間數字化模型。三維數字場能夠對車間內全空間進行高精度測量定位，在船舶建造中安裝調試、物流運輸、數據存儲、測量定位等方面能給予高精度數字化支持，擁有提高裝配安裝精度、加快物流運輸速度、統(tǒng)一測量信息等優(yōu)勢?；谌S數字場的測量定位標識系統(tǒng)其主要工作原理如圖 1 所示，選取若干能夠滿足定位要求的基點 An，并將基點坐標統(tǒng)一，建立整體坐標系；應用激光雷達對待標識船體表面進行掃描測量，將掃描數據在計算機內進行處理，通過與三維設計建立的理論數據進行比對，參照公差標準，并通過坐標變換得到最終船體數字化模型，并將理論數據中的標識點信息映射到數字化模型中；超聲波等定位裝置對標識劃線執(zhí)行裝置進行空間定位，為與數字場坐標統(tǒng)一，需對超聲波等定位接收裝置進行測量定位，最終得到標識劃線執(zhí)行裝置的車間坐標，傳入計算機內進行處理；由數字化模型中標識信息可通過路徑規(guī)劃得到標識劃線執(zhí)行裝置的理論行進路線，并與反饋得到的標識劃線執(zhí)行裝置的實時空間坐標進行比對，偏差修正后，發(fā)送標識命令，標識劃線執(zhí)行裝置在船體表面進行標識劃線作業(yè)。

若將圖 1 進行系統(tǒng)劃分的話，基于三維數字場的船體表面測量定位標識系統(tǒng)可劃分為測量系統(tǒng)、室內空間定位系統(tǒng)與標識劃線執(zhí)行系統(tǒng) 3 個子系統(tǒng)，如圖2 所示。其中，測量系統(tǒng)包括船體表面掃描、模型比對及標試點信息映射與空間點測量。室內空間點定位系統(tǒng)包括定位裝置與定位處理系統(tǒng)。標識劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)與標識劃線執(zhí)行裝置。

2 測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)參照三維數字場的搭建模式，整體設計如圖 3 所示。選取能夠滿足需求的若干基點，使定位基點的測量范圍覆蓋整個船體范圍，并對基點間位置進行驗證，統(tǒng)一坐標基準，建立的全局坐標系。利用激光雷達對船體進行掃描，得到船體的掃描點云圖。點云圖擬合后，與設計模型理論數據進行比對，根據公差要求，通過偏差擬合修正，重新生成最終數字化模型。并將設計模型中標識點的位置信息結合數字化模型比對后，最終可以得到在數字化模型中的標識點映射位置，并傳遞至標識劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)。通過激光雷達對安裝在車間固定位置的定位系統(tǒng)接收裝置進行測量，并通過坐標換算得到在數字場全局坐標系下的坐標信息，傳遞至室內空間定位系統(tǒng)。

測量系統(tǒng)主要包括船體表面掃描、模型比對及標識點信息映射與空間點測量 3 個組成部分。

2.1 船體表面掃描

船體表面掃描是指通過相應的測量儀器獲取船體表面的三維坐標點云。獲取點云數據是實現三維模型重建的前提。激光雷達測量結果為大量點云數據，因此需要對“點云”信息進行分析，形成由面、體組成的船體表面模型。

2.2 模型比對及標識點信息映射

船體表面掃描得到的點云數據進行擬合處理可得船體擬合模型。將此模型與設計模型數據進行比對，根據公差要求，運用最小二乘法等比對方法，可得最終掃描船體數字化模型。三維設計建立的理論標識點信息在滿足裝配安裝性能的前提下，將標識點信息映射到數字化模型中，并進行提取整理，為標識劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)提供數據。

2.3 空間點測量

在船舶建造車間中待標識船體的區(qū)域內，將由室內空間定位系統(tǒng)對標識劃線執(zhí)行裝置進行實時定位，為此室內空間定位系統(tǒng)的定位信息也要與數字場全局坐標進行統(tǒng)一。因此利用激光雷達對室內空間定位系統(tǒng)的定位接收裝置的空間位置進行掃描測量，并確定在全局坐標系下空間位置，為室內空間定位系統(tǒng)的實時定位提供基礎。

3 室內空間定位系統(tǒng)

激光雷達雖然可以實現船體表面的高精度測量，但無法實時獲取在船體表面爬行的標識劃線執(zhí)行裝置的位置信息，需要設計室內空間定位系統(tǒng)實現其動態(tài)定位。室內空間定位系統(tǒng)由定位裝置與定位處理系統(tǒng)組成，整體設計如圖 4 所示。安裝在標識劃線執(zhí)行裝置上的定位發(fā)射裝置不斷發(fā)射定位信號，由定位接收裝置獲取，并根據所得定位接收裝置的全局坐標下位置信息，通過定位處理，利用定位算法，測得定位發(fā)射裝置空間坐標，為標識劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)進行實時定位。

3.1 定位裝置

室內空間定位系統(tǒng)的定位裝置分為定位接收裝置和定位發(fā)射裝置兩類。定位接收裝置的位置不能輕易變動；定位接收裝置的空間位置可由接收裝置根據空間算法得到。定位裝置一般包括多個位置已知的接收裝置，發(fā)射裝置多為輕便的信號發(fā)射器，便于安裝在標識劃線執(zhí)行裝置上。

3.2 定位處理系統(tǒng)

定位處理系統(tǒng)主要包括定位技術與定位算法兩部分。常用的室內空間定位技術主要包括基于超聲波定位技術、基于紅外線定位技術、基于超寬帶定位技術、射頻識別定位技術[10]與 iGPS 定位技術[11]，如表 1 所示。

表 1 常用室內定位技術對比Tab. 1 Common indoor positioning technology comparison

室內空間定位系統(tǒng)常用的定位算法主要包括鄰近信息法、極點法與多邊形定位法[12]，如表 2 所示。

表 2 常用室內定位算法對比Tab. 2 Common indoor location algorithm comparison

由表 1 和表 2 對室內定位技術及方法的對比，結合船舶建造車間定位區(qū)域大、存在噪聲、粉塵干擾等現場環(huán)境特點，定位技術優(yōu)選 iGPS，其定位范圍廣，定位精度高。

定位方法優(yōu)選多邊形定位方法，車間內構建多個定位基點，滿足多邊形定位方法需求。

4 標識劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)

標識劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)是在接收標識點位置信息后，在定位系統(tǒng)實時定位下，在船體表面進行標識劃線的裝置系統(tǒng)。標識劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)接收數字化模型中標識點位置信息，進行數據處理并通過路徑規(guī)劃，得到標識劃線執(zhí)行裝置的理論行進路線，并通過運動控制系統(tǒng)生成運動信號、數據通訊系統(tǒng)轉化為標識執(zhí)行設備運動信息，然后驅動標識劃線執(zhí)行裝置按照一定路線在船舶表面運動，并在室內空間定位系統(tǒng)的實時定位下，標識劃線裝置反饋得到自身的實時全局空間三維坐標，與理論線路進行對比并進行偏差修正，使其調整行進方式，直至標識劃線執(zhí)行裝置到達待標識位置的誤差允許范圍內后進行標識作業(yè)?；緲嫵扇鐖D 5 所示。

標識劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)和標識劃線執(zhí)行裝置。

4.1 控制系統(tǒng)

標識劃線執(zhí)行裝置控制系統(tǒng)是接收測量系統(tǒng)的標識點數據后，通過路徑規(guī)劃生成標識劃線執(zhí)行裝置運動路線同時轉化為運動驅動信號，并傳遞至標識劃線執(zhí)行裝置，并不斷接收標識劃線執(zhí)行裝置反饋的實時坐標信息，與理論信息對比，做出偏差調整。標識劃線執(zhí)行裝置控制系統(tǒng)主要包括標路徑規(guī)劃子系統(tǒng)、運動控制子系統(tǒng)與數據通信子系統(tǒng)。

1）路徑規(guī)劃系統(tǒng)是指在涵蓋眾多目標時，對目標的完全遍歷，爭取最低的重復率及完全的覆蓋率。路徑規(guī)劃系統(tǒng)主要解決 3 個問題：使標識劃線執(zhí)行裝置能從初始點運動到最終目標點；使標識劃線執(zhí)行裝置能繞開障礙物并遍歷中間點；在任務完成的前提下，盡量優(yōu)化標識劃線執(zhí)行裝置的運行軌跡。

2）室內空間定位系統(tǒng)解決的是“標識劃線執(zhí)行裝置當前在何處”的問題，路徑規(guī)劃系統(tǒng)解決的是”標識劃線執(zhí)行裝置將要去何處”的問題，運動控制系統(tǒng)解決的是“標識劃線執(zhí)行裝置如何去”的問題。運動控制系統(tǒng)依據路徑規(guī)劃系統(tǒng)得到的運行路線，生成直線行走、轉彎等運動信號。

3）運動控制系統(tǒng)解決了“標識劃線執(zhí)行裝置如何去”的問題，數據通信系統(tǒng)則是把“如何去”的信息傳遞給標識劃線執(zhí)行裝置。數據通信系統(tǒng)實現運動信號信息與標識劃線執(zhí)行裝置本身的數據通信，提供給標識劃線執(zhí)行裝置自身可識別的運動速度、運動方向、運動距離以及是否進行標識等機械運動信息。

In the spectral curve where the light is absorbed, and knowing the thickness of the thin film ZnS, we can determine the absorption coefficient α for each value of the transmittance T in (%), which corresponds to an energy by the law from Beer-lambert[20].

4.2 標識劃線執(zhí)行裝置

標識劃線執(zhí)行裝置是標識劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)的硬件支撐，也是船舶表面測量定位標識系統(tǒng)的最終載體，用以在船體表面進行標識劃線作業(yè)。標識劃線執(zhí)行裝置在船舶表面吸附運動，待標識表面可能是傾斜面、垂直面、倒立面，表面曲率不一致且有突起的焊縫，標識劃線執(zhí)行裝置要滿足在船體表面上吸附牢固，并且同時滿足行走便利、標識清晰等要求。

標識劃線執(zhí)行裝置機械部分主要針對整體機械結構、驅動方式、吸附方式、標識方式等方面進行研究設計;電路控制部分接收將執(zhí)行的角速度與線速度序等列控制驅動信號，并通過慣性傳感、速度傳感等傳感器的反饋對電機進行閉環(huán)控制。

5 基于三維數字場的船體表面測量定位標識系統(tǒng)驗證

船舶建造中會涉及到柔性矩形塊的敷設安裝，柔性矩形塊的安裝點要在船體表面上進行標識，以便于后續(xù)的定位安裝。首先將三維設計的模擬敷設信息提取，再與車間現場激光雷達快速掃描測量生成的數字化模型比對后，可得船體上實際待安裝點坐標信息。再利用機器人進行標識劃線，標識過程中還需定位系統(tǒng)對機器人不斷進行定位與偏差修正，最終在待安裝點進行標識打點。柔性矩形塊的敷設安裝定位過程在船舶定位安裝建造中具有一定代表性，同時與本文研究的基于車間三維數字場的船體表面測量標識系統(tǒng)相符，可用來進行系統(tǒng)的驗證。

5.1 測量部分

在船舶車間搭建的車間三維數字場基礎上，選取能夠覆蓋待標識船體區(qū)域的定位基點，確定車間全局坐標系。利用激光雷達對船體表面積進行數字化掃描，得到大量點云圖（見圖 6），經初始擬合后，得到部分初始擬合圖（見圖 7），與理論模型進行比對，按照建造規(guī)范，兩模型擬合修正后，得到最終數字化模型（見圖 8）。在保證柔性矩形塊安裝形狀不變等性能特征前提下，對數字化模型進行柔性矩形塊的模擬敷設，局部效果如圖 9 所示，可將敷設標識點的三維坐標數據提取整理，傳遞至標識劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)。

室內空間定位系統(tǒng)根據前期研究，通過表 1 和表 2對定位算法、定位技術的優(yōu)劣性對比，結合船廠車間環(huán)境，由于 iGPS 定位系統(tǒng)價格昂貴、布置繁瑣，且超聲波定位原理與 iGPS 定位相似，能夠滿足實驗精度要求，定位方式簡易，故采取超聲波定位方式，定位算法采用多邊定位方法。定位裝置中定位接收裝置為 4個超聲波接收器，定位發(fā)射裝置為 2 個超聲波發(fā)射器。4 個超聲波接收器安裝在船體表面的對立面，并由激光雷達對其參照定位要求進行空間定位，2 個超聲波發(fā)射器分別安裝在標識劃線執(zhí)行裝置的首尾，既可以測得標識劃線執(zhí)行裝置的實時位置信息，又可得到標識劃線執(zhí)行裝置的朝向姿態(tài)信息。

5.3 標識劃線執(zhí)行裝置部分

標識劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)根據前期研究，采用爬行機器人標識系統(tǒng)。本系統(tǒng)中路徑規(guī)劃基于遺傳算法，運動控制系統(tǒng)采用基于角速度、線速度解析式機械運動信息。爬行機器人采用永磁鐵吸附、雙驅動輪、四導向輪驅動、全底盤一體式鋁合金結構、油漆標識。永磁鐵鑲嵌在底盤下方，與船體表面保持一定距離，提供吸附力；雙輪式驅動行動靈活、轉角方便，且控制簡單；四導向輪提供導向支撐作用，同時避開了中軸線，避免噴漆打點后標識點被導向輪碾壓；油漆標識方式標識點醒目、標識過程簡易；同時爬行機器人底盤上安裝 4 個輔助卸載裝置，緩解機器人工作時由于吸力過大不易移動與卸載的問題；同時加入安全檢測保護措施，在機器人工作電路出現故障時，實時監(jiān)測的電壓電流出現異常，啟動安全保護措施，增大電機阻尼，減緩機器人下滑速度，避免過度碰撞。標識劃線執(zhí)行裝置爬行機器人的原型與實物如圖 10 所示。

5.4 標識作業(yè)

選定車間內船體表面分段作為工作面，采用激光雷達對超聲波的 4 個接收器進行掃描測量，在車間數字場基礎上，獲得各接收器在全局坐標系下的位置信息。超聲波定位系統(tǒng)接收器位置與船體表面對立，發(fā)射器安裝在爬行機器人上。爬行機器人標識系統(tǒng)將接收到的待標識點三維數據信息處理整合后，生成理論爬行路線，同時在上位機中形成路線圖及待標識點信息。觸發(fā)上位機中“工作”按鈕，爬行機器人將按照理論路線進行爬行與標識。在運動過程中，爬行機器人由于重力等影響會偏離理論路線，需超聲波定位系統(tǒng)不斷將定位到的機器人的實時三維坐標反饋給機器人，機器人自身通過偏差修正算法，對運動進行修正，最終運動到真實的待標識點附近，在誤差范圍內進行標識打點。重復此動作，直至將工作面內的待標識點全部標識完成。圖 11 為上位機對爬行機器人位置信息的實時顯示，加深線為實際爬行線路，所覆蓋直線為理論爬行線路，十字點為待標識點。圖 12 為實際船體表面的標識作業(yè)，白色油漆點由機器人自動標識得到。

此標識過程對機器人爬行速度、爬行距離、標識效率、標識精度、工作環(huán)境等進行了測量記錄，詳細信息如表 3 所示。

由此標識作業(yè)實驗可以看出，爬行機器人能夠在最小曲率半徑 4 m 的船體表面上爬行，且能夠平穩(wěn)爬過焊縫，能適應車間環(huán)境。爬行機器人能在一定爬行速度下保持誤差允許的精度，標識效率較高。

表 3 機器人標識參數記錄Tab. 3 Robot identification parameter record

6 結 語

船舶等龐大體積工業(yè)品進行建造過程中，存在大量部件安裝裝配工作，而部件的安裝位置需在船體上進行測量定位與標識，基于高精度的三維數字場應用背景下的船舶機器人等數字化工業(yè)產品應用到船舶建造中將提高生產效率及產品精確性且符合數字化造船的現代化需求。本文由此提出了基于三維數字場的船體表面測量定位標識系統(tǒng)，總結如下：1）提出了一種基于三維數字場環(huán)境下，依托高精度測量儀器重建數字化模型，將待標識位置的三維數據信息傳遞至標識劃線執(zhí)行裝置系統(tǒng)，對數據處理后生成行進路線，并在室內空間定位系統(tǒng)實時定位下，由標識劃線執(zhí)行裝置不斷調整行進路線并在船舶外表面進行標識作業(yè)的新型船舶表面定位的標識模式。并以船體表面敷設柔性矩形塊的定位點標識作為研究對象，實現了在三維數字場中的完整原理性作業(yè)，驗證了提高精度和效率的可行性。

2）基于三維數字場的船體表面測量定位標識系統(tǒng)的構建，為現代化造船的高效率生產過程進一步奠定了基礎，也將有利提高后續(xù)裝配安裝工藝的精確性，推動船舶數字化的進一步發(fā)展。

3）可將進行原理驗證實驗的軟硬件進行優(yōu)化，擴大測量范圍，提高測量精度與定位精度，增加標識機器人數量等，將進一步提高船舶表面測量標識定位系統(tǒng)的精確性、高效性與穩(wěn)定性。

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Hull surface measurement positioning identification system research based on three-dimensional data field

MA Xiang-feng, ZHAO Yao, YUAN Hua
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

This paper introduces the basic workshop on three-dimensional data field, frame of the hull surface measurement, positioning and Identification system based on three-dimensional digital field and the measurement system, positioning system and identification interior implementing agencies to carry out research. Key aspects of the corresponding principle, the technology involved were discussed. Flexible laying tile surface ship located point identified as an application object, the development of relevant measurement, positioning, identification systems, to achieve a three-dimensional digital field in the workshop of the principle of complete job, verify the feasibility of improving the accuracy and efficiency.

location identification；three-dimensional digital field；spatial orientation；identification equipment

U671.99

A

1672–7619(2017)03–0091–06

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.03.019

2016–05–19；

2016–08–12

“十二五”預研資助項目（51318010401）

馬向峰(1991–)，男，碩士研究生，研究方向為船舶數字化及機器人技術。