造船精度控制系统中用移站测量获取点位信息的一种方法＊

潘国荣 张 鹏 孔 宁

(1)同济大学测量与国土信息工程系,上海 200092 2)现代工程测量国家测绘局重点实验室,上海 200092)

造船精度控制系统中用移站测量获取点位信息的一种方法＊

潘国荣1,2)张 鹏1)孔 宁1)

(1)同济大学测量与国土信息工程系,上海 200092 2)现代工程测量国家测绘局重点实验室,上海 200092)

船舶建造过程中,为保证船体结构装配工作的顺利进行,通常需要进行装配定位。讨论了一种通过移站测量获取不可见面上点位信息的方法,从而实现对大的构件和分段的正确定位,保证装配质量。同时,利用Matlab GU I编制了移站测量坐标计算程序,使得不可见点坐标的获取更加快捷,有利于实际工程应用。

装配定位;移站测量;精度控制;GU I;实时计算

1 引言

在船舶建造中,船体放样、船体装配和焊接的整个过程,都需要明确各部件和分段的实际形状尺寸和位置。如何更好地利用测量手段获取以上数据,指导船体制造,提高造船速度和精度,便成为了关键。

目前,最常采用的方法是借助电子经纬仪、全站仪等仪器设备为传感器的三维无接触工业测量系统[1]。然而,由于系统对基线测量精度和网型布设要求较高,在实际测量中,常因测量条件限制,如气温、场地开阔度等影响,使得工业测量系统难以得到广泛应用[2]。因此,本文探讨了一种借助单台全站仪,通过移站实现对体积庞大的构件和部件 (如肋骨、尾柱等)点位的测量方法。

2 移站测量方法

工业测量中,通常一个测站很难观测到整个物体表面,然而由于受场地限制,因不通视或后视距离太短,常无法建立控制网。这时移动全站仪,在不同测站上进行观测,各测站观测的坐标,就表示在不同的坐标系内,若在不同站上观测一些公共点,就可以将这些点的坐标归算至一个坐标系。

2.1 移站测量原理

测站Ⅰ为原始测站,A、B为Ⅰ站可见点,测得的三维坐标分别为(XAYAZA)、(XBYBZB),C点为Ⅰ站不可见点,故将测站移至Ⅱ处,A、B、C3点对于Ⅱ站均为可见点。在Ⅱ站分别观测A、B、C3点,测得3点的极坐标分别为:S1、S2、S3,β1、β2、β3,γ1、γ2,其中 Si为斜距,βi为天顶距,γi为水平角 (图 1)。

图1 移站测量原理图Fig.1 Theorem diagram of station-movingmeasurement

2.2 坐标计算

设测站Ⅰ所在坐标系为Ⅰ坐标系,测站Ⅱ所在坐标系为Ⅱ坐标系。由于移站测量的目的是求 C点在Ⅱ系中的坐标,因而在测站Ⅱ观测 A、B两点,观测并计算 C点坐标时,可将A、B点看作已知点,令 S0为A、B两点间水平距离。

P点在Ⅰ系的坐标。根据间接平差,可列误差方程:

其中,

设角度权为单位权,距离权为

利用最小二乘平差得

其中N=BTPB,则可求得 P点在Ⅰ系中的坐标(XPYPZP)。

C点在Ⅰ系中的坐标可由式(4)求得:

式中αPC=αPA+γ2

2.3 精度评定

2.3.1 一次移站后站点点位精度

根据间接平差

可知 P点坐标改正协因数阵为

P点中误差:

2.3.2 N次移站后站点点位精度

设经N次移站后,选择M、N两点作为公共点,考虑M、N两点点位误差,对N+1站的站点Q坐标可列误差方程

因观测值 S、β、γ与λ不相关,可知Q(L,λ)=0

得Q点坐标改正协因数阵为

即

其中 P为观测值的权,定权可参照(2)式。

3 算例分析

使用Matlab GU I编写程序,以实现移站测量后待测点坐标的计算。

程序具体实现过程如下 (仅列出部分代码加以说明)：

1)启动Matlab GU I DE,创建一个空的 GU I;

2)Edit Text获得数据,并将获得的字符型数据转化为数值型数据

a=get(handles.edit1,′string′);

a=str2num(a);

3)编写.m文件,用于计算距离,角度转化为弧度,方位角判断等

4)设站点坐标平差运算及待测点坐标计算

根据 Edit Text获取的初值,计算 B、L矩阵,并根据间接平差模型,计算坐标改正数 X及观测值改正数,完成测站点坐标平差,同时计算待测点坐标。

X=(BB′＊P＊BB)(BB′＊P＊L);

Q=diag(ones(3,1))(BB′＊P＊BB);

V=BB＊X-L;

pp=p′+X;

C=A+△AC;

5)迭代运算及坐标显示

用while语句进行迭代运算,对于给定的点位精度 eps,当 C点点位精度 mc＞eps时执行迭代运算,直至满足精度要求。

set(handles.edit_XC,′string′,xd);

set(handles.edit_YC,′string′,yd);

set(handles.edit_ZC,′string′,zd);

为了验证移站测量算法的精度及该程序的正确性,利用索佳 SET210全站仪,对船厂某构件进行了观测,采集了一组数据,各点位置见图 2。现用其中的一些点作为公共点,通过该程序计算其余点的坐标,并与原坐标点进行对比,以检验该方法的正确性及程序效果。观测数据见表 1。

选择 2号和 11号点作为公共点,利用该程序计算待测点坐标,计算结果见表 2。

由表 2可以看出,转换值和坐标值差值均在毫米级,说明该程序能够较好地实现移站测量坐标计算,精度较高。

图2 某构件示意图Fig.2 Sketch map of a fragment

表 1 测站观测数据Tab.1 Observation data at stations

为检验该法经多次移站后精度的损失情况,现仍利用该构件数据,以经Ⅱ站转换后的坐标作为原始值,进行再次移站。以此类推,最终选择二次移站后求得的 6、9两点作为公共点,计算其余各点在 3次移站后的坐标,计算结果见表 3。

表 2 坐标实测值和转换值的比较(1)Tab.2 Comparison between observed and converted coordinates(1)

表 3 坐标实测值和转换值的比较(2)Tab.3 Comparison between observed and converted coordinates(2)

由表 3可以看出,经过 3次移站后,坐标转换后各点的精度仍可达到 4 mm,可知,该方法在连续移站的过程中精度损失较小,经多次移站后的精度仍在毫米级,能够很好地满足船体装配以及构件尺寸测量的需要。

4 结论

1)移站测量的主要突破点在于只在一个未知点对两个已知点进行观测,获得两个竖直角、两个斜距和一个水平角就可计算出未知点的平面坐标和高程,观测数据少,计算简便。

2)船体构件定位常常因为通视条件差而影响工作进度和精度。移站测量只需能找到任意两个已知点,便可实现对不可见点坐标的解算,对于无自由设站模块的全站仪,尤为方便。

3)模型简单,有利于计算机编程,并可以实现不可见点的实时计算,便于模型建立和构件的模拟装配,连续移站后仍能达到较高精度,能满足装配焊接要求,保证造船质量,提高造船速度。

1 冯文灏.建立积木式三维工业测量系统的研究[J].武汉大学学报 (信息科学),2002,27(4)：403-407.(Feng Wenhao.Method for setting up a three-dimensional industrial surveying system of“building blocks type”[J].Geomatics and Infor mation Science ofWuhan University,2002,27(4)：403-407)

2 朱振宇,江国焰,王永明.工业测量系统自由坐标系建立方法研究 [J].矿山测量,2009,(5)：63-69.(Zhu Zhenyu,Jiang Guoyan andWang Yongming.Study on the establishment of free-coordinate system of industrial measurement system[J].Mine Surveying,2009,(5)：63-69)

3 肖建虹,李明.全站仪测边交会精度分析[J].地矿测绘, 2003,(2)：32-33.(Xiao Jianhong and L IMing.Precision analysis for ranging intersection of total station[J].Surveying and Mapping of Geology and Mineral Resources,2003, (2)：32-33)

4 郭宗河.边角后方交会若干问题的探讨 [J].测绘工程, 2000,9(2)：68-69.(Guo Zonghe.Some problems of the side angle resection[J].Engineering of Surveying andMapping,2000,9(2)：68-69)

5 孔祥元,梅是义.控制测量学 (2版,上册)[M].武汉：武汉大学出版社,1996.(Kong Xiangyuan andMei Shiyi.Control surveying(Edtion 2)[M].Wuhan：Wuhan Unversity Press,1996)

6 武汉测绘科技大学测量平差教研室.测量平差基础 (3版)[M].北京：测绘出版社,1996.(Surceying Adjustment Staff Room ofWuhan Technical University of Surveying and Mapping.Basic surveying adjustment(Edition 3)[M].Beijing：Surveying andMapping Press,1996)

A STATION-MOVING M EASUREM ENTM ETHOD FOR ACQURING PO INT POSITION INFORMATION IN PREC ISION CONTROL SYSTEM FOR SHIP BUILD ING

Pan Guorong1,2),Zhang Peng1)and KongNing1)

(1)Departm ent of Surveying and Geo-Infor m atics,Tongji University,Shanghai 200092 2)Key Laboratory of M odern Engineering Surveying,SBSM,Shanghai 200092)

During the ship construction,assembly positioning is al ways needed to ensure that the assembly of the ship structure goeswell.A measurementmethod based on station-moving for acquiring the point position information on invisible faces is proposed,so as to realize positioning correctly on the large components and fragments and ensure the assembly quality.Meanwhile,usingMatlab GU I,a coordinate calculation program for station-moving measurement is developed,enabling invisible point coordinates to be obtained much faster.Itwill be more beneficial to practical application.

assembly positioning;station-movingmeasurement;precision control;GU I;real-time calculation

1671-5942(2010)05-0121-04

2010-04-28

潘国荣：教授、博士生导师,主要研究方向为精密工程测量、工业测量与测量数据处理.E-mail：pgr2@163.com

P207;P203

A