奥运会运动帆船船体外形测量的实验性研究*

郑勤振，马　勇，张志勇，蔺世杰，唐吉涛，刘　林1，

(1.武汉体育学院 研究生院，湖北 武汉430079； 2.体育先进技术重点实验室，武汉体育学院

体育工程与信息技术学院，运动干预与健康促进湖北省协同创新中心，国家体育总局体育

工程重点实验室，湖北 武汉 430079；3.广东海上项目训练中心，广东 汕尾 516623)

奥运会运动帆船船体外形测量的实验性研究*

郑勤振1,2，马勇2，张志勇1,2，蔺世杰1,2，唐吉涛3，刘林1，2

(1.武汉体育学院 研究生院，湖北 武汉430079； 2.体育先进技术重点实验室，武汉体育学院

体育工程与信息技术学院，运动干预与健康促进湖北省协同创新中心，国家体育总局体育

工程重点实验室，湖北 武汉 430079；3.广东海上项目训练中心，广东 汕尾 516623)

摘要:基于全站仪技术对运动帆船470级帆船和laser帆船进行了外形测量的实验性研究，阐述了利用全站仪进行帆船船体测量的原理和步骤，对测量的数据进行了分析和修正，并进行了测量数据的验证分析，最终获得了帆船船体外形的三维坐标和船体的型线图。

*基金项目：国家自然科学基金(51279154),湖北省自然科学基金杰出青年基金(2013CFA038),霍英东教育基金会高等院校青年教师基金(141112)。

关键词：运动帆船；船体外形；全站仪；型线图；

中图分类号：G818.3

文献标识码：A

文章编号：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

奥运会帆船比赛十分激烈，帆船流体动力性能研究为帆船运动员合理操作帆船提供了技术支持。其中，帆船船体水动力性能对于帆船的推进性、操作性等有较大影响[1]。为了研究帆船船体的水动力性能，需要测量帆船船体外形，从而得到船体型线图。随着三维测量技术的发展，在船体外形测量中有全站仪、激光跟踪仪、电子测量臂、视觉测量系统等三维测量系统[2-6]。Takechi等(2002)[2]利用计算机监控船舶建造精度，研究了船体装配阶段的分段定位问题。岳建平等(2008)[7]提出了船舶三维测量系统总体框架结构，开发了测量软件系统。任刚(2013)[8]分析了三维测量中的误差并设计了船体分段搭载仿真软件等。随着图像检测技术和计算机视觉技术的快速发展，非接触的光学三维测量技术被广泛应用到物体表面三维测量中[4-6,9-10]。Koelman(2010)[4]进行了有关物体外形测量和建模的研究进展介绍，并对激光测量方法和图像检测技术进行了比较分析。Paoli等(2012)[5]利用结合机械手臂和光学扫描技术的方法能够非接触的得到高精度的帆船船体的三维外形。Barone等(2012)[6]利用光学扫描技术通过扫描二维结构构建三维的结构体。

利用不同方式可以进行船体型线的测量，尽管三维激光扫描仪在某些领域应用得到了很好地应用，但由于价格昂贵在一般的研究中很少使用。集测距测角及数据自动存储处理于一体的全站仪被广泛应用到船体的外形测量中。同时，国内外对于船体的外形测试研究几乎都是针对大型船舶的建造和性能优化方面，本研究对运动帆船的船体使用全站仪进行外形测量的实验性研究，提出了测量原理和数据处理方法，并对测量精度进行了分析。

2测量实验

2.1测试仪器及测量原理

测量工作采用了科力达KTS-442RLC免棱镜红外激光全站仪，如图1所示。本全站仪带激光对中、激光指向和SD卡存储功能，用单棱镜可测5km，免棱镜可测350m，测距精度±(2 + 2PPM× D)mm(D 为距离)，测角精度2”，数字显示最小达到0.1mm。可以进行角度、距离、坐标、放样、偏心、悬高和后方交会测量，在本研究中使用对边测量功能。

对边测量也称为间接测距，当两点之间不能直接测距时，可将全站仪安置在能够观测到两点的任意位置，直接测量两点间的斜距、平距和高差。对边测量原理如图2所示，对边测量可以测量起始点(P1)与任何一个其他点间的距离，其中S表示起始点P1与目标点的斜距，H表示起始点P1与目标点的平距，V表示起始点P1与目标点P2的高差。S、H、V满足如下关系：

V2+H2=S2

(1)

图1　全站仪

图2　对边测量原理

2.2测量方案

图3　(a)船头和(b)船中部照片(注：横线代表基线，竖线代表站线。)

本研究中测量对象为奥运会470级和Laser级帆船船体。470级帆船长4.70m、宽1.68m；laser长4.23m、宽1.37m。测量中船体由支架托起，底部朝上水平放置。由于470级和Laser级帆船是左右对称的，只进行了船体右舷的测量。 测量采用常规工程测量方法，使用无合作目标的全站仪测量船体各个离散目标点相对于基准点的距离，然后将距离数据转换成三维坐标数据。为此首先需要用中垂线法画出船体站线，并在站线上标示出需要测量的船体各个离散目标点。其具体方法如下。

(1)找到帆船底部的中心线，将其作为测量的基线，如图3(a)所示；

(2)通过中垂线法作垂直于基线的曲线作为站线，且基线与站线相交，曲率大的地方站线要密集，如图3(b)所示。470级帆船船体作了22条站线，laser级帆船船体作了26条站线；

(3)选取中间的一条站线作为0站线，0站线与船尾之间的站线分别标记为W1，W2，……，Wn(W表示船尾)，0站线与船头之间的站线分别标记为T1，T2，……，Tn(T表示船头)；

(4)在每条站线上标示测量点，曲率大的地方测量点要密集，甲板边线上的点作为起点(也是每条站线的基点)，基线与站线的交点为每条站线的最后一个点，即从甲板边线向着基线方向依次标注。为了提高测量的效率，可以在测量点上粘贴大小为1cm*1cm的反射膜片。

为了避免测量出现死角，全站仪观测不到目标点，全站仪要假设在一个高地上。如上所述，以甲板边线上的点作为起点1(也是每条站线的基点)，在测量站线上的离散目标点相对于基点的距离时，全站仪不能移动。具体实施步骤如下：

(1) 测量0站线，首先测点1，并将其作为0站线的基准点，其坐标应为(0.0000,0.0000,0.0000)；

(2)以1为基点，依次测量站线上其他离散目标点相对于基点1的距离(S，H，V)；

(3)以同样的方法完成其他站线的测量，最终完成船体右舷横剖线的测量。

另外在测量每条站线距0站线的距离时，以基线与0站线的交点为测量基准点，测量方法如下：

(1)以基线与0站线的交点为基准点，其坐标应为(0.0000,0.0000,0.0000)；

(2)依次测量其他站线与基线的交点距离基准点的距离(S，H，V)。

2数据处理

2.1数据转换

表1为测量得到的原始数据，它们是各个离散目标点相对于各自基准点的距离数据，并不是船体横剖线的坐标数据，为此需进行数据转换。

表1Laser船体0站线和W1站线上离散目标点相对于各自基准点的距离

肋位点号0站线W1站线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

为了得到右舷横剖线坐标，需统一坐标表示方法。如表2所示，距甲板边线值H对应三维坐标中的 x，距甲板边线高V对应坐标中的 y，z为距中纵剖面值。以0站线与基线的交点作为船体坐标系的原点，将其他站线上的数据拼接到这个船体坐标系中。对W1站线进行平移，平移参考点为(x,y,z)=(0.6313,0.3038,0)。由于W1站线与0站线的高程差为-0.0060m，即W1站线平移终点距甲板边线高y为0.3038-0.0060=0.2978m，那么W1站线平移的终点为(x,y,z)=(0.6575,0.2978,-0.2017)，W1站线整体沿y方向的平移量为0.2978-0.2950=0.0028m。按照这种方法，将其他站线上的离散目标点拼接到以0站线与基线的交点作为船体坐标系原点的坐标系中，得到船体右舷横剖线的坐标数据，见表3。

表2Laser船体W1站线距离0站线的距离

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

表3laser船体右舷W1横剖线的三维坐标处理数据

平移前W1横剖线的三维坐标数据平移后W1横剖线的三维坐标数据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

将转换得到的船体横剖线坐标输入CAD软件中构建船体模型，在CAD软件中坐标系的确定原则为：以船体最低点所在水线与船尾剖面线在纵向的投影上的交点为坐标原点。

2.2数据校正

由于船体表面经过修补、操作员人为的因素影响导致采集的数据可能包含一些无效点，如高程突变点等，所以必须对采集的数据进行校正，以修正无效点。做一条H-V曲线进行观测，在图4(a)中平距H发生了突变，图5(a)中高程H发生了突变，需要对其修正。根据对边测量原理，根据勾股定理对突变点进行修正。修正后如图4(b)和5(b)，并采用此方法，对所有数据进行观测、检验，最后得到需要的所有数据。

图4　470 级帆船船体W1站线(a)修正前和(b)修正后曲线图

图5　laser级帆船船体W9站线(a)修正前和(b)修正后曲线图

3结果与分析

运动帆船船体是对称的，用以上方法测量得到了船体的一半外形。船体外形测量的目的是为后续进行帆船船体水动力性能的研究打下基础，为减少在使用其他软件时数据处理的工作量，也可通过其他仿真软件对称变换直接实现，通过CAD软件中的镜像操作可以获得整个船体的三维坐标。得到的帆船船体的俯视图如图6(a)所示、横剖面图如图6(b)所示。

经过测量得到470船体长度为4.7181m，laser船体的长度为4.1614m。理论上470级帆船长4.7m，laser长4.23m。测量误差470船型为0.385%，在满足误差范围内，结果比较精确。laser船体由于船头破损等原因，误差达到1.6%，虽然破损严重，但也满足误差范围要求。说明本测试精度较高，满足精度需要。

图6　470级帆船船体(a)俯视图和(b)横剖图

4结论

本研究对奥运会470级和Laser级帆船船体使用全站仪进行外形测量的实验性研究。在本研究中使用对边测量功能，测量船体各个离散目标点相对于基准点的距离，然后将距离数据转换成三维坐标数据。由于船体表面经过修补、操作员人为的因素影响导致采集的数据可能包含一些无效点，如高程突变点等，本文对采集的数据进行了校正。经过与物理测量的数据比较，发现利用全站仪进行船体外形测量满足精确要求。

使用免棱镜全站仪可以极大提高作业效率，缩短测量工作时间。尤其对于尺寸较小的帆船船体外形测试极具优越性，可精确测量船体型线数据，所测成果可靠精度可达到0.1mm，另外相比于三维激光扫描仪还节约了费用。实现了对运动帆船船体的测量，为船模的建立和对船体水动力性能的研究提供了数据支持，为各级别运动帆船外形测量提供了理论支持和技术指导。

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收稿日期：(2015-10-06)