基于數字化測量的分段搭載工藝

樊洪良

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

0 引 言

目前船舶分段搭載定位主要依靠傳統的人工觀察、二維定位和經驗作業實現。部分船廠采用全站儀對多個目標點進行監測，通過分析各目標點的位置數據，建立搭載分段與基準分段的相對位姿關系。該方法對全站儀的布站和測量操作有很高的要求，實現過程復雜，現場的坐標測量和數據轉換存在一定的誤差，且無法實時監控，結果不直觀。

在基于跟蹤測距的分段搭載實時監控與預警技術研究中，采用多傳感器集成測量單元對搭載分段的關鍵點數據進行采集，采用數據處理技術對采集的數據進行分析、處理，最終得到搭載分段的位姿數據，借助計算機技術實現分段搭載過程的三維仿真可視化、實時數據可視化和危險位姿預警等功能。

1 分段搭載過程實時監控與預警系統設計原理

分段搭載過程實時監控與預警系統是一種基于目標點間距監測實現搭載分段位姿實時監測與預警的系統。該系統由硬件和軟件2部分組成，其中：硬件系統包括多傳感器集成測量單元、無線通信模塊、計算機和測量輔助工裝等；軟件系統是基于Windows平臺，采用MFC（Microsoft Foundation Classes）編程框架，引入三維模型引擎和計算機視覺庫，建立的船舶搭載過程實時監控與預警軟件系統。軟件運行之后，對操作硬件獲得的多傳感信息進行融合和運算，最終實現相對位姿擬合、位姿變換和運動數據分析等。

在吊裝過程中，多傳感器集成測量系統會解除測距儀器自身的剛性約束，實現跟蹤測量功能。傳感器將獲得的多個關鍵距離值和姿態值傳輸給計算機進行數據融合處理，計算機結合測點理論值對部件的相對位姿進行求解，最終以圖形化的方式將計算結果實時顯示在可視化界面上，顯示搭載移動段與搭載基準段的相對位姿、速度和加速度等信息，為吊裝操作提供安全預警與作業定量指導。

1.1 含多傳感器的集成測量單元

集成測量單元是可收集多點坐標、形成坐標系并進行初步分析的硬件。考慮到跟蹤測距傳感器在室外易受環境因素的干擾，測量單元集成了基于視覺/激光/陀螺的多傳感器，實現搭載過程中對相對位姿的跟蹤測量（見圖1）。集成測量單元由供電模塊、數據傳輸模塊、視覺測量模塊、激光測距模塊、姿態測量模塊和數據計算模塊構成，其測量范圍為0.05～50.00m，測距精度最高可達1mm，測距頻率為20Hz。通過利用搭載分段上的多個集成測量單元對基準分段上相應的靶點進行測量，解除測距儀器自身的剛性約束，實現跟蹤測量功能。傳感器采用分時機制，以RF（Radio Frequency）信號形式將獲得的多個關鍵距離值和姿態值傳輸給上位機（即計算機上的軟件系統）進行數據融合處理，上位機結合測點理論值對部件的相對位姿進行求解，最終以圖形化的方式將計算結果實時顯示在可視化界面上。

圖1 搭載監控系統測量單元結構

1.2 集成測量單元和靶標板的安裝和標定

對于集成測量單元的布局與集成設計，利用庫卡工業機器人對工業相機、陀螺儀和設備的外殼體進行手眼標定，將工業相機、陀螺儀和外殼的坐標系統一到設備外殼的坐標系中。工業相機和陀螺儀固定于設備外殼上，設備外殼通過基準孔與搭載分段固連，搭載分段實時位姿可由傳感器所測位姿轉化得到。傳感器模塊與設備外殼的關系需提前標定。集成測量單元選用工業相機采集目標的高清圖像，對靶標板進行特征識別處理，形成特征點，利用多點對PNP（Perspective-N-Point）算法計算工業相機外參數，最終處理為相對位姿，實時測量6個自由度的姿態。

在進行吊裝搭載時，在搭載分段的對接面上安裝集成測量單元，在基準分段的對接面上安裝靶標板（見圖2），集成測量單元與靶標板之間應無遮擋。利用全站儀標定基準分段坐標系（地面坐標系）與靶標的關系，以及待搭載分段（船體坐標系）與基準孔的關系，通過一系列計算得到待裝件與基準件的實時相對位姿，并將其與給定的目標位姿比較，引導作業人員完成達到目標相對位姿的搭載過程。

圖2 靶標板示例

1.3 基于多傳感器融合的相對位姿求解算法

對于單個集成測量單元，由安裝定位孔坐標可得到待裝件坐標系

O

與集成測量單元設計坐標系

C

的轉換矩陣，通過視覺測量可得到

C

與靶標板的轉換矩陣

P

，由此得到

O

與靶標板之間的轉換矩陣

P

；同時，由靶標板與

O

的安裝關系可得到二者之間的轉換矩陣

P

，最終得到

O

與

O

的轉換關系（見圖3）。

圖3 單相機位姿測量原理

船舶分段具有大尺寸和大變形等特點，對單一集成測量單元的測量誤差有放大效應，可能會導致最終測量結果的精度較低。針對該問題，提出多集成測量單元間融合的相對位姿求解算法：將3組集成測量單元和靶標板分別布置于待裝件和基準件的對接面處，在獲取3組靶標點在相平面中的坐標之后，通過轉換矩陣解算出3組

O

與

O

的轉換關系，采用融合算法獲得更準確的待裝件與基準件之間的坐標轉換關系，多相機位姿測量原理見圖4。

圖4 多相機位姿測量原理

1.4 基于人機交互的搭載監測軟件開發

針對基于跟蹤測距的相對位姿測量方法研究，需開發一套人機交互軟件，直觀地引導操作人員完成搭載任務。將設計軟件的分段模型輕量化輸出，導入該人機交互軟件，與系統獲得的現場數據相對比，監控吊裝過程。

該人機交互軟件分為下位機（集成測量單元多傳感器）信息采集系統和上位機（計算機）上船舶搭載過程實時監控與預警軟件系統2個子系統，其中：下位機軟件采用控制臺輸出，具有耗能低、效率高和操作簡單等特點，啟動集成測量單元之后自動運行，主要完成數據采集和發送工作；上位機軟件采用基于OpenCascade的MFC框架設計，具有界面簡潔、可擴展和操作方式簡單等特點，主要實現數據接收、數據顯示和仿真等功能。

在搭載吊裝過程中，主要通過6個自由度的相對位姿指導搭載進行指標監控。在起吊過程中，監測水平面內轉角，以保證掛鉤正確，可安全吊起。在吊起上升階段主要監測高度和速度；在吊起平移階段監測運動速度；在吊起下落階段監測高度和速度；在搭載最終階段監測6個自由度的相對位姿。

根據以上分析，船舶搭載安全監測軟件系統集成三維仿真模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、數據管理模塊、通信模塊、設備參數標定模塊和交互操作模塊，以三維模型仿真和精確位姿顯示的方式引導分段搭載過程，輔助搭載作業人員完成整個搭載過程。該軟件具有用戶交互界面簡潔、數據顯示欄醒目和三維模型直觀等特點，可為用戶提供搭載過程安全監測與預警服務。

船舶搭載安全監測軟件系統上位機的軟件啟動界面見圖5，該軟件系統的工作主界面主要由圖形化顯示區、菜單工具欄、搭載位姿顯示欄和傳感器實時數據顯示欄等4個區域組成。

圖5 船舶搭載安全監測軟件系統上位機的軟件啟動界面

2 分段搭載工藝驗證

以某產品PD12上層建筑分段吊裝為例，對基于跟蹤測距的分段搭載工藝進行現場條件下的試驗驗證。該分段大小為10.5m×9.5m×2.7m，形狀規則，整體強度較好，吊裝過程中變形較小。該分段的吊環、吊點和吊具等的設計按原方案進行，不受跟蹤測距系統的影響。

2.1 搭載準備工作階段

安裝準備工作主要包括安裝集成測量單元和靶標板，測量定位孔和靶標點坐標，以及測試軟件的各項功能，保證通信設備正常工作。

2.1.1 集成測量單元和靶標板的安裝

3組測量單元應均勻分布在搭載分段和基準分段的對界面上，最大程度地表明結構的主尺度，同時安裝在分段對接面的強構架處，防止分段在吊裝過程中因發生變形而影響分段搭載的準確性。安裝位置應距對接合攏面5～10cm，安裝過程中需保持集成測量單元與對接面相互垂直，同時使集成測量單元與靶標板位置正對，確保相機鏡頭與靶標板之間無障礙物遮擋。

2.1.2 定位孔和靶標點坐標的測量

通過全站儀測得集成測量單元上定位孔中心的坐標和靶標板上標記點中心位置的坐標，將測量數據輸入配置文件中，完成預配置工作。再采用全站儀標定基準分段PD11坐標系（地面坐標系）與靶標的關系，以及搭載分段PD12的坐標系（船體坐標系）與基準孔的關系。

2.1.3 軟件測試

測試軟件的各項功能，包括：模型導入（包括搭載分段模型和基準分段模型），分別設置顏色，以便于進行仿真顯示，并設置相關參數；參數標定；前后端通信連接的建立和模式設置；相對位姿實時測量；基于測量數據的模型仿真；搭載安全閾值監測。

2.2 吊裝搭載階段

完成搭載準備工作之后，進入吊裝搭載階段。該階段的工作主要分為起吊程序、平移過程粗測量和對接過程精測量等3部分。采用分段搭載過程實時監控與預警系統輔助進行粗測量和精測量。

2.2.1 起吊程序

1) 由起重工檢查分段總部是否有連接物；

2) 將分段抬升20～30cm，使其脫離塢墩；

3) 由起重工檢查分段底部，確保分段底部無粘附物；

4) 在上述高度處懸停10min，觀察吊車和分段的情況；

5) 在確認吊車和分段無特殊情況之后，先將分段抬升20～30cm，再將其下降20～30cm，測試吊車是否能正常工作；

6) 進入正常搭載作業階段。

2.2.2 平移過程粗測量

在搭載平移過程中，由于搭載余量比較大，對測量精度的要求不高，采用“單一”測量模式，即選擇只接收某一傳感器回傳的數據。由于測量距離較遠，回傳的數據為激光測距數據和陀螺儀姿態數據。

2.2.3 對接過程精測量

在搭載余量間距約為50cm之時，進入精確對接過程中，通過將集成測量單元傳感器操作切換至“輪詢測量模式”，進行準確定位。相機抓取到靶標點圖像，回傳靶標點的坐標數據，通過計算機計算之后進行位姿融合，得到更準確的相對位姿。經過人機交互，指導吊車精準操作對接，實時位姿數據和分段對接仿真模型見圖6。

圖6 實時位姿數據和分段對接仿真模型

2.3 吊裝過程系統使用注意事項

除了吊裝準備過程中的系統準備注意事項以外，軟件操作人員還應熟練掌握基于數字化測量的跟蹤測距方法和工藝流程。在精確對接過程中，應注意保證集成單元傳感器工作正常，集成單元與軟件設備通信暢通，軟件操作人員與吊車工通信暢通。

2.4 試驗結果分析

從測量精度、定位用工人數和返工率等方面驗證該分段搭載定位工藝是否滿足吊裝要求并達到原定的技術指標要求。現場測試數據見表1。

表1 現場測試數據

驗證結果表明：在吊裝PD12分段過程中，搭載定位工時縮短10%，用工人數減少40%，搭載定位返工率降低10%，提高了分段搭載效率。目前，該搭載工藝已在后續分段的吊裝過程中得到應用，并根據分段的特點，在集成單元安裝位置和搭載定位人員結構等方面進行了優化。

3 結 語

該工藝可用數字判斷代替部分定位人員的現場測量判斷工作，通過數字化分析和可視化操作避免人為誤判，從而使定位返工率得以降低。同時，該工藝可通過記錄搭載過程中的數據，對吊裝的仿真過程進行回放，提供數字化的分段搭載研究資料，從而促進數字化造船技術的發展。