三維掃描技術在船舶修理中的應用

馮建明，趙 銳

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

0 引言

三維激光掃描技術是一種新興的現代測量技術，其采用激光測距原理，可瞬時測得空間三維坐標[1]。三維激光掃描技術的數據精度高，測量速度快，操作較為簡便，具有巨大的效率和成本優勢，故其在工業中得到了廣泛應用。在船舶修理過程中，外殼曲面換新、舵葉修理、分段精度控制等諸多工作需要使用測量技術。由于傳統的測量工具和方法具有較大的局限性，三維激光掃描技術在船舶修理領域具有廣闊的應用前景。本文對三維掃描技術的原理進行分析，并對其在船舶修理中的應用進行介紹。

1 項目概況

在本項目中，由于原船舶設計有誤，平行中體長度不足，需要在艉部靠近平行中體處增加外掛結構以彌補缺陷。新加結構長約12 m，高約5 m，見圖1。由于新增結構所在區域為雙曲船殼，需要得到殼體的線型值（描述船體形狀的三維坐標點）[2]，并繪制相應線型圖。由于線型圖為船廠的保密資料，一般不會在完工圖紙中隨船提供該資料，故需要通過測量的方式得到原船的線型數據，進而確定新加結構與原船結構的接觸曲面。

圖1 新加結構示意圖

2 問題分析

根據以往經驗，可采用2 種方法解決原船線型 缺失的問題：1）扁鐵樣條法，即沿原船外殼制作樣條扁鐵；2）PDF 描線法，即找出此區域每個剖面的結構圖，掃描成PDF 文件，并利用計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）軟件描繪出樣條線。本文提出一種3D 掃描方法，相較于傳統方法，該方法精度最高，但對專業設備和船廠硬件實力的要求比較高。3 種方法的優缺點對比情況見表1。對于本項目，施工區域在掃描范圍內，且船廠已配備3D 掃描儀，故3D 掃描方法是最優方法。

表1 獲取線型數據方法比較

3 工作原理

三維掃描技術主要利用激光測距原理來獲取目標數據[3]，在工作時，以掃描儀中心為原點進行360°旋轉，并向外發射激光脈沖至目標對象的表面。通過計時系統記錄激光從發射到返回的時間，利用測角系統捕獲掃描儀與被測物體間的水平角和豎直角，通過系統集成的驅動馬達和激光轉向鏡對掃描區域進行覆蓋式掃描，進而實現被測物體三維坐標的采集。通過幾何關系計算物體的位置信息，并保存掃描點的坐標值，若是彩色掃描，則將色彩數據連同坐標值一起存儲。三維掃描技術測量速度快、精度高，在本項目中，黑白掃描僅需3 min，彩色掃描僅需6 mm即可完成，誤差可以控制在0.03 mm/m。

4 操作流程

使用三維掃描儀進行船殼修理的操作流程如下所示：

1）船舶停靠在碼頭上，收緊纜繩，盡量避免船舶移動，挑選風浪較少的時段進行測量。

2）找出船舶外殼上的標記點，如分艙標記、水線和甲板邊線等，以便在后期處理數據時獲取定位信息。

3）選取合適的三維掃描儀擺放位置，設置掃描范圍及其他相關參數。

4）開始掃描，在掃描過程中，嚴禁無關人員和車輛進入掃描范圍，以免對掃描形成干擾。

5）掃描完畢，通過掃描儀自帶的數據處理軟件進行數據整合和轉換，并生成可在CAD 中打開的格式文件。

6）在CAD 中打開掃描得到的點云數據，找到標記特征點，并將船體按坐標位置擺放正確。

7）在CAD 中截取若干截面，生成樣條曲線以便后期光順操作時使用。

8）將提取得到的樣條曲線導入船體三維軟件 進行光順處理，生成可用于生產設計的曲面。

5 數據處理

做好數據的整合處理，準確提取有用的信息對于三維掃描技術在船舶修理中的應用特別重要。將掃描儀得到的點云數據導入CAD 軟件，三維激光掃描儀的點云數據處于其自定義的掃描坐標系中，其內部各點的相對位置不會變動，且與實物外形相匹配。截取截面，將數據點連成線，進而創建光順的曲面。點云數據文件在CAD 中的效果與照片類似（見圖2），但將其局部放大后，可以看出實際由密密麻麻的數據點構成（見圖3）。

圖2 點云數據在CAD 中的效果

圖3 點云局部放大圖

在進行掃描操作時，船舶處于浮態，即使將前后纜繩收緊，并挑選風浪良好的時段進行測量，船舶還是會產生幅度約100 mm 的晃動，晃動產生的影響會直接反映在點云中，導致產生里、外兩層圖像，兩層間的距離大概為15 mm。

為盡可能消除船舶晃動的影響，取點連線時要統一選取同一層。在曲線繪制完成后，做好記錄，為下一步數據處理做好準備。

在原始線型提取完畢后，利用點列表查詢工具得到樣條線的坐標點，復制到Excel 表格中，根據船體三維設計軟件Tribon要求的數據點格式生成相應的文件。接著將線型進行光順處理，得到光順曲面，并導入到結構模塊中進行生產設計。

6 結果對比

在根據三維掃描的數據得到曲面后，接著進行生產設計階段。為保險起見，在新加結構與原船外板相接的地方加放30 mm 的余量。將結構模型與點云疊放在一起進行對比以檢驗三維掃描技術所得曲面的誤差，結果見表2。

表2 型線誤差值

由表2 可知，三維掃描技術的誤差基本可控制在30 mm 以內。在實際安裝時，還可進一步縮減加設余量。本項目的三維模型圖和完工狀態圖分別見圖4 和圖5。

圖4 三維模型圖

圖5 完工狀態圖

7 結論

作為一種新興的現代測量技術，三維激光掃描技術在船舶修理領域具有廣闊的應用前景。本文分析了三維掃描技術的原理，并結合具體項目介紹了三維掃描技術在船舶修理中的應用情況，可得到如下結論：

1）新加結構與原船貼合完美，這說明對于小范圍的船殼曲面修理工程，采用三維掃描采集到的點云數據進行曲面生產設計是切實可行的。

2）與常規現場測量方法相比，三維激光掃描方法測量簡便，精度更高，數據更加全面，具備較高 的推廣價值。

希望本文的研究能夠為三維掃描技術在船舶修理中的應用提供一定參考。