基于數(shù)字化測量的分段搭載工藝

樊洪良

（滬東中華造船（集團(tuán)）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(tǒng)的人工觀察、二維定位和經(jīng)驗(yàn)作業(yè)實(shí)現(xiàn)。部分船廠采用全站儀對多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，通過分析各目標(biāo)點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，建立搭載分段與基準(zhǔn)分段的相對位姿關(guān)系。該方法對全站儀的布站和測量操作有很高的要求，實(shí)現(xiàn)過程復(fù)雜，現(xiàn)場的坐標(biāo)測量和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換存在一定的誤差，且無法實(shí)時(shí)監(jiān)控，結(jié)果不直觀。

在基于跟蹤測距的分段搭載實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警技術(shù)研究中，采用多傳感器集成測量單元對搭載分段的關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采用數(shù)據(jù)處理技術(shù)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，最終得到搭載分段的位姿數(shù)據(jù)，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)分段搭載過程的三維仿真可視化、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可視化和危險(xiǎn)位姿預(yù)警等功能。

1 分段搭載過程實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

分段搭載過程實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)是一種基于目標(biāo)點(diǎn)間距監(jiān)測實(shí)現(xiàn)搭載分段位姿實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警的系統(tǒng)。該系統(tǒng)由硬件和軟件2部分組成，其中：硬件系統(tǒng)包括多傳感器集成測量單元、無線通信模塊、計(jì)算機(jī)和測量輔助工裝等；軟件系統(tǒng)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(jì)算機(jī)視覺庫，建立的船舶搭載過程實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警軟件系統(tǒng)。軟件運(yùn)行之后，對操作硬件獲得的多傳感信息進(jìn)行融合和運(yùn)算，最終實(shí)現(xiàn)相對位姿擬合、位姿變換和運(yùn)動數(shù)據(jù)分析等。

在吊裝過程中，多傳感器集成測量系統(tǒng)會解除測距儀器自身的剛性約束，實(shí)現(xiàn)跟蹤測量功能。傳感器將獲得的多個(gè)關(guān)鍵距離值和姿態(tài)值傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，計(jì)算機(jī)結(jié)合測點(diǎn)理論值對部件的相對位姿進(jìn)行求解，最終以圖形化的方式將計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在可視化界面上，顯示搭載移動段與搭載基準(zhǔn)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(yù)警與作業(yè)定量指導(dǎo)。

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(diǎn)坐標(biāo)、形成坐標(biāo)系并進(jìn)行初步分析的硬件。考慮到跟蹤測距傳感器在室外易受環(huán)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(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸模塊、視覺測量模塊、激光測距模塊、姿態(tài)測量模塊和數(shù)據(jù)計(jì)算模塊構(gòu)成，其測量范圍為0.05～50.00m，測距精度最高可達(dá)1mm，測距頻率為20Hz。通過利用搭載分段上的多個(gè)集成測量單元對基準(zhǔn)分段上相應(yīng)的靶點(diǎn)進(jìn)行測量，解除測距儀器自身的剛性約束，實(shí)現(xiàn)跟蹤測量功能。傳感器采用分時(shí)機(jī)制，以RF（Radio Frequency）信號形式將獲得的多個(gè)關(guān)鍵距離值和姿態(tài)值傳輸給上位機(jī)（即計(jì)算機(jī)上的軟件系統(tǒng)）進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，上位機(jī)結(jié)合測點(diǎn)理論值對部件的相對位姿進(jìn)行求解，最終以圖形化的方式將計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在可視化界面上。

圖1 搭載監(jiān)控系統(tǒng)測量單元結(jié)構(gòu)

1.2 集成測量單元和靶標(biāo)板的安裝和標(biāo)定

對于集成測量單元的布局與集成設(shè)計(jì)，利用庫卡工業(yè)機(jī)器人對工業(yè)相機(jī)、陀螺儀和設(shè)備的外殼體進(jìn)行手眼標(biāo)定，將工業(yè)相機(jī)、陀螺儀和外殼的坐標(biāo)系統(tǒng)一到設(shè)備外殼的坐標(biāo)系中。工業(yè)相機(jī)和陀螺儀固定于設(shè)備外殼上，設(shè)備外殼通過基準(zhǔn)孔與搭載分段固連，搭載分段實(shí)時(shí)位姿可由傳感器所測位姿轉(zhuǎn)化得到。傳感器模塊與設(shè)備外殼的關(guān)系需提前標(biāo)定。集成測量單元選用工業(yè)相機(jī)采集目標(biāo)的高清圖像，對靶標(biāo)板進(jìn)行特征識別處理，形成特征點(diǎn)，利用多點(diǎn)對PNP（Perspective-N-Point）算法計(jì)算工業(yè)相機(jī)外參數(shù)，最終處理為相對位姿，實(shí)時(shí)測量6個(gè)自由度的姿態(tài)。

在進(jìn)行吊裝搭載時(shí)，在搭載分段的對接面上安裝集成測量單元，在基準(zhǔn)分段的對接面上安裝靶標(biāo)板（見圖2），集成測量單元與靶標(biāo)板之間應(yīng)無遮擋。利用全站儀標(biāo)定基準(zhǔn)分段坐標(biāo)系（地面坐標(biāo)系）與靶標(biāo)的關(guān)系，以及待搭載分段（船體坐標(biāo)系）與基準(zhǔn)孔的關(guān)系，通過一系列計(jì)算得到待裝件與基準(zhǔn)件的實(shí)時(shí)相對位姿，并將其與給定的目標(biāo)位姿比較，引導(dǎo)作業(yè)人員完成達(dá)到目標(biāo)相對位姿的搭載過程。

圖2 靶標(biāo)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(gè)集成測量單元，由安裝定位孔坐標(biāo)可得到待裝件坐標(biāo)系

O

與集成測量單元設(shè)計(jì)坐標(biāo)系

C

的轉(zhuǎn)換矩陣，通過視覺測量可得到

C

與靶標(biāo)板的轉(zhuǎn)換矩陣

P

，由此得到

O

與靶標(biāo)板之間的轉(zhuǎn)換矩陣

P

；同時(shí)，由靶標(biāo)板與

O

的安裝關(guān)系可得到二者之間的轉(zhuǎn)換矩陣

P

，最終得到

O

與

O

的轉(zhuǎn)換關(guān)系（見圖3）。

圖3 單相機(jī)位姿測量原理

船舶分段具有大尺寸和大變形等特點(diǎn)，對單一集成測量單元的測量誤差有放大效應(yīng)，可能會導(dǎo)致最終測量結(jié)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(biāo)板分別布置于待裝件和基準(zhǔn)件的對接面處，在獲取3組靶標(biāo)點(diǎn)在相平面中的坐標(biāo)之后，通過轉(zhuǎn)換矩陣解算出3組

O

與

O

的轉(zhuǎn)換關(guān)系，采用融合算法獲得更準(zhǔn)確的待裝件與基準(zhǔn)件之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，多相機(jī)位姿測量原理見圖4。

圖4 多相機(jī)位姿測量原理

1.4 基于人機(jī)交互的搭載監(jiān)測軟件開發(fā)

針對基于跟蹤測距的相對位姿測量方法研究，需開發(fā)一套人機(jī)交互軟件，直觀地引導(dǎo)操作人員完成搭載任務(wù)。將設(shè)計(jì)軟件的分段模型輕量化輸出，導(dǎo)入該人機(jī)交互軟件，與系統(tǒng)獲得的現(xiàn)場數(shù)據(jù)相對比，監(jiān)控吊裝過程。

該人機(jī)交互軟件分為下位機(jī)（集成測量單元多傳感器）信息采集系統(tǒng)和上位機(jī)（計(jì)算機(jī)）上船舶搭載過程實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警軟件系統(tǒng)2個(gè)子系統(tǒng)，其中：下位機(jī)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(diǎn)，啟動集成測量單元之后自動運(yùn)行，主要完成數(shù)據(jù)采集和發(fā)送工作；上位機(jī)軟件采用基于OpenCascade的MFC框架設(shè)計(jì)，具有界面簡潔、可擴(kuò)展和操作方式簡單等特點(diǎn)，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)顯示和仿真等功能。

在搭載吊裝過程中，主要通過6個(gè)自由度的相對位姿指導(dǎo)搭載進(jìn)行指標(biāo)監(jiān)控。在起吊過程中，監(jiān)測水平面內(nèi)轉(zhuǎn)角，以保證掛鉤正確，可安全吊起。在吊起上升階段主要監(jiān)測高度和速度；在吊起平移階段監(jiān)測運(yùn)動速度；在吊起下落階段監(jiān)測高度和速度；在搭載最終階段監(jiān)測6個(gè)自由度的相對位姿。

根據(jù)以上分析，船舶搭載安全監(jiān)測軟件系統(tǒng)集成三維仿真模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、通信模塊、設(shè)備參數(shù)標(biāo)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(dǎo)分段搭載過程，輔助搭載作業(yè)人員完成整個(gè)搭載過程。該軟件具有用戶交互界面簡潔、數(shù)據(jù)顯示欄醒目和三維模型直觀等特點(diǎn)，可為用戶提供搭載過程安全監(jiān)測與預(yù)警服務(wù)。

船舶搭載安全監(jiān)測軟件系統(tǒng)上位機(jī)的軟件啟動界面見圖5，該軟件系統(tǒng)的工作主界面主要由圖形化顯示區(qū)、菜單工具欄、搭載位姿顯示欄和傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示欄等4個(gè)區(qū)域組成。

圖5 船舶搭載安全監(jiān)測軟件系統(tǒng)上位機(jī)的軟件啟動界面

2 分段搭載工藝驗(yàn)證

以某產(chǎn)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(jìn)行現(xiàn)場條件下的試驗(yàn)驗(yàn)證。該分段大小為10.5m×9.5m×2.7m，形狀規(guī)則，整體強(qiáng)度較好，吊裝過程中變形較小。該分段的吊環(huán)、吊點(diǎn)和吊具等的設(shè)計(jì)按原方案進(jìn)行，不受跟蹤測距系統(tǒng)的影響。

2.1 搭載準(zhǔn)備工作階段

安裝準(zhǔn)備工作主要包括安裝集成測量單元和靶標(biāo)板，測量定位孔和靶標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)，以及測試軟件的各項(xiàng)功能，保證通信設(shè)備正常工作。

2.1.1 集成測量單元和靶標(biāo)板的安裝

3組測量單元應(yīng)均勻分布在搭載分段和基準(zhǔn)分段的對界面上，最大程度地表明結(jié)構(gòu)的主尺度，同時(shí)安裝在分段對接面的強(qiáng)構(gòu)架處，防止分段在吊裝過程中因發(fā)生變形而影響分段搭載的準(zhǔn)確性。安裝位置應(yīng)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(shí)使集成測量單元與靶標(biāo)板位置正對，確保相機(jī)鏡頭與靶標(biāo)板之間無障礙物遮擋。

2.1.2 定位孔和靶標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)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(biāo)和靶標(biāo)板上標(biāo)記點(diǎn)中心位置的坐標(biāo)，將測量數(shù)據(jù)輸入配置文件中，完成預(yù)配置工作。再采用全站儀標(biāo)定基準(zhǔn)分段PD11坐標(biāo)系（地面坐標(biāo)系）與靶標(biāo)的關(guān)系，以及搭載分段PD12的坐標(biāo)系（船體坐標(biāo)系）與基準(zhǔn)孔的關(guān)系。

2.1.3 軟件測試

測試軟件的各項(xiàng)功能，包括：模型導(dǎo)入（包括搭載分段模型和基準(zhǔn)分段模型），分別設(shè)置顏色，以便于進(jìn)行仿真顯示，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)；參數(shù)標(biāo)定；前后端通信連接的建立和模式設(shè)置；相對位姿實(shí)時(shí)測量；基于測量數(shù)據(jù)的模型仿真；搭載安全閾值監(jiān)測。

2.2 吊裝搭載階段

完成搭載準(zhǔn)備工作之后，進(jìn)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(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)輔助進(jìn)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(rèn)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(jìn)入正常搭載作業(yè)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(shù)據(jù)。由于測量距離較遠(yuǎn)，回傳的數(shù)據(jù)為激光測距數(shù)據(jù)和陀螺儀姿態(tài)數(shù)據(jù)。

2.2.3 對接過程精測量

在搭載余量間距約為50cm之時(shí)，進(jìn)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(jìn)行準(zhǔn)確定位。相機(jī)抓取到靶標(biāo)點(diǎn)圖像，回傳靶標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)計(jì)算之后進(jìn)行位姿融合，得到更準(zhǔn)確的相對位姿。經(jīng)過人機(jī)交互，指導(dǎo)吊車精準(zhǔn)操作對接，實(shí)時(shí)位姿數(shù)據(jù)和分段對接仿真模型見圖6。

圖6 實(shí)時(shí)位姿數(shù)據(jù)和分段對接仿真模型

2.3 吊裝過程系統(tǒng)使用注意事項(xiàng)

除了吊裝準(zhǔn)備過程中的系統(tǒng)準(zhǔn)備注意事項(xiàng)以外，軟件操作人員還應(yīng)熟練掌握基于數(shù)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(yīng)注意保證集成單元傳感器工作正常，集成單元與軟件設(shè)備通信暢通，軟件操作人員與吊車工通信暢通。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

從測量精度、定位用工人數(shù)和返工率等方面驗(yàn)證該分段搭載定位工藝是否滿足吊裝要求并達(dá)到原定的技術(shù)指標(biāo)要求。現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)

驗(yàn)證結(jié)果表明：在吊裝PD12分段過程中，搭載定位工時(shí)縮短10%，用工人數(shù)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(xù)分段的吊裝過程中得到應(yīng)用，并根據(jù)分段的特點(diǎn)，在集成單元安裝位置和搭載定位人員結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了優(yōu)化。

3 結(jié) 語

該工藝可用數(shù)字判斷代替部分定位人員的現(xiàn)場測量判斷工作，通過數(shù)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(shí)，該工藝可通過記錄搭載過程中的數(shù)據(jù)，對吊裝的仿真過程進(jìn)行回放，提供數(shù)字化的分段搭載研究資料，從而促進(jìn)數(shù)字化造船技術(shù)的發(fā)展。