一种适用于船舶设备改装的组合测量方法与流程

1.本发明涉及船舶设备改装技术领域，尤其是一种适用于船舶设备改装的组合测量方法。


背景技术：

2.船舶工业是我国工业发展的重要组成部分，也需要不断的提升改良性能，为适应社会的发展需求，我们需要把船舶工业由劳动密集型行业向技术服务型行业跨进。受国际海洋公约和船舶运输业自身发展需求，很多船舶要进行排放设备改装、动力设备改装和运输性能改装，即以新的、先进的设备或工艺对现有的、落后的设备或工艺进行替换或改造工作。改装不光能满足海洋公约要求，也会减少重新建造的成本。由于这些特种设备具有占用资金多，更换难度大、地位重等特点，寻找一种针对性和适用性强、投资少、改造周期短，效果好的改装方法是目前船用设备改装亟待要解决的问题。
3.船舶设备改装工程一般分为内场预制、吊装分段、船上施工、坞修改造、调试试航等阶段。同船舶建造过程类似，为了保证改装质量，需要采用先进的精度控制工艺和方法，对船舶设备改装实行全过程的精度控制，从而减少现场的施工工作量，达到提高生产效率、减少建造周期的目的。由于改造现场环境和施工图纸之间存在差异，很多实际状态具有不可预见性，容易导致工程延期，现场返工、安装质量不符合要求等问题，难以在改造中反映出客户的准确需求，且增加了施工周期和费用。
4.为解决船舶设备改装中所存在的问题，本发明提供了一种融合了三维激光扫描、工业近景摄影等精密测量技术的组合测量方法对船舶设备的改装提供技术支持，它能够利用三维激光扫描仪多细节特性达到高效逼真还原安装现场的效果，以及利用近景摄影测量高精度特性实现预制设备的精准装配目的。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种适用于船舶设备改装的组合测量方法，以解决上述背景技术所提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种适用于船舶设备改装的组合测量方法，包括：
7.s1：在安装环境内放置特征球，通过激光扫描仪获取包含所述特征球的安装环境的三维点云信息；
8.s2：在安装环境内的安装基座的定位关键点和所述特征球处贴回光反射标志，通过所述回光反射标志和摄影测量系统获取所述安装基座的定位关键点和所述特征球的三维点云信息；
9.s3：利用所述特征球表面的点云拟合分别计算出三维激光扫描坐标系和摄像测量坐标系下的所述特征球的球心坐标；
10.s4：以三对以上所述球心坐标作为公共点，以摄影测量坐标系为坐标基准，实现三
维激光扫描坐标系和摄影测量坐标系的坐标融合。
11.进一步的，所述s3中对同一待测目标的三维激光扫描数据和摄影测量数据进行融合时，以所述特征球的球心坐标为公共点进行坐标配准，建立球面拟合目标函数为：合时，以所述特征球的球心坐标为公共点进行坐标配准，建立球面拟合目标函数为：其中，n＞＞3，得到所述特征球的球心坐标。
12.进一步的，所述s4中当所述公共点大于3时，利用ransac算法筛选出相对稳定的公共点，即在计算出坐标配准的初始转换矩阵的基础上，以坐标转换后公共点在同一坐标系下对应点之间的空间距离偏差di作为模型误差，通过统计表示为：其中，(x*i，y*i，z*i)表示激光扫描坐标系下第i点坐标(xi，yi，zi)转换到摄影测量坐标系下的坐标，计算模型误差是否小于阈值ε，如果满足，并统计小于阈值的其他点的数目，并计算出最终模型参数。
13.进一步的，所述坐标配准的初始转换矩阵表达式为：pi＝r3×3qi+t3×1，其中，选取任意三对所述特征球的球心点作为公共点，pi、qi分别为激光扫描仪和摄像测量系统通过球面坐标拟合得到的所述特征球的球心坐标，r为旋转矩阵，t为平移矩阵。
14.进一步的，所述旋转矩阵r的计算过程中需要消除平移矩阵t的影响，具体步骤包括：
15.(1)点集重新中心化
16.两组点pi、qi中心化后的坐标为
17.(2)计算两组点集之间的协方差矩阵h：
[0018][0019]
(3)对h进行奇异值分解，得到h的svd矩阵u和v：[u,s,v]＝svd(h)，进一步得到旋转矩阵r＝vu
t
；
[0020]
(4)通过一组对应点求取旋转矩阵t：
[0021]
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
[0022]
本发明能够利用三维激光扫描仪多细节特性达到高效逼真还原安装现场的效果，利用近景摄影测量高精度特性实现预制设备的精准装配目的，其中对船舶设备改装的组合测量中关键点重复测量的绝对坐标测量精度可达4μm/m。
附图说明
[0023]
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
[0024]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0025]
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种适用于船舶设备改装的组合测量方法，包括：
[0026]
s1：在安装环境内放置特征球，通过激光扫描仪获取包含所述特征球的安装环境的三维点云信息；
[0027]
s2：在安装环境内的安装基座的定位关键点和所述特征球处贴回光反射标志，通过所述回光反射标志和摄影测量系统获取所述安装基座的定位关键点和所述特征球的三维点云信息；
[0028]
s3：利用所述特征球表面的点云拟合分别计算出三维激光扫描坐标系和摄像测量坐标系下的所述特征球的球心坐标；
[0029]
s4：以三对以上所述球心坐标作为公共点，以摄影测量坐标系为坐标基准，实现三维激光扫描坐标系和摄影测量坐标系的坐标融合。
[0030]
优选的，所述s3中对同一待测目标的三维激光扫描数据和摄影测量数据进行融合时，以所述特征球的球心坐标为公共点进行坐标配准，建立球面拟合目标函数为：时，以所述特征球的球心坐标为公共点进行坐标配准，建立球面拟合目标函数为：其中，n＞＞3，得到所述特征球的球心坐标。
[0031]
优选的，所述s4中当所述公共点大于3时，利用ransac算法筛选出相对稳定的公共点，即在计算出坐标配准的初始转换矩阵的基础上，以坐标转换后公共点在同一坐标系下对应点之间的空间距离偏差di作为模型误差，通过统计表示为：其中，(x*i，y*i，z*i)表示激光扫描坐标系下第i点坐标(xi，yi，zi)转换到摄影测量坐标系下的坐标，计算模型误差是否小于阈值ε，如果满足，并统计小于阈值的其他点的数目，并计算出最终模型参数。
[0032]
优选的，所述坐标配准的初始转换矩阵表达式为：pi＝r3×3qi+t3×1，其中，选取任意三对所述特征球的球心点作为公共点，pi、qi分别为激光扫描仪和摄像测量系统通过球面坐标拟合得到的所述特征球的球心坐标，r为旋转矩阵，t为平移矩阵。
[0033]
优选的，所述旋转矩阵r的计算过程中需要消除平移矩阵t的影响，具体步骤包括：
[0034]
(1)点集重新中心化
[0035]
两组点pi、qi中心化后的坐标为
[0036]
(2)计算两组点集之间的协方差矩阵h：
[0037][0038]
(3)对h进行奇异值分解，得到h的svd矩阵u和v：[u,s,v]＝svd(h)，进一步得到旋转矩阵r＝vu
t
；
[0039]
(4)通过一组对应点求取旋转矩阵t：
[0040]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0041]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。