CN105571511B - 一种船舶外板成型精度在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种船舶外板成型精度在线检测方法，包括以下步骤：1）应用三维云台带动激光测距仪扫描船板表面；2）将获得的距离值转换为点坐标；3）点云分层去噪、光顺，拟合为面；4）拍摄船板表面纹理照片，并为点云纹理赋值；5）基于纹理变化修正拟合面边界；6）将拟合面与船板理论面匹配；7）偏差计算和显示。本发明与传统测量方法相比，速度快、精度高、适应性强。

Description

一种船舶外板成型精度在线检测方法

技术领域

本发明涉及一种船舶外板加工过程中的成型精度在线检测方法。属于船舶制造技术和光学测量领域。

背景技术

曲板成型特别是双曲板成型技术是目前世界造船工业中一种技术性强、难度大、影响因素多的加工工艺。在加工过程中如何检测与判别被加工船体曲板与目标曲板的形状误差是目前造船业迫切需要解决的问题，如何快速、准确获取型面数据是解决问题的关键。

目前船厂主要依靠有经验的工人通过卡样板、样箱的方式来实现。但这种方法仅仅获取了肋位线上少量数据，且精度决定于样板、样箱精度，而样板、样箱大多数为木质材料，受环境影响如天气等会发生较大的变形，误差较大。后续发明了铁质活络样板，但同样需要靠人的眼睛目测偏差，精度无法保证，为后续造船精度控制设置了障碍。

随着计算机技术和光电技术的发展，计算机辅助船板曲面成型检测已经成为一个重要的发展方向。数十年来，国内外许多专家学者致力于新型检测技术及设备的研发。

国内比较有代表性的有：(1)大连理工大学、大连新船重工有限责任公司、清华大学以及北京航空航天大学等单位，对船体外板加工成型自动检测方法、加工后外板成型的自动判别进行了相关的研究并取得了一定的成果，但是离工程化实际应用还有很大一段距离；(2)武汉理工大学和山东硕立在板材数控冷弯设备上，采用了导轨和激光点测量方法，获取板面数据，数据获取速度较慢。

国外比较有代表性的有：(1)首尔大学的J S Park，J G Skin，K H Ko采用三坐标测量仪(CMM)对船板进行测量，测量精度高、可以近似得到船板边界，角点等特征点的数据。但存在着众多缺点：(a)测量过程需要大量的人工操作，导致测量效率低下；(b)CMM的使用对现场环境条件要求高；(c)CMM测量范围的扩大需要增加很多成本等。

发明内容

为克服已有技术的不足和缺陷，本发明提供一种船舶外板加工过程中的成型精度在线检测方法，能够快速精确获取船板成型精度数据。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种船舶外板加工过程中的成型精度在线检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：A、应用三维云台带动激光测距仪扫描船板表面；B、将获得的距离值转换为点坐标；C、点云分层去噪、光顺，拟合为面；D、拍摄船板表面纹理照片，并为点云纹理赋值；E、基于纹理变化修正拟合面边界；F、将拟合面与船板理论面匹配；G、偏差计算和显示。本发明与传统测量方法相比，速度快、精度高、适应性强。

根据本发明的具体实施例，该成型精度在线检测方法具体包括以下步骤：

A、应用三维云台带动激光测距仪扫描船板表面，扫描点间距d和行间距l采用软件控制，d和l可调节；

B、将获得的距离值转换为扫描设备固定坐标系下点坐标，并建立所有点坐标的索引值，每个点都具有原距离值、坐标编号和坐标值，第i个点P_i描述为：

P_i(x_i,y_i,z_i,s_i,u_i,v_i)

其中x,y,z,为坐标值，s_i为距离值，u,v为索引值(扫描过程为逐行扫描，u、v分别表示点所在的行和在每一行中的顺序号)，i＝1,2,3,…n，n为总点数。

C、将上述点组成的点云分层去噪、光顺，拟合为面：设曲板厚度为t，k为阈值系数，删除连续点云中距离值突变大于阈值的点，则：

其中，1为该点保留，0为该点为噪点；

采用经典的最小二乘法对点云进行光顺和拟合曲面；

D、拍摄船板表面纹理照片，并为点云纹理赋值：设纹理照片任意像素坐标为：

0≤r,g,b≤255,0≤α≤1

将照片纹理映射到扫描设备固定坐标系，将坐标值对应或最近点赋值纹理坐标，具有纹理值得点表示为：

P_i(x_i,y_i,z_i,s_i,u_i,v_i,w_i)；

E、基于纹理变化修正拟合面边界：根据纹理值定义，连续两点纹理变化为：

船板表面特征设定纹理变化阈值θ，则：

其中，1该点保留，0该点为噪点；

去除噪点，对保留面边界进行二次插值拟合，获取精确边界；

F、将拟合面与船板理论面匹配：从船舶设计***输出船舶理论设计曲面作为基准曲面，将拟合面与理论曲面进行基于包围盒的粗匹配和基于ICP算法的精确匹配；

G、计算匹配完成之后的拟合面所有点与理论之间的偏差值，即为船板成型精度值。

上述步骤A中扫描点间距d和行间距l采用软件控制，且d和l可调节。

上述步骤C中采用距离突变值自动去噪。

上述步骤D中纹理照片并给坐标点赋值。

上述步骤D中基于纹理坐标阈值变化获取精确边界。

本发明采用基于测距原理并转换为坐标值，进而获取外板几何型面，基于测量板和外界的在某一方向上的距离突变自动去噪，初步获取外板型面数据，在基于纹理的变化获取外板精确边界和数据。同传统样板、样箱采集方法以及其他光学采集方法相比，具有速度快、精度高、适应性强等特点。本发明的应用是实现曲板加工工艺自动化的关键环节之一。

附图说明

图1为船舶外板成型精度在线检测方法的流程图。

图2为测量距离与坐标系变换的关系图。

具体实施方式

图中包括：测量船板支架1，待测船舶外板2，扫描设备基座3，激光测距设备4，相机5。

下面结合图1曲面检测方法的流程图，对本发明的具体实施方式做进一步的描述。

1)应用三维云台带动激光测距仪扫描船板表面，扫描点间距d和行间距l采用软件控制，d和l可调节；

2)将获得的距离值转换为扫描设备固定坐标系下点坐标，并建立所有点坐标的索引值，每个点都具有原距离值、坐标编号和坐标值，第i个点P_i描述为：

P_i(x_i,y_i,z_i,s_i,u_i,v_i)

其中x,y,z,为坐标值，s_i为距离值，u,v为索引值，i＝1,2,3,…n，n为总点数。距离值s_i为激光测距仪距离读数，设某点i距离为s，由于测距仪和三维云台具有固定的位置和姿态关系，则其在三维云台坐标系中的坐标值为Ps(ψi,φi,s),ψ,φ为测距仪在测量该点时三维云台横向和纵向摆角；设三维云台到全局固定坐标系的变换矩阵为T，则i点在固定坐标系的坐标值为Pi(xi,yi,zi,)＝Ps(ψi,φi,s)·T。

3)将上述点组成的点云分层去噪、光顺，拟合为面：设曲板厚度为t，k为阈值系数，删除连续点云中距离值突变大于阈值的点，则：

其中，1为该点保留，0为该点为噪点。

采用经典的最小二乘法对点云进行光顺和拟合曲面。

4)拍摄船板表面纹理照片，并为点云纹理赋值：设纹理照片任意像素坐标为：

0≤r,g,b≤255,0≤α≤1

将照片纹理映射到扫描设备固定坐标系，将坐标值对应或最近点赋值纹理坐标，α是饱和度值、纹理亮度的整体调整参数。则，具有纹理值的点表示为：

P_i(x_i,y_i,z_i,s_i,u_i,v_i,w_i)

5)基于纹理变化修正拟合面边界：根据纹理值定义，连续两点纹理变化为：

船板表面特征设定纹理变化阈值θ，则：

其中，1该点保留，0该点为噪点。

对保留面边界进行二次插值拟合，获取精确边界

6)将拟合面与船板理论面匹配：从船舶设计***输出船舶理论设计曲面作为基准曲面，将拟合面与理论曲面进行基于包围盒的粗匹配和基于ICP算法的精确匹配；

7)计算匹配完成之后的拟合面所有点与理论之间的偏差值，即为船板成型精度值。

Claims (1)

1.一种船舶外板成型精度在线检测方法，其特征在于本方法包括以下步骤：

A、应用三维云台带动激光测距仪扫描船舶外板表面，扫描点间距d和行间距l可调节；

B、将获得的距离值转换为扫描设备固定坐标系下点坐标，并建立所有点坐标的索引值，每个点都具有距离值、坐标编号和坐标值，第i个点P_i描述为：

P_i(x_i,y_i,z_i,s_i,u_i,v_i)

其中x_i,y_i,z_i,为坐标值，s_i为距离值，u_i,v_i为坐标编号，i＝1,2,3,…n，n为总点数；

C、将上述点组成的点云分层去噪、光顺，拟合为拟合曲面：设船舶外板厚度为t，k为阈值系数，删除连续点云中距离值突变大于阈值的点，则：

其中，1为该点保留，0为该点为噪点；

采用经典的最小二乘法对点云进行光顺和拟合形成拟合曲面；

D、拍摄船舶外板表面纹理照片，并为点云纹理赋值：设纹理照片任意像素坐标为：

将照片纹理映射到扫描设备固定坐标系，将坐标值对应或最近点赋值纹理坐标，则，具有纹理值的点表示为：

P_i(x_i,y_i,z_i,s_i,u_i,v_i,w_i)；

E、基于纹理变化修正拟合曲面边界：根据纹理值定义，连续两点纹理变化为：

船舶外板表面特征设定纹理变化阈值θ，则：

其中，1表示该点保留，0表示该点为噪点，

去除噪点，对保留面边界进行二次插值拟合，获取精确边界；

F、将拟合曲面与船舶外板理论曲面匹配：从船舶设计***输出船舶外板理论曲面作为基准曲面，将拟合曲面与船舶外板理论曲面进行基于包围盒的粗匹配和基于ICP算法的精确匹配；

G、偏差计算和显示：计算匹配完成之后的拟合曲面所有点与理论之间的偏差值，即为船舶外板成型精度值。