CN115060238B - 一种水下构件相对位姿测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下构件相对位姿测量方法和装置，方法包括：发送测量指令给测量单元，测量单元接收到所述测量指令后，测量单元从对接结构体移动到承接结构体的标记点上方；根据所述测量单元运动的距离和方向测量得到一个坐标，所述坐标为测量单元安装位置相对于标记点位置的坐标；根据所述坐标计算出对接结构体与承接结构体之间的相对位姿关系；采用该方法后能够对水深较深的施工区域进行水下大型结构的高精度相对位姿测量。
Description
技术领域
本发明涉及工程测量领域，尤其涉及的是一种水下构件相对位姿测量方法和装置。
背景技术
现有的水下沉管隧道、输油管道、排水管道等大型工程都采用工厂预制后水下沉放对接安装的方法，水下施工对于工程线形要求高，限于水下位姿测量技术，现有技术一般会利用露出水面的测量标志，再基于GNSS进行测量定位和沉放对接指导，例如，沉管隧道安装普遍采用在待沉管节顶端首尾部安装高于水深的测量塔，在塔顶安装GNSS设备进行定位，从而进行对接指导。这种方法在水深较浅的水域施工是可以满足要求的，但是，很多大型工程越来越多的走向外海，水深越来越大，难以依赖水面标志进行精密测量，研究水下大型结构高精度相对位姿测量技术显得尤为急迫和重要。
因此，现有技术还有待改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术缺陷，本发明提供一种水下构件相对位姿测量方法和装置，以解决在水深较深区域进行高精度相对位姿测量较为困难的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种水下构件相对位姿测量方法，所述水下构件相对位姿测量方法包括：
发送测量指令给测量单元，测量单元接收到所述测量指令后，测量单元从对接结构体移动到承接结构体的标记点上方；
根据所述测量单元运动的距离和方向测量得到一个坐标，所述坐标为测量单元安装位置相对于标记点位置的坐标；
根据所述坐标计算出对接结构体与承接结构体之间的相对位姿关系。
作为进一步的改进技术方案，在所述发送测量指令给测量单元之前还包括：
在所述对接结构体上安装定量化伸缩移动的测量平台，在所述测量平台上安装所述测量单元，所述测量单元为水下摄影测量单元；
在所述承接结构体上设置标记点，所述标记点为安装在承接结构体上的合作靶标。
作为进一步的改进技术方案，所述在所述承接结构体上设置标记点后，将所述合作靶标与所述承接结构体的空间直角坐标系O1进行联测，并获取所述合作靶标在所述坐标系O1中的空间三维坐标；
所述在所述对接结构体上安装定量化伸缩移动的测量平台后，将所述测量平台的旋转中心与所述对接结构体的空间直角坐标系O2进行联测，并获得所述测量平台的旋转中心在所述坐标系O2中的空间三维坐标；
所述在所述测量平台上安装所述测量单元后，以所述测量平台的旋转中心为代表位置和坐标原点建立移动平台坐标系O3，将所述水下摄影测量单元与坐标系O3进行联测，确定所述水下摄影测量单元在所述坐标系O3中的空间三维初始坐标。
作为进一步的改进技术方案，所述确定所述水下摄影测量单元在所述坐标系O3中的空间三维初始坐标后，以水下摄影测量单元中心为代表位置和坐标原点建立坐标系O4。
作为进一步的改进技术方案，所述发送测量指令给测量单元，测量单元接收到所述测量指令后，测量单元从对接结构体移动到承接结构体的标记点上方包括：
对所述测量平台发送测量指令，所述测量平台通过测量平台带动所述水下摄影测量单元从对接结构体向承接结构体方向移动；
所述水下摄影测量单元持续进行位置探测，并辅助测量平台根据探测到的合作靶标位置带动水下摄影测量单元移动到合作靶标上方。
作为进一步的改进技术方案，所述根据所述测量单元运动的距离和方向测量得到一个坐标，所述坐标为测量单元安装位置相对于标记点位置的坐标包括：
在所述水下摄影测量单元运动过程中采用增量式编码器测量所述水下摄影测量单元移动的距离和角度，获取所述水下摄影测量单元在所述坐标系O3 中的移动距离及方向的观测量；
测定合作靶标在坐标系O4下的空间三维坐标，通过水下摄影测量参数与增量式编码器测量值将合作靶标在坐标系O4下的空间三维坐标转换至坐标系O3中，并得到合作靶标在坐标系O3中的空间三维坐标；
将所述合作靶标在O3中的空间三维坐标转换至坐标系O2中，并得到合作靶标在坐标系O2中的空间三维坐标。
作为进一步的改进技术方案，所述根据所述坐标计算出对接结构体与承接结构体之间的相对位姿关系包括；
根据所述合作靶标在坐标系O2中的空间三维坐标与所述合作靶标在坐标系O1中对应的空间三维坐标计算当前对接结构体与承接结构体之间的三轴方向偏差与位移偏差，构建坐标转换模型，并根据所述三轴方向偏差与位移偏差解算坐标系O2与坐标系O1之间的转换参数；
根据计算得到的所述坐标系O2与坐标系O1之间的转换参数，计算所述对接结构体当前位置与设计位置之间的相对位置偏差量。
一种水下构件相对位姿测量装置，所述装置包括：安装在对接结构体上定量化伸缩移动的测量平台和安装在承接结构体上的合作靶标，所述定量化伸缩移动的测量平台上设有水下摄影测量单元。
作为进一步的改进技术方案，所述定量化伸缩移动的测量平台包括增量式编码器、旋转装置和伸缩装置，所述伸缩装置安装在旋转装置上，所述水下摄影测量单元安装在伸缩装置上，所述增量式编码器分别与伸缩装置和旋转装置相连。
作为进一步的改进技术方案，所述水下摄影测量单元包括摄影测量相机，所述摄影测量相机安装在密封罩内，所述密封罩底部设有浮力板，所述密封罩上还设有清水喷射装置。
相较于现有技术本发明采用测量方法包括：发送测量指令给测量单元，测量单元接收到所述测量指令后，测量单元从对接结构体移动到承接结构体的标记点上方；根据所述测量单元运动的距离和方向测量得到一个坐标，所述坐标为测量单元安装位置相对于标记点位置的坐标；根据所述坐标计算出对接结构体与承接结构体之间的相对位姿关系，采用该方法后能够对水深较深的施工区域进行水下大型结构的高精度相对位姿测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明的一种水下构件相对位姿测量方法的流程图。
图2是本发明的一种水下构件相对位姿测量方法的对接示意图。
图3是本发明的一种水下构件相对位姿测量方法的测量示意图。
图4是本发明的一种水下构件相对位姿测量方法的使用状态图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图，详细说明本申请的各种非限制性实施方式。
如图1-4所示，本申请实施例提供的一种水下构件相对位姿测量方法，方法包括如下步骤：
S1，发送测量指令给测量单元，测量单元接收到所述测量指令后，测量单元从对接结构体移动到承接结构体的标记点上方；
具体的，对所述测量平台发送测量指令，所述测量平台通过测量平台带动所述水下摄影测量单元从对接结构体向承接结构体方向移动，所述测量平台带动水下摄影测量单元移动到合作靶标上方，并持续进行运动位置与姿态变化量测量，辅助并探测合作靶标的相对位置。
所述发送测量指令给测量单元，测量单元接收到所述测量指令后，测量单元从对接结构体移动到承接结构体的标记点上方包括：
S101，对所述测量平台发送测量指令，所述测量平台通过测量平台带动所述水下摄影测量单元从对接结构体向承接结构体方向移动；
S102，所述水下摄影测量单元持续进行位置探测，并辅助测量平台根据探测到的合作靶标位置带动水下摄影测量单元移动到合作靶标上方。
在所述发送测量指令给测量单元之前还包括：
在所述对接结构体上安装定量化伸缩移动的测量平台，在所述测量平台上安装所述测量单元，所述测量单元为水下摄影测量单元；
在所述承接结构体上设置标记点，所述标记点为安装在承接结构体上的合作靶标。
所述在所述承接结构体上设置标记点后，将所述合作靶标与所述承接结构体的空间直角坐标系O1进行联测，并获取所述合作靶标在所述坐标系O1 中的空间三维坐标；
具体的，在测量平台及水下摄影测量单元安装完成后，需要对测量平台以及水下摄影测量单元测量传感器的安装参数、靶标畸变参数、增量式编码器***偏差、相机光学参数等进行精确标定。
承接结构体上可设置若干个合作靶标，合作靶标在所述坐标系O1中的空间三维坐标为：其中N为所布设合作靶标的总数。
所述在所述对接结构体上安装定量化伸缩移动的测量平台后，将所述测量平台的旋转中心与所述对接结构体的空间直角坐标系O2进行联测，并获得所述测量平台的旋转中心在所述坐标系O2中的空间三维坐标；
具体的，坐标系O2中O为坐标原点，Y轴与对接结构体轴线平行，并指向承接结构体方向，Z轴垂直向上，X轴垂直于ZOY平面，并与Y轴和Z 轴构成右手系，对接结构体上可安装若干个测量平台，测量平台在所述坐标系O2中的空间三维坐标为：{(X2_i,Y2_i,Z2_i)|i＝1,2,...N}，其中N为所布设测量平台的总数。
所述在所述测量平台上安装所述测量单元后，以所述测量平台的旋转中心为代表位置和坐标原点建立移动平台坐标系O3，将所述水下摄影测量单元与坐标系O3进行联测，确定所述水下摄影测量单元在所述坐标系O3中的空间三维初始坐标；
具体的，坐标系O3用以标定水下摄影测量单元中心的移动距离及方向。坐标系O3的坐标原点为测量平台的旋转中心，坐标轴指向与坐标系O2一致。设水下摄影测量单元中心在移动平台坐标系O3中的初始坐标为与坐标系O2 之间的转换函数两者之间的转换关系如公式(1)：
其中，[x2_i,y2_i,z2_i]T为水下摄影测量单元中心初始位置[x3_i,y3_i,z3_i]T对应到坐标系O2中的位置，N为所布设的水下测量平台的总数。
三者构成坐标轴方向转换矩阵。其中，R1为绕Z轴方向的安置方向偏差Δθ组成的旋转矩阵，R2为绕X轴方向的安置方向偏差Δφ组成的旋转矩阵，R3为绕Y轴方向的安置方向偏差Δψ组成的旋转矩阵，[ΔXi,ΔYi,ΔZi]T为坐标平移偏差。
以上安置方向偏差可通过高精度工业测量或校准测量获取。此处， [ΔXi,ΔYi,ΔZi]T可对应代入坐标系O3的原点在坐标系O2中的坐标值 {(X2_i,Y2_i,Z2_i)|i＝1,2,...N}代替。
所述确定所述水下摄影测量单元在所述坐标系O3中的空间三维初始坐标后，以水下摄影测量单元中心为代表位置和坐标原点建立坐标系O4。
具体的，坐标系O4的坐标原点位于水下摄影测量相机中心，Y轴与影像平面纵轴线平行且指向影像平面上方，X轴与影像平面水平轴线平行且指向影像平面右方向，Z轴垂直于XOY平面并于另外两轴组成右手系。
S2，根据所述测量单元运动的距离和方向测量得到一个坐标，所述坐标为测量单元安装位置相对于标记点位置的坐标；
具体的，测量单元运动时，根据测量单元运动的距离和方向测量得到一个动态的相对位置关系，所述动态的位置关系为测量单元安装位置相对于标记点位置的实时偏差量，当测量单元从对接结构体移动到承接结构体的标记点上方时，根据测量单元运动的总距离和方向测量得到一个坐标，所述坐标为测量单元安装位置相对于标记点位置的坐标。
所述根据所述测量单元运动的距离和方向测量得到一个坐标，所述坐标为测量单元安装位置相对于标记点位置的坐标包括：
S201，在所述水下摄影测量单元运动过程中采用增量式编码器测量所述水下摄影测量单元移动的距离和角度，水下摄影测量获取所述水下摄影测量单元在所述坐标系O3中的移动距离及方向的观测量；
具体的，在测量过程中，采用高精度增量式编码器测量伸缩装置的精确伸缩量di，及其相对于垂直旋转轴和水平旋转轴的运动旋转方向角{θi,ψi}。因此，水下平台移动过程中，摄影测量相机中心位于坐标系O3中的实时位置可表示为公式(2)：
其中，[x3_i,y3_i,z3_i]T为摄影测量相机中心在坐标系O3中的初始位置。
S202，测定合作靶标在坐标系O4下的空间三维坐标，通过摄影测量参数与增量式编码器测量值将合作靶标在坐标系O4下的空间三维坐标转换至坐标系O3中，并得到合作靶标在坐标系O3中的空间三维坐标；
满足视觉测量条件下，测定对应合作靶标代表位置在坐标系O4下的准确空间位置基于摄影测量参数与增量式编码器测量值/>将坐标转换至移动平台坐标系O3，并得到其在O3中的准确位置坐标：/>
S203，将所述合作靶标在O3中的空间三维坐标转换至坐标系O2中，并得到合作靶标在坐标系O2中的空间三维坐标。
具体的，根据公式(2)将将所述合作靶标在O3中的空间三维坐标转换至坐标系O2中，得到合作靶标在坐标系O2中的空间三维坐标/>
根据公式(1)和公式(2)计算合作靶标在坐标系O2中的实时位置的公式：
上式中，Ri为一个正交旋转矩阵，描述了空间直角坐标系O4三轴指向与 O2坐标轴指向偏差及其旋转关系；
S3，根据所述坐标计算出对接结构体与承接结构体之间的相对位姿关系。
所述根据所述坐标计算出对接结构体与承接结构体之间的相对位姿关系包括；
S301，根据所述合作靶标在坐标系O2中的空间三维坐标与所述合作靶标在坐标系O1中对应的空间三维坐标计算当前对接结构体与承接结构体之间的三轴方向偏差与位移偏差，构建坐标转换模型，并根据所述三轴方向偏差与位移偏差解算坐标系O2与坐标系O1之间的转换参数；
根据计算得到的所述坐标系O2与坐标系O1之间的转换参数，计算所述对接结构体当前位置与设计位置之间的相对位置偏差量。
具体的，合作靶标坐标与合作靶标坐标/>为相同合作靶标代表位置在坐标系O2和坐标系O1中的不同坐标值，其中， i＝1,2,...N，N为所布设合作靶标的总数。
根据公式(1)构建坐标系实时转换模型(3)：
其中，[X1_i,Y1_i,Z1_i]T为坐标系O1中的坐标值，[x2_i,y2_i,z2_i]T为坐标系 O2中的坐标值，[Δxi,Δyi,Δzi]T为平移因子，λi为尺度因子，Ri为一个正交的旋转矩阵，其含义可参考公式(1)，设a，b，c为相互独立的参数，为计算Ri，可表示为如下罗德里格矩阵(4)：
综合上式(3)和式(4)，{λi,a,b,c,Δxi,Δyi,Δzi}为实时坐标转换模型参数，在合作靶标代表位置数量大于3时可通过最小二乘方法进行估计。
根据以上罗德里格矩阵(4),由坐标系O2下的合作靶标的三维坐标计算得到当前时刻其在坐标系O1中的实时位置坐标值/>在此基础上，将该坐标值与其在水下安装的设计位置坐标/>进行比较，并计算三轴方向偏差值：
当所有合作靶标三轴方向偏差均符合水下对接作业要求时，水下工程构件对接完成。当各向偏差值不符合要求时，将偏差值[δXi,δYi,δZi]T通过水下通讯方式发送至水上沉放控制平台，并根据具体偏移量调整构件在水下的位置与姿态。
一种水下构件相对位姿测量装置，所述装置包括：安装在对接结构体上定量化伸缩移动的测量平台和安装在承接结构体上的合作靶标，所述定量化伸缩移动的测量平台上设有水下摄影测量单元，所述定量化伸缩移动的测量平台包括增量式编码器、旋转装置和伸缩装置，所述伸缩装置安装在旋转装置上，所述水下摄影测量单元安装在伸缩装置上，所述增量式编码器分别与伸缩装置和旋转装置相连，具体的，增量式编码器分别与伸缩装置和旋转装置可同时进行电连接及信号连接，所述水下摄影测量单元包括摄影测量相机，所述摄影测量相机安装在密封罩内，所述密封罩底部设有浮力板，所述密封罩上还设有清水喷射装置。
实施时，旋转装置可带动伸缩装置转动，伸缩装置可带动水下摄影测量单元前后移动，为防止摄影测量相机进水，需将摄影测量相机安装在密封罩内，为保证良好的摄像环境，清水喷射装置可在浑水情况下喷清水构建良好的测量环境，浮力板可抵消摄影测量相机、密封罩的重量对运动装置的影响，增量式编码器可实时测量伸缩装置的精确伸缩量di与相对于其垂直旋转装置的运动方向偏差。
定量化伸缩移动的测量平台的伸缩装置在搭载水下摄影测量单元后容易受重力、水流、涌浪、湍流等复杂水下动力影响而产生弹性形变，从而影响位置解算精度。为抑制相关形变对水下位置解算精度的不利干扰，本方案采用高强度材料的伸缩装置基础上，再在伸缩装置上采用稳定性几何结构及浮块，抵抗重力及水动力条件下对测量平台造成的弹性变化，提高测量平台整体稳定性。
另外，为提高水下合作靶标探测精度，可在合作靶标设计图案中设置用于相机视觉对准的明显标志作为探测合作靶标的外部代表位置，以提高水下水下摄影测量的过程中相机的瞄准精度，对于具有内部空间的水下对接构件，也可根据其内外结构设置对应外部表面合作靶标的内部测量标志位置作为内部代表位置，以便施工前后采用贯通测量方式进行坐标联测与精度验证，合作靶标也可是主动光源靶标或发光标志按照一定构型组成，合作靶标正中心设计有中心测量标志，以确定靶标和相机的相对位置关系，为保护合作靶标在水中的稳定性，避免外力或水体腐蚀对合作靶标造成的损坏，设置水下保护罩或伺服开关***，即在非作业状态下，合作靶标可由水下密封保护，水下对接作业开始后，可由水下伺服开关***自动打开标志保护盖并向合作靶标供电。
相较于现有技术本发明采用测量方法包括：发送测量指令给测量单元，测量单元接收到所述测量指令后，测量单元从对接结构体移动到承接结构体的标记点上方；根据所述测量单元运动的距离和方向测量得到一个坐标，所述坐标为测量单元安装位置相对于标记点位置的坐标；根据所述坐标计算出对接结构体与承接结构体之间的相对位姿关系，采用该方法后能够对水深较深的施工区域进行水下大型结构的高精度相对位姿测量。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (3)
1.一种水下构件相对位姿测量方法，其特征在于，所述水下构件相对位姿测量方法包括：
发送测量指令给测量单元，测量单元接收到所述测量指令后，测量单元从对接结构体移动到承接结构体的标记点上方；
根据所述测量单元运动的距离和方向测量得到一个坐标，所述坐标为测量单元安装位置相对于标记点位置的坐标；
根据所述坐标计算出对接结构体与承接结构体之间的相对位姿关系其中，在所述发送测量指令给测量单元之前还包括：
在所述对接结构体上安装定量化伸缩移动的测量平台，在所述测量平台上安装所述测量单元，所述测量单元为水下摄影测量单元；
在所述承接结构体上设置标记点，所述标记点为安装在承接结构体上的合作靶标；
所述在所述承接结构体上设置标记点后，将所述合作靶标与所述承接结构体的空间直角坐标系O1进行联测，并获取所述合作靶标在所述坐标系O1中的空间三维坐标；
所述在所述对接结构体上安装定量化伸缩移动的测量平台后，将所述测量平台的旋转中心与所述对接结构体的空间直角坐标系O2进行联测，并获得所述测量平台的旋转中心在所述坐标系O2中的空间三维坐标；
所述在所述测量平台上安装所述测量单元后，以所述测量平台的旋转中心为代表位置和坐标原点建立移动平台坐标系O3，将所述水下摄影测量单元与坐标系O3进行联测，确定所述水下摄影测量单元在所述坐标系O3中的空间三维初始坐标；
所述确定所述水下摄影测量单元在所述坐标系O3中的空间三维初始坐标后，以水下摄影测量单元中心为代表位置和坐标原点建立坐标系O4；
所述发送测量指令给测量单元，测量单元接收到所述测量指令后，测量单元从对接结构体移动到承接结构体的标记点上方包括：
对所述测量平台发送测量指令，所述测量平台通过测量平台带动所述水下摄影测量单元从对接结构体向承接结构体方向移动；
所述水下摄影测量单元持续进行位置探测，并辅助测量平台根据探测到的合作靶标位置带动水下摄影测量单元移动到合作靶标上方；
所述根据所述测量单元运动的距离和方向测量得到一个坐标，所述坐标为测量单元安装位置相对于标记点位置的坐标包括：
在所述水下摄影测量单元运动过程中采用增量式编码器测量所述水下摄影测量单元移动的距离和角度，获取所述水下摄影测量单元在所述坐标系O3中的移动距离及方向的观测量；
测定合作靶标在坐标系O4下的空间三维坐标，通过水下摄影测量参数与增量式编码器测量值将合作靶标在坐标系O4下的空间三维坐标转换至坐标系O3中，并得到合作靶标在坐标系O3中的空间三维坐标；
将所述合作靶标在O3中的空间三维坐标转换至坐标系O2中，并得到合作靶标在坐标系O2中的空间三维坐标；
所述根据所述坐标计算出对接结构体与承接结构体之间的相对位姿关系包括；
根据所述合作靶标在坐标系O2中的空间三维坐标与所述合作靶标在坐标系O1中对应的空间三维坐标计算当前对接结构体与承接结构体之间的三轴方向偏差与位移偏差，构建坐标转换模型，并根据所述三轴方向偏差与位移偏差解算坐标系O2与坐标系O1之间的转换参数；
根据计算得到的所述坐标系O2与坐标系O1之间的转换参数，计算所述对接结构体当前位置与设计位置之间的相对位置偏差量。
2.一种水下构件相对位姿测量装置，用于实现如权利要求1所述的一种水下构件相对位姿测量方法，其特征在于，所述装置包括：安装在对接结构体上定量化伸缩移动的测量平台和安装在承接结构体上的合作靶标，所述定量化伸缩移动的测量平台上设有水下摄影测量单元，所述定量化伸缩移动的测量平台包括增量式编码器、旋转装置和伸缩装置，所述伸缩装置安装在旋转装置上，所述水下摄影测量单元安装在伸缩装置上，所述增量式编码器分别与伸缩装置和旋转装置相连。
3.根据权利要求2所述的一种水下构件相对位姿测量装置，其特征在于，所述水下摄影测量单元包括水下摄影测量相机，所述水下摄影测量相机安装在密封罩内，所述密封罩底部设有浮力板，所述密封罩上还设有清水喷射装置。
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