一种用于船舶分段的分类与分级检测方法及系统与流程

本发明涉及精密测量，尤其涉及一种用于船舶分段的分类与分级检测方法及系统。

背景技术：

1、在船舶、海工平台等大型装备的制造过程中，分段建造是核心环节。其中分段的尺寸精度直接决定了后续总组和搭载的效率以及最终船体的线型质量，因此，对分段进行快速、精确的三维测量是现代化造船的关键技术之一。现阶段，分段三维测量主要存在以下几种技术路线：全站仪人工测量法，测量人员使用全站仪，依靠经验在被测分段上选择结构交点、板边缘等特征点，进行逐点测量，再将测量点导入软件与模型进行匹配和分析；三维激光扫描技术，通过高速激光扫描快速获取被测分段表面的海量点云数据，以完整反映分段的三维形貌；基于光靶片的自动测量方法，预先在分段上需要测量的所有点位粘贴带有编码或无编码的光靶片，再由自动化测量设备自动识别和测量这些光靶片的中心坐标。

2、然而，上述现有技术路线均存在各自难以克服的缺陷，全站仪人工测量法效率低下，每个点均需人工瞄准、测量和记录，耗时漫长，且选点和瞄准依赖于操作员经验，主观性强，易引入人为误差。三维激光扫描技术虽然数据完整，但海量点云数据需要经过复杂的去噪、配准、建模等后处理过程，对硬件计算能力和软件算法要求高，处理周期较长，并且单次扫描范围有限，当分段较大和较高时，需要通过粘贴和回收大量转站靶进行点云拼接，操作困难且耗时。基于光靶片的自动测量方法虽然实现了测量动作的自动化，但准备工作繁琐，一个分段需要测量几十到上百个点，粘贴对应数量的光靶片工作量大、粘贴难度高，且光靶片多为一次性使用，存在材料成本高和回收处理不便的问题。由此可见，无论是追求无遗漏的全局扫描，还是追求自动化的全面粘贴，均牺牲了另一方面的关键指标，无法兼顾测量全面性、执行效率与经济成本，测量放大的整体效能不佳。

技术实现思路

1、本发明提供了一种用于船舶分段的分类与分级检测方法及系统，能够解决现有技术中测量全面性、执行效率与经济成本三者不可兼得的技术问题，在保证高精度检测的基础上有效提升了测量效率。

2、本发明提供了一种用于船舶分段的分类与分级检测方法，包括：

3、基于预设分段三维模型进行结构点位分类，得到三维分类布局结果和三维分类布局模型；

4、基于所述三维分类布局结果进行船舶分段光靶布局和初步光靶测量，得到检测点坐标数据和建系点坐标数据；

5、基于所述建系点坐标数据进行精细光靶测量，得到建系点光靶数据；

6、在所述三维分类布局结果中得到所述建系点光靶数据对应的基准坐标数据，基于所述基准坐标数据和建系点光靶数据构建转换指引矩阵；

7、基于所述检测点坐标数据进行精细光靶测量，获取实测光靶中心数据；

8、在所述三维分类布局结果中选取若干面直测点阵列，基于若干所述面直测点阵列和转换指引矩阵获取对应的若干理论阵列坐标数据，并基于若干所述理论阵列坐标数据进行激光测量，获取实测光斑中心数据；

9、在所述三维分类布局结果中提取若干结构交点，基于若干所述结构交点和转换指引矩阵获取对应的若干理论交点坐标数据，并基于若干所述理论交点坐标数据进行局部点云测量，获取实测交点坐标数据；

10、基于所述转换指引矩阵将所述建系点光靶数据、实测光靶中心数据、实测光斑中心数据和实测交点坐标数据导入所述三维分类布局模型中进行对应偏差拟合，获取船舶分段精度检测结果。

11、上述方案通过预先在预设分段三维模型中对结构点位进行分类，形成包含不同类别测量点的三维分类布局，以基于三维分类布局结果执行差异化的靶标策略，仅对部分关键点位进行光靶测量，如对建系点执行精细光靶测量以构建转换指引矩阵，然后分别进行光靶测量、激光测量和局部点云测量三种不同的测量手段，获取实测光靶中心、实测光斑中心和实测交点坐标，最终将所有实测数据通过转换指引矩阵统一导入三维分类布局模型中进行偏差拟合，得到分段精度检测结果，通过分类管理、分级处理以及聚焦执行实现对关键点保障高精度、对大量一般点采用无靶或无接触方式进行检测的高效覆盖检测方法，在降低物料成本与准备工时的同时，兼顾了数据的全面性与测量效率，实现高效率的高精度检测，解决了现有技术中无法兼顾测量全面性、执行效率与经济成本的技术问题。

12、进一步地，所述基于预设分段三维模型进行结构点位分类，得到三维分类布局结果和三维分类布局模型，包括：

13、基于预设分段三维模型进行结构点位分类，获取结构交点集、基准点集、形变监测点集、线直测点集和面直测点集；

14、从所述结构交点集中随机选取至少四个不共面的结构交点作为建系点集；

15、基于所述建系点集得到第一类光靶点位集，基于所述基准点集和形变监测点集得到第二类光靶点位集，基于所述线直测点集得到第三类光靶点位集；

16、集合所述第一类光靶点位集、第二类光靶点位集、第三类光靶点位集、结构交点集和面直测点集形成三维分类布局结果；

17、基于所述三维分类布局结果在所述预设分段三维模型中进行分类标识，得到三维分类布局模型。

18、上述方案将结构点位分类具体化为结构交点集、基准点集、形变监测点集、线直测点集和面直测点集五类，并从结构交点集中选取至少四个不共面的点作为建系点集，进而据此划分出三类光靶点位集，再与无需光靶的结构交点集和面直测点集共同形成三维分类布局结果，并在模型中进行分类标识；依据测量点的功能属性与几何特征建立了完整的智能分类规则，解决了传统方法对所有点位一刀切处理从而导致后续策略无法差异化的问题，仅在部分关键点位进行光靶测量，在保证测量效率的同时实现精准测量，为分级粘贴光靶和分级自动测量提供明确的决策依据，从源头上保障了后续差异化执行策略的可行性与精准性。

19、进一步地，基于所述三维分类布局结果进行船舶分段光靶布局和初步光靶测量，得到检测点坐标数据和建系点坐标数据，包括：

20、基于所述三维分类布局结果中的第一类光靶点位集在船舶分段的对应位置设置第一类编码光靶片；

21、基于所述三维分类布局结果中的第二类光靶点位集在所述船舶分段的对应位置设置第二类编码光靶片；

22、基于所述三维分类布局结果中的第三类光靶点位集在所述船舶分段的对应位置设置第三类编码光靶片；

23、驱动测量设备对所述第一类编码光靶片进行初步光靶测量，得到建系点坐标数据；

24、驱动所述测量设备对所述第二类编码光靶片和第三类编码光靶片进行初步光靶测量，得到检测点坐标数据。

25、上述方案采用分级用靶策略颠覆传统全部粘贴光靶的做法，仅对核心建系点等关键点位使用光靶，大幅减少了光靶片的消耗数量和人工粘贴工时，解决了现有自动测量方法中准备工作繁琐、光靶片一次性使用造成材料成本高和浪费的问题，同时通过不同类别编码光靶片的区分，为后续测量设备的自动识别与差异化处理提供物理基础。

26、进一步地，所述基于所述检测点坐标数据进行精细光靶测量，获取实测光靶中心数据，包括：

27、获取测量设备的空间位姿数据；

28、对于所述检测点坐标数据中的任意待测检测点，基于所述预设分段三维模型获取待测检测点坐标，基于所述空间位姿数据和待测检测点坐标进行转角计算，获取转台转角数据，并基于所述转台转角数据驱动所述测量设备进行位姿变换和光靶测量，获取实测光靶中心坐标；

29、获取所述检测点坐标数据中所有待测检测点坐标一一对应的若干所述实测光靶中心坐标，集合若干所述实测光靶中心坐标形成实测光靶中心数据。

30、上述方案利用模型理论坐标与设备空间位姿的已知关系，直接计算出对准目标所需的转台角度，使测量设备能够跳过耗时的大范围盲目扫描搜索过程，直接聚焦于目标光靶所在的小范围区域进行高分辨率成像，从而显著提升单个光靶点的测量效率，解决现有自动化测量设备需要大范围盲扫而导致执行效率低下的问题。

31、进一步地，所述对于所述检测点坐标数据中的任意待测检测点，基于所述预设分段三维模型获取待测检测点坐标，基于所述空间位姿数据和待测检测点坐标进行转角计算，获取转台转角数据，并基于所述转台转角数据驱动所述测量设备进行位姿变换和光靶测量，获取实测光靶中心坐标，包括：

32、对于所述检测点坐标数据中的任意待测检测点：

33、在所述预设分段三维模型中获取所述待测检测点的待测检测点坐标，基于所述待测检测点坐标和转换指引矩阵得到对应的检测点基准物理坐标；

34、所述空间位姿数据包括所述测量设备的转台中心坐标，基于所述转台中心坐标和检测点基准物理坐标计算待测空间向量；

35、基于所述待测空间向量计算转台转角数据；

36、基于预设起始方向对所述测量设备进行位姿标定，并基于所述转台转角数据驱动所述测量设备进行位姿变换和光靶测量，获取实测光靶中心坐标。

37、上述方案将模型空间的理论坐标通过已建立的指引矩阵精确映射至物理空间，基于模型空间坐标实现对测量设备的指引定位，避免低效的盲扫搜索，确保测量设备能够快速、精准地对准目标区域。

38、进一步地，所述空间位姿数据包括所述测量设备的转台中心坐标，基于所述转台中心坐标和检测点基准物理坐标计算待测空间向量，包括：

39、所述空间位姿数据还包括所述测量设备的预设偏心距向量；

40、基于所述预设偏心距向量和转台中心坐标获取转台实际坐标；

41、基于所述转台实际坐标和检测点基准物理坐标计算待测空间向量。

42、上述方案解决了因测量设备（如相机）的光心与转台旋转中心不重合而引入的视轴指向偏差问题，使得计算出的转台角度能够精确补偿设备自身的物理安装误差，确保目标光靶准确出现在相机视场的中心区域，提升了模型指引的精准度和一次对准成功率，避免因偏心未补偿而导致目标偏离视场、需要额外搜索的情况。

43、进一步地，所述基于所述待测空间向量计算转台转角数据，包括：

44、从所述待测空间向量中得到横坐标差值、纵坐标差值和竖坐标差值；

45、对所述纵坐标差值与横坐标差值的比值绝对值进行反正切函数求解，获取初始水平旋转角；

46、基于所述横坐标差值和纵坐标差值获取象限判断结果，并基于所述象限判断结果对所述初始水平旋转角进行角度象限修正，获取水平旋转角；

47、基于所述横坐标差值和纵坐标差值进行水平投影距离计算，获取水平投影距离；

48、基于预设俯仰角范围对所述竖坐标差值与水平投影距离的比值进行反正切函数求解，获取俯仰角；

49、集合所述水平旋转角和俯仰角形成转台转角数据。

50、上述方案将模型指引的几何关系转化为伺服转台可直接执行的旋转角度指令，使得抽象的空间指引落地为具体的运动控制参数，解决了从空间坐标到设备动作之间的数学转换问题，为后续的自动化精准定位提供了可直接调用的控制量。

51、进一步地，在所述基于预设起始方向对所述测量设备进行位姿标定，并基于所述转台转角数据驱动所述测量设备进行位姿变换和光靶测量，获取实测光靶中心坐标中，所述位姿变换的进行过程包括：

52、基于所述转台转角数据中的水平旋转角驱动所述测量设备按照预设调整方向进行旋转，到达目标水平角度；

53、基于所述转台转角数据中的俯仰角进行俯仰角判断，当所述俯仰角为正值时，基于所述俯仰角驱动所述测量设备按照仰角方向进行旋转，到达目标俯仰角度，当所述俯仰角为负值时，基于所述俯仰角的绝对值驱动所述测量设备按照俯角方向进行旋转，到达目标俯仰角度，以使所述测量设备基于所述目标水平角度和目标俯仰角度进行光靶测量。

54、上述方案明确了测量设备的旋转方向定义与实际运动执行逻辑，解决了计算出的角度值如何转化为正确物理动作的问题，确保测量设备能够准确地从当前姿态调整至目标测量姿态，避免因方向错误导致对准失败。

55、进一步地，在所述空间位姿数据还包括所述测量设备的当前位姿角度；在所述基于所述待测空间向量计算转台转角数据之后，还包括：

56、得到所述当前位姿角度中的起始水平角度和起始俯仰角度；

57、基于所述转台转角数据中的水平旋转角对所述起始水平角度进行做差计算，获取水平驱动角度；

58、基于所述转台转角数据中的俯仰角对所述起始俯仰角度进行做差计算，获取俯仰驱动角度；

59、基于所述水平驱动角度和俯仰驱动角度驱动所述测量设备进行位姿变换和光靶测量，获取实测光靶中心坐标。

60、上述方案提供了另一种不依赖预设零位标定的转台驱动方案，直接读取设备的当前位姿角度，并将计算得到的转台转角数据中的水平旋转角和俯仰角分别与当前起始角度作差得到实际的水平驱动角度和俯仰驱动角度，再据此驱动设备，从而无需在每次测量前对设备进行零位标定，能够基于当前任意姿态直接计算相对旋转量，提升对现场复杂部署条件的适应性和操作便捷性。

61、本发明提供的一种用于船舶分段的分类与分级检测方法，通过将预设分段三维模型中的测量点按功能与几何属性智能划分为至少六类，并据此执行分级光靶粘贴策略和差异化自动测量手段，即对建系点和关键监测点采用光靶精密测量以保证基准精度，对面直测点采用主动激光生成特征实现瞬时无接触测量，对大量结构交点采用局部点云几何分析解析坐标，最后通过统一的转换指引矩阵将多源实测数据融合至模型空间进行偏差拟合；以模型驱动、分类施策的方式，系统性地打破了现有技术中测量全面性、执行效率与经济成本三者不可兼得的僵局，实现了高精度基准保障下的整体测量效率跃升以及物料成本与准备工时的大幅降低，以及实现了对复杂建造现场非理想实物状态的强鲁棒适应性。

62、本发明还提供一种用于船舶分段的分类与分级检测系统，包括：

63、分类布局模块，用于基于预设分段三维模型进行结构点位分类，得到三维分类布局结果和三维分类布局模型；

64、初步数据测量模块，用于基于所述三维分类布局结果进行船舶分段光靶布局和初步光靶测量，得到检测点坐标数据和建系点坐标数据；

65、建系数据获取模块，用于基于所述建系点坐标数据进行精细光靶测量，得到建系点光靶数据；

66、坐标转换模块，用于在所述三维分类布局结果中得到所述建系点光靶数据对应的基准坐标数据，基于所述基准坐标数据和建系点光靶数据构建转换指引矩阵；

67、光靶测量模块，用于基于所述检测点坐标数据进行精细光靶测量，获取实测光靶中心数据；

68、激光测量模块，用于在所述三维分类布局结果中选取若干面直测点阵列，基于若干所述面直测点阵列和转换指引矩阵获取对应的若干理论阵列坐标数据，并基于若干所述理论阵列坐标数据进行激光测量，获取实测光斑中心数据；

69、点云测量模块，用于在所述三维分类布局结果中提取若干结构交点，基于若干所述结构交点和转换指引矩阵获取对应的若干理论交点坐标数据，并基于若干所述理论交点坐标数据进行局部点云测量，获取实测交点坐标数据；

70、精度检测模块，用于基于所述转换指引矩阵将所述建系点光靶数据、实测光靶中心数据、实测光斑中心数据和实测交点坐标数据导入所述三维分类布局模型中进行对应偏差拟合，获取船舶分段精度检测结果。

71、本发明提供的一种用于船舶分段的分类与分级检测系统，通过分类布局模块、初步数据测量模块、建系数据获取模块、坐标转换模块、光靶测量模块、激光测量模块、点云测量模块和精度检测模块的协同工作，使得系统能够依据测量点的不同功能属性自动采取最优化的测量策略，实现了对分段精度状态的智能化、自动化获取与评价，在保证高精度检测的基础上有效提升了测量效率以及降低了实施成本。解决了传统系统无法兼顾测量全面性、执行效率和经济成本的技术问题。