0 引　言

船舶建造是一项大型、复杂的系统工程，会涉及到在指定安装位置上进行船体表面的测量、定位和标识的问题。船舶表面形状大多为双曲率空间复杂形状，空间放置位置也常有立放、仰放等作业人员很难对其进行精确测量、定位与标识的条件，而且这样类似的作业工作量还非常大。因为船舶构件安装装配的复杂性和现场条件的限制，以及安装装配现场进行精确定位和标识设备的缺乏，从而对安装点的误差控制也造成了困难。另外，采用人工作业方式由于场地的限制与人为操作的不确定性，整个标识过程存在安装装配精度低、劳动强度大、工作时间长、稳定性不易得到保证等问题。利用测量系统对车间内船体进行扫描测量，定位系统定位用以在船体表面进行标识的标识装置来进行标识作业将是一种新型的较高效率、较高精度的工作模式。

快速精确测量技术在飞机的装配制造中应用较广，通过采用先进测量技术^[1]，已经实现飞机装配车间全空间的快速测量^[2]。在船舶建造中也开始采用高精度测量手段，应用于船台的精确测量装配^[3]，相应的在船体表面标识划线标识装置则相对较少。定位系统的定位原理及定位方式将直接影响定位的精度^[4]。标识划线执行装置多为机械臂标识与机器人标识。机械臂标识自由度高，还需提供相应的移动支撑平台，工作时受环境限制较多^[5]，而具备吸附和爬行功能的爬壁式机器人则可用于船舶建造车间作业^[6]。日本最早制作了爬壁式机器人的原理样机^[7]，其后这一类可在立放和仰放位置作业面上吸附的机器人在国内外均有研究，俄国机械科学研究院开发出应用清洗工作的单吸盘式爬壁式机器人^[8]，国内研制出用于船舶除锈清洗的吸附机器人^[9]，但其主要作业方式为表面清洗。与此相比，进行船舶表面标识的机器人需要更高的精度要求，目前具备这一功能的吸附爬壁式机器人相对较少。

本文在介绍三维数字场构成的基础上，提出基于三维数字场的船体表面测量定位标识系统，并对组成此系统的测量系统、室内空间定位系统以及标识划线执行装置系统等 3 个子系统进行了重点探讨。并在船厂车间条件下，以船体表面敷设柔性矩形块的定位点标识作为研究对象，通过开发测量、室内空间定位、标识划线执行装置系统，实现了在车间三维数字场中的完整原理性作业，验证了提高作业精度和效率的可行性。

1 三维数字场及基于数字场的船体表面测量定位标识系统框架

三维数字场是指通过高精度的测量仪器，选择能够覆盖全车间的若干能够满足定位要求的定位基点A_n ，通过三维数字场空间测量定位，实现全空间高精度测量，得到全空间数字化模型。三维数字场能够对车间内全空间进行高精度测量定位，在船舶建造中安装调试、物流运输、数据存储、测量定位等方面能给予高精度数字化支持，拥有提高装配安装精度、加快物流运输速度、统一测量信息等优势。基于三维数字场的测量定位标识系统其主要工作原理如图 1 所示，选取若干能够满足定位要求的基点A_n ，并将基点坐标统一，建立整体坐标系；应用激光雷达对待标识船体表面进行扫描测量，将扫描数据在计算机内进行处理，通过与三维设计建立的理论数据进行比对，参照公差标准，并通过坐标变换得到最终船体数字化模型，并将理论数据中的标识点信息映射到数字化模型中；超声波等定位装置对标识划线执行装置进行空间定位，为与数字场坐标统一，需对超声波等定位接收装置进行测量定位，最终得到标识划线执行装置的车间坐标，传入计算机内进行处理；由数字化模型中标识信息可通过路径规划得到标识划线执行装置的理论行进路线，并与反馈得到的标识划线执行装置的实时空间坐标进行比对，偏差修正后，发送标识命令，标识划线执行装置在船体表面进行标识划线作业。

若将图 1 进行系统划分的话，基于三维数字场的船体表面测量定位标识系统可划分为测量系统、室内空间定位系统与标识划线执行系统 3 个子系统，如图 2 所示。其中，测量系统包括船体表面扫描、模型比对及标试点信息映射与空间点测量。室内空间点定位系统包括定位装置与定位处理系统。标识划线执行装置系统包括控制系统与标识划线执行装置。

2 测量系统

测量系统参照三维数字场的搭建模式，整体设计如图 3 所示。选取能够满足需求的若干基点，使定位基点的测量范围覆盖整个船体范围，并对基点间位置进行验证，统一坐标基准，建立的全局坐标系。利用激光雷达对船体进行扫描，得到船体的扫描点云图。点云图拟合后，与设计模型理论数据进行比对，根据公差要求，通过偏差拟合修正，重新生成最终数字化模型。并将设计模型中标识点的位置信息结合数字化模型比对后，最终可以得到在数字化模型中的标识点映射位置，并传递至标识划线执行装置系统。通过激光雷达对安装在车间固定位置的定位系统接收装置进行测量，并通过坐标换算得到在数字场全局坐标系下的坐标信息，传递至室内空间定位系统。

测量系统主要包括船体表面扫描、模型比对及标识点信息映射与空间点测量 3 个组成部分。

2.1 船体表面扫描

船体表面扫描是指通过相应的测量仪器获取船体表面的三维坐标点云。获取点云数据是实现三维模型重建的前提。激光雷达测量结果为大量点云数据，因此需要对“点云”信息进行分析，形成由面、体组成的船体表面模型。

2.2 模型比对及标识点信息映射

船体表面扫描得到的点云数据进行拟合处理可得船体拟合模型。将此模型与设计模型数据进行比对，根据公差要求，运用最小二乘法等比对方法，可得最终扫描船体数字化模型。三维设计建立的理论标识点信息在满足装配安装性能的前提下，将标识点信息映射到数字化模型中，并进行提取整理，为标识划线执行装置系统提供数据。

2.3 空间点测量

在船舶建造车间中待标识船体的区域内，将由室内空间定位系统对标识划线执行装置进行实时定位，为此室内空间定位系统的定位信息也要与数字场全局坐标进行统一。因此利用激光雷达对室内空间定位系统的定位接收装置的空间位置进行扫描测量，并确定在全局坐标系下空间位置，为室内空间定位系统的实时定位提供基础。

3 室内空间定位系统

激光雷达虽然可以实现船体表面的高精度测量，但无法实时获取在船体表面爬行的标识划线执行装置的位置信息，需要设计室内空间定位系统实现其动态定位。室内空间定位系统由定位装置与定位处理系统组成，整体设计如图 4 所示。安装在标识划线执行装置上的定位发射装置不断发射定位信号，由定位接收装置获取，并根据所得定位接收装置的全局坐标下位置信息，通过定位处理，利用定位算法，测得定位发射装置空间坐标，为标识划线执行装置系统进行实时定位。

3.1 定位装置

室内空间定位系统的定位装置分为定位接收装置和定位发射装置两类。定位接收装置的位置不能轻易变动；定位接收装置的空间位置可由接收装置根据空间算法得到。定位装置一般包括多个位置已知的接收装置，发射装置多为轻便的信号发射器，便于安装在标识划线执行装置上。

3.2 定位处理系统

定位处理系统主要包括定位技术与定位算法两部分。常用的室内空间定位技术主要包括基于超声波定位技术、基于红外线定位技术、基于超宽带定位技术、射频识别定位技术^[10]与 iGPS 定位技术^[11]，如表 1 所示。

室内空间定位系统常用的定位算法主要包括邻近信息法、极点法与多边形定位法^[12]，如表 2 所示。

由表 1 和表 2 对室内定位技术及方法的对比，结合船舶建造车间定位区域大、存在噪声、粉尘干扰等现场环境特点，定位技术优选 iGPS，其定位范围广，定位精度高。

定位方法优选多边形定位方法，车间内构建多个定位基点，满足多边形定位方法需求。

4 标识划线执行装置系统

标识划线执行装置系统是在接收标识点位置信息后，在定位系统实时定位下，在船体表面进行标识划线的装置系统。标识划线执行装置系统接收数字化模型中标识点位置信息，进行数据处理并通过路径规划，得到标识划线执行装置的理论行进路线，并通过运动控制系统生成运动信号、数据通讯系统转化为标识执行设备运动信息，然后驱动标识划线执行装置按照一定路线在船舶表面运动，并在室内空间定位系统的实时定位下，标识划线装置反馈得到自身的实时全局空间三维坐标，与理论线路进行对比并进行偏差修正，使其调整行进方式，直至标识划线执行装置到达待标识位置的误差允许范围内后进行标识作业。基本构成如图 5 所示。

标识划线执行装置系统包括控制系统和标识划线执行装置。

4.1 控制系统

标识划线执行装置控制系统是接收测量系统的标识点数据后，通过路径规划生成标识划线执行装置运动路线同时转化为运动驱动信号，并传递至标识划线执行装置，并不断接收标识划线执行装置反馈的实时坐标信息，与理论信息对比，做出偏差调整。标识划线执行装置控制系统主要包括标路径规划子系统、运动控制子系统与数据通信子系统。

1）路径规划系统是指在涵盖众多目标时，对目标的完全遍历，争取最低的重复率及完全的覆盖率。路径规划系统主要解决 3 个问题：使标识划线执行装置能从初始点运动到最终目标点；使标识划线执行装置能绕开障碍物并遍历中间点；在任务完成的前提下，尽量优化标识划线执行装置的运行轨迹。

2）室内空间定位系统解决的是“标识划线执行装置当前在何处”的问题，路径规划系统解决的是”标识划线执行装置将要去何处”的问题，运动控制系统解决的是“标识划线执行装置如何去”的问题。运动控制系统依据路径规划系统得到的运行路线，生成直线行走、转弯等运动信号。

3）运动控制系统解决了“标识划线执行装置如何去”的问题，数据通信系统则是把“如何去”的信息传递给标识划线执行装置。数据通信系统实现运动信号信息与标识划线执行装置本身的数据通信，提供给标识划线执行装置自身可识别的运动速度、运动方向、运动距离以及是否进行标识等机械运动信息。

4.2 标识划线执行装置

标识划线执行装置是标识划线执行装置系统的硬件支撑，也是船舶表面测量定位标识系统的最终载体，用以在船体表面进行标识划线作业。标识划线执行装置在船舶表面吸附运动，待标识表面可能是倾斜面、垂直面、倒立面，表面曲率不一致且有突起的焊缝，标识划线执行装置要满足在船体表面上吸附牢固，并且同时满足行走便利、标识清晰等要求。

标识划线执行装置机械部分主要针对整体机械结构、驱动方式、吸附方式、标识方式等方面进行研究设计;电路控制部分接收将执行的角速度与线速度序等列控制驱动信号，并通过惯性传感、速度传感等传感器的反馈对电机进行闭环控制。

5 基于三维数字场的船体表面测量定位标识系统验证

船舶建造中会涉及到柔性矩形块的敷设安装，柔性矩形块的安装点要在船体表面上进行标识，以便于后续的定位安装。首先将三维设计的模拟敷设信息提取，再与车间现场激光雷达快速扫描测量生成的数字化模型比对后，可得船体上实际待安装点坐标信息。再利用机器人进行标识划线，标识过程中还需定位系统对机器人不断进行定位与偏差修正，最终在待安装点进行标识打点。柔性矩形块的敷设安装定位过程在船舶定位安装建造中具有一定代表性，同时与本文研究的基于车间三维数字场的船体表面测量标识系统相符，可用来进行系统的验证。

5.1 测量部分

在船舶车间搭建的车间三维数字场基础上，选取能够覆盖待标识船体区域的定位基点，确定车间全局坐标系。利用激光雷达对船体表面积进行数字化扫描，得到大量点云图（见图 6），经初始拟合后，得到部分初始拟合图（见图 7），与理论模型进行比对，按照建造规范，两模型拟合修正后，得到最终数字化模型（见图 8）。在保证柔性矩形块安装形状不变等性能特征前提下，对数字化模型进行柔性矩形块的模拟敷设，局部效果如图 9 所示，可将敷设标识点的三维坐标数据提取整理，传递至标识划线执行装置系统。

5.2 室内空间定位部分

室内空间定位系统根据前期研究，通过表 1 和表 2 对定位算法、定位技术的优劣性对比，结合船厂车间环境，由于 iGPS 定位系统价格昂贵、布置繁琐，且超声波定位原理与 iGPS 定位相似，能够满足实验精度要求，定位方式简易，故采取超声波定位方式，定位算法采用多边定位方法。定位装置中定位接收装置为 4 个超声波接收器，定位发射装置为 2 个超声波发射器。4 个超声波接收器安装在船体表面的对立面，并由激光雷达对其参照定位要求进行空间定位，2 个超声波发射器分别安装在标识划线执行装置的首尾，既可以测得标识划线执行装置的实时位置信息，又可得到标识划线执行装置的朝向姿态信息。

5.3 标识划线执行装置部分

标识划线执行装置系统根据前期研究，采用爬行机器人标识系统。本系统中路径规划基于遗传算法，运动控制系统采用基于角速度、线速度解析式机械运动信息。爬行机器人采用永磁铁吸附、双驱动轮、四导向轮驱动、全底盘一体式铝合金结构、油漆标识。永磁铁镶嵌在底盘下方，与船体表面保持一定距离，提供吸附力；双轮式驱动行动灵活、转角方便，且控制简单；四导向轮提供导向支撑作用，同时避开了中轴线，避免喷漆打点后标识点被导向轮碾压；油漆标识方式标识点醒目、标识过程简易；同时爬行机器人底盘上安装 4 个辅助卸载装置，缓解机器人工作时由于吸力过大不易移动与卸载的问题；同时加入安全检测保护措施，在机器人工作电路出现故障时，实时监测的电压电流出现异常，启动安全保护措施，增大电机阻尼，减缓机器人下滑速度，避免过度碰撞。标识划线执行装置爬行机器人的原型与实物如图 10 所示。

5.4 标识作业

选定车间内船体表面分段作为工作面，采用激光雷达对超声波的 4 个接收器进行扫描测量，在车间数字场基础上，获得各接收器在全局坐标系下的位置信息。超声波定位系统接收器位置与船体表面对立，发射器安装在爬行机器人上。爬行机器人标识系统将接收到的待标识点三维数据信息处理整合后，生成理论爬行路线，同时在上位机中形成路线图及待标识点信息。触发上位机中“工作”按钮，爬行机器人将按照理论路线进行爬行与标识。在运动过程中，爬行机器人由于重力等影响会偏离理论路线，需超声波定位系统不断将定位到的机器人的实时三维坐标反馈给机器人，机器人自身通过偏差修正算法，对运动进行修正，最终运动到真实的待标识点附近，在误差范围内进行标识打点。重复此动作，直至将工作面内的待标识点全部标识完成。图 11 为上位机对爬行机器人位置信息的实时显示，加深线为实际爬行线路，所覆盖直线为理论爬行线路，十字点为待标识点。图 12 为实际船体表面的标识作业，白色油漆点由机器人自动标识得到。

此标识过程对机器人爬行速度、爬行距离、标识效率、标识精度、工作环境等进行了测量记录，详细信息如表 3 所示。

由此标识作业实验可以看出，爬行机器人能够在最小曲率半径 4 m 的船体表面上爬行，且能够平稳爬过焊缝，能适应车间环境。爬行机器人能在一定爬行速度下保持误差允许的精度，标识效率较高。

6 结　语

船舶等庞大体积工业品进行建造过程中，存在大量部件安装装配工作，而部件的安装位置需在船体上进行测量定位与标识，基于高精度的三维数字场应用背景下的船舶机器人等数字化工业产品应用到船舶建造中将提高生产效率及产品精确性且符合数字化造船的现代化需求。本文由此提出了基于三维数字场的船体表面测量定位标识系统，总结如下：

1）提出了一种基于三维数字场环境下，依托高精度测量仪器重建数字化模型，将待标识位置的三维数据信息传递至标识划线执行装置系统，对数据处理后生成行进路线，并在室内空间定位系统实时定位下，由标识划线执行装置不断调整行进路线并在船舶外表面进行标识作业的新型船舶表面定位的标识模式。并以船体表面敷设柔性矩形块的定位点标识作为研究对象，实现了在三维数字场中的完整原理性作业，验证了提高精度和效率的可行性。

2）基于三维数字场的船体表面测量定位标识系统的构建，为现代化造船的高效率生产过程进一步奠定了基础，也将有利提高后续装配安装工艺的精确性，推动船舶数字化的进一步发展。

3）可将进行原理验证实验的软硬件进行优化，扩大测量范围，提高测量精度与定位精度，增加标识机器人数量等，将进一步提高船舶表面测量标识定位系统的精确性、高效性与稳定性。