基于视觉惯性卫星多源异构传感器融合的船体挠曲变形测量技术

《Journal of Ocean Engineering and Science》：Hull flexural deformation measurement technology with vision inertial and satellite multi-source heterogeneous sensor fusion

　　

船体挠曲变形测量技术是当前船舶与海洋工程领域的研究难点和热点。研究人员提出了一种适用于船体挠曲变形的视觉惯性卫星多源异构传感器融合测量技术。单目视觉测量融合具有相对空间位姿测量精度高的优势，惯性器件与卫星的组合则直接提供了惯性空间和时间基准。将单目视觉测量结果转换至导航坐标系，建立船载惯性导航系统与测量装置之间或多台测量装置之间的联系，进而获得各测量节点处的船体挠曲变形角曲线。通过实船测量验证了该技术的有效性、可行性和易实现性。

**1. 研究背景与现存问题**

船舶结构及强度设计的主要目标是确保船体具备较高的结构安全性和抗弯曲变形能力。然而，船体重力与浮力在纵向上的分布并不一致，在波浪载荷作用下，船舶在波浪中航行时不可避免地会发生弹性变形；此外，阳光照射及季节变化引起的环境温度变化还可导致船体产生缓慢的塑性变形。现代舰船上的雷达、红外探测系统以及航天测量船上的光学跟踪测量设备，均需要船载导航系统提供精确的航向和水平姿态基准，而这些设备通常分布在船体不同位置，与船载惯性导航系统之间相隔一定距离，船体变形将直接影响航向与姿态基准的传递精度，因此亟需开展船体弹性变形实时感知与测量研究。然而，由于船舶舱室、甲板和上层建筑结构复杂，变形角误差的干扰因素多、传递环节复杂；同时测量设备的应用受限于甲板面积有限、舱室空间狭窄及环境变化剧烈等因素。船体作为大型弹性结构，在水动力作用下始终处于时变状态，这是从现有“局部静态测量”技术向“全域动态感知”转变必须解决的理论问题，也是国际造船领域具有挑战性的活跃研究方向。

**2. 现有测量技术及其局限性**

船体结构变形测量方法大致可分为光学测量和惯性测量两大类。光学测量方法主要包括光学准直测量、摄影测量、激光测量和光纤布拉格光栅（FBG）应变传感器测量。光学准直测量通过安装基准平台筒、设备平台筒和测量光管建立各设备与船上基准平台的光学连接和成像关系，利用图像位移获取平台间相对变形。摄影测量主要利用大景深相机同步检测安装在船上的目标之间的相对位移。激光测量主要依靠激光位移传感器、反射镜和动态信号采集装置实现。FBG应变传感器则粘贴于船体结构各测点形成传感阵列，采集结构变形；上述方法最终均通过坐标变换等运算获得结构变形角。惯性测量又称惯性局部基准测量，根据安装方式可分为两类：一是在全船基准点附近安装一套惯性测量设备，在测量位置安装另一套；二是以船载惯性导航系统为测量基准，仅在待测结构处安装一套惯性测量设备。数据处理方面主要有测量比较滤波和卡尔曼滤波估计等方法。此外还有惯性卫星组合测量方法，即在各相关结构部位安装多副卫星天线和惯性器件，形成稳定精确的基线矢量，由基线矢量姿态角变化计算相应船体变形。光学测量主要用于变形标校和变形特性研究，属测试测量手段；惯性测量多用于实时变形测量和基准传递误差修正，其测试设备实际上是应用系统的一部分。上述方法各有特点，但均存在实际应用中的问题：光学准直测量在测点与基准平台距离较远时需要建立测量光通道以消除气流抖动影响；摄影测量和激光测量在无视线舱室测量中需要复杂的传递链路，标定程序复杂且易受遮挡干扰；FBG测量精度取决于应变-变形角换算模型，与船体结构复杂性密切相关；惯性测量需建立局部基准或安装标校测量设备，多结构位置测量需安装多个惯性局部基准。无论哪种方法，测量设备船上固定安装精度要求高，改装工作量大。

**3. 研究内容与总体结论**

针对上述需求，研究人员提出了一种基于视觉惯性卫星多源异构传感器融合的船体挠曲变形测量技术。该方法融合单目视觉相对位姿高精度测量优势与惯性器件、卫星直接提供的空间时间基准，将三种感知模态集成于便携式高精度结构变形角测量装置中。通过在船体结构上布置若干合作目标“节点”作为测量基准，构建时变状态下全局变形观测的时空基准传递网络。根据需求可灵活调整网络拓扑、便捷部署，测量数据在网络内无线传输，无需对船舶进行复杂改装。研究人员构建了多传感器变形测量的数学模型，推导了姿态矩阵传递和变形测量方程；设计了系统拓扑结构、测量原理和网络部署方法；通过实船测量验证了技术的有效性、可行性和易实现性。研究表明，该技术尤其适用于船体变形特性与规律研究，可减少测量步骤和误差积累，大幅降低改装工作量。

**4. 关键技术与方法**

研究人员采用了以下关键技术方法：（1）单目视觉测量技术，通过二维图像处理求解相对于合作目标的三维空间方位和姿态参数；（2）惯性器件与卫星组合导航技术，利用卫星时间作为测量时间同步基准，惯性器件提供高精度空间基准；（3）坐标系变换与姿态矩阵传递方法，将视觉测量结果转换至导航坐标系，并建立测量网络中各节点间的姿态联系；（4）傅里叶变换与高斯低通滤波方法，用于分离船舶转向低频挠曲变形分量；（5）无线传输技术，用于接收船载惯性导航系统或另一测量装置的航向姿态和时间同步信号。实船测量在一艘大型船舶的甲板若干合作目标“节点”上进行，测量装置在码头完成标定后布置于各测量点。

**5. 研究结果**

**5.1 测量精度设计**

测量结果精度取决于惯性导航部件精度和单目视觉测量系统设计。研究人员引用误差解析表达式，给出单目视觉测量的方位角精度σ_ψ与水平姿态精度σ_θ,γ的计算公式，指出方位角误差与测量高度和目标尺寸之比成正比，水平姿态误差与该比值的平方成正比。因此通过特殊设计尽量降低测量高度，使合作目标图像近似充满视场，并通过图像边缘直线拟合获得高精度角点，使单目视觉测量的方位和水平姿态精度满足变形测量要求。同时选用高精度陀螺仪和加速度计构成惯性部件，经多方位长时间对准后，可获得至少1小时的高精度方位和水平姿态。研究人员指出，在面向航向基准高精度传递的挠曲变形测量中，主要关注转向运动期间的动态变形及其规律，由于转向运动短时间内影响测量精度的惯性导航漂移很小，“相对姿态误差”对单个惯性部件的陀螺零偏不敏感，通过在匀速直线段对测量设备和测量基准的数据进行对准和滤波处理，即可获得转向运动期间的真实挠曲曲线。

**5.2 实船测量结果**

经过在码头上对单目视觉、惯性、卫星一体化变形角测量装置的标定后，研究人员在一艘大型船舶甲板布置的各合作目标“节点”上进行了测量，获得了船舶运动和波浪冲击状态下各测量“节点”处的船体挠曲变形曲线。变形曲线中红色曲线代表方位变形，蓝色代表横摇变形，黑色代表纵摇变形。从曲线可以看出，当船体保持匀速直线运动时，测量位置处的船体结构变形主要为螺旋桨叶频脉动和主机激励引起的高频抖动，以及测量装置的本底噪声；计算表明，船舶转向之前稳定段的测量标准差小于0.002°（σ）。当船体进入转向运动时，船体结构在方位方向上产生相应的变形，同时伴随明显的横摇和纵摇方向变形，这一规律与转向运动和结构弹性变形的规律一致，符合船体动态响应特性，从理论上证明了测量结果的准确性和测量技术的有效性。由此获得了船舶机动转向过程中相关位置的结构挠曲曲线，在此基础上利用船体变形规律和误差修正理论，可大幅减小船体挠曲变形对船舶基准传递精度的影响。

**6. 总结与讨论**

研究结论部分指出，该论文创新性地提出了船体变形测量网络的新范式，建立了多源异构数据协同约束状态估计的统一模型，在统一时空下完成动态变形测量，为船舶等大型结构时变基准测量研究提供了通用理论模型和方法，并通过便捷的部署完成了网络中各个“节点”的变形测量。利用该技术开展船体相关结构部位的高精度动态变形测量，无需在船上安装和标校复杂测量设备，可减少测量步骤和误差积累，大幅降低改装工作量。实船测试结果充分验证了该技术的先进性和有效性，尤其适用于船体变形特性和规律研究。