專利名稱：三維坐標(biāo)系下檢測導(dǎo)管架各圓形桿件空間位置狀態(tài)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及確定柱體圓心三維坐標(biāo)的方法，尤其涉及一種三維坐標(biāo)系下檢測導(dǎo)管架各圓形桿件空間位置狀態(tài)的方法。
背景技術(shù)：
在海洋工程制造業(yè)中，導(dǎo)管架建造裝配比較復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)大部分都由卷制的鋼管組成，對鋼管這種圓形桿件的裝配精度要求非常高，如何快速、準(zhǔn)確高效地確定圓形桿件圓心的空間位置坐標(biāo)，在導(dǎo)管架建造過程中非常重要。在三維坐標(biāo)系下，對于建造安裝的空間桿件，由于桿件都是卷制而成，不同程度上存在圓度誤差，傳統(tǒng)的桿件空間位置其檢測方法有兩種一是，首先在桿件的表面上確定一個(gè)點(diǎn)，計(jì)算出在理論坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，然后，在導(dǎo)管架建造場地周圍設(shè)立三維控制網(wǎng)；再由全站儀測量該點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)，但由于桿件存在橢圓度，桿件表面上的該點(diǎn)坐標(biāo)并不能反映出該桿件實(shí)際的空間狀態(tài)。二是預(yù)先，在導(dǎo)管架建造場地周圍設(shè)立三維控制網(wǎng)；確定桿件某一斷面的位置， 并均勻的找出在這一斷面上的圓周上的若干個(gè)測量點(diǎn)，通過全站儀測量這些測量點(diǎn)的坐標(biāo)，然后，再通過傳統(tǒng)的最小二乘法計(jì)算出該桿件的圓心坐標(biāo)。這種做法，首先要在桿件斷面的圓周上找出多個(gè)測量點(diǎn)，而且這些點(diǎn)最好是均勻的分布在圓周上，只有這樣計(jì)算出來的圓心坐標(biāo)才能準(zhǔn)確。因此，現(xiàn)場定點(diǎn)測量的工作量較大，在施工現(xiàn)場條件比較復(fù)雜的情況下，全站儀不可能同時(shí)撲捉到這些點(diǎn)，只能觀測到圓周上某一小段圓弧的部分點(diǎn)，由于管子的橢圓度以及現(xiàn)場條件不能測量到桿件的整個(gè)圓周上的點(diǎn)所帶來的不確定性，按照傳統(tǒng)的最小二乘法，所計(jì)算出的圓心坐標(biāo)也不是很準(zhǔn)確。如何減少定點(diǎn)測量的工作量，又能準(zhǔn)確地找出桿件圓心的三維坐標(biāo)，是導(dǎo)管架施工及海上導(dǎo)管架安裝尺寸控制的主要內(nèi)容之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有方法存在的上述缺點(diǎn)，而提供一種三維坐標(biāo)系下檢測導(dǎo)管架各圓形桿件空間位置狀態(tài)的方法，其可以快速準(zhǔn)確地得出導(dǎo)管架各圓形桿件圓心的三維坐標(biāo)，從而得到準(zhǔn)確的桿件的空間位置，且能夠分析圓心坐標(biāo)的誤差大??；減少現(xiàn)場定點(diǎn)測量的的工作量，提高了工作效率。本發(fā)明的目的是由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種三維坐標(biāo)系下檢測導(dǎo)管架各圓形桿件空間位置狀態(tài)的方法，預(yù)先，在導(dǎo)管架建造場地周圍設(shè)立三維控制網(wǎng)；其特征在于采用以下具體步驟第一步，將導(dǎo)管架的主結(jié)構(gòu)及其中的被測桿件處于一個(gè)三維坐標(biāo)系下，并將采集到的桿件表面數(shù)個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，投影到某一測量點(diǎn)形成橫斷面的圓周上，然后，計(jì)算法向量為(i，j，k)且通過某一測量點(diǎn)的橫斷面，再計(jì)算過原點(diǎn)且垂直于橫斷面的垂足坐標(biāo)；第二步，根據(jù)垂足坐標(biāo)計(jì)算旋轉(zhuǎn)參數(shù)，被測點(diǎn)按照計(jì)算的旋轉(zhuǎn)參數(shù)繞坐標(biāo)軸進(jìn)行一次角度旋轉(zhuǎn)和二次角度旋轉(zhuǎn)，并利用兩次角度旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)(X"，y")進(jìn)行下一步的計(jì)算； 第三步，在被測桿件理論半徑給出的前提下，利用最小二乘法，對轉(zhuǎn)換后坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，解算出該導(dǎo)管架被測桿件最佳圓心坐標(biāo)，最后求出圓心坐標(biāo)的點(diǎn)位誤差；第四步，根據(jù)求出的圓心坐標(biāo)誤差，從所采集的測量點(diǎn)中剔出誤差較大的點(diǎn)，然
后，重復(fù)第三步驟；第五步按照計(jì)算的三維轉(zhuǎn)換參數(shù)，反方向三維轉(zhuǎn)換計(jì)算的圓心回到原始坐標(biāo)系下，從而得出原始坐標(biāo)系下被測桿件上通過某一測量點(diǎn)的圓周的三維最佳圓心坐標(biāo)；第六步將被測桿件通過計(jì)算得出的最佳圓心坐標(biāo)連接成線狀的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)圖， 然后，把理論線形圖和實(shí)際線形圖進(jìn)行對比，評估出導(dǎo)管架的各桿件的誤差后，再進(jìn)行桿件的調(diào)整。所述第一步中通過某一測量點(diǎn)的橫斷面計(jì)算及過原點(diǎn)且垂直于橫斷面的垂足坐標(biāo)具體計(jì)算步驟為(1)在被測桿件上用測量設(shè)備測量出若干點(diǎn)的三維坐標(biāo)(Xi，yi，Zi)，使其投影到被測桿件表面上的一點(diǎn)(XQ，yQ，ZQ)，且通過該點(diǎn)(xQ，yQ，~)的法向量為(i，j，k)的平面上，這個(gè)面的平面方程為dx+jy+kz-ixcrjy。-!^。= 0，可簡化為z = Ax+By+C其中
權(quán)利要求
1.一種三維坐標(biāo)系下檢測導(dǎo)管架各圓形桿件空間位置狀態(tài)的方法，預(yù)先，在導(dǎo)管架建造場地周圍設(shè)立三維控制網(wǎng)；其特征在于采用以下具體步驟第一步，將導(dǎo)管架的主結(jié)構(gòu)及其中的被測桿件處于一個(gè)三維坐標(biāo)系下，并將采集到的桿件表面數(shù)個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，投影到某一測量點(diǎn)形成橫斷面的圓周上，然后，計(jì)算法向量為 (i，j，k)且通過某一測量點(diǎn)的橫斷面，再計(jì)算過原點(diǎn)且垂直于橫斷面的垂足坐標(biāo)；第二步，根據(jù)垂足坐標(biāo)計(jì)算旋轉(zhuǎn)參數(shù)，被測點(diǎn)按照計(jì)算的旋轉(zhuǎn)參數(shù)繞坐標(biāo)軸進(jìn)行一次角度旋轉(zhuǎn)和二次角度旋轉(zhuǎn)，并利用兩次角度旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)(X" ,1")進(jìn)行下一步的計(jì)算； 第三步，在被測桿件理論半徑給出的前提下，利用最小二乘法，對轉(zhuǎn)換后坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，解算出該導(dǎo)管架被測桿件最佳圓心坐標(biāo)，最后求出圓心坐標(biāo)的點(diǎn)位誤差；第四步，根據(jù)求出的圓心坐標(biāo)誤差，從所采集的測量點(diǎn)中剔出誤差較大的點(diǎn)，然后，重復(fù)第三步驟；第五步按照計(jì)算的三維轉(zhuǎn)換參數(shù)，反方向三維轉(zhuǎn)換計(jì)算的圓心回到原始坐標(biāo)系下，從而得出原始坐標(biāo)系下被測桿件上通過某一測量點(diǎn)的圓周的三維最佳圓心坐標(biāo)；第六步將被測桿件通過計(jì)算得出的最佳圓心坐標(biāo)連接成線狀的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)圖，然后， 把理論線形圖和實(shí)際線形圖進(jìn)行對比，評估出導(dǎo)管架的各桿件的誤差后，再進(jìn)行桿件的調(diào) 整。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維坐標(biāo)系下檢測導(dǎo)管架各圓形桿件空間位置狀態(tài)的方法， 其特征在于所述第一步中通過某一測量點(diǎn)的橫斷面計(jì)算及過原點(diǎn)且垂直于橫斷面的垂足坐標(biāo)具體計(jì)算步驟為(1)在被測桿件上用測量設(shè)備測量出若干點(diǎn)的三維坐標(biāo)(Xi，yi，Zi)，使其投影到被測桿件表面上的一點(diǎn)(xQ，yQ，ZQ)，且通過該點(diǎn)(xQ，yQ，zQ)的法向量為(i，j，k)的平面上，這個(gè)面的平面方程為ix+jy+kZ-iX0-iy0-kZ0 = 0，可簡化為z = Ax+By+C其中
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維坐標(biāo)系下檢測導(dǎo)管架各圓形桿件空間位置狀態(tài)的方法， 其特征在于所述第三步最佳圓心點(diǎn)位誤差具體計(jì)算步驟如下①最佳圓心點(diǎn)位誤差計(jì)算公式為根據(jù)間接平差的中誤差估值為式
全文摘要
一種三維坐標(biāo)系下檢測導(dǎo)管架各圓形桿件空間位置狀態(tài)的方法，一將導(dǎo)管架及其被測桿件處于一個(gè)三維坐標(biāo)系下，并將采集桿件表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)，投影到測量點(diǎn)形成橫斷面的圓周上；二被測點(diǎn)進(jìn)行一次角度旋轉(zhuǎn)和二次角度旋轉(zhuǎn)，三，在被測桿件理論半徑給出的前提下，利用最小二乘法，對轉(zhuǎn)換后坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求出被測桿件最佳圓心坐標(biāo)及圓心坐標(biāo)的點(diǎn)位誤差；四，剔出誤差較大的點(diǎn)，重復(fù)三；五反方向三維轉(zhuǎn)換回到原始坐標(biāo)系下；六將被測桿件通過計(jì)算得出的最佳圓心坐標(biāo)連接成線狀的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)圖，評估出導(dǎo)管架的各桿件的誤差后，再進(jìn)行桿件的調(diào)整。本發(fā)明可以快速準(zhǔn)確地得出導(dǎo)管架各圓形桿件圓心的三維坐標(biāo)，分析圓心坐標(biāo)的誤差大小，提高了工作效率。
文檔編號G01B21/00GK102168959SQ201010115279
公開日2011年8月31日 申請日期2010年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月26日
發(fā)明者劉春杰, 孫云虎, 張士艦 申請人:中國海洋石油總公司, 天津藍(lán)海工程檢測技術(shù)服務(wù)有限公司, 海洋石油工程股份有限公司