一种水下船体清洗机器人的控制系统及其工作方法与流程

2021-02-09 05:02:30|

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本发明涉及涉及rov技术，具体涉及一种水下船体清洗机器人的控制系统及其工作方法。

背景技术：

海洋生物长期附着在船舶表面会大大增加船舶阻力，使船舶降速约10％，油耗增加最大可达40％，严重耽误航期，增大运营成本。我国大型船坞数量不足，修坞周期长，目前，清洗船体表面附着物是实现船舶节能减排的主要手段。而全球船舶行业每年的船舶清洗费用接近100亿美元。大型货轮在干船坞内清洗费用高达30万元。作为一项临时措施，许多船东派遣潜水员检查船体并清除生物污垢，这些潜水员使用刮板和洗涤器手动清洁船体，水下清洗作业的特点是极端恶劣的工作环境。此外，潜水员在水下的身体承受能力有限，操作时间和范围同样受限，导致其工作效率低，清洗质量难以保证，而且一旦破坏防污漆会释放大量有毒物质，使船舶更容易受到生物污染。还存在疾病和事故隐患，费时费力且风险高。燃料消耗并不是生物污染造成的唯一威胁。一部分海洋生物可以将自己固定在船上并前往其他地区。尽管有时无害，但这可能会导致物种入侵。

为了提高水下船体的清洗效率和清洗效果，中国专利cn201620916527.3公开了一种水下船体清洗机器人，其包括若干个吸附组件、机器人本体、若干个轮式组件、清洗机构和控制机构；所述吸附组件包含永磁体、导杆、导杆弹簧和若干个万向轴承。本实用新型结构简单，成本低廉，其采用非接触性永磁吸附方式，同时使用轮式结构进行运动，能耗可大幅降低，同时轮式结构运动快，转弯灵活，能大幅提高清洗效率。

但是，该专利与市面上大部分船体清机器人一样，需要受操作员控制，操作员通过摄像头获取水下清洗图像，但水下环境复杂且摄像头视角有限，这种半自动化的控制形式有很大弊端如，清洗过程受操作员自身情况影响较大，很容易导致清洗不干净，同时操作员长时间手动操作会导致注意力下降，反应速度变慢，在遇到突发情况时不能及时做出回应，产生不必要的损失，同时机器人位置无法确定，使其清洗过程更加混乱。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能自动规划清洗路径并具备机器视觉的水下船体清洗机器人的控制系统及其工作方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种水下船体清洗机器人的控制系统，所述的水下船体清洗机器人包括履带模块、空化射流清洗模块、转刷清洗模块、驱动模块、密封控制舱和框架；

所述的框架包括首部和主体，首部为菱形体，主体为矩形体，首部与主体固定连接；

所述的履带模块有两个，分别安装在主体的左右两侧；所述的履带模块内部固定安装电磁铁，所述的电磁铁通过控制线与控制模块连接；所述的履带模块的橡胶履带外表面凹齿处固定安装永磁铁；

所述的空化射流清洗模块安装在首部的底下；

所述的转刷清洗模块包括两个转刷清洗轮，两个转刷清洗轮横向并排安装在主体的的底下；

所述的驱动模块包括五个垂直推进器、两个前进推进器和两个侧向推进器；所述的五个垂直推进器包括一个首部垂直推进器和四个主体垂直推进器，所述的首部垂直推进器竖直安装在首部的中心轴线上，所述的四个主体垂直推进器分别竖直安装在主体的四个角部；所述的两个纵向推进器分别对称安装在主体尾部的两侧，所述的侧向推进器横向安装在首部；所述的垂直推进器、纵向推进器和侧向推进器均为双向推进器；

所述的密封控制舱有两个，两个密封控制舱安装在主体的上部；

所述的控制系统包括数据采集模块、控制模块和上位机；

所述的控制模块通过数据线分别与数据采集模块、履带模块、空化射流清洗模块、转刷清洗模块和驱动模块连接，控制模块通过电力载波线与上位机连接；

所述的数据采集模块包括摄像头、惯性导航平台、陀螺仪和压力传感器，所述的摄像头安装在机器人首部上方，用于对船体表面进行监控，并获取深度点云信息；

所述的陀螺仪水平安置于密封控制舱内，用于获取机器人当前的三个加速度分量和三个旋转角速度；

所述的惯性导航平台安置于密封控制舱内，用于定位机器人在船体上的位置；

所述的压力传感器安置于密封控制舱尾部外侧，用于测量当前位置的水压；

所述的控制模块安装在密封控制舱内部，包括主控制器、故障保护协处理器、信息处理器和电力载波通信模块a，所述的压力传感器和陀螺仪分别与主控制器连接，所述的主控制器和故障保护协处理器通过不同串口与信息处理器并联连接，当主控制器故障失效时，故障保护协处理器将自动启动，代替主控制器，同时信息处理器对主控制器发送来的数据进行分析，然后对数据进行打包，再通过电力载波通信模块a、电力载波线和岸上的电力载波通信模块b发送给上位机。

进一步的，所述的首部由首部顶板与两块首部侧板固定连接组成菱形体，首部顶板与主体顶板交界处成135度夹角；两侧首部侧板与主体侧板固定，首部侧板与主体侧板交界处成135度夹角。

进一步地，所述的上位机上安装有ubuntu系统，信息处理器安装有机器人操作系统ros，机器人操作系统ros基于ubuntu系统进行开发，其支持slam导航功能、opencv图像处理功能和gazebo物理仿真功能。

进一步地，所述的主控制器采用stm32f767芯片，故障保护协处理器采用stm32f103c8t6芯片，信息处理器采用nvidiajetsontx2芯片，电力载波通信模块采用atheros芯片，

一种水下船体清洗机器人的控制系统的工作方法，包括以下步骤：

a、靠近船体表面

上位机向信息处理器发送靠近船体指令，主控制器将获取到的压力传感器信息与陀螺仪信息发送到信息处理器，信息处理器通过解析接收到的陀螺仪信息得到机器人的位姿信息，根据压力传感器所获得到的深度信息得到机器人在水下的深度，根据水下深度和已知的船体结构计算出最近船体表面的位姿信息，将该位姿信息与机器人当前位姿信息进行比对，通过pid算法控制机器人的位姿使其最终接近于船体壁面的位姿，最终靠近船体表面。

b、吸附到船体表面上

当机器人靠近船体表面后，岸上操作员根据船体表面的材质选择吸附形式，如果船体表面为含铁金属表面，则采用混合吸附形式；否则，采用推力吸附形式；所述的混合吸附形式包括推力吸附形式和磁力吸附形式；所述的推力吸附形式是通过垂直推进器产生反向于船体表面的推力将机器人压在船体表面上；所述的磁力吸附形式是通过履带模块装配的电磁铁通电产生吸引力或由永磁铁产生的吸引力将机器人吸附在船体表面上，当机器人与船体表面的距离在150mm左右时，永磁铁主动将机器人吸向船体表面，

c、清洗船体表面

c1、路径规划：信息处理器通过对惯性导航平台收集到的数据和陀螺仪收集到的加速度信息进行处理，使用卡尔曼滤波算法对机器人进行定位，确定机器人在船体表面的位置后自动对机器人的行程进行路径规划；

c2、清洗：控制模块控制空化射流清洗模块将船体表面上的大型附着物清除，并同时控制转刷清洗模块将小型附着物清除；上位机通过对摄像头获取到船体表面图像进行处理，判断出清洗效果以此来对清洗模块进行控制，如果清洗后的路径上有残留附着物，则增强清洗力度，反之则保持原有清洗力度；或者由岸上操作员进行手动控制；

c3、移动：如果机器人是在船体表面移动，则转步骤c31；如果机器人是在脱离船体表面在水中移动，则转步骤c32；

c31、主控制器通过控制减速电机的转速来控制履带转速，从而控制机器人在船体表面的移动速度，并控制机器人实现原地旋转、前行或后退，此时综合信纵向推进器和侧向推进器停止工作，垂直推进器的工作形式由吸附形式来决定；在自动清洗过程中机器人本次清洗路径与前次清洗路径宽度的一半重合；

c32、机器人在水中移动时，依靠8台不同方向的推进器以不同的组合形式驱动机器人进行移动，包括前进、后退、绕z轴旋转、绕y轴旋转(机器人头部指向y轴)和绕x轴旋转；

d、结束

上位机控制机器人离开船体表面，清洗结束。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1、本发明的上位机使用ubuntu系统，方便操作人员和开发人员进行操作和二次开发，其中安装有机器人操作系统(ros)，相比国内大量使用的ardusub系统，ros提供更多的传感器接口更方便的二次开发，同时内部提供gazebo虚拟仿真平台，使仿真过程变得更加方便；

2、本发明可以在水中接近船体表面时自动靠近并进行吸附，同时在清洗过程中可以自主规划清洗路径，根据海流强度自主进行吸附力调整，解决了因操作员反应速度慢而导致机器人清洗不灵活的问题。

3、本发明选用nvidiajetsontx2作为信息处理器，相比被大量使用的树莓派，tx2有着更强的算力，可以进行大量的图像处理工作，同时可以进行更复杂的路径规划处理；

4、本发明选用了意法半导体公司的32位stm32f767微控制器作为主控制器，同时采用stm32f103c8t6微控制器作为故障保护协处理器，在主控制器失效时，协处理器会接替主控制器的工作，使机器人在水下工作有更好的保障；

5、正常的以太网传输距离在理想情况下不足100米，故本发明设计了电力载波通信模块，采用atheros主芯片进行设计，12v工作电压，能够提供200mbps的传输速率，传输距离能达到300米。

6、由于本发明使用了摄像头，岸上的操作人员可以根据船体表面附着物的实际情况设置清洗的力度和速度。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2是图1的仰视示意图；

图3是图1的侧向剖面图；

图4是图1的尾部背视示意图；

图5是本发明的履带模块示意图；

图6为本发明的控制系统组成示意图。

图中：1、主体垂直推进器，2、密封控制舱，3、主体侧板，4、橡胶履带，5、履带模块，6、空化射流清洗模块，7、首部侧板，8、首部顶板，9、首部垂直推进器，10、摄像头，11、永磁铁，12、侧向推进器，13、转刷清洗模块，14、纵向推进器，15、电磁铁。

具体实施方式

下面结合附图来进一步描述本发明：如图1-6所示，一种水下船体清洗机器人的控制系统，所述的水下船体清洗机器人包括履带模块5、空化射流清洗模块6、转刷清洗模块13、驱动模块、密封控制舱2和框架；

所述的框架包括首部和主体，首部为菱形体，主体为矩形体，首部与主体固定连接；

所述的履带模块5有两个，分别安装在主体的左右两侧；所述的履带模块5内部固定安装电磁铁15，所述的电磁铁15通过控制线与控制模块连接；所述的履带模块5的橡胶履带4外表面凹齿处固定安装永磁铁11；

所述的空化射流清洗模块6安装在首部的底下；

所述的转刷清洗模块13包括两个转刷清洗轮，两个转刷清洗轮横向并排安装在主体的的底下；

所述的驱动模块包括五个垂直推进器、两个纵向推进器14和两个侧向推进器12；所述的五个垂直推进器包括一个首部垂直推进器9和四个主体垂直推进器1；

所述的密封控制舱2有两个，两个密封控制舱2安装在主体的上部；

所述的控制系统包括数据采集模块、控制模块和上位机；

所述的控制模块通过数据线分别与数据采集模块、履带模块5、空化射流清洗模块6、转刷清洗模块13和驱动模块连接，控制模块通过电力载波线与上位机连接；

所述的数据采集模块包括摄像头10、惯性导航平台、陀螺仪和压力传感器，所述的摄像头10安装在机器人首部上方，用于对船体表面进行监控，并获取深度点云信息；

所述的陀螺仪水平安置于密封控制舱2内，用于获取机器人当前的三个加速度分量和三个旋转角速度；

所述的惯性导航平台安置于密封控制舱2内，用于定位机器人在船体上的位置；

所述的压力传感器安置于密封控制舱2尾部外侧，用于测量当前位置的水压；

所述的控制模块安装在密封控制舱2内部，包括主控制器、故障保护协处理器、信息处理器和电力载波通信模块a，所述的压力传感器和陀螺仪分别与主控制器连接，所述的主控制器和故障保护协处理器通过不同串口与信息处理器并联连接，当主控制器故障失效时，故障保护协处理器将自动启动，代替主控制器，同时信息处理器对主控制器发送来的数据进行分析，然后对数据进行打包，再通过电力载波通信模块a、电力载波线和岸上的电力载波通信模块b发送给上位机。

进一步的，所述的首部垂直推进器9竖直安装在首部的中心轴线上，所述的四个主体垂直推进器1分别竖直安装在主体的四个角部；所述的两个纵向推进器14分别对称安装在主体尾部的两侧，所述的侧向推进器12横向安装在首部；所述的垂直推进器、纵向推进器14和侧向推进器12均为双向推进器。

进一步的，所述的首部由首部顶板8与两块首部侧板7固定连接组成菱形体，首部顶板8与主体顶板交界处成135度夹角；两侧首部侧板7与主体侧板3固定，首部侧板7与主体侧板3交界处成135度夹角。

一种水下船体清洗机器人的控制系统的工作方法，包括以下步骤：

a、靠近船体表面

b、吸附到船体表面上

当机器人靠近船体表面后，岸上操作员根据船体表面的材质选择吸附形式，如果船体表面为含铁金属表面，则采用混合吸附形式；否则，采用推力吸附形式；所述的混合吸附形式包括推力吸附形式和磁力吸附形式；所述的推力吸附形式是通过垂直推进器产生反向于船体表面的推力将机器人压在船体表面上；所述的磁力吸附形式是通过履带模块5装配的电磁铁15通电产生吸引力或由永磁铁11产生的吸引力将机器人吸附在船体表面上，当机器人与船体表面的距离在150mm左右时，永磁铁11主动将机器人吸向船体表面，

c、清洗船体表面

c2、清洗：控制模块控制空化射流清洗模块6将船体表面上的大型附着物清除，并同时控制转刷清洗模块13将小型附着物清除；上位机通过对摄像头10获取到船体表面图像进行处理，判断出附着物的清洗难易程度，以此来对清洗模块进行控制，如果清洗后的路径上有残留附着物，则增强清洗力度，反之则保持原有清洗力度；或者由岸上操作员进行手动控制；

c3、移动：如果机器人是在船体表面移动，则转步骤c31；如果机器人是在脱离船体表面在水中移动，则转步骤c32；

c31、主控制器通过控制减速电机的转速来控制履带转速，从而控制机器人在船体表面的移动速度，并控制机器人实现原地旋转、前行或后退，此时综合信纵向推进器14和侧向推进器12停止工作，垂直推进器的工作形式由吸附形式来决定；在自动清洗过程中机器人本次清洗路径与前次清洗路径宽度的一半重合；

d、结束

上位机控制机器人离开船体表面，清洗结束。

下面简要描述本发明器件的选择思路及作用：

1、本发明中采用惯性导航平台、陀螺仪和和压力传感器，stm32f767、stm32f103c8t6、nvidiajetsontx2和atheros控制器，由于其工作环境受海浪具有随机特性的影响，有很强的不确定性，需要惯性导航平台对其姿态进行实时检测，同时将参数传递给主控制器，以方便控制器对水下机器人进行实时的控制和调整。本发明采用了陀螺仪和压力传感器。陀螺仪各参数采用了冗余采集方式，实时保障陀螺仪采集到的角速度参数，陀螺仪采集到的三轴加速度参数和采集到的地磁场参数的噪声干扰达到最低。同时主控制器能实时的检测传感器的数据，加入至机器人的运动学方程组，并根据水下机器人的运动姿态，及时的输出控制信号，以保障机器人的相对稳定。本发明选用了意法半导体公司的32位stm32f767微控制器作为主控制器，同时采用stm32f103c8t6微控制器作为故障保护协处理器，用来控制输入信号采集，以保障机器人工作的相对稳定性，同时选用nvidiajetsontx2作为信息处理器，整合机器人的运动参数和usb摄像头，通过电力载波通信系统发送至上位机，实现本发明船体外板清洗机器人控制及感知系统设计。

2、本发明的船体清洗机器人的各项参数和图像数据在实际工程应用中需要返回给上位机，方便操作人员了解当前机器人的实时状态，以便于操作人员进行进一步的操作和控制。由于机器人需要在以岸基控制箱为中心，在水下围绕船体进行船体外板清洗作业，故所有的数据信息需要传输很长的距离才能完成有效传输。相对来说，正常的以太网传输距离在理想情况下不足100米，故本发明设计了电力载波通信模块，采用atheros主芯片进行设计，12v工作电压，能够提供200mbps的传输速率，传输距离达到300米。经实际多次下水测试，其工作性能很稳定，性能可靠，而且发热量和功耗极低，可低至1w以下。经过该电力载波模块，可将以太网接口转化为2芯通信电缆，通过加装滑环的卷线盘和岸基主控箱进行有效通信。

3、本发明的机器人的操作和实现需要上位机进行数据采集和处理，以便于操作人员进行相应的操作。本发明的上位机采用了计算机架构，以方便操作人员和开发人员进行操作和二次开发。上位机的基本组成结构有主板、中央处理器、内存、硬盘、电源及其管理电路和显示器等。主板、中央处理器、内存和硬盘组成了计算机系统，其上安装有操作系统和机器人操作系统(ros)，机器人操作系统(ros)中含有图像融合及拼接算法，可轻松使操作人员进行机器人的姿态数据进行实时检测及控制。电源及其管理电路负责向上位机及机器人进行供电。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

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