一种用于船舶停泊的主动捕获式对接系统的制作方法

本发明涉及自动泊船技术领域，尤其是涉及一种用于船舶停泊的主动捕获式对接系统。

背景技术：

船舶在水面上航行时，当到达指定的港口或者是中途需要在停靠点进行停泊时，往往需要将随船携带的绳索甩至停靠点处，然后停靠点的工作人员将绳索的一端系在停靠点的岸桩上。

上述传统的船舶停泊方法依靠人力，费时且不便捷；同时船舶采用绳索固定的方式，在水浪的影响下船体非常容易磕碰到岸边，易造成安全事故。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种稳定可靠、结构简单、智能化程度高的用于船舶停泊的主动捕获式对接系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于船舶停泊的主动捕获式对接系统，系统包括主动对接装置和被动对接装置，所述的主动对接装置设置在停泊位的岸基上，所述的被动对接装置设置在船舶的船头，

所述的主动对接装置包括处理器、机械臂、捕获对接结构和视觉引导结构，所述的机械臂为多自由度运动机械臂结构，所述的机械臂的固定端固定在岸基上，所述的机械臂的自由端固定所述的捕获对接结构，所述的视觉引导结构固定在捕获对接结构上方并对准被动对接装置，所述的机械臂、捕获对接结构和视觉引导结构均连接至所述的处理器，

所述的被动对接装置包括固定结构、可调节机构和被对接结构，所述的被对接结构包括对接头和靶标，所述的固定结构固定在船头，所述的对接头通过可调节机构固定在固定结构上，所述的靶标固定在对接头上方，所述的对接头与所述的捕获对接结构适配，

对接时，所述的处理器基于视觉引导结构和靶标进行视觉引导控制机械臂运动使得捕获对接结构捕获对接头并进行对接，对接成功后，所述的捕获对接结构与所述的对接头锁紧配合。

优选地，所述的机械臂包括通过连杆依次连接的腰关节、肩关节、肘关节和腕关节，所述的腰关节固定在岸基上，所述的捕获对接结构安装在腕关节的连杆上，所述的视觉引导结构固定在的捕获对接结构的上侧靠后处。

优选地，所述的捕获对接结构包括喇叭口和捕获环，所述的喇叭口水平固定在机械臂自由端，喇叭口的开口端朝向船舶方向，所述的捕获环设置在喇叭口中，捕获环内部设有锁紧对接头的锁紧结构，所述的锁紧结构连接所述的处理器。

优选地，所述的捕获对接结构上设有姿态传感器，所述的姿态传感器连接所述的处理器，所述的姿态传感器用于测量并反馈捕获对接结构的姿态，使捕获对接结构的喇叭口始终处于水平状态。

优选地，所述的喇叭口开口端入口内壁上设有用于检测对接头进入喇叭口的红外对射传感器，所述的红外对射传感器设置多组并均匀分布，所述的红外对射传感器均可连接至所述的处理器。

优选地，所述的捕获环包括舵机、伸缩部件、轴连接件、伸缩连接件和罗盘，所述的罗盘固定在喇叭口中，罗盘的中垂线与喇叭口中轴线平行，所述的罗盘上设有一圈镂空区域，所述的伸缩部件设置多个并穿设在镂空区域中，伸缩部件一端为夹紧端，其位于罗盘的位于喇叭口开口端一侧，伸缩部件另一端通过伸缩连接件连接所述的轴连接件，所述的轴连接件连接所述的舵机，罗盘上的镂空区域在不同位置处半径不同，所述的罗盘上位于喇叭口开口端一侧的侧面中心点位置设有力传感器，所述的舵机和力传感器均连接至所述的处理器，

不对接对接头时，所述的舵机驱动伸缩部件位于罗盘上镂空区域的大口径位置处，多个伸缩部件的夹紧端彼此远离形成中空区域，当对接头进入喇叭口并触碰力传感器后，所述的处理器控制所述的舵机驱动伸缩部件运动至罗盘上镂空区域的小口径位置处，多个伸缩部件的夹紧端彼此靠近并夹紧对接头。

优选地，所述的可调节机构包括垂直滑动丝杆和水平滑动丝杆，所述的垂直滑动丝杆沿垂直方向安装在固定结构上，所述的水平滑动丝杆沿水平方向安装在垂直滑动丝杆上并可沿垂直滑动丝杆方向上下运动，所述的对接头安装在水平滑动丝杆上并可沿水平滑动丝杆方向水平运动。

优选地，所述的垂直滑动丝杆通过角度调节杆固定在固定结构上，所述的角度调节杆用于调节对接头朝向使其朝向捕获对接结构方向。

优选地，所述的对接头包括细杆、金属球以及与所述的喇叭口形状适配的圆锥台，所述的圆锥台水平固定在可调节机构上，所述的细杆水平安装在圆锥台前端，所述的金属球固定在细杆头部。

优选地，所述的靶标上设有标志面，所述的标志面设置为与所述的对接头同一朝向，所述的视觉引导结构包括鱼眼相机和主动光照射件，所述的鱼眼相机和主动光照射件朝向所述的靶标设置。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明对接系统可以实现船舶停靠的自动对接和船舶驶离的分离任务，取代了原先依靠人力进行停靠船舶的固定工作，使得停靠任务具有稳定可靠，便捷，智能化程度高的特点；

(2)本发明具有主动捕获的功能，实现几乎全自主性对接，因此不限制船体自身控制由驾驶员、遥控还是无人系统完成；

(3)本发明适用于中小型船舶，比如快艇、游艇、无人工作船等，将被动对接系统安装于船体的船头，根据船头高度和对接头离水面的距离，可对对接头的高度进行自由调整，此设计使得本发明实施例不限制船舶类型和大小，皆可采用本发明实施示例进行靠泊对接；

(4)本发明通过采用视觉引导结构进行靶标检测和定位算法，并将信息实时反馈给处理器生成机械臂运动控制指令，此方法能很好的适应对接头在对接过程中受水流干扰下小范围内移动的情况。

附图说明

图1为本发明用于船舶停泊的主动捕获式对接系统的结构框图；

图2为本发明用于船舶停泊的主动捕获式对接系统的结构示意图；

图3为本发明捕获对接结构的剖面图；

图4为本发明捕获对接结构和被对接结构对接过程示意图。

图中，100为主动对接装置，102为机械臂，103为捕获对接结构，104为视觉引导结构，105为捕获环，106为被动对接装置，107为固定结构，108为可调节机构，109为被对接结构，110为对接头，111为靶标，112为运动控制指令，113为锁定指令，114为释放指令，115为预对接信号，116为对接信号，117为对接头位姿信息，200为腰关节，201为肩关节201，202为肘关节，203为腕关节，204为姿态传感器，205为喇叭口，206为鱼眼相机，207为主动光照射件，208为船舶，209为垂直滑动丝杆，210为水平滑动丝杆，211为细杆，212为金属球，213为红外对射传感器，300为舵机，301为伸缩部件301，302为轴连接件，303为伸缩连接件，304为罗盘，305为力传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。

实施例

一种用于船舶停泊的主动捕获式对接系统，系统包括主动对接装置100和被动对接装置106，主动对接装置100设置在停泊位的岸基上，被动对接装置106设置在船舶208的船头，考虑到船舶种类的多样性，本发明被设计为可适配于多类型不同大小的船体进行靠泊对接，考虑到停泊过程中的水流波动对船体位姿的干扰，本发明采用了通过视觉实时反馈目标位姿的主动捕获的方法。

如图1～图3所示，主动对接装置100包括处理器101、机械臂102、捕获对接结构103和视觉引导结构104，机械臂102为多自由度运动机械臂结构，机械臂102的固定端固定在岸基上，机械臂102的自由端固定捕获对接结构103，视觉引导结构104固定在捕获对接结构103上方并对准被动对接装置106，机械臂102、捕获对接结构103和视觉引导结构104均连接至处理器101，

被动对接装置106包括固定结构107、可调节机构108和被对接结构109，被对接结构109包括对接头110和靶标111，固定结构107固定在船头，对接头110通过可调节机构108固定在固定结构107上，靶标111固定在对接头110上方，对接头110与捕获对接结构103适配，

对接时，处理器101基于视觉引导结构和靶标111进行视觉引导控制机械臂102运动使得捕获对接结构103捕获对接头110并进行对接，对接成功后，捕获对接结构103与对接头110锁紧配合。

主动对接装置100具体结构如下：

机械臂102包括通过连杆依次连接的腰关节200、肩关节201、肘关节202和腕关节203，腰关节200固定在岸基上，捕获对接结构103安装在腕关节203的连杆上，视觉引导结构104固定在的捕获对接结构103的上侧靠后处。机械臂102的每一个关节均由一个步进电机控制，使得捕获对接结构103在空间一定范围内有多个自由度。

捕获对接结构103包括喇叭口205和捕获环105，喇叭口205水平固定在机械臂102自由端，喇叭口205的开口端朝向船舶208方向，捕获环105设置在喇叭口205中，捕获环105内部设有锁紧对接头的锁紧结构，锁紧结构连接处理器101。

捕获对接结构103上设有姿态传感器204，姿态传感器204连接处理器101，姿态传感器204用于测量并反馈捕获对接结构103的姿态，使捕获对接结构103的喇叭口205始终处于水平状态。

喇叭口205开口端入口内壁上设有用于检测对接头110进入喇叭口205的红外对射传感器213，红外对射传感器213设置多组并均匀分布，红外对射传感器213均可连接至处理器101。

捕获环105包括舵机300、伸缩部件301、轴连接件302、伸缩连接件303和罗盘304，罗盘304固定在喇叭口205中，罗盘304的中垂线与喇叭口205中轴线平行，罗盘304与整体装置刚性固定，不随舵机300运转而转动，罗盘304上设有一圈镂空区域，伸缩部件301设置多个并穿设在镂空区域中，本实施例中伸缩部件301设置3个，伸缩部件301一端为夹紧端，其位于罗盘304的位于喇叭口205开口端一侧，伸缩部件301另一端通过伸缩连接件303连接轴连接件302，轴连接件302连接舵机300，罗盘304上的镂空区域在不同位置处半径不同，罗盘304上位于喇叭口205开口端一侧的侧面中心点位置设有力传感器305，舵机300和力传感器305均连接至处理器101，不对接对接头110时，舵机300驱动伸缩部件301位于罗盘304上镂空区域的大口径位置处，多个伸缩部件301的夹紧端彼此远离形成中空区域，当对接头110进入喇叭口并触碰力传感器305后，处理器101控制舵机300驱动伸缩部件301运动至罗盘304上镂空区域的小口径位置处，多个伸缩部件301的夹紧端彼此靠近并夹紧对接头110。

被动对接装置106具体结构如下：

可调节机构108包括垂直滑动丝杆209和水平滑动丝杆210，垂直滑动丝杆209沿垂直方向安装在固定结构107上，水平滑动丝杆210沿水平方向安装在垂直滑动丝杆209上并可沿垂直滑动丝杆209方向上下运动，对接头110安装在水平滑动丝杆210上并可沿水平滑动丝杆210方向水平运动。

垂直滑动丝杆209通过角度调节杆固定在固定结构107上，角度调节杆用于调节对接头110朝向使其朝向捕获对接结构103方向。

被对接结构109具有高度和水平的调节度。其优势在于：

为了使本发明具备普适性，被动对接装置106可被安装于不同大小船舶的船头。若对接头110与船体刚性固定，而受不同的船舶船头高度不同，水位高低变化的因素，会直接影响对接的可行性；若如本示例中增加了高度方向的调节自由度，会使得对接头110可通过高度的调节进入捕获对接结构103的捕获范围内。同时，考虑到船体在水中通常难以横向移动，因此给被对接结构109增加水平方向的调节自由度，使得对接头110能够通过调整其水平位置，尽量朝向主动对接装置100。在实际对接进行前由船舶操作员对对接头110的高度和水平位置进行合理调节。

对接头110包括细杆211、金属球212以及与喇叭口205形状适配的圆锥台，圆锥台水平固定在可调节机构108上，细杆211水平安装在圆锥台前端，金属球212固定在细杆211头部，细杆211采用碳纤维材料的杆件。捕获环105中三个伸缩部件301最大程度收拢后，中间的空心区域刚好可以包络对接头110中的细杆211。

靶标111上设有标志面，标志面设置为与对接头110同一朝向，视觉引导结构104包括鱼眼相机206和主动光照射件207，鱼眼相机206和主动光照射件207朝向靶标111设置。靶标111的标志面使用了开源的apriltag标识，靶面朝向船体正前方，靶标111被固定在被对接装置109的靠后侧，需保证在对接过程中其不会被碰到且其标志面不会被遮挡。采用鱼眼相机206可以捕获尽可能视角广的场景信息，主动光照射件207能够使得对接系统可以工作在夜晚环境。

整个船舶停靠过程分为捕获过程和对接过程，下面是船舶停泊捕获的工作流程：

船舶208接收到停泊信号后，由船舶208自身动力靠近泊位，调整自身姿态，调整被对接结构109位置，当对接头110进入主动对接装置100的内圈捕获范围后，处理器101发出绿灯信号，船舶208方停止所有运动，机械臂102开始捕获运动，捕获运动由主动对接装置100一方全权接手，具体步骤如下：

首先要实时进行的是主动对接装置100对对接头110的定位，具体为：由视觉引导结构104中的鱼眼相机206进行图像采集；对去畸变后的鱼眼图像进行处理，当图像中出现靶标111时，运用经典的apriltag算法，可以计算获取到靶标111相对鱼眼相机206的六自由度位姿；通过靶标111和对接头110的相对位姿关系，以及鱼眼相机206和机械臂102的腰关节200的相对位姿关系，即可计算得到对接头110和机械臂102的腰关节200之间的相对位姿关系。到这里实现了对对接头110的识别和定位。在本说明性示例中，鱼眼相机206的图像采集速率设定为10赫兹。

由视觉引导结构104定位对接头110后，将对接头位姿信息117发送给处理器101；处理器101规划出一条合理的机械臂102运动路线，离散化后通过d-h法解算出每个控制周期机械臂102各个关节需要转动的角度；并将运动控制指令112由处理器101发送到机械臂102中各个关节的电机。要说明的是，在对接过程中，由于对接头110位姿实时变化，处理器101根据对接头位姿信息117实时优化机械臂102的运动路线。

在本说明示例中，主动对接装置100中的捕获对接结构103中姿态传感器204的作用是实时测量捕获对接结构103的姿态，将其姿态信息反馈给处理器101；处理器101在每个控制周期控制机械臂102中腕关节203的电机，使捕获对接结构103始终保持水平状态。

在捕获过程中，若一旦捕获对接结构103根据视觉引导结构104获取到的对接头位姿信息117，探测到被对接装置109脱离外圈捕获范围，即立刻停止机械臂102运动，由处理器101发出红灯信号指示船舶控制方重新进行船体和对接头110高度和水平位置调节。待对接头110回到内圈捕获范围后，处理器101发出绿灯信号，机械臂102继续进行捕获运动。在本描述的示例中，外圈捕获范围为捕获对接结构103最大捕获范围；内圈捕获范围被设定为最大捕获范围的三分之二，为了保证对接头110不会由于水流干扰经常脱离捕获范围。

主动对接装置100执行捕获和对接任务的工作流程为：

当对接头110进入捕获对接结构103可捕获范围内后，由视觉引导结构104定位对接头110，将对接头姿态信息117实时上传至处理器101，处理器101生成并控制机械臂102进行捕获路线的运动；当处理器101获取到对接头110进入喇叭口205的信号，生成并控制机械臂102进行对接路线的运动；当对接头110触碰到罗盘304时，处理器101下达锁定指令113给捕获对接结构103；捕获对接结构103通过捕获环105内部的锁紧结构对对接头110进行锁死。从而实现主动对接系统100与被动对接系统106的对接。

下面是船舶停泊对接的工作流程：

当对接头110进入喇叭口205，即进入精准对接过程，此时，由于对接头110遮挡了红外对射传感器213的红外发射器到红外接收端的射线，此时会触发喇叭口205内的红外对射传感器213将预对接信号115传输给处理器101，处理器101获取到对接头110已经进入到喇叭口205的信息，给机械臂102规划一条新的使对接头110往喇叭口205中心深入的运动路径。

要说明的是，在精准对接过程中规划了两段机械臂102运动路线的原因是防止喇叭口205外侧撞击到对接头110。

如图4中由(a)经(b)到(c)示意了从对接头110被红外对射传感器213探测到，到对接头110的金属球212缓慢深入喇叭口205，最终进入捕获环105内部被锁定的过程。以下是通过捕获环105锁定对接头110的步骤：

处于待锁定状态时，捕获环105中的三个伸缩部件301处于张开的状态。此时，对接头110可一直向喇叭口205和捕获环105内部运动，当对接头110触碰到罗盘304时，罗盘304上的力传感器305被唤醒，发送对接信号116给处理器101；处理器101发送锁定指令113给舵机300，舵机300转动一定角度，通过轴连接件302、伸缩连接件303，带动三个伸缩部件301旋转并向内收拢；最终将细杆211包络住，锁定就此完成。要说明的是，伸缩部件301能够向内收拢，是由于罗盘304上的镂空区域半径不同；而轴连接件302和伸缩连接件303之间可以自由旋转，使得伸缩部件301在旋转的同时滑向罗盘304上半径小的位置，导致三个伸缩部件301向内收拢；此时，由于金属球212处于罗盘304和伸缩部件301的中间，只能给伸缩部件301延舵机轴向上向外的力，因此无法使得伸缩部件301向外张开，以此达到锁定对接头110的效果。

船舶离岸流程：

船舶离岸前捕获环105应处于锁定状态。处理器101发送释放指令114到捕获环105；捕获环105中的舵机300反向旋转一定角度；伸缩固件301向外移动释放对接头110；处理器101给机械臂102规划一条释放路径，并发送运动控制指令112给机械臂102；机械臂102接收运动控制指令112进行释放运动；处理器101触发绿灯信号，指示船舶208可以离岸。

本发明用于船舶停泊的主动捕获式对接系统具有稳定可靠，结构简单，智能化程度高的特点。采用包络式锁紧结构可以很好地承载船体受水流干扰产生的力；捕获对接结构103和被对接结构109分别具有多个空间自由度，能够很好地应对由水平面高度和船体类型大小不同带来的可变性。

上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

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