智能船壁清洁机器人及其清洗方法与流程

本发明涉及船舶壁面除锈清洁技术领域，特别涉及一种智能船壁清洁机器人及其清洗方法。

背景技术：

船舶工业是国民经济中的一个重要产业。它的发展既可以提供一个容纳度庞大的工业品市场,带动相关行业的发展,又可以为水运交通、海洋开发、海军国防等提供先进装备,在国民经济中发挥着不可替代的作用。

除杂除锈是船舶工业劳动强度最大、污染严重、技术水平落后的一道必不可少的工艺。全球船舶领域每年的船壁清洗费很多，主要以人工清洗为主。人工清洗不仅耗时耗力，而且效率低下，清洗效果一般，急需一种新的清洗方法。目前，船舶清洗方式逐渐由人工清洗方式转向机器人清洗方式。船壁清刷机器人以低成本，高效率等优点，通过携带清刷工具，可开发多种功能，为船舶清刷维护行业带来巨大的社会效益和经济效益。

常规的船壁清刷机器人功能简单，作业形式简单，清洁效率低下，智能化程度低，实用性很差。因此本发明提出一种智能船壁清洁机器人，可以在一定程度上提高船壁清洁的工作效率。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种智能船壁清洁机器人及其清洗方法，不仅提高了船壁清洁的工作效率，增加船壁清洁机器人的实用性，而且提高当下船壁清洁机器人的智能化程度，减少船壁清洁领域的人力物力，减少船壁清洁成本，使船壁清洁工作系统化、智能化和自动化。

本发明提供了一种智能船壁清洁机器人，其包括双目摄像头、摄像头支架、高压水射管道、高压水射支架、高压水射阀门、直线电机、钕磁铁、清洁组件、履带、机器人从动轴、机器人驱动轴和机器人本体。所述双目摄像头通过所述摄像头支架和所述机器人本体顶部的上表面固定连接，所述高压水射管道位于所述机器人本体顶部上表面的中部，所述高压水射管道的第一端设有高压水射阀门，所述高压水射管道的第一端通过所述高压水射支架和所述机器人本体固定连接，所述履带位于所述机器人本体的两侧，所述钕磁铁分别位于所述履带的表面和所述直线电机输出轴的末端，所述直线电机上表面固定在机器人本体上表面下端，所述机器人驱动轴的第二端和所述履带的第一端固定连接，所述履带的第二端和所述机器人从动轴的第一端连接，所述机器人从动轴的第二端和所述机器人本体连接。所述清洁组件位于所述机器人本体底部的下表面，其包括脏水刷连接轴、脏水刷、工具转换盘、工具槽和工具转换盘连接轴，所述工具转换盘位于所述机器人本体底部下表面的中部，所述脏水刷和所述脏水刷连接轴的第一端固定连接，所述脏水刷连接轴的第二端和所述机器人本体连接，所述工具转换盘的第一端和所述工具转换盘连接轴的第一端固定连接，所述工具转换盘连接轴的第二端和所述机器人本体连接，所述工具转换盘的第二端设有工具槽，所述工具槽均匀分布在所述工具转换盘第二端的外圆周上。

可优选的是，所述履带关于机器人本体的中轴线对称分布在两端，所述双目摄像头关于所述高压水射管道对称分布在机器人本体的两侧。

可优选的是，所述工具转换盘的轴线、所述高压水射管道的轴线和所述直线电机的位置在同一条直线上。

可优选的是，所述脏水刷关于所述工具转换盘的轴线对称分布在所述机器人本体底部下表面的两侧。

可优选的是，所述双目摄像头距离所述机器人本体一侧的距离大于所述脏水刷距离所述机器人本体一侧的距离。

本发明的另一方面，提供一种利用智能船壁清洁机器人的清洗方法，其包括如下步骤：

s1、给智能船壁清洁机器人通电，同时，将智能船壁清洁机器人与计算机完成通讯，使其处于可以远程操控状态；

s2、利用用户界面应用程序qt的键盘事件，通过键盘设定键的按下和抬起所产生的不同事件，将智能船壁清洁机器人移动到要清洗船壁的上边缘；

s3、通过用户界面应用程序qt控制界面将船壁清洁机器人切换成自动运行模式，使智能船壁清洁机器人自行保持直线运行，此时高压水射管道通过高压水射流对船壁进行清洁，脏水刷连接轴开始工作运行；

s4、通过可编程门阵列fpga的wi-fi模块，将双目摄像头所拍摄的视频上传计算机，通过用户界面应用程序qt所设计的界面进行显示；

s41、使用开源计算机视觉库opencv中的类构造函数videocapture调用视频信息，读取摄像机视频文件；

s42、通过开源计算机视觉库opencv中的构造函数cvqueryframe将双目摄像头获取的视频文件分割成每一帧，使视频文件分割成每一张图片，进行图像物体轮廓识别，将物体密集区、大轮廓的附着物和小轮廓的附着物等区分开来，返回不同的信号给控制器的可编程门阵列fpga，控制器fpga控制工具转换盘连接轴的旋转角度，根据船舶壁面的附着物类型，控制工具转换盘连接轴旋转相应的角度；

s421、识别为小附着物，工具转换盘连接轴旋转0度角，选取工具转换盘第一个工具槽所携带的机械结构清刷工具，同时搭配高压水射管道作业；

s422、识别为中等附着物，工具转换盘连接轴旋转90度，选取工具转换盘第二个工具槽所携带的机械结构清刷工具，同时搭配高压水射管道作业；

s423、识别为较大附着物，工具转换盘连接轴旋转180度，选取工具转换盘第三个工具槽所携带的机械结构清刷工具，同时搭配高压水射管道作业；

s43、通过fpga处理的结果，控制高压水射阀门的开关比例和智能船壁清洁机器人的行进速度，进而实现高效变压清刷；

s44、opencv图像处理中的边缘检测，当智能船壁清洁机器人工作运行到船壁边缘时，位于机器人本体底部的机器人驱动轴差速运行，改变船壁清洁机器人的行进方向，清洗船壁下一行；

s5、通过fpga读取智能船壁清洁机器人的姿态传感器的三维姿态与方位数据；

s51、当检测到智能船壁清洁机器人的姿态参数符合正常值时，智能船壁清洁机器人系统正常工作，所述直线电机为待机状态；

s52、当采集的智能船壁清洁机器人的姿态参数为异常值时，立即停止智能船壁清洁机器人清洁工作，所述直线电机运行，所述直线电机的输出端将所述钕磁铁弹出；

s6、将智能船壁清洁机器人的清洁视频输出保存到计算机中供回放检查观看。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明通过fpga实现了与终端设备的通信功能，使船壁清洁机器人的工作形式更加智能化与自动化。

2.本发明通过所设计的双目摄像头模块搭配上位机的识别与处理系统，可根据船壁附着物情况实现变压清洗以及选择相对应的清刷工具，提高船壁清洁工作效率。

3.本发明通过高压水射安装支架与旋转舵机相结合，使船壁清洁机器人的清洗面为扇形，增加清洗面积以提高清洁效率。

4.本发明通过脏水刷设计结构，大大简化了真空脏水回收结构，同样可预防履带式船壁清洁机器人作业在水面时侧滑翻落问题以及船舶壁面返锈现象。

附图说明

图1为本发明智能船壁清洁机器人及其清洗方法的工作流程图；

图2为本发明智能船壁清洁机器人及其清洗方法的主视图；

图3为本发明智能船壁清洁机器人及其清洗方法的侧视图；以及

图4为本发明智能船壁清洁机器人及其清洗方法的俯视图。

主要附图标记：

双目摄像头1，摄像头支架2，高压水射管道3，高压水射支架4，高压水射阀门5，直线电机6，钕磁铁7，清洁组件8，脏水刷连接轴81，脏水刷82，工具转换盘83，工具槽84，工具转换盘连接轴85，履带9，机器人从动轴10，机器人驱动轴11，机器人本体12。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

智能船壁清洁机器人，如图2至图4所示，其包括双目摄像头1、摄像头支架2、高压水射管道3、高压水射支架4、高压水射阀门5、直线电机6、钕磁铁7、清洁组件8、履带9、机器人从动轴10、机器人驱动轴11和机器人本体12。

如图1所示，双目摄像头1通过摄像头支架2和机器人本体12顶部的上表面固定连接，高压水射管道3位于机器人本体12顶部上表面的中部，高压水射管道3的第一端设有高压水射阀门5，高压水射管道3的第一端通过高压水射支架4和机器人本体12固定连接，履带9位于机器人本体12的两侧，如图3所示，钕磁铁7分别位于履带9的表面和直线电机6输出轴的末端，直线电机6上表面固定在机器人本体12上表面下端，机器人驱动轴11的第二端和履带9的第一端固定连接，履带9的第二端和机器人从动轴10的第一端连接，机器人从动轴10的第二端和机器人本体12连接。机器人驱动轴11的不同转速，可实现智能船壁清洁机器人的前行和转向；履带上所设计的长方形钕磁铁7可实现智能船壁清洁机器人在船壁侧面的永磁吸附，确保智能船壁机器人可在壁面上吸附作业。

如图4所示，清洁组件8位于机器人本体12底部的下表面，其包括脏水刷连接轴81、脏水刷82、工具转换盘83、工具槽84和工具转换盘连接轴85。

脏水刷连接轴81可实现脏水刷0-45度的旋转，在机器人正常作业时，脏水刷连接轴81带动脏水刷82不停旋转作业；脏水刷82具有清理刮净高压水射管道3在清洁后水渍的功能，通过脏水刷连接轴81，实现一定角度清刷作用，防止履带9行走在水渍上发生侧滑甚至脱落现象，也防止船壁二次生锈；工具转换盘83，实现清刷工具的转换功能，工具转换盘83有三个凹槽，三个凹槽可携带三种物理清刷工具，可根据双目摄像头1所识别的不同类型的附着物，选取相应的清刷工具，提高清刷效率；工具转换盘连接轴85可旋转180度，每次旋转90度，以实现工具转换盘83的工具转换。

根据船壁附着物的类型，控制智能船壁清洁机器人的运行速度以及高压水射阀门5开关比例，对于小附着物，高压水射阀门5打开80％-100％，大范围小压强清刷；对于中等附着物，高压水射阀门5打开60％-80％，中等范围中等压强清刷；对于大的附作物，高压水射阀门5打开40％-60％，小范围高压强清刷，提高智能船壁清刷机器人的工作效率。

工具转换盘83位于机器人本体12底部下表面的中部，脏水刷82和脏水刷连接轴81的第一端固定连接，脏水刷连接轴81的第二端和机器人本体12连接，工具转换盘83的第一端和工具转换盘连接轴85的第一端固定连接，工具转换盘连接轴85的第二端和机器人本体12连接，工具转换盘83的第二端设有工具槽84，工具槽84均匀分布在工具转换盘83第二端的外圆周上。

如图4所示，履带9关于机器人本体12的中轴线对称分布在两端，双目摄像头1关于高压水射管道3对称分布在机器人本体12的两侧。

工具转换盘83的轴线、高压水射管道3的轴线和直线电机6的位置在同一条直线上。

如图2所示，脏水刷81关于工具转换盘83的轴线对称分布在机器人本体12底部下表面的两侧。双目摄像头1距离机器人本体12一侧的距离大于脏水刷82距离机器人本体12一侧的距离。

如图1所示，利用智能船壁清洁机器人进行清洗的清洗方法，其包括如下步骤：

s1、给智能船壁清洁机器人通电，同时，将智能船壁清洁机器人与计算机完成通讯，使其处于可以远程操控状态。

s2、利用用户界面应用程序qt、即跨平台c++图形用户界面应用程序qt的键盘事件，通过键盘设定键的按下和抬起所产生的不同事件，将智能船壁清洁机器人移动到要清洗船壁的上边缘。

s3、通过用户界面应用程序qt控制界面将船壁清洁机器人切换成自动运行模式，使智能船壁清洁机器人自行保持直线运行，此时高压水射管道3通过高压水射流对船壁进行清洁，脏水刷连接轴81开始工作运行。

s4、通过可编程门阵列fpga，即field-programmablegatearray，现场可编程门阵列的wi-fi模块，将双目摄像头1所拍摄的视频上传计算机，通过用户界面应用程序qt所设计的界面进行显示；

s41、使用opencv，即开源计算机视觉库中的videocapture，即类构造函数调用视频信息，读取摄像机视频文件；

s42、通过opencv中的cvqueryframe将双目摄像头1获取的视频文件分割成每一帧，使视频文件分割成每一张图片，进行图像物体轮廓识别，将物体密集区、大轮廓的附着物和小轮廓的附着物等区分开来，返回不同的信号给控制器fpga，控制器fpga控制工具转换盘连接轴85的旋转角度，根据船舶壁面的附着物类型，控制工具转换盘连接轴85旋转相应的角度；

s421、识别为小附着物，工具转换盘连接轴85旋转0度角，选取工具转换盘83第一个工具槽84所携带的机械结构清刷工具，同时搭配高压水射管道3作业；

s422、识别为中等附着物，工具转换盘连接轴85旋转90度，选取工具转换盘83第二个工具槽84所携带的机械结构清刷工具，同时搭配高压水射管道3作业；

s423、识别为较大附着物，工具转换盘连接轴85旋转180度，选取工具转换盘83第三个工具槽84所携带的机械结构清刷工具，同时搭配高压水射管道3作业。

s43、通过fpga处理的结果，控制高压水射阀门5的开关比例和智能船壁清洁机器人的行进速度，进而实现高效变压清刷；

s44、opencv图像处理中的边缘检测，当智能船壁清洁机器人工作运行到船壁边缘时，位于机器人本体12底部的机器人驱动轴11差速运行，改变船壁清洁机器人的行进方向，清洗船壁的下一行。

s5、通过fpga读取智能船壁清洁机器人姿态传感器的三维姿态与方位数据；

s51、当检测到智能船壁清洁机器人的姿态参数符合正常值时，智能船壁清洁机器人系统正常工作，直线电机6为待机状态，直线电机6输出杆为收缩状态；

s52、当采集的智能船壁清洁机器人的姿态参数为异常值时，立即停止智能船壁清洁机器人清洁工作，运行直线电机6，将与直线电机6的输出轴连接的钕磁铁7瞬时弹出，增加智能船壁清洁机器人的吸附力，保证智能船壁清洁机器人的安全。

s6、将智能船壁清洁机器人的清洁视频输出保存到计算机中，供工作人员回放检查观看。

以下结合实施例对本发明一种智能船壁清洁机器人及其清洗方法做进一步描述：

s1、给智能船壁清洁机器人通电，使机器人驱动轴11、控制器、双目摄像头模块1、机器人本体12和直线电机6上电，同时，将智能船壁清洁机器人与计算机完成通讯，使其处于可以远程操控状态。

s2、通过用户界面应用程序qt，即跨平台c++图形用户界面应用程序的键盘事件，操控刚上电为手动控制模式的智能船壁清洁机器人移动，键盘上下左右键操控着智能船壁清洁机器人的前进后退以及左右转向，当键盘按下时触发，抬起时中断触发，将智能船壁清洁机器人移动到要清洗船壁的上边缘。

s3、当运行到要清洗船壁的起始点时，通过用户界面应用程序qt控制界面将智能船壁清洁机器人切换成自动运行模式，使智能船壁清洁机器人自行保持直线运行，此时高压水射管道3通过高压水射流对船壁进行清洁，脏水刷连接轴81开始工作运行，通过所设定好的30度角带动脏水刷连接轴81转动，从而带动脏水刷82以30度角度进行脏水清刮，使智能船壁清洁机器人尽可能的运行在较为干燥的船舶壁面上。

s4、通过fpga初始化双目摄像头1，使双目摄像头1处于工作模式，实时拍摄船舶壁面画面，并传输给fpga，再通过无线通信，传输给计算机，通过用户界面应用程序qt所设计的界面进行显示。

s41、通过opencv中的videocapture调用用户界面应用程序qt所显示的视频信息，读取摄像机视频文件；

s42、通过opencv中的cvqueryframe将双目摄像头1获取的视频文件分割成每一帧，使视频文件分割成每一张图片，进行图像物体轮廓识别，将物体密集区、大轮廓的附着物和小轮廓的附着物等区分开来，返回不同的信号给控制器fpga，控制器fpga控制工具转换盘连接轴85的旋转角度，根据船舶壁面的附着物类型，控制工具转换盘连接轴85旋转相应的角度。

s421、对于小附着物，工具转换盘连接轴85旋转0度角，选取工具转换盘83第一个工具槽84所携带的机械结构清刷工具，同时搭配高压水射管道3作业。

s422、识别为中等附着物，工具转换盘连接轴85旋转90度，选取工具转换盘83第二个工具槽84所携带的机械结构清刷工具，同时搭配高压水射管道3作业。

s423、识别为较大附着物，工具转换盘连接轴85旋转180度，选取工具转换盘83第三个工具槽84所携带的机械结构清刷工具，同时搭配高压水射管道3作业。

s43、通过fpga输出不同占空比的pwm波，对机器人驱动轴11进行转速控制，通过机器人驱动轴11，给智能船壁清洁机器人移动的动力，机器人驱动轴11带动履带9，履带9带动机器人从动轴10，再根据机器人驱动轴11转速控制，实现智能船壁清洁机器人的前行后退以及左右转向；通过上位机对双目摄像头1进行视频画面处理之后，对船舶壁面附着物进行识别，针对船舶附着物的类型，通过fpga对高压水射阀门5控制。

s44、通过双目摄像头1所拍摄的船舶壁面情况传输给上位机显示，通过opencv调用上位机所收集的图像信息，并进行图像处理中的边缘检测，当智能船壁清洁机器人工作运行到船壁边缘时，fpga产生两种差值的pwm波，使得两个机器人驱动轴11差速运行，从而改变船壁清洁机器人的行进方向，进行下一行的清洗。

s5、智能船壁清洁机器人运行工作之后，通过fpga，实时通过所设计的姿态传感器采集智能船壁清洁机器人的姿态参数，对智能船壁清洁机器人的姿态进行实时的监测；

s51、当检测到智能船壁清洁机器人的姿态参数符合正常值时，智能船壁清洁机器人系统正常工作，直线电机6为待机状态，直线电机6输出杆为收缩状态；

s52、当采集的智能船壁清洁机器人的姿态参数为异常值时，立即停止智能船壁清洁机器人清洁工作，运行直线电机6，运行直线电机6，将与直线电机6的输出轴连接的钕磁铁7瞬时弹出，增加智能船壁清洁机器人的吸附力，保证智能船壁清洁机器人的安全。

s6、将智能船壁清洁机器人的清洁视频输出保存到计算机中，供工作人员回放检查观看。

本发明通过双目摄像头搭配上位机opencv软件平台，对船舶壁面情况进行图像采集以及图像处理，可识别分类船壁附着物种类，以及对船壁边缘进行检测；通过fpga与上位机用户界面应用程序qt软件平台建立无线通信，通过用户界面应用程序qt的键盘事件，捕捉键盘按键状态，实现对智能船壁清洁机器人的手动操控；通过对船舶壁面的图像采集与图像处理，对船舶壁面的附着物进行分类，并根据分类控制高压水射阀门的开关比例，并且根据附着物大小，操控工具转换盘旋转合适角度，选取合适清刷工具；通过脏水刷装置，可对高压水射流冲刷的脏水进行清刮，实现船舶壁面的干燥清洁；通过设计的姿态传感器，采集智能船壁清洁机器人的姿态数据，以及通过内部设计直线电机与钕磁铁结构，为智能船壁清洁机器人做双重保障。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

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