一种船底附着生物清除机器人及其控制方法

1.本发明涉及船底附着生物清除技术领域，尤其涉及一种船底附着生物清除机器人及其控制方法。


背景技术：

2.大型船体的底部，随着时间的积累，会附着甚至生长一些海洋生物，为了不影响航行和保护船体，需要定期对船体底部附着的生物进行清理。目前常用的清理手段是潜水员潜入海水中，潜泳到船底，利用金属长柄铲子进行手动作业清理，费工费时，清理费用高昂。较为先进自动化清理装置会采用配有附着物粉碎机构的水下机器人来清理船底，但是由于没有根据船底上附着生物的种类和大小，统一采用固定的清理方式，能耗较高，经济性较差，会存在清理不彻底或者损伤船底的弊端，例如申请号为cn202220191486、cn202110839986、cn202023013325、cn202010973657等公开的技术方案。现有的自动化清除手段没有考虑到对船底附着物的附着严重程度进行合理评估的机制，不能对船舶的管理人员有效说明附着物清除的效果，缺乏有说服力的照片，例如cn202210472162。此外，清除的主要手段都是依靠刀具清除，刀具与船体有机械式硬接触，容易对船体表面造成划痕。
3.由此可见，如何开发一种能够替代潜水员手动清除船底附着物的有效系统，并且能够可靠完成船底生物附着物的控制方法，同时做到清除彻底和不损伤船底，已成为现有技术中有待决的问题。


技术实现要素：

4.根据上述提出的技术问题，而提供一种船底附着生物清除机器人及其控制方法。本发明采用的技术手段如下：
5.一种船底附着生物清除机器人，包括机架和设置在机架上的空间位姿调节装置、控制装置、电力系统、喷射装置和图像识别装置，所述图像识别装置用于获取预设位置的船底附着生物图像，所述空间位姿调节装置用于调节机器人的空间位置和/或姿态，所述喷射装置用于喷出高压水流清理船底附着生物，所述控制系统用于控制机器人以既定路线进行图像获取并控制喷射装置在机器人行进至预设位置后基于不同种类附着生物进行针对性的清洗。
6.进一步地，所述空间位姿调节装置包括用于提供前进动力的推进器和用于控制机器人水中高度的压载水装置。
7.进一步地，所述压载水装置包括左压载水箱和右压载水箱，所述左压载水箱设有左压载水箱进出水管，所述右压载水箱设有右压载水箱进出水管，所述机架上设置有高压气缸，所述高压气缸与左压载水箱和右压载水箱相连，通过压载水箱进出水管让压载水进出，使机器人完成上浮和下潜操作。
8.进一步地，所述图像识别装置包括设置于机架上的辅助摄像头和设置于所述喷射装置上的主摄像头。
9.进一步地，所述喷射装置包括高压水管和与其相连的海水吸入泵，所述高压水管上设置有过滤网，所述高压水管的输出端与高压喷头相连。
10.进一步地，所述高压水管的输出端与高压喷头之间设有八自由度象鼻式机械臂，所述高压喷头通过高压喷头把持器进行把持，由八自由度象鼻式机械臂带动高压喷头把持器进行清理船底的附着生物。
11.进一步地，所述高压喷头为集成主摄像的高压喷头，其输入端为高压进水管，输出端为三角形增压喷嘴，其用于对进水增压，再通过喷嘴喷出柱状高压水流，所述主摄像头用于识别出不同种类的附着生物，主控制器基于主摄像头采集的数据采用不同压强的水流进行清洗。
12.本发明还公开了一种船底附着生物清除机器人的控制方法，包括如下步骤：
13.步骤1、根据所要清理的船舶的总长、型宽、设计吃水深度，设计机器人的清理路线，控制系统控制机器人沿着设计的清理路线，通过辅助摄像头获取清理路线上的船体附着水生生物图像；
14.步骤2、将获取的图像信息合成一张船体底部的生物附着情况展开图并基于该图评估船底生物附着密度；
15.步骤3、依据所确定的路线和采集的船底生物附着情况图，机器人运动至预设位置后，控制系统控制高压喷头进行船底附着生物的清理，在此过程中，主摄像头识别出不同种类的附着生物，采用不同压强的水流来清洗；
16.步骤4、机器人沿着既定路径运动至初始位置后，根据所合成的图像计算附着生物在船底的密度，通过密度来判断是否需要继续清洗，在密度小时无需清洗，密度大时需要进行清洗。
17.进一步地，所述步骤1中，控制系统控制机器人在同一侧的同一深度上进行船首到船尾的逐段扫描，之后下潜一定深度后进行船尾至船首的逐段扫描，直至扫描至船底部后行驶至船体的另一侧，自下至上逐层扫描直至将船体预设扫描位置处进行全部扫描。
18.进一步地，所述步骤3中，定义不同附着生物的权重系数，将不同种类的生物数量乘上其对应系数再除以合成的展开图总面积得到船底生物附着密度，其计算公式如下：
[0019][0020]
其中，ρ为船底生物的附着密度，δ为不同附着生物的权重系数，q为船底不同种类附着生物对应的数量，n代表船底附着生物种类，s为船底的生物附着情况展开图总面积。
[0021]
本发明提供了一种船底附着生物清除机器人及其控制方法，本发明所述的船底附着物清除机器人设计结构简单、便于携带、清理效果好，能够将多种船舶船底的附着生物清除。本技术方案所述的机器人可以游动并且下潜到船体底部的任意位置附近，利用三角形增压喷嘴喷出的高压水流来清除船体底部附着的生物。机器人能够根据附着生物的不同种类来调整出水压强和喷射水流与船底平面之间的角度，这样既能有效清除船底附着生物又不损伤船底。在清除附着生物前后，均拍摄船体底部的全景照片，并通过对照片的分析计算，给出船体底部生物附着情况的量化指标。
附图说明
[0022]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]
图1为本发明一种船底附着生物清除机器人侧视图。
[0024]
图2为本发明一种船底附着生物清除机器人俯视图。
[0025]
图3为本发明一种船底附着生物清除机器人仰视图。
[0026]
图4为本发明带摄像头的高压喷头。
[0027]
图5为本发明一种船底附着生物清除机器人的工作流程图。
[0028]
图6为本发明实施例中，船体底部的清理路线示意图。
[0029]
图中：1、机架；2、控制器；3、可充电电源；4、高压气缸；5、左压载水箱；6、左压载水箱进出水管；7、左推进器；8、右推进器；9、海水吸入泵；10、过滤网；11、右压载水箱进出水管；12、右压载水箱；13、八自由度；14、高压喷头把持器；15、带摄像头的高压喷头；15-1、高压进水管；15-2、三角形增压喷嘴；15-3、摄像头；15-4、控制总线接口；15-5、电源总线接口；16、电源总线；17、控制总线；18、辅助摄像头；19、高压水管；20、吊装环。
具体实施方式
[0030]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031]
如图1～4所示，本发明实施例公开了一种船底附着生物清除机器人，包括机架和设置在机架上的空间位姿调节装置、控制装置、电力系统、喷射装置和图像识别装置，所述图像识别装置用于获取预设位置的船底附着生物图像，所述空间位姿调节装置用于调节机器人的空间位置和/或姿态，所述喷射装置用于喷出高压水流清理船底附着生物，所述控制系统用于控制机器人以既定路线进行图像获取并控制喷射装置在机器人行进至预设位置后基于不同种类附着生物进行针对性的清洗。
[0032]
所述控制器的组成包括机器人主体水下运动控制功能块、八自由度象鼻式机械臂运动控制功能块、附着物识别和清除控制功能块、低电量检测功能块、图像信号无线传输功能块。
[0033]
所述空间位姿调节装置包括用于提供前进动力的推进器和用于控制机器人水中高度的压载水装置。
[0034]
所述压载水装置包括左压载水箱和右压载水箱，所述左压载水箱设有左压载水箱进出水管，所述右压载水箱设有右压载水箱进出水管，所述机架上设置有高压气缸，所述高压气缸与左压载水箱和右压载水箱相连，通过压载水箱进出水管让压载水进出，使机器人完成上浮和下潜操作。
[0035]
所述图像识别装置包括设置于机架上的辅助摄像头和设置于所述喷射装置上的主摄像头。
[0036]
所述喷射装置包括高压水管和与其相连的海水吸入泵，所述高压水管上设置有过滤网，所述高压水管的输出端与高压喷头相连。
[0037]
所述高压水管的输出端与高压喷头之间设有八自由度象鼻式机械臂，所述高压喷头通过高压喷头把持器进行把持，由八自由度象鼻式机械臂带动高压喷头把持器进行清理船底的附着生物。
[0038]
所述高压喷头为集成主摄像的高压喷头，其输入端为高压进水管，输出端为三角形增压喷嘴，其用于对进水增压，再通过喷嘴喷出柱状高压水流，所述主摄像头用于识别出不同种类的附着生物，主控制器基于主摄像头采集的数据采用不同压强的水流进行清洗。
[0039]
具体地，图1展示了机器人的侧视图。图中左半部分展示了机器人主体部分，右半部分展示了机器人喷头部分，中间由八自由度象鼻式机械臂13相连。整个主体部分安置在机架1上，主体的两端是由左压载水箱5和左压载水箱进出水管6以及右压载水箱12和右压载水箱进出水管11组成，在主体的左侧面分布机器人的左推进器7和右推进器8，在主体的左侧面的下方分布着海水吸入泵9和过滤网10，在主体的上面从左至右依次放置高压气缸4、可充电电源3、控制器2、辅助摄像头18和吊装环20。右半部分从左至右依次是高压喷头把持器14和带摄像头的高压喷头15。图2展示了机器人的俯视图。上半部分展示了船底、船底附着生物、带摄像头的高压喷头15、八自由度象鼻式机械臂13和高喷头把持器14。主体中间从上至下依次是吊装环20、控制器2、可充电电源3和高压气缸4并且它们由控制总线17相连接。图3展示了机器人的仰视图。由八自由度象鼻式机械臂13连接了图中的上下两部分。图4展示了机器人的带摄像头的高压喷头组成图。喷头整体是以三角形增压喷嘴15-2作为基底。从左至右依次分布着高压进水管15-1、控制总线接口15-4、电源总线接口15-5、电源总线16、控制总线17和摄像头15-3，并且展示了经过三角形增压喷嘴喷出的柱状高压水流和船底附着生物。
[0040]
如图5所示，本发明还公开了一种船底附着生物清除机器人的控制方法，包括如下步骤：
[0041]
步骤1、制定清理路线。根据所要清理的船舶的总长、型宽、设计吃水深度，设计机器人的清理路线。首先由1机架支撑连接机器人其余各部分，3可充电电源为机器人的一系列操作、推进和续航提供能量，由16电源总线传输能量，左推进器7和右推进器8为机器人的前进提供动力。海水通过左压载水箱进出水管6和右压载水箱进出水管11暂存在左压载水箱5和右压载水箱12中。由高压气缸4给压载水箱增压，通过压载水箱进出水管让压载水进出，使机器人完成上浮和下潜操作。设计路线依据原则是：第一、机器人辅助摄像头18与船体之间保持0.3m至0.8m的距离，这样可以便于八自由度象鼻式机械臂13操纵带摄像头的高压喷头15在较大的面积范围内灵活清除附着生物；第二、路线依据从先从右舷水平面船首到右舷船尾，再增加机器人下潜深度，从右舷船尾回到右舷船首，依次往复扫略，直至船体底部，再扫略船体底部，再由船体底部绕到左舷一侧，减少下潜深度后依次扫略，最后浮出水面的顺序制定成若干段(参考具体实施例)；第三、相邻扫略路线之间存在的高度差，则高度差的取值范围为1.5m至2.5m。
[0042]
步骤2、评估船底生物附着密度。在制定好清理路线之后，船底附着生物清除机器人从路线的起点入水，按照步骤(1)制定的清除路线将所要清理的船体底部巡航一遍后回到起始点，巡航的过程中使用18辅助摄像头以1.8m长，1.8m宽的大小为基本单元拍照，拍摄
船底各个部分的照片，并按照路线和拍照的顺序编号将所拍照片存储在2控制器里，根据船体的垂线间长为105m，每段路线包含60张照片(105m/1.8m≈60)将每张照片的标号。之后按照以上编号的顺序将所拍照片存储在2控制器里，在控制器里按照矩阵m60x5所描述的排列方式，将所有300张照片合成一张船体底部的生物附着情况展开图。该展开图可用于定性说明没有进行船底清理之前的船底生物附着情况。
[0043]
步骤3、执行清理操作。依据所确定的路线和采集的船底生物附着情况图，由可充电电源3经由连接在电源总线接口15-5的电源总线16为清理提供能量，由控制器2通过连接在控制总线接口15-4的控制总线17对带摄像头的高压喷头15发出指令，由八自由度象鼻式机械臂13带动高压喷头把持器14进行清理船底的附着生物。喷出的清理水流是由海水吸入泵9吸进同时过滤网10过滤掉海水中的杂质以免堵塞经由高压水管19加压给带摄像头的高压喷头15用于喷出高压水流清理船底附着生物。带摄像头的高压喷头15是由高压进水管15-1持续进水，三角形增压喷嘴15-2对进水增压，再通过喷嘴喷出柱状高压水流。摄像头15-3能够识别出不同种类的附着生物，采用不同压强的水流来清洗。机器人从右舷起点按照制定的清理路线经绕船底一周后，根据所合成的图像计算附着生物在船底的密度，通过密度来判断是否清洗。在密度小时无需清洗，密度大时需要进行清洗。并且机器人能够在清洗时调整与船底平面之间的角度，防止角度不当损伤船底。在清理完成后，将清理过后的船底各部分位置合成船体底部的生物附着情况图像，计算清洗后的生物附着密度，将清洗结果发送给船舶管理者。
[0044]
根据步骤(2)合成的展开图定量评估船底生物的附着密度，其计算方法如下：
[0045]
首先定义不同附着生物的权重系数：藻类为1；水螅：2；外肛动物为4；龙介虫为6；双壳类为8；藤壶为10；海鞘为20。根据整体合成的船体底部的生物附展开图，采用某种图像识别算法识别出不同的生物种类。将不同种类的生物数量乘上其对应系数再除以合成的展开图总面积就是船底生物附着密度，其计算公式如下：
[0046][0047]
其中，ρ为船底生物的附着密度，δ为不同附着生物的权重系数，q为船底不同种类附着生物对应的数量，n代表船底附着生物种类，s为船底的生物附着情况展开图总面积。
[0048]
对于不同的附着生物可采用不同的出水压强：
[0049]
1藻类：5——1.2mpa
[0050]
2水螅：1.2——1.8mpa
[0051]
3外肛动物：1.8——2mpa
[0052]
4龙介虫：2——4.5mpa
[0053]
5双壳类：4.5——5.2mpa
[0054]
6藤壶：5.2——6.0mpa
[0055]
7海鞘：6.0——7.4mpa
[0056]
实施例1
[0057]
下面以总吨位为6114的育鲲轮教学实习船的船体底部附着生物清理实例。
[0058]
实习船的主要尺寸参数为：总长116m、垂线间长105m、型宽18m、型深8.35m、设计吃水5.4m。
[0059]
下面结合图6具体说明船底附着生物清除机器人针对上述船舶底部进行附着物清除工作的具体工作过程。
[0060]
(1)制定清理路线。如图6所示，根据船舶吃水5.4m，将清扫的路线分为5段：第一段路线是从船首开始，距右舷船体钢板0.5m，在设计吃水线下方1.8m，延伸到船尾的路线ab；第二段路线是从b点下方1.8m的c点开始的，同样距右舷船体钢板0.5m，延伸到船首的路线cd，d点与a点的高度差为1.8m；第三段路线则在船体正下方，距离船体底部0.5m，从d点下方2.3m处的e点开始，到船尾处距离c点下方2.3m处的f点结束的路线ef；第四段路线则是在右舷与c点关于船体中心截面面对称的g点开始，到船尾与d点关于船体中心截面对称的h点结束的路线gh；第五段路线则是从船首h点上方1.8m，并与a点关于船体中心截面对称的点i开始，到船尾与b点关于船体中心面对称的j点结束的路线ij。
[0061]
(2)评估船底生物附着密度。在确定好清理路线之后，船底附着生物清除机器人从路线的起点入水，按照步骤(1)制定的清除路线将所要清理的船体底部巡航一遍后回到起始点，巡航的过程中使用18辅助摄像头以1.8m长，1.8m宽的大小为基本单元拍照，拍摄船底各个部分的照片，并按照路线和拍照的顺序编号将所拍照片存储在2控制器里，根据船体的垂线间长为105m，每段路线包含60张照片(105m/1.8m≈60)具体每张照片的标号为：ab01、ab02
……
ab60；cd01、cd02
……
cd60；ab01、ab02
……
ab60；ef01、ef02
……
ef60；gh01、gh02
……
ij60。之后按照以上编号的顺序将所拍照片存储在2控制器里，在控制器里按照矩阵m
60x5
所描述的排列方式，将所有300张照片合成一张船体底部的生物附着情况展开图。该展开图可用于定性说明没有进行船底清理之前的船底生物附着情况。
[0062][0063]
(3)执行清理操作。依据所确定的路线和采集的船底生物附着情况图，控制器通过控制总线对带摄像头的高压喷头发出指令，由八自由度象鼻式机械臂带动高压喷头把持器进行清理船底的附着生物。带摄像头的高压喷头是由高压进水管持续进水，三角形增压喷嘴对进水增压，再通过喷嘴喷出柱状高压水流。摄像头能够识别出不同种类的附着生物，采用不同压强的水流来清洗。机器人从右舷起点a按照制定的清理路线经绕船底一周后，根据所合成的图像计算附着生物在船底的密度，密度小时无需清洗，密度大时需要进行清洗。并且能够调整与船底平面之间的角度，防止损伤船底。在清理完成后，将清理过后的船底各部分位置合成船体底部的生物附着情况图像，计算清洗后的生物附着密度，将清洗结果发送给船舶管理者。
[0064]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种船底附着生物清除机器人，其特征在于，包括机架和设置在机架上的空间位姿调节装置、控制装置、电力系统、喷射装置和图像识别装置，所述图像识别装置用于获取预设位置的船底附着生物图像，所述空间位姿调节装置用于调节机器人的空间位置和/或姿态，所述喷射装置用于喷出高压水流清理船底附着生物，所述控制系统用于控制机器人以既定路线进行图像获取并控制喷射装置在机器人行进至预设位置后基于不同种类附着生物进行针对性的清洗。2.根据权利要求1所述的船底附着生物清除机器人，其特征在于，所述空间位姿调节装置包括用于提供前进动力的推进器和用于控制机器人水中高度的压载水装置。3.根据权利要求2所述的船底附着生物清除机器人，其特征在于，所述压载水装置包括左压载水箱和右压载水箱，所述左压载水箱设有左压载水箱进出水管，所述右压载水箱设有右压载水箱进出水管，所述机架上设置有高压气缸，所述高压气缸与左压载水箱和右压载水箱相连，通过压载水箱进出水管让压载水进出，使机器人完成上浮和下潜操作。4.根据权利要求1所述的船底附着生物清除机器人，其特征在于，所述图像识别装置包括设置于机架上的辅助摄像头和设置于所述喷射装置上的主摄像头。5.根据权利要求1所述的船底附着生物清除机器人，其特征在于，所述喷射装置包括高压水管和与其相连的海水吸入泵，所述高压水管上设置有过滤网，所述高压水管的输出端与高压喷头相连。6.根据权利要求5所述的船底附着生物清除机器人，其特征在于，所述高压水管的输出端与高压喷头之间设有八自由度象鼻式机械臂，所述高压喷头通过高压喷头把持器进行把持，由八自由度象鼻式机械臂带动高压喷头把持器进行清理船底的附着生物。7.根据权利要求5所述的船底附着生物清除机器人，其特征在于，所述高压喷头为集成主摄像的高压喷头，其输入端为高压进水管，输出端为三角形增压喷嘴，其用于对进水增压，再通过喷嘴喷出柱状高压水流，所述主摄像头用于识别出不同种类的附着生物，主控制器基于主摄像头采集的数据采用不同压强的水流进行清洗。8.一种权利要求1～7任一项所述船底附着生物清除机器人的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、根据所要清理的船舶的总长、型宽、设计吃水深度，设计机器人的清理路线，控制系统控制机器人沿着设计的清理路线，通过辅助摄像头获取清理路线上的船体附着水生生物图像；步骤2、将获取的图像信息合成一张船体底部的生物附着情况展开图并基于该图评估船底生物附着密度；步骤3、依据所确定的路线和采集的船底生物附着情况图，机器人运动至预设位置后，控制系统控制高压喷头进行船底附着生物的清理，在此过程中，主摄像头识别出不同种类的附着生物，采用不同压强的水流来清洗；步骤4、机器人沿着既定路径运动至初始位置后，根据所合成的图像计算附着生物在船底的密度，通过密度来判断是否需要继续清洗，在密度小时无需清洗，密度大时需要进行清洗。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，控制系统控制机器人在同一侧的同一深度上进行船首到船尾的逐段扫描，之后下潜一定深度后进行船尾至船首的逐段
扫描，直至扫描至船底部后行驶至船体的另一侧，自下至上逐层扫描直至将船体预设扫描位置处进行全部扫描。10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，定义不同附着生物的权重系数，将不同种类的生物数量乘上其对应系数再除以合成的展开图总面积得到船底生物附着密度，其计算公式如下：其中，ρ为船底生物的附着密度，δ为不同附着生物的权重系数，q为船底不同种类附着生物对应的数量，n代表船底附着生物种类，s为船底的生物附着情况展开图总面积。

技术总结
本发明提供一种船底附着生物清除机器人及其控制方法。本发明包括机架和设置在机架上的空间位姿调节装置、控制装置、电力系统、喷射装置和图像识别装置，所述图像识别装置用于获取预设位置的船底附着生物图像，所述空间位姿调节装置用于调节机器人的空间位置和/或姿态，所述喷射装置用于喷出高压水流清理船底附着生物，所述控制系统用于控制机器人以既定路线进行图像获取并控制喷射装置在机器人行进至预设位置后基于不同种类附着生物进行针对性的清洗。本发明结构简单、便于携带、清理效果好，机器人可以游动并且下潜到船体底部的任意位置附近，利用三角形增压喷嘴喷出的高压水流来清除船体底部附着的生物。来清除船体底部附着的生物。来清除船体底部附着的生物。


技术研发人员：付友 翟彬皓 刘宇轩
受保护的技术使用者：大连海事大学
技术研发日：2023.02.14
技术公布日：2023/5/25