[發明專利]一種水下船體清洗機器人的控制系統及其工作方法

在審

• 申請號: 202011024668.1
• 申請日: 2020-09-25
• 公開（公告）號: CN112124516A
• 公開（公告）日: 2020-12-25
• 發明（設計）人: 徐敏義;鄭嘉熙;李文祥;劉翔宇;孟昭辰;宋立國;董景明;付先平
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: B63B59/10
• 分類號: B63B59/10;B62D55/075;B62D55/265;G05D1/02
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 魯保良;李洪福

1.一種水下船體清洗機器人的控制系統，其特征在于：所述的水下船體清洗機器人包括履帶模塊(5)、空化射流清洗模塊(6)、轉刷清洗模塊(13)、驅動模塊、密封控制艙(2)和框架；

所述的框架包括首部和主體，首部為菱形體，主體為矩形體，首部與主體固定連接；

所述的履帶模塊(5)有兩個，分別安裝在主體的左右兩側；所述的履帶模塊(5)內部固定安裝電磁鐵(15)，所述的電磁鐵(15)通過控制線與控制模塊連接；所述的履帶模塊(5)的橡膠履帶(4)外表面凹齒處固定安裝永磁鐵(11)；

所述的空化射流清洗模塊(6)安裝在首部的底下；

所述的轉刷清洗模塊(13)包括兩個轉刷清洗輪，兩個轉刷清洗輪橫向并排安裝在主體的的底下；

所述的密封控制艙(2)有兩個，兩個密封控制艙(2)安裝在主體的上部；

所述的控制系統包括數據采集模塊、控制模塊和上位機；

所述的控制模塊通過數據線分別與數據采集模塊、履帶模塊(5)、空化射流清洗模塊(6)、轉刷清洗模塊(13)和驅動模塊連接，控制模塊通過電力載波線與上位機連接；

所述的數據采集模塊包括攝像頭(10)、慣性導航平臺、陀螺儀和壓力傳感器，所述的攝像頭(10)安裝在機器人首部上方，用于對船體表面進行監控，并獲取深度點云信息；

所述的陀螺儀水平安置于密封控制艙(2)內，用于獲取機器人當前的三個加速度分量和三個旋轉角速度；

所述的慣性導航平臺安置于密封控制艙(2)內，用于定位機器人在船體上的位置；

所述的壓力傳感器安置于密封控制艙(2)尾部外側，用于測量當前位置的水壓；

所述的控制模塊安裝在密封控制艙(2)內部，包括主控制器、故障保護協處理器、信息處理器和電力載波通信模塊A，所述的壓力傳感器和陀螺儀分別與主控制器連接，所述的主控制器和故障保護協處理器通過不同串口與信息處理器并聯連接，當主控制器故障失效時，故障保護協處理器將自動啟動，代替主控制器，同時信息處理器對主控制器發送來的數據進行分析，然后對數據進行打包，再通過電力載波通信模塊A、電力載波線和岸上的電力載波通信模塊B發送給上位機。

2.根據權利要求1所述的一種水下船體清洗機器人的控制系統，其特征在于：所述的驅動模塊包括五個垂直推進器、兩個縱向推進器(14)和一個側向推進器(12)；所述的五個垂直推進器包括一個首部垂直推進器(9)和四個主體垂直推進器(1)；所述的首部垂直推進器(9)豎直安裝在首部的中心軸線上，所述的四個主體垂直推進器(1)分別豎直安裝在主體的四個角部；所述的兩個縱向推進器(14)分別對稱安裝在主體尾部的兩側，所述的側向推進器(12)橫向安裝在首部；所述的垂直推進器、縱向推進器(14)和側向推進器(12)均為雙向推進器。

3.根據權利要求1所述的一種水下船體清洗機器人的控制系統，其特征在于：所述的首部由首部頂板(8)與兩塊首部側板(7)固定連接組成菱形體，首部頂板(8)與主體頂板交界處成135度夾角；兩側首部側板(7)與主體側板(3)固定，首部側板(7)與主體側板(3)交界處成135度夾角。

4.根據權利要求1所述的一種水下船體清洗機器人的控制系統，其特征在于：所述的上位機上安裝有ubuntu系統，信息處理器安裝有機器人操作系統ROS，機器人操作系統ROS基于ubuntu系統進行開發，其支持slam導航功能、opencv圖像處理功能和gazebo物理仿真功能。

5.根據權利要求1所述的一種水下船體清洗機器人的控制系統，其特征在于：所述的主控制器采用STM32F767芯片，故障保護協處理器采用STM32F103C8T6芯片，信息處理器采用Nvidia Jetson TX2芯片，電力載波通信模塊采用Atheros芯片。

6.一種水下船體清洗機器人的控制系統的工作方法，其特征在于：包括以下步驟：

A、靠近船體表面

上位機向信息處理器發送靠近船體指令，主控制器將獲取到的壓力傳感器信息與陀螺儀信息發送到信息處理器，信息處理器通過解析接收到的陀螺儀信息得到機器人的位姿信息，根據壓力傳感器所獲得到的深度信息得到機器人在水下的深度，根據水下深度和已知的船體結構計算出最近船體表面的位姿信息，將該位姿信息與機器人當前位姿信息進行比對，通過PID算法控制機器人的位姿使其最終接近于船體壁面的位姿，最終靠近船體表面；

B、吸附到船體表面上

當機器人靠近船體表面后，岸上操作員根據船體表面的材質選擇吸附形式，如果船體表面為含鐵金屬表面，則采用混合吸附形式；否則，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過垂直推進器產生反向于船體表面的推力將機器人壓在船體表面上；所述的磁力吸附形式是通過履帶模塊(5)裝配的電磁鐵(15)通電產生吸引力或由永磁鐵(11)產生的吸引力將機器人吸附在船體表面上，當機器人與船體表面的距離在150mm左右時，永磁鐵(11)主動將機器人吸向船體表面，

C、清洗船體表面

C1、路徑規劃：信息處理器通過對慣性導航平臺收集到的數據和陀螺儀收集到的加速度信息進行處理，使用卡爾曼濾波算法對機器人進行定位，確定機器人在船體表面的位置后自動對機器人的行程進行路徑規劃；

C2、清洗：控制模塊控制空化射流清洗模塊(6)將船體表面上的大型附著物清除，并同時控制轉刷清洗模塊(13)將小型附著物清除；上位機通過對攝像頭(10)獲取到船體表面圖像進行處理，判斷出附著物的清洗難易程度，以此來對清洗模塊進行控制，如果清洗后的路徑上有殘留附著物，則增強清洗力度，反之則保持原有清洗力度；或者由岸上操作員進行手動控制；

C3、移動：如果機器人是在船體表面移動，則轉步驟C31；如果機器人是在脫離船體表面在水中移動，則轉步驟C32；

C31、主控制器通過控制減速電機的轉速來控制履帶轉速，從而控制機器人在船體表面的移動速度，并控制機器人實現原地旋轉、前行或后退，此時縱向推進器(14)和側向推進器(12)停止工作，垂直推進器的工作形式由吸附形式來決定；在自動清洗過程中機器人本次清洗路徑與前次清洗路徑寬度的一半重合；

C32、機器人在水中移動時，依靠8臺不同方向的推進器以不同的組合形式驅動機器人進行移動，包括前進、后退、繞Z軸旋轉、繞Y軸旋轉和繞X軸旋轉；

D、結束

上位機控制機器人離開船體表面，清洗結束。