水下清洗机器人系统及横向清洗船底的方法与流程

本发明属于方位测量与水下机器人，具体涉及水下清洗机器人系统及横向清洗方法以及一种船身方向测量装置。

背景技术：

1、船舶下水后，在港口期间，藤壶、贝壳在船底附着生长，增加船舶重量，拖慢航速，耗大量能源，同时对船身有腐蚀作用，需要定期清除；清除方式主要有三种，一是进修理厂，船坞内用高压水枪清洗，成本高昂且时间长，二是潜水员下水用高压射流清洗，清洗效率不高，作业风险较大，作业位置有限，三是水下机器人高压射流空化清洗，属于新技术新方式，应用并不广泛，主要原因是存在多个技术难题，一是水下定位困难，由于船身的不规则并且在水面有飘移，难以实现相对船身的定位，清洗路径难以规划完善，容易出现作业面的重复清洗和遗漏，机器人也识别不了与船身的方向、船头船尾的位置，甚至出现机器人撞击尾部螺旋桨的情形；二是船底形面复杂，有平面、曲面、直立面、船头球面、船尾波浪形凹面、两侧舭龙骨、凹凸的排水孔盖，现有机器人只能完成平面和曲率不大的曲面清洗，多在船侧清洗；三是清洗过程中清洗物四散水体混浊，摄像系统看不清船底情形，同时扩散的清洗物损伤推进器；四是都不能实现清洗物的收集，污染作业环境。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的不足，本发明提供了水下清洗机器人系统及横向清洗船底的方法，同时提供了一种水下清洗机器人系统所用的船身方向测量装置。

2、本发明还提供了一种水下清洗机器人系统，利用船身方向测量装置采集船身方向数据作为水下清洗机器人运动的方向基准，本发明水下清洗机器人系统包括水下清洗机器人、加压泵装置、船身方向测量装置、电源、岸上计算机；

3、所述水下清洗机器人包括机架和安装在机架上的走行机构、水平推进器、垂直推进器、控制器、导航方向仪、姿态传感器、空化射流清洗盘、脐带缆，所述走行机构用于水下清洗机器人沿着船底的行走，所述水平推进器用于前后左右方向推动水下清洗机器人，所述垂直推进器用于上下方向推动水下清洗机器人，所述导航方向仪用于提供水下清洗机器人的运动方向，所述姿态传感器用于测量水下清洗机器人的俯仰姿态，所述脐带缆包括通讯缆、供电缆和高压软管，通讯缆连接在岸上计算机和控制器之间，供电缆用于水下清洗机器人的供电，高压软管连接在空化射流清洗盘与加压泵装置之间，用于向空化射流清洗盘提供高压水流，所述空化射流清洗盘利用高压水流对船底射流清洗、所述控制器采集导航方向仪、姿态传感器测量数值，与岸上计算机通信，控制所述水平推进器、垂直推进器、走行机构运动；

4、所述加压泵装置包括吸水泵和增压泵，所述吸水泵用于将海水吸入到增压泵的入口，所述增压泵用于将吸水泵吸入的海水增压，增压泵的出口与所述高压软管相连；

5、所述船身方向测量装置包括二维转台、激光测距仪、岸上方向仪、倾角测量仪，所述二维转台包括俯仰与方位两个方向的转动，所述激光测距仪有两个，两个激光测距仪、岸上方向仪和倾角测量仪安装在所述二维转台的工作台上，所述两个激光测距仪相距d且测量方向与二维转台的俯仰轴相垂直，两个激光测距仪的测量值分别用l1和l2表示；所述岸上方向仪的安装方向与激光测距仪的测量方向夹角为90°，岸上方向仪的测量值用表a示，所述倾角测量仪用于测量二维转台工作台的俯仰角，测量值用b表示，所述二维转台的俯仰与方位转动将两个激光测距仪照射在船身上；

6、所述电源通过所述供电缆与水下清洗机器人连接，用于水下清洗机器人的供电；

7、所述岸上计算机与所述水下清洗机器人的控制器之间通过通讯缆实现通信，岸上计算机采集所述激光测距仪、岸上方向仪、倾角测量仪的测量值，利用公式artg[(l2-l1)cos(b)/d]+a计算出船身方向，并将方向数值发送给水下清洗机器人的控制器，水下清洗机器人以船身方向为基准运动。

8、进一步的，所述水下清洗机器人的走行机构包括滑板、辅驱动轮、俯仰架和主驱动轮，所述滑板安装在机架的顶部，滑板的周边设置有倾斜向下的斜面，滑板的中部开设有清洗窗口，所述辅驱动轮安装在机架前端，高度位置低于所述滑板顶面且高于滑板前端斜面的底边，所述俯仰架有两个，两个俯仰架上下浮动安装在机架后端的左右两侧，所述主驱动轮有两个，分别安装在两个俯仰架上，俯仰架向上浮动时，安装在该俯仰架上的主驱动轮高出滑板顶面，优选高出30mm～70mm，俯仰架向下浮动时，安装在该俯仰架上的主驱动轮能低于所述滑板顶面，优选低于30mm～70mm，所述垂直推进器有四个，均垂直向上安装，两个俯仰架上各安装有一个垂直推进器，其余两个垂直推进器安装在机架的前部；所述水平推进器有四个，沿水平方向布置，其中两个呈一定夹角安装在机架前端，另外两个呈一定夹角安装在机架后端。

9、进一步的，所述俯仰架通过安装在所述机架上的上限位块和下限位块实现俯仰高度的上限位和下限位。

10、进一步的，所述滑板中部开设有清洗窗口，所述空化射流清洗盘位于所述清洗窗口的正下方，空化射流清洗盘的射流喷头端口距离滑板顶面10mm～60mm，所述机架内设置有料仓，所述滑板上的清洗窗口为料仓进料口，料仓底部设置有电动卸料门，由此实现清洗物的收集，避免作业污染。

11、进一步的，所述水下清洗机器人还包括有前摄像头、后摄像头、前触壁开关、后触壁开关、前水位传感器、后水位传感器，所述前摄像头安装在机架的前端，所述后摄像头安装在机架的后端，所述控制器实时采集前摄像头和后摄像头的影像，所述前触壁开关安装在机架前端，在水下清洗机器人前端触壁时接通，所述后触壁开关安装在机架后端，在水下清洗机器人后端触壁时接通, 所述控制器通过前触壁开关的接通信号获取前触壁信息，通过后触壁开关的接通信号获取后触壁信息，所述前水位传感器安装在机架前端，用于水下清洗机器人前端出水的检测并将检测信号发送给控制器，所述后水位传感器安装在机架后端，用于水下清洗机器人后端出水的检测并将检测信号发送给控制器。

12、进一步的，所述俯仰架与安装在其上的垂直推进器和主驱动轮作为一个组件，该组件为弱正浮力，所述水下清洗机器人整体为弱正浮力。

13、进一步的，所述滑板上安装有多个万向球，多个万向球的球顶构成滑板的顶面。

14、水下清洗机器人系统中,船身方向测量装置作为一个独立的发明技术方案描述。

15、本发明一种船身方向测量装置，包括二维转台、激光测距仪、岸上方向仪、倾角测量仪、计算机，所述二维转台包括俯仰与方位两个方向的转动，所述激光测距仪有两个，两个激光测距仪、岸上方向仪和倾角测量仪安装在所述二维转台的工作台上，所述两个激光测距仪相距d且测量方向与二维转台的俯仰轴相垂直，两个激光测距仪的测量值分别用l1和l2表示；所述岸上方向仪的安装方向与激光测距仪的测量方向夹角为90°，岸上方向仪的测量值用表a示，所述倾角测量仪用于测量二维转台工作台的俯仰角，测量值用b表示，所述二维转台的俯仰与方位转动将两个激光测距仪照射在船身上；所述计算机与所述激光测距仪、岸上方向仪、倾角测量仪电连接，采集所述激光测距仪、岸上方向仪、倾角测量仪的测量值，利用公式artg[(l2-l1)cos(b)/d]+a计算出船身方向。

16、本发明下清洗机器人系统通过水下清洗机器人的运动姿态控制，实现对船的贴壁，并且按设定路径贴着船底行走，在行走过程中利用空化射流清洗盘清洗船底,优选的清洗路线是贴着船底来回在船的两侧清洗。

17、本发明水下清洗机器人系统进行横向清洗船底的方法，包括：

18、s1、将水下清洗机器人吊装入水，控制水平推进器推力向前，安装在机架前端的垂直推进器推力向下实现水下清洗机器人低头航行，姿态传感器检测低头的角度，调整垂直推进器的推力，控制水下清洗机器人低头角度在15°～30°之间，航行到与船壁接触后，控制辅驱动轮向下运动，在水平推进器与辅驱动轮的推动下水下清洗机器人沿着船壁低头下潜，姿态传感器检测低头角度大于60°时，全部垂直推进器推力向上，推动水下清洗机器人贴附在船壁上，此时船底清洗机器人通过滑板顶面和主驱动轮支撑在船壁上；

19、s2、启动船身方向测量装置的激光测距仪、岸上方向仪、倾角测量仪，转动二维转台使两个激光测距仪照射在船身上，岸上计算机采集两个激光测距仪、岸上方向仪、倾角测量仪的测量值并计算出船身方向，并将方向数值发送给水下清洗机器人的控制器；

20、s3、启动高压泵装置，高压水流经高压软管输送到空化射流清洗盘后对船体射流清洗；

21、s4、控制水下清洗机器人垂直于船身方向贴着船底往返于船的两侧，对船底横向清洗，控制方式为：水平推进器推力向前，主驱动轮向前运动，水下清洗机器人滑板支撑在船底滑行，实时采集导航方向仪数值，水下清洗机器人运动方向偏离船身的垂直方向时，改变两个主驱动轮的转速调整水下清洗机器人的运动方向，右侧主驱动轮转速大于左侧主驱动轮转速时向左转，反之向右转，遇到陡峭的船底面时，前触壁开关触壁接通，启动辅驱动轮同时水平推进器增加向前推力，安装机架前部的垂直推进器减小推力,水下清洗机器人沿着陡峭船底攀爬，水下清洗机器人运动到船的另一侧出水时，前水位传感器检测到出水信号，控制水平推进器推力向右后同时两个主驱动轮差速向右后倒车至偏移一个清洗宽度时回正，然后水平推进器推力向后,两个主驱动轮后退运动，偏离船身的垂直方向时，改变两个主驱动轮的转速调整水下清洗机器人的运动方向，右侧主驱动轮转速大于左侧主驱动轮转速时向左转，反之向右转，遇到陡峭的船底面时，后触壁开关触壁接通，水平推进器增加向后推力，安装在俯仰架上的垂直推进器减小推力,水下清洗机器人沿着陡峭船底攀爬，水下清洗机器人后退到船的另一侧出水时，后水位传感器检测到出水信号，控制水平推进器推力向右前同时两个主驱动轮差速向右前方运动至偏移一个清洗宽度时回正，继续控制水平推进器推力向前，两个主驱动轮向前运动，开始下一个来回的清洗作业，直到清洗作业完成。

22、上述控制水平推进器推力向右后同时两个主驱动轮差速向右后倒车至偏移一个清洗宽度时回正，控制水平推进器推力向右前同时两个主驱动轮差速向右前方运动至偏移一个清洗宽度时回正，由于方向的相对性，也可以描述成控制水平推进器推力向左后同时两个主驱动轮差速向左后倒车至偏移一个清洗宽度时回正，控制水平推进器推力向左前同时两个主驱动轮差速向左前方运动至偏移一个清洗宽度时回正。

23、本发明水下清洗机器人系统包括水下清洗机器人、加压泵装置、船身方向测量装置、岸上计算机；岸上计算机采集船身方向测量装置的测量数值并计算出船身方向，将船身方向发送给水下清洗机器人，水下清洗机器人以船身方向为基准运动，有效解决了水下清洗机器人因船体漂移而迷失方向的问题，避免了因方向偏差而出现漏洗区域或重复清洗区域；本发明横向清洗船底的方法利用水下清洗机器人的走行机构实现全形面的行走的姿态控制，结合船身方向测量数值，实现横向清洗方法，水下清洗机器人往返于船的两侧清洗，有效解决了现有顺着船身清洗存在的定位误差大、路径规划困难的问题；本发明一种船身方向测量装置和水下清洗机器人系统，船身方向测量装置通过激光测距仪、二维转台、岸上方向仪、倾角传感器组合，实现非接触船舶的方式测量船身方向。