CN111959722A - 一种基于船舶stl三维模型的rov船底自主巡检方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于船舶STL三维模型的ROV船底自主巡检方法，包括如下步骤：获取立体光刻STL格式的船舶三维模型，船舶三维模型的表面由若干个三角形面片拼接而成；获取船舶三维模型的本体三维坐标点；根据ROV与船舶的安全距离，将本体三维坐标点进行扩展，得到ROV的巡检轨迹点；将船舶三维模型划分为若干个区域，分别对各区域中的巡检轨迹点进行插值及平滑处理；根据区域的划分结果，将巡检轨迹点进行连接，得到船底巡检轨迹，并获取ROV实时位置，通过船底巡检轨迹和ROV实时位置生成船底巡检路径，控制ROV按船底巡检路径进行运动，完成船底巡检任务。本发明能够有效提高船舶的巡检精度及巡检效率，且巡检成本极大降低。

Description

一种基于船舶STL三维模型的ROV船底自主巡检方法
技术领域
本发明涉及船底巡检技术领域，特别是涉及一种基于船舶STL三维模型的ROV船底自主巡检方法。
背景技术
随着社会的发展，海洋资源的开发市场需求与日俱增，而船舶作为人类与海洋最直接的联系载体，近年来大小海用船只的数量也在激增，船底划痕、破损、附着物等为船舶的寿命和航行安全带来极大影响。而海洋污损生物(如硅藻、藤壶、牡蛎、贻贝等)对船舶的影响分分钟是致命的，船舶在海上执行任务的时间越长，附着在船底的海洋无损生物也就越多，如果在部分海域浅水层生物比较丰富的情况下，海洋无损生物也就愈加验证。附着在船底的海洋无损生物能够使船体重量大大增加，使船底变得凹凸不平，直接导致的结果就是船体的航行阻力大大提高、航行速度急剧降低、船舶的有效载重降低，燃油消耗及对应的污染排放极大提高。同时，海洋生物寄生船底的同时，会分泌带有强酸性的生物活性物质，对船体具有腐蚀作用，使其生锈，加速船体的老化，这就导致船舶进坞维修周期增大，船底无损清理成本提高，船舶有效的航行时间大大缩短，减少使用寿命，而这些影响均需要依赖大量的费用才能解决。另外，附着的海洋生物还会对船舶的安全航行造成一定的威胁，比如，由于海洋生物堵塞，导致船舶重要部件的功能出现问题甚至失灵的情况也并非鲜见。据国外统计分析，海洋生物无损每年使全世界的船舶饶辽增耗40％以上，经济损失高达75亿美元。
因此，对船底进行实时巡检显得尤为重要。目前，传统的船底巡检的方法通常包括两种，第一种方法为人工潜水检查，巡检费用极高，比如，一艘长宽分别为20米、10米的普通船舶，单次人工潜水巡检费用高达1万二人民币，单单每年巡检维护都需要一笔不菲的预算，且在半封闭的不稳定水域，或是高吃水深度的水域，为潜水巡检人员带来极大的潜在安全威胁。第二种方法为ROV(Remote Operated Vehicle，水下机器人)巡检，通常采用人工对ROV进行遥控实现船底巡检，依赖操作人员的经验，危险性高，难以实现对船底划痕、破损、附着物等进行快速准确检测。
因此，目前亟需一种低成本、高精度的船舶巡检方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于船舶STL三维模型的ROV船底自主巡检方法，以解决现有技术中存在的技术问题，能够有效提高船舶的巡检精度及巡检效率，且巡检成本极大降低。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于船舶STL三维模型的ROV船底自主巡检方法，包括如下步骤：
获取立体光刻STL格式的船舶三维模型，所述船舶三维模型的表面由若干个三角形面片拼接而成；
获取所述船舶三维模型的本体三维坐标点；
根据ROV与船舶的安全距离，将所述本体三维坐标点进行扩展，得到ROV的巡检轨迹点；
将所述船舶三维模型划分为若干个区域，分别对各区域中的所述巡检轨迹点进行插值处理及平滑处理；
根据所述区域的划分结果，将平滑处理后的所述巡检轨迹点进行连接，得到船底巡检轨迹，并获取ROV实时位置，通过所述船底巡检轨迹和ROV实时位置生成船底巡检路径，控制ROV按所述船底巡检路径进行运动，完成船底巡检任务。
优选地，获取所述船舶三维模型的本体三维坐标点的具体方法包括：
将所述船舶的船底划分为若干个平面，分别获取各所述平面与每个所述三角形面片的交点，所述交点即为所述船舶三维模型的本体三维坐标点。
优选地，获取所述巡检轨迹点的具体方法包括：
将同一所述平面得到的所述本体三维坐标点对应的法向量进行平面投影，再进行单位化处理；
按照单位化处理后的法向量方向，将所述本体三维坐标点向外扩展，得到ROV的巡检轨迹点，其中，向外扩展的距离为ROV与船舶的安全距离。
优选地，采用分段线性插值法对所述巡检轨迹点进行插值处理。
优选地，采用三次样条插值法对插值处理后的所述巡检轨迹点进行平滑处理。
优选地，获取所述船底巡检路径的具体方法包括：
分别将每个区域中的所述巡检轨迹点进行连接，得到每个区域的巡检轨迹；
按照预设巡检顺序将各区域的巡检轨迹进行首尾连接，得到所述船底巡检轨迹，并获取ROV实时位置，通过所述船底巡检轨迹和ROV实时位置生成船底巡检路径，控制ROV按所述船底巡检路径进行运动，完成船底巡检任务。
优选地，获取所述船底巡检路径的具体方法包括：
分别将每个区域中的所述巡检轨迹点进行连接，得到每个区域的巡检轨迹；
分别获取若干个ROV的实时位置，根据每个区域的巡检轨迹和所述ROV的实时位置生成每个区域的船底巡检路径；控制若干个ROV分别按对应区域的船底巡检路径进行运动，完成船底巡检任务；所述ROV的数量小于或等于所划分的区域的数量。
本发明公开了以下技术效果：
(1)本发明对ROV的船底巡检轨迹进行自动化获取，通过船底巡检轨迹和ROV的实时位置自动生成船底巡检路径，在巡检过程中通过控制算法使ROV按照预定的巡检路径行驶，实现对船底的实时巡检，无需人工潜水巡检，及人工遥控操作，巡检成本极大降低，且避免了高吃水深度的水域为潜水巡检人员带来的安全威胁。
(2)本发明通过STL格式的船舶三维模型获取ROV的巡检轨迹点，在巡检轨迹点的获取过程中充分考虑到ROV与船舶的安全距离，能够有效防止ROV与船体发生擦碰对ROV造成损坏以及ROV的运行轨迹发生变化；同时，本发明在将本体三维坐标点扩展为巡检轨迹点之前，将同一平面得到的本体三维坐标点对应的法向量进行平面投影，再进行单位化处理，能够有效避免巡检轨迹点的漂移，保证巡检轨迹的精度。
(3)本发明对船舶三维模型进行区域划分，采用分段线性插值法对巡检轨迹点进行插值处理，并采用三次样条插值法对插值处理后的巡检轨迹点进行平滑处理，有效避免了巡检轨迹的不光滑，且在每个分段单元区间上收敛性强，数值稳定性好，能够根据各区域的巡检精度要求对插值点进行调整，在保证巡检精度的前提下，有效提高了巡检速度。
(4)本发明对船舶各区域使用同一ROV按预设方向进行巡检，还能在不同区域采用不同的ROV同时巡检，有效提高了巡检速度，巡检灵活性强。
附图说明
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。
图1为本发明基于船舶STL三维模型的ROV船底自主巡检方法流程图；
图2为本发明实施例中船体模型图(以集装箱船型为例)；其中，图2(a)为船体模型主视图，图2(b)为船体模型仰视图，图2(c)为船体模型左视图(船尾视角)；
图3为本发明实施例中STL格式的船舶三维模型；其中，图3(a)为STL格式的船舶三维模型的整体图，图3(b)为STL格式的船舶三维模型的细节图；
图4为本发明实施例中船底等效示意图，其中箭头圆弧表示船底待巡检区域；
图5为本发明实施例中将船底划分为若干个平面的示意图；
图6为本发明实施例中ROV自主巡检轨迹跟踪控制器的结构示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1所示，本实施例提供一种基于船舶STL三维模型的ROV船底自主巡检方法，包括如下步骤：
S1、获取STL(STereoLithography，立体光刻)格式的船舶三维模型，所述船舶三维模型的表面由若干个三角形面片拼接而成；
STL文件是在计算机图形应用系统中，用于表示三角形网格的一种文件格式，是最多快速原型系统所应用的标准文件类型。STL文件有两种：一种是ASCII明码格式，另一种是二进制格式。本实施例中所述船舶三维模型采用ASCII明码格式,ASCII明码格式的STL文件逐行给出所述三角面片的几何信息，每一行以1个或2个关键字开头，在STL文件中的三角面片的信息单元facet是一个带矢量方向的三角面片；整个STL文件的首行给出了文件路径及文件名，在一个STL文件中，每一个facet由7行数据组成，facetnormal是三角面片指向实体外部的法矢量坐标，outerloop随后的3行数据分别是三角面片的3个顶点坐标，3个顶点沿指向实体外部的法矢量方向逆时针排列。本实施例以集装箱船型为例，船体模型如图2所示，将船体模型转化成的STL格式的船舶三维模型如图3所示。
S2、获取所述船舶三维模型的本体三维坐标点；
沿所述船舶的长度方向将船底划分为若干个平面，分别获取各平面与每个所述三角形面片的交点，所述交点即为所述船舶三维模型的本体三维坐标点。
本实施例中，为了便于轨迹的自动生成及减少计算量，将船体近似为圆柱形，如图4所示；图4中，箭头圆弧部分表示船底；对船底圆柱面进行均分，得到若干个过圆柱轴线的近似平面，如图5所示，通过将船底划分为若干个平面，便于ROV巡检轨迹的确定。
S3、根据ROV与船舶的安全距离，将所述本体三维坐标点进行扩展，得到ROV的巡检轨迹点；
在ROV执行船底巡检任务时，为防止ROV与船体发生擦碰，本实施例设置ROV与船舶的安全距离为1米。将所述本体三维坐标点按照其对应的法向量向外扩展，得到ROV的巡检轨迹点，其中，向外扩展的距离为ROV与船舶的安全距离。
基于STL文件中各三角面片的尺寸方向各不相同，当将所述本体三维坐标点沿其法矢量向外扩展安全距离后，得到的所述巡检轨迹点发生漂移，这对后期轨迹点平滑以及ROV控制带来困难，为解决此问题，本实施例在将所述本体三维坐标点进行扩展之前，将同一所述平面得到的所述本体三维坐标点对应的法向量进行平面投影，再进行单位化处理，有效避免扩展得到的所述巡检轨迹点发生漂移。
S4、将所述船舶三维模型划分为若干个区域，分别对各区域中的所述巡检轨迹点进行插值处理；
本实施例将所述船舶三维模型划分为船首、船中、船尾三个区域，对所述巡检轨迹点进行分区域处理。
本实施例采用分段线性插值法对所述ROV的巡检轨迹点进行插值处理，在每个分段单元区间上收敛性强，数值稳定性好，易于实现。分段线性插值法通过增加插值点能够提高插值精度，在插值处理过程中，能够根据各区域的巡检精度要求对插值点进行调整，在保证巡检精度的前提下，有效提高了巡检速度。
S5、对插值处理后的所述巡检轨迹点进行平滑处理；
本实施例采用三次样条插值法对插值处理后的所述巡检轨迹点进行平滑处理。由于分段线性插值无法保证节点处的插值函数的导数的连续性，即不光滑，通过三次样条插值有效弥补了分段线性插值在节点处不光滑的缺陷。
S6、根据步骤S4中所述区域的划分结果，将平滑处理后的所述巡检轨迹点进行连接，得到船底巡检轨迹，并获取ROV实时位置，通过所述船底巡检轨迹和ROV实时位置生成船底巡检路径，控制ROV按所述船底巡检路径进行运动，完成船底巡检任务。
所述ROV包括自主巡检轨迹跟踪控制器，所述自主巡检轨迹跟踪控制器的结构如图6所示，包括水下定位系统、速度控制器、巡检路径生成系统、控制系统；所述水下定位系统用于实时采集所述ROV的位置，所述巡检路径生成系统用于根据所述ROV的实时位置、所述船底巡检轨迹生成所述船底巡检路径；所述控制系统用于根据预设控制算法控制所述ROV按照所述船底巡检路径进行巡检；其中，所述控制算法包括PID(ProportionIntegration Differentiation，比例积分微分)控制、反步控制、滑模控制中的一种；所述速度控制器用于对ROV运动速度进行控制。
实施例一：
获取所述船底巡检路径的具体方法包括：
分别将每个区域中的所述巡检轨迹点进行连接，得到每个区域的巡检轨迹；
按照预设巡检顺序将各区域的巡检轨迹进行首尾连接，得到所述船底巡检轨迹，并获取ROV实时位置，通过所述船底巡检轨迹和ROV实时位置生成船底巡检路径，控制ROV按所述船底巡检路径进行运动，完成船底巡检任务。本实施例所述ROV按照船首、船中、船尾的顺序进行船底巡检，有效提高船底巡检精度。
实施例二：
获取所述船底巡检路径的具体方法包括：
分别将每个区域中的所述巡检轨迹点进行连接，得到每个区域的巡检轨迹；
分别获取三个ROV的实时位置，根据每个区域的巡检轨迹和三个ROV的实时位置生成每个区域的船底巡检路径；控制三个ROV分别按对应区域的船底巡检路径对船首、船中、船尾区域进行巡检，有效提高了船底巡检速度。
除此之外，还能根据实际检测需求，通过一个ROV对一个或多个区域进行巡检，提高船底巡检速度。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，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。

Claims (7)

1.一种基于船舶STL三维模型的ROV船底自主巡检方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取立体光刻STL格式的船舶三维模型，所述船舶三维模型的表面由若干个三角形面片拼接而成；
获取所述船舶三维模型的本体三维坐标点；
根据ROV与船舶的安全距离，将所述本体三维坐标点进行扩展，得到ROV的巡检轨迹点；
将所述船舶三维模型划分为若干个区域，分别对各区域中的所述巡检轨迹点进行插值处理及平滑处理；
根据所述区域的划分结果，将平滑处理后的所述巡检轨迹点进行连接，得到船底巡检轨迹，并获取ROV实时位置，通过所述船底巡检轨迹和ROV实时位置生成船底巡检路径，控制ROV按所述船底巡检路径进行运动，完成船底巡检任务。
2.根据权利要求1所述的基于船舶STL三维模型的ROV船底自主巡检方法，其特征在于，获取所述船舶三维模型的本体三维坐标点的具体方法包括：
将所述船舶的船底划分为若干个平面，分别获取各所述平面与每个所述三角形面片的交点，所述交点即为所述船舶三维模型的本体三维坐标点。
3.根据权利要求2所述的基于船舶STL三维模型的ROV船底自主巡检方法，其特征在于，获取所述巡检轨迹点的具体方法包括：
将同一所述平面得到的所述本体三维坐标点对应的法向量进行平面投影，再进行单位化处理；
按照单位化处理后的法向量方向，将所述本体三维坐标点向外扩展，得到ROV的巡检轨迹点，其中，向外扩展的距离为ROV与船舶的安全距离。
4.根据权利要求1所述的基于船舶STL三维模型的ROV船底自主巡检方法，其特征在于，采用分段线性插值法对所述巡检轨迹点进行插值处理。
5.根据权利要求1所述的基于船舶STL三维模型的ROV船底自主巡检方法，其特征在于，采用三次样条插值法对插值处理后的所述巡检轨迹点进行平滑处理。
6.根据权利要求1所述的基于船舶STL三维模型的ROV船底自主巡检方法，其特征在于，获取所述船底巡检路径的具体方法包括：
分别将每个区域中的所述巡检轨迹点进行连接，得到每个区域的巡检轨迹；
按照预设巡检顺序将各区域的巡检轨迹进行首尾连接，得到所述船底巡检轨迹，并获取ROV实时位置，通过所述船底巡检轨迹和ROV实时位置生成船底巡检路径，控制ROV按所述船底巡检路径进行运动，完成船底巡检任务。
7.根据权利要求1所述的基于船舶STL三维模型的ROV船底自主巡检方法，其特征在于，获取所述船底巡检路径的具体方法包括：
分别将每个区域中的所述巡检轨迹点进行连接，得到每个区域的巡检轨迹；
分别获取若干个ROV的实时位置，根据每个区域的巡检轨迹和所述ROV的实时位置生成每个区域的船底巡检路径；控制若干个ROV分别按对应区域的船底巡检路径进行运动，完成船底巡检任务；所述ROV的数量小于或等于所划分的区域的数量。
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