CN113359568A - 一种水下作业综合运营系统及作业远程控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下作业综合运营系统及作业远程控制方法，包括物理作业系统、水下监控系统模块和多个作业管控系统，物理作业系统包括水上辅助系统模块和水下清洗模块；其中水上辅助系统模块包括作业搭载设备、作业管控局域网系统及布放设备；水下清洗模块包括水下机器人及安装在水下机器人上的空化清洗系统；每个作业管控系统均包括远程控制及安全检测系统和作业管理系统；远程控制及安全检测系统与水下清洗模块电性连接用于水下清洗模块遥控作业；作业管理系统用于水下清洗模块作业过程管理和数据上报。本发明能够快速高效地完成船体水下清洗，同时在清洗过程中采用空化射流技术能够不损伤船漆。

Description

一种水下作业综合运营系统及作业远程控制方法

技术领域

本发明涉及水下清洁技术领域，更具体的说是涉及一种水下作业综合运营系统及作业远程控制方法。

背景技术

远洋船舶在长期航行的过程中，水下部分的船体表面会附着贝类和锈斑等，严重影响了船舶的航行速度和使用寿命，也增加燃油消耗近20％，通过清洗可降低船舶油耗、减少运营维护成本、保护涂装层、延长船体寿命，去除附着的海生物有助于降低海上石油平台事故发生风险、增强稳定性及抗风暴能力。

但是，目前国内外对于水下船体的清刷工作多采用上坞及潜水员潜水人工清洗两种方式，船舶上坞会严重影响船舶的正常航行周期，对运力是极大的浪费；潜水员清洗可以解决船舶不上坞的问题，但是潜水员由于潜水环境及人体能影响，无法快速完成船体清洗任务，而且潜水员在水下进行清洗，无法验证清洗质量，对清洗效果的验收造成了困难，同时潜水员在水下大多数使用清洗刷进行清洗，会对船漆造成破坏，进而影响船体寿命。

因此，提供一种快速高效的水下作业综合运营系统及作业远程控制方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种水下作业综合运营系统及作业远程控制方法，能够快速高效地完成船体水下清洗，同时在清洗过程中采用空化射流技术能够不损伤船漆。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种水下作业综合运营系统，包括:

物理作业系统,所述物理作业系统包括水上辅助系统模块和水下清洗模块；其中所述水上辅助系统模块包括作业搭载设备、作业管控局域网系统及布放设备；所述水下清洗模块包括水下机器人及安装在所述水下机器人上的空化清洗系统；

水下监控系统模块，所述水下监控系统模块包括水下监控设备、水下照明设备；所述水下监控设备和所述水下照明设备均安装在所述水下机器人上；

多个作业管控系统，每个所述作业管控系统均包括远程控制及安全检测系统和作业管理系统；所述远程控制及安全检测系统与所述水下清洗模块电性连接用于所述水下清洗模块遥控作业；所述作业管理系统用于所述水下清洗模块作业过程管理和数据上报；

大数据综合监管平台，所述大数据综合监管平台用于接收管理多个所述作业管控系统的数据以及显示和做出应急反馈。

通过采取以上方案，本发明的有益效果是：

机器人本体、空化清洗系统和水上辅助系统模块构成整个物理作业系统，用于提供实际作业服务，通过水下机器人带动空化清洗系统完成水下快速清洗，空化清洗系统采用空化射流技术能够不损伤船漆，提高了清洗质量及效率；作业管控系统主要用于接收作业系统设备及各业务环节的信息数据，对作业设备和过程的实时管控和状态显示，及时发现可能出现的异常情况以及针对不同作业需求输出作业报告；大数据综合监管平台，是多个作业管控系统的总控中台，是整个运营系统的大脑，负责业务数据的处理和分析，以及各作业班组的统筹排班、备料管理。

进一步的，所述水下机器人上还安装有运动装置和控制舱，运动装置包括滚轮、推进器；所述滚轮安装在机器人框架的角端；所述推进器包括水平推进器和垂直推进器；所述水平推进器和所述垂直推进器分别固定在所述机器人框架的支撑架上；所述控制舱用于接收水面控制系统发出的指令并给对应运动装置发出指令；所述水平推进器和所述垂直推进器通过所述控制舱分别与所述远程控制及安全检测系统电性连接。

采用上述进一步的技术方案产生的有益效果为，能够实现水下机器人在上/下，左/右，前/后6个维度的自由活动。

进一步的，所述远程控制及安全检测系统包括服务器和遥控器，所述服务器与水下监控系统模块电性连接以获得所述水下机器人状态并进行算法处理做出相应显示和应急处理。

采用上述进一步的技术方案产生的有益效果为，水下监控系统模块能够让船主实时了解清洗状态，清洗完毕后能快速验证清洗效果，服务器用于显示水下监控设备拍摄画面，进而通过无线遥控器手动控制水下机器人的运动。

一种水下作业综合运营系统的作业远程控制方法，包括以下顺序步骤：

步骤一：启动水下机器人，进行上电初始化；

步骤二：通过水下监控系统，获取水下机器人当前状态，并作出当前水下机器人的状态报告；

步骤三：根据当前水下机器人的状态和水面控制系统的指令计算目标状态；

步骤四：规划制定水下机器人的下一步动作方案；

步骤五：执行水下机器人动作，空化清洗系统工作，水下机器人进行清洗操作。

通过采取以上方案，本发明的有益效果是：具备水下空化清洗能力、水下定位、智能控制、水下检测、布放回收和远程遥控和自主运行等功能，能够快速地完成水下船体清洗工作，且提高了清洗质量。

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的物理作业系统的结构示意图；

图2附图为本发明提供的一种水下清洗模块的控制方法流程图；

图3附图为本发明提供的一种水下清洗模块的控制界面；

图4附图为本发明提供的一种水下清洗模块的运动控制模式框图。

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。

如图1-4所示，本发明实施例公开了一种水下作业综合运营系统，包括:

物理作业系统,物理作业系统包括水上辅助系统模块和水下清洗模块；其中水上辅助系统模块包括作业搭载设备、作业管控局域网系统及布放设备；水下清洗模块包括水下机器人及安装在水下机器人上的空化清洗系统；

水下监控系统模块，水下监控系统模块包括水下监控设备、水下照明设备；水下监控设备和水下照明设备均安装在水下机器人上；

多个作业管控系统，每个作业管控系统均包括远程控制及安全检测系统和作业管理系统；远程控制及安全检测系统与水下清洗模块电性连接用于水下清洗模块遥控作业；作业管理系统用于水下清洗模块作业过程管理和数据上报；

大数据综合监管平台，大数据综合监管平台用于接收管理多个作业管控系统的数据以及显示和做出应急反馈,可进行多机器人作业状态监控、数据存储和分析处理功能，通过通信管理模块接收水下采集机器人和水下清洗机器人的各项运行数据。

具体的，大数据综合监管平台采用中台架构，分为基础设施层、中台能力层和应用层，基础设施层采用企业云服务实现系统的安全、稳定、可扩展性，保障业务的可用性，可灵活支撑业务的发展的硬件需要；中台能力层，对通用业务能力进行抽象形成统一中台服务能力，可随着业务模式的拓展，调用中台能力快速研发业务应用，响应业务需求、支撑业务快速发展；应用层包括运营管理平台、作业管控平台(作业管控系统平台)、交互展示平台三部分，支撑整体业务的全生命周期闭环管理。

其中：运营管理平台强调整体业务全流程管理能力，提供客户管理、商务管理、运营管理、作业管理、财务管理等企业运营全生命周期管理能力。以业务为基础，技术为工具，提高整体业务协同效率，为运营管理、决策提供科学依据；

作业管控平台是作业过程管理的关键系统，服务于运营作业过程管理人员及作业操作人员，通过信息化手段方便在作业过程中记录作业过程及结果，沉淀组织数字资产，支撑数字化作业管理，为提高作业工作及管理效率提供数字依据。作业管控平台独立、轻量级部署，并同运营管理平台有机打通，形成数据同步，是运营管理平台的作业数据来源。包括离线局域网系统和作业管理服务器两大部分，离线局域网系统包括实现离线局域网络布置的AP主机、路由、POE交换机、云台、天线以及相关配置，用于实现离线局域网应用环境基础；作业管理服务器包括服务器设备及配置系统软件，用于和作业系统(作业设备+上位机+船上作业系统等)建立数据连接，并根据数据反馈形成前置任务工单所对应的工单报告，并将数据推送至运营管理平台；

交互展示平台包括监控大屏和移动端展示，提供展示各类统计数据报表、运营分析报表、现场作业等情况，实现对企业整体运营情况进行全局管理及重点作业聚焦监管。监控大屏可以展示在大型LED上，放置于室内外或港口前端作业指挥监控等位置，用于公司业务的宣传展示以及作业监督监控；移动端(APP)用于现场移动展示，可实时直播现场作业情况。

本发明机器人本体、空化清洗系统和水上辅助系统模块构成整个物理作业系统，用于提供实际作业服务，通过水下机器人带动空化清洗系统完成水下快速清洗，空化清洗系统采用空化射流技术能够不损伤船漆，提高了清洗质量及效率；作业管控系统主要用于接收作业系统设备及各业务环节的信息数据，对作业设备和过程的实时管控和状态显示，及时发现可能出现的异常情况以及针对不同作业需求输出作业报告；大数据综合监管平台，是多个作业管控系统的总控中台，是整个运营系统的大脑，负责业务数据的处理和分析，以及各作业班组的统筹排班、备料管理。

具体的，水下机器人上还安装有运动装置和控制舱，运动装置包括滚轮、推进器；滚轮安装在机器人框架的角端；推进器包括水平推进器和垂直推进器；水平推进器和垂直推进器分别固定在机器人框架的支撑架上；控制舱用于接收水面控制系统发出的指令并给对应运动装置发出指令；水平推进器和垂直推进器通过控制舱分别与远程控制及安全检测系统电性连接。

具体的，远程控制及安全检测系统包括服务器和遥控器，服务器与水下监控系统模块电性连接以获得水下机器人状态并进行算法处理做出相应显示和应急处理。

本发明实施例还公开了一种水下作业综合运营系统的作业远程控制方法，包括以下顺序步骤：

步骤一：启动水下机器人，进行上电初始化；

步骤二：通过水下监控系统，获取水下机器人当前状态，并作出当前水下机器人的状态报告；

步骤三：根据当前水下机器人的状态和水面控制系统的指令计算目标状态；

步骤四：规划制定水下机器人的下一步动作方案；

步骤五：执行水下机器人动作，空化清洗系统工作，水下机器人进行清洗操作。

本发明具备水下空化清洗能力、水下定位、智能控制、水下检测、布放回收和远程遥控和自主运行等功能，能够快速地完成水下船体清洗工作，且提高了清洗质量。

对于步骤二-步骤四，具体的，通过作业管控系统监控机器人当前状态，在系统运转过程中，水下机器人将机器人实时的状态数据发送出来，作业管控系统会将收到的机器人实时数据并存储下来，当机器人发生警告信息时，通过内置语音/交互显示等发出警告提示，提示操作人员及时处理；软件主要包括以下几个部分：监控界面模块，主要负责显示云台摄像机采集的水下环境图像，包括摄像、拍照、保存图片与视频功能；控制模块，主要负责水下机器人的运动控制，水下灯的控制及摄像机的云台调节及调焦设置；后台监控数据模块，主要用于显示通过网络通信接收到的水下机器人的姿态、深度、温湿度、电压、电流等信息，方便数据监测；故障检测模块，系统接收到机器人的故障信息后将信息进行处理后并响应报警指示；

机器人下水后，首先通过定位系统确定机器人和目标清洗船的精确相对位置，规划机器人行进路径及作业路径。路径规划技术：主要包括导航算法和趋势分析的应用。然后通过控制系统控制机器人行进和清洗作业。

具体的，机器人运动控制：

(1)运动控制模式：对机器人的前进、后退、左转、右转、左移、右移、上浮、下沉、翻转、俯仰等运动进行控制。

手控模式：该模式属于开环模式，在该模式下不使用机器人外部传感器上传的数据，机器人任凭操作者进行操作；

自控模式：该模式属于闭环模式，在该模式下使用机器人中传感器采集的数据，机器人在该模式下会根据传感器采集的数据进行分析，然后根据自身姿态进行校正。

(2)机器人运行模式：

定深模式：该模式下机器人具有定深功能，机器人在该模式下可以在水中保持特定深度，但方向无法保持；

定深控制，水下机器人在水中浮游运动时需要操纵控制水下机器人的航向，但当航向目标确定时，需要定航向行驶向目标，这就需要对机器人进行艏向定航控制，机器人采用PI D控制算法能够很快的对艏向角进行调整，为防止反复超调，设置PID算法的终止条件，当机器人航向达到目标航向一定角度范围时，停止PID控制算法。

定向模式：该模式下机器人具有定深定向功能，机器人在该模式下可以在水中保持特定深度，方向也可以保持；

定向控制：当水下机器人对特定深度进行任务时需要垂向定深控制，是机器人处于特定的水深运动，机器人采用PID控制算法能够很快的对深度进行调整，为防止反复超调，设置PID算法的终止条件，当机器人航向达到目标航向一定角度范围时，停止PID控制算法。

定点控制：当机器人要在某个位置定点时，需要对机器人的当前位置进行调整，从而运动到目标位置，机器人在经度和维度上交替使用PID控制算法能够很快的对机器人位置进行调整，为防止反复超调，设置PID算法的终止条件，当机器人的经纬度达到目标经纬度一定距离范围时，停止PID控制算法。

(3)还有速度、姿态角度控制、及自动控制技术(主要包括对空化作业中压力自调节技术和对机器人本体的自动控制技术)相关技术实现具体设计另案处理，在此不做赘述。

该过程中还应用了自主开发的柔性贴壁技术，具体的：柔性自适应贴壁，具体的包括弹性连接装置和空化作业自适应调节算法的应用，弹性连接装置由拉簧和中心弹簧形成力学平衡，在保持空化装置动态平衡的同时，辅助中心弹簧进行角度调整，受到作业面的任意方向、角度的压缩力时，弹簧随力的方向进行局部压缩，有效缓冲来自作业面的瞬时冲击力，有效保护空化装置的同时，达到空化盘始终保持对作业面的贴合，并在作业完毕之后自动复位的效果。该技术是针对解决清洗船体表面附着不均、自身结构变化以及作业过程中的船体对机器人本体的反作用影响。

对于步骤五，空化清洗控制：控制系统与机器人通过串口进行连接，通过发送和接收数据与空化进行通信，对接收到的数据进行解析，然后将获取到的空化状态交由状态显示页面进行处理，通过发送系统命令，对空化装备进行打开和关闭，并且在洗船过程中控制空化压力。

具体的：空化盘通过弹性件与水下机器人固定连接。通过水上压缩机加压，高压水流通过喷嘴喷出，喷嘴为前后方向开口设计，通过连接杆连接，高压水流从前后喷嘴喷出，连接杆会逆时针转动，从而带动水流形成漩涡；盘体为侧截面梯形形状，盘体内面为全封闭设计，当连接杆转动时，由于伯努利原理，盘体边缘侧水流速度大，水压较小，中心测水流速度小，压力较大，由于盘体是半全封闭设计，在盘体外开口形成压力差，中心区域形成负压，起到吸附效果。空化技术的应用解决了普通物理清洗作业过程中对船漆造成破坏的问题。在完成空化清洗保护船漆的同时，达到了吸附的双重效果。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种水下作业综合运营系统，其特征在于，包括:

物理作业系统,所述物理作业系统包括水上辅助系统模块和水下清洗模块；其中所述水上辅助系统模块包括作业搭载设备、作业管控局域网系统及布放设备；所述水下清洗模块包括水下机器人及安装在所述水下机器人上的空化清洗系统；

水下监控系统模块，所述水下监控系统模块包括水下监控设备、水下照明设备；所述水下监控设备和所述水下照明设备均安装在所述水下机器人上；

多个作业管控系统，每个所述作业管控系统均包括远程控制及安全检测系统和作业管理系统；所述远程控制及安全检测系统与所述水下清洗模块电性连接用于所述水下清洗模块遥控作业；所述作业管理系统用于所述水下清洗模块作业过程管理和数据上报；

大数据综合监管平台，所述大数据综合监管平台用于接收管理多个所述作业管控系统的数据以及显示和做出应急反馈。

2.根据权利要求1所述的一种水下作业综合运营系统，其特征在于：所述水下机器人上还安装有运动装置和控制舱，运动装置包括滚轮、推进器；所述滚轮安装在机器人框架的角端；所述推进器包括水平推进器和垂直推进器；所述水平推进器和所述垂直推进器分别固定在所述机器人框架的支撑架上；所述控制舱用于接收水面控制系统发出的指令并给对应运动装置发出指令；所述水平推进器和所述垂直推进器通过所述控制舱分别与所述远程控制及安全检测系统电性连接。

3.根据权利要求1所述的一种水下作业综合运营系统，其特征在于：所述远程控制及安全检测系统包括服务器和遥控器，所述服务器与水下监控系统模块电性连接以获得所述水下机器人状态并进行算法处理做出相应显示和应急处理。

4.一种水下作业综合运营系统的作业远程控制方法，其特征在于，包括以下顺序步骤：

步骤一：启动水下机器人，进行上电初始化；

步骤二：通过水下监控系统，获取水下机器人当前状态，并作出当前水下机器人的状态报告；

步骤三：根据当前水下机器人的状态和水面控制系统的指令计算目标状态；

步骤四：规划制定水下机器人的下一步动作方案；

步骤五：执行水下机器人动作，空化清洗系统工作，水下机器人进行清洗操作。

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