CN114228938B - 一种可回收拋载式海洋结构物清洗机器人及清洗方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可回收拋载式海洋结构物清洗机器人及其清洗方法，该机器人包括框架，在框架的顶部安装水平推进器和竖直推进器，在框架的底部设置套环，在套环内设置清洗盘和压力传感器，在框架内固定安装竖向延伸至套环底端的滚珠丝杠螺母副，滚珠丝杠螺母副上的螺母与清洗盘固定连接并可带动清洗盘沿套环上下滑动，在清洗盘上固定安装空化射流装置，在框架内还固定安装储物仓和主控舱，回收管的一端与储物仓相通，另一端竖直朝下穿过清洗盘，在框架的外侧还安装偏振光源舱。本发明所公开的清洗机器人，航行过程中利用电力载波供能和通信，可自主巡航作业并实现对任意海洋工程结构物表面的清洗，既便于维护操作，清洗区域也不再受限，具有很高的智能性和灵活性。

Description

一种可回收拋载式海洋结构物清洗机器人及清洗方法

技术领域

本发明属于水下设施表面清洗技术领域，特别涉及该领域中的一种可回收拋载式海洋结构物清洗机器人及清洗方法。

背景技术

直接排放船体等海洋结构物的清洗物会对海岸生态造成危害，船舶防污漆为抑制生物附着会添加氧化亚铜与生物杀虫剂，船漆一旦随附着生物脱落，可能会被海洋生物采食而进入食物链，使海产品带毒，威胁当地渔业。此外，远洋船舶的附着生物在国内脱落，存在生物入侵的风险。《中华人民共和国海洋倾废管理条例》要求向海洋倾倒废弃物前要向主管部门申报，并等待主管部门在两个月内予以审批，此外还需要支付废弃物海洋倾倒费。这增加了清洗工作的时间与经济成本。

在水下设施表面清洗领域有很多技术措施，其中空化射流清洗技术是目前国际上最新的水下清洗海洋生物技术，该技术可用于清洗舰船、海上石油平台、码头、水下管道等不同类型设施上附着的海洋生物。目前空化射流清洗技术已经较为成熟，有不少水下清洗机器人应用空化射流对水下设施进行清洗，但是这些机器人绝大多数都没有回收功能，不能够对清洗下来的垃圾进行回收。而具有回收功能的水下清洗机器人均采用简单粗暴的泵吸方案，直接将清洗物抽吸到船上，不但对泵的功率要求高，而且对清洗物的生长阶段要求苛刻，同时非常耗费能源。

为解决清除物处理这一问题，有学者提出使用高速射流清洗，清洗产生的浊液先由泥浆泵送至母船，再经过一套过滤系统后排入海中的处理方案，但此方案自动化程度不高，工作效率低，功能单一，无法进行高效清洗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种能够高效、稳定进行清洗和回收清洗物的海洋工程结构物表面清洗机器人及清洗方法，可对海洋工程结构物水下部分进行安全有效的清洗和维护，以便对水下环境进行更好的保护。

本发明采用如下技术方案：

一种可回收拋载式海洋结构物清洗机器人，其改进之处在于：包括框架，在框架的顶部安装水平推进器和竖直推进器，在框架的底部设置套环，在套环内设置清洗盘和压力传感器，在框架内固定安装竖向延伸至套环底端的滚珠丝杠螺母副，滚珠丝杠螺母副上的螺母与清洗盘固定连接并可带动清洗盘沿套环上下滑动，在清洗盘上固定安装空化射流装置，在框架内还固定安装储物仓和主控舱，储物仓通过水管与岸上水泵的进水端相通，回收管的一端与储物仓相通，另一端竖直朝下穿过清洗盘，在框架的外侧还安装偏振光源舱。

进一步的，框架包括横向布置的底层板、中层板和两块侧翼板，竖向布置的左右两块侧板，底层板和中层板的两端分别安装在两块侧板相对的一侧，两块侧翼板分别安装在两块侧板相背的一侧；底层板、中层板、侧翼板和侧板均为POM材质，各板之间通过卡槽相互连接，并采用角码进行连接加固；在每块侧翼板的顶部安装两个前后排列的水平推进器，并且一块侧翼板上前排的水平推进器与前向间的夹角为45°，后排的水平推进器与前向间的夹角为135°，而另一块侧翼板上前排的水平推进器与前向间的夹角为135°，后排的水平推进器与前向间的夹角为45°，此外还在每块侧翼板的底部安装两个前后排列的竖直推进器，并且在侧翼板上与竖直推进器相对处开设孔洞，在底层板的底部四角各安装一个万向轮。

进一步的，空化射流装置包括吸嘴和喷嘴，吸嘴和喷嘴之间通过管道相通，吸嘴与水泵的出水端相通，喷嘴朝下并位于清洗盘的底部；空化射流装置的吸嘴位于中层板之上，吸嘴的下端连接直角四通接头的上端口，直角四通接头的三个下端口分别连接三根高压水管，在清洗盘上安装三个三通接头，各三通接头的上端口均位于清洗盘顶部、两个下端口均位于清洗盘底部，三根高压水管穿过中层板并分别与清洗盘上三个三通接头的上端口相连接，各三通接头的两个下端口均安装喷嘴；高压水管由橡胶布纹耐磨外层、钢丝防爆中间层和橡胶内层三层构成，各高压水管的长度均不小于清洗盘与直角四通接头下端口间的最大距离。

进一步的，在储物仓内设置容量传感器和三个以上叠加起来的网状储物袋，各网状储物袋均袋口朝上并在袋口处设置封口绳，封口绳默认为松弛状态使网状储物袋的袋口张开，在受到外力拉扯时拉紧使网状储物袋的袋口关闭，在储物仓的顶部设置储物仓盖，储物仓盖通过轴与储物仓相铰接，在中层板上安装第一舵机支板，在第一舵机支板上固定安装第一舵机，第一舵机的舵盘与轴和储物仓盖相连接；在储物仓上设置侧凸起，并用穿过侧凸起的螺栓将储物仓固定在中层板上，储物仓的后端通过水管与岸上水泵的进水端相通；第一舵机通过螺栓固定安装在第一舵机支板上。

进一步的，还包括充气装置，所述的充气装置包括固定安装在底层板和侧板之间并内置压缩气体的气瓶，在气瓶上设置控制气瓶出气口开关的气瓶旋钮，第二舵机支板固定在侧板上，在第二舵机支板上固定安装第二舵机，第二舵机的舵盘与气瓶旋钮连接，气囊拋载机构包括固定安装在中层板上的气囊箱，两个齿轮支板和第三舵机支板，在气囊箱的底部设置弹簧，在弹簧的顶部设置三个以上层叠起来的气囊块，按从上到下的顺序各气囊块依次与上述一个网状储物袋上封口绳的两端相连接，各气囊块的一端均通过单向阀与一个气囊的进气口相通，另一端均设置气孔，单向阀与气孔之间以管路相通，在两个齿轮支板上分别通过轴与轴承安装主动齿轮和从动齿轮，在第三舵机支板上固定安装第三舵机，第三舵机的舵盘与主动齿轮相连接，齿条安装在主动齿轮和从动齿轮的顶部并与主动齿轮和从动齿轮相啮合，在齿条与气囊箱相邻的端部固定安装与气囊块上气孔相对应的气嘴，气嘴通过气管与气瓶出气口相通。

进一步的，有两个充气装置和两个气囊拋载机构，两个充气装置分别安装在底层板的左右两侧，两个气囊拋载机构分别位于中层板的左右两侧，同侧的充气装置和气囊拋载机构彼此配合，两个气囊拋载机构的气囊块按从上到下的顺序依次交替与从顶层至底层的各网状储物袋上封口绳的两端相连接；充气装置的气瓶内储存压缩的CO₂气体，第二舵机通过螺栓固定在第二舵机支板上。

进一步的，偏振光源舱包括外壳和密封安装在外壳开口处的透明盖，外壳的开口朝下并凸出中层板外，透明盖的一侧以一定角度固定在中层板上，光源支架固定在外壳内部中间，光源和偏振片固定在光源支架上，偏振片位于光源和透明盖之间，光源产生的光透过偏振片从透明盖射出，摄像头舱包括外壳和密封安装在外壳开口处的透明盖，外壳的开口朝下并凸出中层板外，透明盖的一侧以一定角度固定在中层板上，摄像头支架固定在外壳内部中间，摄像头固定在摄像头支架中间，在摄像头旁边固定小舵机，在小舵机的舵盘上固定偏振片；偏振光源舱外壳与透明盖通过密封圈密封，螺栓压紧，偏振光源舱透明盖的一侧以一定角度通过螺栓固定在中层板上，光源支架通过螺栓固定在外壳内部中间，光源通过螺栓固定在光源支架上；摄像头舱外壳和透明盖通过密封圈密封，螺栓压紧，摄像头舱透明盖的一侧以一定角度通过螺栓固定在中层板上，摄像头支架通过螺栓固定在外壳内部中间，摄像头通过螺栓固定在摄像头支架中间。

进一步的，在中层板上固定安装密封的主控舱，在主控舱内安装主控制器，在左右两块侧板上分别安装密封的推进器舱和舵机控制舱，在推进器舱内安装推进控制器，在舵机控制舱内安装舵机驱动板，主控制器响应上位机的控制指令并控制上述推进控制器、舵机驱动板、滚珠丝杠螺母副工作，整合压力传感器、容量传感器数据发送给地面站，并与岸上终端进行电力载波传输，负责清洗机器人的供电和通信，推进控制器与主控制器通信，根据主控制器的指令控制上述四个水平推进器和四个竖直推进器工作，舵机驱动板与主控制器通信，根据主控制器的指令控制上述第一舵机、第二舵机、第三舵机和小舵机工作。

一种海洋结构物清洗方法，使用上述的清洗机器人，其改进之处在于：水平推进器和竖直推进器工作，使清洗机器人悬停、上浮、下潜、航行、翻转、吸附和倾斜姿态保持，在清洗机器人吸附在待清洗的海洋结构物表面时开启水泵，高压水射流从喷嘴喷出形成空化射流，对海洋结构物表面进行清洗，岸上水泵进行泵吸，在储物仓中产生负压，通过回收管将清洗盘下由空化射流装置清洗下来的清洗物吸取入储物仓。

进一步的，推进控制器根据测量得到的当前姿态与主控制器提供的目标姿态控制四个水平推进器和四个竖直推进器工作，使清洗机器人悬停、上浮、下潜、航行、翻转、吸附和倾斜姿态保持，在清洗机器人吸附在待清洗的海洋结构物表面时，由四个水平推进器提供动力，利用四个万向轮在表面各个方向行驶；在清洗过程中开启岸上水泵进行泵吸，在储物仓中产生负压，通过回收管将清洗盘下由空化射流装置清洗下来的清洗物吸取入储物仓的顶层网状储物袋内，主控制器通过容量传感器检测到网状储物袋存满后与上位机通信使岸上水泵关闭，向舵机驱动板发送指令，由舵机驱动板控制第三舵机运行，带动主动齿轮逆时针旋转，使齿条经从动齿轮移向气囊块，在齿条上的气嘴抵在气囊块上的气孔时， 舵机驱动板控制第三舵机停止、第二舵机运行并在打开气瓶旋钮后停止，使气瓶内的压缩气体经气管、气嘴、气孔和单向阀进入气囊，为气囊充气，充气完毕后舵机驱动板控制第二舵机反向运行并在关闭气瓶旋钮后停止，由舵机驱动板控制第一舵机运行，打开储物仓盖，第三舵机恢复运行继续带动主动齿轮逆时针旋转，使齿条经从动齿轮进一步移向气囊块，直至将气囊块从气囊箱中推出，此时舵机驱动板控制第一舵机运行，关闭储物仓盖，舵机驱动板控制第三舵机反向运行，带动主动齿轮顺时针旋转使齿条返回出发位置时停止，再由弹簧将下一个气囊块顶起填补被推出气囊块的空缺，以便进行反复抛载，被推出的气囊块则在气囊浮力带动下拉紧与其相连网状储物袋的封口绳，使该网状储物袋的袋口关闭并携带其浮出水面；舵机驱动板控制小舵机反复偏转，使小舵机舵盘上的偏振片在光源的平行方向与垂直方向反复旋转，摄像头每次采集平行方向与垂直方向两张图像，传递至上位机合成去雾图像。

本发明的有益效果是：

本发明所公开的清洗机器人，采用环绕式空化射流装置在不破坏表面涂层的前提下对海洋结构物表面进行清洗，清洗盘可以改变空化射流装置喷嘴与海洋结构物表面的距离，以便优化清洗距离，最大化清洗效率。

本发明所公开的清洗机器人，采用岸上水泵对清洗盘下由空化射流装置清洗下来的清洗物（生物附着物）进行吸取，储物仓内叠套多个网状储物袋用于清洗物的存放，充气装置和气囊拋载机构相配合实现气囊带动网状储物袋的连续反复抛载，抛载完成后气囊连同网状储物袋漂浮在海面上等待回收，实现工作过程的环境友好和高效节能。

本发明所公开的清洗机器人，航行过程中利用电力载波供能和通信，可自主巡航作业并实现对任意海洋工程结构物表面的清洗，既便于维护操作，清洗区域也不再受限，具有很高的智能性和灵活性。

本发明所公开的清洗机器人，上位机使用特征点匹配算法确定清洗机器人方位，并对清洗机器人位置进行自动控制，实现了自动跟随航线运行的功能，使得操作清洗机器人的难度大大降低。

本发明所公开的清洗机器人，采用基于单通道偏振系统的成像方法，实现水下成像的最大清晰化，并能利用神经网络评估清洗程度，从而节约人力。还能记录清洗过程中的摄像头画面信息，获得工作表面的污损情况，生成详尽的清洗报告，从而为后续检修和清洗工作提供大量的可用信息。

本发明所公开的清洗方法，在清洗机器人自主巡航作业的过程中，使用岸上水泵源引海水进行清洗和清洗物的回收，充气装置和气囊拋载机构相配合实现气囊带动网状储物袋的连续反复抛载，可长时间进行清洗作业，便捷高效，节省人力资源。

附图说明

图1是本发明实施例1所公开清洗机器人的结构示意图；

图2是本发明实施例1所公开清洗机器人的结构爆炸示意图；

图3是本发明实施例1所公开清洗机器人中空化射流装置的结构示意图；

图4是本发明实施例1所公开清洗机器人中负压回收装置的结构示意图；

图5是本发明实施例1所公开清洗机器人中充气装置和气囊拋载机构的结构示意图I；

图6是本发明实施例1所公开清洗机器人中充气装置和气囊拋载机构的结构示意图II；

图7是本发明实施例1所公开清洗机器人中充气装置和气囊拋载机构的结构示意图III；

图8是本发明实施例1所公开清洗机器人中偏振光源舱和摄像头舱的结构示意图。

附图标记：1、水平推进器；2、偏振光源舱；3、摄像头舱；4、空化射流装置；5、滚珠丝杠螺母副；6、气囊拋载机构；7、侧翼板；8、竖直推进器；9、推进器舱；10、侧板；11、清洗盘；12、中层板；13、负压回收装置；14、主控舱；15、底层板；16、万向轮；17、充气装置；18、舵机控制舱；19、角码；41、吸嘴；42、直角四通接头；43、高压水管；44、三通接头；45、喷嘴；131、轴；132、储物仓盖；133、储物仓；134、第一舵机；135、第一舵机支板；136、回收管；61、气囊；62、单向阀；63、气囊块；64、气囊箱；65、弹簧；66、齿轮支板；67、齿条；68、第三舵机；69、第三舵机支板；610、从动齿轮；611、主动齿轮；171、气瓶；172、气瓶旋钮；173、第二舵机；174、第二舵机支板；175、气管；176、气嘴；21、透明盖；22、光源支架；23、光源；24、外壳；25、偏振片；31、偏振片；32、透明盖；33、小舵机；34、摄像头支架；35、摄像头；36、外壳。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，如图1—2所示，本实施例公开了一种可回收拋载式海洋结构物清洗机器人，包括横向布置的底层板15、中层板12和两块侧翼板7，竖向布置的左右两块侧板10，底层板和中层板的两端分别安装在两块侧板相对的一侧，两块侧翼板分别安装在两块侧板相背的一侧；在每块侧翼板的顶部安装两个前后排列的水平推进器1，并且一块侧翼板上前排的水平推进器与前向间的夹角为45°，后排的水平推进器与前向间的夹角为135°，而另一块侧翼板上前排的水平推进器与前向间的夹角为135°，后排的水平推进器与前向间的夹角为45°，以保证水平方向运动和旋转的最优化，此外还在每块侧翼板的底部安装两个前后排列的竖直推进器8，并且在侧翼板上与竖直推进器相对处开设孔洞，在底层板的底部四角各安装一个万向轮16；在底层板上设置套环，在套环内设置清洗盘11和压力传感器，在中层板上固定安装竖向延伸至套环底端的滚珠丝杠螺母副5，滚珠丝杠螺母副上的螺母（运动端）与清洗盘固定连接并可带动清洗盘沿套环上下滑动，在清洗盘上固定安装空化射流装置4，空化射流装置包括吸嘴和喷嘴，吸嘴和喷嘴之间通过管道相通，吸嘴与水泵的出水端相通，喷嘴朝下并位于清洗盘的底部；如图4所示，负压回收装置13包括在中层板上固定的储物仓133，在储物仓内设置容量传感器和三个以上叠加起来的网状储物袋，各网状储物袋均袋口朝上并在袋口处设置封口绳，封口绳默认为松弛状态使网状储物袋的袋口张开，在受到外力拉扯时拉紧使网状储物袋的袋口关闭，储物仓通过水管与岸上水泵的进水端相通，回收管136的一端与储物仓相通，另一端竖直朝下穿过清洗盘11，在储物仓的顶部设置储物仓盖132，储物仓盖通过轴131与储物仓相铰接，在中层板上安装第一舵机支板135，在第一舵机支板上固定安装第一舵机134，第一舵机的舵盘与轴和储物仓盖相连接，从而控制储物仓盖的开启和关闭；如图5—7所示，充气装置17包括固定安装在底层板和侧板之间并内置压缩气体的气瓶171，在气瓶上设置控制气瓶出气口开关的气瓶旋钮172，第二舵机支板174固定在侧板上，在第二舵机支板上固定安装第二舵机173，第二舵机的舵盘与气瓶旋钮连接，以便控制气瓶开关，气囊拋载机构6包括固定安装在中层板12上的气囊箱64，两个齿轮支板66和第三舵机支板69，在气囊箱的底部设置弹簧65，在弹簧的顶部设置三个以上层叠起来的气囊块63，弹簧给予气囊块向上的压力，保证无论还有几个气囊块都可以将其向上压紧，按从上到下的顺序各气囊块依次与上述一个网状储物袋上封口绳的两端相连接，各气囊块的一端均通过单向阀62与一个气囊61的进气口相通，单向阀保证气囊只可以进气而不能出气，另一端均设置气孔，单向阀与气孔之间以管路相通，在两个齿轮支板上分别通过轴与轴承安装主动齿轮611和从动齿轮610，在第三舵机支板69上固定安装第三舵机68，第三舵机的舵盘与主动齿轮相连接，齿条67安装在主动齿轮和从动齿轮的顶部并与主动齿轮和从动齿轮相啮合，在齿条与气囊箱相邻的端部固定安装与气囊块上气孔相对应的气嘴176，气嘴通过气管175与气瓶出气口相通；如图8所示，偏振光源舱2包括外壳24和密封安装在外壳开口处的透明盖21，外壳的开口朝下并凸出中层板外，透明盖的一侧以一定角度固定在中层板上，光源支架22固定在外壳内部中间，光源23和偏振片25固定在光源支架上，偏振片位于光源和透明盖之间，光源产生的光透过偏振片从透明盖射出，摄像头舱3包括外壳36和密封安装在外壳开口处的透明盖32，外壳的开口朝下并凸出中层板外，透明盖的一侧以一定角度固定在中层板上，摄像头支架34固定在外壳内部中间，摄像头35固定在摄像头支架中间，在摄像头旁边固定小舵机33，在小舵机的舵盘上固定偏振片31，偏振光源舱与摄像头舱呈一定角度，使光源与摄像头视线在需清洗的海洋结构物表面汇聚于一点，达成偏振成像的条件，使成像更加清晰，所得成像可以通过图像视觉进行机器寻迹以及建立清洗报告；在中层板上固定安装密封的主控舱14，在主控舱内安装主控制器，在左右两块侧板上分别安装密封的推进器舱9和舵机控制舱18，在推进器舱内安装推进控制器，在舵机控制舱内安装舵机驱动板，主控制器响应上位机的控制指令并控制上述推进控制器、舵机驱动板、滚珠丝杠螺母副工作，整合压力传感器、容量传感器数据发送给地面站，并与岸上终端进行电力载波传输，负责清洗机器人的供电和通信，推进控制器与主控制器通信，根据主控制器的指令控制上述四个水平推进器和四个竖直推进器工作，舵机驱动板与主控制器通信，根据主控制器的指令控制上述第一舵机、第二舵机、第三舵机和小舵机工作。

在本实施例中，底层板、中层板、侧翼板和侧板均为POM材质，各板之间通过卡槽相互连接，并采用角码19进行连接加固，采用这种夹层式分布结构，装配方便，易于调整。

各水平推进器和竖直推进器均通过螺栓固定在侧翼板上，四个万向轮均通过螺栓固定在底层板上。

如图3所示，空化射流装置的吸嘴41位于中层板之上，吸嘴的下端连接直角四通接头42的上端口，直角四通接头的三个下端口分别连接三根高压水管43，在清洗盘11上安装三个三通接头44，各三通接头的上端口均位于清洗盘顶部、两个下端口均位于清洗盘底部，三根高压水管穿过中层板并分别与清洗盘上三个三通接头的上端口相连接，各三通接头的两个下端口均安装喷嘴45；高压水管由橡胶布纹耐磨外层、钢丝防爆中间层和橡胶内层三层构成，各高压水管的长度均不小于清洗盘与直角四通接头下端口间的最大距离。

在储物仓上设置侧凸起，并用穿过侧凸起的螺栓将储物仓固定在中层板上，储物仓的后端通过水管与岸上水泵的进水端相通；第一舵机通过螺栓固定安装在第一舵机支板上。

有两个充气装置和两个气囊拋载机构，两个充气装置分别安装在底层板的左右两侧，两个气囊拋载机构分别位于中层板的左右两侧，同侧的充气装置和气囊拋载机构彼此配合，两个气囊拋载机构的气囊块按从上到下的顺序依次交替与从顶层至底层的各网状储物袋上封口绳的两端相连接；充气装置的气瓶内储存压缩的CO₂气体，第二舵机通过螺栓固定在第二舵机支板上。

偏振光源舱外壳与透明盖通过密封圈密封，螺栓压紧，保证防水，偏振光源舱透明盖的一侧以一定角度通过螺栓固定在中层板上，光源支架通过螺栓固定在外壳内部中间，光源通过螺栓固定在光源支架上；摄像头舱外壳和透明盖通过密封圈密封，螺栓压紧，保持防水，摄像头舱透明盖的一侧以一定角度通过螺栓固定在中层板上，摄像头支架通过螺栓固定在外壳内部中间，摄像头通过螺栓固定在摄像头支架中间。

主控舱通过螺栓固定在中层板前部，主控制器为树莓派3b；推进控制器为STM32F103，利用U9250采集、处理姿态数据，利用MS5837水深传感器采集、处理深度数据，利用USB串口芯片与主控制器通信，通过PWM信号控制四个水平推进器和四个竖直推进器工作；舵机驱动板使用PCA9685芯片，利用IIC协议与主控制器通信。

本实施例还公开了一种海洋结构物清洗方法，使用上述的清洗机器人，推进控制器根据测量得到的当前姿态与主控制器提供的目标姿态控制四个水平推进器和四个竖直推进器工作，使清洗机器人悬停、上浮、下潜、航行、翻转、吸附和倾斜姿态保持，在清洗机器人吸附在待清洗的海洋结构物表面时，由四个水平推进器提供动力，利用四个万向轮在表面各个方向行驶；在清洗过程中开启水泵，水压达20Mpa的高压水射流从喷嘴喷出，形成空化射流，对表面的铁锈以及附着生物进行清洗，使海洋结构物表面的附着物脱落。当清洗机器人行驶至某一凹面，姿态传感器将检测到较大的正俯仰角速度，主控制器控制滚珠丝杠螺母副的滚珠丝杠朝某一方向旋转，使滚珠丝杠螺母副的螺母带动清洗盘沿套环下滑，将空化射流装置的喷嘴推向表面以补偿表面对喷嘴的远离，增强清洗效果；当清洗机器人行驶至某一凸面，姿态传感器将检测到较大的负俯仰角速度，主控制器控制滚珠丝杠螺母副的滚珠丝杠朝另一方向旋转，使滚珠丝杠螺母副的螺母带动清洗盘沿套环上滑，将空化射流装置的喷嘴远离表面以补偿表面对喷嘴的靠近，减小反作用力对清洗机器人稳定性的影响；在清洗过程中开启岸上水泵进行泵吸，在储物仓中产生负压，通过回收管将清洗盘下由空化射流装置清洗下来的清洗物吸取入储物仓的顶层网状储物袋内，主控制器通过容量传感器检测到网状储物袋存满后与上位机通信使岸上水泵关闭，向舵机驱动板发送指令，由舵机驱动板控制第三舵机运行，带动主动齿轮逆时针旋转，使齿条经从动齿轮移向气囊块，在齿条上的气嘴抵在气囊块上的气孔时， 舵机驱动板控制第三舵机停止、第二舵机运行并在打开气瓶旋钮后停止，使气瓶内的压缩气体经气管、气嘴、气孔和单向阀进入气囊，为气囊充气（充气时间为1秒），充气完毕后舵机驱动板控制第二舵机反向运行并在关闭气瓶旋钮后停止，由舵机驱动板控制第一舵机运行，打开储物仓盖，第三舵机恢复运行继续带动主动齿轮逆时针旋转，使齿条经从动齿轮进一步移向气囊块，直至将气囊块从气囊箱中推出，此时舵机驱动板控制第一舵机运行，关闭储物仓盖，舵机驱动板控制第三舵机反向运行，带动主动齿轮顺时针旋转使齿条返回出发位置时停止，再由弹簧将下一个气囊块顶起填补被推出气囊块的空缺，以便进行反复抛载，被推出的气囊块则在气囊浮力带动下拉紧与其相连网状储物袋的封口绳，使该网状储物袋的袋口关闭并携带其浮出水面，由人工在水面收集，完成拋载工作；舵机驱动板控制小舵机反复偏转，使小舵机舵盘上的偏振片在光源的平行方向与垂直方向反复旋转，摄像头每次采集平行方向与垂直方向两张图像，传递至上位机合成去雾图像。

Claims (6)

1.一种可回收拋载式海洋结构物清洗机器人，其特征在于：包括框架，在框架的顶部安装水平推进器和竖直推进器，在框架的底部设置套环，在套环内设置清洗盘和压力传感器，在框架内固定安装竖向延伸至套环底端的滚珠丝杠螺母副，滚珠丝杠螺母副上的螺母与清洗盘固定连接并可带动清洗盘沿套环上下滑动，在清洗盘上固定安装空化射流装置，在框架内还固定安装储物仓和主控舱，储物仓通过水管与岸上水泵的进水端相通，回收管的一端与储物仓相通，另一端竖直朝下穿过清洗盘，在框架的外侧还安装偏振光源舱；

框架包括横向布置的底层板、中层板和两块侧翼板，竖向布置的左右两块侧板，底层板和中层板的两端分别安装在两块侧板相对的一侧，两块侧翼板分别安装在两块侧板相背的一侧；底层板、中层板、侧翼板和侧板均为POM材质，各板之间通过卡槽相互连接，并采用角码进行连接加固；在每块侧翼板的顶部安装两个前后排列的水平推进器，并且一块侧翼板上前排的水平推进器与前向间的夹角为45°，后排的水平推进器与前向间的夹角为135°，而另一块侧翼板上前排的水平推进器与前向间的夹角为135°，后排的水平推进器与前向间的夹角为45°，此外还在每块侧翼板的底部安装两个前后排列的竖直推进器，并且在侧翼板上与竖直推进器相对处开设孔洞，在底层板的底部四角各安装一个万向轮；

空化射流装置包括吸嘴和喷嘴，吸嘴和喷嘴之间通过管道相通，吸嘴与水泵的出水端相通，喷嘴朝下并位于清洗盘的底部；空化射流装置的吸嘴位于中层板之上，吸嘴的下端连接直角四通接头的上端口，直角四通接头的三个下端口分别连接三根高压水管，在清洗盘上安装三个三通接头，各三通接头的上端口均位于清洗盘顶部、两个下端口均位于清洗盘底部，三根高压水管穿过中层板并分别与清洗盘上三个三通接头的上端口相连接，各三通接头的两个下端口均安装喷嘴；高压水管由橡胶布纹耐磨外层、钢丝防爆中间层和橡胶内层三层构成，各高压水管的长度均不小于清洗盘与直角四通接头下端口间的最大距离；

在储物仓内设置容量传感器和三个以上叠加起来的网状储物袋，各网状储物袋均袋口朝上并在袋口处设置封口绳，封口绳默认为松弛状态使网状储物袋的袋口张开，在受到外力拉扯时拉紧使网状储物袋的袋口关闭，在储物仓的顶部设置储物仓盖，储物仓盖通过轴与储物仓相铰接，在中层板上安装第一舵机支板，在第一舵机支板上固定安装第一舵机，第一舵机的舵盘与轴和储物仓盖相连接；在储物仓上设置侧凸起，并用穿过侧凸起的螺栓将储物仓固定在中层板上，储物仓的后端通过水管与岸上水泵的进水端相通；第一舵机通过螺栓固定安装在第一舵机支板上；

还包括充气装置，所述的充气装置包括固定安装在底层板和侧板之间并内置压缩气体的气瓶，在气瓶上设置控制气瓶出气口开关的气瓶旋钮，第二舵机支板固定在侧板上，在第二舵机支板上固定安装第二舵机，第二舵机的舵盘与气瓶旋钮连接，气囊拋载机构包括固定安装在中层板上的气囊箱，两个齿轮支板和第三舵机支板，在气囊箱的底部设置弹簧，在弹簧的顶部设置三个以上层叠起来的气囊块，按从上到下的顺序各气囊块依次与上述一个网状储物袋上封口绳的两端相连接，各气囊块的一端均通过单向阀与一个气囊的进气口相通，另一端均设置气孔，单向阀与气孔之间以管路相通，在两个齿轮支板上分别通过轴与轴承安装主动齿轮和从动齿轮，在第三舵机支板上固定安装第三舵机，第三舵机的舵盘与主动齿轮相连接，齿条安装在主动齿轮和从动齿轮的顶部并与主动齿轮和从动齿轮相啮合，在齿条与气囊箱相邻的端部固定安装与气囊块上气孔相对应的气嘴，气嘴通过气管与气瓶出气口相通。

2.根据权利要求1所述可回收拋载式海洋结构物清洗机器人，其特征在于：有两个充气装置和两个气囊拋载机构，两个充气装置分别安装在底层板的左右两侧，两个气囊拋载机构分别位于中层板的左右两侧，同侧的充气装置和气囊拋载机构彼此配合，两个气囊拋载机构的气囊块按从上到下的顺序依次交替与从顶层至底层的各网状储物袋上封口绳的两端相连接；充气装置的气瓶内储存压缩的CO₂气体，第二舵机通过螺栓固定在第二舵机支板上。

3.根据权利要求1所述可回收拋载式海洋结构物清洗机器人，其特征在于：偏振光源舱包括外壳和密封安装在外壳开口处的透明盖，外壳的开口朝下并凸出中层板外，透明盖的一侧以一定角度固定在中层板上，光源支架固定在外壳内部中间，光源和偏振片固定在光源支架上，偏振片位于光源和透明盖之间，光源产生的光透过偏振片从透明盖射出，摄像头舱包括外壳和密封安装在外壳开口处的透明盖，外壳的开口朝下并凸出中层板外，透明盖的一侧以一定角度固定在中层板上，摄像头支架固定在外壳内部中间，摄像头固定在摄像头支架中间，在摄像头旁边固定小舵机，在小舵机的舵盘上固定偏振片；偏振光源舱外壳与透明盖通过密封圈密封，螺栓压紧，偏振光源舱透明盖的一侧以一定角度通过螺栓固定在中层板上，光源支架通过螺栓固定在外壳内部中间，光源通过螺栓固定在光源支架上；摄像头舱外壳和透明盖通过密封圈密封，螺栓压紧，摄像头舱透明盖的一侧以一定角度通过螺栓固定在中层板上，摄像头支架通过螺栓固定在外壳内部中间，摄像头通过螺栓固定在摄像头支架中间。

4.根据权利要求3所述可回收拋载式海洋结构物清洗机器人，其特征在于：在中层板上固定安装密封的主控舱，在主控舱内安装主控制器，在左右两块侧板上分别安装密封的推进器舱和舵机控制舱，在推进器舱内安装推进控制器，在舵机控制舱内安装舵机驱动板，主控制器响应上位机的控制指令并控制上述推进控制器、舵机驱动板、滚珠丝杠螺母副工作，整合压力传感器、容量传感器数据发送给地面站，并与岸上终端进行电力载波传输，负责清洗机器人的供电和通信，推进控制器与主控制器通信，根据主控制器的指令控制上述四个水平推进器和四个竖直推进器工作，舵机驱动板与主控制器通信，根据主控制器的指令控制上述第一舵机、第二舵机、第三舵机和小舵机工作。

5.一种海洋结构物清洗方法，使用权利要求4所述的清洗机器人，其特征在于：水平推进器和竖直推进器工作，使清洗机器人悬停、上浮、下潜、航行、翻转、吸附和倾斜姿态保持，在清洗机器人吸附在待清洗的海洋结构物表面时开启水泵，高压水射流从喷嘴喷出形成空化射流，对海洋结构物表面进行清洗，岸上水泵进行泵吸，在储物仓中产生负压，通过回收管将清洗盘下由空化射流装置清洗下来的清洗物吸取入储物仓。

6.根据权利要求5所述海洋结构物清洗方法，其特征在于：推进控制器根据测量得到的当前姿态与主控制器提供的目标姿态控制四个水平推进器和四个竖直推进器工作，使清洗机器人悬停、上浮、下潜、航行、翻转、吸附和倾斜姿态保持，在清洗机器人吸附在待清洗的海洋结构物表面时，由四个水平推进器提供动力，利用四个万向轮在表面各个方向行驶；在清洗过程中开启岸上水泵进行泵吸，在储物仓中产生负压，通过回收管将清洗盘下由空化射流装置清洗下来的清洗物吸取入储物仓的顶层网状储物袋内，主控制器通过容量传感器检测到网状储物袋存满后与上位机通信使岸上水泵关闭，向舵机驱动板发送指令，由舵机驱动板控制第三舵机运行，带动主动齿轮逆时针旋转，使齿条经从动齿轮移向气囊块，在齿条上的气嘴抵在气囊块上的气孔时， 舵机驱动板控制第三舵机停止、第二舵机运行并在打开气瓶旋钮后停止，使气瓶内的压缩气体经气管、气嘴、气孔和单向阀进入气囊，为气囊充气，充气完毕后舵机驱动板控制第二舵机反向运行并在关闭气瓶旋钮后停止，由舵机驱动板控制第一舵机运行，打开储物仓盖，第三舵机恢复运行继续带动主动齿轮逆时针旋转，使齿条经从动齿轮进一步移向气囊块，直至将气囊块从气囊箱中推出，此时舵机驱动板控制第一舵机运行，关闭储物仓盖，舵机驱动板控制第三舵机反向运行，带动主动齿轮顺时针旋转使齿条返回出发位置时停止，再由弹簧将下一个气囊块顶起填补被推出气囊块的空缺，以便进行反复抛载，被推出的气囊块则在气囊浮力带动下拉紧与其相连网状储物袋的封口绳，使该网状储物袋的袋口关闭并携带其浮出水面；舵机驱动板控制小舵机反复偏转，使小舵机舵盘上的偏振片在光源的平行方向与垂直方向反复旋转，摄像头每次采集平行方向与垂直方向两张图像，传递至上位机合成去雾图像。