CN204129536U - 一种船舶双曲率外板空间定位标记设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种船舶双曲率外板空间定位标记设备，包括计算机、空间定位装置、爬行智能车、安装在爬行智能车上的吸附机构、标记机构，其中爬行智能车包括车体，车体上安装有两个以上的用于车体前进的车轮；吸附机构用于使爬行智能车吸附在船舶双曲率外板上；标记机构用于在船舶双曲率外板上做出记号；计算机用于获取船舶双曲率外板上的爬行智能车的空间坐标及船舶双曲率外板上需要标记的点的空间坐标信息；空间定位装置包括信号发射器和信号接收器。本实用新型实现了爬行智能车在复杂双曲率外板上的吸附、爬行、标记功能，依托空间定位技术，实时监控爬行智能车姿态，修正偏差，保证爬行智能车爬行路线不发生较大偏差。

Description

一种船舶双曲率外板空间定位标记设备

技术领域

本实用新型属于爬行智能车领域，更具体地，涉及一种空间定位标记设备。

背景技术

由于船舶体积庞大以及分段集成式建造方法，船舶在整体对接之后，针对船舶双曲率外板的相关操作处理，譬如，船舶在建造过程中需要在船舶双曲率外板的一些特定位置标记后加装设备；目前这些特定位置的坐标只存在于计算机中，并没有在船舶双曲率外板上标识出来；工人需要先在计算机上获取船舶双曲率外板上这些坐标的信息后，再攀爬到指定区域对指定点进行操作，难度极大，效率低下。

目前公开的相关技术主要集中在不具备偏差修正的平面爬行机器人以及少量的曲面管道爬行机器人。中国实用新型专利说明书CN201410072707中公开了一种应用于管道曲面爬行的机器人。该机器人利用压电晶体在交变电压作用下产生周期性机械变形，即周期性伸长和缩短，利用人体向上爬进管道的原理，压电叠堆执行器的一伸一缩实现机器人的行进，实现竖直方向爬行。文献《船舶除锈爬壁机器人设计方案研究》中，相关研究人员提出了双履带磁吸附机械车结构，磁条布置在履带上，采用交流伺服电机、减速机对角布置，产生驱动力驱动机械车在船体表面行走。

以上两种爬行机器人具有较强的代表性，实现了机器人的爬行功能。然而，专利CN201410072707公开的管道机器人实现爬行智能车管道内侧竖直爬行，不具有横向、斜向、管道外侧的爬行功能，同时采用压电晶体作为吸附驱动装置，爬行效率不高。《船舶除锈爬壁爬行智能车设计方案研究》提出的爬行机器人为一个试验样机，可实现简单的爬行功能，但未实现自动化。同时，机器人在爬行过程中存在爬行误差，以上相关实用新型研究未设计相关纠偏的设计。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种船舶双曲率外板空间定位标记设备，爬行智能车能够在船舶双曲率外板上自动爬行、标记，并根据空间定位自主修正理论爬行路径直到爬到指定点进行操作。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种船舶双曲率外板空间定位标记设备，包括计算机、空间定位装置、爬行智能车、安装在爬行智能车上的吸附机构、标记机构，其中

爬行智能车，包括车体，车体上安装有两个以上的用于车体前进的车轮，每个车轮分别通过一减速电机驱动其旋转；

吸附机构，用于使爬行智能车吸附在船舶双曲率外板上；

标记机构，用于在船舶双曲率外板上做出记号；

计算机，用于获取船舶双曲率外板上的爬行智能车的空间坐标及船舶双曲率外板上需要标记的点的空间坐标信息；

空间定位装置，包括信号发射器和信号接收器；信号发射器安装在车体上，其数量为两个以上，用于向信号接收器发送信号；信号接收器与计算机相连接，其数量为三个以上，用于接收两个信号发射器发出的信号。

优选地，所述车体上安装有一个以上的能在船舶双曲率外板上行走的万向轮。

优选地，所述万向轮与船舶双曲率外板之间存在间距。

优选地，所述标记机构包括喷漆罐和舵机，所述喷漆罐上设置有喷嘴，所述喷嘴上连接有导漆管，车体上安装设置有通孔，导漆管穿装在车体的通孔处，舵机通过转轴安装有能通过转动来按压喷嘴的舵臂，舵臂的一端到转轴中心的距离大于另一端到转轴中心的距离，舵臂上到转轴中心距离较大的一端在转轴转动时能按压喷嘴。

优选地，所述吸附装置为磁铁，磁铁安装在车体上或安装在车轮上。

优选地，所述减速电机上连接有编码器。

优选地，所述信号接收器的数量为三个，所述三个信号接收器分布在一正三角形的三个顶点上。

优选地，所述信号接收器的数量为四个，所述四个信号接收器分布在一正方形的四个顶点上。

优选地，所述信号发射器排列在一条与车体前进方向平行的直线上。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本实用新型可实现船舶建造过程中在船舶双曲率外板上的自动化标记。

2)本实用新型实现了爬行智能车在复杂双曲率外板上的吸附、爬行、标记功能，依托空间定位技术，实时监控爬行智能车姿态，修正偏差，保证爬行智能车爬行路线不发生较大偏差。

3)由于爬行智能车采用两个车轮驱动的方法，运动灵活，爬行速度快，有效保证工作效率，同时配合空间定位装置实现偏差矫正，满足建造过程中对标记点的精度要求。

附图说明

图1是按照本实用新型中爬行智能车的示意图；

图2是按照本实用新型中爬行智能车的仰视图；

图3是按照本实用新型的标记机构的结构示意图；

图4是按照本实用新型中空间定位装置的工作示意图；

图5是按照本实用新型中空间定位装置进行爬行智能车姿态纠正时的原理示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1～图5所示，一种船舶双曲率外板空间定位标记设备，包括计算机、空间定位装置、爬行智能车13、安装在爬行智能车13上的吸附机构5、标记机构，其中爬行智能车13包括车体1，车体1上安装有两个以上的用于车体1前进的车轮2，每个车轮2分别通过一减速电机3驱动其旋转；吸附机构5用于使爬行智能车13吸附在船舶双曲率外板15上；标记机构用于在船舶双曲率外板15上做出记号；计算机用于获取船舶双曲率外板15上的爬行智能车13的空间坐标及船舶双曲率外板15上需要标记的点的空间坐标信息；空间定位装置包括信号发射器14和信号接收器12，所述信号发射器14安装在车体1上，其数量为两个以上，这些信号发射器14排列在一条与车体1前进方向平行的直线上，用于向信号接收器12发送信号；所述信号接收器12与计算机信号连接，其数量为三个以上，用于接收两个信号发射器14发出的信号。

本实用新型所要解决的技术问题主要包括以下两点：

1.设计能够在船舶双曲率外板15上自由爬行标记的爬行智能车13；

2.设计空间定位装置，实时监控爬行智能车13的姿态，与爬行智能车13上的控制系统通讯，纠正路径偏差；

爬行智能车13的驱动方式为两个车轮2驱动，即车体1依靠两个车轮2来带动前进，车体1的转向方式通过两个车轮2的差速来实现转向，车体1的前后分别布置有一万向轮4，前后布置的万向轮4提供支撑作用，吸附机构5的吸附方式采用磁吸附，标记设备的标记方式为喷漆标记。

所述车体1上安装有一个以上的能在船舶双曲率外板15上行走的万向轮4，本实用新型优选为两个万向轮4，分别布置于车体1前后两端，起支撑车体1作用。所述万向轮4与船舶双曲率外板15之间存在间距，即万向轮4悬挂在车体的底盘上，这是为了适应船舶外板存在焊缝凸起等不平滑的情况。

参照图3，本实用新型的标记机构优选为一高压灌装自动喷漆结构，其包括喷漆罐7和舵机8，所述喷漆罐7上设置有喷嘴，所述喷嘴上连接有导漆管10，车体1上安装设置有通孔，导漆管10穿装在车体1的通孔处，能从通孔处向船舶双曲率外板15上喷漆。舵机8通过转轴安装有能通过转动来按压喷嘴的舵臂9，舵臂9的一端到转轴中心的距离大于另一端到转轴中心的距离，舵臂9上到转轴中心距离较大的一端在转轴转动时能按压喷嘴，从而使导漆管10喷出漆。爬行智能车13到达标记位置后，计算机向舵机8发送标记信号，标记信号触发舵机8工作，喷漆罐7的头部用导漆管10将油漆从车体1上的通孔处喷出，喷到船舶双曲率外板15上实现标记。其中标记机构通过螺钉固定在车体1上。舵机8由微控制器输出20ms周期的宽度1ms至2ms的脉冲进行控制，脉宽对应舵臂9的转角，需要喷漆时，由微控制器控制舵臂9转过一定角度，压按喷嘴喷漆，然后喷嘴迅速恢复。

作为另一种优选，标记机构也可采用电喷印技术，此种情况下标记机构包括电喷组件，通电后电喷组件的喷头向船舶双曲率外板15上喷漆。或者，标记机构也可采用线性电机与标记笔结合的结构，线性电机驱动标记笔移动在船舶双曲率外板15上做上标记。

爬行智能车13上的电路控制装置包括微控制器、惯性传感器组成，电路控制装置通过螺钉固定在车体1上，其控制算法包括：

1)运动规划：这部分将运动控制指令合理地规划解算为车体1将执行的线速度和角速度序列。

2)减速电机3的闭环控制：这部分通过编码盘和角速度传感器的反馈值对减速电机3进行闭环控制，完成对线速度和角速度序列的准确执行。PID算法成熟可靠，适用本实用新型，实际中PID算法将退化为PI算法。

3)惯性传感器的数据融合、姿态估计和修正：这部分将惯性传感器的数据解算、估计为描述车体1姿态的物理参量，并通过对线速度和角速度的控制进行姿态修正。

作为一种优选，吸附装置为磁铁，磁铁可以为一整块，也可以由多个小块排布在车体1上，以用于提供足够的吸附力，使爬行智能车13不易从船舶双曲率外板15上掉落；或者，也可以将磁铁设计成环形，其嵌套在车轮2的轮毂外，以提供吸附力；作为其它选择，吸附装置也可以采用真空吸附结构、或者吸盘吸附结构等吸附方式提供吸附力。

空间定位基本上是基于距离的几何计算。信号接收器12的数量优选为三个，这三个信号接收器12分布在一正三角形的三个顶点上。信号发射器14优选为两个，这两个信号发射器14排列的直线与车体1前进的方向一致。空间定位装置技术方案是这样实现的，两个信号发射器14作为移动部件，搭载于被定位的爬行智能车13的车体1上，二者分别安装在车体1的前部和后部，二者连线与爬行智能车13的车体1前进方向平行，每一个信号发射器14用于定位爬行智能车13位置，同时根据两个信号发射器14的连线可以得到爬行智能车13的当前姿态17；三个信号接收器12作为固定端，安装于支架11上，用于接收信号发射器14发射的超声波，通过控制程序将接收信号解析成为距离信号；三个信号接收器12将距离信号传输给计算机，即可将信号发射器14的位置解析成坐标信号，即确定爬行智能车13的空间坐标与姿态，实现爬行智能车13定位。参照图5，具体来讲，确定爬行智能车13的姿态，是依靠两个信号发射器14的空间坐标来实现的，两个信号发射器14所在的空间坐标确定一条直线，该直线的方向即能表示出爬行智能车13的姿态；爬行智能车13在船舶双曲率外板15上爬行时，当爬行智能车13从C位置爬行到D位置，直线的方向改变，即爬行智能车13的姿态也改变。计算机不断地将所在位置的直线方向与输入其内的爬行智能车13的理论爬行路径16进行比较，以使爬行智能车13能够在设定的理论爬行路径16上行走。如果D位置的姿态与设定的理论爬行路径16上的爬行智能车13姿态不符，则车轮2进行转向，以使D位置的姿态符合理论爬行路径16上的姿态，这样来实行爬行智能车13姿态的纠正。

以测定其中一个信号接收器12的坐标为例，假设已知三个信号接收器坐标分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)，信号发射器14位置坐标设为(x_a,y_a,z_a)，显然，当信号发射器14发送一次超声波信号时：

每个信号接收器12测得其与其中一个信号发射器14的距离分别为S1、S2、S3，显然：

$\left\{\begin{array}{c}S1={(x_a-x_1)}^2+{(y_a-y_1)}^2+{(z_a-z_1)}^2\\ S2={(x_a-x_2)}^2+{(y_a-y_2)}^2+{(z_a-z_2)}^2\\ S3={(x_a-x_2)}^2+{(y_a-y_2)}^2+{(z_a-z_2)}^2\end{array}\right.$

此处(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)和S1、S2、S3已知，因此不难计算(x_a,y_a,z_a)的值，据此就能得出爬行智能车13的空间坐标。

爬行智能车13首尾两个信号发射器14的连线可以确定爬行智能车13的当前姿态17。显然，爬行智能车13爬行过程中由于误差将偏移原方向，设爬行智能车13在D位置时，两个信号发射器14的空间坐标分别为(x_a,y_a,z_a)，(x_b,y_b,z_b)，根据这两个坐标点确定的直线与设定理论爬行路径16进行对比，即可计算得到偏移角θ。

作为进一步优选，所述信号接收器12的数量也可以为四个，所述四个信号接收器12分布在一正方形的四个顶点上。采用四个信号接收器12，同时每一个信号接收器12配备单独的解析程序，此时，定位精度和计算效率提升明显。

另外，空间定位装置的定位技术可采用超声波定位技术，亦可采用室内GPS定位技术，其具有相同的工作原理。室内GPS定位技术拥有更高的定位精度和抗干扰能力。

本实用新型主要是针对船舶建造过程中对船体外板上相关设备布置点标记的任务要求，设计了具有上述功能的爬行智能车13。工作时，输入爬行智能车13的理论爬行路径16和标记点的空间坐标信号，驱动爬行智能车13运动；运动过程中，空间定位装置实时反馈爬行智能车13的当前姿态17，爬行智能车13即可根据当前姿态17调整运动速度和转向角度，修正运动偏差，保证运动精度；到达标记点，驱动舵机8执行喷漆行为，实现喷漆标记，完成之后继续爬行到下一点位，重复上述过程，最终完成对所有标记点的标记。

本实用新型可实现船舶建造过程中相关设备布置点位的自动化标记。本实用新型实现了爬行智能车13在复杂的船舶双曲率外板15上的吸附、爬行、标记功能，万向轮4的悬挂很好地克服了爬行智能车13在不平整表面运动时存在的问题。爬行智能车13自身的运动控制闭环算法有效的保证了运动精度，同时依托空间定位技术，实时监控爬行智能车13姿态，修正偏差，保证爬行智能车13爬行路线不发生较大偏差。由于爬行智能车13采用两轮驱动的机械车方案，运动灵活，爬行速度快，有效保证工作效率，同时配合空间定位技术实现偏差矫正，满足建造过程中对标记点的精度要求。

车体1作为各构件布置载体，选择采用铝合金材料铣削而成，磁铁采用钕铁硼强磁铁，按照图2方式，布置在车体1下方；车轮2由轮毂和橡胶胎组成，其中橡胶胎嵌套在轮毂外；一般来说，车轮2和减速电机3由联轴器相连，两者构成驱动轮结构，通过电机支架固定在车体1中部左右两侧，车轮2可绕减速电机3的转轴转动；万向轮4为悬挂设计，与船舶双曲率外板15之间存在间隙，用以应对船舶外板表面凹凸不平的情况，万向轮4布置于车体11首尾两端，起支撑作用，其为从动轮，万向轮4可作360°旋转运动。

控制结构包括微控制器、惯性传感器。控制算法大致如下:

(1)运动规划

其包含两个层次：1)、从标记位置的集合到运行路径的规划。这部分根据需要标记的位置合理安排运行路径，并转换为位移和指向角曲线、线速度和角速度曲线或线加速度和角加速度曲线。这部分属于上位机算法范畴。2)、从运动曲线到离散运动参数序列的转换。上位机与爬行智能车13间交互采用线速度与角速度队列的方式，由上位机发送线速度和角速度命令构成的队列给爬行智能车13执行，这些命令构成折线，为转换成500SPS的离散序列，采用简单的线性差值法即可。

(2)PID速度和角速度闭环

通过码盘和角速度传感器的反馈值，依托线速度PID控制器和角速度PID控制器对减速电机3进行闭环控制，精确控制爬行智能车13直线运动、转动的速度，从而完成对线速度和角速度序列的准确执行

(3)惯性测量

惯性测量部分采用角速度传感器和加速度传感器测得的物理量，进行数据融合和姿态估计，协助车体1的运动控制。通过惯性测量辅助，可有效杜绝因轮胎打滑引起的线速度和角速度误差。姿态估计得到的线速度和角速度可直接参与PID反馈控制。

参照图4，爬行智能车13爬行于船舶双曲率外板15上，两个信号发射器14固定在爬行智能车13上，两者质心间距离150mm；三个超声波信号接收器12布置在支架11上，一般来说，信号接收器12的布置方式根据建造现场情况而定，一般保证为正三角形，基本要求为，在满足精度的要求下覆盖尽可能多的区域。信号发射器14由爬行智能车13上的电源供电，信号接收器12通过导线连接至计算机，与计算机交互数据。为保证爬行智能车13运动的精确性，要求空间定位装置间隔5ms反馈一次数据给爬行智能车13。设计阶段，本实用新型选用了超声波定位技术用作测试。其中，超声波测距传感器TR40-16Q(其中T表示超声波发射探头，R表示超声波接收探头)、HC-SR04超声波集成模块，此模块的工作频率范围为39kHz～41kHz左右。

按照图5，通过首尾两个信号发射器14的坐标位置即可得到爬行智能车13的当前姿态17，相应的可求得当前姿态17与理论爬行路径16的偏差角度。求得偏差角度后即可将偏差转换成爬行智能车13运动信号，驱动爬行智能车13修正爬行路线，实现爬行智能车13自我纠偏。

本实用新型需将爬行智能车13和空间定位装置有效结合，使之成为一个统一的整体，协同工作。在此说明其工作步骤：

a)：在计算机上建立坐标系，用于获取船舶双曲率外板15上的爬行智能车13的空间坐标及船舶双曲率外板15上需要标记的点的空间坐标信息；

b)：设置爬行智能车13的理论爬行路径16以及标记点位信号。爬行智能车13运动之前，将理论爬行的路径以及标记信号输入给计算机，由计算机传给爬行智能车13，爬行智能车13上的控制系统自动解析成机器语言，即位移和指向角曲线、线速度和角速度曲线或线加速度和角加速度曲线和标记触发信号，驱动爬行智能车13运动；

c)：爬行智能车13运动过程中，空间定位装置对爬行智能车13进行定位、纠偏。定位过程为，装载于爬行智能车13上的信号发射器14间隔发射信号，位于空间中的信号接收器12接收信号并传送给计算机，计算机解析成空间坐标，即爬行智能车13的位置和姿态，并将数据发送给爬行智能车13，爬行智能车13运动控制程序即可对爬行智能车13的运动轨迹做出修正，实现定位和纠偏的功能；

d)：爬行智能车13爬行到标记位置，触发标记。爬行智能车13通过不断的爬行、修正过程，运动到已知的标记位置，此时控制程序触发标记模块工作，即控制舵机8的舵臂9旋转一定角度，按压油漆喷射头，完成喷漆行为，最终在标记位置留下持久醒目的标记点。

e)：重复爬行、标记过程，直到完成所有的标记工作。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种船舶双曲率外板空间定位标记设备，其特征在于：包括计算机、空间定位装置、爬行智能车、安装在爬行智能车上的吸附机构、标记机构，其中

爬行智能车，包括车体，车体上安装有两个以上的用于车体前进的车轮，每个车轮分别通过一减速电机驱动其旋转；

吸附机构，用于使爬行智能车吸附在船舶双曲率外板上；

标记机构，用于在船舶双曲率外板上做出记号；

计算机，用于获取船舶双曲率外板上的爬行智能车的空间坐标及船舶双曲率外板上需要标记的点的空间坐标信息；

空间定位装置，包括信号发射器和信号接收器；信号发射器安装在车体上，其数量为两个以上，用于向信号接收器发送信号；信号接收器与计算机相连接，其数量为三个以上，用于接收两个信号发射器发出的信号。

2.根据权利要求1所述的一种船舶双曲率外板空间定位标记设备，其特征在于：所述车体上安装有一个以上的能在船舶双曲率外板上行走的万向轮。

3.根据权利要求2所述的一种船舶双曲率外板空间定位标记设备，其特征在于：所述万向轮与船舶双曲率外板之间存在间距。

4.根据权利要求1所述的一种船舶双曲率外板空间定位标记设备，其特征在于：所述标记机构包括喷漆罐和舵机，所述喷漆罐上设置有喷嘴，所述喷嘴上连接有导漆管，车体上安装设置有通孔，导漆管穿装在车体的通孔处，舵机通过转轴安装有能通过转动来按压喷嘴的舵臂，舵臂的一端到转轴中心的距离大于另一端到转轴中心的距离，舵臂上到转轴中心距离较大的一端在转轴转动时能按压喷嘴。

5.根据权利要求1所述的一种船舶双曲率外板空间定位标记设备，其特征在于：所述吸附装置为磁铁，磁铁安装在车体上或安装在车轮上。

6.根据权利要求5所述的一种船舶双曲率外板空间定位标记设备，其特征在于：所述减速电机上连接有编码器。

7.根据权利要求1所述的一种船舶双曲率外板空间定位标记设备，其特征在于：所述信号接收器的数量为三个，所述三个信号接收器分布在一正三角形的三个顶点上。

8.根据权利要求1所述的一种船舶双曲率外板空间定位标记设备，其特征在于：所述信号接收器的数量为四个，所述四个信号接收器分布在一正方形的四个顶点上。

9.根据权利要求1所述的一种船舶双曲率外板空间定位标记设备，其特征在于：所述信号发射器排列在一条与车体前进方向平行的直线上。