TWI424939B - 船殼機器人導航子系統 - Google Patents

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TWI424939B
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Description

船殼機器人導航子系統
本發明係關於一種通常經組態以清潔及/或檢查一船之殼體的船殼機器人。
本申請案係基於及主張以引用方式併入本文中之基於35 U.S.C §§119、120、363、365及37 C.F.R §1.55與§1.78之2010年5月17日申請之美國專利申請案第12/800,486號之優先權。本申請案係關於2008年11月21日申請之美國專利申請案第12/313,643號。
一船殼在水中航行之摩擦阻力可占總阻力之45%至90%，且附著在船殼上之水藻、海草、藤壺及類似積垢會使摩擦阻力增加6%至高達80%。由一油輪船殼之生物積垢引起的阻力之一30%增加會使船每天多消耗12噸燃料。因此增加船之操作成本及排放。
因此，存在用以降低生物積垢之存在概率及/或清潔船之船殼的各種方法。例如，船殼油漆及塗料可用以有效減小生物積垢之存在概率，但此等處理並非總是可靠。例如，參閱以引用方式併入本文中之美國專利案第7,390,560號。又，在施加油漆及/或塗料時，船必須長時間停靠在碼頭晾乾。亦需要關注防污油漆及塗料之環境問題。
因此，通常，當船停靠在碼頭邊及/或在正常卸貨條件期間時，潜水員使用電動刷來人為地週期性清潔船殼。此一清潔程序成本較高。根據需要，約每10個月至12個月或更短重複此類清潔工作一次。更糟地，由於污染水體之防污油漆具毒性，一些管轄區已裁定此行為違法。
作為回應，已提出機器人船殼清潔器。例如，「Hismar」財團已提出一種用於在正常卸貨條件期間清潔船殼之機器人平臺。當船靜止不動且被拴繫至一操作者控制單元、一高壓水源、一抽吸子系統及一電力子系統時，機器人係磁性地附著至船殼。
美國專利案第5,628,271號、第6,317,387號、第4,674,949號、第4,401,048號、第4,079,694號、第3,946,692號及第3,638,600號中揭示其他拴繫式機器人。亦參閱WO 02/074611、Lee Min War Serene及Koh Cheok Wei之「Design of a Remotely Operated Vehicle(ROV) for Underwater Ship Hull Cleaning」及Fu-cai等人於The Journal of Marine Science and Application之2004年6月第3卷第1期中所發表之「The Design of Underwater Hull-Cleaning Robot」。此等參考案之全部以引用方式併入本文中。
最早之船殼清潔機器人存在若干缺點。通常，機器人係連接至一纜索、由一機載電源供應器供電且由控制子系統控制，且僅能夠在一靜止不動之船上操作。
如先前技術中所提出，一船殼機器人之導航包含使用一三維雷射測繪系統、迴轉儀裝置、光達相機、聲波收發器及類似物。參閱以引用方式併入本文中之美國專利案第5,947,051號及第6,317,387號。
在申請人之共同待審申請案(2008年11月21日申請且以引用方式併入本文中之美國專利申請案第12/313,643號)中，一船殼機器人包含一或多個渦輪(給機器人驅動裝置供電)及清潔子系統。當船在航行中時，由流動通過船殼之水啟動該等渦輪。因為可用電力在某種程度上受限於此一系統，所以複雜之高電力導航系統並非最佳。又，昂貴之導航系統無法較佳地降低系統之成本。
由於機器人之位置可隨時間而轉移，例如由於波浪、液體動力及導航漂移影響機器人在船殼上之位置，所以預先規劃機器人以根據一計畫航線自主地環繞船殼操縱亦成問題。高精度引導及導航系統既昂貴又耗電。再者，當船在航行中時，其沿諸多方向上下顛簸、左右搖晃及縱向偏搖以使導航挑戰複雜化。
根據本發明之一態樣，分析船殼上之機器人之位置轉移且藉由程式化機器人以使機器人週期性地移動至船殼上之一位置以接收一位置校正定位而解決導航系統中所固有之累積誤差。為分析航行中之船之移動(上下顛簸、左右搖晃及縱向偏搖)，亦程式化機器人以自其導航計算結果扣除船之移動。以此方式，可在機器人離開位置校正定位點之後測定機器人在船殼上之位置。
在一實例中，因此獲取一低成本低電力之導航子系統。
本發明之特徵在於一種船殼機器人導航子系統及方法。裝載於機器人上之一驅動子系統係用於驅動機器人環繞船殼。裝載於機器人上之一感測器子系統輸出結合機器人移動與船移動之資料。裝載於機器人上之一記憶體包含與船殼之構形及機器人之一期望移動路徑有關之資料。
一定位子系統將位置定位資料傳達至機器人。亦存在用於測定船移動之構件。機器人上所載之一導航處理器對記憶體資料、感測器子系統、位置定位資料及用於測定船移動之構件作出回應。該導航處理器係經組態以藉由自結合機器人移動與船移動兩者之感測器子系統輸出資料消去所測定之船移動而測定機器人在船殼上之位置。該導航處理器控制驅動子系統以基於定位資料、船殼之構形、機器人之期望移動路徑及機器人在船殼上之測定位置而操縱船殼上之機器人。
在一實例中，導航處理器係經進一步組態以控制驅動子系統以週期性地操縱機器人位於吃水線上方以接收位置定位資料。機器人可進一步包含用於偵測機器人何時位於吃水線上方之時間的一壓力感測器。
通常，定位子系統包含至少兩個船殼安裝傳送器及自該至少兩個船殼傳送器接收傳輸之機器人上所載之一接收器。導航處理器對該接收器作出回應且經組態以基於由該至少兩個船殼傳送器傳送之傳輸、藉由三角量測法而測定機器人之位置定位資料。
用於測定船移動之構件可包含：一船上多軸慣性感測子系統，其輸出表示船之移動的資料；一船上傳送器，其用於傳送該資料；及一船上接收器，其用於接收此資料。在另一方案中，用於測定船移動之構件包含裝載於機器人上之感測器，當機器人不移動時該感測器單獨輸出船移動資料。在此方案中，導航處理器通常係經組態以週期性停止機器人之移動以獲取船移動資料。
裝載於機器人上之感測器子系統亦可包含用於測定機器人之移動距離的一測距計。通常，感測器子系統係經組態以輸出繞複數個軸之若干角旋轉及相對於複數個軸之若干方位角。
根據本發明之一船殼機器人導航子系統之一實例包含：裝載於機器人上之一感測器子系統，其輸出機器人移動資料；裝載於機器人上之一記憶體，其包含與船殼之構形及機器人之一期望移動路徑有關之資料；一定位子系統，其將位置定位資料傳達至機器人；及一導航處理器，其裝載於上且對記憶體資料、感測器子系統及位置定位資料作出回應。該導航處理器係經組態以基於該定位資料、船殼之構形、機器人之該期望移動路徑及機器人在船殼上之該測定位置而操縱船殼上之機器人。
一船殼機器人導航子系統之一實例包含：裝載於機器人上之一感測器子系統，其輸出結合機器人移動與船移動之資料；裝載於機器人上之一記憶體，其包含與船殼之構形及機器人之一期望移動路徑有關之資料；用於測定船移動之構件；及一導航處理器，其裝載於機器人上且對該記憶體資料、該感測器子系統及用於測定船移動之該構件作出回應。該導航處理器係經組態以藉由自結合機器人移動與船移動之該感測器子系統輸出資料消去所測定之船移動而測定機器人在船殼上之位置，並控制驅動子系統以基於船殼之構形、機器人之該期望移動路徑及機器人在船殼上之該測定位置而操縱船殼上之機器人。
一船殼機器人導航子系統包含：裝載於機器人上之一感測器子系統，其輸出結合機器人移動與船移動之資料；一定位子系統，其將位置定位資料傳達至機器人；用於測定船移動之構件；及一導航處理器，其裝載於機器人上且對該感測器子系統、該位置定位資料及用於測定船移動之該構件作出回應。該導航處理器係經組態以藉由自結合機器人移動與船移動兩者之該感測器子系統輸出資料消去所測定之船移動而測定機器人在船殼上之位置，並基於該定位資料及機器人在船殼上之該測定位置而操縱船殼上之機器人。可進一步包含裝載於機器人上之一記憶體，其包含與船殼之構形及機器人之一期望移動路徑有關之資料。該導航處理器對該記憶體資料作出回應且經組態以控制驅動子系統以基於船殼之構形及機器人之該期望移動路徑而操縱機器人。
在一實例中，一船殼機器人導航方法包含：感測機器人移動及船移動；儲存與船殼之構形及機器人之一期望移動路徑有關之資料；將位置定位資料傳達至機器人；測定船移動；藉由自所感測之機器人移動與船移動消去船移動而測定機器人在船殼上之移動；及基於定位資料、船殼之構形、機器人之期望移動路徑及機器人在船殼上之測定位置而操縱船殼上之機器人。
方法可進一步包含控制驅動子系統以週期性地操縱機器人位於吃水線上方以接收位置定位資料。方法可進一步包含感測壓力以偵測機器人何時位於吃水線上方。
傳達定位資料可包含安裝至少兩個船殼傳送器及基於由該至少兩個船殼傳送器傳送之傳輸、藉由三角量測法而測定機器人之位置定位資料。
測定船移動可包含安裝輸出表示船移動之資料的一船上多軸慣性感測子系統及將此資料傳送至機器人。測定船移動亦可包含週期性停止機器人之移動以獲取船移動資料。感測機器人移動可進一步包含測定機器人之移動距離。
在一實例中，一船殼機器人導航方法包含：結合感測機器人移動與船移動之資料；將位置定位資料傳達至機器人；測定船移動；藉由自結合機器人移動與船移動兩者之資料消去船移動而測定機器人在船殼上之移動；及基於該定位資料及機器人在船殼上之該測定位置而操縱船殼上之機器人。
然而，在其他實施例中，本發明無需實現全部此等目的且本發明之技術方案不應受限於能夠實現此等目的之結構及方法。
熟習技術者將自一較佳實施例之以下描述及附圖而明白其他目的、特徵及優點。
除以下所揭示之較佳實施例或若干較佳實施例以外，本發明能夠以各種方式實踐或實施其他實施例。因此，應瞭解，本發明在應用時不受限於以下描述中所闡述或圖式中所繪示之構造細節及組件配置。若本文中僅描述一個實施例，則本發明之申請專利範圍不受限於該實施例。再者，若無明確及令人信服之證據表明一確定排除、限制或拒絕，則不應限制性解讀本發明之申請專利範圍。
圖1顯示機器人10之一實例，其包含具有渦輪進水口14a及14b之機器人主體12。圖中亦顯示由馬達17驅動之清潔刷16a、16b及16c。通常，一磁性驅動系統22係用以將機器人吸附至船殼及驅動機器人環繞船殼。
在所示實例中，渦輪26a及26b分別驅動發電機28a及28b。當船在航行中時，由流動通過船殼之水驅動渦輪26a及26b。發電機28a及28b給一電源(諸如一電池)再充電。該電源給一或多個馬達供電。該電源亦給一電子控制器(諸如一導航處理器、各種感測器及其他電子子系統)供電。
圖1亦顯示驅動轉台24之馬達30。馬達30係由電源供電且由一電子子系統或控制器控制。馬達30驅動與轉台24上之周邊齒輪34嚙合之蝸輪32。轉台24經由一軸或類似物而相對於船殼旋轉。可存在用於調整轉台24之位置的其他致動器系統。以此方式，當機器人經由驅動系統22而轉動時，渦輪26a及26b可與通過船殼之水流保持對準。
通常，包含作為機器人之組件的其他子系統，例如一通信子系統及類似物。較佳地，無需將機器人主體12拴繫至任何種類之一機載電力或控制子系統。渦輪子系統可直接或經由給一電力子系統(例如一電池組)充電之一發電機而操作驅動子系統(及一實例中之一清潔子系統)，該電力子系統將電力供應至使驅動子系統及/或清潔子系統驅動之一或多個馬達。該電池組亦可用以給與機器人相關聯之其他電子及/或機電子系統供能。亦可使一發電機直接驅動一或多個馬達。
在此特定實例中之驅動系統22包含框架40，其具有與端壁44a及44b互連之隔開側壁42a及42b。在此實例中，隔開軸48a及48b係可旋轉地佈置於側壁42a與42b之間，使得框架40界定收容軸48a之第一框架部分或區段50a及收容軸48b之第二框架部分50b。在此特定實例中，軸48a、48b支撐輪子，諸如軸48a上之隔開磁性輪52a與52b及軸48b上之隔開輪52c與52d。如本文中所揭示，吾人所謂之輪子為習知意義上之輪子、鼓形輪(亦稱為滾輪)及甚至用在(例如)一磁軌中之一對隔開輪、鼓輪或鏈輪，及其他滾動結構。
例如，如本文中所揭示，軸48b可支撐一鼓型輪，或可存在由框架區段50b支撐之兩個隔開軸以支撐由框架區段50b收容之用於一磁軌之隔開鼓輪或鏈輪。框架區段50a之情況相同。
框架40界定框架部分50a與框架部分50b之間之可樞轉、可彎曲或撓性之接頭54。另一方面，框架40包含框架部分50a與50b之間之可膨脹可收縮之部分56。在此特定實例中，可樞轉接頭54係框架側壁72a之一部分，且可膨脹部分56包括框架40側壁42a中之一間隙及金屬框架部分50a與50b之間之頂壁58中之一間隙。在此特定實例中，可樞轉或撓性之接頭54為可根據需要而彎曲之框架之一部分。撓性接頭54橫跨自側壁42b中之一寬端部漸縮至側壁42a附近之一較窄端部的間隙56。在此實例中，接頭54係一硬框架側壁42b及頂壁58之唯一局部撓性整合部分，且可彎曲數度。
致動器子系統60係經組態以相對於框架部分50b而移動框架部分50a並使接頭54撓曲，同時使可膨脹之框架間隙56膨脹及收縮。接著，此動作使第一軸48a相對於第二軸48b而成角度並使驅動裝置及機器人(其上附著驅動器)轉動。在一實例中，若該等軸相隔一英尺，則轉動半徑可為5英尺至40英尺之間，此對於一船殼上之操作已足夠。
在此特定實例中，致動器子系統包含一軸，其具有延伸至框架部分50a之一螺紋孔中之螺紋及延伸至框架部分50b之一螺紋孔中之另一端部上螺紋。該等螺紋係沿不同方向，使得沿一方向轉動該軸使間隙56膨脹且沿相對方向轉動該軸使間隙56收縮。為減小該軸上之任何應力，可將旋轉式筒形螺帽併入框架部分中以接收該軸之兩相對端部上之螺紋。
進出圓筒之一活塞係經由一樞轉接頭而耦合至軸。以此方式，致動圓筒以旋轉軸。通常，圓筒係耦合至接頭54處或接頭54附近之框架。圓筒與活塞之組合可為此項技術中已知之一電動線性致動器或此項技術中已知之一氣動驅動子系統。參閱2010年5月10日申請之題為HULL ROBOT STEERING SYSTEM之本發明申請人之共同待審申請案(代理檔案號RAY-232J(09-0497))。
然而，可存在其他機器人驅動/轉向子系統。例如，可使用兩個磁軌，且接著可藉由以不同於另一軌道之一速度操作一軌道而轉向。亦參閱以引用方式併入本文中之專利申請案第12/313,643號、第12/583,346號及第12/587,949號。
圖2之導航子系統60經由導航處理器62而將一輸出提供至驅動子系統22以控制機器人之向前及向後移動並使船殼上之機器人轉向。可將機器人之導航子系統60以及其他電子子系統收容在圖1之密封外殼13中。
通常，裝載於機器人10上之感測器子系統66包含一多軸感測系統(諸如由Systron Donner、Analog Devices、MicroStrain及Gladiator Technologies提供)。因為機器人與船殼兩者在移動，所以感測器子系統66將反映船殼上之結合機器人之移動與船殼本身之移動的資料輸出至導航處理器62。
為此，存在用於測定船移動之構件，例如經由接收器72而將船移動資料傳送至導航子系統處理器62之一船上多軸感測系統70。接著，處理器62係經組態(例如經程式化)以自由感測器子系統66獲得之資料(反映結合機器人移動與船移動之資料)扣除或消去船移動。因此獲取僅與機器人在船殼上之移動有關之資料。可基於機器人之移動資料而確定機器人在船殼上之位置。
在另一實例中，處理器62係經程式化以控制驅動子系統22以週期性停止船殼上之機器人。接著，感測器子系統66之輸出為僅與船之移動有關之資料。可將此資料儲存在記憶體74中。當機器人再次在船殼上操縱時，自感測器子系統66之輸出扣除此資料以推導出與機器人之移動有關之資料。
因此，當機器人不移動時，用於測定船移動之構件可包含一船上感測子系統70及/或機器人之感測器子系統66。在一實例中，船移動資料可由子系統70與子系統66兩者輸出且經比較以確認兩子系統並補償該兩個子系統之間之任何誤差或差值。通常，大船之週期移動不會頻繁改變，所以僅需週期性更新儲存在記憶體74中之船移動資料。
為提供校正資料，通常亦提供定位子系統78以更精確地測定機器人在船殼上之位置。在一實例中，定位子系統78包含船上之兩個隔開傳送器，各傳送器將可由導航處理器62唯一識別之信號傳送至機器人接收器72。接著，導航處理器62係經程式化以使用三角量測技術來測定機器人相對於位置已知之該兩個傳送器的一位置定位。因此，測定機器人之位置並將其儲存在記憶體74中。接著，感測器子系統66測定機器人之移動(如上所述)並基於機器人之位置定位資料及移動而計算機器人之位置。
通常，當船殼上之機器人10位於吃水線上方使得RF傳輸可被使用時，將來自定位子系統78之定位資料及來自多軸感測子系統70之船移動資料提供至機器人10之接收器72。因此，導航處理器62係經組態以週期性控制驅動子系統22以操縱機器人位於吃水線上方。可包含壓力感測器80以確認機器人係在吃水線上方。
通常，記憶體74亦包含與船殼之構形及機器人環繞船殼之一輸入期望移動路徑有關之資料。接著，導航處理器62控制驅動子系統22以基於此資料及機器人移動之推導值而沿該期望移動路徑操縱機器人環繞船殼。
例如，假定在時間T1 ，定位資料指示機器人係位於船殼上之位置Xn 、Yn 及Zn 處。所儲存之機器人所欲移動路徑使機器人沿期望移動路徑而首先移動至位置X1 、Y1 及Z1 。
機器人之位置Xn 、Yn 及Zn 可被表示為Ro 、Φo 及θo ，且X1 、Y1 及Z1 可被表示為點P(R1 、Φo 及θo )。當機器人沿船殼橫向移動至位置P時，圖2之測距計82測定R且感測器子系統66測定機器人與船兩者之Φ及θ。導航處理器62自此結合資料扣除船之移動並測定機器人之Φ及θ。
機器人係程式化以經由儲存在記憶體74中之期望移動路徑而以角Φ及θ、沿船殼橫向移動一距離R。接著，導航處理器62基於感測器子系統66及測距計82之輸出而將航向修正量發送至驅動子系統22。
如圖3中所示，極座標系統或球面座標系統涉及與原點O之距離及兩個角θ及Φ。
點P之位置被描述為(r、Φ、θ)，其中r=與原點(O)之距離，Φ=沿逆時針方向之與X軸所成之XY面上所量測之水平方位角，及θ=自Z軸所量測之方位角。通常，經由上述定位子系統以至少先測定原點。
Φ之範圍為自0至2π(360°)，且θ之範圍為自0至π(180°)。
為將直角坐標變換為球面座標，且反之亦然，三角函數係用以建立變換方程式：
X1 =r sinθ cosφ　(1)
Y1 =r sinθ sinφ　(2)
Z1 =r cosθ　(3)
r=(X1 2 +Y1 2 +Z1 2 )1/2 　(4)
θ=tan-1 (Z1 /(X1 2 +Y1 2 )1/2 )　(5)
φ=tan-1 (Y1 /X1 )　(6)
在一極座標系統中，若機器人以一校正定位點Pf 為起點，則可由以上關係式測定任何量測位置r、θ、Φ或X、Y、Z。
在操作中，機器人通常將包含儲存在圖2之記憶體74中的船殼之一三維測繪。機器人將以圖3之一校正定位點Pf (Xn 、Yn 、Zn )為起點。使用記憶體中船殼之測繪且可量測θ、Φ或r，機器人沿一預規劃航向移動。當機器人沿船殼移動時，感測子系統66量測θ及Φ。測距計82量測r。比較此量測資料與使用者輸入之規劃位置(例如機器人之期望移動路徑)。若存在一偏差，則以可用以下極座標表示之該偏差修正航向：
P規劃 (r、Φ、θ)-P量測 (r、Φ、θ)=航向修正量(r、Φ、θ)(7)
P規劃 (r、Φ、θ)為沿輸入期望移動路徑之機器人之所在位置且P量測 (r、Φ、θ)為實際量測位置，兩者均參考相同起點(Xn 、Yn 、Zn )。使用以上變換方程式，亦可以直角坐標表示航向修正方程式。
因為機器人將基於具有相對於X軸、Y軸、Z軸之角移動的一移動平臺而導航，所以機器人通常將必須測定該平臺之此角移動使得此移動不影響實際位置之角量測值Φ及θ。
可以各種方式消除平臺之角移動。一方式為停止機器人、量測此角移動並將其儲存。在機器人再次開始移動之後，可扣除無用之角移動。另一方式為包含位於移動平臺上之一多軸感測系統70，其用以連續量測平臺之角移動並將此資訊遠距離地提供至機器人(如圖2中所示)。接著，處理器62可在其計算一航向修正量之前扣除無用之角移動。無論何種情況，均可藉由三維向量減法而完成扣除。
作為操作之一實例，假定機器人係沿圖4中所示之預規劃航向，開始於已知位置(0、0、0)且移動向期望位置(0、2、4)。在此路徑中，X總是為零且機器人僅沿Z方向及Y方向移動。假定當機器人自(0、0、1)移動至(0、0、2)時，其可能最終停於位置(0.5、0、2)處。
圖2之多軸感測系統66即時量測繞各軸之角旋轉，且將角資訊轉化成θ及φ。在以上X總是為零之例子中，不存在相對於Z軸之角旋轉且φ=90°。只要Y為零(0)，則角θ=0°。當Y大於零時，θ將於0°至90°之間變動。由以上方程式(1)至(3)推導出量測資料，其中θ及φ係由多軸感測系統66提供且r係由測距計82提供。
若路徑係偏斜，則機器人係在位置(0.5、0、2)處而非在期望位置(0、0、2)處。導航之多軸感測系統正量測相對於Z軸之角旋轉且此時之角θ小於90°。導航處理器將修正機器人之路徑航向，直至X再次為零。此程序連續監測期望位置並比較其與實際位置，且進行航向調整直至：
(x、y、z)規劃 -(x、y、z)量測 =0　(8)
或
P規劃 (r、Φ、θ)-P量測 (r、Φ、θ)=0　(9)
在一些操作條件下，機器人將在遭受海況之一船上移動及導航。如圖5中所示，海況將導致船上下顛簸、左右搖晃及縱向偏搖。
船之移動將導致圖2之裝載於機器人上之多軸感測系統66報告機器人與船之兩者之移動。為保持機器人之導航精度，需分析及消除船之移動。
若一多軸感測系統70係安置在船上，則當船上下顛簸、左右搖晃及縱向偏搖時，該多軸感測系統將量測繞各軸之角旋轉(以度/秒為單位)。接著，如圖2中所示，可將此資訊傳送至機器人(例如當機器人接收定位資料時)，其中將分析船之移動並自裝載於機器人上之報告角旋轉消除船之移動。例如，若船之移動導致以下角旋轉：
X軸=0.1度/秒，Y軸=0.01度/秒，Z軸=0度/秒　(10)
則一給定點處之機器人之速度及航向應具有角旋轉：
X軸=0.0度/秒，Y軸=0.05度/秒，Z軸=0度/秒　(11)
在此實例中，假定船及機器人之角移動係沿相同方法，則由機器人量測之組合角移動為：
X軸=0.1度/秒，Y軸=0.06度/秒，Z軸=0度/秒　(12)
接著，將自方程式(11)中所示之期望角移動量扣除船移動。
一替代方法為使機器人週期性停止移動。當機器人不移動時，機載多軸感測系統66將僅量測船之移動。接著，此移動可被歸零或儲存，且當機器人被導航環繞船殼時扣除此移動。
在此例子中，如上所述之船之移動為：
X軸=0.1度/秒，Y軸=0.01度/秒，Z軸=0度/秒(13)
且該移動將被歸零或經由機器人之導航量測系統而校正。
圖6描繪一例示性子系統之操作。機器人係在船殼上之位置Xn 、Yn 處(通常在吃水線上方)，且傳送器100a及100b係固定在船殼上之已知位置處。傳送器100a與100b之間之距離a為一已知值。距離b及d係取決於以下計算式：
距離a為X3 -X1 。
距離b及d係取決於：當時間t=t0 時，裝載於機器人上之頻率源傳送F3T信號；當時間t=t0 +t1F1R 時，F1R接收F3T信號；當時間t=t0 +t1F2R 時，F2R接收F3T信號；當時間t=t0 +t1F1R +t2F1T 時，F1T傳送一信號；當時間t=t0 +t1F2R +t2F2T 時，F2T傳送一信號；當時間t=t0 +t1F1R +t2F1T +t2F3R 時，F3R接收F1T信號；及當時間t=t0 +t1F2R +t2F2T +t2F3R 時，F3R接收F2T信號。
因此，
b=[(t0 +t1F1R +t2F1T +t2F3R )/2]c，及
d=[(t0 +t1F2R +t2F2T +t2F3R )/2]c
C=光速
如圖7中所示，每當機器人到達表面時，自機器人(圖2之裝載於機器人上之傳送器73)發出一頻率音調以導致船殼上之頻率源自船殼上之已知位置各傳送一唯一頻率。接著，無線三角量測法係用以更精確地測定機器人在船殼上之位置。接著，機器人之已知(校正)位置定位為一所儲存之預規劃清潔路徑之起點。當機器人沿船殼橫向移動時，圖2之感測器66及測距計82使用上述演算法來連續量測機器人之位置。當機器人沿圖7中所描繪之清潔路徑110而自船首移動至船尾時，重複此程序。
圖8顯示自如122處所示之機器人移動資料(亦包含用於圖2之感測器子系統66之輸出的如上所述之船移動資料)所扣除之120處的船移動資料(例如基於圖2之感測子系統70)。如124處所示之消除船移動且亦基於自圖2之測距計82輸出之移動距離，圖8中之126處顯示機器人之量測位置。
圖9顯示圖2之兩感測器子系統66與70之典型輸出，在此實例中為全部三軸之旋轉速率127、加速度128及全部三軸之角129。
在一較佳實施例中，如圖10之130所示，結合來自船殼上之導航傳送器100之資料及來自裝載於船殼之角感測器及加速度感測器的資料，並經由傳送器140而傳送該結合資料。裝載於機器人上之接收器72及傳送器73(或替代地，一傳送器/接收器組合或收發器)將此資料提供至導航處理器62。導航處理器62使用來自感測器子系統66及測距計82之資料以及船殼測繪資料及機器人之所欲規劃路徑(如74所示)以控制驅動/轉向子系統。
因此，導航處理器62之操作包含基於儲存在記憶體74中之資料以及亦儲存在記憶體74中之一使用者測定路徑而測定一預規劃清潔或檢查線路(圖12之步驟150)。基於上述三角量測技術而測定一校正參考點，如步驟152所示。導航處理器62控制驅動子系統以基於航位推測步驟154而導航機器人。在步驟156中，自機載感測器子系統之輸出資料扣除船之移動，在消除船之移動後，導航處理器62在步驟158組合經由測距計82而量測之移動距離而測定機器人之位置並將所需航向修正量提供至一驅動子系統。
以此方式，分析船殼上機器人之位置轉移且藉由週期性地操縱機器人移動至船殼上之一位置以接收位置定位校正資料而解決導航子系統中之固有誤差。為分析航行中之船之移動，機器人係亦經程式化以自其導航計算結果扣除船之移動。以此方式，可測定機器人離開位置校正定位點後之船殼上之機器人之位置。因此獲取一低成本低電力之導航子系統。
雖然在一些圖式中顯示本發明之若干特定特徵而在其他圖式中沒有顯示，但此僅為了便利，因為各特徵可與根據本發明之任何或全部其他特徵組合。如本文中所使用，應廣義且包容性地解譯用語「包含」、「包括」、「具有」及「有」且不應將其等限制於任何實體互連。再者，不應將本申請案中所揭示之任何實施例視為僅有可能之實施例。
另外，本專利之專利申請案之審查期間出現之任何修改並非如申請之申請案中所呈現之任何請求項要素之拒絕：無法合理預期熟習此項技術者撰寫將在字面上涵蓋全部可能等效物之一請求項，諸多等效物在修改時將不可預知且超出待放棄者(若有)之一合理解譯，修改中所隱含之邏輯依據與諸多等效物僅略微相關(tangential relation)，及/或存在無法預期申請人描述經修改之任何請求項要素之某些想像替代項的諸多其他理由。
熟習技術者將想到其他實施例且該等實施例係在以下申請專利範圍內。
10．．．機器人
12．．．機器人主體
13．．．密封外殼
14a．．．渦輪進水口
14b．．．渦輪進水口
16a．．．清潔刷
16b．．．清潔刷
16c．．．清潔刷
17．．．馬達
22．．．驅動系統/驅動子系統
24．．．轉台
26a．．．渦輪
26b．．．渦輪
28a．．．發電機
28b．．．發電機
30．．．馬達
32．．．蝸輪
34．．．周邊齒輪
40．．．框架
42a．．．側壁
42b．．．側壁
44a．．．端壁
44b．．．端壁
48a．．．軸
48b．．．軸
50a．．．第一框架部分
50b．．．第二框架部分
52a．．．輪子
52b．．．輪子
52c．．．輪子
52d．．．輪子
54．．．接頭
56．．．間隙
58．．．頂壁
60．．．致動器子系統/導航子系統
62．．．導航處理器
66．．．感測器子系統
70．．．多軸慣性感測子系統
72．．．接收器
72a．．．框架側壁
73．．．傳送器
74．．．記憶體
78．．．定位子系統
80．．．壓力感測器
82．．．測距計
100．．．傳送器
100a．．．傳送器
100b．．．傳送器
110．．．清潔路徑
120．．．船移動資料
122．．．機器人移動資料
127．．．旋轉速率
128．．．加速度
129．．．角
140．．．傳送器
圖1係顯示根據本發明之一船殼機器人之一實例的一示意仰視圖；
圖2係顯示與用於一船殼機器人之一導航子系統相關聯之主要組件的一方塊圖；
圖3係根據本發明之一空間點距離一原點之座標之測定方法之一描述；
圖4A至圖4B係顯示如何根據本發明而測定船之移動的若干曲線圖；
圖5係顯示一船之移動的一示意描述；
圖6係顯示如何根據本發明而測定一機器人之位置定位的一描述；
圖7係顯示船殼上之一機器人位於吃水線上方之適當位置以接收位置定位資料的一視圖；
圖8係描繪涉及藉由自結合機器人移動與船移動兩者之感測器子系統之輸出資料消去所測定之船移動而測定一機器人在船殼上之位置之主要步驟的一流程圖；
圖9係顯示用在本發明之一實例中之一慣性感測器之輸出的一視圖；
圖10係描繪與根據本發明之一導航子系統相關聯之位於船殼上之主要組件的一方塊圖；
圖11係顯示一實例中之根據本發明之裝載於機器人上之主要導航子系統組件的一方塊圖；及
圖12係描繪根據本發明之一實例之導航處理器之程式化之操作及與導航處理器之程式化相關聯之主要步驟的一流程圖。
10．．．機器人
12．．．機器人主體
13．．．密封外殼
14a．．．渦輪進水口
14b．．．渦輪進水口
16a．．．清潔刷
16b．．．清潔刷
16c．．．清潔刷
17．．．馬達
22．．．驅動系統/驅動子系統
24．．．轉台
26a．．．渦輪
26b．．．渦輪
28a．．．發電機
28b．．．發電機
30．．．馬達
32．．．蝸輪
34．．．周邊齒輪
40．．．框架
42a．．．側壁
42b．．．側壁
44a．．．端壁
44b．．．端壁
48a．．．軸
48b．．．軸
50a．．．第一框架部分
50b．．．第二框架部分
52a．．．輪子
52b．．．輪子
52c．．．輪子
52d．．．輪子
54．．．接頭
56．．．間隙
58．．．頂壁
60．．．致動器子系統/導航子系統
72a．．．框架側壁

Claims (32)

  1. 一種船殼機器人導航子系統，其包括：裝載於該機器人上之一驅動子系統，其用於驅動及操縱該機器人環繞船殼；裝載於該機器人上之一感測器子系統，其輸出結合機器人移動與船移動之資料；裝載於該機器人上之一記憶體，其包含與該船殼之構形及該機器人之一期望移動路徑有關之資料；一定位子系統，其將位置定位資料傳達至該機器人；用於測定船移動之構件；及一導航處理器，其裝載於該機器人上並對該記憶體資料、該感測器子系統、該位置定位資料及用於測定船移動之該構件作出回應，該導航處理器經組態以：藉由自結合機器人移動與船移動兩者之該感測器子系統輸出資料消去所測定之船移動而測定該機器人在該船殼上之位置，及控制該驅動子系統以基於該定位資料、該船殼之構形、該機器人之該期望移動路徑及該機器人在船殼上之該測定位置而操縱該船殼上之機器人。
  2. 如請求項1之船殼機器人導航子系統，其中該導航處理器係經進一步組態以控制該驅動子系統以週期性地操縱機器人位於吃水線上方以接收該位置定位資料。
  3. 如請求項2之船殼機器人導航子系統，其中該機器人進一步包含用於偵測該機器人何時位於吃水線上方的一壓 力感測器。
  4. 如請求項2之船殼機器人導航子系統，其中該定位子系統包含至少兩個船殼傳送器及自該至少兩個船殼傳送器接收傳輸之裝載於該機器人上之一接收器，該導航處理器對該接收器作出回應且經組態以基於由該至少兩個船殼傳送器傳送之該等傳輸、藉由三角量測法而測定機器人之位置定位資料。
  5. 如請求項1之船殼機器人導航子系統，其中用於測定船移動之該構件包含：一船上多軸感測子系統，其輸出表示該船之移動的資料；一船上傳送器，其用於傳送該資料；及一機器人上接收器，其用於接收該資料。
  6. 如請求項1之船殼機器人導航子系統，其中用於測定船移動之該構件包含裝載於該機器人上之該感測器，當該機器人不移動時該感測器僅輸出船移動資料，該導航處理器經組態以週期性停止機器人之移動以獲取該船移動資料。
  7. 如請求項1之船殼機器人導航子系統，其中裝載於該機器人上之該感測器子系統進一步包含用於測定該機器人之移動距離的一測距計。
  8. 如請求項1之船殼機器人導航子系統，其中該感測器子系統係經組態以輸出繞複數個軸之若干角旋轉及相對於複數個軸之若干方位角。
  9. 一種船殼機器人導航子系統，其包括：裝載於該機器人上之一驅動子系統，其用於驅動該機 器人環繞船殼；裝載於該機器人上之一感測器子系統，其輸出機器人移動資料；裝載於該機器人上之一記憶體，其包含與該船殼之構形及該機器人之一期望移動路徑有關之資料；一定位子系統，其將位置定位資料傳達至該機器人；及一導航處理器，其裝載於該機器人上且對該記憶體資料、該感測器子系統及該位置定位資料作出回應，該導航處理器經組態以：測定船移動之構件，且該導航處理器係經組態以藉由自該感測器子系統之輸出消去所測定之船移動而測定該機器人在該船殼上之位置，及控制該驅動子系統以基於該定位資料、該船殼之構形、該機器人之該期望移動路徑及該機器人在該船殼之該測定位置而操縱該船殼上之該機器人。
  10. 如請求項9之船殼機器人導航子系統，其中該導航處理器係經進一步組態以控制該驅動子系統以週期性地操縱該機器人位於該吃水線上方以接收該位置定位資料。
  11. 如請求項10之船殼機器人導航子系統，其中該機器人進一步包含用於偵測該機器人何時位於該吃水線上方的一壓力感測器。
  12. 如請求項9之船殼機器人導航子系統，其中該定位子系統包含至少兩個船殼傳送器及自該至少兩個船殼傳送器 接收傳輸之裝載於該機器人上之一接收器，該導航處理器對該接收器作出回應且經組態以基於由該至少兩個船殼傳送器傳送之該等傳輸、藉由三角量測法而測定機器人之位置定位資料。
  13. 一種船殼機器人導航子系統，其包括：裝載於該機器人上之一驅動子系統，其用於驅動該機器人環繞該船殼；裝載於該機器人上之一感測器子系統，其輸出結合機器人移動與船移動之資料；裝載於該機器人上之一記憶體，其包含與該船殼之構形及該機器人之一期望移動路徑有關之資料；用於測定船移動之構件；及一導航處理器，其裝載於該機器人上且對該記憶體資料、該感測器子系統及用於測定船移動之該構件作出回應，該導航處理器經組態以：藉由自結合機器人移動與船移動兩者之該感測器子系統輸出資料消去所測定之船移動而測定該機器人在該船殼上之位置，及控制該驅動子系統以基於該船殼之構形、該機器人之該期望移動路徑及該機器人在該船殼上之該測定位置而操縱該船殼上之該機器人。
  14. 如請求項13之船殼機器人導航子系統，其進一步包含將位置定位資料傳達至該機器人之一定位子系統，裝載於該機器人上之該導航處理器對該位置定位資料作出回應 且經進一步組態以控制該驅動子系統以基於該定位資料而操縱該船殼上之該機器人。
  15. 如請求項14之船殼機器人導航子系統，其中該導航處理器係經進一步組態以控制該驅動子系統以週期性地操縱該機器人位於該吃水線上方以接收該位置定位資料。
  16. 如請求項15之船殼機器人導航子系統，其中該機器人進一步包含用於偵測該機器人何時位於該吃水線上方的一壓力感測器。
  17. 如請求項14之船殼機器人導航子系統，其中該定位子系統包含至少兩個船殼傳送器及自該至少兩個船殼傳送器接收傳輸之裝載於該機器人上之一接收器，該導航處理器對該接收器作出回應且經組態以基於由該至少兩個船殼傳送器傳送之該等傳輸、藉由三角量測法而測定機器人之位置定位資料。
  18. 如請求項13之船殼機器人導航子系統，其中用於測定船移動之該構件包含：一船上多軸感測子系統，其輸出表示該船之移動的資料；一船上傳送器，其用於傳送該資料；及一機器人上接收器，其用於接收該資料。
  19. 如請求項13之船殼機器人導航子系統，其中用於測定船移動之該構件包含裝載於該機器人上之該感測器，當該機器人不移動時該感測器僅輸出船移動資料，該導航處理器經組態以週期性停止該機器人之移動以獲取該船移動資料。
  20. 如請求項13之船殼機器人導航子系統，其中裝載於該機 器人上之該感測器子系統進一步包含用於測定該機器人之移動距離的一測距計。
  21. 如請求項13之船殼機器人導航子系統，其中該感測器子系統係經組態以輸出繞複數個軸之若干角旋轉及相對於複數個軸之若干方位角。
  22. 一種船殼機器人導航子系統，其包括：裝載於該機器人上之一驅動子系統，其用於驅動該機器人環繞該船殼；裝載於該機器人上之一感測器子系統，其輸出結合機器人移動與船移動之資料；一定位子系統，其將位置定位資料傳達至該機器人；用於測定船移動之構件；及一導航處理器，其裝載於該機器人上且對該感測器子系統、該位置定位資料及用於測定該船移動之該構件作出回應，該導航處理器經組態以：藉由自結合機器人移動與船移動兩者之該感測器子系統輸出資料消去所測定之船移動而測定該機器人在該船殼上之位置，及控制該驅動子系統以基於該定位資料及該機器人在該船殼上之該測定位置而操縱該船殼上之該機器人。
  23. 如請求項22之船殼機器人導航子系統，其進一步包含裝載於該機器人上之一記憶體，該記憶體包含與該船殼之構形及該機器人之一期望移動路徑有關之資料，該導航處理器對該記憶體資料作出回應且經組態以控制該驅動 子系統以基於該船殼之構形及該機器人之該期望移動路徑而操縱該機器人。
  24. 一種船殼機器人導航方法，其包括：感測機器人移動及船移動；儲存與該船殼之構形及該機器人之一期望移動路徑有關之資料；將位置定位資料傳達至該機器人；測定船移動；藉由自所感測之機器人移動與船移動消去船移動而測定該船殼上之機器人移動；及基於該定位資料、該船殼之該儲存構形、該機器人之所儲存之期望移動路徑及所測定之機器人移動而操縱該船殼上之該機器人。
  25. 如請求項24之船殼機器人導航方法，其進一步包含週期性地操縱該機器人位於該吃水線上方以接收該位置定位資料。
  26. 如請求項25之船殼機器人導航方法，其進一步包含感測壓力以偵測該機器人何時位於該吃水線上方。
  27. 如請求項25之船殼機器人導航方法，其中傳達定位資料包含安裝至少兩個船殼傳送器及基於由該至少兩個船殼傳送器傳送之傳輸、藉由三角量測法而測定機器人之位置定位資料。
  28. 如請求項24之船殼機器人導航方法，其中測定船移動包含安裝輸出表示該船移動之資料並將該資料傳送至該機 器人之一船上多軸感測子系統。
  29. 如請求項24之船殼機器人導航方法，其中測定船移動包含週期性停止該機器人之移動以獲取船移動資料。
  30. 如請求項24之船殼機器人導航方法，其中感測機器人移動包含測定該機器人之移動距離。
  31. 一種船殼機器人導航方法，其包括：感測結合機器人移動與船移動之資料；將位置定位資料傳達至機器人；測定船移動；藉由自結合機器人移動與船移動兩者之該資料消去船移動而測定該船殼上之機器人移動；及基於該定位資料及該機器人在該船殼上之該測定位置而操縱該船殼上之該機器人。
  32. 如請求項31之船殼機器人導航方法，其進一步包含基於一儲存之船殼構形資料及該機器人之一期望移動路徑而操縱該機器人。
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