于朋濤，施鑫煜，卓宏明

（浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山316021）

1 設(shè)計(jì)背景

海洋運(yùn)輸是現(xiàn)代對(duì)外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易發(fā)展的基石，大型海洋運(yùn)輸船舶作為海運(yùn)事業(yè)的主要工具，做好船舶維修防護(hù)工作，保障船舶運(yùn)輸安全是保證海運(yùn)事業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的基礎(chǔ)。因工作條件的特殊性，大型海洋運(yùn)輸船舶長期處于高腐蝕性環(huán)境中，海水的鹽度、鹽霧、海面水汽以及溫度等因素都促使船體和船上設(shè)備處于較高腐蝕速率狀態(tài)。腐蝕損傷不僅會(huì)降低船舶結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，還會(huì)影響船舶上設(shè)施設(shè)備的正常使用，直接影響到船舶的安全性和可靠性[1]。

為應(yīng)對(duì)腐蝕威脅，在腐蝕損傷出現(xiàn)初期，能及時(shí)確定腐蝕位置并采取強(qiáng)有力的腐蝕處理與控制措施從而使腐蝕處于可控狀態(tài)，對(duì)保證船舶結(jié)構(gòu)和設(shè)備安全性就顯得非常重要。根據(jù)船舶的腐蝕預(yù)防控制工藝要求，確定具體腐蝕位置后，完全清除腐蝕產(chǎn)物和腐蝕痕跡，然后視情況噴涂防腐涂層以形成對(duì)腐蝕部位的防護(hù)。因大型船舶外部船體和甲板上層建筑高度的限制，現(xiàn)階段的腐蝕部位檢查、腐蝕打磨和防腐涂層的噴覆工作通常需要搭設(shè)大型梯架或者通過大型吊車吊掛吊籃的方式人工進(jìn)行，不僅花費(fèi)時(shí)間和資金巨大，工作效率低，此外腐蝕打磨和防腐油漆噴涂工作對(duì)人體健康危害性較大，高空作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)高，環(huán)境危害大[2]。

為了解決以上問題，基于無人機(jī)操作簡(jiǎn)便、可靠性高、抗風(fēng)能力強(qiáng)、可空中精確懸停等優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)一款大型船舶腐蝕檢修無人機(jī)，在無人機(jī)平臺(tái)搭載不同的工作模塊，可實(shí)現(xiàn)大范圍的船舶腐蝕部位檢查、重點(diǎn)腐蝕區(qū)域的腐蝕產(chǎn)物和腐蝕痕跡清除以及防腐劑噴覆功能，具有成本低、便捷、高效和環(huán)境適應(yīng)好等優(yōu)勢(shì)。

2 船舶腐蝕檢修無人機(jī)的整體設(shè)計(jì)

本方案設(shè)計(jì)的船舶腐蝕檢修無人機(jī)是由同一個(gè)無人機(jī)平臺(tái)分別搭載3個(gè)工作模塊——腐蝕檢查模塊、腐蝕打磨模塊和防腐涂層噴涂模塊分別執(zhí)行智能腐蝕檢查功能，環(huán)保腐蝕打磨功能以及高效涂層噴敷功能，從而實(shí)現(xiàn)通過在單一無人機(jī)平臺(tái)上搭載不同的工作模塊，執(zhí)行完整的船舶腐蝕檢修功能，如圖1所示。

圖1 船舶腐蝕檢修無人機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 無人機(jī)平臺(tái)

基于工作性質(zhì)的任務(wù)要求，無人機(jī)平臺(tái)需具有機(jī)體尺寸較大、載重能力強(qiáng)、飛行穩(wěn)定可靠、可進(jìn)行飛行航線規(guī)劃等特性，與行業(yè)內(nèi)成熟應(yīng)用的植保機(jī)特性相似。因此本設(shè)計(jì)的飛行平臺(tái)借鑒了植保機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，飛行平臺(tái)為6軸式、短機(jī)臂以及長螺旋槳直徑的設(shè)計(jì)，既降低了自身質(zhì)量，又保證了充足的載重余量，最大軸距1800mm，最大載重為20kg，并配備可收放式腳架；在原來無人機(jī)基本機(jī)體構(gòu)造的基礎(chǔ)上，為了便于安裝及更換不同的任務(wù)模塊，對(duì)無人機(jī)電池下底板處進(jìn)行加固改裝并增加快拆機(jī)構(gòu)，每個(gè)模塊的盒體上方設(shè)置配套的安裝扣，根據(jù)實(shí)際工作需求可快速更換無人機(jī)底板上搭載的工作模塊；在滯空時(shí)間方面，配備18000mAh電池時(shí)，可空載飛行約25min。

在飛行穩(wěn)定性方面，標(biāo)配D-RTK，可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位功能，具有較強(qiáng)的抗風(fēng)性能；在飛行可靠性方面，搭載全向數(shù)字雷達(dá)系統(tǒng)，可對(duì)全向障礙物進(jìn)行識(shí)別并將障礙數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳，同時(shí)具備自動(dòng)繞障及仿地飛行功能，具有優(yōu)異的船舶上層結(jié)構(gòu)適應(yīng)性，可充分保障作業(yè)安全，此外雷達(dá)運(yùn)作不受環(huán)境光線及塵土影響，可全天候感知飛行環(huán)境[3]；無人機(jī)還配備由云臺(tái)搭載的實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控系統(tǒng)，確保地面人員可以對(duì)飛機(jī)周邊環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)感知。

為了提高無人機(jī)工作效率增加滯空作業(yè)時(shí)間，在無人機(jī)的機(jī)載電源上增加降壓/穩(wěn)壓以及濾波功能模塊，使無人機(jī)具有系留供電功能。系留供電系統(tǒng)可以將地面交流電由整流模塊整流為直流電后通過系纜傳輸?shù)綑C(jī)載電源模塊，變換為無人機(jī)以及任務(wù)載荷的供電電源，彌補(bǔ)無人機(jī)機(jī)載電池供電時(shí)間短的缺陷。無人機(jī)本身搭載的電池可作為應(yīng)急情況下的備用電源，在出現(xiàn)應(yīng)急情況時(shí)，可通過機(jī)載電池實(shí)現(xiàn)應(yīng)急返航或著陸。在機(jī)載供電的基礎(chǔ)上，增加系留供電功能，滿足大型船舶腐蝕檢修過程中長時(shí)間工作的要求。本方案設(shè)計(jì)的無人機(jī)搭載的變壓整流模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 無人機(jī)變壓整流模塊設(shè)計(jì)

2.2 地面控制中心

基于大型船舶上層建筑復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件，腐蝕檢修無人機(jī)的大部分作業(yè)時(shí)間是在目視范圍之外完成的，為了更高效、安全地控制無人機(jī)執(zhí)行飛行作業(yè)，在遙控操作的基礎(chǔ)上增加了地面控制中心裝置。針對(duì)飛行平臺(tái)的飛行控制，操控人員將船舶的三維結(jié)構(gòu)信息導(dǎo)入地面控制中心，將船舶結(jié)構(gòu)尺寸整合到無人機(jī)三維飛行坐標(biāo)系中，按照重點(diǎn)檢查部位關(guān)系合理編制航線規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)檢查過程的智能化飛行。飛行過程中平臺(tái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過下行數(shù)據(jù)鏈回傳進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)控人員與飛行操作人員分工協(xié)作，有效處理突發(fā)事件。

此外，地面控制中心還可以接收各個(gè)功能模塊回傳的工作數(shù)據(jù)，監(jiān)控人員根據(jù)回傳數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控并視情調(diào)整作業(yè)任務(wù)。工作圖像和數(shù)據(jù)自動(dòng)導(dǎo)入控制中心運(yùn)算服務(wù)器備份存儲(chǔ)并進(jìn)行進(jìn)一步的分析檢測(cè)。

2.3 腐蝕檢查模塊

在無人機(jī)平臺(tái)的下底板通過快拆結(jié)構(gòu)掛載一個(gè)二軸增穩(wěn)云臺(tái)，云臺(tái)下掛載增強(qiáng)機(jī)器視覺系統(tǒng)，包括照明、鏡頭、相機(jī)等功能模塊，同時(shí)安裝有5G信號(hào)傳輸設(shè)備實(shí)現(xiàn)高清圖像及時(shí)傳輸。無人機(jī)在執(zhí)行腐蝕檢查功能時(shí)，利用機(jī)載圖像采集系統(tǒng)按照規(guī)劃的檢查路徑或者根據(jù)地面操控人員指令對(duì)擬巡檢區(qū)域進(jìn)行全景拍攝，實(shí)時(shí)采集圖像內(nèi)容。云臺(tái)不僅能夠降低相機(jī)抖動(dòng)，同時(shí)還能補(bǔ)償飛行姿態(tài)的變化，增強(qiáng)圖像信息的穩(wěn)定性。

5G信號(hào)傳輸設(shè)備將采集的高清圖像下傳到地面控制中心。船舶檢驗(yàn)人員可以在任意場(chǎng)景下，在終端觀看通過5GCPE接收到的高清VR全景信號(hào)呈現(xiàn)的清晰實(shí)時(shí)內(nèi)容，根據(jù)檢查經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行腐蝕損傷判斷并進(jìn)行重點(diǎn)標(biāo)記。此外，圖像信號(hào)也同時(shí)到傳送給地面圖像處理系統(tǒng)，進(jìn)行全景影像處理，檢測(cè)軟件系統(tǒng)根據(jù)影像目標(biāo)特征進(jìn)行檢測(cè)、分析、計(jì)算然后自動(dòng)打印輸出本次飛行的檢測(cè)結(jié)果。同時(shí)基于積累的目標(biāo)特征數(shù)據(jù)庫進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)深度開發(fā)，通過大數(shù)據(jù)功能使機(jī)器視覺系統(tǒng)更加智能，逐步提高檢測(cè)效率和準(zhǔn)確性。檢測(cè)軟件作為人工目視檢測(cè)的補(bǔ)充，可以大大降低檢測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高檢測(cè)效率。

2.4 腐蝕打磨模塊

腐蝕打磨模塊由雙出軸電動(dòng)機(jī)、打磨軸回轉(zhuǎn)推進(jìn)控制機(jī)構(gòu)、小型伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)的打磨軸控制凸輪、柔性刀頭、粉塵回收裝置組成，如圖3所示。雙出軸電動(dòng)機(jī)可通過電子調(diào)速器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)右側(cè)輸出軸通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)打磨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，左側(cè)輸出軸通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)粉塵回收裝置內(nèi)部的吸塵器風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 腐蝕打磨模塊結(jié)構(gòu)示意圖

打磨軸回轉(zhuǎn)推進(jìn)控制機(jī)構(gòu)中的打磨軸采用滾珠花鍵軸式設(shè)計(jì)，雙出軸電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器連接外筒主體，外筒主體通過鋼球?qū)⑴ぞ貍鬟f到花鍵軸，花鍵軸一端連接凸輪，另一端為柔性磨輪端頭，如圖4所示。

圖4 滾珠花鍵軸設(shè)計(jì)示意圖

執(zhí)行打磨工作時(shí)，為克服空中無人機(jī)的定位誤差及大風(fēng)影響造成無人機(jī)與打磨面的距離變化，影響打磨效果，腐蝕打磨模塊設(shè)計(jì)有打磨軸伸長量智能控制模塊。無人機(jī)平臺(tái)打磨側(cè)安裝有超聲波傳感器，可以實(shí)時(shí)測(cè)量無人機(jī)與打磨部位的距離，單片機(jī)接收距離信號(hào)及其變化量后分析計(jì)算打磨軸伸長量，輸出控制信號(hào)控制推進(jìn)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，伺服電機(jī)帶動(dòng)的凸輪驅(qū)動(dòng)打磨軸伸出對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償量，通過回轉(zhuǎn)推進(jìn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在不影響打磨軸回轉(zhuǎn)的情況下伸出量實(shí)時(shí)控制。打磨軸伸長量的智能控制實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在空中出現(xiàn)小幅晃動(dòng)的情況下，磨輪刀頭能夠始終貼緊打磨面不會(huì)影響打磨效果，其工作流程如圖5所示。

圖5 打磨伸長量控制示意圖

打磨驅(qū)動(dòng)軸端部安裝有由彈性復(fù)位原件連接的柔性磨輪刀頭，可實(shí)現(xiàn)磨輪安裝板傾斜旋轉(zhuǎn)，從而使磨頭可以與傾斜面貼合，保證打磨效果。無人機(jī)平臺(tái)下底板掛載打磨粉塵回收裝置，在打磨頭旁邊設(shè)計(jì)有柔性喇叭口，電機(jī)帶動(dòng)回收裝置內(nèi)風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，打磨產(chǎn)生的粉塵由喇叭口吸入后通過導(dǎo)管進(jìn)入回收箱，實(shí)現(xiàn)打磨粉塵的回收。電機(jī)和粉塵回收箱放置在一個(gè)盒體內(nèi)，便于快速安裝到無人機(jī)底板。

2.5 防腐劑噴涂模塊

防腐噴涂模塊由涂料箱、齒輪泵、伺服電機(jī)、噴涂桿和可控噴頭等部件構(gòu)成，如圖6所示。伺服電機(jī)經(jīng)減速器及聯(lián)軸器與齒輪泵相連，可接收地面控制信號(hào)控制齒輪泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)自由調(diào)速，達(dá)到噴涂流量控制的目的。噴涂桿末端與噴頭的連接件為柔性可回轉(zhuǎn)件設(shè)計(jì)，由伺服舵機(jī)控制噴頭回轉(zhuǎn)方向。地面操作人員根據(jù)回傳的噴涂情況可遙控控制噴頭擺動(dòng)幅度及噴涂流量，確保防腐涂料噴敷的均勻性，達(dá)到良好的噴敷效果。機(jī)載涂料箱可一次裝載約15L防腐涂料，涂料箱、齒輪泵和電機(jī)放置在一個(gè)盒體內(nèi)，便于通過快拆機(jī)構(gòu)安裝到無人機(jī)下底板。

圖6 防腐噴涂模塊結(jié)構(gòu)示意圖

3 船舶腐蝕檢修無人機(jī)的特點(diǎn)

3.1 實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與5G+VR的融合設(shè)計(jì)

當(dāng)無人機(jī)搭載全景高清攝像頭對(duì)船體外部和甲板上層建筑進(jìn)行巡檢時(shí)，利用5G圖像傳輸技術(shù)，后臺(tái)多名技術(shù)人員可以以第一視角畫面看到、甚至“摸到”具體的腐蝕部位，提高了檢驗(yàn)效率和質(zhì)量，避免了單一檢查人員的人為疏忽。同時(shí)可將檢查圖像自動(dòng)進(jìn)行存檔保留，對(duì)重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域不同時(shí)間段的檢查圖像進(jìn)行對(duì)比，確定腐蝕發(fā)展過程，提升對(duì)腐蝕過程的認(rèn)識(shí)。此外，可以利用深度學(xué)習(xí)開發(fā)基于顏色和表面狀況特征以及單目視覺的檢測(cè)方法，利用人工智能實(shí)現(xiàn)腐蝕部位自主巡檢，進(jìn)一步提高檢測(cè)質(zhì)量和效率。

3.2 實(shí)現(xiàn)無人機(jī)+腐蝕打磨模塊融合設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的無人機(jī)可以搭載利用雙出軸電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)的打磨磨輪和吸塵器，在執(zhí)行腐蝕打磨的同時(shí)吸塵器可將打磨廢屑和粉塵吸入無人機(jī)搭載的收集箱，具有較好的環(huán)保性和環(huán)境友好性。此外，無人機(jī)上預(yù)留系留接口，當(dāng)執(zhí)行大范圍打磨工作時(shí)可利用地面電源供電，實(shí)現(xiàn)空中長時(shí)間停留，降低打磨成本，提高打磨效率。

3.3 實(shí)現(xiàn)無人機(jī)+防腐涂層噴涂模塊融合設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的無人機(jī)搭載的由齒輪泵驅(qū)動(dòng)的防腐涂層噴覆模塊，齒輪泵對(duì)防腐涂料做功增壓并進(jìn)行流量控制，噴涂噴頭可遙控轉(zhuǎn)向控制，實(shí)現(xiàn)防腐涂層噴覆功能。此外，防腐涂料箱預(yù)留外接接口，當(dāng)進(jìn)行長時(shí)間噴涂作業(yè)時(shí)，可通過地面?zhèn)鬏敼┝?，以?jié)省防腐劑地面充裝時(shí)間，增長空中停留時(shí)間。

3.4 實(shí)現(xiàn)基于無人機(jī)平臺(tái)+功能模塊的整體設(shè)計(jì)

上述3個(gè)功能模塊可利用快拆裝置分別搭載于同一無人機(jī)平臺(tái)上，可根據(jù)現(xiàn)實(shí)需要進(jìn)行功能快速切換，以增強(qiáng)設(shè)備適應(yīng)性，節(jié)約設(shè)備費(fèi)用，提高設(shè)備利用率。

4 船舶腐蝕檢修無人機(jī)的應(yīng)用前景

本文設(shè)計(jì)的船舶腐蝕檢修無人機(jī)可大幅提高腐蝕檢查效率，降低檢修成本，同時(shí)具有更好的環(huán)境適應(yīng)性?？蓮V泛應(yīng)用于大型遠(yuǎn)洋運(yùn)輸貨船在海上運(yùn)輸過程中的檢修，檢查船體周圍以及甲板上層建筑，當(dāng)發(fā)現(xiàn)重點(diǎn)區(qū)域發(fā)生腐蝕損傷后，可利用無人機(jī)平臺(tái)搭載打磨模塊進(jìn)行腐蝕清除及清除后檢查，并視情更換防腐噴涂模塊后進(jìn)行涂層噴覆。船舶修造企業(yè)當(dāng)需要執(zhí)行大范圍檢修時(shí)，可運(yùn)用無人機(jī)上的系留接口，由地面電源供電，提高無人機(jī)的滯空時(shí)間。