沈益駿,陳林,劉沖偉,李飛君,楊賽軍

(1.舟山海關(guān),浙江 舟山 316000;2.浙江海洋大學(xué) 東?？茖W(xué)技術(shù)學(xué)院,浙江 舟山 316000;3.煙臺檢驗認(rèn)證有限公司,山東 煙臺 264000)

水尺計重是當(dāng)今大宗散貨物資計量交接的主要方式。針對傳統(tǒng)水尺計重中受制風(fēng)浪等惡劣天氣影響導(dǎo)致水尺讀數(shù)不準(zhǔn)確、乘坐小船或爬繩梯觀測水尺效能低下、存在安全隱患,以及貨量計算速度慢等缺陷問題,有學(xué)者提出基于圖像處理的船舶水尺計重系統(tǒng)設(shè)計,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實現(xiàn)水尺數(shù)值化[1],但是此方法是對水尺圖像的后期處理,采集圖像仍是傳統(tǒng)攝像頭觀測模式。有學(xué)者提出無人機(jī)在水尺計重領(lǐng)域的應(yīng)用[2],雖然無人機(jī)迅速得到普及,但是單價仍較高,抗風(fēng)等級差,惡劣天氣無法使用,目前僅限特定場景使用。在以往的研究中,無人機(jī)、基于圖像處理技術(shù)[3]等目前仍是傳統(tǒng)水尺計重方式的一種補充和方式、方法的拓展,難以完全取代。為解決水尺計重作業(yè)受制惡劣天氣、無人機(jī)應(yīng)用及圖像處理軟件實用性不強、重復(fù)開發(fā)投入大等問題,研制一種船舶水尺計重用機(jī)器人(以下簡稱“機(jī)器人”)。

1 設(shè)計原理與方法

船舶水尺計重用機(jī)器人工作原理見圖1。其主要由消除波浪影響的裝置、攝像及圖片處理一體化裝置、磁吸式履帶機(jī)器人機(jī)體3部分構(gòu)成,見圖2。

圖1 測量機(jī)器人工作原理

圖2 水尺機(jī)器人實物

實現(xiàn)水尺計重作業(yè)主要分3個步驟。

1)消除波浪對水尺讀數(shù)的影響。海水波浪上下波動毫無規(guī)則,用肉眼讀數(shù)要有豐富的經(jīng)驗,才能找到平均值。由檢驗員在船舶甲板上操控履帶機(jī)器人抵達(dá)船舶水尺標(biāo)記處,其機(jī)體上的觀測筒在船舶吃水處的局部區(qū)域形成相對平靜的水面,這一水面的高度與外部水面的平均高度一致,讀取這一水面對應(yīng)的吃水標(biāo)記值,就是船舶的實際吃水值。

2)攝像裝置代替人眼進(jìn)行觀測。讓攝像裝置借助升降裝置到達(dá)有利于觀測的方位代替人眼,保證觀測視線的水平,消除視線誤差。

3)應(yīng)用觀測圖像進(jìn)行智能化處理,連接船舶數(shù)據(jù)庫,自動計算船舶載重量。

2 船舶水尺計重所用機(jī)器人的設(shè)計

目前對大宗散貨一般采用水尺計重方式。水尺計重具有簡單方便,費用低,過程公開透明,計重結(jié)果容易被貿(mào)易各方接受的優(yōu)點,但吃水讀取誤差較大的特點決定了計重的精確度較低,國際上通行的計量誤差最高達(dá)0.5%。當(dāng)前國內(nèi)外水尺計重中吃水讀取方法主要分為4種方式,見表1。

表1 水尺計重的方法

為解決以往水尺計重中水尺讀數(shù)準(zhǔn)確度低、受天氣影響大等問題,根據(jù)港口作業(yè)環(huán)境實際情況,結(jié)合易攜帶、可操作性強、讀數(shù)準(zhǔn)確度高等需求,設(shè)計船舶水尺計重所用機(jī)器人。該機(jī)器人主要由磁吸式履帶機(jī)器人機(jī)體、觀測筒、無線攝像裝置構(gòu)成。

2.1 觀測筒設(shè)計與制作

觀測筒的作用:形成一個較為平靜的觀測水面;放置無線攝像裝置。觀測筒設(shè)計見圖3所示,上部開口,底部封閉并開有阻尼小孔,一半放入水面。既要使觀測筒里面取得相對平靜的水面,又要使筒內(nèi)的水面高度與外部的平均高度一致,對阻尼小孔尺寸,觀測筒內(nèi)外的液位高度差和延時時間需經(jīng)過反復(fù)試驗與研究,得到一個合適的比例。觀測筒用亞克力制作,亞克力是專指純聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料, 亞克力是制作測量筒的優(yōu)質(zhì)材料,它具有高透明度,透光率達(dá)95%,且有極佳的耐候性,尤其應(yīng)用于室外,并兼具良好的表面硬度與光澤。該觀測筒內(nèi)檔位置安裝鋸齒狀導(dǎo)軌,在磁吸式履帶機(jī)器人達(dá)到指點觀測位置后,通過電機(jī)端齒輪的正反轉(zhuǎn)動實現(xiàn)其上升與下降。經(jīng)反復(fù)試驗驗證,為達(dá)到攜帶方便,精準(zhǔn)觀測的目的,最終確定該測量筒高度為50 cm、寬度為12 cm、長度為20 cm。此外,為達(dá)到消除波浪影響,又不導(dǎo)致產(chǎn)生新的觀測誤差,經(jīng)試驗驗證,該測量筒底板應(yīng)有半徑為1 cm的圓形阻尼孔不少于25個,底部至上25 cm內(nèi)的四面亞克力板每面應(yīng)有同樣大小的阻尼孔不少于30個。

2.2 無線攝像裝置的設(shè)計、安裝以及使用

無線攝像裝置見圖4。

圖4 自浮式攝像裝置

該裝置搭建于浮力平臺上,主要功能是用無線攝像與接收裝置代替人眼觀測,消除視覺誤差,使人不用攀爬或乘坐小船便可以讀取數(shù)據(jù)。其錄像功能使吃水值隨時可以還原,解決吃水值讀數(shù)的糾紛。讀數(shù)準(zhǔn)確的關(guān)鍵是無線攝像鏡頭、觀測筒內(nèi)的水面與水尺標(biāo)記在同一水平面上,對應(yīng)的水尺標(biāo)記值才是吃水的準(zhǔn)確值。無線攝像裝置要求重量輕,體積小,自帶電源,抗干擾能力強,無線傳輸距離長。對不同參數(shù)各種型號的無線攝像裝置性能進(jìn)行比對、選取、配比,并進(jìn)行設(shè)計與安裝,使人眼從接收端讀取的就是吃水的準(zhǔn)確值。該測量機(jī)器人選擇的攝像頭參數(shù)如下:鏡頭應(yīng)重量輕、體積小,長寬高尺寸分別為2.0、1.5和1.8 cm,由于該攝像頭浮動于測量筒中,筒長度僅12 cm,所以須帶有120°的廣角功能,確保觀測水尺有充足的畫幅。該攝像頭裝置需帶1 800 mA·h的鋰電池,為其提供至少2 h的供電續(xù)航能力,可400～600 m無線微波傳輸,且發(fā)射和接收信號不受干擾,可自動鎖定,觀測圖像清晰、穩(wěn)定。在測量時,機(jī)器人將測量筒浸入海水中,外部海水經(jīng)阻尼孔進(jìn)入測量筒,事先放置在桶內(nèi)的自浮式攝像裝置隨液面上升而自由浮動,攝像頭實物圖見圖3所示。由于塑料板的阻隔作用,測量筒內(nèi)海水液面較外部則相對平靜,此時攝像頭將水尺畫面?zhèn)魉椭翙z驗員,檢驗員則實時進(jìn)行處理。

2.3 履帶機(jī)器人的設(shè)計與制作

船舶水尺計重用機(jī)器人不僅需要較強的活動性,而且其身上的測量筒還需對抗波浪的沖擊,所以需要較強的抓壁能力。鑒于此,為達(dá)到履帶機(jī)器人在船體鋼板上穩(wěn)定攀爬的目的,在基于常規(guī)履帶機(jī)器人[5]設(shè)計基礎(chǔ)上進(jìn)行改良(見圖5):①更換大吸力磁鐵,使其具有較強的抓壁能力;②根據(jù)船體的特點調(diào)整履帶和更換大功率電機(jī),使履帶機(jī)器人有強大的載重和抗沖擊能力,能行走自如;③增加控制功能,有利于準(zhǔn)確升降與定位,方便操作。磁吸式履帶機(jī)器人在船體上爬行主要表現(xiàn)為其重力和摩擦力的動態(tài)平衡關(guān)系,為使其在船體上穩(wěn)定爬行,磁鐵的吸附力必須達(dá)到規(guī)定限值要求。對該機(jī)器人分別在靜止、向上和向下3種狀態(tài)進(jìn)行了受力分析,見圖5。

圖5 機(jī)體受力分析

受力分析如下。

(1)

式中:f為摩擦力,N;μ為摩擦系數(shù);FN為機(jī)器人支持力,N;FA為磁鐵吸附力,N;G為機(jī)器人所受重力,N;θ為船體鋼板與重力方向的角度,(°)。

測量機(jī)器人向上行動時,受力分析如下。

(2)

式中:FB為電機(jī)所需驅(qū)動力,N。

測量機(jī)器人向下行動時,X軸受力同向上行動,Y軸受力分析如下。

(3)

根據(jù)上述測量機(jī)器人3種狀態(tài)的受力分析,結(jié)合機(jī)器人自身重量,計算出磁吸力和驅(qū)動力,再據(jù)此選擇合適的磁鐵和驅(qū)動電機(jī)。

3 使用方法

上述主要功能部件在分別完成設(shè)計與制作后進(jìn)行總體組裝測試。攝像裝置放于觀測筒內(nèi),觀測筒通過導(dǎo)軌與履帶機(jī)器人連接并由其帶動。計重人員在甲板上利用遙控裝置控制機(jī)器人到達(dá)船舶水尺標(biāo)記處并升降測量筒至最佳觀測點,并在監(jiān)視器內(nèi)直接讀取吃水值或者經(jīng)自行研制地圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行識別。采用圖像識別程序方式后,水尺圖像自動導(dǎo)入圖像識別軟件,經(jīng)軟件計算,自動給出水尺數(shù)值,水尺讀數(shù)分析見圖6。操作流程見圖7。

圖6 水尺數(shù)據(jù)處理分析

圖7 操作流程

4 船舶水尺計重用機(jī)器人的應(yīng)用

2021年4—8月份,隨機(jī)選擇15船次在舟山某港區(qū)靠泊卸貨的國際航運船舶?？紤]到觀測船舶六面吃水,工作流程雷同,所設(shè)計的機(jī)器人具備足夠吸附能力,爬行具有不規(guī)則曲面的艉部鋼板,也可順利通行,選擇上述船舶的外擋中間水尺進(jìn)行測量,測量現(xiàn)場見圖8。

圖8 機(jī)器人測量現(xiàn)場

具體方法如下。由2名檢驗員開展對比驗證試驗,1名采用機(jī)器人檢測水尺,另外1名則采用租用小艇或攀爬繩梯等傳統(tǒng)作業(yè)方式,人工目測觀測。為降低目測誤差,規(guī)定觀測時風(fēng)力不大于3級,波浪不大于30 cm。目測水尺精度公制為0.01 m[6],機(jī)器檢測經(jīng)圖像處理精度公制為0.001 m。試驗結(jié)果見表2。

表2 機(jī)器人與人工目測數(shù)據(jù)比對

設(shè)機(jī)器測量較人工目測方式的差異率為D。

(4)

式中:F為機(jī)器測量的值,m;E為人工目測值,m。

由表2可見,15船次機(jī)器測量和人工目測值差異范圍在0.003～0.012 m之間,平均差異率為0.038%,完全符合船舶制表的準(zhǔn)確度在0.1%以內(nèi),水尺計重的準(zhǔn)確度可在0.5%以內(nèi)要求。此外,水尺計重所用機(jī)器人裝置較傳統(tǒng)人工目測方式,效能提高30%以上。比對本次實驗的兩種方式經(jīng)測量數(shù)據(jù)及測量耗時,認(rèn)為利用機(jī)器人觀測船舶水尺是可靠和準(zhǔn)確的。

5 結(jié)論

1)船舶水尺計重所用機(jī)器人的研制和應(yīng)用,使檢驗員在航運船舶上實施水尺計重由傳統(tǒng)的人工作業(yè)模式向機(jī)械化、自動化、一體化轉(zhuǎn)變,不僅準(zhǔn)確性更高,工作效能也至少提升31%以上。

2)該機(jī)器人具有消除波浪影響的功能,且可實現(xiàn)全天候作業(yè)。海面波浪較大時,目測水尺無法觀測到準(zhǔn)確值,而該機(jī)器人利用磁鐵的吸附和底部小孔的阻尼作用,使觀測器筒內(nèi)的水面處于相對穩(wěn)定,有利于水尺準(zhǔn)確讀數(shù)。此外,較無人機(jī)、激光等觀測器可實現(xiàn)全天候作業(yè),有利航運船舶快進(jìn)快出。

3)該機(jī)器人集成了水尺圖像識別等研究成果,在消除波浪影響的前提下,通過電子圖像代替人眼觀測水尺,實現(xiàn)圖像的準(zhǔn)確還原,避免因測量儀器和船體變形本身帶來的誤差。

4)該機(jī)器人結(jié)構(gòu)輕巧,帶無線遙感裝置,使用方便,單人便可操作,可大幅節(jié)省人力物力。