打造機(jī)器人版“曹沖稱(chēng)象”

彭赟

“曹沖稱(chēng)象”在中國(guó)幾乎是婦孺皆知的故事。年僅六歲的曹沖，利用漂浮在水面上的物體的重力等于水對(duì)物體的浮力這一物理原理，解決了一個(gè)連許多有學(xué)問(wèn)的成年人都一籌莫展的大難題，這不能不說(shuō)是一個(gè)奇跡。

可在今天，面對(duì)動(dòng)輒幾十、上百萬(wàn)噸的運(yùn)輸量，我們又該如何來(lái)稱(chēng)“象”？這一切都不是問(wèn)題，交給嘉興市大工自動(dòng)化技術(shù)有限公司研發(fā)的智能爬壁機(jī)器人吧。

“力不從心”的傳統(tǒng)測(cè)量方式

截至2013年，我國(guó)港口貨物吞吐量達(dá)到97.49億噸，準(zhǔn)確、快捷測(cè)定船舶裝載的貨物重量直接關(guān)系到買(mǎi)方、承運(yùn)方、賣(mài)方等各方的經(jīng)濟(jì)利益，關(guān)系到港口物流的效率。

目前，全世界范圍內(nèi)船舶大宗商品測(cè)量大多采用人工目測(cè)船舶六面水尺的傳統(tǒng)方式，通過(guò)測(cè)定承運(yùn)船舶的吃水及船用物料，并依照船舶的有關(guān)資料和圖表，測(cè)算出船舶裝卸貨物重量。

此類(lèi)方法有多種缺陷：

第一，人工目測(cè)精度低。受風(fēng)浪的限制，讀數(shù)準(zhǔn)確度相對(duì)較低。特別是沿?？诎?，由于風(fēng)浪較大，波浪峰谷之間相差可達(dá)1米，且無(wú)明顯規(guī)則。以載重量5萬(wàn)噸級(jí)的散貨為例，船舶TPC（每厘米的排水量）一般為60多噸，也就是多讀或少讀1厘米的誤差是60多噸，以進(jìn)口大豆每噸500美元算，1厘米的貨值達(dá)到3萬(wàn)美元。在風(fēng)浪起伏大的目測(cè)環(huán)境中，海浪波峰波谷之間落差達(dá)半米以上，人工目測(cè)精度難以達(dá)到1厘米誤差范圍。

第二，人工目測(cè)受氣候影響大。人工目測(cè)作業(yè)如果遇到大霧、大雨天氣，測(cè)量精度進(jìn)一步降低，甚至不能作業(yè)，大型船舶載重量測(cè)量工作受到極大耽誤。

第三，人工測(cè)量危險(xiǎn)性大、勞動(dòng)強(qiáng)度高。船舶吃水標(biāo)記在船體外側(cè)，5萬(wàn)噸級(jí)的貨船滿(mǎn)載吃水處一般離甲板10米以上。在船只拋錨的情況下，為讀取吃水，計(jì)重人員（或船方大副）要從引水梯爬到吃水處讀取，既有一定的危險(xiǎn)性又不準(zhǔn)確。在船只靠碼頭的情況下，船舶內(nèi)側(cè)由于船體的阻擋，風(fēng)浪相對(duì)較小，計(jì)重人員可以在碼頭讀取吃水，但是眼睛無(wú)法平視，會(huì)產(chǎn)生較大視覺(jué)誤差。讀取外側(cè)吃水時(shí)，計(jì)重人員必須另外再乘小船到大船外檔目測(cè)吃水，會(huì)增加很大費(fèi)用，同時(shí)給目測(cè)人員帶來(lái)危險(xiǎn)因素。

第四，人工測(cè)量效率低。無(wú)論是人工觀測(cè)吃水，還是后續(xù)的根據(jù)船舶參數(shù)進(jìn)行重量計(jì)算，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不能滿(mǎn)足港口物流高效要求。

鑒于以上因素，急需開(kāi)發(fā)智能化的船舶大宗商品載重測(cè)量系統(tǒng)。

機(jī)器人來(lái)“對(duì)癥下藥”

由于傳統(tǒng)的測(cè)量方式存在多種固有的缺陷，已經(jīng)逐漸無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)需求，基于智能爬壁機(jī)器人技術(shù)的船舶大宗商品載重測(cè)量系統(tǒng)正是針對(duì)這一現(xiàn)狀的一劑“良藥”。

抗海浪型吃水觀測(cè)系統(tǒng)。觀測(cè)系統(tǒng)包括觀測(cè)筒和攝像裝置，其作用有兩個(gè)：一是形成一個(gè)較為平靜的觀測(cè)水面，二是放置無(wú)線機(jī)器視覺(jué)裝置?？购＠擞^測(cè)筒設(shè)計(jì)為上部開(kāi)口底部封閉并開(kāi)有阻尼小孔，一半放入水面下，既要使觀測(cè)筒里面取得相對(duì)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。這就需要對(duì)阻尼小孔尺寸、觀測(cè)筒內(nèi)外的液位高度差和延時(shí)時(shí)間經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)與研究，得到一個(gè)合適的比例。機(jī)器視覺(jué)裝置能夠利用攝像與接收裝置代替人眼觀測(cè)，消除視覺(jué)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(shí)可以還原，解決吃水值讀數(shù)的糾紛。讀數(shù)準(zhǔn)確的關(guān)鍵是攝像鏡頭、觀測(cè)筒內(nèi)的水面與水尺標(biāo)記在同一水平面上，對(duì)應(yīng)的水尺標(biāo)記值才是吃水的準(zhǔn)確值。攝像裝置要求重量輕、體積小、自帶電源、抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)線傳輸距離長(zhǎng)。

船體爬壁機(jī)器人。如何將觀測(cè)系統(tǒng)放入到指定的地點(diǎn)是爬壁機(jī)器人研究的重點(diǎn)。我們知道，船體外表面基本垂直又略有彎曲，要求爬壁機(jī)器人能在這樣的環(huán)境下，在其表面升降自如。觀測(cè)人員通過(guò)控制器使機(jī)器人到達(dá)指定的地點(diǎn)觀測(cè)船舶吃水。由于觀測(cè)裝置深入到海水內(nèi)，受波浪、潮水的沖擊力較大，本身也有一定的重量，對(duì)升降裝置要進(jìn)退自如又要有較高穩(wěn)定性。機(jī)器人攜帶攝像裝置靠近水線附近采集圖像，是整個(gè)項(xiàng)目的關(guān)鍵點(diǎn)之一，其設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包含：永磁吸附動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建、電傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、跨越障礙物機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、防水抗壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)等。船體爬壁機(jī)器人的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)需要完成機(jī)器人電源供給、姿態(tài)穩(wěn)定、運(yùn)動(dòng)控制、圖像采集等動(dòng)作?？刂葡到y(tǒng)的中央處理單元采用高速DSP芯片，運(yùn)動(dòng)控制單元采用驅(qū)動(dòng)和控制一體化設(shè)計(jì)增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可靠性，圖像采集單元采用雙RAM循環(huán)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)完成圖像的提取和緩存。

水尺圖像自動(dòng)解讀系統(tǒng)。根據(jù)觀測(cè)到的吃水圖像，通過(guò)研發(fā)圖像識(shí)別軟件，自動(dòng)識(shí)別攝像系統(tǒng)讀取的吃水值，結(jié)合儲(chǔ)存的船舶資料庫(kù)與載重量計(jì)算方法，得到當(dāng)時(shí)船舶裝載貨物的重量。

這種新型船舶大宗商品載重測(cè)量裝置是國(guó)內(nèi)外行業(yè)內(nèi)第一套自動(dòng)化貨物載重測(cè)量裝置，技術(shù)難度高，創(chuàng)新型要求高，突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)，也需要很強(qiáng)的前期技術(shù)積累。新裝置使用機(jī)器人自動(dòng)進(jìn)行載重測(cè)量，能夠降低浪涌影響、采集水尺圖像、判讀水尺數(shù)據(jù)、保存和回放水尺數(shù)據(jù)，解決了人工水尺讀取作業(yè)中長(zhǎng)期存在的難題，包括精度差、勞動(dòng)強(qiáng)度高、危險(xiǎn)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)不能保存等。

（作者單位：嘉興市大工自動(dòng)化技術(shù)有限公司）endprint