船舶腐蝕檢修無人機的設(shè)計＊

于朋濤，施鑫煜，卓宏明

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

1 設(shè)計背景

海洋運輸是現(xiàn)代對外經(jīng)濟貿(mào)易發(fā)展的基石，大型海洋運輸船舶作為海運事業(yè)的主要工具，做好船舶維修防護工作，保障船舶運輸安全是保證海運事業(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)。腐蝕損傷不僅會降低船舶結(jié)構(gòu)的強度，還會影響船舶上設(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)對腐蝕威脅，在腐蝕損傷出現(xiàn)初期，能及時確定腐蝕位置并采取強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腐蝕部位的防護。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行，不僅花費時間和資金巨大，工作效率低，此外腐蝕打磨和防腐油漆噴涂工作對人體健康危害性較大，高空作業(yè)危險系數(shù)高，環(huán)境危害大[2]。

為了解決以上問題，基于無人機操作簡便、可靠性高、抗風(fēng)能力強、可空中精確懸停等優(yōu)勢，設(shè)計一款大型船舶腐蝕檢修無人機，在無人機平臺搭載不同的工作模塊，可實現(xiàn)大范圍的船舶腐蝕部位檢查、重點腐蝕區(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。

2 船舶腐蝕檢修無人機的整體設(shè)計

本方案設(shè)計的船舶腐蝕檢修無人機是由同一個無人機平臺分別搭載3個工作模塊——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，從而實現(xiàn)通過在單一無人機平臺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結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 無人機平臺

基于工作性質(zhì)的任務(wù)要求，無人機平臺需具有機體尺寸較大、載重能力強、飛行穩(wěn)定可靠、可進行飛行航線規(guī)劃等特性，與行業(yè)內(nèi)成熟應(yīng)用的植保機特性相似。因此本設(shè)計的飛行平臺借鑒了植保機的設(shè)計特點，飛行平臺為6軸式、短機臂以及長螺旋槳直徑的設(shè)計，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；在原來無人機基本機體構(gòu)造的基礎(chǔ)上，為了便于安裝及更換不同的任務(wù)模塊，對無人機電池下底板處進行加固改裝并增加快拆機構(gòu)，每個模塊的盒體上方設(shè)置配套的安裝扣，根據(jù)實際工作需求可快速更換無人機底板上搭載的工作模塊；在滯空時間方面，配備18000mAh電池時，可空載飛行約25min。

在飛行穩(wěn)定性方面，標(biāo)配D-RTK，可實現(xiàn)厘米級定位功能，具有較強的抗風(fēng)性能；在飛行可靠性方面，搭載全向數(shù)字雷達系統(tǒng)，可對全向障礙物進行識別并將障礙數(shù)據(jù)實時回傳，同時具備自動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，此外雷達運作不受環(huán)境光線及塵土影響，可全天候感知飛行環(huán)境[3]；無人機還配備由云臺搭載的實時圖像監(jiān)控系統(tǒng)，確保地面人員可以對飛機周邊環(huán)境進行實時感知。

為了提高無人機工作效率增加滯空作業(yè)時間，在無人機的機載電源上增加降壓/穩(wěn)壓以及濾波功能模塊，使無人機具有系留供電功能。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載電源模塊，變換為無人機以及任務(wù)載荷的供電電源，彌補無人機機載電池供電時間短的缺陷。無人機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，可通過機載電池實現(xiàn)應(yīng)急返航或著陸。在機載供電的基礎(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間工作的要求。本方案設(shè)計的無人機搭載的變壓整流模塊設(shè)計如圖2所示。

圖2 無人機變壓整流模塊設(shè)計

2.2 地面控制中心

基于大型船舶上層建筑復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境條件，腐蝕檢修無人機的大部分作業(yè)時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。針對飛行平臺的飛行控制，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)尺寸整合到無人機三維飛行坐標(biāo)系中，按照重點檢查部位關(guān)系合理編制航線規(guī)劃，實現(xiàn)檢查過程的智能化飛行。飛行過程中平臺的實時數(shù)據(jù)通過下行數(shù)據(jù)鏈回傳進行監(jiān)測，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)自動導(dǎo)入控制中心運算服務(wù)器備份存儲并進行進一步的分析檢測。

2.3 腐蝕檢查模塊

在無人機平臺的下底板通過快拆結(jié)構(gòu)掛載一個二軸增穩(wěn)云臺，云臺下掛載增強機器視覺系統(tǒng)，包括照明、鏡頭、相機等功能模塊，同時安裝有5G信號傳輸設(shè)備實現(xiàn)高清圖像及時傳輸。無人機在執(zhí)行腐蝕檢查功能時，利用機載圖像采集系統(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擬巡檢區(qū)域進行全景拍攝，實時采集圖像內(nèi)容。云臺不僅能夠降低相機抖動，同時還能補償飛行姿態(tài)的變化，增強圖像信息的穩(wěn)定性。

5G信號傳輸設(shè)備將采集的高清圖像下傳到地面控制中心。船舶檢驗人員可以在任意場景下，在終端觀看通過5GCPE接收到的高清VR全景信號呈現(xiàn)的清晰實時內(nèi)容，根據(jù)檢查經(jīng)驗進行腐蝕損傷判斷并進行重點標(biāo)記。此外，圖像信號也同時到傳送給地面圖像處理系統(tǒng)，進行全景影像處理，檢測軟件系統(tǒng)根據(jù)影像目標(biāo)特征進行檢測、分析、計算然后自動打印輸出本次飛行的檢測結(jié)果。同時基于積累的目標(biāo)特征數(shù)據(jù)庫進行機器學(xué)習(xí)深度開發(fā)，通過大數(shù)據(jù)功能使機器視覺系統(tǒng)更加智能，逐步提高檢測效率和準(zhǔn)確性。檢測軟件作為人工目視檢測的補充，可以大大降低檢測人員的勞動強度，提高檢測效率。

2.4 腐蝕打磨模塊

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

圖3 腐蝕打磨模塊結(jié)構(gòu)示意圖

打磨軸回轉(zhuǎn)推進控制機構(gòu)中的打磨軸采用滾珠花鍵軸式設(shè)計，雙出軸電動機通過聯(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)計示意圖

執(zhí)行打磨工作時，為克服空中無人機的定位誤差及大風(fēng)影響造成無人機與打磨面的距離變化，影響打磨效果，腐蝕打磨模塊設(shè)計有打磨軸伸長量智能控制模塊。無人機平臺打磨側(cè)安裝有超聲波傳感器，可以實時測量無人機與打磨部位的距離，單片機接收距離信號及其變化量后分析計算打磨軸伸長量，輸出控制信號控制推進伺服電機轉(zhuǎn)動一定的角度，伺服電機帶動的凸輪驅(qū)動打磨軸伸出對應(yīng)的補償量，通過回轉(zhuǎn)推進機構(gòu)實現(xiàn)在不影響打磨軸回轉(zhuǎn)的情況下伸出量實時控制。打磨軸伸長量的智能控制實現(xiàn)無人機在空中出現(xiàn)小幅晃動的情況下，磨輪刀頭能夠始終貼緊打磨面不會影響打磨效果，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。無人機平臺下底板掛載打磨粉塵回收裝置，在打磨頭旁邊設(shè)計有柔性喇叭口，電機帶動回收裝置內(nèi)風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)時，打磨產(chǎn)生的粉塵由喇叭口吸入后通過導(dǎo)管進入回收箱，實現(xiàn)打磨粉塵的回收。電機和粉塵回收箱放置在一個盒體內(nèi)，便于快速安裝到無人機底板。

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、噴涂桿和可控噴頭等部件構(gòu)成，如圖6所示。伺服電機經(jīng)減速器及聯(lián)軸器與齒輪泵相連，可接收地面控制信號控制齒輪泵轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)大范圍內(nèi)自由調(diào)速，達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，由伺服舵機控制噴頭回轉(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幅度及噴涂流量，確保防腐涂料噴敷的均勻性，達到良好的噴敷效果。機載涂料箱可一次裝載約15L防腐涂料，涂料箱、齒輪泵和電機放置在一個盒體內(nèi)，便于通過快拆機構(gòu)安裝到無人機下底板。

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的特點

3.1 實現(xiàn)無人機與5G+VR的融合設(shè)計

當(dāng)無人機搭載全景高清攝像頭對船體外部和甲板上層建筑進行巡檢時，利用5G圖像傳輸技術(shù)，后臺多名技術(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，提高了檢驗效率和質(zhì)量，避免了單一檢查人員的人為疏忽。同時可將檢查圖像自動進行存檔保留，對重點監(jiān)控區(qū)域不同時間段的檢查圖像進行對比，確定腐蝕發(fā)展過程，提升對腐蝕過程的認(rèn)識。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方法，利用人工智能實現(xiàn)腐蝕部位自主巡檢，進一步提高檢測質(zhì)量和效率。

3.2 實現(xiàn)無人機+腐蝕打磨模塊融合設(shè)計

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

3.3 實現(xiàn)無人機+防腐涂層噴涂模塊融合設(shè)計

本設(shè)計的無人機搭載的由齒輪泵驅(qū)動的防腐涂層噴覆模塊，齒輪泵對防腐涂料做功增壓并進行流量控制，噴涂噴頭可遙控轉(zhuǎn)向控制，實現(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)進行長時間噴涂作業(yè)時，可通過地面?zhèn)鬏敼┝?，以?jié)省防腐劑地面充裝時間，增長空中停留時間。

3.4 實現(xiàn)基于無人機平臺+功能模塊的整體設(shè)計

上述3個功能模塊可利用快拆裝置分別搭載于同一無人機平臺上，可根據(jù)現(xiàn)實需要進行功能快速切換，以增強設(shè)備適應(yīng)性，節(jié)約設(shè)備費用，提高設(shè)備利用率。

4 船舶腐蝕檢修無人機的應(yīng)用前景

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