一種船舶雙曲率外板空間定位標記方法及其標記裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種船舶雙曲率外板空間定位標記方法及其標記裝置，其方法包括以下步驟：1)在計算機上建立船舶的坐標原點信息；2)將爬行智能車的理論爬行路徑以及船舶雙曲率外板上需要標記的點的空間坐標輸入給爬行智能車；3)爬行智能車吸附在船舶雙曲率外板上并在船舶雙曲率外板上爬行并做出修正；4)爬行智能車在船舶雙曲率外板上做出標記。其裝置包括計算機、空間定位裝置、爬行智能車、安裝在爬行智能車上的吸附機構(gòu)、標記機構(gòu)。本發(fā)明實現(xiàn)了爬行智能車在復(fù)雜雙曲率外板上的吸附、爬行、標記功能，依托空間定位技術(shù)，實時監(jiān)控爬行智能車姿態(tài)，修正偏差，保證爬行智能車爬行路線不發(fā)生較大偏差。
【專利說明】一種船舶雙曲率外板空間定位標記方法及其標記裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于爬行智能車領(lǐng)域，更具體地，涉及一種空間定位標記裝置及其標記方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 由于船舶體積龐大以及分段集成式建造方法，船舶在整體對接之后，針對船舶雙 曲率外板的相關(guān)操作處理，譬如，船舶在建造過程中需要在船舶雙曲率外板的一些特定位 置標記后加裝設(shè)備；目前這些特定位置的坐標只存在于計算機中，并沒有在船舶雙曲率外 板上標識出來；工人需要先在計算機上獲取船舶雙曲率外板上這些坐標的信息后，再攀爬 到指定區(qū)域?qū)χ付c進行操作，難度極大，效率低下。
[0003] 目前公開的相關(guān)技術(shù)主要集中在不具備偏差修正的平面爬行機器人以及少量的 曲面管道爬行機器人。中國發(fā)明專利說明書CN201410072707中公開了一種應(yīng)用于管道曲 面爬行的機器人。該機器人利用壓電晶體在交變電壓作用下產(chǎn)生周期性機械變形，即周期 性伸長和縮短，利用人體向上爬進管道的原理，壓電疊堆執(zhí)行器的一伸一縮實現(xiàn)機器人的 行進，實現(xiàn)豎直方向爬行。文獻《船舶除銹爬壁機器人設(shè)計方案研宄》中，相關(guān)研宄人員提 出了雙履帶磁吸附機械車結(jié)構(gòu)，磁條布置在履帶上，采用交流伺服電機、減速機對角布置， 產(chǎn)生驅(qū)動力驅(qū)動機械車在船體表面行走。
[0004] 以上兩種爬行機器人具有較強的代表性，實現(xiàn)了機器人的爬行功能。然而，專利 CN201410072707公開的管道機器人實現(xiàn)爬行智能車管道內(nèi)側(cè)豎直爬行，不具有橫向、斜向、 管道外側(cè)的爬行功能，同時采用壓電晶體作為吸附驅(qū)動裝置，爬行效率不高?！洞俺P爬 壁爬行智能車設(shè)計方案研宄》提出的爬行機器人為一個試驗樣機，可實現(xiàn)簡單的爬行功能， 但未實現(xiàn)自動化。同時，機器人在爬行過程中存在爬行誤差，以上相關(guān)發(fā)明研宄未設(shè)計相關(guān) 糾偏的設(shè)計。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種船舶雙曲率外板空間定 位標記方法及標記設(shè)備，爬行智能車能夠在船舶雙曲率外板上自動爬行、標記，并根據(jù)空間 定位自主修正理論爬行路徑直到爬到指定點進行操作。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種船舶雙曲率外板空間定位 標記方法，包括以下步驟
[0007] 1)、在計算機上建立坐標系，用于獲取船舶雙曲率外板上的爬行智能車的空間坐 標及船舶雙曲率外板上需要標記的點的空間坐標信息；
[0008] 2)、將爬行智能車的理論爬行路徑以及船舶雙曲率外板上需要標記的點的空間坐 標輸入給計算機，由計算機傳給爬行智能車，爬行智能車的控制系統(tǒng)自動解析成機器語言， 所述機器語言包括標記觸發(fā)信號、位移和指向角關(guān)系曲線、線速度和角速度關(guān)系曲線或線 加速度和角加速度關(guān)系曲線；
[0009] 3)、爬行智能車吸附在船舶雙曲率外板上并在船舶雙曲率外板上爬行，爬行智能 車上的信號發(fā)射器間隔發(fā)射信號，信號接收器接收信號并傳送給計算機，計算機解析成爬 行智能車的空間坐標并將此空間坐標發(fā)送給爬行智能車，爬行智能車上的控制系統(tǒng)根據(jù)從 信號接收器上接收的空間坐標信息與步驟2)設(shè)定的理論爬行路徑比較，對爬行智能車的 運動軌跡做出修正，以實現(xiàn)爬行智能車的定位和糾偏；
[0010] 4)、爬行智能車通過爬行和修正，運動到需要標記的空間坐標位置，計算機發(fā)送標 記觸發(fā)信號給爬行智能車，爬行智能車上的控制系統(tǒng)觸發(fā)爬行智能車工作，爬行智能車在 船舶雙曲率外板上做出標記。
[0011] 一種標記設(shè)備，包括計算機、空間定位裝置、爬行智能車、安裝在爬行智能車上的 吸附機構(gòu)、標記機構(gòu)，其中
[0012] 爬行智能車，包括車體，車體上安裝有兩個以上的用于車體前進的車輪，每個車輪 分別通過一電機驅(qū)動其旋轉(zhuǎn)；
[0013] 吸附機構(gòu)，用于使爬行智能車吸附在船舶雙曲率外板上；
[0014] 標記機構(gòu)，用于在船舶雙曲率外板上做出記號；
[0015] 計算機，用于獲取船舶雙曲率外板上的爬行智能車的空間坐標及船舶雙曲率外板 上需要標記的點的空間坐標信息；
[0016] 空間定位裝置，包括信號發(fā)射器和信號接收器；信號發(fā)射器安裝在車體上，其數(shù)量 為兩個以上，用于向信號接收器發(fā)送信號；信號接收器與計算機相連接，其數(shù)量為三個以 上，用于接收兩個信號發(fā)射器發(fā)出的信號。
[0017] 優(yōu)選地，所述車體上安裝有一個以上的能在船舶雙曲率外板上行走的萬向輪。
[0018] 優(yōu)選地，所述萬向輪與船舶雙曲率外板之間存在間距。
[0019] 優(yōu)選地，所述標記機構(gòu)包括噴漆罐和舵機，所述噴漆罐上設(shè)置有噴嘴，所述噴嘴上 連接有導(dǎo)漆管，車體上安裝設(shè)置有通孔，導(dǎo)漆管穿裝在車體的通孔處，舵機通過轉(zhuǎn)軸安裝有 能通過轉(zhuǎn)動來按壓噴嘴的舵臂，舵臂的一端到轉(zhuǎn)軸中心的距離大于另一端到轉(zhuǎn)軸中心的距 離，舵臂上到轉(zhuǎn)軸中心距離較大的一端在轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時能按壓噴嘴。
[0020] 優(yōu)選地，所述吸附裝置為磁鐵，磁鐵安裝在車體上或安裝在車輪上。
[0021] 優(yōu)選地，所述電機上連接有編碼器。
[0022] 優(yōu)選地，所述信號接收器的數(shù)量為三個，所述三個信號接收器分布在一正三角形 的三個頂點上。
[0023] 優(yōu)選地，所述信號接收器的數(shù)量為四個，所述四個信號接收器分布在一正方形的 四個頂點上。
[0024] 優(yōu)選地，所述信號發(fā)射器排列在一條與車體前進方向平行的直線上。
[0025] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有 益效果：
[0026] 1)本發(fā)明可實現(xiàn)船舶建造過程中在船舶雙曲率外板上的自動化標記。
[0027] 2)本發(fā)明實現(xiàn)了爬行智能車在復(fù)雜雙曲率外板上的吸附、爬行、標記功能，依托空 間定位技術(shù)，實時監(jiān)控爬行智能車姿態(tài)，修正偏差，保證爬行智能車爬行路線不發(fā)生較大偏 差。
[0028] 3)由于爬行智能車采用兩個車輪驅(qū)動的方法，運動靈活，爬行速度快，有效保證工 作效率，同時配合空間定位裝置實現(xiàn)偏差矯正，滿足建造過程中對標記點的精度要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029] 圖1是按照本發(fā)明中爬行智能車的示意圖；
[0030] 圖2是按照本發(fā)明中爬行智能車的仰視圖；
[0031] 圖3是按照本發(fā)明的標記機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖4是按照本發(fā)明中空間定位裝置的工作示意圖；
[0033] 圖5是按照本發(fā)明中空間定位裝置進行爬行智能車姿態(tài)糾正時的原理示意圖。

【具體實施方式】
[0034] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0035] 如圖1?圖5所示，一種標記設(shè)備，包括計算機、空間定位裝置、爬行智能車13、安 裝在爬行智能車13上的吸附機構(gòu)5、標記機構(gòu)，其中爬行智能車13包括車體1，車體1上安 裝有兩個以上的用于車體1前進的車輪2,每個車輪2分別通過一電機3驅(qū)動其旋轉(zhuǎn)；吸附 機構(gòu)5用于使爬行智能車13吸附在船舶雙曲率外板15上；標記機構(gòu)用于在船舶雙曲率外 板15上做出記號；計算機用于獲取船舶雙曲率外板15上的爬行智能車13的空間坐標及船 舶雙曲率外板15上需要標記的點的空間坐標信息；空間定位裝置包括信號發(fā)射器14和信 號接收器12,所述信號發(fā)射器14安裝在車體1上，其數(shù)量為兩個以上，這些信號發(fā)射器14 排列在一條與車體1前進方向平行的直線上，用于向信號接收器12發(fā)送信號；所述信號接 收器12與計算機信號連接，其數(shù)量為三個以上，用于接收兩個信號發(fā)射器14發(fā)出的信號。
[0036] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題主要包括以下兩點：
[0037] 1.設(shè)計能夠在船舶雙曲率外板15上自由爬行標記的爬行智能車13 ;
[0038] 2.設(shè)計空間定位裝置，實時監(jiān)控爬行智能車13的姿態(tài)，與爬行智能車13上的控制 系統(tǒng)通訊，糾正路徑偏差；
[0039] 爬行智能車13的驅(qū)動方式為兩個車輪2驅(qū)動，即車體1依靠兩個車輪2來帶動前 進，車體1的轉(zhuǎn)向方式通過兩個車輪2的差速來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，車體1的前后分別布置有一萬向 輪4,前后布置的萬向輪4提供支撐作用，吸附機構(gòu)5的吸附方式采用磁吸附，標記裝置的標 記方式為噴漆標記。
[0040] 所述車體1上安裝有一個以上的能在船舶雙曲率外板15上行走的萬向輪4,本發(fā) 明優(yōu)選為兩個萬向輪4,分別布置于車體1前后兩端，起支撐車體1作用。所述萬向輪4與 船舶雙曲率外板15之間存在間距，即萬向輪4懸掛在車體的底盤上，這是為了適應(yīng)船舶外 板存在焊縫凸起等不平滑的情況。
[0041] 參照圖3,本發(fā)明的標記機構(gòu)優(yōu)選為一高壓灌裝自動噴漆結(jié)構(gòu)，其包括噴漆罐7和 舵機8,所述噴漆罐7上設(shè)置有噴嘴，所述噴嘴上連接有導(dǎo)漆管10,車體1上安裝設(shè)置有通 孔，導(dǎo)漆管10穿裝在車體1的通孔處，能從通孔處向船舶雙曲率外板15上噴漆。舵機8通 過轉(zhuǎn)軸安裝有能通過轉(zhuǎn)動來按壓噴嘴的舵臂9,舵臂9的一端到轉(zhuǎn)軸中心的距離大于另一 端到轉(zhuǎn)軸中心的距離，舵臂9上到轉(zhuǎn)軸中心距離較大的一端在轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時能按壓噴嘴，從 而使導(dǎo)漆管10噴出漆。爬行智能車13到達標記位置后，計算機向舵機8發(fā)送標記信號，標 記信號觸發(fā)舵機8工作，噴漆罐7的頭部用導(dǎo)漆管10將油漆從車體1上的通孔處噴出，噴 到船舶雙曲率外板15上實現(xiàn)標記。其中標記機構(gòu)通過螺釘固定在車體1上。舵機8由微 控制器輸出20ms周期的寬度Ims至2ms的脈沖進行控制，脈寬對應(yīng)舵臂9的轉(zhuǎn)角，需要噴 漆時，由微控制器控制舵臂9轉(zhuǎn)過一定角度，壓按噴嘴噴漆，然后噴嘴迅速恢復(fù)。
[0042] 作為另一種優(yōu)選，標記機構(gòu)也可采用電噴印技術(shù)，此種情況下標記機構(gòu)包括電噴 組件，通電后電噴組件的噴頭向船舶雙曲率外板15上噴漆?；蛘?，標記機構(gòu)也可采用線性 電機與標記筆結(jié)合的結(jié)構(gòu)，線性電機驅(qū)動標記筆移動在船舶雙曲率外板15上做上標記。
[0043] 爬行智能車13上的電路控制裝置包括微控制器、慣性傳感器組成，電路控制裝置 通過螺釘固定在車體1上，其控制算法包括：
[0044] 1)運動規(guī)劃：這部分將運動控制指令合理地規(guī)劃解算為車體1將執(zhí)行的線速度和 角速度序列。
[0045] 2)電機3的閉環(huán)控制：這部分通過編碼盤和角速度傳感器的反饋值對電機3進行 閉環(huán)控制，完成對線速度和角速度序列的準確執(zhí)行。PID算法成熟可靠，適用本發(fā)明，實際中 PID算法將退化為PI算法。
[0046] 3)慣性傳感器的數(shù)據(jù)融合、姿態(tài)估計和修正：這部分將慣性傳感器的數(shù)據(jù)解算、 估計為描述車體1姿態(tài)的物理參量，并通過對線速度和角速度的控制進行姿態(tài)修正。
[0047] 作為一種優(yōu)選，吸附裝置為磁鐵，磁鐵可以為一整塊，也可以由多個小塊排布在車 體1上，以用于提供足夠的吸附力，使爬行智能車13不易從船舶雙曲率外板15上掉落；或 者，也可以將磁鐵設(shè)計成環(huán)形，其嵌套在車輪2的輪轂外，以提供吸附力；作為其它選擇，吸 附裝置也可以采用真空吸附結(jié)構(gòu)、或者吸盤吸附結(jié)構(gòu)等吸附方式提供吸附力。
[0048] 空間定位基本上是基于距離的幾何計算。信號接收器12的數(shù)量優(yōu)選為三個，這三 個信號接收器12分布在一正三角形的三個頂點上。信號發(fā)射器14優(yōu)選為兩個，這兩個信 號發(fā)射器14排列的直線與車體1前進的方向一致?？臻g定位裝置技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的， 兩個信號發(fā)射器14作為移動部件，搭載于被定位的爬行智能車13的車體1上，二者分別安 裝在車體1的前部和后部，二者連線與爬行智能車13的車體1前進方向平行，每一個信號 發(fā)射器14用于定位爬行智能車13位置，同時根據(jù)兩個信號發(fā)射器14的連線可以得到爬行 智能車13的當(dāng)前姿態(tài)17 ;三個信號接收器12作為固定端，安裝于支架11上，用于接收信 號發(fā)射器14發(fā)射的超聲波，通過控制程序?qū)⒔邮招盘柦馕龀蔀榫嚯x信號；三個信號接收器 12將距離信號傳輸給計算機，即可將信號發(fā)射器14的位置解析成坐標信號，即確定爬行智 能車13的空間坐標與姿態(tài)，實現(xiàn)爬行智能車13定位。參照圖5,具體來講，確定爬行智能車 13的姿態(tài)，是依靠兩個信號發(fā)射器14的空間坐標來實現(xiàn)的，兩個信號發(fā)射器14所在的空間 坐標確定一條直線，該直線的方向即能表示出爬行智能車13的姿態(tài)；爬行智能車13在船舶 雙曲率外板15上爬行時，當(dāng)爬行智能車13從C位置爬行到D位置，直線的方向改變，即爬 行智能車13的姿態(tài)也改變。計算機不斷地將所在位置的直線方向與輸入其內(nèi)的爬行智能 車13的理論爬行路徑16進行比較，以使爬行智能車13能夠在設(shè)定的理論爬行路徑16上 行走。如果D位置的姿態(tài)與設(shè)定的理論爬行路徑16上的爬行智能車13姿態(tài)不符，則車輪 2進行轉(zhuǎn)向，以使D位置的姿態(tài)符合理論爬行路徑16上的姿態(tài)，這樣來實行爬行智能車13 姿態(tài)的糾正。
[0049] 以測定其中一個信號接收器12的坐標為例，假設(shè)已知三個信號接收器坐標分別 為（Xl， yi，Zl)、（x2, y2, Z2)、（x3, y3, Z3)，信號發(fā)射器14位置坐標設(shè)為（xa，ya，za)，顯然，當(dāng)信號 發(fā)射器14發(fā)送一次超聲波信號時：
[0050] 每個信號接收器12測得其與其中一個信號發(fā)射器14的距離分別為S1、S2、S3,顯 M .

【權(quán)利要求】
1. 一種船舶雙曲率外板空間定位標記方法，其特征在于：包括w下步驟 1)、在計算機上建立坐標系，用于獲取船舶雙曲率外板上的爬行智能車的空間坐標及 船舶雙曲率外板上需要標記的點的空間坐標信息； 2)、將爬行智能車的理論爬行路徑W及船舶雙曲率外板上需要標記的點的空間坐標輸 入計算機，由計算機傳給爬行智能車，爬行智能車的控制系統(tǒng)自動解析成機器語言，所述機 器語言包括標記觸發(fā)信號、位移和指向角關(guān)系曲線、線速度和角速度關(guān)系曲線或線加速度 和角加速度關(guān)系曲線； 3) 、爬行智能車吸附在船舶雙曲率外板上并在船舶雙曲率外板上爬行，爬行智能車上 的信號發(fā)射器間隔發(fā)射信號，信號接收器接收信號并傳送給計算機，計算機解析成爬行智 能車的空間坐標并將此空間坐標發(fā)送給爬行智能車，爬行智能車上的控制系統(tǒng)根據(jù)從計算 機上接收的空間坐標信息與步驟2)設(shè)定的爬行智能車的理論爬行路徑比較，對爬行智能 車的運動軌跡做出修正，W實現(xiàn)爬行智能車的定位和糾偏； 4) 、爬行智能車通過爬行和修正，運動到需要標記的空間坐標位置，計算機發(fā)送標記觸 發(fā)信號給爬行智能車，爬行智能車上的控制系統(tǒng)觸發(fā)爬行智能車工作，爬行智能車在船舶 雙曲率外板上做出標記。
2. -種標記設(shè)備，其特征在于；包括計算機、空間定位裝置、爬行智能車、安裝在爬行 智能車上的吸附機構(gòu)、標記機構(gòu)，其中 爬行智能車，包括車體，車體上安裝有兩個W上的用于車體前進的車輪，每個車輪分別 通過一電機驅(qū)動其旋轉(zhuǎn)； 吸附機構(gòu)，用于使爬行智能車吸附在船舶雙曲率外板上； 標記機構(gòu)，用于在船舶雙曲率外板上做出記號； 計算機，用于獲取船舶雙曲率外板上的爬行智能車的空間坐標及船舶雙曲率外板上需 要標記的點的空間坐標信息； 空間定位裝置，包括信號發(fā)射器和信號接收器；信號發(fā)射器安裝在車體上，其數(shù)量為兩 個W上，用于向信號接收器發(fā)送信號；信號接收器與計算機相連接，其數(shù)量為S個W上，用 于接收兩個信號發(fā)射器發(fā)出的信號。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種標記設(shè)備，其特征在于：所述車體上安裝有一個W上的 能在船舶雙曲率外板上行走的萬向輪。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種標記設(shè)備，其特征在于：所述萬向輪與船舶雙曲率外板 之間存在間距。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種標記設(shè)備，其特征在于：所述標記機構(gòu)包括噴漆罐和駝 機，所述噴漆罐上設(shè)置有噴嘴，所述噴嘴上連接有導(dǎo)漆管，車體上安裝設(shè)置有通孔，導(dǎo)漆管 穿裝在車體的通孔處，駝機通過轉(zhuǎn)軸安裝有能通過轉(zhuǎn)動來按壓噴嘴的駝臂，駝臂的一端到 轉(zhuǎn)軸中屯、的距離大于另一端到轉(zhuǎn)軸中屯、的距離，駝臂上到轉(zhuǎn)軸中屯、距離較大的一端在轉(zhuǎn)軸 轉(zhuǎn)動時能按壓噴嘴。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種標記設(shè)備，其特征在于；所述吸附裝置為磁鐵，磁鐵安裝 在車體上或安裝在車輪上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種標記設(shè)備，其特征在于；所述電機上連接有編碼器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種標記設(shè)備，其特征在于：所述信號接收器的數(shù)量為=個， 所述=個信號接收器分布在一正=角形的=個頂點上。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種標記設(shè)備，其特征在于：所述信號接收器的數(shù)量為四個， 所述四個信號接收器分布在一正方形的四個頂點上。
10. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種標記設(shè)備，其特征在于：所述信號發(fā)射器排列在一條與 車體前進方向平行的直線上。
【文檔編號】G05D3/12GK104460694SQ201410531653
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月8日
【發(fā)明者】趙耀, 趙晉, 胡昌成, 馬向峰 申請人:華中科技大學(xué)