一種船舶水尺計(jì)重用機(jī)器人的研制和應(yīng)用

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) 東海科學(xué)技術(shù)學(xué)院,浙江 舟山 316000;3.煙臺(tái)檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司,山東 煙臺(tái) 264000)

水尺計(jì)重是當(dāng)今大宗散貨物資計(jì)量交接的主要方式。針對(duì)傳統(tǒng)水尺計(jì)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(cè)水尺效能低下、存在安全隱患,以及貨量計(jì)算速度慢等缺陷問(wèn)題,有學(xué)者提出基于圖像處理的船舶水尺計(jì)重系統(tǒng)設(shè)計(jì),利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)水尺數(shù)值化[1],但是此方法是對(duì)水尺圖像的后期處理,采集圖像仍是傳統(tǒng)攝像頭觀測(cè)模式。有學(xué)者提出無(wú)人機(jī)在水尺計(jì)重領(lǐng)域的應(yīng)用[2],雖然無(wú)人機(jī)迅速得到普及,但是單價(jià)仍較高,抗風(fēng)等級(jí)差,惡劣天氣無(wú)法使用,目前僅限特定場(chǎng)景使用。在以往的研究中,無(wú)人機(jī)、基于圖像處理技術(shù)[3]等目前仍是傳統(tǒng)水尺計(jì)重方式的一種補(bǔ)充和方式、方法的拓展,難以完全取代。為解決水尺計(jì)重作業(yè)受制惡劣天氣、無(wú)人機(jī)應(yīng)用及圖像處理軟件實(shí)用性不強(qiáng)、重復(fù)開(kāi)發(fā)投入大等問(wèn)題,研制一種船舶水尺計(jì)重用機(jī)器人(以下簡(jiǎn)稱“機(jī)器人”)。

1 設(shè)計(jì)原理與方法

船舶水尺計(jì)重用機(jī)器人工作原理見(jiàn)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(jiàn)圖2。

圖1 測(cè)量機(jī)器人工作原理

圖2 水尺機(jī)器人實(shí)物

實(shí)現(xiàn)水尺計(jì)重作業(yè)主要分3個(gè)步驟。

1)消除波浪對(duì)水尺讀數(shù)的影響。海水波浪上下波動(dòng)毫無(wú)規(guī)則,用肉眼讀數(shù)要有豐富的經(jīng)驗(yàn),才能找到平均值。由檢驗(yàn)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(cè)筒在船舶吃水處的局部區(qū)域形成相對(duì)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(duì)應(yīng)的吃水標(biāo)記值,就是船舶的實(shí)際吃水值。

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

3)應(yīng)用觀測(cè)圖像進(jìn)行智能化處理,連接船舶數(shù)據(jù)庫(kù),自動(dòng)計(jì)算船舶載重量。

2 船舶水尺計(jì)重所用機(jī)器人的設(shè)計(jì)

目前對(duì)大宗散貨一般采用水尺計(jì)重方式。水尺計(jì)重具有簡(jiǎn)單方便,費(fèi)用低,過(guò)程公開(kāi)透明,計(jì)重結(jié)果容易被貿(mào)易各方接受的優(yōu)點(diǎn),但吃水讀取誤差較大的特點(diǎn)決定了計(jì)重的精確度較低,國(guó)際上通行的計(jì)量誤差最高達(dá)0.5%。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外水尺計(jì)重中吃水讀取方法主要分為4種方式,見(jiàn)表1。

表1 水尺計(jì)重的方法

為解決以往水尺計(jì)重中水尺讀數(shù)準(zhǔn)確度低、受天氣影響大等問(wèn)題,根據(jù)港口作業(yè)環(huán)境實(shí)際情況,結(jié)合易攜帶、可操作性強(qiáng)、讀數(shù)準(zhǔn)確度高等需求,設(shè)計(jì)船舶水尺計(jì)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(cè)筒、無(wú)線攝像裝置構(gòu)成。

2.1 觀測(cè)筒設(shè)計(jì)與制作

觀測(cè)筒的作用:形成一個(gè)較為平靜的觀測(cè)水面;放置無(wú)線攝像裝置。觀測(cè)筒設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3所示,上部開(kāi)口,底部封閉并開(kāi)有阻尼小孔,一半放入水面。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,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)間需經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)與研究,得到一個(gè)合適的比例。觀測(cè)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(cè)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(cè)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(diǎn)觀測(cè)位置后,通過(guò)電機(jī)端齒輪的正反轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)其上升與下降。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證,為達(dá)到攜帶方便,精準(zhǔn)觀測(cè)的目的,最終確定該測(cè)量筒高度為50 cm、寬度為12 cm、長(zhǎng)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(cè)誤差,經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,該測(cè)量筒底板應(yīng)有半徑為1 cm的圓形阻尼孔不少于25個(gè),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(gè)。

2.2 無(wú)線攝像裝置的設(shè)計(jì)、安裝以及使用

無(wú)線攝像裝置見(jiàn)圖4。

圖4 自浮式攝像裝置

該裝置搭建于浮力平臺(tái)上,主要功能是用無(wú)線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)鍵是無(wú)線攝像鏡頭、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。無(wú)線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)。對(duì)不同參數(shù)各種型號(hào)的無(wú)線攝像裝置性能進(jìn)行比對(duì)、選取、配比,并進(jìn)行設(shè)計(jì)與安裝,使人眼從接收端讀取的就是吃水的準(zhǔn)確值。該測(cè)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(zhǎng)寬高尺寸分別為2.0、1.5和1.8 cm,由于該攝像頭浮動(dòng)于測(cè)量筒中,筒長(zhǎng)度僅12 cm,所以須帶有120°的廣角功能,確保觀測(cè)水尺有充足的畫(huà)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(wú)線微波傳輸,且發(fā)射和接收信號(hào)不受干擾,可自動(dòng)鎖定,觀測(cè)圖像清晰、穩(wěn)定。在測(cè)量時(shí),機(jī)器人將測(cè)量筒浸入海水中,外部海水經(jīng)阻尼孔進(jìn)入測(cè)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(dòng),攝像頭實(shí)物圖見(jiàn)圖3所示。由于塑料板的阻隔作用,測(cè)量筒內(nèi)海水液面較外部則相對(duì)平靜,此時(shí)攝像頭將水尺畫(huà)面?zhèn)魉椭翙z驗(yàn)員,檢驗(yàn)員則實(shí)時(shí)進(jìn)行處理。

2.3 履帶機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作

船舶水尺計(jì)重用機(jī)器人不僅需要較強(qiáng)的活動(dòng)性,而且其身上的測(cè)量筒還需對(duì)抗波浪的沖擊,所以需要較強(qiáng)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(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行改良(見(jiàn)圖5):①更換大吸力磁鐵,使其具有較強(qiáng)的抓壁能力;②根據(jù)船體的特點(diǎn)調(diào)整履帶和更換大功率電機(jī),使履帶機(jī)器人有強(qiáng)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(dòng)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(duì)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(jiàn)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(cè)量機(jī)器人向上行動(dòng)時(shí),受力分析如下。

(2)

式中:FB為電機(jī)所需驅(qū)動(dòng)力,N。

測(cè)量機(jī)器人向下行動(dòng)時(shí),X軸受力同向上行動(dòng),Y軸受力分析如下。

(3)

根據(jù)上述測(cè)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(jì)算出磁吸力和驅(qū)動(dòng)力,再據(jù)此選擇合適的磁鐵和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

3 使用方法

上述主要功能部件在分別完成設(shè)計(jì)與制作后進(jìn)行總體組裝測(cè)試。攝像裝置放于觀測(cè)筒內(nèi),觀測(cè)筒通過(guò)導(dǎo)軌與履帶機(jī)器人連接并由其帶動(dòng)。計(jì)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(cè)量筒至最佳觀測(cè)點(diǎn),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(shí)別。采用圖像識(shí)別程序方式后,水尺圖像自動(dòng)導(dǎo)入圖像識(shí)別軟件,經(jīng)軟件計(jì)算,自動(dòng)給出水尺數(shù)值,水尺讀數(shù)分析見(jiàn)圖6。操作流程見(jiàn)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(jì)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(guó)際航運(yùn)船舶。考慮到觀測(cè)船舶六面吃水,工作流程雷同,所設(shè)計(jì)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(cè)量,測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖8。

圖8 機(jī)器人測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)

具體方法如下。由2名檢驗(yàn)員開(kāi)展對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn),1名采用機(jī)器人檢測(cè)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(cè)觀測(cè)。為降低目測(cè)誤差,規(guī)定觀測(cè)時(shí)風(fēng)力不大于3級(jí),波浪不大于30 cm。目測(cè)水尺精度公制為0.01 m[6],機(jī)器檢測(cè)經(jīng)圖像處理精度公制為0.001 m。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 機(jī)器人與人工目測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)

設(shè)機(jī)器測(cè)量較人工目測(cè)方式的差異率為D。

(4)

式中:F為機(jī)器測(cè)量的值,m;E為人工目測(cè)值,m。

由表2可見(jiàn),15船次機(jī)器測(cè)量和人工目測(cè)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(jì)重的準(zhǔn)確度可在0.5%以內(nèi)要求。此外,水尺計(jì)重所用機(jī)器人裝置較傳統(tǒng)人工目測(cè)方式,效能提高30%以上。比對(duì)本次實(shí)驗(yàn)的兩種方式經(jīng)測(cè)量數(shù)據(jù)及測(cè)量耗時(shí),認(rèn)為利用機(jī)器人觀測(cè)船舶水尺是可靠和準(zhǔn)確的。

5 結(jié)論

1)船舶水尺計(jì)重所用機(jī)器人的研制和應(yīng)用,使檢驗(yàn)員在航運(yùn)船舶上實(shí)施水尺計(jì)重由傳統(tǒng)的人工作業(yè)模式向機(jī)械化、自動(dòng)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(shí)現(xiàn)全天候作業(yè)。海面波浪較大時(shí),目測(cè)水尺無(wú)法觀測(cè)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(cè)器筒內(nèi)的水面處于相對(duì)穩(wěn)定,有利于水尺準(zhǔn)確讀數(shù)。此外,較無(wú)人機(jī)、激光等觀測(cè)器可實(shí)現(xiàn)全天候作業(yè),有利航運(yùn)船舶快進(jìn)快出。

3)該機(jī)器人集成了水尺圖像識(shí)別等研究成果,在消除波浪影響的前提下,通過(guò)電子圖像代替人眼觀測(cè)水尺,實(shí)現(xiàn)圖像的準(zhǔn)確還原,避免因測(cè)量?jī)x器和船體變形本身帶來(lái)的誤差。

4)該機(jī)器人結(jié)構(gòu)輕巧,帶無(wú)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。