一种船舶双曲率外板空间定位标记方法及其标记装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种船舶双曲率外板空间定位标记方法及其标记装置，其方法包括以下步骤：1)在计算机上建立船舶的坐标原点信息；2)将爬行智能车的理论爬行路径以及船舶双曲率外板上需要标记的点的空间坐标输入给爬行智能车；3)爬行智能车吸附在船舶双曲率外板上并在船舶双曲率外板上爬行并做出修正；4)爬行智能车在船舶双曲率外板上做出标记。其装置包括计算机、空间定位装置、爬行智能车、安装在爬行智能车上的吸附机构、标记机构。本发明实现了爬行智能车在复杂双曲率外板上的吸附、爬行、标记功能，依托空间定位技术，实时监控爬行智能车姿态，修正偏差，保证爬行智能车爬行路线不发生较大偏差。
【专利说明】一种船舶双曲率外板空间定位标记方法及其标记装置
【技术领域】
[0001] 本发明属于爬行智能车领域，更具体地，涉及一种空间定位标记装置及其标记方 法。
【背景技术】
[0002] 由于船舶体积庞大以及分段集成式建造方法，船舶在整体对接之后，针对船舶双 曲率外板的相关操作处理，譬如，船舶在建造过程中需要在船舶双曲率外板的一些特定位 置标记后加装设备；目前这些特定位置的坐标只存在于计算机中，并没有在船舶双曲率外 板上标识出来；工人需要先在计算机上获取船舶双曲率外板上这些坐标的信息后，再攀爬 到指定区域对指定点进行操作，难度极大，效率低下。
[0003] 目前公开的相关技术主要集中在不具备偏差修正的平面爬行机器人以及少量的 曲面管道爬行机器人。中国发明专利说明书CN201410072707中公开了一种应用于管道曲 面爬行的机器人。该机器人利用压电晶体在交变电压作用下产生周期性机械变形，即周期 性伸长和缩短，利用人体向上爬进管道的原理，压电叠堆执行器的一伸一缩实现机器人的 行进，实现竖直方向爬行。文献《船舶除锈爬壁机器人设计方案研宄》中，相关研宄人员提 出了双履带磁吸附机械车结构，磁条布置在履带上，采用交流伺服电机、减速机对角布置， 产生驱动力驱动机械车在船体表面行走。
[0004] 以上两种爬行机器人具有较强的代表性，实现了机器人的爬行功能。然而，专利 CN201410072707公开的管道机器人实现爬行智能车管道内侧竖直爬行，不具有横向、斜向、 管道外侧的爬行功能，同时采用压电晶体作为吸附驱动装置，爬行效率不高。《船舶除锈爬 壁爬行智能车设计方案研宄》提出的爬行机器人为一个试验样机，可实现简单的爬行功能， 但未实现自动化。同时，机器人在爬行过程中存在爬行误差，以上相关发明研宄未设计相关 纠偏的设计。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种船舶双曲率外板空间定 位标记方法及标记设备，爬行智能车能够在船舶双曲率外板上自动爬行、标记，并根据空间 定位自主修正理论爬行路径直到爬到指定点进行操作。
[0006] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种船舶双曲率外板空间定位 标记方法，包括以下步骤
[0007] 1)、在计算机上建立坐标系，用于获取船舶双曲率外板上的爬行智能车的空间坐 标及船舶双曲率外板上需要标记的点的空间坐标信息；
[0008] 2)、将爬行智能车的理论爬行路径以及船舶双曲率外板上需要标记的点的空间坐 标输入给计算机，由计算机传给爬行智能车，爬行智能车的控制系统自动解析成机器语言， 所述机器语言包括标记触发信号、位移和指向角关系曲线、线速度和角速度关系曲线或线 加速度和角加速度关系曲线；
[0009] 3)、爬行智能车吸附在船舶双曲率外板上并在船舶双曲率外板上爬行，爬行智能 车上的信号发射器间隔发射信号，信号接收器接收信号并传送给计算机，计算机解析成爬 行智能车的空间坐标并将此空间坐标发送给爬行智能车，爬行智能车上的控制系统根据从 信号接收器上接收的空间坐标信息与步骤2)设定的理论爬行路径比较，对爬行智能车的 运动轨迹做出修正，以实现爬行智能车的定位和纠偏；
[0010] 4)、爬行智能车通过爬行和修正，运动到需要标记的空间坐标位置，计算机发送标 记触发信号给爬行智能车，爬行智能车上的控制系统触发爬行智能车工作，爬行智能车在 船舶双曲率外板上做出标记。
[0011] 一种标记设备，包括计算机、空间定位装置、爬行智能车、安装在爬行智能车上的 吸附机构、标记机构，其中
[0012] 爬行智能车，包括车体，车体上安装有两个以上的用于车体前进的车轮，每个车轮 分别通过一电机驱动其旋转；
[0013] 吸附机构，用于使爬行智能车吸附在船舶双曲率外板上；
[0014] 标记机构，用于在船舶双曲率外板上做出记号；
[0015] 计算机，用于获取船舶双曲率外板上的爬行智能车的空间坐标及船舶双曲率外板 上需要标记的点的空间坐标信息；
[0016] 空间定位装置，包括信号发射器和信号接收器；信号发射器安装在车体上，其数量 为两个以上，用于向信号接收器发送信号；信号接收器与计算机相连接，其数量为三个以 上，用于接收两个信号发射器发出的信号。
[0017] 优选地，所述车体上安装有一个以上的能在船舶双曲率外板上行走的万向轮。
[0018] 优选地，所述万向轮与船舶双曲率外板之间存在间距。
[0019] 优选地，所述标记机构包括喷漆罐和舵机，所述喷漆罐上设置有喷嘴，所述喷嘴上 连接有导漆管，车体上安装设置有通孔，导漆管穿装在车体的通孔处，舵机通过转轴安装有 能通过转动来按压喷嘴的舵臂，舵臂的一端到转轴中心的距离大于另一端到转轴中心的距 离，舵臂上到转轴中心距离较大的一端在转轴转动时能按压喷嘴。
[0020] 优选地，所述吸附装置为磁铁，磁铁安装在车体上或安装在车轮上。
[0021] 优选地，所述电机上连接有编码器。
[0022] 优选地，所述信号接收器的数量为三个，所述三个信号接收器分布在一正三角形 的三个顶点上。
[0023] 优选地，所述信号接收器的数量为四个，所述四个信号接收器分布在一正方形的 四个顶点上。
[0024] 优选地，所述信号发射器排列在一条与车体前进方向平行的直线上。
[0025] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有 益效果：
[0026] 1)本发明可实现船舶建造过程中在船舶双曲率外板上的自动化标记。
[0027] 2)本发明实现了爬行智能车在复杂双曲率外板上的吸附、爬行、标记功能，依托空 间定位技术，实时监控爬行智能车姿态，修正偏差，保证爬行智能车爬行路线不发生较大偏 差。
[0028] 3)由于爬行智能车采用两个车轮驱动的方法，运动灵活，爬行速度快，有效保证工 作效率，同时配合空间定位装置实现偏差矫正，满足建造过程中对标记点的精度要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0029] 图1是按照本发明中爬行智能车的示意图；
[0030] 图2是按照本发明中爬行智能车的仰视图；
[0031] 图3是按照本发明的标记机构的结构示意图；
[0032] 图4是按照本发明中空间定位装置的工作示意图；
[0033] 图5是按照本发明中空间定位装置进行爬行智能车姿态纠正时的原理示意图。
【具体实施方式】
[0034] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0035] 如图1?图5所示，一种标记设备，包括计算机、空间定位装置、爬行智能车13、安 装在爬行智能车13上的吸附机构5、标记机构，其中爬行智能车13包括车体1，车体1上安 装有两个以上的用于车体1前进的车轮2,每个车轮2分别通过一电机3驱动其旋转；吸附 机构5用于使爬行智能车13吸附在船舶双曲率外板15上；标记机构用于在船舶双曲率外 板15上做出记号；计算机用于获取船舶双曲率外板15上的爬行智能车13的空间坐标及船 舶双曲率外板15上需要标记的点的空间坐标信息；空间定位装置包括信号发射器14和信 号接收器12,所述信号发射器14安装在车体1上，其数量为两个以上，这些信号发射器14 排列在一条与车体1前进方向平行的直线上，用于向信号接收器12发送信号；所述信号接 收器12与计算机信号连接，其数量为三个以上，用于接收两个信号发射器14发出的信号。
[0036] 本发明所要解决的技术问题主要包括以下两点：
[0037] 1.设计能够在船舶双曲率外板15上自由爬行标记的爬行智能车13 ;
[0038] 2.设计空间定位装置，实时监控爬行智能车13的姿态，与爬行智能车13上的控制 系统通讯，纠正路径偏差；
[0039] 爬行智能车13的驱动方式为两个车轮2驱动，即车体1依靠两个车轮2来带动前 进，车体1的转向方式通过两个车轮2的差速来实现转向，车体1的前后分别布置有一万向 轮4,前后布置的万向轮4提供支撑作用，吸附机构5的吸附方式采用磁吸附，标记装置的标 记方式为喷漆标记。
[0040] 所述车体1上安装有一个以上的能在船舶双曲率外板15上行走的万向轮4,本发 明优选为两个万向轮4,分别布置于车体1前后两端，起支撑车体1作用。所述万向轮4与 船舶双曲率外板15之间存在间距，即万向轮4悬挂在车体的底盘上，这是为了适应船舶外 板存在焊缝凸起等不平滑的情况。
[0041] 参照图3,本发明的标记机构优选为一高压灌装自动喷漆结构，其包括喷漆罐7和 舵机8,所述喷漆罐7上设置有喷嘴，所述喷嘴上连接有导漆管10,车体1上安装设置有通 孔，导漆管10穿装在车体1的通孔处，能从通孔处向船舶双曲率外板15上喷漆。舵机8通 过转轴安装有能通过转动来按压喷嘴的舵臂9,舵臂9的一端到转轴中心的距离大于另一 端到转轴中心的距离，舵臂9上到转轴中心距离较大的一端在转轴转动时能按压喷嘴，从 而使导漆管10喷出漆。爬行智能车13到达标记位置后，计算机向舵机8发送标记信号，标 记信号触发舵机8工作，喷漆罐7的头部用导漆管10将油漆从车体1上的通孔处喷出，喷 到船舶双曲率外板15上实现标记。其中标记机构通过螺钉固定在车体1上。舵机8由微 控制器输出20ms周期的宽度Ims至2ms的脉冲进行控制，脉宽对应舵臂9的转角，需要喷 漆时，由微控制器控制舵臂9转过一定角度，压按喷嘴喷漆，然后喷嘴迅速恢复。
[0042] 作为另一种优选，标记机构也可采用电喷印技术，此种情况下标记机构包括电喷 组件，通电后电喷组件的喷头向船舶双曲率外板15上喷漆。或者，标记机构也可采用线性 电机与标记笔结合的结构，线性电机驱动标记笔移动在船舶双曲率外板15上做上标记。
[0043] 爬行智能车13上的电路控制装置包括微控制器、惯性传感器组成，电路控制装置 通过螺钉固定在车体1上，其控制算法包括：
[0044] 1)运动规划：这部分将运动控制指令合理地规划解算为车体1将执行的线速度和 角速度序列。
[0045] 2)电机3的闭环控制：这部分通过编码盘和角速度传感器的反馈值对电机3进行 闭环控制，完成对线速度和角速度序列的准确执行。PID算法成熟可靠，适用本发明，实际中 PID算法将退化为PI算法。
[0046] 3)惯性传感器的数据融合、姿态估计和修正：这部分将惯性传感器的数据解算、 估计为描述车体1姿态的物理参量，并通过对线速度和角速度的控制进行姿态修正。
[0047] 作为一种优选，吸附装置为磁铁，磁铁可以为一整块，也可以由多个小块排布在车 体1上，以用于提供足够的吸附力，使爬行智能车13不易从船舶双曲率外板15上掉落；或 者，也可以将磁铁设计成环形，其嵌套在车轮2的轮毂外，以提供吸附力；作为其它选择，吸 附装置也可以采用真空吸附结构、或者吸盘吸附结构等吸附方式提供吸附力。
[0048] 空间定位基本上是基于距离的几何计算。信号接收器12的数量优选为三个，这三 个信号接收器12分布在一正三角形的三个顶点上。信号发射器14优选为两个，这两个信 号发射器14排列的直线与车体1前进的方向一致。空间定位装置技术方案是这样实现的， 两个信号发射器14作为移动部件，搭载于被定位的爬行智能车13的车体1上，二者分别安 装在车体1的前部和后部，二者连线与爬行智能车13的车体1前进方向平行，每一个信号 发射器14用于定位爬行智能车13位置，同时根据两个信号发射器14的连线可以得到爬行 智能车13的当前姿态17 ;三个信号接收器12作为固定端，安装于支架11上，用于接收信 号发射器14发射的超声波，通过控制程序将接收信号解析成为距离信号；三个信号接收器 12将距离信号传输给计算机，即可将信号发射器14的位置解析成坐标信号，即确定爬行智 能车13的空间坐标与姿态，实现爬行智能车13定位。参照图5,具体来讲，确定爬行智能车 13的姿态，是依靠两个信号发射器14的空间坐标来实现的，两个信号发射器14所在的空间 坐标确定一条直线，该直线的方向即能表示出爬行智能车13的姿态；爬行智能车13在船舶 双曲率外板15上爬行时，当爬行智能车13从C位置爬行到D位置，直线的方向改变，即爬 行智能车13的姿态也改变。计算机不断地将所在位置的直线方向与输入其内的爬行智能 车13的理论爬行路径16进行比较，以使爬行智能车13能够在设定的理论爬行路径16上 行走。如果D位置的姿态与设定的理论爬行路径16上的爬行智能车13姿态不符，则车轮 2进行转向，以使D位置的姿态符合理论爬行路径16上的姿态，这样来实行爬行智能车13 姿态的纠正。
[0049] 以测定其中一个信号接收器12的坐标为例，假设已知三个信号接收器坐标分别 为（Xl， yi，Zl)、（x2, y2, Z2)、（x3, y3, Z3)，信号发射器14位置坐标设为（xa，ya，za)，显然，当信号 发射器14发送一次超声波信号时：
[0050] 每个信号接收器12测得其与其中一个信号发射器14的距离分别为S1、S2、S3,显 M .
【权利要求】
1. 一种船舶双曲率外板空间定位标记方法，其特征在于：包括w下步骤 1)、在计算机上建立坐标系，用于获取船舶双曲率外板上的爬行智能车的空间坐标及 船舶双曲率外板上需要标记的点的空间坐标信息； 2)、将爬行智能车的理论爬行路径W及船舶双曲率外板上需要标记的点的空间坐标输 入计算机，由计算机传给爬行智能车，爬行智能车的控制系统自动解析成机器语言，所述机 器语言包括标记触发信号、位移和指向角关系曲线、线速度和角速度关系曲线或线加速度 和角加速度关系曲线； 3) 、爬行智能车吸附在船舶双曲率外板上并在船舶双曲率外板上爬行，爬行智能车上 的信号发射器间隔发射信号，信号接收器接收信号并传送给计算机，计算机解析成爬行智 能车的空间坐标并将此空间坐标发送给爬行智能车，爬行智能车上的控制系统根据从计算 机上接收的空间坐标信息与步骤2)设定的爬行智能车的理论爬行路径比较，对爬行智能 车的运动轨迹做出修正，W实现爬行智能车的定位和纠偏； 4) 、爬行智能车通过爬行和修正，运动到需要标记的空间坐标位置，计算机发送标记触 发信号给爬行智能车，爬行智能车上的控制系统触发爬行智能车工作，爬行智能车在船舶 双曲率外板上做出标记。
2. -种标记设备，其特征在于；包括计算机、空间定位装置、爬行智能车、安装在爬行 智能车上的吸附机构、标记机构，其中 爬行智能车，包括车体，车体上安装有两个W上的用于车体前进的车轮，每个车轮分别 通过一电机驱动其旋转； 吸附机构，用于使爬行智能车吸附在船舶双曲率外板上； 标记机构，用于在船舶双曲率外板上做出记号； 计算机，用于获取船舶双曲率外板上的爬行智能车的空间坐标及船舶双曲率外板上需 要标记的点的空间坐标信息； 空间定位装置，包括信号发射器和信号接收器；信号发射器安装在车体上，其数量为两 个W上，用于向信号接收器发送信号；信号接收器与计算机相连接，其数量为S个W上，用 于接收两个信号发射器发出的信号。
3. 根据权利要求2所述的一种标记设备，其特征在于：所述车体上安装有一个W上的 能在船舶双曲率外板上行走的万向轮。
4. 根据权利要求3所述的一种标记设备，其特征在于：所述万向轮与船舶双曲率外板 之间存在间距。
5. 根据权利要求2所述的一种标记设备，其特征在于：所述标记机构包括喷漆罐和驼 机，所述喷漆罐上设置有喷嘴，所述喷嘴上连接有导漆管，车体上安装设置有通孔，导漆管 穿装在车体的通孔处，驼机通过转轴安装有能通过转动来按压喷嘴的驼臂，驼臂的一端到 转轴中屯、的距离大于另一端到转轴中屯、的距离，驼臂上到转轴中屯、距离较大的一端在转轴 转动时能按压喷嘴。
6. 根据权利要求2所述的一种标记设备，其特征在于；所述吸附装置为磁铁，磁铁安装 在车体上或安装在车轮上。
7. 根据权利要求6所述的一种标记设备，其特征在于；所述电机上连接有编码器。
8. 根据权利要求2所述的一种标记设备，其特征在于：所述信号接收器的数量为=个， 所述=个信号接收器分布在一正=角形的=个顶点上。
9. 根据权利要求2所述的一种标记设备，其特征在于：所述信号接收器的数量为四个， 所述四个信号接收器分布在一正方形的四个顶点上。
10. 根据权利要求2所述的一种标记设备，其特征在于：所述信号发射器排列在一条与 车体前进方向平行的直线上。
【文档编号】G05D3/12GK104460694SQ201410531653
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年10月8日 优先权日:2014年10月8日
【发明者】赵耀, 赵晋, 胡昌成, 马向峰 申请人:华中科技大学