打造机器人版“曹冲称象”

彭赟

“曹冲称象”在中国几乎是妇孺皆知的故事。年仅六岁的曹冲，利用漂浮在水面上的物体的重力等于水对物体的浮力这一物理原理，解决了一个连许多有学问的成年人都一筹莫展的大难题，这不能不说是一个奇迹。

可在今天，面对动辄几十、上百万吨的运输量，我们又该如何来称“象”？这一切都不是问题，交给嘉兴市大工自动化技术有限公司研发的智能爬壁机器人吧。

“力不从心”的传统测量方式

截至2013年，我国港口货物吞吐量达到97.49亿吨，准确、快捷测定船舶装载的货物重量直接关系到买方、承运方、卖方等各方的经济利益，关系到港口物流的效率。

目前，全世界范围内船舶大宗商品测量大多采用人工目测船舶六面水尺的传统方式，通过测定承运船舶的吃水及船用物料，并依照船舶的有关资料和图表，测算出船舶装卸货物重量。

此类方法有多种缺陷：

第一，人工目测精度低。受风浪的限制，读数准确度相对较低。特别是沿海口岸，由于风浪较大，波浪峰谷之间相差可达1米，且无明显规则。以载重量5万吨级的散货为例，船舶TPC（每厘米的排水量）一般为60多吨，也就是多读或少读1厘米的误差是60多吨，以进口大豆每吨500美元算，1厘米的货值达到3万美元。在风浪起伏大的目测环境中，海浪波峰波谷之间落差达半米以上，人工目测精度难以达到1厘米误差范围。

第二，人工目测受气候影响大。人工目测作业如果遇到大雾、大雨天气，测量精度进一步降低，甚至不能作业，大型船舶载重量测量工作受到极大耽误。

第三，人工测量危险性大、劳动强度高。船舶吃水标记在船体外侧，5万吨级的货船满载吃水处一般离甲板10米以上。在船只抛锚的情况下，为读取吃水，计重人员（或船方大副）要从引水梯爬到吃水处读取，既有一定的危险性又不准确。在船只靠码头的情况下，船舶内侧由于船体的阻挡，风浪相对较小，计重人员可以在码头读取吃水，但是眼睛无法平视，会产生较大视觉误差。读取外侧吃水时，计重人员必须另外再乘小船到大船外档目测吃水，会增加很大费用，同时给目测人员带来危险因素。

第四，人工测量效率低。无论是人工观测吃水，还是后续的根据船舶参数进行重量计算，费时费力，不能满足港口物流高效要求。

鉴于以上因素，急需开发智能化的船舶大宗商品载重测量系统。

机器人来“对症下药”

由于传统的测量方式存在多种固有的缺陷，已经逐渐无法满足现实需求，基于智能爬壁机器人技术的船舶大宗商品载重测量系统正是针对这一现状的一剂“良药”。

抗海浪型吃水观测系统。观测系统包括观测筒和摄像装置，其作用有两个：一是形成一个较为平静的观测水面，二是放置无线机器视觉装置。抗海浪观测筒设计为上部开口底部封闭并开有阻尼小孔，一半放入水面下，既要使观测筒里面取得相对平静的水面，又要使筒内的水面高度与外部的平均高度一致。这就需要对阻尼小孔尺寸、观测筒内外的液位高度差和延时时间经过反复的试验与研究，得到一个合适的比例。机器视觉装置能够利用摄像与接收装置代替人眼观测，消除视觉误差，使人不用攀爬或乘坐小船便可以读取数据。其录像功能使吃水值随时可以还原，解决吃水值读数的纠纷。读数准确的关键是摄像镜头、观测筒内的水面与水尺标记在同一水平面上，对应的水尺标记值才是吃水的准确值。摄像装置要求重量轻、体积小、自带电源、抗干扰能力强、无线传输距离长。

船体爬壁机器人。如何将观测系统放入到指定的地点是爬壁机器人研究的重点。我们知道，船体外表面基本垂直又略有弯曲，要求爬壁机器人能在这样的环境下，在其表面升降自如。观测人员通过控制器使机器人到达指定的地点观测船舶吃水。由于观测装置深入到海水内，受波浪、潮水的冲击力较大，本身也有一定的重量，对升降装置要进退自如又要有较高稳定性。机器人携带摄像装置靠近水线附近采集图像，是整个项目的关键点之一，其设计内容主要包含：永磁吸附动力学模型的构建、电传动系统设计、跨越障碍物机械结构设计、防水抗压结构设计和控制系统等。船体爬壁机器人的控制系统。系统需要完成机器人电源供给、姿态稳定、运动控制、图像采集等动作。控制系统的中央处理单元采用高速DSP芯片，运动控制单元采用驱动和控制一体化设计增强系统实时性和可靠性，图像采集单元采用双RAM循环存储设计完成图像的提取和缓存。

水尺图像自动解读系统。根据观测到的吃水图像，通过研发图像识别软件，自动识别摄像系统读取的吃水值，结合储存的船舶资料库与载重量计算方法，得到当时船舶装载货物的重量。

这种新型船舶大宗商品载重测量装置是国内外行业内第一套自动化货物载重测量装置，技术难度高，创新型要求高，突破多项关键技术和创新点，也需要很强的前期技术积累。新装置使用机器人自动进行载重测量，能够降低浪涌影响、采集水尺图像、判读水尺数据、保存和回放水尺数据，解决了人工水尺读取作业中长期存在的难题，包括精度差、劳动强度高、危险性强、数据不能保存等。

（作者单位：嘉兴市大工自动化技术有限公司）endprint