船舶腐蚀检修无人机的设计＊

于朋涛，施鑫煜，卓宏明

（浙江国际海运职业技术学院，浙江 舟山316021）

1 设计背景

海洋运输是现代对外经济贸易发展的基石，大型海洋运输船舶作为海运事业的主要工具，做好船舶维修防护工作，保障船舶运输安全是保证海运事业持续健康发展的基础。因工作条件的特殊性，大型海洋运输船舶长期处于高腐蚀性环境中，海水的盐度、盐雾、海面水汽以及温度等因素都促使船体和船上设备处于较高腐蚀速率状态。腐蚀损伤不仅会降低船舶结构的强度，还会影响船舶上设施设备的正常使用，直接影响到船舶的安全性和可靠性[1]。

为应对腐蚀威胁，在腐蚀损伤出现初期，能及时确定腐蚀位置并采取强有力的腐蚀处理与控制措施从而使腐蚀处于可控状态，对保证船舶结构和设备安全性就显得非常重要。根据船舶的腐蚀预防控制工艺要求，确定具体腐蚀位置后，完全清除腐蚀产物和腐蚀痕迹，然后视情况喷涂防腐涂层以形成对腐蚀部位的防护。因大型船舶外部船体和甲板上层建筑高度的限制，现阶段的腐蚀部位检查、腐蚀打磨和防腐涂层的喷覆工作通常需要搭设大型梯架或者通过大型吊车吊挂吊篮的方式人工进行，不仅花费时间和资金巨大，工作效率低，此外腐蚀打磨和防腐油漆喷涂工作对人体健康危害性较大，高空作业危险系数高，环境危害大[2]。

为了解决以上问题，基于无人机操作简便、可靠性高、抗风能力强、可空中精确悬停等优势，设计一款大型船舶腐蚀检修无人机，在无人机平台搭载不同的工作模块，可实现大范围的船舶腐蚀部位检查、重点腐蚀区域的腐蚀产物和腐蚀痕迹清除以及防腐剂喷覆功能，具有成本低、便捷、高效和环境适应好等优势。

2 船舶腐蚀检修无人机的整体设计

本方案设计的船舶腐蚀检修无人机是由同一个无人机平台分别搭载3个工作模块——腐蚀检查模块、腐蚀打磨模块和防腐涂层喷涂模块分别执行智能腐蚀检查功能，环保腐蚀打磨功能以及高效涂层喷敷功能，从而实现通过在单一无人机平台上搭载不同的工作模块，执行完整的船舶腐蚀检修功能，如图1所示。

图1 船舶腐蚀检修无人机结构示意图

2.1 无人机平台

基于工作性质的任务要求，无人机平台需具有机体尺寸较大、载重能力强、飞行稳定可靠、可进行飞行航线规划等特性，与行业内成熟应用的植保机特性相似。因此本设计的飞行平台借鉴了植保机的设计特点，飞行平台为6轴式、短机臂以及长螺旋桨直径的设计，既降低了自身质量，又保证了充足的载重余量，最大轴距1800mm，最大载重为20kg，并配备可收放式脚架；在原来无人机基本机体构造的基础上，为了便于安装及更换不同的任务模块，对无人机电池下底板处进行加固改装并增加快拆机构，每个模块的盒体上方设置配套的安装扣，根据实际工作需求可快速更换无人机底板上搭载的工作模块；在滞空时间方面，配备18000mAh电池时，可空载飞行约25min。

在飞行稳定性方面，标配D-RTK，可实现厘米级定位功能，具有较强的抗风性能；在飞行可靠性方面，搭载全向数字雷达系统，可对全向障碍物进行识别并将障碍数据实时回传，同时具备自动绕障及仿地飞行功能，具有优异的船舶上层结构适应性，可充分保障作业安全，此外雷达运作不受环境光线及尘土影响，可全天候感知飞行环境[3]；无人机还配备由云台搭载的实时图像监控系统，确保地面人员可以对飞机周边环境进行实时感知。

为了提高无人机工作效率增加滞空作业时间，在无人机的机载电源上增加降压/稳压以及滤波功能模块，使无人机具有系留供电功能。系留供电系统可以将地面交流电由整流模块整流为直流电后通过系缆传输到机载电源模块，变换为无人机以及任务载荷的供电电源，弥补无人机机载电池供电时间短的缺陷。无人机本身搭载的电池可作为应急情况下的备用电源，在出现应急情况时，可通过机载电池实现应急返航或着陆。在机载供电的基础上，增加系留供电功能，满足大型船舶腐蚀检修过程中长时间工作的要求。本方案设计的无人机搭载的变压整流模块设计如图2所示。

图2 无人机变压整流模块设计

2.2 地面控制中心

基于大型船舶上层建筑复杂的现场环境条件，腐蚀检修无人机的大部分作业时间是在目视范围之外完成的，为了更高效、安全地控制无人机执行飞行作业，在遥控操作的基础上增加了地面控制中心装置。针对飞行平台的飞行控制，操控人员将船舶的三维结构信息导入地面控制中心，将船舶结构尺寸整合到无人机三维飞行坐标系中，按照重点检查部位关系合理编制航线规划，实现检查过程的智能化飞行。飞行过程中平台的实时数据通过下行数据链回传进行监测，监控人员与飞行操作人员分工协作，有效处理突发事件。

此外，地面控制中心还可以接收各个功能模块回传的工作数据，监控人员根据回传数据能够实时监控并视情调整作业任务。工作图像和数据自动导入控制中心运算服务器备份存储并进行进一步的分析检测。

2.3 腐蚀检查模块

在无人机平台的下底板通过快拆结构挂载一个二轴增稳云台，云台下挂载增强机器视觉系统，包括照明、镜头、相机等功能模块，同时安装有5G信号传输设备实现高清图像及时传输。无人机在执行腐蚀检查功能时，利用机载图像采集系统按照规划的检查路径或者根据地面操控人员指令对拟巡检区域进行全景拍摄，实时采集图像内容。云台不仅能够降低相机抖动，同时还能补偿飞行姿态的变化，增强图像信息的稳定性。

5G信号传输设备将采集的高清图像下传到地面控制中心。船舶检验人员可以在任意场景下，在终端观看通过5GCPE接收到的高清VR全景信号呈现的清晰实时内容，根据检查经验进行腐蚀损伤判断并进行重点标记。此外，图像信号也同时到传送给地面图像处理系统，进行全景影像处理，检测软件系统根据影像目标特征进行检测、分析、计算然后自动打印输出本次飞行的检测结果。同时基于积累的目标特征数据库进行机器学习深度开发，通过大数据功能使机器视觉系统更加智能，逐步提高检测效率和准确性。检测软件作为人工目视检测的补充，可以大大降低检测人员的劳动强度，提高检测效率。

2.4 腐蚀打磨模块

腐蚀打磨模块由双出轴电动机、打磨轴回转推进控制机构、小型伺服电机及其驱动的打磨轴控制凸轮、柔性刀头、粉尘回收装置组成，如图3所示。双出轴电动机可通过电子调速器调节电机转速，电机右侧输出轴通过联轴器驱动打磨轴转动，左侧输出轴通过联轴器驱动粉尘回收装置内部的吸尘器风扇转动。

图3 腐蚀打磨模块结构示意图

打磨轴回转推进控制机构中的打磨轴采用滚珠花键轴式设计，双出轴电动机通过联轴器连接外筒主体，外筒主体通过钢球将扭矩传递到花键轴，花键轴一端连接凸轮，另一端为柔性磨轮端头，如图4所示。

图4 滚珠花键轴设计示意图

执行打磨工作时，为克服空中无人机的定位误差及大风影响造成无人机与打磨面的距离变化，影响打磨效果，腐蚀打磨模块设计有打磨轴伸长量智能控制模块。无人机平台打磨侧安装有超声波传感器，可以实时测量无人机与打磨部位的距离，单片机接收距离信号及其变化量后分析计算打磨轴伸长量，输出控制信号控制推进伺服电机转动一定的角度，伺服电机带动的凸轮驱动打磨轴伸出对应的补偿量，通过回转推进机构实现在不影响打磨轴回转的情况下伸出量实时控制。打磨轴伸长量的智能控制实现无人机在空中出现小幅晃动的情况下，磨轮刀头能够始终贴紧打磨面不会影响打磨效果，其工作流程如图5所示。

图5 打磨伸长量控制示意图

打磨驱动轴端部安装有由弹性复位原件连接的柔性磨轮刀头，可实现磨轮安装板倾斜旋转，从而使磨头可以与倾斜面贴合，保证打磨效果。无人机平台下底板挂载打磨粉尘回收装置，在打磨头旁边设计有柔性喇叭口，电机带动回收装置内风扇高速旋转时，打磨产生的粉尘由喇叭口吸入后通过导管进入回收箱，实现打磨粉尘的回收。电机和粉尘回收箱放置在一个盒体内，便于快速安装到无人机底板。

2.5 防腐剂喷涂模块

防腐喷涂模块由涂料箱、齿轮泵、伺服电机、喷涂杆和可控喷头等部件构成，如图6所示。伺服电机经减速器及联轴器与齿轮泵相连，可接收地面控制信号控制齿轮泵转速，实现大范围内自由调速，达到喷涂流量控制的目的。喷涂杆末端与喷头的连接件为柔性可回转件设计，由伺服舵机控制喷头回转方向。地面操作人员根据回传的喷涂情况可遥控控制喷头摆动幅度及喷涂流量，确保防腐涂料喷敷的均匀性，达到良好的喷敷效果。机载涂料箱可一次装载约15L防腐涂料，涂料箱、齿轮泵和电机放置在一个盒体内，便于通过快拆机构安装到无人机下底板。

图6 防腐喷涂模块结构示意图

3 船舶腐蚀检修无人机的特点

3.1 实现无人机与5G+VR的融合设计

当无人机搭载全景高清摄像头对船体外部和甲板上层建筑进行巡检时，利用5G图像传输技术，后台多名技术人员可以以第一视角画面看到、甚至“摸到”具体的腐蚀部位，提高了检验效率和质量，避免了单一检查人员的人为疏忽。同时可将检查图像自动进行存档保留，对重点监控区域不同时间段的检查图像进行对比，确定腐蚀发展过程，提升对腐蚀过程的认识。此外，可以利用深度学习开发基于颜色和表面状况特征以及单目视觉的检测方法，利用人工智能实现腐蚀部位自主巡检，进一步提高检测质量和效率。

3.2 实现无人机+腐蚀打磨模块融合设计

本设计的无人机可以搭载利用双出轴电动机分别驱动的打磨磨轮和吸尘器，在执行腐蚀打磨的同时吸尘器可将打磨废屑和粉尘吸入无人机搭载的收集箱，具有较好的环保性和环境友好性。此外，无人机上预留系留接口，当执行大范围打磨工作时可利用地面电源供电，实现空中长时间停留，降低打磨成本，提高打磨效率。

3.3 实现无人机+防腐涂层喷涂模块融合设计

本设计的无人机搭载的由齿轮泵驱动的防腐涂层喷覆模块，齿轮泵对防腐涂料做功增压并进行流量控制，喷涂喷头可遥控转向控制，实现防腐涂层喷覆功能。此外，防腐涂料箱预留外接接口，当进行长时间喷涂作业时，可通过地面传输供料，以节省防腐剂地面充装时间，增长空中停留时间。

3.4 实现基于无人机平台+功能模块的整体设计

上述3个功能模块可利用快拆装置分别搭载于同一无人机平台上，可根据现实需要进行功能快速切换，以增强设备适应性，节约设备费用，提高设备利用率。

4 船舶腐蚀检修无人机的应用前景

本文设计的船舶腐蚀检修无人机可大幅提高腐蚀检查效率，降低检修成本，同时具有更好的环境适应性。可广泛应用于大型远洋运输货船在海上运输过程中的检修，检查船体周围以及甲板上层建筑，当发现重点区域发生腐蚀损伤后，可利用无人机平台搭载打磨模块进行腐蚀清除及清除后检查，并视情更换防腐喷涂模块后进行涂层喷覆。船舶修造企业当需要执行大范围检修时，可运用无人机上的系留接口，由地面电源供电，提高无人机的滞空时间。