大型船舶船体清洁机器人

特别设计的机器人爬行器围绕着船只的水下部分导航，以去除那里聚集的生物膜层。作为一款电池驱动的自动驾驶汽车，零部件的选择是设计和制造的关键。

有毒油漆被用于大型船舶的底部，以防止污垢，即当生物膜层形成时，降低船舶在水中移动的效率。有毒油漆不断地将铜和其他重金属吸进水下环境，对生活在那里的生物造成损害。更复杂的是，油漆必须每5到10年更换一次，而此时会产生大量的有毒废物，需要进行处理。如果一艘船的水下表面干净，没有污垢，即使是很薄的生物膜层，它的运行效率也会大大提高，仅在燃料成本方面就可以轻松节省超过5%的成本。如果不担心污垢，船舶的水下涂层可以被设计为防腐和长寿，而不是消除潜在的生物污垢。如果世界上所有的船舶都能实现节能，那么温室气体的排放也会大大减少。

为了消除对有毒油漆及其清洁废物的要求，需要一种方法来“清理”船只水下部分的生物膜。这个想法是为了对建造的船只和环境做出重要的改变。这就是HullBUG (Hull Bioinspired Underwater Grooming)概念的起源。海洋机器人研究工程师Kenneth Holappa博士表示:“HullBUG最重要的特点是它的体积小。”“它只有大约半米长。这是一个必要的设计特征，需要允许车辆在车身的弯曲表面上机动，同时继续保持与表面的密切接触。

因为在水下和港口环境中操作这样的设备有危险，偶尔会有HullBUG在操作过程中丢失或破坏。保持系统的规模和成本低肯定有助于消除作为实施的主要障碍的损害。因此，从项目一开始，小尺寸和低成本就被认为是HullBUG项目顺利实施的关键。正如可以预期的，这需要保持一个特定的尺寸和重量过滤到选择的每个组件的设计。

运动控制组件
驱动HullBUG的电机的选择涉及许多关键的工程约束和妥协。SeaRobotics公司决定制作两个基本模型，一个有轮子，一个有轨道，并提供了几个选项来跟踪系统的进展，这将在稍后讨论。例如，电动机的尺寸需要对所制造设备的功率、速度和扭矩特性进行计算估算。决定因素包括在船体表面推动清理工具所产生的阻力、船体在水中移动时的水动力阻力、用于保护发动机不受盐水侵蚀的轴封的摩擦损失、履带或车轮的摩擦力取决于使用的是哪个版本的装置。

经过广泛的组件研究，我们选择使用maxon电机和齿轮头，”Ken说。“他们的电机不仅提供了非常经济有效的解决方案，而且非常高效，非常简单。”公司采用EC平面电机与行星齿轮头。履带版本的HullBUG使用了两个电机(EC45扁平30W + GP42C)(每个履带一个)，轮式版本需要四个扁平电机(每个车轮一个)。在梳理工具中增加了一个EC Flat电机(EC45 Flat 30W +GS45A)。那台电动机用一个简单的正齿轮减速。一个最终的电机(EC90平面)，直接连接，用于负压附件装置，保持HullBUG在适当的地方。

maxon电机提供全系列的分数马力移动线圈直流电机和无刷电机，尺寸从6mm到90mm，从30兆瓦到500瓦。他们也提供齿轮头，控制器和配件。Ken说:“他们产品线的广度和服务质量让我们觉得选择了正确的合作伙伴。”由maxon精密电机制造的扁平电机，由于其低外形的包装，使用寿命长。整个EC系列的无刷电机是电子换向，这使他们有极长的电机寿命，因为没有机械刷磨损。电机采用球轴承或红宝石轴承，这也增加了电机的寿命，特别是在这样恶劣的条件下需要。扁平电机是专门为机器人应用设计的，在这些应用中，尺寸和重量是重要的选择标准。为HullBUG选择的EC45扁平电机是非常有效的，重量只有75克。连续输出功率为30瓦，而最大速度为10,000 rpm(比这个应用程序所需的速度快得多)。这个应用程序的重要规格是扭矩。 Even under the potentially harsh environments that the HullBUG would be engaged in, the EC45 offered a maximum continuous torque up to 56.2 mNm depending on the winding chosen by the user. The Maxon brushless motors are built to IP54 standards, which was important to the application. Furthermore, the motors were also available in the system voltage that SeaRobotics required for the HullBUG application.

根据Ken的说法，“GP42齿轮头的轴的大负载能力允许车轮直接安装到齿轮头轴上，大大降低了系统整体设计的复杂性。”由maxon制造的齿轮头可在广泛的比率，以增强减速和/或扭矩倍增取决于用户的应用需求。同心输入和输出有助于更简单和更直接的安装安排，以及。

考虑到HullBUG车辆将是完全自主的，它必须设计成可以在电池上运行数小时(电缆会妨碍清理操作)。为了最大限度地延长电池寿命，必须以最有效的方式清理生物膜。例如，以随机模式导航可能最终会完成任务，但不是在合理的时间内。另外，一艘典型的船的水下面积很大，通常高达三千平方米。为了保持这一区域的整洁，预计用户将使用多个HullBUG车辆同时操作，因此，需要一种获取复杂的协调导航的方法。

在HallBUG
一个导航模式的工具集已经被创建，允许多个HullBUGs通过划分船舶的水下表面区域来有效地梳理船舶。大量的算法已经被纳入，以精确地对船进行修剪，逐步下降到舭部的拐弯处。额外的算法和相关传感器被用来有效地梳理船的平底。微型声测距声纳(MARS)也是HullBUG导航控制的一种选择。这是一个非常小的近距离，铅笔束声纳被特别开发，以允许车辆“看到”即将到来的墙壁或悬崖状况，如舭龙骨和船头推进器。还有一种导航模式是使用MEMS速率传感器来获取导航信息。另一种反馈模式使用基于编码器的里程计。霍尔传感器反馈从电机用作编码器信号建立一个准确的估计里程。由于尺寸和成本的原因，霍尔传感器被用来代替光学编码器。霍尔传感器提供了优于1mm的精度测量里程与电机/齿轮头组合选择。

正在进行软件开发
一旦你选择并实施了合适的运动控制系统，自动驾驶汽车通常需要大量的工程软件。对于设计团队来说，获得平稳可靠的导航操作，从而在大范围变化的环境中实现精确定位是更大的挑战之一。为了处理在梳理过程中可能发生的事件的数量和种类，需要多层软件。并且，正确组织控制逻辑以允许导航行为的扩展是这个复杂系统中最困难的部分。Ken说:“软件开发将继续是一项持续的工作，即使已经投入了多年。”“虽然运载火箭已经完全投入使用，但仍有相当数量的舰载测试要做。”随着项目的推进和进入该领域，毫无疑问还会出现其他需要解决的问题。即使是现在，车辆必须能够可靠地完成它的任务在敌对环境和未地图地形。然后它必须能够回到船的吃水线上进行回收。

这种操作必须在数天、数月或数年的时间内重复进行，并且需要同时在水中使用多个系统。尽管这听起来似乎过于困难，根据Ken的说法，“一名技术人员最近接受了使用车辆的培训，并在短时间内完全胜任。用户界面借鉴了SeaRobotics的无人水面车辆(USV)产品线，并呈现了直观的图形驱动界面，许多不同的客户可以使用数百小时。”车辆可以操作，导航软件正在工作。下一个主要重点将是界面的结构，以提高易用性，并允许非工程人员管理操作。