朱保鵬，陳 偉，宦 鍵，張 榜，謝云飛

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

隨著我國(guó)船舶產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，隨之而來(lái)的是對(duì)大量船舶的維護(hù)工作。由于船體長(zhǎng)期工作會(huì)逐漸被海水腐蝕生銹，為了增加船舶使用的壽命，必須定期對(duì)船舶開(kāi)展維護(hù)清污工作，以避免危險(xiǎn)狀況發(fā)生[1–2]。目前，修船時(shí)需要停航進(jìn)入船塢，并對(duì)船體實(shí)施檢測(cè)，由此會(huì)耽擱大量時(shí)間并耗費(fèi)大量資金。

隨著科技水平的進(jìn)步，爬壁機(jī)器人已成為一種常用的自動(dòng)化程度較高的裝置[3–4]，已應(yīng)用在高空作業(yè)的環(huán)境中，越來(lái)越受到人們的重視。從爬壁機(jī)器人的吸附方式上來(lái)看，主要有負(fù)壓吸附和磁吸附2種，由于磁吸附式爬壁機(jī)器人具有適用于導(dǎo)磁性壁面、產(chǎn)生巨大的吸附力、不會(huì)受到壁面凸凹或裂痕的限制等特點(diǎn)，因此非常適合在船舶上被使用[5–6]。然而，目前爬壁機(jī)器人都是通過(guò)攝像頭人工判別來(lái)對(duì)船壁進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這會(huì)造成監(jiān)測(cè)不全面和操作不靈活的弊端，不僅不能夠保證船舶的航行安全，而且浪費(fèi)了許多時(shí)間[7–10]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文通過(guò)在視覺(jué)識(shí)別、圖像處理和傳輸以及對(duì)機(jī)器人的控制優(yōu)化等若干關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究，研發(fā)出新一代具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)且能夠適應(yīng)市場(chǎng)化應(yīng)用的船用爬壁監(jiān)測(cè)機(jī)器人。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)對(duì)船身的受損處的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不僅提高了船舶的壽命和安全性，而且大大縮減了監(jiān)測(cè)成本和時(shí)間。

1 總體方案設(shè)計(jì)

船用爬壁監(jiān)測(cè)機(jī)器人主要由爬行機(jī)構(gòu)、電控模塊、視覺(jué)模塊、圖像處理與傳輸模塊（圖傳模塊）等幾部分構(gòu)成。爬行機(jī)構(gòu)采用了自主設(shè)計(jì)的電控模塊來(lái)控制機(jī)器人的爬行動(dòng)作，電控模塊采用了PWM脈寬調(diào)制技術(shù)來(lái)控制爬壁機(jī)器人的爬行速度和方向。視覺(jué)模塊采用了雙目視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡和船體進(jìn)行識(shí)別，并通過(guò)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)對(duì)船舶進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)。圖像處理與傳輸模塊是通過(guò)視覺(jué)攝像頭對(duì)船體結(jié)構(gòu)物進(jìn)行識(shí)別和處理，也可以將圖像信息傳送到地面的上位機(jī)中，實(shí)現(xiàn)人工控制和監(jiān)測(cè)。機(jī)器人總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

2 硬件設(shè)計(jì)與功能介紹

1）爬行機(jī)構(gòu)

爬壁監(jiān)測(cè)機(jī)器人需要滿足2個(gè)必要條件：一是實(shí)現(xiàn)壁面吸附，二是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)動(dòng)作。機(jī)器人常用的吸附方式有磁吸附、負(fù)壓吸附和螺旋槳推壓等方式。然而，船用爬壁監(jiān)測(cè)機(jī)器人的吸附方式具有一定的特殊性，這就需要對(duì)各種吸附方式進(jìn)行具體分析：負(fù)壓吸附方式雖不受壁面材料的限制，但在凹凸不平的船體壁面，吸盤(pán)容易漏氣，從而使吸盤(pán)的吸附力下降，載重能力降低；磁吸附主要有電磁體式和永磁體式2種吸附方式，雖然永磁體式吸附不會(huì)因斷電而脫離船壁，但其控制方式較為復(fù)雜；相比較而言電磁體吸附方式不僅能夠適應(yīng)凹凸不平的壁面，其吸附力比負(fù)壓吸附方式產(chǎn)生的吸附力大，不會(huì)存在吸附時(shí)漏氣的問(wèn)題，而且對(duì)其的控制較為簡(jiǎn)單，電磁體式吸附只需要借助電力來(lái)維持吸附力。因此，針對(duì)于船舶工業(yè)壁面材料都是帶有導(dǎo)磁性的特定環(huán)境，最佳的選擇使用方式是電磁體式吸附。本文研究的爬壁監(jiān)測(cè)機(jī)器人在4個(gè)輪子中間被放置了6個(gè)磁鐵，但與一般的磁吸附式爬壁機(jī)器人的不同之處是磁鐵與船壁之間保持非接觸狀態(tài)，這樣可以大大降低與壁面的摩擦力，使機(jī)器人減少了機(jī)械損耗和電損耗，并可通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)定磁鐵距離壁面的最佳距離。

2）電控模塊

船用爬壁監(jiān)測(cè)機(jī)器人電控模塊采用了STM32單片機(jī)作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)爬壁機(jī)器人的爬行控制；采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)來(lái)控制爬壁機(jī)器人的爬行速度和方向；使用L298N驅(qū)動(dòng)模塊分別控制大功率電機(jī)和控制電磁機(jī)構(gòu)中吸附力的大小，通過(guò)產(chǎn)生足夠的動(dòng)力和相應(yīng)的磁場(chǎng)來(lái)使機(jī)器人有足夠的吸附力和動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)在船壁上運(yùn)動(dòng)。通過(guò)設(shè)置引腳控制機(jī)器人前進(jìn)、后退，調(diào)節(jié)左右輪之間的速度差來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能以及電磁機(jī)構(gòu)的吸附和釋放的功能。除此之外，通過(guò)視覺(jué)模塊將圖像采集信息上傳到上位機(jī)中，在完成路徑規(guī)劃后，控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和監(jiān)測(cè)。

3）圖像處理與傳輸模塊

船用爬壁監(jiān)測(cè)機(jī)器人圖像處理與傳輸模塊通過(guò)視覺(jué)攝像頭對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別，再通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行圖像采集，并將船體外部結(jié)構(gòu)物的位置信息、形狀和尺寸大小等信息進(jìn)行處理，通過(guò)信息反饋通道送到主控板，主控板根據(jù)圖像采集的位置信息進(jìn)行定位操作，根據(jù)結(jié)構(gòu)物的形狀和尺寸大小進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測(cè)操作。另外，視覺(jué)模塊采集的信息也可以傳送到地面的上位機(jī)系統(tǒng)中，由地面人員根據(jù)圖像進(jìn)行相應(yīng)的操作。

4）視覺(jué)模塊

船用爬壁監(jiān)測(cè)機(jī)器人采用了雙目視覺(jué)系統(tǒng)，通過(guò)模擬人類視覺(jué)來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)被動(dòng)感知距離功能[11–12]。為了獲取在不同視角下點(diǎn)的船體結(jié)構(gòu)物圖像，機(jī)器人從兩點(diǎn)或者多點(diǎn)的角度觀察一個(gè)物體狀態(tài)。根據(jù)不同視角間的物體圖像像素的匹配關(guān)系，運(yùn)用三角測(cè)量原理計(jì)算出像素之間的偏移，來(lái)獲取物體的三維信息。依據(jù)三維信息獲取物體與相機(jī)之間的實(shí)際距離及實(shí)物三維形狀和物體兩點(diǎn)實(shí)際距離。機(jī)器人系統(tǒng)中通過(guò)物體三維識(shí)別算法，不僅可以獲得物體被遮擋處的圖像以及姿態(tài)變化，而且可以大大提高物體的識(shí)別率。

3 視覺(jué)系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)圖像采集使用雙目攝像頭通過(guò)使用Bouguet極線校正的Matlab標(biāo)定工具箱進(jìn)行立體標(biāo)定，然后把標(biāo)定后的數(shù)據(jù)讀入OpenCV中，為后續(xù)的圖像校準(zhǔn)和匹配做準(zhǔn)備。測(cè)試實(shí)驗(yàn)中通過(guò)右攝像頭對(duì)棋盤(pán)圖進(jìn)行采集，將采集的結(jié)果復(fù)制到工具箱中。如圖2所示，測(cè)試過(guò)程中讀入了10幅棋盤(pán)圖。再對(duì)棋盤(pán)最邊上的點(diǎn)進(jìn)行一定順序的提取，通過(guò)程序自動(dòng)找到所有對(duì)應(yīng)的角點(diǎn)，如圖3所示。最后通過(guò)攝像頭對(duì)提取完10幅圖提取的點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，以此來(lái)驗(yàn)證標(biāo)定外參數(shù)的結(jié)果，如圖4所示。

圖2 棋盤(pán)圖Fig.2 Chessboard image

圖3 提取的角點(diǎn)Fig.3 Extraction of corner points

圖4 標(biāo)定結(jié)果的驗(yàn)證Fig.4 Verification of calibration results

當(dāng)驗(yàn)證標(biāo)定結(jié)果沒(méi)有錯(cuò)誤存在時(shí)，按照上文同樣的方法對(duì)左攝像頭進(jìn)行標(biāo)定。當(dāng)左右攝像頭都標(biāo)定完成之后，開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行立體標(biāo)定。圖5所示為雙攝像頭立體標(biāo)定圖。

在通過(guò)以上操作獲得立體標(biāo)定參數(shù)之后，把立體標(biāo)定的參數(shù)結(jié)果讀入到OpenCV中，使用獲得的校準(zhǔn)參數(shù)來(lái)校準(zhǔn)輸入的左右圖像。完成校準(zhǔn)之后，還需要進(jìn)行立體匹配。立體匹配OpenCV里面有2種方法，一種是 Block Matching，一種是 Graph Cut。由于 Block Matching速度比較快，因此選擇BM方法。由于2個(gè)攝像頭是前向平行放置的，因此對(duì)同一物體的采集在左圖中圖像一定比在右圖中圖像偏右，如圖6所示。

為了測(cè)得實(shí)際距離，需要通過(guò)函數(shù)將單通道視差圖轉(zhuǎn)換成三通道的實(shí)際坐標(biāo)矩陣。如圖7和圖8所示，可以測(cè)得數(shù)據(jù)如下：（267, 158）利樂(lè)包裝盒的坐標(biāo)是（13, 12, –156），（136, 142）紙杯的坐標(biāo)是（77, 30, –314），（95, 116）塑料瓶的坐標(biāo)是（143,63, –481）。

圖5 立體的標(biāo)定Fig.5 Stereo calibration

圖6 左右攝像頭實(shí)物圖Fig.6 Around the camera physical map

圖7 實(shí)物距離測(cè)量實(shí)驗(yàn)Fig.7 Material object distance measurement experiment

根據(jù)以上3個(gè)特征點(diǎn)的z坐標(biāo)可以大致看出這3個(gè)物體的距離差大概是1:2:3，基本符合在實(shí)際場(chǎng)景中實(shí)物位置。因此，可以通過(guò)這種方法確定出物體的大致距離信息。

4 爬行實(shí)驗(yàn)

船用爬壁監(jiān)測(cè)機(jī)器人實(shí)物如圖9所示。為了驗(yàn)證船用爬壁監(jiān)測(cè)機(jī)器人主要功能，本文在船體模型上進(jìn)行了爬壁監(jiān)測(cè)機(jī)器人的監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。在船體模型的船壁上噴涂銹漆，然后進(jìn)行機(jī)器人自動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)爬壁監(jiān)測(cè)機(jī)器人上攝像頭的視覺(jué)識(shí)別，判斷污損處的位置和形狀大小。再通過(guò)圖傳模塊將圖像信息傳送到上位機(jī)中，顯示污損處的情況并記錄污損處的位置信息和形狀尺寸信息；通過(guò)射頻技術(shù)控制爬壁監(jiān)測(cè)機(jī)器人進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整和圖像信息的傳輸。

圖8 實(shí)物測(cè)量視覺(jué)處理Fig.8 Visual processing of real object measurement

圖9 爬壁監(jiān)測(cè)機(jī)器人Fig.9 The wall-climbing and monitoring robot

船用爬壁監(jiān)測(cè)機(jī)器人監(jiān)測(cè)路徑圖如圖10所示。由圖10實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)路徑可知，爬壁機(jī)器人通過(guò)左右移動(dòng)來(lái)監(jiān)測(cè)船體，以Z字形向下移動(dòng)。由于船體一般是白色或者黑色的且鐵銹和船身有顏色差，因此當(dāng)船身由于腐蝕而產(chǎn)生的鐵銹時(shí)，可由視覺(jué)系統(tǒng)判斷出鐵銹的位置。又由于視覺(jué)識(shí)別范圍比較大，因此機(jī)器人在移動(dòng)的過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)有污損處被遺漏識(shí)別的情況。當(dāng)發(fā)現(xiàn)船體有被污損時(shí)，機(jī)器人將圖像傳到上位機(jī)并報(bào)警，等待操作人員進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，爬壁監(jiān)測(cè)機(jī)器人可以靈活地在船身上移動(dòng)和進(jìn)行圖像的采集及處理，完全滿足船舶監(jiān)測(cè)的所需要求。

圖10 爬壁機(jī)器人監(jiān)測(cè)路徑Fig.10 Monitoring path of wall climbing robot

5 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)且能夠適應(yīng)市場(chǎng)化應(yīng)用的船用爬壁監(jiān)測(cè)機(jī)器人，設(shè)計(jì)了機(jī)器人爬行機(jī)構(gòu)、電控模塊、視覺(jué)模塊、圖像處理和傳輸?shù)扔布K，再對(duì)機(jī)器人雙目視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試和標(biāo)定，并得到了實(shí)物測(cè)量物體的坐標(biāo)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，爬壁監(jiān)測(cè)機(jī)器人能夠有效實(shí)現(xiàn)船體的損傷監(jiān)測(cè)功能。爬壁監(jiān)測(cè)機(jī)器人的控制和監(jiān)測(cè)方法也可以擴(kuò)展到其他應(yīng)用，如城市玻璃墻清潔和巡檢機(jī)器人、噴涂清潔機(jī)器人無(wú)損檢測(cè)等。