论文总字数：27005字

摘 要

船舶作为水上运输工具，船体的喷漆防锈对船舶的寿命和运营安全十分重要。在科技高速发展的今天，喷漆机器人以其独特的优势在汽车、家具等领域有了越来越多的应用。但是由于不同船舶的类型、尺寸等差别较大，船体的自动喷漆一直处于瓶颈阶段。本文针对船体表面喷涂机器人在不同尺寸的复杂曲面上轨迹优化存在的问题，从地图模型的建立、船体表面的分片划分、子片内的路径规划和各个子片之间的组合以及喷漆机器人试验平台设计四个方面进行研究。

在地图模型的建立中，本文将参照真实的修船厂布墩图完成地图模型的建立，并对地图模型作栅格栅格化处理，为后面的分片以及路径规划做好准备。

在船体表面的分片划分中，首先将船体表面分为船底平面和舷侧曲面。本文将针对船底平面进行研究讨论，对于船底平面，可以直接根据平面分片规则对船底平面进行分片划分。最后根据分片规则建立分片评价函数，通过分片评价函数选出最佳的分片划分方案。

在路径规划中，比较光栅形路径和回字形路径的优缺点，确定区域内的路径规划方法。利用A*算法连接不同分片之间的起点终点以实现不同分片的路径的组合。

在喷漆机器人的平台设计中，对喷漆机器人的实验平台进行搭建，设计机器人的驱动方式和控制电路，验证算法的可行性。

关键字：喷漆机器人；全覆盖路径规划；复杂曲面分片；栅格地图；A*算法

Abstract

As a means of transportation, the painting and rust protection of hull is very important to the life and safety of ship operation. At present, the scientific technology is developing at a dizzy speed, paint robot with its unique advantages in the automotive, furniture and other fields have been more and more applied. However, due to the different types and sizes of different ships, the automatic painting of the hull has been in the bottleneck stage. In this paper, aiming at the problems existing in the trajectory optimization of the hull surface spraying robot on the complicated curved surface of different sizes, the research was carried out from the following four aspects: the establishment of the map model, the segmentation of the hull surface, the path planning within the sub-pieces and the combination among the sub-pieces, as well as the design of the experimental platform for the painting robot.

In the establishment of the map model, this section will complete the establishment of the map model by referring to the real layout diagram of the shipyard, and raster the map model, so as to prepare for the subsequent segmentation and path planning.

In the segmentation of the hull surface, the hull surface is first divided into the bottom plane and the side surface. In this section, the ship bottom plane will be studied and discussed. For the ship bottom plane, the ship bottom plane can be segmented according to the rule of segmentation. Finally, according to the shard rule, the shard evaluation function is established, and the best partitioning scheme is selected through the shard evaluation function.

In the path planning, the advantages and disadvantages of raster-shaped path and zigzag path are compared to determine the path planning method in the region. A * algorithm is used to connect the starting and ending points between different shards to realize the combination of paths of different shards.

In the platform design of the spray-painting robot, the experimental platform of the spray-painting robot is built, the driving mode and control circuit of the robot are designed, and the feasibility of the algorithm is verified.

Keywords: Spray-painting robot; Full coverage path planning; Sharding of complex surface; Raster map; A * algorithm

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 3

1.3 本文主要研究内容 6

第2章 建立栅格化地图模型 8

2.1 引言 8

2.2 地图模型的表示方法 8

2.3 地图模型的建立 9

2.3.1 栅格法 9

2.3.2 地图模型的栅格化处理 10

2.4 本章小结 12

第3章 船体表面的分片划分 13

3.1 引言 13

3.2 平面分片算法 13

3.2.1 地图模型的膨胀处理 15

3.2.2 平面分片规则 15

3.2.3 平面分片的具体方案 15

3.3 平面分片评估方法 18

3.4 应用实例 19

3.5 本章小结 21

第4章 全覆盖路径规划算法设计 22

4.1 路径规划方法 22

4.2 分片内的路径规划 22

4.3 分片之间的连接 24

4.4 仿真测试 27

4.5 本章小结 28

第5章 试验平台设计及实验测试 29

5.1 引言 29

5.2 试验平台硬件系统设计 29

5.2.1 核心控制系统 30

5.2.2 驱动系统 30

5.2.3 人机交互系统 32

5.2.4 定位避障系统 32

5.2.5 完成硬件系统的搭建工作 34

5.3 人机交互界面设计 36

5.4 仿真测试 37

5.5 场地试验 39

5.6 本章小结 46

第6章 总结与展望 47

总结 47

展望 47

参考文献 49

致 谢 50

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

在科技水平日益发展的今天，人们对自然资源的需求与日俱增。人们对石油、煤炭、天然气等不可再生能源越来越多的消耗导致了地球上的化石能源逐渐枯竭，这也导致了许多地区爆发局部战争。在这种境况下，开发海洋资源已经逐渐成为全球发展的趋势。我国领海有渤海、黄海、东海和南海，海洋资源非常丰富，过去由于我国在海洋资源开采和运输上技术比较落后，南海的许多资源被别国非法开采。为了实现我国海洋经济的蓬勃发展，务必大力发展船舶工业，逐渐将我国建设成新时代的海洋强国。

全球每年因船体钢板腐蚀带来了巨大的经济损失，其损失价值远远超过了地震、台风、水灾等自然灾害所造成的综合损失，因此船体外板防腐是一个重要且必要的问题。另一方面，船体在海洋航行及停泊时会接触到各种海洋生物，而有些生物喜好吸附在船体外壳这种较为光滑的表面上，长期的航行和停泊使得船体吃水部分被大量的贝壳、藻类及微生物附着，造成船舶污底，如图1.1所示。船舶的污底使船体表面变的粗糙，大大增加了航行时的摩擦阻力，同时，突出的贝类处会产生涡流，增加船舶的剩余阻力，导致船舶油耗增加，降低了船舶的经济效益。据统计，船舶运营一年就会有轻度的污底，而在设计航速下，一艘有轻度污底的船舶会增加约15%的油耗。一艘重度生长海生物的船体能使燃油的损耗增加两倍至三倍^[1]。除此之外，附着在船体上的海洋生物会造成船舶底部管系的堵塞，导致船舶的冷却系统、海水系统效率降低甚至完全失效；会导致船底防锈漆的脱落，造成船体钢板和板缝线的腐蚀。船底附着的生物会吸收声呐发出的声波，降低声呐的精度和灵敏度；贝类和藻类会增加船舶的水下面积，影响船舶的耐波性；附着的生物会增加水雷、浮漂等水中浮体的重量，改变它们在水中的深度，并造成这些浮体上网孔的堵塞。这与绿色船舶以及绿色造船的理念显然相悖，因此对于长期工作在海洋环境中的钢质船舶而言，通过涂装防护涂层的方式兼顾减缓海水腐蚀以及阻滞海洋生物附着的措施便应运而生。

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