摘 要

随着世界经济一体化趋势持续增强，航运业成为当前最重要的运输方式之一。科学技术的飞速发展促使船舶行业不断改革创新，自动化、智能化水平不断提高。然而经过调查，当前，轮机员的定期巡检仍然是世界各国船舶机舱巡检的主要方式。为了提高船舶机舱运行的可靠性和船舶航行的安全性，本文针对船舶机舱巡检机器人的进行了系统方案设计。船舶机舱巡检机器人能够按照预先设定的路线和巡检目标依次进行自动巡检操作，能够进行仪器仪表数据识别和录像拍照、机舱环境及设备状态监测、故障判断识别及预警。

本设计的主要内容如下：

首先，总体方案设计。通过对船舶机舱工作环境的探索，进行设计需求分析；提出了船舶机舱巡检机器人的系统构架，根据结构模式特征分为机器人主体、接口通信层、终端控制层三个方面；设计了支持机器人完成工作任务的七大功能模块：图像采集与识别功能、巡检功能、导航定位功能、运动控制功能、终端控制功能、能源管理功能、避障功能。

其次，设计了导航定位系统、数据采集与识别系统、运动控制系统、能源管理系统和安全避障系统的实现方案，详细介绍了这些关键系统功能的实现方法、控制逻辑以及硬件条件等。

最后，针对各个模块，分别查阅大量的产品资料和现有巡检机器人的硬件组成，进行了船舶机舱巡检机器人的重要部件选型工作，包括各类传感器、驱动电机、蓄电池等，并通过SolidWorks软件建立了机器人的三维模型。

本文对巡检机器人应用于船舶机舱巡检工作进行了初步探索，具有一定的可行性和前瞻性，今后将进一步研究搭建各个系统的软件控制部分，完善船舶机舱巡检机器人的设计工作。

关键词：巡检；机器人；船舶机舱；功能模块；运动控制；

Abstract

As the trend of world economic integration continues to strengthen, the shipping industry has become the most important mode of transportation. The rapid development of science and technology promotes the continuous reform and innovation of the ship industry, and the level of automation and intelligence is constantly improved. However, after investigation, at present, the regular inspection by engineers is still the main way to inspect the engine room of ships around the world. In order to improve the reliability of ship engine room operation and the safety of ship navigation, a system scheme of ship engine room inspection robot is designed. The inspection robot in the engine room of the ship can carry out automatic inspection operation according to the preset route and inspection target in sequence, and can identify and take video pictures of the instrument data, monitor the engine room environment and equipment status, judge and identify faults and give early warning.

This design main content is as follows:

first, the overall scheme design. Through the exploration of the working environment of ship engine room, the design needs are analyzed. The system framework of ship engine room inspection robot is proposed, which can be divided into three parts according to the characteristics of structure mode: robot main body, interface communication layer and terminal control layer. Seven functional modules are designed to support the robot to complete tasks: image acquisition and recognition, patrol inspection, navigation and positioning, motion control, terminal control, energy management and obstacle avoidance.

Secondly, it introduces the implementation scheme of navigation and positioning system, data acquisition and identification system, motion control system, energy management system and safety obstacle avoidance system, as well as the implementation method, control logic and hardware conditions of these key system functions.

Finally, according to each module, a large number of product information and the hardware composition of the existing inspection robot were consulted, and the important parts of the inspection robot in ship engine room were selected, including all kinds of sensors, driving motors, batteries, etc., and the 3d model of the robot was established through SolidWorks software.

This paper makes a preliminary exploration on the application of inspection robot in the inspection work of ship engine room. This paper is feasible and prospective to a certain extent. In the future, it will further study and build software control parts of each system to improve the design of inspection robot in ship engine room.

Keywords: Inspection; Robot; Engine room of the ship; Function module; Motion control;

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国内研究现状 2

1.2.2 国外研究现状 3

1.3 研究内容与目的 3

1.3.1 研究基本内容 3

1.3.2 研究目标 4

第2章 船舶机舱巡检机器人总体方案设计 5

2.1 设计需求分析 5

2.2 机器人系统构架设计 5

2.2.1 机器人主体 6

2.2.2 接口通信层 7

2.2.3 终端控制层 7

2.3 巡检机器人功能模块设计 8

2.4 巡检机器人主要技术要求 9

2.4.1 主要性能要求 9

2.4.2 机器人主要功能要求 9

第3章 船舶巡检机器人关键系统实现方案设计 10

3.1 导航定位系统 10

3.1.1 方案选择 10

3.1.2 路径规划 12

3.2 数据采集与识别系统 13

3.2.1 图像识别 13

3.2.2 红外图像识别 15

3.3 运动控制系统 17

3.3.1 运动控制逻辑 17

3.3.2 驱动机构 17

3.3.3 差速驱动模块 20

3.4 能源管理系统 21

3.5 安全避障系统 21

第4章 巡检机器人重要部件选型及布置设计 23

4.1 传感器模块硬件选型 23

4.1.1 高清可见光相机 23

4.1.2 红外热像仪 24

4.1.3 其他传感器 26

4.2 运动控制模块硬件选型 27

4.2.1 驱动电机 27

4.2.2 步进电机 28

4.3 能源管理模块硬件选型（蓄电池组） 29

4.4 巡检机器人布置设计 31

第5章 总结与展望 32

5.1 全文总结 32

5.2 工作展望 32

参考文献 34

致谢 36

绪论

研究背景及意义

近年来，随着世界经济一体化趋势不断增强，世界各国的经济贸易联系日益密切，航运业以成本低、可长距离大批量货运的优势成为世界航运大国最重要的运输手段。船舶，尤其是大型远洋运输船舶，最重要的结构是机舱。船舶机舱汇集了全船绝大多数的机械设备，为航行提供动力，为全船的正常运转提供能量，保障船舶各项功能得到充分发挥。当前，在“工业4.0”的背景下，各个国家之间的贸易联系更加密切，交通运输领域科技创新的角逐也在全面展开。在水路交通方面，智能船舶的概念受到越来越广泛的关注。智能船舶指利用计算机技术、自动控制技术和大数据处理分析技术，实现智能化运行的船舶，提高船舶航行的安全性、经济性和环保性^[1]。随着科学技术的飞速发展，船舶整体的智能化水平提高，船舶机舱设备也越来越复杂精密，需要机舱管理人员及时、准确地掌握机舱各设备的运行状况，分析、预测和解决潜在的安全隐患，对轮机员的技术水平提出了更高的要求。

当前，通过轮机员对船舶机舱的实时监测和定期巡检仍然是世界各国船舶机舱巡检的主要形式，但是这种方式存在着许多不足。首先，船舶机舱管理人员的人力成本较高。相关研究表明：船舶机舱工作环境恶劣，振动、噪声以及船舶航行中的颠簸摇晃对轮机员的身心健康损害尤为严重。其次，关于船舶机舱日常运行数据的记录存档及应用相对繁琐，需要人工读取的仪器仪表数据受到观测角度等影响，客观性难以保证，准确性、可靠性不高。此外，对于不易察觉的缺陷特征，轮机员仅凭感官难以及时准确地发现问题并做出判断，很可能造成一定的生命财产损失。