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在船体清洁机器人中引入无刷直流电机
介绍一种专门设计的机器人，可以在船体中导航并去除累积的生物膜层。机器人设计期间的组件选择对于这款电池供电的自动驾驶汽车来说绝对是至关重要的。
有毒涂料通常用于大型容器的底部以防止结垢。污垢是指生物膜层在水中行驶时会形成生物膜层并降低船体效率。这种有毒涂料会不断将铜和其他重金属渗入环境中，从而对海底生物造成损害。使问题更加复杂的是，油漆每 5 到 10 年就会被吹掉并更换一次，产生有毒废物，然后必须对其进行处理。使用清洁和更高效的船体运营的船舶仅在燃料成本方面就可能节省 5% 以上。无需担心污垢，船舶的水下涂层可以设计用于腐蚀保护和使用寿命，而不是需要消除潜在的生物污垢。
为了消除对有毒油漆及其清洁废物的需求，需要一种方法来“修饰”船舶水下部分的生物膜。这个想法是为正在建造的船舶和环境创造重要的变化. 这就是 HullBUG（Hull Bioinspired Underwater Grooming）概念的起源。SeaRobotics 研究工程师 Kenneth Holappa 博士表示：“HullBUG 最重要的特点是体积小。” “它只有大约半米长。这是一个必要的设计特征，需要允许车辆在船体的弯曲表面上机动，同时不断保持与表面的密切接触。由于在水下和港口环境中操作此类设备存在危险，因此有时在操作过程中 HullBUG 可能会丢失或损坏。保持系统的规模和成本较低肯定有助于消除作为实施主要障碍的损坏。因此，从项目一开始，小尺寸和低成本就被认为是圆满实施 HullBUG 项目的关键。正如所料，这需要在设计的每个组件的选择中保持特定的尺寸和重量。小尺寸和低成本被认为是圆满实施 HullBUG 项目的关键。正如所料，这需要在设计的每个组件的选择中保持特定的尺寸和重量。小尺寸和低成本被认为是圆满实施 HullBUG 项目的关键。正如所料，这需要在设计的每个组件的选择中保持特定的尺寸和重量。
运动控制组件
选择用于驱动 HullBUG 的电机涉及许多关键的工程限制和妥协。SeaRobotics 决定制作两种基本模型，一种带有轮子，一种带有履带，并提供多种选项来跟踪系统的进度，这将在后面讨论。例如，电机的尺寸需要对制造设备的功率、速度和扭矩特性进行计算估计。决定性因素包括推动梳理工具穿过船表面产生的阻力、车辆在水中行驶时的流体动力阻力、用于保护电机免受海水侵蚀的轴密封件中的摩擦损失，以及轨道或车轮摩擦取决于使用的单元版本。
经过广泛的组件研究，我们选择使用 maxon 直流电机和齿轮箱，”Ken 说。“他们的电机不仅提供了极具成本效益的解决方案，而且它们非常高效且易于实施。” 该公司使用了带有行星齿轮箱的EC扁平电机。HullBUG的履带版本（每个履带一个）使用了两个电机（EC45扁平30W + GP42C），而轮式版本需要四个扁平电机（每个车轮一个） ). 一个额外的 EC Flat 电机（EC45 flat 30W +GS45A）被安装在了美容工具中。这个 DC 电机使用一个简单的正齿轮减速。直接连接的最后一个电机（EC90 flat）用于负将 HullBUG 固定到位的压力连接装置。
maxon motor 提供全系列的小功率动圈式直流电机和无刷直流电机，尺寸从 6mm 到 90mm，从 0.03W 到 500W。他们还提供齿轮箱、控制器和配件。Ken 说：“他们产品线的广度和服务质量让我们对选择了正确的合作伙伴感到很放心。”由 maxon motor 制造的扁平电机使用寿命长，而且外形小巧。整个 EC 系列的无刷电机是电子换向的，这使它们具有极长的电机寿命，因为没有机械电刷磨损。电机采用滚珠轴承或红宝石轴承，这也增加了电机的使用寿命，尤其是在这种恶劣条件下。扁平电机专为机器人应用而设计，其中尺寸和重量是重要的选择标准。为 HullBUG 选择的 EC45 无刷扁平电机非常高效，重量仅为 75 克。连续输出功率为 30W，而最大速度为 10,000rpm（比此应用所需的速度快得多）。此应用的重要规格是扭矩。即使在 HullBUG 可能遇到的恶劣环境下，EC45 电机也能提供高达 56.2 mNm 的最大连续扭矩，具体取决于用户选择的绕组。maxon 无刷电机符合 IP54 标准，这对应用很重要。此外，电机还可以在 SeaRobotics 为 HullBUG 应用程序所需的系统电压下使用。
已创建导航模式工具集，允许多个 HullBUG 通过将船舶的水下表面划分为多个区域来有效地修饰船舶。许多算法已被纳入，以准确地逐步调整船舶直至舭部转弯。额外的算法和相关的传感器用于有效地梳理船的平底。微型声学测距声纳 (MARS) 也是 HullBUG 导航控制的一个选项。这是专门开发的非常小的近距离笔形波束声纳，使车辆能够“看到”即将到来的墙壁或悬崖状况，例如舭龙骨和船首推进器。另一种导航模式使用 MEMS 速率传感器获取导航信息. 另一种反馈模式使用基于编码器的里程计。来自电机的霍尔传感器反馈用作编码器信号，以建立里程计的准确估计。由于尺寸和成本的原因，使用霍尔传感器代替光学编码器。霍尔传感器在选择电机/齿轮箱组合的里程计测量中提供优于 1 毫米的精度。
持续的软件开发
一旦您选择并实施了适当的运动控制系统，自动驾驶汽车在工程工作方面通常是软件繁重的。获得平稳可靠的导航操作，从而在广泛变化的环境中实现准确定位，是设计团队面临的更困难的挑战之一。需要多层软件来处理梳理期间可能发生的数量和种类的可能事件。而且，控制逻辑的适当组织以允许导航行为的可扩展性是这个复杂系统中最困难的部分。“即使已经投入多年，软件开发仍将是一项持续的工作，”Ken 说。“虽然该车辆已完全投入使用，但仍有大量的在舰测试要做。” 随着项目向前推进并进入现场，毫无疑问，还会出现其他问题需要解决。即使是现在，车辆也必须能够在恶劣的环境和未映射的地形中可靠地完成其任务。然后它必须能够返回到船舶的吃水线进行检索。
此操作必须在数天、数月和数年内重复进行，并且要同时在水中使用多个系统。尽管这听起来似乎过于困难，但根据 Ken 的说法，“一名技术人员最近接受了使用该车辆的培训，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line 并展示了一个直观的图形驱动界面，该界面已被许多不同的客户使用了数百小时。” 车辆可以运行，导航软件也可以运行。下一个主要重点是界面的结构，以提高易用性并允许非工程人员管理操作。
有毒涂料通常用于大型容器的底部以防止结垢。污垢是指生物膜层在水中行驶时会形成生物膜层并降低船体效率。这种有毒涂料会不断将铜和其他重金属渗入环境中，从而对海底生物造成损害。使问题更加复杂的是，油漆每 5 到 10 年就会被吹掉并更换一次，产生有毒废物，然后必须对其进行处理。使用清洁和更高效的船体运营的船舶仅在燃料成本方面就可能节省 5% 以上。无需担心污垢，船舶的水下涂层可以设计用于腐蚀保护和使用寿命，而不是需要消除潜在的生物污垢。
为了消除对有毒油漆及其清洁废物的需求，需要一种方法来“修饰”船舶水下部分的生物膜。这个想法是为正在建造的船舶和环境创造重要的变化. 这就是 HullBUG（Hull Bioinspired Underwater Grooming）概念的起源。SeaRobotics 研究工程师 Kenneth Holappa 博士表示：“HullBUG 最重要的特点是体积小。” “它只有大约半米长。这是一个必要的设计特征，需要允许车辆在船体的弯曲表面上机动，同时不断保持与表面的密切接触。由于在水下和港口环境中操作此类设备存在危险，因此有时在操作过程中 HullBUG 可能会丢失或损坏。保持系统的规模和成本较低肯定有助于消除作为实施主要障碍的损坏。因此，从项目一开始，小尺寸和低成本就被认为是圆满实施 HullBUG 项目的关键。正如所料，这需要在设计的每个组件的选择中保持特定的尺寸和重量。小尺寸和低成本被认为是圆满实施 HullBUG 项目的关键。正如所料，这需要在设计的每个组件的选择中保持特定的尺寸和重量。小尺寸和低成本被认为是圆满实施 HullBUG 项目的关键。正如所料，这需要在设计的每个组件的选择中保持特定的尺寸和重量。
运动控制组件
选择用于驱动 HullBUG 的电机涉及许多关键的工程限制和妥协。SeaRobotics 决定制作两种基本模型，一种带有轮子，一种带有履带，并提供多种选项来跟踪系统的进度，这将在后面讨论。例如，电机的尺寸需要对制造设备的功率、速度和扭矩特性进行计算估计。决定性因素包括推动梳理工具穿过船表面产生的阻力、车辆在水中行驶时的流体动力阻力、用于保护电机免受海水侵蚀的轴密封件中的摩擦损失，以及轨道或车轮摩擦取决于使用的单元版本。
经过广泛的组件研究，我们选择使用 maxon 直流电机和齿轮箱，”Ken 说。“他们的电机不仅提供了极具成本效益的解决方案，而且它们非常高效且易于实施。” 该公司使用了带有行星齿轮箱的EC扁平电机。HullBUG的履带版本（每个履带一个）使用了两个电机（EC45扁平30W + GP42C），而轮式版本需要四个扁平电机（每个车轮一个） ). 一个额外的 EC Flat 电机（EC45 flat 30W +GS45A）被安装在了美容工具中。这个 DC 电机使用一个简单的正齿轮减速。直接连接的最后一个电机（EC90 flat）用于负将 HullBUG 固定到位的压力连接装置。
maxon motor 提供全系列的小功率动圈式直流电机和无刷直流电机，尺寸从 6mm 到 90mm，从 0.03W 到 500W。他们还提供齿轮箱、控制器和配件。Ken 说：“他们产品线的广度和服务质量让我们对选择了正确的合作伙伴感到很放心。”由 maxon motor 制造的扁平电机使用寿命长，而且外形小巧。整个 EC 系列的无刷电机是电子换向的，这使它们具有极长的电机寿命，因为没有机械电刷磨损。电机采用滚珠轴承或红宝石轴承，这也增加了电机的使用寿命，尤其是在这种恶劣条件下。扁平电机专为机器人应用而设计，其中尺寸和重量是重要的选择标准。为 HullBUG 选择的 EC45 无刷扁平电机非常高效，重量仅为 75 克。连续输出功率为 30W，而最大速度为 10,000rpm（比此应用所需的速度快得多）。此应用的重要规格是扭矩。即使在 HullBUG 可能遇到的恶劣环境下，EC45 电机也能提供高达 56.2 mNm 的最大连续扭矩，具体取决于用户选择的绕组。maxon 无刷电机符合 IP54 标准，这对应用很重要。此外，电机还可以在 SeaRobotics 为 HullBUG 应用程序所需的系统电压下使用。
据 Ken 介绍，“GP42 减速机轴的大负载能力允许轮子直接安装在减速机轴上，大大降低了系统整体设计的复杂性。” maxon motor 制造的减速机可提供多种传动比，以根据用户应用的需要增强减速和/或扭矩倍增。同心输入和输出有助于促进更简单和更直接的安装布置。鉴于此HullBUG 车辆是完全自主的，它的设计方式必须能够依靠电池运行数小时（电缆只会妨碍梳理操作）。为了最大限度地延长电池寿命，梳理生物膜必须以尽可能最有效的方式进行。例如，以随机模式导航最终可能会完成工作，但不会在合理的时间内完成。此外，一艘典型的船舶呈现出非常大的水下表面，通常高达三千平方米。为了保持这一面积的整洁，预计用户将使用多辆 HullBUG 车辆同时操作，因此需要一种获得复杂协调导航的方法。
导航 HullBUG
已创建导航模式工具集，允许多个 HullBUG 通过将船舶的水下表面划分为多个区域来有效地修饰船舶。许多算法已被纳入，以准确地逐步调整船舶直至舭部转弯。额外的算法和相关的传感器用于有效地梳理船的平底。微型声学测距声纳 (MARS) 也是 HullBUG 导航控制的一个选项。这是专门开发的非常小的近距离笔形波束声纳，使车辆能够“看到”即将到来的墙壁或悬崖状况，例如舭龙骨和船首推进器。另一种导航模式使用 MEMS 速率传感器获取导航信息. 另一种反馈模式使用基于编码器的里程计。来自电机的霍尔传感器反馈用作编码器信号，以建立里程计的准确估计。由于尺寸和成本的原因，使用霍尔传感器代替光学编码器。霍尔传感器在选择电机/齿轮箱组合的里程计测量中提供优于 1 毫米的精度。
持续的软件开发
一旦您选择并实施了适当的运动控制系统，自动驾驶汽车在工程工作方面通常是软件繁重的。获得平稳可靠的导航操作，从而在广泛变化的环境中实现准确定位，是设计团队面临的更困难的挑战之一。需要多层软件来处理梳理期间可能发生的数量和种类的可能事件。而且，控制逻辑的适当组织以允许导航行为的可扩展性是这个复杂系统中最困难的部分。“即使已经投入多年，软件开发仍将是一项持续的工作，”Ken 说。“虽然该车辆已完全投入使用，但仍有大量的在舰测试要做。” 随着项目向前推进并进入现场，毫无疑问，还会出现其他问题需要解决。即使是现在，车辆也必须能够在恶劣的环境和未映射的地形中可靠地完成其任务。然后它必须能够返回到船舶的吃水线进行检索。
此操作必须在数天、数月和数年内重复进行，并且要同时在水中使用多个系统。尽管这听起来似乎过于困难，但根据 Ken 的说法，“一名技术人员最近接受了使用该车辆的培训，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line 并展示了一个直观的图形驱动界面，该界面已被许多不同的客户使用了数百小时。” 车辆可以运行，导航软件也可以运行。下一个主要重点是界面的结构，以提高易用性并允许非工程人员管理操作。
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