无人机智能喷涂系统的随动智能车系统及控制方法

技术领域

本发明涉及船舶喷涂领域，特别涉及无人机智能喷涂系统的随动智能车系统及控制方法。

背景技术

随着科技的进步及人类社会的发展，船舶在人类生产生活中扮演着十分重要的角色，船舶喷涂能防止海水、海洋大气腐蚀和海洋生物附着及其他特殊要求。但喷涂作业环境恶劣、大多数涂料对人体有害，尽管采取一定的劳动防护措施，人工喷涂还会对工人的身体健康造成一定程度的损害。由于船舶的尺寸较大，工人在工作时必须爬高和来回走动、手臂也需要大幅度来回摆动，增大了工人工作时的危险系数和劳动强度。最近几年伴随的无人机系统和人工智能技术的大幅度提升，应用无人机智能设备已经在农业、建筑等领域取得了实用经验，为此，为了尽快提升我国船舶行业的智能化水平，减少施工现场的恶性事故，同时提高施工效率，开发和应用可以喷涂船舶曲面的无人机智能设备是非常必要的，也是切实可行的一条思路。

专利申请号“201620150130.8”船舶喷涂机器人设计了一种移动平台上装有垂直升降杆和水平移动杆并在水平移动杆上装有机械臂的喷涂机器人，这种船舶喷涂机器人对垂直升降杆和水平移动杆要求刚度较大，并且机器人运动到水平移动杆末端是还会出现一端力矩过大而使装置不牢固的危险，同时需通过电源线外接电源，移动范围受限制。

专利申请号“201510515250.3”船舶自动喷涂机器人发明了一种模拟涂装工人作业的可移动的喷涂机器人，但该发明机器人需在船体上运动，不适用于船体上有建筑的船舶，同时其喷涂机构上下行程较小，对较高大船舶难以实现较好的喷涂。

专利申请号“201810248179.0”一种基于无人机的室外墙面喷涂设备设计了一种自动喷涂设备可智能化的完成高空喷涂工作，但是储料罐、喷管、空压机等都设置在无人机上，无人机负载过大且喷涂时间较短。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种无人机智能喷涂系统的随动智能车系统，解决上述问题。

技术方案：本发明所述的无人机智能喷涂系统的随动智能车系统，包括车体、无人机和地面站，车体顶部作为停机坪用于无人机停落；其特征在于车体上设置有通信模块、电机驱动模块、视觉跟随模块以及避障模块，其中地面站对无人机喷涂过程产生的数据进行处理和决策，将实际数据与预设值对比分析，判断各模块是否满足要求并输出控制信息；通信模块接收车体的跟随路径信息后，电机驱动模块驱动电机一转动，在视觉跟随模块和避障模块的配合下使得车体按规划的跟随路径行驶；车体上还设置有送料模块和管线收放模块，管线收放模块将送料模块的物料送给无人机，管线收放模块根据管线张力大小、管线收放长度和喷涂无人机运动的高度信息实现涂料管自动收放。

进一步的，地面站用于数据的处理、软件的实现和各设备状态信息显示，所述数据处理包括目标识别、路径跟踪、输出指令；设备状态信息包括电池电量、车位姿信息、无人机运动状态和无人机与车体两者相对距离信息；地面站提供了人机交互软件窗口，用户可以自主输入控制指令控制车体的运行状态。

进一步的，还包括控制模块，控制模块包括单片机，设于车体的底盘上，用于接收地面站的控制指令、传感器数据的采集和驱动模块控制指令的发送。

进一步的，电机驱动模块包括底盘、车轮、电机一和电机驱动器，底盘设置于车体底部，电机一设置在底盘上，电机一与车轮通过旋转轴连接，每个车轮对应由一个电机一驱动以通过差速调节实现车体的转向；电机驱动器用于接收控制模块输出的调制占空比，并将接收到的调制占空比转换为输出给电动机的电压值，从而实现所述电机一转速的调节，实现对车体的运动状态的控制。

进一步的，视觉跟随模块包括视觉摄像机和IMU位姿检测器，IMU位姿检测器检测出车体的速度和位姿信息；视觉摄像机连续拍摄的多帧实时图像，并在多帧实时图像中识别出跟随目标的实时位置和大小，通过跟随目标在前后两帧图像中的不同位置判定跟随无人机的运动方向以识别出无人机在视野中的坐标值。

进一步的，避障模块包括红外传感器，红外传感器通过发射红外线来检测前方是否有障碍物，控制模块根据红外波返回的信号识别周围环境。

进一步的，送料模块包括喷漆泵、涂料罐、液位传感器和涂料管，喷漆泵为变量泵，喷漆泵针对不同油漆喷涂的效果不同而进行喷漆的流量的自适应调节，保证喷涂的质量；喷漆罐内设置有液位传感器能够实时监测涂料剩余量，当涂料用完时，地面站接收到信号及时向工作人员发送警报。

进一步的，管线自动收放模块包括电机二、卷筒、同步轮、丝杆、导向柱；丝杆与卷筒转动连接，丝杆两端分别于同步轮侧壁固定连接，导向与丝杆平行设置，导向柱贯穿卷筒并和同步轮侧壁固定连接，电机二通过同步带驱动同步轮并带动丝杆转动，卷筒在同步轮的带动下转动，并在丝杆驱动下沿着导向柱滑动以完成排管动作；控制模块根据无人机的高度信息和检测装置信息决策涂料管是否需要收缩和延长以形成控制指令控制电机二转动，电机二通过同步轮和丝杆带动卷筒转动和往复移动，从而将涂料管缠绕在卷筒上或从卷筒上释放。

进一步的，管线自动收放模块还包括检测装置，检测装置包括张紧轮、张力传感器和光电码盘，张紧轮固定于卷筒一侧，涂料管从张紧轮处释放，张力传感器与张紧轮固定连接反馈涂料管的张力值，光电码盘与卷筒轴连接以反馈卷筒转速及涂料管的收放管长度从而控制张紧轮的张力。

发明目的：本发明的目的是提供一种无人机智能喷涂系统的随动智能车系统的控制方法，解决上述问题。

技术方案：本发明所述的无人机智能喷涂系统的随动智能车系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、当喷涂作业开始时，打开地面站控制操作界面，启动车体，车体便可自动开启图像识别和跟随功能，车体的视觉摄像头识别并瞄准无人机；当无人机移动时，车体的视觉摄像头将始终跟随并锁定无人机以防止跟随目标错乱的现象发生；

S2、控制模块实时获取各传感器采集的数据并通过无线传输模块发送给地面站，地面站对各种数据进行处理形成车体的跟随路径并反馈给控制模块，控制模块根据跟随路径结果形成车体的运动的航向角和移动速度；

S3、电机驱动模块根据控制模块输送的航向角和速度信息调整车体的移动速度和运行方向，在无人机水平移动的过程中，车体将跟随无人机移动，实现车体平行跟随，防止喷涂管线过长而拉扯无人机，无人机垂直移动时，车保持不动；

S4、车体移动的过程中，红外避障传感器会检测行进的路上是否有障碍物，若有则自动启动规避方案，调整前行的方向，绕开障碍物，并及时的重新搜索跟随目标，重新加速跟上无人机；

S5、管线收放模块按照无人机高度信息、张力传感器的压力信息和光电码盘采集的速度和管线长度信息，进行管线收放装置的自动收放工作，当无人机上升时，无人机与车之间距离增大，管线自身受两端拉扯张紧力增大，与张紧轮连接的拉压传感器接收到管线张紧力增大的信息，控制模块开始判断是否超过了预设管线张紧力范围的最大值，如果是，则管线收放装置进行放线，使无人机安全上升；当无人机下降时，若张紧力值低于预设范围最低值，则进行收线工作；其中光电码盘采集的长度信息与无人机的高度信息进行误差纠正，抑制风力等外部原因导致的压力值突然变化的误差；

S6、喷涂结束，无人机落回停机平台。

有益效果：本发明与现有技术相比：本发明通过采用地面站、通信模块、电机驱动模块、视觉跟随模块避障模块、送料模块以及管线收放模块相结合实现最佳路径规划和涂料管自适应收放，使车车体在无人机喷涂的过程中实现智能跟随，同时提高了喷涂无人机进行船舶外板喷涂时的智能化和远程化调控的能力，降低了劳动强度，提高了船舶外板喷涂的效率。

附图说明

图1是控制系统的结构示意图一；

图2是控制系统的结构示意图二；

图3是控制系统的控制方法的硬件原理图；

图4是控制系统的控制方法的软件控制原理图。

具体实施方式

如图1和2所示，一种无人机智能喷涂系统的随动智能车系统，包括地面站7、车体和无人机8，车体顶部作为停机坪6用于无人机8停落；其特征在于车体上设置有通信模块4、电机驱动模块2、视觉跟随模块以及避障模块16，其中地面站7对无人机8喷涂过程产生的数据进行处理和决策，将实际数据与预设值对比分析，判断各模块是否满足要求并输出控制信息；通信模块4接收车体的跟随路径信息后，电机驱动模块2驱动电机一12转动，在视觉跟随模块和避障模块16的配合下使得车体按规划的跟随路径行驶；车体上还设置有送料模块和管线收放模块，管线收放模块将送料模块的物料送给无人机8，管线收放模块根据管线张力大小、管线收放长度和喷涂无人机8运动的高度信息实现涂料管自动收放。

地面站7用于数据的处理、软件的实现和各设备状态信息显示，所述数据处理包括目标识别、路径跟踪、输出指令；设备状态信息包括电池电量、车位姿信息、无人机8运动状态和无人机8与车体两者相对距离信息；地面站7提供了人机交互软件窗口，用户可以自主输入控制指令控制车体的运行状态。

还包括控制模块1，控制模块1包括单片机，设于车体的底盘10上，用于接收地面站7的控制指令、传感器数据的采集和驱动模块控制指令的发送。

电机驱动模块2包括底盘10、车轮11、电机一12和电机驱动器13，底盘10设置于车体底部，电机一12设置在底盘10上，电机一12与车轮11通过旋转轴连接，每个车轮11对应由一个电机一12驱动以通过差速调节实现车体的转向；电机驱动模块2用于接收主控模块PID控制器输出的调制占空比，并将接收到的调制占空比转换为输出给电动机的电压值，从而实现所述电机一12转速的调节，实现对车体的运动状态的控制。

视觉跟随模块包括视觉摄像机14和IMU位姿检测器15，IMU位姿检测器15检测出车体的速度和位姿信息；视觉摄像机14连续拍摄的多帧实时图像，并在多帧实时图像中识别出跟随目标的实时位置和大小，通过跟随目标在前后两帧图像中的不同位置判定跟随无人机8的运动方向以识别出无人机8在视野中的坐标值。

避障模块16包括红外传感器，红外传感器通过发射红外线来检测前方是否有障碍物，控制模块1根据红外波返回的信号识别周围环境。

送料模块包括喷漆泵17、涂料罐和涂料管，喷漆泵17为变量泵，喷漆泵17针对不同油漆喷涂的效果不同而进行喷漆的流量的自适应调节，保证喷涂的质量；喷漆罐内设置有液位传感器能够实时监测涂料剩余量，当涂料用完时，地面站接收到信号及时向工作人员发送警报。

管线自动收放模块包括电机二20、卷筒21、同步轮22、丝杆23、导向柱；丝杆23与卷筒21转动连接，丝杆23两端分别于同步轮22侧壁固定连接，导向柱与丝杆23平行设置，导向柱贯穿卷筒21并和同步轮22侧壁固定连接，电机二20通过同步带驱动同步轮22并带动丝杆23转动，卷筒21在同步轮22的带动下转动，并在丝杆23驱动下沿着导向柱滑动以完成排管动作；控制模块1根据无人机8的高度信息和检测装置信息决策涂料管是否需要收缩和延长以形成控制指令控制电机二20转动，电机二20通过同步轮22和丝杆23带动卷筒21转动和往复移动，从而将涂料管缠绕在卷筒21上或从卷筒21上释放。

管线自动收放模块还包括检测装置，检测装置包括张紧轮24、张力传感器25和光电码盘26，张紧轮24固定于卷筒21一侧，涂料管从张紧轮24处释放，张力传感器25与张紧轮24固定连接反馈涂料管的张力值，光电码盘26与卷筒21轴连接以反馈卷筒21转速及涂料管的收放管长度从而控制涂料管线的自适应收放。

该控制系统包括电源模块5，电源模块5采用蓄电池供电，由于电机驱动器13的工作电压、主控芯片、涂料泵及传感器模块的工作电压不同，因此采用一个电压转换模块进行稳压作用，实现对整个系统的同时供电。

通信模块4由zigbee网络通信实现，zigbee网络通信包括zigbee基座、zigbee通信，其中地面站7和控制模块1上均设置了zigbee通信，同时地面站7还设置了zigbee基站以实现zigbee网络连通，从而实现了无人机8、车车体、基站和地面站7等多个设备间的信息传输。

如图1至4所示，一种无人机智能喷涂系统的随动智能车系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、当喷涂作业开始时，打开地面站7的控制模块1，启动车体，车体便可自动开启图像识别和跟随功能，车体的视觉摄像头识别并瞄准无人机8；当无人机8移动时，车体的视觉摄像头将始终跟随并锁定无人机8以防止跟随目标错乱的现象发生；

S2、控制模块实时获取视觉传感器、压力传感器、编码器、液位传感器采集的数据并通过无线传输模块发送给地面站7，地面站7对各种数据进行处理形成车体的跟随路径并反馈给控制模块1，控制模块1根据跟随路径结果形成车体的运动的航向角和移动速度；

S3、电机驱动模块2根据控制模块1输送的航向角和速度信息调整车体的移动速度和运行方向，在无人机8水平移动的过程中，车体将跟随无人机8移动，实现车体平行跟随，防止喷涂管线过长而拉扯无人机8，无人机8垂直移动时，车保持不动；

S4、车体移动的过程中，红外避障传感器会检测行进的路上是否有障碍物，若有则自动启动规避方案，调整前行的方向，绕开障碍物，并及时的重新搜索跟随目标，重新加速跟上无人机8；

S5、管线收放模块按照无人机8高度信息、张力传感器25的压力信息和光电码盘26采集的速度和管线长度信息，进行管线收放装置的自动收放工作，当无人机8上升时，无人机8与车之间距离增大，管线自身受两端拉扯张紧力增大，与张紧轮24连接的拉压传感器接收到管线张紧力增大的信息，控制模块1开始判断是否超过了预设管线张紧力范围的最大值，如果是，则管线收放装置进行放线，使无人机8安全上升；当无人机8下降时，若张紧力值低于预设范围最低值，则进行收线工作；其中光电码盘26采集的长度信息与无人机8的高度信息进行误差纠正，抑制风力等外部原因导致的压力值突然变化的误差；

S6、喷涂结束，无人机8落回停机平台。