未来：自主机器人船体修饰
自主船体修饰机器人用户界面。照片由Greensea Systems提供
两年的梳理。每周（顶部）6英寸×12英寸涂层板与未加工的板（底部）相比。照片由Greensea Systems提供
在码头边的一艘小船的修饰机器人由另一辆修饰车成象。照片礼貌Greensea系统
船体生物污损对船队准备，船舶性能，成本和环境有重大影响。与水力平滑的船体相比，生物污染导致流体动力阻力增加，导致更多的燃料使用和每行进距离更大的排放。 Schultz等人的一项研究。发现美国海军DDG-51级船FR-30的典型污垢等级（FR）比液压光滑的DDG-51增加了10.3％的燃料消耗。结果显示，将这种污染等级降低到FR-20将导致每艘船节省34万美元，并且比船体保持在FR-10的结垢等级时多两倍，每年为美国海军节省近80,000美元。虽然对商船的研究几乎不存在，但污垢的类似经济影响是肯定的。最近的一份报告引用了一艘397米的集装箱船EMMA MAERSK，估计每天花费大约2万美元用于生物污染损失的推进燃料。
污垢的经济影响也是由于昂贵的传统清洁和密封活动。 2016年由美国海岸警卫队委托进行的一项研究确定了从船体上清除轻质生物污垢的成本为每平方英尺0.33美元（约合每平方米3.55美元）。根据这一估计，从DDG-51中完全去除生物污垢的费用将超过1万美元，而从巴拿马型集装箱船中移除生物污垢的成本将超过98,000美元。这些估计值适用于传统的清洁方法，这种方法会降低用于防污的烧蚀涂层，导致每隔几年进行一次干涂层重涂。对一艘大型船进行干船坞可能需要多达100万至200万美元。
污垢还会产生重大的环境影响，从与推进燃料成本增加相关的温室气体排放，到水中清洁释放的毒素。许多国家现在要求在港内进行水下清洁或禁止进行。用于清洁污染船体的传统的强烈清洁工艺成本高，操作效率低，对船体涂层造成损害，并且环境不可接受。反动强烈清洁过程的另一种选择是通过用小软毛刷轻轻刷洗来定期彻底破坏船体涂层上的生长。这个过程，称为船体修饰，类似于每天刷牙，以避免每月牙医访问和年度根管。由佛罗里达理工学院腐蚀与生物污染控制中心（FIT CCBC）的Geoffrey Swain博士领导的研究开创了船体修饰的方法和实践，证明它是一种控制生物污染的成本效益实践，同时释放的毒素少得多进入水中比清洁。因为船体修饰只是轻轻地刷船体并且不去除涂层，所以不需要遏制并且延长了原始涂层的寿命，延长了昂贵的干式对接之间的时间。此外，船体修饰使用轻质刷子在船体上进行非常轻柔的接触。这允许手持式刷子可以由潜水员轻松操作，甚至可以通过小型船体爬行机器人操作的刷子工具。不需要重型设备来启动和恢复清洁工具，这进一步增加了成本效益。
修饰车在工作。照片由Greensea Systems提供
为了有效，船体修饰必须定期进行，每周一次或更长时间，并且必须彻底，不留空隙或遗漏。 （继续之前的牙齿刷牙类比，想象刷牙除了几颗牙齿之外 - 牙医访问仍在您的未来。）船体修饰的规律性和彻底性要求对可行性提出了挑战。例如，DDG-51级船舶按编号约占美国海军舰队总数的22％，湿船体区域约占22％。每周一次修整美国海军舰队这一部分的总湿润面积在后勤和经济上是禁止的，没有机器人手段这样做。即使使用机器人解决方案，如果使用单个小型机器人并确保50％的梳理路径重叠，则每艘船的梳理时间可能超过15小时。
过去十年中的一些努力有助于提高机器人修饰能力。这些努力已经产生了经过验证的工具，修饰方法，机器人平台，质量保证过程和非磁性附接方法，以允许机器人沿着船体爬行。那么，经过近十年的研究和不少于15种商用“船体清洁机器人”，为什么我们仍然没有一个真正可供船舶社区采用的解决方案？原因与机器人一样古老。直到机器人能够以最少的操作员输入完成预期的工作，并且直到人机关系最佳，机器人不适用于该工作。
能够执行任务的机器人依赖于三个主要考虑因素：导航，控制和通信。导航：机器人能否准确地知道它在环境中的位置以及如何到达所需的位置？控制：机器人能否准确地操作和操作任务？沟通：我们能否有意义地将命令传达给机器人并解释机器人的状态？如果不能完全满足这些考虑因素，则无法获得最佳的机器人解决方案。我们认为，这就是船体修饰机器人解决方案尚未交付的原因。
Greensea Systems，Inc。是一家专注于船舶机器人高级导航，控制和自主解决方案的软件公司，于2017年与FIT CCBC的船体修饰团队合作，探索船体修饰的最佳机器人解决方案。在美国海军海军研究办公室的资助下，Greensea和CCBC FIT团队于2018年部署了一个原型机器人系统，可以在很少操作员输入的情况下自主修理船体，同时提供小于0.15m的船体定位精度RMS。该原型系统使用市售的ROV系统，该系统配备由Greensea开发的引导和控制系统以及由FIT CCBC开发的修饰刷工具。
伴随着导航解决方案，Greensea利用其先进的任务规划和用于远程操作车辆（ROV）的自主软件模块。这些OPENSEA软件模块提供了用于指定要修整的区域，规划整理范围以及执行自主修饰操作的工具和功能。操作员可以监督作为主题事项专家（SME）或单独离开车辆以独立进行操作。由于确保船体100％覆盖所需的时间，自动化在机器人修饰过程中的作用对于该过程的可行性至关重要。
为了提供船体修饰机器人的导航和自主功能，Greensea利用其开放式架构软件平台OPENSEA。自主船体修饰机器人使用惯性导航系统和多波束声纳来提供机器人在船体上的位置的基于特征的感知。整个船体修饰系统在车辆无关的拖拉机滑道中实施，包括导航和控制系统，自治，声纳和修饰工具。修饰橇可以很容易地适应大多数商业ROV。 Greensea于2019年在VideoRay MSS ROV上实现了该系统的商业化。
从Greensea的爆炸物处理（EOD）团队软件开发的直观图形用户界面提供了与技术人员计划，执行和记录船体修饰过程所必需的机器人的通信。船体修整工作区提供了按地区规划修整操作的视图，用于避障的声纳覆盖图和用于完整态势感知的视频。屏幕上的图形指示器记录车辆在船体上的进度并显示修饰条带。工作区还允许技术人员保存和调用修饰计划，记录障碍物和障碍物，并记录所有数据以进行存档和重放。
Greensea精确的船体相对导航解决方案使船体应用成为自动机器人，并使船体修饰成为水清洁的可行替代方案，具有成本效益和环保要求。格林西于2019年将自主船体修饰机器人以及实现导航和修饰技术商业化。
脚注：Greensea和FIT CCBC感谢海军研究办公室和DARPA对自主船体修饰机器人的开发支持以及导航系统使用的基于特征的导航和定位技术。
作者
Ben Kinnaman是Greensea Systems，Inc。的创始人兼首席执行官。他的职业生涯始于海洋工业，并创建了Greensea用于推进海洋机器人技术的OPENSEA开放式架构软件平台。 [email protected]
Ben Kinnaman是Greensea Systems，Inc。的创始人兼首席执行官。
