（重庆交通大学航运与船舶工程学院，重庆 400074）
摘要：海上航运事业的发展成为了一带一路的计划道路上的最具影响性的关卡，则对船舶机械设备的机械性能、机械状况等问题就显得特别重要，在船舶轮机员的日程检查和维护过程中可以发现一些问题，并可以及时解决，但是人类的机械作业效果对机械一些问题如表面以下裂缝检测及即使更换问题不能够及时的检测处理，会导致沉船事故的发生，这不仅污染环境而且会危害人员安全，所以随时对船机进行检测，排除安全隐患，避免减少沉船事故的发生，机体的裂缝勘探是特别有必要的。在船舶的日常维护工作当中，木匠会每天两次对各舱水位进行巡查，但是在巡查到水位差是否正常，在测量之后，对于小裂缝等无法到水下进行勘测，小裂缝也会对整个船体有致命性的伤害，最严重的导致舱体严重进水，所以为了预防裂缝对船体外壳的侵害，研究出可以及时对于水线以下船体外壳的裂缝勘察工作就相当重要了。
关键词：裂缝；勘测；评估
1.绪论
目前，船机设备的裂缝问题在轮机员的日常维护机械中通常以观察法、听响法、测量法、液压试验法等方法,但由于以上方法都存在人为检查的局限性，所以基于对船机设备的检测不方便的问题，设计了船体裂缝检勘探及评估装置，该设计以HT66F489为主控芯片，辅以线性CCD、HC-05蓝牙模块等模块，在防水材料的基础上以实现航行器外壳的攀爬和裂缝检测功能。
现目前的研究就（哪里出现裂缝的几率较大）、船舶管理方面的问题（如果勘测到裂缝如何进行维修解决）、单片机的问题（如何将裂缝问题通过互联网进行在船上进行可视化监控和防范、如何解决裂缝勘测部分软件组成）、机械设计与制造（如何解决装置硬件设备组装设计问题）等学科融会贯通，与船舶船体裂缝勘测紧密结合起来，以预防为主，随时勘测船舱进水对船体的危害，在船行驶过程中碰撞、腐蚀、震荡等任何程度的振动可能导致船舶船体出现裂纹，那么我们前期会对各种出现裂缝的常出现地点及原因进行一个汇总、归类，在船体结构图示上进行常规分析，表示在图示上，然后将裂缝补漏的方法进行汇总，结合以前裂缝勘测的形式，对本小组研究的装置进行组装、测试、调试、改装、再测试直到装置可达到稳定性输出裂缝勘测的状态。
2．航行器硬件、软件组成
2.1 总体设计构造。本设计以HT66F489为主控芯片，辅以线性CCD、HC-05蓝牙模块、GY-63气压传感器和异步电机，以实现在船体外壳表面的爬行和对表面以及表皮下2-5厘米进行裂缝检测或者对拆卸下的活塞缸套等部件进行裂缝检测，这便构成了检测装置的部分。检测装置部分如图一所示，线性CCD用于对船体外壳或者活塞外表面进行检测，将检测数据回传到MCU；抽气吸盘抽空与建筑体表面接触处的空气，提供一个低压环境，提供机器的吸附力，抽气吸盘中有用于检测气压的模块GY-63，检测当前气压能否提供给机器一个稳定的吸附力；液压舵机控制履带结构提供机器爬行的动力，并控制机器运动的方向。而因装置会对于水下部分进行检测，则装置的组成材料为防水金属材料。
图1裂缝扫描检测部分装置示意图
该设计有较强的实用性，可用于位于海水中的船体外壳体裂缝的检测，引入蓝牙远程控制可以方便观测裂缝的大小，操控人员可以凭借经验预先判断哪些部位容易出现裂缝，然后控制作品爬行到精确的定位位置，进行实际的检测裂缝的大小。
航行器载体部分利用ROV小型遥控航行器水下自航载体对裂缝勘探装置部分进行运载，使ROV航行器可以运送到可能出现裂缝的位置，对船体外壳进行裂缝检测，而且采用的最重要原因是一旦船舶出现裂缝，水会很快灌入船体，而遥控猎雷可以迅速到达确定位置。
该设计主体外壳部分为ROV遥控航行器的载体，载运以HT66F489为主控芯片的裂缝勘测机体，工作深度可达60.96米，采用10马力的主要推进电动机，用铅酸悬挂式电解电池组，可以满足普通船舶的一般吃水深度，而进行船体裂缝勘测运作。而主要的勘测部分以HT66F489为主控芯片，包含电机驱动、线性CCD数据采集和运动控制三大部分的功能。
2.2 HT66F489芯片说明。HT66F489芯片，该系统采用28引脚封装的芯片。HT66F489是一款A/D型具有8位高性能精简指令集的Flash单片机，其Flash存储器可多次编程，为用户提供了极大的方便。模拟特性方面，该单片机包含一个多通道12位A/D转换器和两路串口传输功能，还带有多个使用灵活的定时模块，可提供定时功能、脉冲产生功能及PWM产生等功能。
2.3 电机驱动。该设计包含提供吸附力的步进电机和提供爬行动力的舵机，步进电机和舵机都能够比较精确的控制电机的转动。步进电机能够将电脉冲信号转变为角位移或线位移，在非超载情况下，步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数目，调节脉冲的频率便能够精确的控制电机的转速，以提供稳定的吸附力。舵机是根据脉冲占空比来调节转动角度的一类电机，通过调节占空比便能够精确的控制舵机的转动角度，以便控制作品行进的方向。
2.4线性CCD数据采集。CCD全称为电荷耦合元件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上有许多排列整齐的二极管，能感应光线，将光信号转变成电信号，经外部采样放大及数模转换电路转换成数字图像信号。由于CCD对有裂缝和没有裂缝的船体外壳表面的光线感应能力有差别，而且通过附加装载的流速区域测试仪，可以测试到船体裂缝附近的流速差而对裂缝的区域进行计算，因此MCU可以根据CCD回传数据的变化判断是否出现裂缝、流速测试仪可以判断裂缝位置、形式及尺寸
2.5蓝牙数据传输模块。HC-05蓝牙模块采用CSR主流蓝牙芯片，蓝牙V2.0协议标准，可以通过蓝牙与笔记本电脑、手机等设备远程连接，进行数据的交互。HC-05模块通过串口与HT66F489进行信息交互，将接收到的用户控制信息传输给单MCU，MCU根据接收到的控制信息控制机器的行进。HC-05的TX与MCU的RX相连，RX与MCU的TX相连。
2.6 HT66F489端口初步分配。HT66F489端口初步分配如表一，蓝牙模块分配PB6和PB7两个端口，用于通过串口与MCU进行信息交互，控制机器的运动状态；线性CCD分配PC0-PC4,PC0用于控制CCD补光灯，PC1和PC2于控制CCD的工作与否，PC3和PC4用于将CCD采集到的数据传输至MCU，其中PC3提供原始信号，PC4提供放大后的信号；舵机分配PA0-PA3四个端口，用于控制机器的运行状态；抽气电机分配PA4端口，用于为机器提供一个稳定的吸附力。
表1端口分配
3．航行器工作方式模拟
3.1 水下勘测运动。第一种工作状态，航行器下水，以防水材料作为支持，利用航行器ROV载体部分载着裂缝扫描检测部分装置进行航行，以疑似有裂缝出现的船体结构图为基础，控制航行器对船体水下外壳进行巡查，将装置运送到可能出现裂缝的位置进行精确的定位。
3.2 裂缝评估运动。第二种工作状态是裂缝勘探装置脱离航行器载体，由抽气装置和爬行履带组成的动力系统提供给作品吸附力和爬行力，吸盘部件吸附在裂缝发生部位的船体周围，进行对周围水流进行流速测试，评估裂缝的形式及尺寸，由蓝牙模块和手机端组成的控制系统控制作品的运动方向，由线性CCD组成的裂缝检测模块能检测建筑体表面的裂缝，分析出此裂缝对船体的影响程度并将数据回传到MCU，MCU根据线性CCD回传的数据判断船体是否有裂缝，而后反馈信息至操纵人员。
4．特色及创新点
本作品主要由主控部分、检测部分和动力部分组成。主控部分主要由主控芯片HT66F489和用户控制端组成，主控芯片主要是对整个作品系统进行控制，包括作品的行进、线性CCD回传的数据进行分析，用户控制端主要对作品的行进方向进行控制；检测部分主要由线性CCD组成，线性CCD实时监测行进方向上的建筑体表面，将检测数据回传到MCU，MCU对线性CCD回传的数据进行分析；动力部分由四个舵机和一个抽气电机组成，抽气电机提供作品的吸附力，舵机提供作品行进的动力。
线性CCD将采集到的数据直接传输给MCU，MCU根据CCD回传的数据判断是否有裂缝，如果有裂缝，则控制蜂鸣器发出报警声；用户控制端与MCU进行双向的数据交互，用户通过蓝牙模块为MCU提供机器运动的相关信息，控制机器的运动状态，MCU通过蓝牙模块将检测的结果反馈给用户。
创新点：在于可以对船舶在航运期间，对于水线以下的船体部位（木匠及轮机员日常难以检测的部位）进行实时的扫描监控勘测，在木匠每天两次对于舱内水位巡查发现水位与日常有差别、驾驶台与机舱值班人员感觉到船体有异样的基础之上，水下船体裂缝检测及预测航行器装置就可以以ROV运载航行器装置装载裂缝勘测器进行在疑似出现裂缝的地方进行地毯式勘测并通过互联网进行实时反馈数字画面、裂缝位置及裂缝大小，以便船员做出及时的应急措施，保卫船舶安全，保卫船舶人员安全，保护环境。
参考文献
[1]魏莉洁.船舶结构与制图[M].北京：人民交通出版社，2011
[2]顾敏童.船舶设计原理[M].上海：上海交通大学出版社，2011
论文作者:唐晓 陈玉兰 佘兴彬
论文发表刊物:《知识-力量》2018年7月下
论文发表时间:2018/7/23
标签：裂缝论文; 船体论文; 蓝牙论文; 装置论文; 线性论文; 舵机论文; 船舶论文; 《知识-力量》2018年7月下论文;