Luận án: Hệ thống robot giám sát đường ống tự hành dựa trên cảm biến của Jong-Hoon Kim
Luận án: Sensor based autonomous pipeline monitoring robotic system. Xem tóm tắt và tải về tại LuanAn.net
Năm xuất bản
Số trang
101
Thời gian đọc
16 phút
Lượt xem
0
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
40 Point
Tổng quan nhanh
- Chủ đề:
- Hệ thống robot tự hành: Giải pháp giám sát đường ống
- Số trang:
- 101 trang
- Trường:
- Louisiana State University and Agricultural and Mechanical College
- Chuyên ngành:
- Computer Science
- Tác giả:
- Jong-Hoon Kim
- Năm:
- 2011
Tóm tắt nội dung luận án
I.Hệ thống robot tự hành Giải pháp giám sát đường ống
An toàn hạ tầng đường ống đòi hỏi kiểm tra liên tục, chính xác. Các phương pháp giám sát truyền thống thường tốn kém, mất thời gian, và tiềm ẩn rủi ro cho con người. Nhu cầu về một giải pháp hiệu quả hơn trở nên cấp thiết. Hệ thống robot giám sát đường ống tự hành dựa trên cảm biến ra đời nhằm giải quyết những thách thức này. Robot tự hành cung cấp khả năng tiếp cận các khu vực khó khăn, nguy hiểm mà con người không thể vào. Chúng thực hiện việc kiểm tra đường ống một cách chủ động, giảm thiểu sự phụ thuộc vào can thiệp thủ công. Công nghệ này mang lại lợi ích đáng kể trong việc bảo trì, bảo dưỡng hệ thống đường ống, từ đó nâng cao độ an toàn và hiệu suất hoạt động. Việc áp dụng robot tự hành giúp phát hiện sớm các vấn đề, tránh những sự cố lớn. Công nghệ cảm biến đóng vai trò trung tâm, cho phép robot thu thập dữ liệu chi tiết về tình trạng đường ống. Sự kết hợp này định hình một tương lai giám sát đường ống thông minh, bền vững.
1.1. Tầm quan trọng giám sát đường ống tự động
Giám sát đường ống tự động giúp bảo vệ tài sản quốc gia. Các sự cố đường ống gây ra thiệt hại kinh tế lớn, ảnh hưởng môi trường nghiêm trọng. Hệ thống robot cung cấp phương pháp giám sát không gián đoạn. Điều này đảm bảo an toàn vận hành, duy trì dòng chảy liên tục của nhiên liệu, hóa chất, hoặc nước. Robot giảm thiểu rủi ro cho nhân viên kiểm tra, hạn chế tiếp xúc với môi trường độc hại. Công nghệ tự động hóa nâng cao tần suất kiểm tra. Điều này cho phép phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng. Việc này ngăn chặn sự cố lớn trước khi chúng xảy ra, tiết kiệm chi phí sửa chữa khổng lồ. Giám sát tự động là yếu tố then chốt cho hoạt động đường ống bền vững, hiệu quả.
1.2. Lợi ích chính của robot giám sát
Robot giám sát đường ống mang lại nhiều lợi ích vượt trội. Chúng tăng cường độ chính xác trong phát hiện lỗi. Robot hoạt động 24/7, không bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết hay môi trường khắc nghiệt. Tốc độ kiểm tra nhanh hơn đáng kể so với phương pháp thủ công. Chi phí vận hành dài hạn được tối ưu hóa. Các robot thu thập dữ liệu khách quan, loại bỏ sai sót do yếu tố con người. Khả năng định vị chính xác vị trí sự cố giúp rút ngắn thời gian khắc phục. Hệ thống điều khiển robot hiện đại đảm bảo hoạt động an toàn. Tóm lại, robot nâng cao hiệu quả giám sát, giảm thiểu rủi ro vận hành. Chúng là một công cụ không thể thiếu trong quản lý đường ống hiện đại.
1.3. Khả năng tự hành và vai trò cảm biến
Khả năng tự hành là yếu tố cốt lõi của robot giám sát đường ống. Robot tự hành di chuyển độc lập trong đường ống. Chúng thực hiện nhiệm vụ kiểm tra mà không cần sự can thiệp trực tiếp từ con người. Cảm biến công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc này. Cảm biến cung cấp dữ liệu môi trường, giúp robot điều hướng tự động. Chúng phát hiện các bất thường, ghi lại thông tin cần thiết. Dữ liệu từ cảm biến cho phép robot lập bản đồ đường ống, tránh chướng ngại vật. Sự kết hợp giữa khả năng tự hành và cảm biến mạnh mẽ tạo ra hệ thống giám sát hiệu quả. Hệ thống này có thể hoạt động trong các môi trường phức tạp. Robot phân tích dữ liệu cảm biến để đưa ra quyết định hành động. Điều này giúp tối ưu hóa quá trình kiểm tra, tăng cường độ tin cậy của kết quả.
II.Công nghệ cảm biến Nền tảng phát hiện lỗi đường ống
Hiệu quả của hệ thống robot giám sát đường ống phụ thuộc lớn vào công nghệ cảm biến. Cảm biến là 'mắt' và 'tai' của robot, thu thập thông tin quan trọng về tình trạng bên trong đường ống. Chúng cho phép phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng như rò rỉ, ăn mòn, hoặc tắc nghẽn. Sự đa dạng của các loại cảm biến cho phép robot thực hiện nhiều loại kiểm tra khác nhau, từ việc quét siêu âm để tìm vết nứt đến việc phát hiện khí rò rỉ. Việc lựa chọn cảm biến phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác và tin cậy của dữ liệu thu thập. Công nghệ cảm biến tiên tiến giúp robot hoạt động hiệu quả trong môi trường khắc nghiệt, mang lại dữ liệu chi tiết, đáng tin cậy. Dữ liệu này là nền tảng cho việc phân tích và đưa ra quyết định bảo trì kịp thời.
2.1. Các loại cảm biến sử dụng trong robot
Robot giám sát đường ống tích hợp nhiều loại cảm biến khác nhau. Cảm biến siêu âm quét thành đường ống, phát hiện vết nứt, giảm độ dày. Cảm biến nhiệt đo sự thay đổi nhiệt độ, chỉ ra các điểm rò rỉ tiềm năng. Cảm biến khí dò tìm các loại khí rò rỉ từ đường ống. Camera quang học ghi lại hình ảnh trực quan bên trong đường ống, phát hiện tắc nghẽn, vật lạ. Cảm biến từ trường (MFL) phát hiện mất kim loại do ăn mòn. Cảm biến áp suất theo dõi sự biến động áp suất. Cảm biến định vị cung cấp thông tin về vị trí chính xác của robot. Sự kết hợp các cảm biến này tạo ra một bức tranh toàn diện về tình trạng đường ống. Mỗi cảm biến đóng vai trò riêng, bổ trợ lẫn nhau trong quá trình kiểm tra đường ống.
2.2. Phát hiện rò rỉ và ăn mòn hiệu quả
Phát hiện rò rỉ và ăn mòn là hai nhiệm vụ quan trọng của robot giám sát. Rò rỉ gây lãng phí, ô nhiễm môi trường, nguy hiểm cháy nổ. Ăn mòn làm suy yếu cấu trúc đường ống, dẫn đến vỡ. Cảm biến siêu âm phát hiện ăn mòn bên trong và bên ngoài. Cảm biến khí và cảm biến nhiệt nhanh chóng xác định các điểm rò rỉ. Dữ liệu từ cảm biến được phân tích để xác định mức độ nghiêm trọng của vấn đề. Khả năng phát hiện sớm giúp ngăn chặn các sự cố thảm khốc. Robot thu thập dữ liệu liên tục, theo dõi sự tiến triển của hư hại. Điều này cho phép thực hiện bảo trì dự đoán, giảm thiểu chi phí sửa chữa lớn. Phát hiện rò rỉ và ăn mòn hiệu quả là cốt lõi của kiểm tra đường ống an toàn.
2.3. Thu thập dữ liệu môi trường đường ống
Robot không chỉ phát hiện hư hại mà còn thu thập dữ liệu môi trường. Cảm biến đo nhiệt độ, áp suất, độ ẩm bên trong đường ống. Thông tin này hữu ích cho việc hiểu rõ hơn về điều kiện hoạt động. Dữ liệu giúp đánh giá tác động của môi trường lên đường ống. Robot cũng có thể thu thập mẫu vật, phân tích thành phần hóa học. Thông tin này hỗ trợ việc đánh giá nguy cơ ăn mòn. Dữ liệu được truyền về trung tâm điều khiển để phân tích chuyên sâu. Việc thu thập dữ liệu môi trường toàn diện giúp các nhà quản lý đưa ra quyết định sáng suốt. Điều này cải thiện hiệu suất, độ an toàn tổng thể của hệ thống đường ống.
III.Kiểm tra đường ống thông minh Điều hướng phát hiện rò rỉ
Kiểm tra đường ống thông minh đòi hỏi robot không chỉ thu thập dữ liệu mà còn phải xử lý và phản ứng một cách tự động. Khả năng điều hướng tự động trong môi trường phức tạp của đường ống là một thách thức lớn. Robot phải có khả năng di chuyển qua các khúc cua, nhánh rẽ, và vượt qua các vật cản. Hệ thống điều khiển robot phức tạp sử dụng dữ liệu từ cảm biến để đưa ra quyết định di chuyển. Đồng thời, khả năng xác định vị trí chính xác của sự cố là cực kỳ quan trọng để đội ngũ kỹ thuật có thể can thiệp kịp thời. Xử lý dữ liệu tại chỗ và báo cáo tức thời giúp rút ngắn thời gian phản ứng, giảm thiểu thiệt hại tiềm ẩn. Đây là các yếu tố then chốt tạo nên một hệ thống giám sát đường ống tự hành hiệu quả và đáng tin cậy.
3.1. Cơ chế điều hướng tự động trong đường ống
Robot tự hành sử dụng cơ chế điều hướng phức tạp. Các thuật toán định vị giúp robot biết vị trí hiện tại trong đường ống. Cảm biến khoảng cách và bản đồ định tuyến hỗ trợ di chuyển. Robot có thể điều chỉnh hướng đi để vượt qua các khúc cua. Chúng xử lý các nhánh rẽ và chướng ngại vật một cách thông minh. Hệ thống điều khiển robot tích hợp AI để học hỏi từ môi trường. Điều này giúp tối ưu hóa tuyến đường, tiết kiệm năng lượng. Khả năng tự động tránh va chạm đảm bảo an toàn cho robot. Điều hướng tự động là chìa khóa để robot hoàn thành nhiệm vụ giám sát một cách độc lập. Nó giảm thiểu nhu cầu can thiệp thủ công, nâng cao hiệu quả hoạt động.
3.2. Xác định vị trí và phân loại sự cố
Xác định vị trí chính xác của sự cố là rất quan trọng. Robot sử dụng cảm biến GPS hoặc hệ thống định vị nội bộ. Chúng gắn thẻ địa lý cho mọi dữ liệu thu thập. Khi phát hiện rò rỉ hoặc ăn mòn, robot ghi lại tọa độ. Hệ thống phân tích dữ liệu đánh giá mức độ nghiêm trọng của sự cố. Robot có thể phân loại các loại hư hỏng khác nhau. Thông tin này giúp đội ngũ bảo trì ưu tiên sửa chữa. Việc xác định vị trí chính xác giúp giảm thời gian tìm kiếm sự cố. Điều này tiết kiệm chi phí, giảm thiểu thiệt hại môi trường. Khả năng phân loại sự cố cũng giúp dự đoán xu hướng hư hại trong tương lai. Nó hỗ trợ lập kế hoạch bảo trì hiệu quả hơn.
3.3. Xử lý dữ liệu và báo cáo tức thời
Dữ liệu từ robot được xử lý ngay lập tức. Hệ thống trên robot phân tích tín hiệu cảm biến. Các thuật toán phát hiện bất thường chạy trong thời gian thực. Khi phát hiện vấn đề, robot gửi cảnh báo tức thời. Thông tin bao gồm loại sự cố, vị trí và mức độ nghiêm trọng. Báo cáo được gửi đến trung tâm điều khiển thông qua kết nối không dây. Điều này cho phép đội ngũ phản ứng nhanh chóng. Xử lý dữ liệu tại chỗ giảm gánh nặng truyền tải. Nó cũng đảm bảo phản hồi nhanh hơn trong các tình huống khẩn cấp. Khả năng báo cáo tức thời là một ưu điểm lớn của hệ thống giám sát tự hành. Nó cải thiện hiệu quả vận hành và an toàn đường ống.
IV.Thiết kế kiến trúc robot Tối ưu hóa giám sát đường ống
Thiết kế một hệ thống robot giám sát đường ống hiệu quả đòi hỏi sự cân bằng giữa khả năng vận hành, độ bền và tính năng thông minh. Kiến trúc robot phải được tối ưu hóa để hoạt động trong môi trường hẹp, tối và thường xuyên có chất lỏng. Điều này bao gồm việc lựa chọn vật liệu chịu hóa chất, thiết kế hệ thống di chuyển linh hoạt và đảm bảo nguồn điện ổn định. Hệ thống điện tử bên trong robot phải đủ nhỏ gọn, chống chịu được rung động và ẩm ướt. Giao tiếp không dây đáng tin cậy là yếu tố quan trọng để truyền dữ liệu và nhận lệnh. Các thách thức trong thiết kế và vận hành đòi hỏi sự sáng tạo và thử nghiệm liên tục để phát triển các robot có khả năng thực hiện nhiệm vụ giám sát đường ống một cách an toàn và hiệu quả nhất.
4.1. Cấu trúc cơ khí và di chuyển của robot
Cấu trúc cơ khí của robot phải bền bỉ, linh hoạt. Robot cần di chuyển trong các đường ống có đường kính khác nhau. Thiết kế bánh xe, chân hoặc cơ chế trượt được cân nhắc. Khả năng vượt qua khúc cua, vật cản là bắt buộc. Vật liệu chế tạo cần chịu được hóa chất, nhiệt độ, áp suất. Trọng lượng và kích thước robot được tối ưu hóa. Thiết kế modul cho phép thay đổi cảm biến hoặc linh kiện. Điều này giúp robot thích nghi với các nhiệm vụ khác nhau. Cơ chế di chuyển hiệu quả giảm tiêu thụ năng lượng. Nó kéo dài thời gian hoạt động của robot. Một cấu trúc cơ khí vững chắc đảm bảo robot hoàn thành nhiệm vụ an toàn trong môi trường khắc nghiệt.
4.2. Hệ thống điện tử và giao tiếp trên robot
Hệ thống điện tử là bộ não của robot. Nó bao gồm bộ vi điều khiển, mạch cảm biến và nguồn điện. Các thành phần này phải được bảo vệ khỏi môi trường ẩm ướt, rung động. Hệ thống giao tiếp cho phép robot truyền dữ liệu về trung tâm. Giao tiếp không dây (ví dụ: Wi-Fi, sóng radio) được ưu tiên. Độ tin cậy của kết nối rất quan trọng để tránh mất dữ liệu. Robot cũng có thể lưu trữ dữ liệu cục bộ khi mất kết nối. Pin dung lượng cao cung cấp năng lượng cho hành trình dài. Quản lý năng lượng thông minh kéo dài tuổi thọ pin. Một hệ thống điện tử và giao tiếp mạnh mẽ đảm bảo hoạt động trơn tru của robot. Nó hỗ trợ việc giám sát đường ống liên tục.
4.3. Các thách thức trong thiết kế và vận hành
Thiết kế và vận hành robot giám sát đường ống đối mặt nhiều thách thức. Môi trường đường ống hạn chế về không gian. Áp suất cao, hóa chất ăn mòn là yếu tố nguy hiểm. Nguồn điện giới hạn trong không gian hẹp. Việc duy trì kết nối truyền thông liên tục khó khăn. Khắc phục sự cố trong đường ống đòi hỏi kỹ thuật phức tạp. Chi phí phát triển và triển khai ban đầu cao. Robot cần khả năng chịu va đập, chống thấm nước. Tối ưu hóa thuật toán điều hướng để vượt qua các chướng ngại vật. Đảm bảo độ bền bỉ của cảm biến trong môi trường khắc nghiệt. Giải quyết những thách thức này đòi hỏi nghiên cứu và phát triển liên tục. Nó hướng đến một hệ thống robot tự hành ngày càng thông minh, đáng tin cậy.
V.Tương lai giám sát Ứng dụng AI và Học máy
Tương lai của giám sát đường ống tự hành nằm ở việc tích hợp sâu rộng Trí tuệ nhân tạo (AI) và Học máy (Machine Learning). Những công nghệ này không chỉ cải thiện khả năng phân tích dữ liệu mà còn nâng cao đáng kể tính tự chủ của robot. AI và Học máy cho phép robot học hỏi từ môi trường, thích nghi với các tình huống mới và đưa ra quyết định thông minh hơn. Chúng giúp chuyển đổi từ việc chỉ phát hiện sự cố sang việc dự đoán và ngăn ngừa chúng. Với AI và Học máy, hệ thống robot giám sát có thể trở nên hiệu quả, chính xác và tự động hóa cao hơn, mở ra kỷ nguyên mới cho việc quản lý và bảo trì cơ sở hạ tầng đường ống quan trọng.
5.1. Nâng cao khả năng phân tích với Học máy
Học máy giúp robot phân tích dữ liệu cảm biến hiệu quả hơn. Thuật toán Học máy nhận diện các mẫu trong dữ liệu. Chúng phát hiện các dấu hiệu rò rỉ, ăn mòn sớm hơn. Robot có thể phân biệt giữa tín hiệu nhiễu và hư hại thực sự. Học máy cải thiện độ chính xác của dự đoán. Nó giúp ước tính tốc độ suy thoái của đường ống. Hệ thống Học máy học hỏi từ hàng triệu điểm dữ liệu. Nó liên tục cải thiện khả năng phát hiện lỗi. Điều này dẫn đến các cảnh báo đáng tin cậy hơn, giảm báo động giả. Nâng cao khả năng phân tích dữ liệu là yếu tố then chốt để tối ưu hóa bảo trì đường ống. Nó chuyển đổi việc giám sát từ phản ứng sang chủ động.
5.2. Tối ưu hóa điều hướng bằng Trí tuệ nhân tạo
Trí tuệ nhân tạo (AI) tăng cường khả năng điều hướng tự động. AI giúp robot học hỏi từ kinh nghiệm di chuyển. Robot có thể thích nghi với các loại đường ống mới. Thuật toán AI tối ưu hóa lộ trình, giảm tiêu thụ năng lượng. Nó cho phép robot đưa ra quyết định nhanh chóng khi gặp chướng ngại vật. AI cải thiện khả năng định vị trong môi trường phức tạp. Hệ thống AI có thể xây dựng bản đồ 3D chi tiết của đường ống. Điều này hỗ trợ việc lập kế hoạch nhiệm vụ chính xác hơn. Tối ưu hóa điều hướng bằng AI giúp robot hoạt động hiệu quả hơn. Nó mở rộng phạm vi ứng dụng của robot giám sát, giảm sự can thiệp của con người.
5.3. Phát triển hệ thống robot giám sát thông minh
Ứng dụng AI và Học máy là bước tiến cho hệ thống robot giám sát. Hệ thống này trở nên thông minh hơn, tự chủ hơn. Robot có thể tự học cách thích nghi với các sự cố mới. Chúng tự động cải thiện hiệu suất theo thời gian. Khả năng tự động đưa ra quyết định bảo trì dự đoán. Robot có thể giao tiếp với nhau, tạo mạng lưới giám sát. Điều này tăng cường khả năng bao phủ, phản ứng nhanh. Phát triển hệ thống robot giám sát thông minh là mục tiêu dài hạn. Nó hướng đến việc quản lý đường ống không người lái. Công nghệ này hứa hẹn một tương lai an toàn, hiệu quả hơn cho hạ tầng đường ống toàn cầu.
Mục lục chi tiết luận án
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (101 trang)Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộLouisiana State University LSU Digital Commons LSU Doctoral Dissertations Graduate School 2011 Sensor-based autonomous pipeline monitoring robotic system Jong-Hoon Kim Louisiana State University and Agricultural and Mechanical College, hoonywiz@gmail.com Follow this and additional works at: https://digitalcommons.edu/gradschool_dissertations Part of the Computer Sciences Commons Recommended Citation Kim, Jong-Hoon, "Sensor-based autonomous pipeline monitoring robotic system" (2011). LSU Doctoral Dissertations.edu/gradschool_dissertations/2566 This Dissertation is brought to you for free and open access by the Graduate School at LSU Digital Commons. It has been accepted for inclusion in LSU Doctoral Dissertations by an authorized graduate school editor of LSU Digital Commons. For more information, please contactgradetd@lsu.
SENSOR-BASED AUTONOMOUS PIPELINE MONITORING ROBOTIC SYSTEM Dissertation Submitted to the Faculty of Louisiana State University and Agricultural and Mechanical College in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in The Department of Computer Science by Jong-Hoon Kim B., Seoul National University of Science and Technology, Seoul, Korea 2005 M., Louisiana State University, Baton Rouge, USA 2008 December, 2011 Acknowledgements I would like to thank the many people who made this dissertation possible. I will remember and appreciate their contributions forever. First and foremost, I would like to deeply thank Prof. He has always encouraged me to overcome the many difficulties faced during my research, and has supported me with his unshakeable confidence.
Only with his support could I complete this dissertation. I would also like to thank the other members of my dissertation committee, Prof. Jianhua Chen, Prof. Gerald Baumgartner and Prof.
Arash Dahi Taleghani. They have provided valuable feedback and interest- ing perspectives on the ideas contained in this dissertation. Once again I would like to thank them all for being on my committee. I wish to express sincere thanks to Prof.
Brygg Ullmer for supporting many things in the Tangviz Lab generously as well as his advice. And also I would like to deeply appreciate Prof. Noureddine Boudriga for guiding my research and sharing many good memories with me. And, I would give special thanks Prof.
Sukhamay Kundu for being my teaching mentor. I would like to thank my friends, YoungPyo Jeon, Gokarna, Lohit, Rajesh, Forrest Osterman, Chris J Michael, Karthik, Bhaskar, Balachandran, Bharat, Srikanth, Monika, Sandeep, Robert Kelly and many others for making my life in Baton Rouge enjoyable. Finally, I would give great appreciation to my family. They always gave me unquestioning faith and encouraged me in every time.
Especially, I would love to express to Keyyoung Park, my wife, my gratitude for her enormous support and devotion. Without her sacrifices, I could not have completed this long journey. So, I would like to dedicate this dissertation to her. ii Table of Contents Acknowledgements.
ii List of Tables. v List of Figures .2 Motivation and Objective .3 Navigation within Pipelines .4 Pipeline Robot Classification .2 Autonomy Based Classification. 16 3 State of the Art .1 Sensor-Based Technologies for Pipeline Monitoring .2 Robot Agent-Based Technologies for Pipeline Monitoring .1 System Requirements for an Efficient Monitoring System .2 High-Level Description of the System .2 McRAIT: Multiple Channel Redundant Array of Independent RFID Tag .1 The McRAIT Architecture .2 Functions of the McRAIT Controller .3 The McRAIT Fault-tolerance .4 Design of a McRAIT System .3 HPMS: High Performance Mobile Sensor .1 Design of a HPMS .4 FAMPER: Fully Autonomous Mobile Pipeline Exploration Robot .2 Motion Planning of the Robot .3 Design of a FAMPER. 50 5 A Technique for Incident and Sensor Localization .1 Maximum Range Estimation .2 The McRAIT-based Localization.
58 6 Prototyping of the System .1 Prototype of the Robot Agent .1 Performance Evaluation of the Robot Agent .2 Performance Analysis of the Robot Agent .2 Performance Evaluation on the System .2 Limitations, Challenges, and Open Issues. 91 iv List of Tables 3.1 Comparison of various pipeline monitoring techniques. 25 v List of Figures 2.1 Different types of robots .2 Different types of pipelines .3 Oil pipeline inspection robots .7 Many troubles in pipeline failure .8 Mechanical classification of pipeline robots .9 Typical methods of steering in branch .10 Examples of non autonomous robots [RAUSCH Electronics USA LLC] .11 Examples of semi autonomous robot .12 Examples of fully autonomous robots .1 McRAIT system design .4 An application of the SPRAM system .5 The McRAIT architecture .6 High Performance Mobile Sensor (HPMS) interface board .7 The autonomous pipeline exploration robot .8 Operational architecture of the robot .9 Control architecture of the robot .10 Different types of motion in elbow, T-, and Y-branches .11 Motion planning at 90 degrees elbow, where H to H indicates Horizontal to Hori- zontal, V to H indicates Vertical to Horizontal, and H to V indicates Horizontal to Vertical motion .12 Motion planning at T-branch .13 Depiction of the pipeline surface contact by robot wheels at T-branch .14 Motion planning at Y-branch .15 Side view of the stretchable caterpillar .16 Sectional view of the robot agent .1 Sensor localization within the pipeline.1 Components of the robot .2 Electrical architecture of the robot .3 Controlling and RF video system .1 Experimental pipeline layout .2 Types of motion at 90 degrees elbow, where (a), (b) show H to V, (c), (d) show H to H, and (e), (f) show V to H motion .3 Types of motion at T-branch, where (a)-(d) show H to V, (e)-(h) show H to H, and (i)-(l) show V to H motion .4 Types of motion at Y-branch, where (a)-(c) show H to V, (d)-(f) show H to H, and (g)-(i) show V to H motion .5 Motion singularity problem, where (a) depicts singular motion and (b) depicts suc- cessful motion .6 Self-adjusting from motion singularity position to successful motion position .7 Illustration of a pipeline topology and a prototype robot mission .8 Illustration of a pipeline system used in experiments .9 Average occupancy of the marker storage for different parameter settings and Hop = 6 .10 Average occupancy of the marker storage for different history settings, and n = 100, s/s = 20, and Hop = 6 .11 Measured RFID entries concentration for 12 incidents using 4-tags-McRAITs with values of n = 50, H = 5, s/s = 10, and Hop = 6 .12 Maximum limited radio range between a reader and a marker for different trans- mitted power .13 Maximum relative error vs. threshold angle plot .14 The relation between distance d and diameter L of the pipeline .15 Effects of the number of incidents on the average error made on the reported distance 79 7.16 Comparison of the average distance the robot agent travels to find reported inci- dents using three strategies.
80 viii Abstract The field of robotics applications continues to advance. This dissertation addresses the com- putational challenges of robotic applications and translations of actions using sensors. One of the most challenging fields for robotics applications is pipeline-based applications which have become an indispensable part of life. Proactive monitoring and frequent inspections are critical in main- taining pipeline health.
However, these tasks are highly expensive using traditional maintenance systems, knowing that pipeline systems can be largely deployed in an inaccessible and hazardous environment. Thus, we propose a novel cost effective, scalable, customizable, and autonomous sensor-based robotic system, called SPRAM System (Sensor-based Autonomous Pipeline Moni- toring Robotic System). It combines robot agent based technologies with sensing technologies for efficiently locating health related events and allows active and corrective monitoring and mainte- nance of the pipelines. The SPRAM System integrates RFID systems with mobile sensors and autonomous robots.
While the mobile sensor motion is based on the fluid transported by the pipeline, the fixed sensors provide event and mobile sensor location information and contribute efficiently to the study of health history of the pipeline. In addition, it permits a good tracking of the mobile sensors. Using the output of event analysis, a robot agent gets command from the controlling system, travels inside the pipelines for detailed inspection and repairing of the reported incidents (e., damage, leakage, or corrosion). The key innovations of the proposed system are 3-fold: (a) the system can apply to a large va- riety of pipeline systems; (b) the solution provided is cost effective since it uses low cost powerless fixed sensors that can be setup while the pipeline system is operating; (c) the robot is autonomous and the localization technique allows controllable errors.
In this dissertation, some simulation ex- periments described along with prototyping activities demonstrate the feasibility of the proposed system. ix Chapter 1 Introduction 1.1 Pipeline Everything from water to crude oil even solid capsule is being transported through millions of miles of pipelines in the United States. The pipelines are vulnerable to losing their functionality by internal and external corrosion, cracking, third party damage and manufacturing flaws. If a small water pipeline bursts a leak, it can be a problem but it usually does’t harm the our environment.
However, if a petroleum or chemical pipeline leaks, it can be a environmental and ecological disaster. We can see many US pipeline accidental reports at the National Transportation Safety Board’s Internet site [7]. Thus, for keeping pipelines operating safely, periodic inspections are performed to find cracks and damage before they become cause for serious concern. When a pipeline is built, many inspection methods can be used to evaluate its quality such as visual, X-ray, magnetic particle, and ultrasonic.
These inspections are performed as the pipeline is being constructed so gaining access to the inspection area is not problem. Most pipelines are buried except some pipelines like the Alaskan oil pipeline. Once the pipeline is buried, it is undesirable to dig it up for any reason. Therefore, many remote visual inspection equipments to assess the condition of the buried pipe have been developed.
For inspection and recovery action of damaged pipeline, robotic crawlers of 1 all shapes and sizes have been developed to navigate the pipeline. The video signal is typically fed to a truck where an operator reviews the images and controls the robot.2 Motivation and Objective Proactive monitoring and frequent inspections are critical to maintain pipeline health, as gas, oil, water, and sewer pipelines have become an indispensable part of life. Hence, the continuous proactive monitoring and maintenance system for these pipelines is essential, however, deploy- ment, monitoring, and maintenance of them should remain cost effective, scalable, and easily customizable. A number of technologies, which are proposed and available to monitor, control, and maintain diverse types of pipelines, have still remained in unsatisfying those requirements due to their limitations.
In this dissertation, we aim at designing a cost-effective pipeline maintenance and monitoring system. Such a system would allow frequent inspection, early detection of problems, controllable- error localization, and planned recovery measures. To accomplish those goals, we believe that a monitoring system for pipelines should combine sensor technologies, which are well suited for event localization, and robotic techniques, which allow proactive and corrective monitoring. In addition, we argue that a more efficient technique for locating objects and incidents should be integrated in such systems.
Such a technique should use built-in objects that are powerless, easy to add, and densely deployed. Based on the hypothesis, we have developed a novel method, called SPAMMS (Sensor-based Autonomous Pipeline Monitoring and Maintenance System) in [35], which combines sensor and robotic techniques with radio-frequency identification (RFID) [67] technology for efficient event localization and proactive and corrective monitoring of a large spectrum of pipeline types. Besides providing efficient localization of objects and incidents, our technique have achieved the efficient localization with low cost and controllable errors. However, the SPAMMS system can be significantly improved by efficient localization tech- 2 nique and enhanced major components; Fixed Sensor, Mobile Sensor, and Robot Agent.
Thus, in this dissertation, we firstly propose a RFID-based localization technique, applicable to any kind of pipeline network. It allows controllable localization errors in the sense that the threshold it reaches are controlled by a fraction of the distance separating two successive localization objects.
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Trích dẫn luận án này
Jong-Hoon Kim (2011). Hệ thống robot giám sát đường ống tự hành dựa trên cảm biến [Luận án tiến sĩ, Louisiana State University and Agricultural and Mechanical College]. LuanAn.net. https://luanan.net/ky-thuat-dien-dien-tu/he-thong-robot-giam-sat-duong-ong-tu-hanh-dua-tren-cam-bien
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Hệ thống robot giám sát đường ống tự hành dựa trên cảm biến" nghiên cứu về vấn đề gì?
Luận án: Sensor based autonomous pipeline monitoring robotic system. Xem tóm tắt và tải về tại LuanAn.net
Luận án "Hệ thống robot giám sát đường ống tự hành dựa trên cảm biến" được bảo vệ tại trường nào?
Luận án này được bảo vệ tại Louisiana State University and Agricultural and Mechanical College. Năm bảo vệ: 2011.
Luận án "Hệ thống robot giám sát đường ống tự hành dựa trên cảm biến" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Hệ thống robot giám sát đường ống tự hành dựa trên cảm biến" thuộc chuyên ngành Computer Science. Danh mục: Kỹ Thuật Điện - Điện Tử.
Luận án "Hệ thống robot giám sát đường ống tự hành dựa trên cảm biến" có bao nhiêu trang?
Luận án "Hệ thống robot giám sát đường ống tự hành dựa trên cảm biến" có 101 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Hệ thống robot giám sát đường ống tự hành dựa trên cảm biến" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.