-3047-93074

نشریه مهندسی دریــا سال دوازدهم/ شماره42/ پاییز و زمستان 5931)541-599(

یادداشت فنی
بازرسی خطوط انتقال نفت و گاز زیر دریا بوسیله ربات زیرسطحی با بردار رانش متغیر جدید

علی کدخدایی ، رضا حسن زاده قاسمی2*

کارشناس ارشد، دانشگاه حکیم سبزواری؛ alikadkhodaee86@gmail.com
استادیار، دانشگاه حکیم سبزواری؛ r.hasanzadeh@hsu.ac.ir

اطلاعات مقاله

چكيده

چكيده

در این مقاله یک ربات زیرسطحی جدید به منظور بازرسی از خطوط لوله انتقال نفت و گاز زیر دریا ارائه شده است. به دلایل فشار بسیار زیاد آب در قسمتهای عمیق دریا و همچنین طول بسیار زیاد خطوط لوله، تحمل چنین شرایطی برای بازرس غواص بسیار مشکل بوده لذا این نوع بازرسی عمدتا توسط رباتهای زیرسطحی انجام میشود. این مقاله به ارائه و شبیهسازی نوع خاصی از رباتهای زیرسطحی میپردازد که با داشتن چهار عدد تراستر با بردار رانش متغیر قادر خواهد بود به طور همزمان شش درجه آزادی را کنترل کند. این امر سبب مانورپذیری بالای این ربات زیر سطحی در مقایسه با نمونههای مشابه خواهد شد .ربات معرفی شده در این مقاله از سیستم دو سروو موتور متعامد جهت جهتگیری تراسترها ،بصورت مستقل از یکدیگر بهره میبرد. در این مقاله ،مدلسازی و کنترل همزمان شش درجه آزادی و تعقیب مسیر مطلوب انجام گرفته است . تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 41/39/5931 تاریخ پذیرش مقاله: 31/33/5931

کلمات کلیدی:
ربات هوشمند زیرسطحی تراستر
بردار رانش متغیر

Inspection of Undersea Oil and Gas Pipelines by New Variable Thrust Vector Underwater Robotic Platform

Ali Kadkhodaei 1, Reza Hasanzadeh Ghasemi 2*

Master of Science, Hakim Sabzevari University; alikadkhodaee86@gmail.com
Assistant Professor, Hakim Sabzevari University; r.hasanzadeh@hsu.ac.ir

Article History:
Received: 2 Feb. 2016
Accepted: 27 Nov. 2016
This paper presents a special underwater robot for subsea pipelines inspection which is used to transport extracted oil and gas from oil platforms to onshore facilities. Due to the high pressure in the deep sea and the long pipelines, it is impossible to inspection by divers. Therefore underwater robot can be used to solve this problem.
0930022

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ABSTRACT

Keywords:
Autonomous Underwater Vehicle
Thruster
Variable Thrust Vector This paper investigate a hovering type of underwater vehicle including four thruster with variable thrust vector, which it is able to simultaneous control of six degrees of freedom. Therefore, high flexibility is an advantage of this underwater robot. Using two perpendicular servomotors for each thruster, we prepare independent and time variable orientation for each thruster. This paper investigates a trajectory controller for this hovering type autonomous underwater vehicle to meet the demands of in-water pipeline inspection.

541
تحقیقاتی دنیا در زمینه هیدرودینامیک نگاه ممتازی به طراحی ،تولید و توسعه وسیلههای زیرسطحی خودکار دارند. یک وسیله زیرسطحی خودکار در حقیقت یک ربات است که درون آب به وسیله یک سیستم پیشرانش به جلو حرکت میکند. سیستم فرمانپذیری لحظهای و مانورپذیری سه بعدی در بیشتر شرایط جوی بهAUV این امکان را میدهد که اهداف داده شده به آن را در هر زمان و مکان دنبال کند. طی کردن مسیر از پیش تعریف شده، میتواند در کاربردهایی مانند اکتشاف میادین نفتی دریایی ،تحقیقات در بخشهای عمیق دریا، استخراج از منابع زیردریا، نقشه برداریهای مربوط به اقیانوسشناسی، ارزیابی خطوط لوله زیر آب ،عملیات نظامی و … به خوبی مورد ارزیابی قرار گیرد.

1-1-کاربرد شناورهای زیرسطحی در عمليات بازرسی خطوط لوله
ذخایر هیدروکربنی موجود در دریا توسط سکوهای فراساحلی استخراج شده و پس از پالایش جزئی، توسط خطوط لوله زیر دریا به پالایشگاهای واقع در خشکی انتقال مییابد. امروزه خطوط لوله با طولهای متغیر تا 5433 کیلومتر در نقاط مختلف جهان فعال هستند. در کشور ما نیز اجرای خطوط لوله زیر دریا از سال 5393 بین بندر خارك و بندر گناوه آغاز گردیده است. شرایط مخرب و خورنده زیر دریا باعث وارد آمدن آسیب به خطوط لوله زیر دریا میگردد. گاه آسیبهای جزئی در صورت نادیده گرفتن میتواند منجر به صدمات مالی و جانی بسیار بالا شود. استانداردهای مربوط به خطوط لوله زیر آب بازرسیهای دورهای را برای خطوط لوله زیر دریا، ضروری میداند.
به طور کلی بازرسی خطوط لوله میتواند شامل این موارد باشد:
بررسی صدمات مکانیکی وارده به لوله، پوشش بتونی دور لوله، پوشش ضد خوردگی، لعاب محافظ موضع اتصال و آند فدا شونده ،بررسی نشتیهای احتمالی از خطوط لوله، ارزیابی حرکات اضافی خط لوله مانند اثرات ناشی از انبساط و انقباض، شرایط رایزرها از نظر خوردگی و صدمات وارده و موجودات دریایی چسبیده به آن.
از آنجا که سیستمهای خطوط لوله در اعماق زیاد دریا که گاه تا عمق 4333 متر میرسد قرار دارند، لذا تحمل شرایط برای غواص بازرس امکانپذیر نیست. لذا استفاده از رباتهای زیرسطحی جهت بازرسی خطوط لوله از اهمیت زیادی برخوردار است.
541
بازرسی سیستماتیک زیر دریا توسط رباتهای زیرسطحی از سال 5311 برای اندازه گیری پتانسیل کاتدی سیستم حفاظت خوردگی آغاز شده و در سال 5315 اولین بازرسی خطوط لوله توسط ربات مجهز کنترل از راه دور بجای غواص بازرس انجام شد .
ربات پیشنهاد شده در این مقاله برای بازرسی خطوط لوله زیر دریا ،به منظور افزایش قابلیت مانور، از سیستم بردار رانش متغیر بهره میبرد که به بحث درباره پیکربندی آن پرداخته میشود.

1-2-تاریخچه کاربرد سيستم بردار رانش متغير در شناورهای زیر سطحی
در سال 4333 اسکسن و همکاران] 5[، سیستم رانش دوار را برای ربات اودیسه 2 معرفی کردند. سیستم رانش این ربات با استفاده از چهار تراستر5 قادر بود چهار درجه آزادی را کنترل کند. دو تا از تراسترها قادر به کنترل حرکت در راستای محور y )اسوی( و دوران حول محور z )یاو( بوده و 4 تا تراستر دیگر قادر به ایجاد نیروی رانش با جهتگیری مطلوب به منظور کنترل حرکت در راستای محور x )سرج( و محور z )هیو( بودند. سیستم رانش دوار ربات اودیسه 2 در شکل 5 آورده شده است.

شكل 1- سيستم رانش دوار به منظور جهتگيری مستقل دو تراستر ]1[

ربات نریوس ]4[ دارای مکانیزم مشابهی بود. تراسترهای اصلی ربات ثابت بودند و یک تراستر کمکی برای حالتهای خاص حرکت استفاده میشد. در سالهای اخیر، مکانیزم بردار رانش4 توسعه پیدا کرده است] 9[. در سال 4353 لوپز و همکاران] 2[ به مدل کردن و کنترل نوعی میکرو AUV با چهار تراستر پرداختند .
در سال 4352 جین و همکاران] 1[ یک ربات زیرسطحی را معرفی کردند که دارای چهار تراستر بود. تراسترها قادر بودند در دو وضعیت صفر و 33 درجه تغییر جهت دهند. در حالتی که تراسترها در وضعیت افقی سوییچ میکردند، ربات قادر بود تنها 9 درجه آزادی سرج، اسوی و یاو را کنترل کند و زمانیکه تراسترها در وضعیت عمودی سوییچ میکردند ربات قادر بود هیو، رول و پیچ را کنترل کند. لذا کنترل همزمان 9 درجه آزادی نیازمند سوییچ مداوم تراسترها بین این دو وضعیت بود که این امر سبب استهلاك سیستم و افزایش خطای کنترلی میشد. در این مقاله ما به طراحی نوع خاصی از شناورهای زیرسطحی میپردازیم که جهتگیری پیوسته و مستقل هر کدام از تراسترها به صورت تابعی از زمان قادر خواهد بود 9 درجه آزادی را به صورت همزمان کنترل کند. 1-3- دیناميک و تكنيکهای کنترلی معادلات حاکم بر شناورهای زیر سطحی اولین بار توسط گرتلر و هاگن در سال 5391 بدست آمد و در سالهای بعد افرادی نظیر ناهون] 9[ و چن] 1[ به مدلسازی دینامیکی شناورهای زیرسطحی پرداختند. در زمینه کنترل مسیر رباتهای زیرسطحی افرادی نظیر فوسن] 1[ و آنتونلی و همکاران] 3[ از پیشگامان این امر محسوب میشوند. مسایل متعدد از جمله خواص فیزیکی و مکانیکی منحصربفرد آب، وجود نیروهای متعدد در جهتهای مختلف، رفتار بسیار غیر خطی و متغیر با زمان سیستم، ضرایب هیدرودینامیکی تقریبی که به شکل ظاهری و سرعت ربات وابستهاند، اغتشاشات خارجی و … سبب شده روشهای کنترلی متعددی به منظور انجام ماموریتهای مختلف طراحی و پیادهسازی شوند که هر کدام دارای نقاط ضعف و قوت خاصی است. بیشتر رباتهای زیرسطحی از روشهای کنترل کلاسیک مثل کنترلر PID استفاده میکنند. با این حال در سالهای اخیر کنترلرهایی از جمله کنترلر فازی، کنترلر شبکههای عصبی، کنترلر مد لغزشی، کنترلر فیدبک حالت و … استفاده شده است] 10[.

1-4- درجات آزادی شناور زیرسطحی
یک شناور زیرسطحی در حالت کلی دارای 9 درجه آزادی میباشد که شامل حرکات انتقالی در 9 جهت محور مختصات کارتزین و حرکات دورانی حول هر کدام از این محورها میباشد. معمولا دو نوع دستگاه مختصات اینرسی و دستگاه مختصات بدنی جهت تشریح سینماتیک و دینامیک شناور بکار برده میشود )شکل 4(.

شكل 2- دستگاههای مختصات مورد نياز برای بررسی شناور زیرسطحی

2- مدلسازی دیناميكی شناور زیرسطحی
معادله دینامیکی کلی حاکم بر شناور زیرسطحی با 9 درجه آزادی به شکل معادله) 5( میباشد:
543
)5(

این معادله براساس دستگاه مختصات بدنی متصل به شناور نوشته شده است. در اینجا

بیانگر بردار سرعت خطی و دورانی نسبت به دستگاه مختصات بدنی و  موقعیت خطی و دورانی شناور نسبت به دستگاه مختصات اینرسی میباشد. ارتباط بین سرعت در دستگاه مختصات بدنی با سرعت دستگاه مختصات اینرسی به کمک ماتریس ژاکوبی بیان میشود.
-11683889128

89916889128

11059161193928

ماتریس جرم و اینرسی M شامل دو عبارت

و

به صورت رابطه) 4( قابل بیان میباشد. ترمهای ماتریس جرم افزوده ناشی از مدلسازی اثرات هیدرودینامیکی شتابگیری خطی و دورانی شناور درون سیال میباشد.

)4(

ماتریس C تحت عنوان ماتریس کریولیس شناخته میشود که بر اثر شتاب کریولیس ناشی از دوران دستگاه مختصات غیراینرسی بدنی ایجاد میشود و با در نظر گرفتن اثرات هیدرودینامیکی به شکل معادله) 9( تعریف میشود.

-11683-43479

216916-43479

343916-43479

775716-43479

1055116-43479

1416050-43479

1563116108920

1512316972521






)9(

درایههای این ماتریسها در پیوست آمده است.
-11683745745

1690116771145

ماتریسهای

و

طبق روشهای تحلیل بر پایه تئوری پتانسیل] 55[ بدست میآیند. ماتریس دمپینگ شامل نیروهای هیدرودینامیکی میباشد به شکل معادله) 2( خواهد بود.

)2(

که شامل ترمهای خطی و مرتبه دوم ضرایب درگ میباشند. با فرض اینکه ربات کاملا غوطهور باشد ضرایب درگ مربوط به سرعت خطی با شبیهسازی به کمک نرمافزار ANSYS و ضرایب درگ مربوط به سرعت دورانی طبق روش تحلیلی] 54[ بدست میآیند .در این شبیهسازی از ترمهای خطی ضرایب درگ صرفنظر کردهایم.
ماتریس g شامل اثرات نیروی وزن و نیروی شناوری میباشد. در اینجا با در نظر گرفتن انطباق مرکز جرم و مرکز شناوری و در نظر گرفتن شناوری خنثی برای سیستم از بردار

صرفنظر میکنیم .

 بیانگر بردار نیرو و گشتاور کنترلی است که بوسیله تراسترها ایجاد میشود و

 شامل بردار نیرو و گشتاورهای خارجی است که تحت عنوان اغتشاش وارد بر سیستم، شناخته میشود.

3- پيكربندی ربات
اکثر قریب به اتفاق شناورهای زیرسطحی دارای تراسترهای ثابت میباشند و لذا جهت حرکت در یک مسیر خاص و کنترل همزمان چند درجه آزادی مجبور به استفاده از 9 تا 1 عدد تراستر میباشند. افزایش تعداد تراسترها سبب بزرگ شدن منبع تغذیه ربات و در نهایت منجر به افزایش وزن ربات میگردد. در این مقاله به ارائه نوع خاصی از شناورهای زیرسطحی از نوع بردار رانش متغیر میپردازیم که دارای 2 عدد تراستر میباشد که جهتگیری هر کدام از آنها به صورت تابعی از زمان بوده و قابلیت کنترل همزمان 9 درجه آزادی را داراست. نوع مکانیزم بکار رفته به منظور تغییر جهت تراسترها میتواند با استفاده از مکانیزم رباتهای موازی و یا سیستم MTVS9 ]59[ و یا دو سروو موتور متعامد2 باشد. جهتگیری هر یک از تراسترهای این ربات بوسیله 4 عدد سروو موتور که به صورت عمود بر یکدیگر واقع شدهاند، کنترل میشوند )شکل 9(.
تغییر پیکربندی سیستم به صورت تابعی از زمان، این امکان را برای ما فراهم میکند که بتوان در جهات مختلف و به صورت همزمان حرکت نمود. نصب بازوی مکانیکی ماهر روی این ربات بر قابلیتهای آن خواهد افزود )شکل 2(.

شكل 3- شناور ارائه شده با 2 عدد سروو موتور برای هر تراستر

شكل 4- شناور ارائه شده مجهز به بازوی مكانيكی ماهر

همانگونه که در شکل 1 مشخص است با دوران سروو موتور اول به اندازه

حول محورy و دوران سروو موتور دوم به اندازه

حول محور z جهتگیری بردار تراست نسبت به دستگاه مختصات بدنی طبق شکل 1 خواهد بود. روابط بین

،

و

با

و

طبق معادله) 1( میباشد.
-11683-177799

)1(

شكل 5- جهتگيری بردار تراستر نسبت به دستگاه مختصات بدنی

رابطه بین بردار

 و نیروی ایجاد شده توسط هر تراستر fi به صورت رابطه) 9( میباشد:

)9(
و با تعریف

ماتریس B به صورت رابطه) 1( تعریف میشود:

593
3501136-15446

3882136289353

2800223390953

4212336390953

4847336390953

در محل زانوی دوم، جهت بازرسی، نیاز به حرکت هلیکال خمیده حول محور زانو میباشد. علاوه بر این در این ناحیه به اندازه
3501136190519

 حول محور x حرکت پیچ خواهیم داشت.
)1(

3962401410459

381001863087

39583361400976

38059361636011

41869361636011

35773361823683

40599361823683

کنترل و شبيه سازی ربات زیرسطحی ارائه شده پس از پیادهسازی مدل دینامیکی غیرخطی کوپله در نرمافزار متلب، ورودیهای کنترلی شامل نیروهای لازم که باید توسط هر کدام از تراسترها ایجاد شود و همچنین جهتگیری هر کدام از تراسترها، به منظور طی کردن مسیر دلخواه توسط ربات، تعیین میگردد. برای کنترل هر کدام از درجات آزادی ربات از کنترلر PD استفاده شده است. اگر  بردار موقعیت واقعی ربات و موقعیت مطلوب ربات باشد سیگنال خطا به صورت  تعریف میشود. قانون کنترلی را به صورت  
62268101906

]1[ در نظر میگیریم.

4-1- حرکت هليكال جهت بازرسی خطوط لوله در زیر دریا به منظور بازرسی، معمولا شناورهای زیرسطحی کوچک مورد استفاده قرار میگیرند. برای بازرسی خطوط لوله در زیر دریا، از ربات طراحی شده که مجهز به سیستم فلوریمتر است بهره میبریم .
شکل 9 نشان دهنده یک مسیر پیچیده از خطوط لوله و ربات مجهز به سیستم فلوریمتر میباشد .
به منظور بازرسی کامل از خط لوله، حرکت مارپیچی یا هلیکال را حول محور خط لوله انجام میدهیم. فرض میشود در ابتدای حرکت، محور طولی ربات با راستای خط لوله موازی میباشد. از آنجایی که میبایست جهت تابش سیستم فلوریمتر به منظور بررسی نشتی، همواره در جهت شعاع خط لوله باشد، لذا ربات باید در حین دور زدن اطراف لوله، حول محور طولی خود دوران کند .این بدان معنی است که در قسمت اول بازرسی از خط لوله سه حرکت سرج، اسوی و هیو به منظور حرکت هلیکال مستقیم مورد نیاز است و همچنین به منظور ثابت نگه داشتن جهت تابش سیستم فلوریمیتر در جهت شعاع خط لوله، به طور همزمان حرکت دورانی رول باید تحت کنترل باشد.
5597398914911

در محل زانوی اول پایپینگ، نیاز به حرکت هلیکال خمیده حول محور زانو میباشد و به منظور حفظ جهت شعاع تابش سیستم فلوریمتر، نیاز به حرکت رول داشته و برای اینکه محور طولی ربات همواره در راستای محور خط لوله باشد و در محل زانوی اول، ربات باید به اندازه حول محور z حرکت یاو داشته باشد. پس از زانوی اول در قسمت مستقیم لوله، مانند ناحیه اول نیاز به کنترل همزمان سرج، اسوی، هیو و رول میباشد.
در نهایت پس از گذر از زانوی دوم در قسمت عمودی لوله، ربات با حفظ پیکربندی مرحله قبل خود، حرکت هلیکال عمودی و همزمان حرکت رول را حول محور لوله انجام خواهد داد و در این مرحله نیاز به کنترل همزمان سرج، اسوی، هیو و رول میباشد.

شكل 6- بازرسی خط لوله زیر آب



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید