臺灣博碩士論文加值系統

長途管線輸送是石油及天然氣最安全可靠、效率最高的一種運輸方式,隨著管道的長時間使用和環境影響，許多老舊地下管線未列管且疏於養護，以至產生公共危險事件，給長途運輸的安全帶來問題。本研究目的在於不影響長途石油管線輸送的情況下進行管線路徑測繪及記錄，開發管道內路徑的紀錄及測繪、對於進行地下老舊管線的列管及未來養護具有實質的幫助，本研究目標為研究一種自動化管路定位測繪系統，包含移動載具、硬體整合以及利用數據分析進行管路路徑測繪，本研究針對國內地下石油運輸的4吋、6吋、10吋、12吋管徑進行設計，載具利用輸送管線本身的運輸介質壓力進行移動，且載具之機構零件大部分由3D印表機印製成型，硬體系統部分用Arduino Nano搭配MPU6050的六軸慣性感測器來進行整合，最後利用數學分析軟體MATLAB進行數值的分析，本研究實驗的結果為建立一個三維的路線模擬圖，在二維90度彎管實驗中，總長為260.5 cm本研究測得的載體位移平均為260.82 cm，誤差平均為6.1%，在三維包含90度以及45度彎管的實驗中，總長為570 cm本研究可測得的位移平均為557.84 cm，誤差平均為6.8%，測得載體在管道內的移動速度為9.5 cm/s，未來可以應用這樣的設備及技術列管更多埋藏在地底下的老舊管線。

The most reliable and efficient long-distance pipeline transportation is gas and oil. Due to the prolonged use and the environmental impact of the pipeline, many old underground pipe line is not listed and neglect of maintenance, leading public dangers incident to transportation security issues. The aim of this study is to records and locate the path of the pipeline and the development path records and inspection of pipelines under normal transmission of the pipeline. It will help old underground pipeline maintenance in the future.This study focuses on an automated line positioning systems, including machine vehicles, hardware integration and data analysis pipeline route survey and mapping.This study for the domestic transport of underground oil 4 inch, 6 inch, 10 inch, 12 inch diameter design. Vehicle use it own transport medium pressure pipelines for moving, vehicle body parts produced by a 3D printer. Hardware system using the Arduino Nano with MPU6050 six-axis inertial sensor to consolidate, and the numerical analysis is using mathematical software MATLAB to do numerical analysis.The results of this experimental study for established a three dimensional of route simulation figure, In the experiment of two-dimensional 90 degree bend tube, its total length is 260.5 cm . We measure the average displacement of 260.82 cm, average error is 6.1%, In experiment of three-dimensional 90 degree s and 45 degrees bent tube, its total length is 570 cm. We measure the average displacement of 557.84 cm, average error is 6.8%,vehicle in the pipeline movement speed is 9.5 cm/s . We hope such technology can be applied in the future to find out more of old pipelines buried underground. As a result, we can check and maintain more easily

目 錄
摘要 i
ABSTTRACT ii
致謝 iv
目 錄 v
表目錄 viii
圖目錄 ix
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2研究動機與目的 2
1.3研究內容與主要工作內容 3
1.4論文架構 4
第二章 文獻回顧 5
2.1現有管道定位技術及研究狀況 5
2.1.1透地雷達法 5
2.1.2管內慣性定位儀 7
2.1.3 RTK定位技術（Real - time kinematic） 11
2.1.4電磁波探管技術 12
2.2 Smart PIG介紹 15
2.3慣性導航系統介紹與問題 17
2.3.1 GPS與INS之慣性定位系統整合架構分類 18
2.4加速度計以及陀螺儀 21
2.4.1加速度計 21
2.4.2陀螺儀計 23
2.5訊號飄移問題 24
2.5.1卡爾曼濾波器介紹 25
2.5.2狀態更新法 28
2.5.3訊號特徵識別法 28
第三章 實驗方法與步驟 31
3.1 實驗流程圖 31
3.2載體機構要求 32
3.3載體構想與設計 32
3.3.1清管器 32
3.2.2載體外型尺寸設計 33
3.2.3載體內部空間設計 35
3.4硬體介紹 37
3.4.1 Arduino Nano 37
3.4.2 MPU6050 IMU感測器 39
3.4.3 JY61姿態感測模組 40
3.4.4 SD卡模組及18650供電電池 41
3.5 3D印表機概念與應用 43
3.6霍爾感測器 44
3.7硬體整合實驗介紹 46
3.8管道實驗方法 47
第四章 數據分析及實驗結果 51
4.1陀螺儀數據分析 51
4.1.1如何建立三維測繪圖 54
4.2 實驗管道架設 54
4.3 九十度彎管分析 56
4.3.1陀螺儀角度變化數據 56
4.3.2位移變化數據分析 57
4.3.3三維軌跡圖建立 58
4.4三維管線管路分析 61
4.4.1位移數據分析 61
4.4.2陀螺儀數據分析 62
4.4.3三維軌跡圖建立 63
第五章 結論及未來展望 66
5.1結論 66
5.2未來展望 67
參考文獻 68

表目錄
表2.1電磁波探管技術比較表 12
表2.2訊號抑制方法比較表 28
表3.1載體規格表 35
表3.1 Arduino Nano 規格表 38
表 3.2 JY61 datadSheet 40
表3.3抽水馬達規格表 48
表4.1九十度彎管實驗載體距離變化 56
表4.2三維管線管路位移測量數據 60

圖目錄
圖2.1探地雷達發射原理 6
圖2.2慣性導航定位儀 8
圖2.3慣性導航定位儀內部 9
圖2.4慣性導航定位儀於管線內部示意圖 9
圖2.5管內慣性導航定位工作圖 10
圖2.6 GPSRTK工作示意圖 11
圖2.7電磁波探管施工圖 14
圖2.8電磁波探管工具示意圖 14
圖2.9 Smart PIG 15
圖2.10檢測管道PH值的Smart PIG 16
圖2.11分散式開迴路 18
圖2.12分散式閉迴路 19
圖2.13集中式開迴路 20
圖2.14集中式閉迴路 20
圖2.15加速度計感測假設圖 22
圖2.16飛航角三軸示意圖 23
圖2.17陀螺儀計示意圖 24
圖2.18訊號識別濾波器架構圖 29
圖3.1實驗流程圖 31
圖3.2聚氨酯碟型清管器 33
圖3.3載體於肘管中之過彎情形 34
圖3.4管道實驗載體於肘管中之情況 35
圖3.5載體內部設計圖 35
圖3.6載體成型圖 36
圖3.7 Arduino Nano板 38
圖3.8 MPU6050感測圖 39
圖3.9 MPU6050感測器 40
圖3.10 JY61模組 40
圖3.11 SD卡模組 41
圖3.12 18650電池 42
圖3.13 Arduino組合JY61 42
圖3.14 3D印製流程圖 43
圖3.15霍爾感測輪子 44
圖3.16霍爾感測輪子成型 45
圖3.17 霍爾感測磁鐵記數 46
圖3.18 硬體架構圖 47
圖3.19四吋直線管路架設圖 48
圖3.20四吋九十度彎管管路架設圖 48
圖3.21三維管道路徑設計 49
圖3.22 NAREX-A抽水馬達 50
圖4.1 roll yaw pitch三軸示意圖 51
圖4.2 Z軸旋轉360度波形圖 51
圖4.3 X軸旋轉360度波形圖 52
圖4.4 Y軸旋轉360度波形圖 53
圖4.5九十度實際實驗管道架設 55
圖4.6三維管線實際管道架設 55
圖4.7載體在管道行走直視圖 56
圖4.9九十度管路三圍路徑圖 58
圖4.10 X-Y軸視圖 59
圖4.11 Z-X軸視圖 60
圖4.12 Z-Y軸視圖 60
圖4.13三維管路管路角度變化圖 62
圖4.14三維管路的三維軌跡圖 63
圖4.15 X-Y軸視圖 64
圖4.16 Z-X軸視圖 64
圖4.17 Z-Y軸視圖 65

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