ارائه یک روش کنترل توزیع‌شده برای هدایت ازدحام رباتیکی در خطوط لوله گاز به‌منظور شناسایی نشتی

نوع مقاله : مقاله مستخرج از رساله دکتری

نویسندگان
1 گروه مهندسی برق، واحد تهران جنوب، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
2 گروه مهندسی برق، واحد بیرجند، دانشگاه آزاد اسلامی، بیرجند، ایران.
چکیده
با توجه به اهمیت پایش مستمر خطوط انتقال گاز و ضرورت شناسایی سریع نشتی‌ها، استفاده از سامانه‌های رباتیکی هوشمند به عنوان یکی از راهکارهای نوین در بازرسی زیرساخت‌های انرژی مورد توجه قرار گرفته است. هدف این پژوهش ارائه یک روش کنترل بهینه توزیع‌شده برای هدایت ازدحام رباتیکی در خطوط لوله گاز به منظور شناسایی نشتی‌ها و عبور ایمن از محیط‌های پیچیده است. در روش پیشنهادی، مسیر حرکت ربات‌ها در قالب یک لوله مجازی منحنی مدل‌سازی شده و از الگوریتم مسیریابی D* Lite برای برنامه‌ریزی مسیر در حضور موانع استاتیکی و دینامیکی استفاده شده است. همچنین یک کنترل‌کننده PID تطبیقی مبتنی بر یادگیری عمیق برای بهبود عملکرد هدایت، کاهش خطای ردیابی و افزایش پایداری سامانه طراحی گردید. پایداری سیستم کنترلی با استفاده از توابع لیاپانوف و چندجمله‌ای‌های چیبیشف مورد ارزیابی قرار گرفت. شبیه‌سازی‌های تحقیق در محیط Python انجام شد و عملکرد روش پیشنهادی در سناریوهای مختلف شامل وجود موانع متحرک، مسیرهای پیچیده و چندین نقطه نشتی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که روش پیشنهادی قادر است ضمن حفظ انسجام ازدحام رباتیکی و جلوگیری از برخورد بین ربات‌ها، مسیر بهینه را با دقت بالا دنبال نماید. همچنین زمان رسیدن به هدف، خطای ردیابی مسیر و میزان برخورد با موانع نسبت به روش‌های مرجع بهبود قابل توجهی نشان داد. نتایج حاصل بیانگر آن است که ترکیب کنترل توزیع‌شده، مسیریابی D* Lite و یادگیری عمیق می‌تواند راهکاری مؤثر برای بازرسی هوشمند خطوط لوله گاز و شناسایی سریع نشتی‌ها در محیط‌های پیچیده فراهم آورد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Presenting a Distributed Control Method for Guiding a Robotic Swarm in Gas Pipelines for Leak Detection

نویسندگان English

Reza Behzadnasab 1
Mahmoud Shahi 2
Amir Hooshang Mazinan 1
1 Department of Electrical Engineering, ST.C., Islamic Azad University, Tehran, Iran.
2 Department of Electrical Engineering, Bi.C., Islamic Azad University, Birjand, Iran.
چکیده English

Given the importance of continuous monitoring of gas transmission pipelines and the need for rapid leak detection, the use of intelligent robotic systems has attracted considerable attention as an innovative approach to energy infrastructure inspection. This study aims to present an optimal distributed control method for guiding a robotic swarm inside gas pipelines in order to detect leaks and ensure safe navigation through complex environments. In the proposed method, the robots’ motion path is modeled as a curved virtual tube, and the D* Lite path-planning algorithm is employed to plan routes in the presence of static and dynamic obstacles. In addition, a deep-learning-based adaptive PID controller is designed to improve guidance performance, reduce tracking error, and enhance system stability. The stability of the control system is evaluated using Lyapunov functions and Chebyshev polynomials. The simulations are conducted in a Python environment, and the performance of the proposed method is examined under various scenarios, including the presence of moving obstacles, complex paths, and multiple leak points. The results demonstrate that the proposed method can accurately follow the optimal path while maintaining robotic swarm cohesion and preventing inter-robot collisions. Furthermore, significant improvements are observed in terms of the time required to reach the target, path-tracking error, and the number of collisions with obstacles compared with benchmark methods. The findings indicate that integrating distributed control, D* Lite path planning, and deep learning can provide an effective solution for the intelligent inspection of gas pipelines and the rapid detection of leaks in complex environments.

کلیدواژه‌ها English

Optimal Distributed Control
Robotic Swarm
Gas Pipeline Leak Detection
Deep Learning

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 15 شهریور 1405