XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Система мониторинга коррозии на судах «ЗУмер»
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Современное судоходство предъявляет высокие требования к безопасности и надежности морских судов. Одним из наиболее серьезных факторов, негативно влияющих на техническое состояние судов, является коррозия. Воздействие агрессивной морской среды, включающей соленую воду, постоянные перепады температур и механические нагрузки, приводит к постепенному разрушению металлических конструкций, в первую очередь, палуб.
Палуба, являясь важнейшим элементом конструкции судна, подвергается интенсивной эксплуатации и нуждается в регулярном контроле. Своевременное выявление и устранение очагов коррозии позволяет предотвратить аварийные ситуации, обеспечить безопасность экипажа и груза, а также продлить срок службы судна.
Мы увидели проблему в том, что традиционные методы оценки коррозионного состояния палубы, включающие визуальный осмотр, ручное измерение толщины металла и другие инструментальные методы, обладают рядом существенных недостатков. Они трудоемки, требуют значительных затрат времени, связаны с риском для персонала, вынужденного работать в сложных и опасных условиях, и зачастую не обеспечивают достаточной точности и объективности результатов.
В связи с этим, разработка и внедрение автоматизированных систем для мониторинга коррозии на палубах кораблей является актуальной.
Автоматизация процесса измерения позволит повысить оперативность и точность контроля, снизить риски для персонала и сократить затраты на техническое обслуживание судов.
Наша команда поставила перед собой цель-создание автономного роботизированного комплекса для измерения толщины металла и оценки уровня коррозии на палубах кораблей.
Ряд задач, который поможет нам достичь цели, мы определили следующим образом:
-Изучить современные способы мониторинга коррозии на суднах;
-Разработка конструкции роботизированной платформы, способной перемещаться по палубе корабля и обеспечивать точное позиционирование измерительного датчика на безе MINDSTORMS EV3;
-Интеграция микроконтроллера Arduino Nano и индукционного датчика для бесконтактного измерения толщины коррозийного слоя;
-Разработка алгоритма обработки данных, полученных с датчика, для оценки уровня коррозии;
-Создание программного обеспечения для управления роботом, визуализации данных за счет использования светодиодов;
-Проведение испытаний для оценки точности и надежности разработанного комплекса
В рамках разработки проекта мы опирались на такую литературу как LEGO Гаджеты. Полный гид по строительству необычных механизмов; Курс «Машины и механизмы», ШИР«Мистер Брейни»; Lego удивительные творения, а так же интернет-источниками: https://arctic-children.com, https://yamal-media.ru.
Глава 1. Теоретическое обоснование создания системы мониторинга коррозии на судах «ЗУмер»
1.1 Современные способы мониторинга коррозии на суднах
Коррозия является одной из основных причин снижения прочности, долговечности и эксплуатационных характеристик судов. Влияние агрессивной морской среды, в которую входят солёная вода, кислород, микроорганизмы и другие факторы, приводит к ускоренному разрушению металлических конструкций.
Современные методы контроля коррозии на судах включают визуальный осмотр, ультразвуковое неразрушающее испытание и использование различных датчиков.
При визуальном осмотре дефекты фиксируют на заранее подготовленных чертежах корабля.
Процедура включает проверку состояния обшивок палубы, бортов, днища, корпусов и переборок, проверку герметичности отсеков а так же исправности креплений закладных деталей и устройств.(Приложение, Рисунок 1.1.1)
При использовании датчиков используют ультразвуковой или индуктивный датчик для проверки состояния судна. Преимущественно данная процедура так же происходит вручную. Проверяющие с чертежом корабля проверяют состояние металла прикладывая датчик в заранее обговоренных местах и отмечают на схеме состояние металлического слоя. (Приложение, Рисунок 1.1.2)
Ультразвуовое испытание так же происходит вручную при помощи эксперта, данный метод основан на использовании ультразвуковых волн для выявления дефектов в материалах и конструкциях. (Приложение, Рисунок 1.1.3)
Однако каждый из этих методов имеет свои ограничения, такие как трудоемкость, необходимость применения человеческого труда и высокая стоимость. Например, визуальный осмотр может пропустить мелкие дефекты, которые впоследствии могут привести к серьезным повреждениям, а ультразвуковые методы требуют квалифицированного персонала и могут быть недоступны для контроля труднодоступных мест.
Глава 2. Модель системы мониторинга коррозии на судах «ЗУмер»
2.1 Конструкция модели системы мониторинга коррозии на судах «ЗУмер»
Модель роботизированной системы «ЗУмер» можно разделить на несколько частей:
-мобильная платформа(Приложение, Рисунок 2.1.1);
-распределитель маркеров(Приложение, Рисунок 2.1.2);
-индукционный датчик (толщиномер) (Приложение, Рисунок 2.1.3);
-считыватель реакции (датчик цвета) (Приложение, Рисунок2.1.4);
-сигнальный аппарат (маркеры со светодиодами)(Приложение, Рисунок2.1.5).
Мобильная платформа собрана на базе MINDSTORMS EV3. Гусеничный механизм позволяет перемещаться платформе стабильно по палубе корабля, резиновые накладки позволяют ей скользить и стабильно следовать маршруту.
Два блока EV3 взаимодействую между собой при помощи BLUETOOTH. Первый модуль отвечает за движение платформы, к нему подключены два больших мотора.
Второй модуль отвечает за движение платформы, на которой расположен индукционный датчик созданный на базе Arduino NANO. Так же ко второму блоку подключен датчик цвета. Он определяет в режиме «Яркость внешнего освещения» состояние светодиода, расположенного на плате. Светодиоды показывают состояние коррозии металла. Зеленый свет-все в порядке, Красный-критическое состояние.
Если датчик определяет критическое состояние коррозии, то мотор с платформой содержащей маркеры выбрасывает один в опасном месте. Маркер показывает команде, что данное место на палубе опасно, стоит обратить внимание и своевременно его починить.
В основе разработанного прототипа лежит индукционный датчик, реализованный на базе микроконтроллера Arduino Nano. Этот датчик выполняет ключевую функцию – измерение расстояния от поверхности датчика до металла, что позволяет косвенно оценивать толщину коррозионного слоя.
Программный код Arduino Nano настроен таким образом, что за "нормальное" значение принимается расстояние до металла, не превышающее 3 мм. Это пороговое значение учитывает наличие лакокрасочного покрытия или небольшого слоя коррозии, которые могут присутствовать на поверхности палубы.
Если измеренное расстояние превышает 3 мм, это интерпретируется как критическое состояние металла, указывающее на значительную потерю толщины из-за коррозии. В этом случае Arduino Nano выдает сигнал, который зажигает красный светодиод, сигнализируя о необходимости проведения ремонтных работ на данном участке палубы.
Датчик цвета используется в качестве подтверждения работы системы индикации. Он отслеживает, загорается ли красный светодиод при обнаружении критического состояния металла. Если датчик цвета фиксирует зажигание красного светодиода, это подтверждает правильность работы системы измерения.
2.2 Управление моделью системы мониторинга коррозии на судах «ЗУмер»
Программа индукционного датчика выглядит следующим образом:
/ Пины
const int sensorPin = 7; // Датчик (PNP)
const int greenLED = 5; // Зеленыйсветодиод
const int redLED = 6; // Красныйсветодиод
void setup() {
pinMode(sensorPin, INPUT);
pinMode(greenLED, OUTPUT);
pinMode(redLED, OUTPUT);
}
void loop() {
// Чтениедатчика
bool metalDetected = digitalRead(sensorPin);
// Управлениесветодиодами
digitalWrite(greenLED, metalDetected);
digitalWrite(redLED, !metalDetected);
delay(100); // Задержкадлястабильности
}
В перспективе мы сможем подключить датчик к модулям через ВLUЕTOOTH.
Для движения мобильной платформы и платформы с датчиком мы воспользовались функцией отправки писем между модулями по средствам BLUETOOTH, а так же нам понадобился «Конструктор моего блока», позволяющий укоротить программу и разобрать на функциональные части, для большего комфорта. (Приложение, Рисунок 2.2.1)
2.3 Демонстрация возможностей и оцненка эффективности модели системы мониторинга коррозии на судах «ЗУмер»
Для оценки работоспособности и эффективности роботизированного комплекса “ЗУмер” был проведен ряд испытаний , имитирующих реальную обстановку на палубе корабля. Целью тестирования являлось определение точности измерений, надежности работы всех систем и автономности функционирования.
В ходе испытаний “ЗУмер” был запрограммирован на движение по заданному маршруту, имитирующему палубу судна. Через каждый метр робот останавливался для проведения измерения толщины металла индукционным датчиком на базе Arduino Nano. Данные, полученные с датчика, обрабатывались в режиме реального времени, и в зависимости от уровня коррозии, визуализировались при помощи светодиодов: зеленый свет – состояние металла в норме, красный – критическое состояние.
В случае обнаружения критического уровня коррозии, активировался механизм распределения маркеров, который оставлял маркер в опасном месте. Маркер, оснащенный светодиодом соответствующего цвета, служил визуальным сигналом для команды судна о необходимости проведения ремонтных работ. Датчик цвета, подключенный ко второму блоку EV3, контролировал состояние светодиода, сигнализируя о необходимости выброса маркера.
Гусеничная платформа обеспечивала стабильное передвижение робота по поверхности, а резиновые накладки предотвращали скольжение. Связь между двумя блоками EV3 осуществлялась по Bluetooth, обеспечивая координацию движения платформы и работы измерительной системы.
Результаты тестирования показали, что “ЗУмер” успешно выполняет поставленные задачи:
-
Робот стабильно перемещается по заданному маршруту, останавливаясь через каждый метр для проведения измерений.
-
Индукционный датчик обеспечивает достаточно точное измерение толщины металла.
-
Визуализация данных о коррозии при помощи светодиодов позволяет быстро оценить состояние палубы.в качестве коррозии мы предлагали любой другой материал-плитка или пластик.
-
Система маркировки очагов коррозии эффективно указывает на опасные места, требующие внимания команды судна.
Однако, в ходе тестирования были выявлены и некоторые недостатки, требующие доработки:
-
Точность измерений индукционного датчика может зависеть от температуры и влажности окружающей среды.
-
Гусеничная платформа может испытывать трудности при перемещении по неровным поверхностям.
-
Система маркировки требует усовершенствования для обеспечения надежного крепления маркеров на палубе.
Несмотря на выявленные недостатки, результаты тестирования позволяют сделать вывод о перспективности использования роботизированного комплекса “ЗУмер” для автоматизации процессов контроля коррозии на палубах кораблей. Дальнейшее развитие проекта позволит создать более эффективный и надежный инструмент для обеспечения безопасности и продления срока службы морских судов.
Заключение
Проведенные испытания роботизированного комплекса “ЗУмер” продемонстрировали его потенциал в автоматизации процессов контроля коррозии на палубах кораблей. Несмотря на то, что в качестве имитации коррозии использовались плитка или пластик, система успешно выполнила ключевые задачи: стабильное перемещение по маршруту, измерение толщины материала индукционным датчиком, визуализацию данных о коррозии при помощи светодиодов и маркировку потенциально опасных участков. Гусеничная платформа обеспечила надежное передвижение, а взаимодействие между блоками EV3 по Bluetooth позволило координировать работу всех систем.
Выявленные в ходе тестирования недостатки, такие как зависимость точности измерений от внешних факторов, трудности с перемещением по неровным поверхностям и необходимость улучшения системы маркировки, указывают на направления для дальнейшей доработки и совершенствования проекта.
Несмотря на это, полученные результаты позволяют сделать вывод о перспективности использования “ЗУмер” для повышения безопасности и продления срока службы морских судов. Дальнейшая работа над проектом, направленная на устранение выявленных недостатков и реализацию потенциала предложенных решений, позволит создать более эффективный и надежный инструмент для автоматизированного контроля коррозии, что внесет значительный вклад в обеспечение безопасности судоходства.
Список литературы
1. Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;
2. «LEGOудивительные творения»; Сара Дис [пер. с англ. М. Карманова].- Эксмодетство, 2020 г.
3. «LEGO Гаджеты. Полный гид по строительству необычных механизмов»; [пер. с англ. Позина И. В., ред. Волченко Ю. С.].- Эксмодетство, 2019 г.
Интернет-источники:
4. https://arctic-children.com;
5. https://yamal-media.ru.
Приложение
|
Рисунок 1.1.1 |
Рисунок 1.1.2 |
|
Рисунок 1.1.3 |
|
|
Рисунок 1.1.1 |
Рисунок 1.1.2 |
|
Рисунок 1.1.3 |
Рисунок 1.1.4 |
|
Рисунок 1.1.5 |
|
|
Рисунок 2.2.1 |
|