Mobil robot til inspeksjon og deteksjon av fuktighet i bygninger

Abstract

Forskning og studier viser at dagens og fremtidens samfunn vil bli påvirket og utsatt for store klimaendringer. Oftere og kraftigere ekstremvær vil forårsake økte og hyppigere forekomster av fuktrelaterte problemer i bygde miljøer som følge av lekkasjer og innsig av vann. Derfor er intensjonen med gradsprosjektet å utrede, utvikle og foreslå et konsept og system for en mobil robot som skal kunne gjennomføre inspeksjoner og deteksjoner av fuktighet på vanskelig tilgjengelige områder i bygningsmassen. Formålet med roboten er å bistå og være et verktøy til fagfolk. Gradsarbeidet ble delt inn i flere faser for få til en strukturert og oversiktlig fremdrift i prosjektet.

I planleggingsfasen ble mål, rammer og metoder presentert. Det ble formulert problemstillinger, fokuspunkter og teknologiske utfordringer. Det ble satt opp en arbeidsplan, definert hoved- og delmål, og begrensninger slik at man hele tiden hadde fokus mot å nå prosjektets intensjon. Det ble benyttet anvendelige metodeverktøy som waterfall, integrert produktutvikling (IPD), quality function deployment og pughs metode, SCAMPER og modularisering. I tillegg ble relevante løsningsverktøy som Python og SolidWorks benyttet.

Utredning- og læringsfasen handlet om å tilegne seg en overordnet kunnskapsbase om roboter og aktuelle applikasjoner. Her ble man kjent med et bredt spekter av roboter og deres bruksområder. Basert på denne kunnskapsinnhentingen ble det kartlagt hvilke utfordringer den kommersielle roboten vil møte under arbeid. Det vil si at god mobilitet, fremkommelighet og manøvrering er essensielle egenskaper. Muligheten til å inspisere og detektere i ulike høyder og vinkler er andre viktige egenskaper. Videre i fasen ble det utredet teknologi og underliggende teori som roboten må utstyres med for å løse arbeidsoppgaven. I tillegg ble fagområder som sensorteknologi, mikrokontroller, programvare, navigering og HSV-fargemodell gjennomgått.

Konsept- og systemspesifiseringer av den kommersielle roboten ble utarbeidet i utviklingsfasen. Det ble etablert konkrete målsettinger for både konseptet og systemet, samt systemkrav og viktige sensoregenskaper som roboten må besitte for å kunne bli en funksjonell inspeksjonsrobot. Manøvrering, inspisering og detektering, og karakterisering av objekt er viktige systemdelmål. Forslag til viktige delmål for konseptet til den kommersielle roboten er design-, bruker- og økonomiske mål. Det ble også anslått metriske grensespesifikasjoner og variasjonsbredder for de kritiske dimensjonene i robotens arbeidsområder. I tillegg ble det presentert en grovspesifisering av dimensjonene på den kommersielle roboten.

Resultatet av den mobile roboten er presentert i utviklingsfasen der konsept og systemforslag til den kommersielle inspeksjonsroboten er gjennomgått. Robotkonseptet gir leseren en visuell tilnærming til selve roboten. Stikkord som beskriver robotens design og komponenter er at den skal være modulær, standardisert, enkel og symmetrisk. Hjul versus belter ble diskutert, hvor hjul ble valgt på dette utviklingsstadiet. Roboten utstyres også med en arm for å kunne inspisere og detektere i ulike høyder og vinkler. Med utgangspunkt i de konkrete systemdelmålene var det flere temaer som ble diskutert i utviklingsfasen. Det ble blant annet argumentert for hvorfor ROS skal være rammeverket for robotens programvare. Roboten skal fjernstyres manuelt av operatør gjennom et frontkamera og håndkontrolleren Logitech Gamepad F710. Dette gjøres ved hjelp av et ROS-program som konverterer kontrollkommandoene til hastighetskommandoer. Ved autonom navigering skal roboten generere et kart og lokalisere seg selv ved hjelp av SLAM og ROS gmapping. Gmapping benytter en laserskanner og encodere til innhenting av data om omgivelsene. For å kunne navigere i det aktuelle arbeidsområdet vil ROS navigation stack benyttes. For å gjennomføre effektive inspeksjoner ble roboten utstyrt med et infrarødt kamera som observerer og inspiserer omgivelsene. Det ble utviklet et pythonprogram som analyserer og segmenterer ut de potensielle fuktige områdene fra kameraets termiske bilder. Det er disse områdene som trenger en ytterligere inspeksjon. Da vil en pinless fuktighetsmåler føres bort til det segmenterte området fra bildet, for å bekrefte eller avkrefte fuktighet. For å få en bedre forståelse og tilnærming av sensoroppsettet for applikasjonen samt undersøke om den utviklede programvaren egnet seg til å analysere de termiske bildene, skulle det blitt gjennomført en tidlig komponenttest. Testen med kameraet og fuktighetsmåleren utgikk som en følge av Covid-19, men programmet ble testet ved hjelp av et virtuelt oppsett.

Samtidig som gradsarbeidet representerer en start på konseptet, er målet om å utvikle, utrede og foreslå et konsept og system for en mobil inspeksjonsrobot nådd. For å få en kommersiell prototype bør det videre arbeidet begynne med en markedsundersøkelse med fokus på optimalisering av roboten. Deretter vil de neste stegene være å designe roboten og programmere det foreslåtte systemet.

Research and studies show that todays’ and future societies will be affected and exposed to major climate changes. More frequent extreme weather will cause increased and more often occurrences of moisture-related problems in buildings, due to leaks and water seeping. Therefore, this thesis intends to investigate, develop, and propose a concept and system for a mobile robot that will be able to perform inspection and detection of moisture in difficult accessible areas in buildings. The purpose of the robot is to assist professionals. The thesis was then divided into several phases to achieve a structured and orderly progress throughout the project.

Goals, frames, and methodologies were formulated during the planning phase. The research question was identified, focus points and related technological challenges were formulated. Furthermore, a project plan was established, main and sub-goals defined, as well as limitations. Applicable methods such as, Waterfall, Integrated product development (IPD), Quality function deployment (QFD), Pugh’s method, SCAMPER, and modularization were used. Relevant tools as Python and SolidWorks were also used.

The purpose of the study and learning phase was to acquire an overall knowledge based on robots and relevant applications. Robots and their area of expertise were presented. Based on this knowledge, challenges the commercial robot will face during the work assignment were mapped out. Good mobility, accessibility and manoeuvring are essentials qualities that the robot should possess. The ability to inspect and detect at different heights and angles are other important features. If the robot should be able to work as defined, it has to be equipped with relevant technology and theory. This is discussed later in this phase. Furthermore, subject areas such as sensor technology, microcontroller, software, navigation, and HSV colour model were reviewed.

During the development phase, concept- and system specifications of the commercial inspection robot were established. Specific objectives were formulated for both the concept and the system. Important concept properties, system requirements, and important sensor properties that the robot must possess to become a functional robot, were also highlighted. Navigation, inspection and detection, and object characterization are important sub-goals for the system. Important sub-goals for the commercial robot concept are design-, user- and economical goals. Metric boundary specification and range of variation were also estimated for critical dimensions in the robots’ work areas. Additionally, a rough specification of the commercial robots’ dimensions was presented.

The result of the mobile robot is presented in the development phase were concept and system proposal of the commercial inspection robot are outlined. First, the robot concept is presented to give the reader a visual approach to the robot. Keywords that describe the robots’ design and components are modular, standardized, simple and symmetrical. Wheels versus belts were also discussed. However, since this is an early stage of development, we concluded that the robot should be equipped with wheels. The robot should also be equipped with an arm to be able to inspect and detect at different heights and angles. Based on the specific system sub-goals, several topics are discussed during the development phase. Among other things, it is argued why ROS should be the framework for the robots’ software. An operator should be able to control the robot manually. This will be done through a front camera and the Logitech Gamepad F710 hand controllers and a ROS program that converts the control signals to speed commands. In autonomous navigation, the robot will generate a map and locate itself using SLAM and ROS gmapping. Gmapping uses a laser scanner and encoders to gather data about the surroundings. To be able to navigate in the workspace, the ROS navigation stack will be used. To carry out effective inspections, the robot is equipped with an infrared camera that observes and inspects the surroundings. A python program was developed to analyze and segment out the potential moisture areas from the cameras’ thermal images. The result is areas that need further inspection. Then, a pinless moisture meter will be routed to the segmented area from the image to confirm or disprove moisture. To gain a better understanding and approach of the sensor setup for the application, and to investigate whether the developed software is suitable for analyzing the thermal images, an early component test should have been performed. However, the test with the camera and moisture meter was not performed due to the Covid-19 situation. On the other hand, the program for analysing the thermal images were tested using a virtual setup.

Even though this thesis represents the start of the concept, the goal of developing, investigating and proposing a concept and system for a mobile inspection robot has been achieved. In order to get a commercial prototype, further work should begin with a market research. The focus should be on how to optimize the robot. Then, the next steps should be to design the robot and program the proposed system.