[论文解读] AERIAL-CORE: AI-Powered Aerial Robots for Inspection and Maintenance of Electrical Power Infrastructures

Anı́bal Ollero, Alejandro Suárez+28 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2024

Robotics and Sensor-Based Localization被引用 4

一句话总结

本论文提出AERIAL-CORE，这是首个集成的、完全自主的空中机器人系统，用于电力基础设施的超视距（BVLOS）巡检与维护。该系统结合了可变构型垂直起降无人机、具备停靠能力的空中机械臂、从输电线自主充电的电池系统，以及用于实时安全监控和工具递送的人机协同无人机，在距离地面控制站超过10公里的超视距实际任务中得到验证。

ABSTRACT

Large-scale infrastructures are prone to deterioration due to age, environmental influences, and heavy usage. Ensuring their safety through regular inspections and maintenance is crucial to prevent incidents that can significantly affect public safety and the environment. This is especially pertinent in the context of electrical power networks, which, while essential for energy provision, can also be sources of forest fires. Intelligent drones have the potential to revolutionize inspection and maintenance, eliminating the risks for human operators, increasing productivity, reducing inspection time, and improving data collection quality. However, most of the current methods and technologies in aerial robotics have been trialed primarily in indoor testbeds or outdoor settings under strictly controlled conditions, always within the line of sight of human operators. Additionally, these methods and technologies have typically been evaluated in isolation, lacking comprehensive integration. This paper introduces the first autonomous system that combines various innovative aerial robots. This system is designed for extended-range inspections beyond the visual line of sight, features aerial manipulators for maintenance tasks, and includes support mechanisms for human operators working at elevated heights. The paper further discusses the successful validation of this system on numerous electrical power lines, with aerial robots executing flights over 10 kilometers away from their ground control stations.

研究动机与目标

• 解决传统人工巡检电力基础设施所面临的高风险、高成本和低效率问题。
• 克服当前空中机器人系统大多局限于目视范围（VLOS）操作、且缺乏巡检、操作与人工支持一体化的局限性。
• 开发一个完全自主、集成化的系统，能够实现长距离超视距巡检、通过停靠实现高精度维护，并提供实时人工操作员支持。
• 在真实环境下验证系统性能，包括符合EASA及国家民航规章的要求。
• 证明从输电线获取能量的可行性，以及多机器人协同作业对延长任务续航时间的贡献。

提出的方法

• 采用可变构型飞行平台，在固定翼与多旋翼飞行模式之间转换，以在长距离飞行和详细巡检阶段实现最优能效。
• 利用机载人工智能实时追踪输电线并进行环境测绘，以检测植被侵入并计算导线与植被之间的距离。
• 提出一种新型停靠机构，使无人机能够降落在带电导线上并保持稳定，从而实现高精度操作和电池充电。
• 通过专用的电能传输接口，实现从带电高压线路自主充电。
• 部署配备手势识别与工具携带能力的人机协同无人机，协助高空作业人员。
• 通过集中式AERIAL-CORE系统实现任务调度，利用实时数据交换协调长距离巡检、操作与安全监控团队。

实验结果

研究问题

• RQ1 完全自主的空中机器人系统能否以高精度和高可靠性执行电力网络的超视距巡检？
• RQ2 空中机器人能否停靠在带电高压导线上，以实现稳定、高精度的操作和能量采集？
• RQ3 如何协调多机器人团队以延长任务范围，并在复杂、高风险环境中支持人工操作员？
• RQ4 从输电线实现自主电池充电是否能显著延长任务续航时间，突破当前限制？
• RQ5 人工智能驱动的无人机能否在带电作业期间安全、有效地监控并协助人工操作人员？

主要发现

• AERIAL-CORE系统成功完成了距离地面控制站超过10公里的超视距飞行，证明了其长距离自主飞行能力。
• 系统实现了在带电导线上的稳定停靠，实现了不间断的高精度操作与电池充电。
• 已成功演示从高压线路自主充电，通过现场能量采集显著延长了任务持续时间。
• 人机协同无人机在实际带电作业中成功执行了实时任务，如电压检测、工具递送与安全监控。
• 该集成系统于2023年10月27日完成真实场景演示，所有任务阶段——巡检、维护与人工支持——均成功执行。
• 系统在EASA及国家民航规章下运行，证明符合超视距运行标准。