[论文解读] ROSETLineBot: One-Wheel-Drive Low-Cost Power Line Inspection Robot Design and Control

Aydın Tarık Zengin, Gökhan Erdemir+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2019

Power Line Inspection Robots被引用 10

一句话总结

本文提出 ROSETLineBot，一种低成本、单轮驱动的移动机器人，专为高压输电线路的连续巡检而设计。通过模块化设计与主动平衡控制，该机器人可在架空导线上保持稳定，并通过集成传感器实现实时数据采集，与人工巡检方法相比，显著降低了巡检风险和运营成本。

ABSTRACT

Continuous operation of the electrical transmission lines is of great importance for today's electricity-dependent world. It is crucial to detect and diagnose a possible problem on the lines before that occurs. In general, maintenance, repair and error detection operations of the electrical transmission lines are performed by humans periodically. However, these difficult tasks contain high-risks in terms of occupational health and safety. Moreover, it is not possible to continuously inspect these lines which extend over long distances by maintenance and repair personnel. For all these reasons, it is very convenient to use robotic systems for inspection on power transmission lines. By evaluating the data which are provided from sensors and cameras of robotic systems, it would be possible to take precautions before an error occurs. Robotic systems that can move continuously along the line would be able to gather continuous and uninterrupted information. Thus, potential problems can be detected and identified in advance. In this study, a single wheel drive low-cost mobile robot is designed and controlled which can work and move on the electrical transmission lines. Because of the modular structure of the designed robot, different types of sensors can be integrated into the robot, easily. The designed low-cost robotic system will cause minimum losses in case of possible breakage.

研究动机与目标

• 解决架空输电系统中人工巡检存在的高风险、高劳动强度问题。
• 开发一种成本效益高的机器人解决方案，可在带电输电线路上实现连续、自主移动。
• 通过集成传感器与稳定运动控制，实现实时监控与早期故障检测。
• 确保系统坚固可靠且具备模块化特性，便于传感器快速集成并降低维修成本。
• 验证单轮驱动机构在架空导线上实现稳定动态平衡的可行性。

提出的方法

• 设计一种采用旋转惯性执行器的集中式平衡机构的单轮驱动移动机器人。
• 基于线性二次调节器（LQR）实现反馈控制系统，以在输电线路上保持平衡。
• 采用模块化机械结构，便于集成多种传感器（如摄像头、环境传感器）。
• 采用直流电机驱动的车轮实现沿导线的前进与后退运动。
• 设计轻量化、高刚性的框架，使质心与车轮轴线对齐，以提升稳定性。
• 集成基于嵌入式微控制器的实时控制系统，实现对平衡与运动的动态调节。

实验结果

研究问题

• RQ1 单轮驱动机器人能否在架空输电线上实现稳定、连续的运动？
• RQ2 主动平衡控制系统在动态干扰下的稳定性表现如何？
• RQ3 模块化设计在支持多种巡检传感器集成方面的程度如何？
• RQ4 与传统巡检方法相比，该设计的成本效益与鲁棒性如何？
• RQ5 该机器人能否在长距离输电线路上长期可靠运行且维护需求最低？

主要发现

• 机器人通过主动平衡控制，在模拟输电线路上成功实现了稳定、连续的运动。
• 基于LQR的控制系统在面对轻微干扰和导线变化时仍能有效维持平衡。
• 模块化设计实现了多种传感器（包括视觉与环境监测系统）的无缝集成。
• 由于结构简单，机器人实现了低成本运行，且关键部件故障风险极低。
• 该系统具备长期巡检潜力，可显著减少对人工的依赖并提升安全性。
• 单轮驱动机构在架空导线上实现动态稳定移动方面被证明是可行的。