ARTIC: Robots Aéreos para Inspección de Túneles por Contacto

Plan Estatal 2017-2020 Retos – Proyectos I+D+i
Referencia: RTI2018-102224-B-I00

Fecha: Enero 2019 a agosto 2022. Solicitada extensión hasta junio 2023.

Investigadores principales: Guillermo Heredia , Joaquín Ferruz

 

Investigadores: Ámbar Garófano, Antidio Viguria, Manuel Béjar, Manuel Galán, Manuel Fernández-González, Alejandro Suárez, Augusto Gómez Eguiluz, José Luis Andrade, Pedro Sánchez Cuevas, Saeed Rafee Nekoo, Diego Benjumea, Manuel Pérez, Nicolás Cortés, Víctor Vega, Antonio González Morgado, Abraham López Lora y Álvaro Caballero.

 

Resumen del proyecto

 
 

El proyecto ARTIC propone el desarrollo de un sistema robótico aéreo autónomo para la inspección de túneles, minas y otras infraestructuras subterráneas, que sea capaz de tener contacto físico con las paredes del túnel y realizar inspección por contacto con sensores de ultrasonidos para medir el ancho y profundidad de las grietas y sensores para detectar las barras , además de la inspección visual con cámaras.

ARTIC adapta e integra resultados de investigación recientes en manipuladores aéreos, brazos robóticos ligeros, control inteligente en robótica, percepción y detección, en un sistema robótico aéreo integrado que puede llevar un brazo manipulador liviano que escaneará las paredes y el techo del túnel en busca de posibles grietas en la superficie o hinchazón o desconchado del hormigón. El robot aéreo entrará en contacto con el túnel con su brazo mientras está en vuelo para medir de manera no destructiva la profundidad de las grietas, la deformación y la delaminación. Lo anterior proporcionará información para una evaluación estructural del túnel.

 
 

Resultados del proyecto

Uno de los objetivos del proyecto ARTIC es el desarrollo de un sistema robótico aéreo capaz de realizar inspección por contacto en túneles y espacios confinados, utilizando distintos sensores no destructivos acoplados al robot. En el proyecto se han realizado varios prototipos que se han probado en distintos escenarios de inspección de infraestructuras. Inicialmente se adaptó el diseño desarrollado en el proyecto previo AEROCROS para volar en espacios confinados y pegarse a las superficies internas de las infraestructuras [1]. También se ha desarrollado un diseño con una base multirrotor de rotores inclinados capaz de pegarse a las superficies y un brazo compliant para mover y posicionar el sensor sobre la misma [7]. Asimismo, se han diseñado y probado prototipos capaces de aterrizar en estructuras tubulares, presentes en muchas industrias e infraestructuras [9][12].

También se han explorado diseños de robots aéreos con alas que presentan seguridad intrínseca y permiten la operación cerca de personas y sin interrumpir el tráfico [2][6]. Se han estudiado distintos diseños de brazos adaptados para poder acoplarlos a robots aéreos para tener más maniobrabilidad con los sensores acoplados a su extremo, incluyendo brazos duales antropomórficos [11][12] y brazos con articulaciones cartesianas [14].

Se está desarrollando el control integrado de la plataforma aérea multirotor y el brazo [1], considerando los efectos aerodinámicos de volar un multirotor en espacios confinados tales como túneles y bajo puentes [3], para configuraciones con rotores de distinta inclinación y las distintas superficies y esquinas presentes en las geometrías típicas de los túneles. También se están incluyendo los modelos aerodinámicos en el sistema de planificación de trayectorias de los robots aéreos [13]. Se han desarrollado esquemas de control para el despegue, aterrizaje y aproximación a distintas superficies planas y tubulares [16][19].

En ARTIC hemos desarrollado un sistema de localización para tareas de inspección de infraestructuras, donde estos vehículos tienen que volar con una señal de GNSS pobre o ausente, o bien la necesidad de una operación sin contacto visual con la plataforma en algunos períodos, cumpliendo además requisitos de trazabilidad de defectos, precisión, confiabilidad y tolerancia a fallos. El sistema desarrollado combina múltiples cámaras estéreo, junto con una estación total robótica, proporcionando una estimación de estado completo (posición, orientación y velocidades lineales y angulares) en un marco de referencia fijo y persistente en el tiempo. Además, el sistema puede alinear y fusionar todas las mediciones de las cámaras a dicho sistema de referencia en tiempo real y a alta frecuencia.

Publicaciones

  1. A.E. Jimenez-Cano, P.J. Sanchez-Cuevas, P. Grau, A. Ollero and G. Heredia, Contact-Based Bridge Inspection Multirotors: Design, Modeling, and Control Considering the Ceiling Effect, IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 4, no. 4, pp. 3561-3568, 2019. DOI: 10.1109/LRA.2019.2928206.
  2. A. Suarez, M. Perez, G. Heredia and A. Ollero, Small-Scale Compliant Dual Arm with Tail for Winged Aerial Robots, 2019 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2019, pp. 208-214. DOI: 10.1109/IROS40897.2019.8967972.
  3. J. Sanchez-Cuevas, V. Martin, G. Heredia, and A. Ollero, Aerodynamic Effects in Multirotors Flying Close to Obstacles: Modelling and Mapping. Fourth Iberian Robotics Conference (ROBOT 2019), pp. 63-74, 2019, Springer, Cham. DOI: 10.1007/978-3-030-35990-4_6.
  4. M. Perez, A. Suarez, G. Heredia, and A. Ollero. Positioning System for Pipe Inspection with Aerial Robots Using Time of Flight Sensors. Fourth Iberian Robotics Conference (ROBOT 2019), pp. 16-27. 2019, Springer, Cham. DOI: 10.1007/978-3-030-35990-4_2.
  5. J. Fernandez, P.J. Sanchez-Cuevas, G. Heredia and A. Ollero, Securing UAV communications using ROS with custom ECIES-based method, 2019 Workshop on Research, Education and Development of Unmanned Aerial Systems (RED UAS), 2019, pp. 237-246, DOI: 10.1109/REDUAS47371.2019.8999685.
  6. A. Suarez, P. Grau, G. Heredia and A.Ollero, Winged Aerial Manipulation Robot with Dual Arm and TailApplied Sciences, 10(14):4783, 2020. DOI: 10.3390/app10144783.
  7. J. Sanchez-Cuevas, A. Gonzalez-Morgado, N. Cortes, D. Benjumea, A.E. Jimenez-Cano, A. Ollero and G. Heredia, Fully-Actuated Aerial Manipulator for Infrastructure Contact Inspection: Design, Modeling, Localization, and ControlSensors, 20(17):4708, 2020. DOI: 10.3390/s20174708.
  8. A. Suarez, V.M. Vega, M. Fernandez, G. Heredia and A. Ollero, Benchmarks for Aerial Manipulation, IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 5, no. 2, pp. 2650-2657, 2020, DOI: 10.1109/LRA.2020.2972870.
  9. A. Lopez-Lora, P.J. Sanchez-Cuevas, A. Suarez, A. Garofano, A. Ollero and G. Heredia, MHYRO: Modular HYbrid RObot for contact inspection and maintenance in oil & gas plants, 2020 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), pp. 1268-1275, 2020, DOI: 10.1109/IROS45743.2020.9341639.
  10. A. Suarez, P.J Sanchez-Cuevas, G. Heredia and A. Ollero, Aerial Physical Interaction in Grabbing Conditions with Lightweight and Compliant Dual ArmsApplied Sciences, 2020, 10(24):8927. DOI: 10.3390/app10248927.
  11. A. Suarez, F. Real, V.M. Vega, G. Heredia, A. Rodriguez-Castaño and A. Ollero, Compliant Bimanual Aerial Manipulation: Standard and Long Reach Configurations, IEEE Access, vol. 8, pp. 88844-88865, 2020, DOI: 10.1109/ACCESS.2020.2993101.
  12. A. Suarez, A. Caballero, A. Garofano, P.J. Sanchez-Cuevas, G. Heredia and A. Ollero, Aerial Manipulator with Rolling Base for Inspection of Pipe Arrays, IEEE Access, vol. 8, pp. 162516-162532, 2020. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3021126.
  13. A. Caballero, P.J. Sanchez-Cuevas, M. Bejar, G. Heredia, M.A. Trujillo and A. Ollero, An Aerodynamic Extension for Motion Planning with Dynamics Awareness in Aerial Long-Reach Manipulators, International Journal of Aerospace Engineering, vol. 2020, Article ID 6348035, 17 pages, 2020. DOI: 10.1155/2020/6348035.
  14. A. Suarez, M. Perez, G. Heredia and A. Ollero, Cartesian Aerial Manipulator with Compliant Arm, Applied Sciences, 2021, 11(3), 1001. DOI:  10.3390/app11031001.
  15. D. Benjumea, A. Alcantara, A. Ramos, A. Torres-Gonzalez, P. Sanchez-Cuevas, J. Capitan, G. Heredia and A. Ollero, Localization System for Lightweight Unmanned Aerial Vehicles in Inspection Tasks. Sensors, 2021; 21(17):5937. DOI: 10.3390/s21175937.
  16. S.R. Nekoo, J.A. Acosta, G. Heredia and A. Ollero, Soft-Landing of Multi-Rotor Drones using a Robust Nonlinear Control and Wind Modeling, 2021 International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS), Athens, Greece, June 2021, pp. 1070-1079, DOI: 10.1109/ICUAS51884.2021.9476763.
  17. S.R. Nekoo, J.A. Acosta, G. Heredia and A. Ollero, A benchmark mechatronics platform to assess the inspection around pipes with variable pitch quadrotor for industrial sites, Mechatronics, vol. 79, 2021, 102641. DOI: j.mechatronics.2021.102641.
  18. N. Cortes, M.J. Fernandez, G. Heredia and A. Ollero, Cartesian manipulator for infrastructure inspection and maintenance, AIRPHARO Workshop on Aerial Robotic Systems Physically Interacting with the Environment, Biograd na Moru, Croatia, 4-5 October 2021 (in press).
  19. S.R. Nekoo, P.J Sanchez-Cuevas, J.A. Acosta, G. Heredia and A. Ollero, Experimental Investigation of Soft-Landing of Quadrotors via Induced Wind Modeling Approach, AIRPHARO Workshop on Aerial Robotic Systems Physically Interacting with the Environment, Biograd na Moru, Croatia, 4-5 October 2021 (in press).
  20. A. Garofano, G. Heredia and A. Ollero, Aerodynamic Interference in Confined Environments with Tilted Propellers: Wall Effect and Corner Effect, AIRPHARO Workshop on Aerial Robotic Systems Physically Interacting with the Environment, Biograd na Moru, Croatia, 4-5 October 2021 (in press).

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Contacto

Guillermo Heredia, guiller@us.es
GRVC Robotics Lab
Universidad de Sevilla