A Framework for Field Operation of a Powerline Inspection and Interaction Drone System

I løbet af den igangværende elektrificering af samfundet stiger belastningen på elnettet som følge af blandt andet opladningskrævende elbiler, energitunge datacentre og stigende produktion af strøm fra vedvarende energikilder. Det stiller store krav til stabilitet og driftssikkerhed, og behovet for et robust elnet har aldrig været større. En stor del af infrastrukturen består stadig af ældre luftledninger, og behovet for løbende eftersyn og vedligeholdelse er fortsat betydeligt. De traditionelle metoder med kraner og helikoptere er både besværlige, farlige og omkostningsfulde. Droneteknologi fremstår derfor som en lovende løsning til at afhjælpe disse begrænsninger.

Der er dog fortsat en række tekniske barrierer, før droner kan udføre fuldt autonome og langvarige operationer langs højspændingsledninger. De mest central er multirotordroners begrænsede flyvetidsamt manglen på robust og generisk missionsautonomi. Denne afhandling addresserer disse udfordringer gennem en sammenhængende tilgang til dronens perception, styring og missionsdesign.

Afhandlingen præsenterer udviklingen af et framework til feltudrulning af en drone til opgaver omkring luftledninger. Frameworket omfatter et dedikeret perception-system baseret på mmWave radar og kamera til detektering og positionsestimering af ledninger. Et styrings- og navigationssystemmuliggør manøvrer målrettet operation nær luftledninger, herunder landing på kabler til selvoplanding eller interaktion, ved brug af Model Predictive Control og quintic interpolation. Endeligt indeholder frameworket et missionsstyringssystem baseret på behavior trees, integreret tæt med PX4.

Arbejdet blev udført i to hovediterationer. Den første iteration udviklede den indledende version af perception- og styringssystemerne, som muliggjorde navigation og landing på observeredeledninger samt en simpel metode til missionssekvensering. Den anden iteration forbedrede robustheden af perception-systemet gennem udvidelse af algoritmen, generaliserede styringarkitekturenved at modularisere udførelsen af flyvemanøvrer og tilføje nye metoder til trajectory tracking, ogomdesignede missionsautonomien, så den gør brug af behavior tree-modellen. Resultatet er et samletframework til udvikling og feltoperation af et dronesystem til højspændingsledningsdomænet.

Resultatet af arbejdet er blevet afprøvet både i simulationer og i virkelige testmiljøer omkring højspændings- og jernbaneledninger. Missionseksperimenter demonstrerede fuldt autonome kabellandinger på jernbaneledninger, en flertimers kontinuerlig mission med selvoplanding fra luftledninger samt missioner, hvor dronen startede fra vilkårlige positioner, fandt og landede på en ledning, og returnerede til udgangspunktet. Forsøgene bekræftede, at droner kan udføre autonome missioner nær luftledninger og fysisk gribe fat i kabler for at lade op eller udføre vedligehold.

Afhandlingen bidrager med et komplet framework for droneoperationer nær højspændingsledninger, med validerede implementeringer af perception, styring og autonomi, og danner grundlag for fremtidig forskning i selvforsynende inspektions- og vedligeholdelsesdroner til luftledninger.