Published January 1, 2023 | Version v1
Publication Open

Novel Design of Lightweight Aerial Manipulator for Solar Panel Cleaning Applications

Creators

  • 1. American University of Sharjah
  • 2. Jordan University of Science and Technology

Description

In this research, a novel design of a lightweight aerial manipulator system is proposed for solar panel cleaning with active (CoG) compensation mechanism. Recently, separate solar panel arrays or units are commonly installed on residential, commercial rooftops or roads, making it inconvenient for land robots to perform the cleaning tasks. The proposed light weight solar panel cleaning aerial manipulator with the gravity compensation mechanism is intended to be attached beneath a drone to increase its stability during operation. The manipulator workspace given the proposed system is analyzed under CoG shift constraints. The kinematics and dynamics of the aerial manipulator coupled with the compensation mechanism are presented, and a path-planning scheme for solar panel cleaning is detailed. A dynamic control law based on pitch and counterweight position reduced-order dynamics is derived, and its equivalence to the static compensation law is shown. An experimental test bench is used to simulate the aerial manipulation during operations to validate the performance of the proposed manipulator and its stability. Its tilting pitch angle is collected and examined during operation. The results show that the system is less susceptible to unwanted tilting. A tilt angle reduction of 2 degrees was observed between an uncompensated and compensated system, with a difference in shift of CoG location of 1.72% of the total system length. The CoG location shift is also simulated without the presence of a slider mechanism and shows a difference of 24.5% with the compensated system. The compensation mechanism significantly reduces the tilt angle, avoiding potential instability, and consequently decreases the power required by the carrying drone.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

في هذا البحث، يُقترح تصميم جديد لنظام مناور جوي خفيف الوزن لتنظيف الألواح الشمسية مع آلية تعويض نشطة (COG). في الآونة الأخيرة، يتم تثبيت صفائف أو وحدات الألواح الشمسية المنفصلة عادة على أسطح المنازل السكنية أو التجارية أو الطرق، مما يجعل من غير المريح للروبوتات الأرضية أداء مهام التنظيف. تم تصميم المناور الجوي المقترح لتنظيف الألواح الشمسية خفيفة الوزن مع آلية تعويض الجاذبية ليتم إرفاقه تحت طائرة بدون طيار لزيادة ثباتها أثناء التشغيل. يتم تحليل مساحة عمل المناور بالنظر إلى النظام المقترح في ظل قيود مناوبة CoG. يتم عرض حركيات وديناميكيات المناور الجوي إلى جانب آلية التعويض، ويتم تفصيل مخطط تخطيط المسار لتنظيف الألواح الشمسية. يتم اشتقاق قانون تحكم ديناميكي يعتمد على ديناميكيات الحد من درجة الصوت والثقل الموازن، ويتم عرض معادلته لقانون التعويض الثابت. يتم استخدام مقعد اختبار تجريبي لمحاكاة التلاعب الجوي أثناء العمليات للتحقق من أداء المناور المقترح وثباته. يتم جمع زاوية الميل وفحصها أثناء التشغيل. تظهر النتائج أن النظام أقل عرضة للإمالة غير المرغوب فيها. لوحظ انخفاض زاوية الميل بمقدار درجتين بين نظام غير معوض ومعوض، مع اختلاف في تحول موقع COG بنسبة 1.72 ٪ من إجمالي طول النظام. يتم أيضًا محاكاة تغيير موقع CoG دون وجود آلية منزلق ويظهر فرقًا قدره 24.5 ٪ مع النظام المعوض. تقلل آلية التعويض بشكل كبير من زاوية الميل، وتتجنب عدم الاستقرار المحتمل، وبالتالي تقلل من الطاقة التي تتطلبها الطائرة بدون طيار الحاملة.

Translated Description (French)

Dans cette recherche, une nouvelle conception d'un système de manipulateur aérien léger est proposée pour le nettoyage des panneaux solaires avec mécanisme de compensation actif (CoG). Récemment, des réseaux ou des unités de panneaux solaires séparés sont couramment installés sur les toits ou les routes résidentiels, commerciaux, ce qui rend difficile pour les robots terrestres d'effectuer les tâches de nettoyage. Le manipulateur aérien de nettoyage de panneaux solaires léger proposé avec le mécanisme de compensation de gravité est destiné à être fixé sous un drone pour augmenter sa stabilité pendant le fonctionnement. L'espace de travail du manipulateur étant donné le système proposé est analysé sous des contraintes de décalage CoG. La cinématique et la dynamique du manipulateur aérien couplé au mécanisme de compensation sont présentées, et un schéma de planification de chemin pour le nettoyage des panneaux solaires est détaillé. Une loi de commande dynamique basée sur la dynamique d'ordre réduit de la position du tangage et du contrepoids est dérivée, et son équivalence avec la loi de compensation statique est montrée. Un banc d'essai expérimental est utilisé pour simuler la manipulation aérienne pendant les opérations afin de valider les performances du manipulateur proposé et sa stabilité. Son angle d'inclinaison est collecté et examiné pendant le fonctionnement. Les résultats montrent que le système est moins sensible aux inclinaisons indésirables. Une réduction de l'angle d'inclinaison de 2 degrés a été observée entre un système non compensé et un système compensé, avec une différence de déplacement de l'emplacement du CoG de 1,72 % de la longueur totale du système. Le décalage d'emplacement CoG est également simulé sans la présence d'un mécanisme de curseur et montre une différence de 24,5% avec le système compensé. Le mécanisme de compensation réduit considérablement l'angle d'inclinaison, évitant l'instabilité potentielle, et diminue par conséquent la puissance requise par le drone de transport.

Translated Description (Spanish)

En esta investigación, se propone un diseño novedoso de un sistema de manipulador aéreo liviano para la limpieza de paneles solares con mecanismo de compensación activo (CoG). Recientemente, las matrices o unidades de paneles solares separadas se instalan comúnmente en techos o carreteras residenciales y comerciales, lo que hace que sea inconveniente para los robots terrestres realizar las tareas de limpieza. El manipulador aéreo de limpieza de paneles solares liviano propuesto con el mecanismo de compensación de gravedad está destinado a conectarse debajo de un dron para aumentar su estabilidad durante el funcionamiento. El espacio de trabajo del manipulador dado el sistema propuesto se analiza bajo restricciones de cambio de CoG. Se presenta la cinemática y la dinámica del manipulador aéreo junto con el mecanismo de compensación, y se detalla un esquema de planificación de ruta para la limpieza de paneles solares. Se deriva una ley de control dinámico basada en la dinámica de orden reducido de posición de paso y contrapeso, y se muestra su equivalencia con la ley de compensación estática. Se utiliza un banco de pruebas experimental para simular la manipulación aérea durante las operaciones para validar el rendimiento del manipulador propuesto y su estabilidad. Su ángulo de inclinación se recoge y examina durante el funcionamiento. Los resultados muestran que el sistema es menos susceptible a la inclinación no deseada. Se observó una reducción del ángulo de inclinación de 2 grados entre un sistema no compensado y compensado, con una diferencia en el desplazamiento de la ubicación de CoG del 1,72% de la longitud total del sistema. El cambio de ubicación de CoG también se simula sin la presencia de un mecanismo deslizante y muestra una diferencia del 24,5% con el sistema compensado. El mecanismo de compensación reduce significativamente el ángulo de inclinación, evitando la posible inestabilidad y, en consecuencia, disminuye la potencia requerida por el dron de transporte.

Files

10271364.pdf.pdf

Files (245 Bytes)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:cae31d8e25f6d6792d88bde4a467165d
245 Bytes
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تصميم جديد لمناور هوائي خفيف الوزن لتطبيقات تنظيف الألواح الشمسية
Translated title (French)
Nouvelle conception de manipulateur aérien léger pour les applications de nettoyage de panneaux solaires
Translated title (Spanish)
Diseño novedoso de manipulador aéreo ligero para aplicaciones de limpieza de paneles solares

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4387350524
DOI
10.1109/access.2023.3321859

Is supplement to
https://openalex.org/W4379645868 (Other)
https://openalex.org/W4213341168 (Other)
https://openalex.org/W2378631003 (Other)
https://openalex.org/W2355940846 (Other)
https://openalex.org/W2335638086 (Other)
https://openalex.org/W2326117494 (Other)
https://openalex.org/W2295071091 (Other)
https://openalex.org/W2161214141 (Other)
https://openalex.org/W2139993144 (Other)
https://openalex.org/W2102645302 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Jordan

References

  • https://openalex.org/W1492504335
  • https://openalex.org/W1525021737
  • https://openalex.org/W1719590446
  • https://openalex.org/W17794327
  • https://openalex.org/W1979502310
  • https://openalex.org/W1979553560
  • https://openalex.org/W1999777523
  • https://openalex.org/W2001273675
  • https://openalex.org/W2011690158
  • https://openalex.org/W2015662060
  • https://openalex.org/W2019896740
  • https://openalex.org/W2027333285
  • https://openalex.org/W2031850322
  • https://openalex.org/W2034741390
  • https://openalex.org/W2036613575
  • https://openalex.org/W2042470517
  • https://openalex.org/W2056053413
  • https://openalex.org/W2061889679
  • https://openalex.org/W2068914701
  • https://openalex.org/W2077521741
  • https://openalex.org/W2078390594
  • https://openalex.org/W2082197196
  • https://openalex.org/W2085828139
  • https://openalex.org/W2086164789
  • https://openalex.org/W2088835836
  • https://openalex.org/W2093610312
  • https://openalex.org/W2104513868
  • https://openalex.org/W2105556873
  • https://openalex.org/W2113463400
  • https://openalex.org/W2130545255
  • https://openalex.org/W2146840171
  • https://openalex.org/W2156929871
  • https://openalex.org/W2161297696
  • https://openalex.org/W2165346133
  • https://openalex.org/W2215973529
  • https://openalex.org/W2219720796
  • https://openalex.org/W2247218190
  • https://openalex.org/W2257465984
  • https://openalex.org/W2464496370
  • https://openalex.org/W2545805744
  • https://openalex.org/W2562267561
  • https://openalex.org/W2565660673
  • https://openalex.org/W2592066277
  • https://openalex.org/W2621093516
  • https://openalex.org/W2739355872
  • https://openalex.org/W2772755691
  • https://openalex.org/W2774051060
  • https://openalex.org/W2774138132
  • https://openalex.org/W2787712922
  • https://openalex.org/W2788319054
  • https://openalex.org/W2809971797
  • https://openalex.org/W2889320422
  • https://openalex.org/W2889829150
  • https://openalex.org/W2891005336
  • https://openalex.org/W2902353813
  • https://openalex.org/W2909059947
  • https://openalex.org/W2909983946
  • https://openalex.org/W2921744484
  • https://openalex.org/W2960054529
  • https://openalex.org/W2994412884
  • https://openalex.org/W3036292675
  • https://openalex.org/W3042779015
  • https://openalex.org/W3124795425
  • https://openalex.org/W3193744868
  • https://openalex.org/W4247771077
  • https://openalex.org/W4248221026
  • https://openalex.org/W4292872153
  • https://openalex.org/W4310897929
  • https://openalex.org/W4321500060
  • https://openalex.org/W4327725902
  • https://openalex.org/W4376606464
  • https://openalex.org/W4383108850