[論文レビュー] Towards a New Paradigm of UAV Safety

Juan-Pablo Afman, Laurent Ciarletta+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2018

Fault Detection and Control SystemsEngineering参考文献 15被引用数 18

ひとこと要約

本論文は、プロペラを即座に切断して揚力を低下させ、制御された着陸を可能にする安全な機械的アクティブカットシステム（OABBS）を提案している。このシステムにより、暴走するマルチローターUAVを決定的かつ回復不能に終了させ、衝突エネルギーと付帯被害を最小限に抑える。実験的検証により、現実の暴走ドローン事故においても効果的な衝突軽減が確認された。

ABSTRACT

With the rising popularity of UAVs in the civilian world, we are currently witnessing and paradim shift in terms of operational safety of flying vehicles. Safe and ubiquitous human-system interaction shall remain the core requirement but those prescribed in general aviation are not adapted for UAVs. Yet we believe it is possible to leverage the specific aspects of unmanned aviation to meet acceptable safety requirements. We start this paper with by discussing the new operational context of civilian UAVs and investigate the meaning of safety in light of this new context. Next, we explore the different approaches to ensuring system safety from an avionics point of view. Subsets of operational requirements such as geofencing or mechanical systems for termination or impact limitation can easily be implemented. These are presented with the goal of limiting the collateral damages of a system failure. We then present some experimental results regarding two of the major problems with UAVs. With actual impacts, we demonstrate how dangerous uncontrolled crashes can be. Furthermore, with the large number of runaway drone experiences during civilian operations, the risk is even higher as they can travel a long way before crashing. We provide data on such a case where the software controller is working, keeping the UAV in the air, but the operator is unable to actually control the system. It should be terminated! Finally, after having analyzed the context and some actual solutions, based on a minimal set of requirement and our own experience, we are proposing a simple mechanical based safety system. It unequivocally terminates the flight in the most efficient way by instantly removing parts of the propellers leaving a minimal lifting surface. It takes advantage of what controllability may remain but with a deterministic ending: a definite landing.

研究の動機と目的

• 市民用UAVが引き起こす増加する安全リスク、特に制御不能な飛行、すなわち「暴走ドローン」の事例に対処すること。
• 一般航空機の「衝突なし運用」を基準とする安全パラダイムから、コスト効率の良いUAVの展開に適した「衝突に耐えうる設計」への転換を図ること。
• 高価なソフトウェア検証や複雑な飛行電子機器に依存せずに、低コストで機械的強度に優れた飛行終了ソリューションを開発すること。
• 実飛行データとプロトタイプ開発を通じて、機械的システムが市民用UAVにおける衝突リスク軽減に効果的であることを実証すること。

提案手法

• サーボモーターを用いて、プロペラを所定の長さまで迅速に切断するブレードを展開する最適化アクティブブレーキングシステム（OABBS）の設計およびプロトタイピング。
• OABBSをマルチコプターのアームに統合し、作動時にプロペラをきれいに切断することで揚力を低下させつつ、降下誘導のための一部の制御性を維持する。
• システムは回復不能であることを保証：作動後はプロペラの交換がなければ、通常の飛行に戻ることは不可能である。
• ジョージア工科大学のAfmanアエロメカニクスラボが提供する実飛行データを用い、暴走ドローン事故の分析と、こうしたシステムの必要性の検証を行う。
• 将来的なシステム（例：スマートパラシュート）と組み合わせることで、降下制御性と衝突安全性をさらに向上させる。
• システムの安全性基準としての評価：作動速度、不可逆性、降下速度および衝突エネルギーの制限能力を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 市民用途のUAVにおいて、衝突防止運用よりも地上の安全を最優先に据えることで、UAVの安全基準をどのように再定義できるか？
• RQ2 衝突エネルギーと付帯被害を最小限に抑えるために、急速かつ不可逆的な飛行終了を実現する機械的設計は何か？
• RQ3 低コストでハードウェアベースのシステムは、信頼性とコスト効率の観点から、ソフトウェア中心の安全ソリューションを上回ることができるか？
• RQ4 現実の暴走ドローン事故は、決定的かつ回復不能な終了メカニズムの必要性をどのように示しているか？
• RQ5 プロペラ切断後の残留制御性を、最終飛行段階で人々や構造物を避けるためにどの程度活用できるか？

主な発見

• 暴走したクアッドコプターの実飛行データから、電磁誘導による意図しないスロットル入力が生じ、ドローンが制御不能に上昇し、100ヤードも離れてから墜落したことが判明した。
• OABBSシステムは、揚力を低下させる長さにプロペラを切断し、全スロットル状態でも制御された降下を可能にした。これにより、衝突時の運動エネルギーが最小限に抑えられた。
• システムは不可逆的である：作動後はプロペラの交換がなければ、ドローンは通常飛行に戻せない。これにより、誤作動による回復を防止できる。
• さまざまなプロペラタイプでクリーンな切断が達成され、切断機構の機械的妥当性と一貫性が確認された。
• 一部の制御降下が可能であり、最終飛行段階で人々や構造物を避ける可能性が示された。
• OABBSは決定的かつハードウェアベースのソリューションを提供し、伝統的航空機で求められる高コストのソフトウェア検証・認証を回避できる。