[논문 리뷰] Active Fault Tolerant Flight Control System Design - A UAV Case Study

Rudaba Khan, Paul Williams외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 11.

Fault Detection and Control Systems참고 문헌 6인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고정익 UAV에 대한 능동형 고장 내성 제어(FTC) 시스템을 제안한다. 이 시스템은 비선형 모델 예측 제어(NMPC)와 비선형 칼만 필터(UKF)를 활용한 분석적 부재를 통해 고장을 탐지하고 식별한다. 시스템은 엔진 고장을 수초 내로 식별하며, 고장이 발생하지 않은 제어 장치에 제어 권한을 재분배하여 하드웨어 부재 없이도 안전한 비행을 유지한다.

ABSTRACT

Fault tolerance is achieved through multiply redundant hardware systems in large civil aircraft. This means of achieving fault tolerance is infeasible for small compact unmanned aerial vehicles. In this paper we apply a fault tolerant control system which exploits analytical redundancy rather than hardware redundancy to an actual UAV model currently in operation via model-in-the-loop simulation. The fault tolerant control system comprises a nonlinear model predictive controller integrated with an unscented Kalman filter for fault detection and identification. The results show that our fault tolerant control system design is able to identify engine failure within seconds of fault occurrence and distribute control authority to the healthy actuators to maintain safe flight.

연구 동기 및 목표

• 크기, 무게, 비용 제약으로 인해 소형 UAV에 하드웨어 부재를 적용하는 것이 비현실적이라는 점을 해결하기 위해.
• 물리적 부재 대신 분석적 부재를 활용하는 고장 내성 비행 제어 시스템을 개발하기 위해.
• 실시간으로 엔진 고장을 탐지하고 대응할 수 있는 재구성 가능한 제어 시스템을 설계하기 위해.
• 모델-인-더-루프 시뮬레이션을 통해 실제 UAV 모델을 활용해 현실적인 비행 조건에서 시스템을 검증하기 위해.
• 민간 항공역에서의 고정익 UAV 운영을 고려할 때 능동형 FTC의 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 실시간 시스템 동역학을 기반으로 제어 입력을 최적화하기 위해 비선형 모델 예측 제어기(NMPC)에 편미분 스펙트럴 수치 기법을 통합한다.
• 시스템 상태를 추정하고 고장을 탐지하기 위해 정의된 프로세스 노이즈 및 측정 노이즈 공분산 행렬을 활용한 비선형 칼만 필터(UKF)를 사용한다.
• 잔차 분석과 임계값 설정에 기반한 고장 탐지 로직을 구현하며, 2σ 불확도 한계를 초월한 경우 고장 플래그를 활성화한다.
• 최소 추력 0N 및 UKF로 추정된 추력에 2σ 불확도 마진을 고려한 가변 상한 제약 조건을 정의한다.
• 비행 경로 추적 중에 현실적인 풍속 영향을 시뮬레이션하기 위해 MATLAB에서 Dryden 풍속 모델을 활용한다.
• 경로 추종을 위해 기준 경로를 적용하고, 고장 없음 및 두 가지 엔진 고장 시나리오(50% 및 70% 출력 손실)에서 시스템 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소형 UAV에서 하드웨어 부재 없이도 분석적 부재를 효과적으로 활용하여 고장 내성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 제안된 FTC 시스템은 비행 중 엔진 고장을 얼마나 빨리 탐지하고 식별할 수 있는가?
• RQ3 NMPC-UKF 시스템은 엔진 고장 이후에 제어 입력을 얼마나 효과적으로 재구성하여 안정된 비행을 유지할 수 있는가?
• RQ4 추력 손실 수준이 50% 및 70%일 경우, 시스템의 경로 추적 성능과 공기속도 조절 능력은 어떠한가?
• RQ5 중대한 출력 저하가 발생하더라도 시스템은 stall을 방지하고 안전한 비행 특성을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 고장 탐지 시스템은 고장 발생 후 2초 이내에 고장을 식별하였으며, 고장 플래그가 1로 전환됨을 확인하였다.
• 50% 출력 손실 시, 상승 단계에서는 진정한 공기속도 요구치 20 m/s를 달성하지 못했지만, 수평 비행 단계에서는 점차 이를 달성하고 유지하였다.
• 70% 출력 손실 시, 수평 비행 단계에서는 공기속도 요구치를 충족하지 못했지만, 내림내림 단계 중반에서 속도를 회복하였다.
• 모든 시나리오에서 항공기의 스탠드 속도에 도달하지 못했으며, 이는 지속적인 안전 비행 여유를 의미한다.
• 출력 손실 동안 상승률은 엣지 제어 권한 증가로 인해 상한 및 하한 제약 조건 사이를 진동하며, 효과적이지만 공격적인 제어 재구성이 이루어졌음을 나타냈다.
• 70% 출력 손실 케이스에서는 목표 고도에 도달하지 못했고, 대신 낮은 巡항 고도를 유지하다가 내림내림 단계에서 기준 경로로 재통합되었다.