[논문 리뷰] Design, Modeling and Control for a Tilt-rotor VTOL UAV in the Presence of Actuator Failure

Mohammadreza Mousaei, Junyi Geng외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 11.

Adaptive Control of Nonlinear Systems인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고정익 기체와 네 개의 개별적으로 기울일 수 있는 로터를 갖춘 맞춤형 틸트로터 VTOL 드론을 대상으로 고장 내성 제어 프레임워크를 제시한다. 타당한 와이어스 공간을 모델링하고 동적 제어 할당을 구현하여, 모터, 기울임 서보, 에일러베이터, 엣처널러 등 다양한 액추에이터 고장을 포함한 상황에서도 안정된 비행을 유지한다. 이는 광범위한 시뮬레이션과 PX4 통합 실시간 실험을 통해 입증되었다.

ABSTRACT

Enabling vertical take-off and landing while providing the ability to fly long ranges opens the door to a wide range of new real-world aircraft applications while improving many existing tasks. Tiltrotor vertical take-off and landing (VTOL) unmanned aerial vehicles (UAVs) are a better choice than fixed-wing and multirotor aircraft for such applications. Prior works on these aircraft have addressed aerodynamic performance, design, modeling, and control. However, a less explored area is the study of their potential fault tolerance due to their inherent redundancy, which allows them to tolerate some degree of actuation failure. This paper introduces tolerance to several types of actuator failures in a tiltrotor VTOL aircraft. We discuss the design and modeling of a custom tiltrotor VTOL UAV, which is a combination of a fixed-wing aircraft and a quadrotor with tilting rotors, where the four propellers can be rotated individually. Then, we analyze the feasible wrench space the vehicle can generate and design the dynamic control allocation so that the system can adapt to actuator failures, benefiting from the configuration redundancy. The proposed approach is lightweight and is implemented as an extension to an already-existing flight control stack. Extensive experiments validate that the system can maintain the controlled flight under different actuator failures. To the best of our knowledge, this work is the first study of the tiltrotor VTOL's fault-tolerance that exploits the configuration redundancy. The source code and simulation can be accessed at https://theairlab.org/vtol.

연구 동기 및 목표

• 틸트로터 VTOL 드론의 구성 부재성에 비해 고장 내성 연구가 부족한 점을 보완하기 위해.
• 개별적으로 기울일 수 있는 로터와 공기역학적 단면을 갖춘 암을 가진 하이브리드 틸트로터 드론을 설계하여 구조적 동역학과 제어 동역학을 분리하기 위해.
• 비선형 동역학을 모델링하고 타당한 와이어스 공간을 분석하여 고장 적응형 제어를 가능하게 하기 위해.
• 기존의 비행 스택(예: PX4)과 통합 가능한 경량 실시간 제어 할당 방법을 개발하기 위해.
• 이상 상태에서 다양한 액추에이터 고장(모터, 기울임 각도, 에일러베이터, 엣처널러 고장 포함)에 대해 허공 및 항로 비행 모드에서 고장 내성 제어를 검증하기 위해.

제안 방법

• 각 로터가 독립적으로 기울임과 속도 제어가 가능한 네 개의 로터를 갖춘 맞춤형 틸트로터 VTOL 드론을 설계하고, 큼보터 암에 공기역학적 단면을 적용하기 위해.
• 로터 및 제어 표면에서 발생하는 힘과 모멘트를 포함한 항공기의 비선형 동역학 모델을 수립하기 위해.
• 압축 최적화를 사용하여 타당한 와이어스 공간을 분석하여 액추에이터 제약 조건 하에서 달성 가능한 힘과 토크의 집합을 규명하기 위해.
• 고장을 감지할 때 건재한 액추에이터들 사이에 제어 부담을 재분배하는 동적 제어 할당을 구현하기 위해, 실시간 고장 식별 기능을 통합하기 위해.
• PX4 비행 제어 스택에 확장 모듈로 고장 내성 제어 모듈을 통합하여 실시간 배포를 가능하게 하기 위해.
• 최적화 기반 제어 할당을 사용하여 고장을 초래한 상황에서도 원하는 비행 경로 유지를 위한 새로운 액추에이터 명령을 계산하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 종류의 액추에이터 고장(모터, 기울임 서보, 에일러베이터, 엣처널러 고장 포함) 상황에서도 틸트로터 VTOL 드론이 안정된 비행을 유지할 수 있는가?
• RQ2 틸트로터 드론의 구성 부재성은 동적 제어 할당을 통해 어떻게 고장 내성을 가능하게 하는가?
• RQ3 특히 고속 항로 비행과 허공 비행에서 핵심 액추에이터가 고장 났을 경우, 시스템이 궤도 추적 및 자세 제어를 얼마나 잘 유지할 수 있는가?
• RQ4 사전 고장 상태에 대한 지식 없이 제어 시스템이 고장을 얼마나 빨리 감지하고 적응할 수 있는가?
• RQ5 구조적 변형이나 비대칭 추진력이 틸트로터 플랫폼의 고장 내성 제어에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 허공에서 모터 고장 발생 후 시스템은 10초 이내에 액추에이터 명령이 수렴하고 비행 경로를 따라가며 제어된 비행을 성공적으로 유지하였다.
• 기울임 서보가 60°에서 锁정된 경우, 제어 권한을 재분배함으로써 빠르게 복구되었고, 심한 외란이 있더라도 안정성을 유지하였다.
• 항로 비행 중 모터 고장 상황에서는 모터 속도 조절과 제어 표면의 기울임 조절을 통해 보완되었고, 기울임 각도는 구조적 스트레스를 피하기 위해 최대 전방 기울임 유지되었다.
• 에일러베이터 고장으로 6°에서 锁정된 후에도 고정 고도를 ±4미터 이내로 유지하였고, 뒷면 로터가 후진 기울임으로써 피치업 모멘트를 상쇄하였다.
• 에일러베이터 고장으로 15°에서 锁정된 경우, 비대칭 모터 속도 조절과 제어 표면 조정을 통해 안정된 비행을 유지하였고, ±15° 이내의 에일러베이터 기울임까지 지속 가능하였다.
• 고장을 인식하는 제어 시스템은 즉각적인 제어 상실을 방지하였고, 고장을 인지하지 못한 시스템은 고장 났던 액추에이터를 제어하려는 무의미한 尝시도로 인해 몇 초 내에 추락하였다.