[논문 리뷰] Fault Tolerant Control of Multirotor UAV for Piloted Outdoor Flights

Arunn Narasimhan, Coen C. de Visser외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 01.

Fault Detection and Control Systems인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 다중로터 UAV에서 완전한 액추에이터 고장 이후에도 제어 가능성을 유지하기 위해 감소된 순서의 자세 제어와 우선순위 기반 제어 할당을 사용하는 고장 내성 제어(FTC) 아키텍처를 제안한다. 이 방법은 편미분 기반 동적 역전치와 순차적 과포화 방지를 통해 기울기 우선 제어 할당을 구현하며, 온보드 센서만을 사용하여 실내 및 실외 수동 비행을 통해 검증되었다. Intel® Shooting Star™ 큐드로터에서 수행된 비행 테스트를 통해 성능을 입증하였다.

ABSTRACT

This paper aims to develop a Fault Tolerant Control (FTC) architecture, for the case of a damaged actuator for a multirotor UAV that can be applied across multirotor platforms based on their Attainable Virtual Control Set (AVCS). The research is aimed to study the AVCS and identify the parameters that limit the controllability of multirotor UAV post an actuator failure. Based on the study of controllability, the requirements for a FTC is laid out. The implemented control solution will be tested on a quadrotor, Intel Shooting Star UAV platform in indoor and outdoor flights using only the onboard sensors. The attitude control solution is implemented with reduced attitude control, and the control allocation is performed with pseudo-inverse based model inversion with sequential desaturation to ensure tilt priority. The model is identified with an offline Ordinary Least Squares routine and subsequently updated with the Recursive Least Squares method. An offline calibration routine is implemented to correct IMU offset distance from the centre of rotation to correct for accelerometer bias caused by the high-speed spin after failure in a quadrotor.

연구 동기 및 목표

• 완전한 액추에이터 고장 이후에도 안전한 비행을 보장하는 다중로터 UAV를 위한 고장 내성 제어(FTC) 아키텍처를 개발하는 것.
• 고장 이후 제어 가능성을 제한하는 물리적 제약을 분석하고, 특히 요르에 대한 제약을 규명하는 것.
• 고장 이후 안정성을 유지하기 위해 기울기 제어와 요르 제어를 분리하는 감소된 순서의 자세 제어 형식을 구현하는 것.
• 기울기 제어를 우선순위로 하여 편미분 역전치를 사용한 순차적 과포화를 통한 최적이고 실현 가능한 제어 할당을 보장하는 것.
• 고장 이후 고속 회전으로 인한 가속도계 오프셋을 중심 회전점에서의 오프셋 추정 및 보정을 통해 보정하는 것.

제안 방법

• 제어 아키텍처는 자세 제어를 감소된 순서로 구성하여 요르 제어와 기울기 제어를 분리함으로써 단일 액추에이터 고장 이후에도 안정적인 비행을 가능하게 한다.
• 제어 할당은 편미분 기반 모델 역전치를 통해 수행되며, 기울기 제어를 우선순위로 하여 추진력과 요르 제어보다 과포화를 순차적으로 처리한다.
• 동적 모델은 사전에 일반 최소 제곱법(OLS)을 사용하여 식별하고, 실시간 적응을 위해 사전에 업데이트된 순차 최소 제곱법(RLS)을 사용하여 온라인으로 업데이트한다.
• 사전 캘리브레이션 루틴을 통해 중심 회전점에서의 IMU 오프셋을 추정하고 보정하여 고속 회전 중 발생하는 가속도계 오프셋을 완화한다.
• 자세 추정은 GPS 데이터와 융합된 보완 필터를 사용한 느슨하게 연결된 확장된 칼만 필터(EKF)를 통해 수행되어 기울기 정확도를 향상시킨다.
• 시스템은 온보드 센서와 GPS만을 사용하여 실내 정지 비행(최대 40초) 및 실외 수동 비행(최대 1분 38초) 테스트를 통해 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중로터 UAV의 물리적 설계와 제어 제약이 단일 액추에이터 고장 이후 그가 가능한 가상 제어 집합(AVCS)을 어떻게 제한하는가?
• RQ2 한 블레이드가 완전히 고장 났을 때 기울기 우선순위를 고려하여 최적이고 실현 가능한 액추에이터 작동을 보장하는 제어 할당 전략은 무엇인가?
• RQ3 고장 이후 고속 회전으로 인한 가속도계 오프셋이 온보드 센서 데이터를 통해 효과적으로 추정되고 보정될 수 있는가?
• RQ4 감소된 순서의 자세 제어 형식이 액추에이터 고장 이후 수동 실외 비행 중 안정적인 비행을 얼마나 오랫동안 유지할 수 있는가?
• RQ5 센서 융합(보완 필터와 EKF 융합)의 성능은 제어 능력이 떨어진 조건에서 고속 회전 및 실외 비행 환경에서 얼마나 견고한가?

주요 결과

• AVCS 분석 결과, 단일 액추에이터 고장 이후 요르 제어 가능성이 크게 제한됨을 확인하였으며, 이는 기울기 제어와의 분리가 필수적임을 시사한다.
• 감소된 순서의 자세 제어 형식이 성공적으로 요르 제어와 기울기 제어를 분리하여 고장 상황에서도 안정적인 비행과 자세 제어를 유지함을 입증하였다.
• 편미분 기반 제어 할당에서 순차적 과포화를 적용함으로써 기울기 제어가 우선순위로 유지되어 액추에이터 손실 상황에서도 실현 가능한 제어 능력을 확보하였다.
• RLS 기반 모델 업데이트가 실시간 제어 정확도를 향상시켰으며, 사전에 OLS로 식별된 모델이 제어 구현에 충분한 정밀도를 확보함을 확인하였다.
• IMU 오프셋 캘리브레이션을 통한 가속도계 오프셋 보정이 고속 회전 중 기울기 추정 정확도를 크게 향상시켰으며, 그 결과 Fig. 38에서 일관된 중앙 기울기 값이 관찰되었다.
• 실외 수동 비행 테스트를 통해 온보드 센서만을 사용하여 최대 1분 38초 동안 안정적이고 직관적인 제어를 구현하였으며, 드론은 관성 기준에서 비행사 명령을 일관되게 따르는 것으로 확인되었다.