[논문 리뷰] Towards a New Paradigm of UAV Safety

Juan-Pablo Afman, Laurent Ciarletta외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 24.

Fault Detection and Control SystemsEngineering참고 문헌 15인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 다중 로터 UAV의 비행을 실시간으로 차단하여 추락 위험을 줄이고, 안전한 착륙을 가능하게 하기 위해 고안된 기계적 활성 커팅 시스템(OABBS)을 제안한다. 이 시스템은 순간적으로 프로펠러를 잘라내어 양력 감소를 유도하고, 제어 가능한 착륙을 가능하게 한다. 이는 영구적으로 복구 불가능한 결정론적 착륙을 보장하며, 충격 에너지와 부상 위험을 최소화한다. 실험적 검증을 통해 실제 비행 중 실외에서 발생한 실외 드론의 실수 조종 상황에서도 효과적인 충격 완화가 가능함을 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 시민용 UAV가 초래하는 점점 증가하는 안전 위험, 특히 비행 제어를 상실하거나 '도망 다니는' 드론의 경우를 해결하기 위해.
• 항공기 일반 분야에서의 충돌 없음 기반 안전 설계에서, 비용 효율적인 UAV 배포를 위해 안전한 충돌 설계로 안전 철학을 전환하기 위해.
• 고가의 소프트웨어 검증이나 복잡한 항법 장비에 의존하지 않고도, 저비용이며 기계적으로 내구성이 강한 솔루션을 개발하여 비행 종료를 보장하기 위해.
• 실제 비행 데이터와 프로토타입을 통해 기계적 시스템이 시민용 UAV에서 충돌 위험을 효과적으로 완화할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 서보모터를 사용하여 빠르게 날개를 전개시켜 프로펠러를 정확한 길이로 잘라내는 최적의 활성 브레이킹 브레이킹 시스템(OABBS)을 설계 및 프로토타입 제작.
• OABBS를 큐브코pter의 암에 통합하여, 작동 시 프로펠러를 깔끔하게 잘라내어 양력을 감소시키면서도 일부 제어 능력을 유지함으로써 착륙 유도를 가능하게 한다.
• 시스템이 복구 불가능하도록 보장: 작동 후에는 프로펠러를 교체하지 않으면 UAV는 정상 비행으로 복귀할 수 없다.
• 조지아 테크의 Afman 항공역학 연구소에서 확보한 실비행 데이터를 활용하여 도망 다니는 드론 사고를 분석하고, 이러한 시스템이 필요한 이유를 검증한다.
• 미래의 스마트 파라슈트와 같은 시스템과 결합하여 착륙 제어 및 충격 안전성을 향상시킨다.
• 시스템의 핵심 안전 기준인 작동 속도, 복구 불가능성, 착륙 속도 및 충격 에너지 제한 능력에 대해 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시민용 응용 분야에서 충돌 없음 기반 운영을 넘어서, 지상 안전을 우선시하는 UAV 안전 기준은 어떻게 재정의될 수 있는가?
• RQ2 충격 에너지와 부상 위험을 최소화하는 데 기여하는 빠르고 복구 불가능한 비행 종료를 가능하게 하는 기계적 설계는 무엇인가?
• RQ3 저비용의 하드웨어 기반 시스템이 소프트웨어 중심의 안전 솔루션보다 신뢰성과 비용 효율성 측면에서 뛰어나게 작동할 수 있는가?
• RQ4 실제 도망 다니는 드론 사고 사례는 결정론적이고 복구 불가능한 종료 메커니즘의 필요성을 어떻게 입증하는가?
• RQ5 프로펠러가 잘린 후 잔류하는 제어 능력은 사람과 구조물로부터의 회피를 위해 얼마나 효과적으로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 실제 비행 데이터 분석 결과, 전자기 간섭으로 인해 비행 제어를 상실한 큐브코프터가 비정상적인 토클 입력을 받으며 100야드나 떨어진 곳까지 상승하고 낙하하는 사고가 발생했다.
• OABBS 시스템은 프로펠러를 양력 감소를 유도할 수 있는 길이로 정확하게 잘라내어, 최대 토클 상태에서도 제어 가능한 착륙을 가능하게 하여 충격 시 운동 에너지를 최소화했다.
• 시스템은 복구 불가능하다: 작동 후에는 프로펠러를 교체하지 않으면 비행 복귀가 불가능하여 잘못된 복귀 시도를 방지한다.
• 다양한 종류의 프로펠러에서 깔끔한 절단이 이루어졌으며, 이는 절단 메커니즘의 기계적 타당성과 일관성을 입증한다.
• 일부 제어 가능한 착륙이 가능하여, 비행의 최종 단계에서 사람과 구조물로부터의 회피가 가능할 수 있다.
• OABBS는 소프트웨어 검증 및 인증에 필요한 고비용이 수반되는 전통 항공기 기준을 피하는 결정론적 하드웨어 기반 솔루션을 제공한다.