[論文レビュー] Design, Modeling and Control for a Tilt-rotor VTOL UAV in the Presence of Actuator Failure

Mohammadreza Mousaei, Junyi Geng+3 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2022

Adaptive Control of Nonlinear Systems被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、固定翼機体と4つの独立可動傾き可変プロペラを備えたカスタム傾き可変プロペラVTOLドローン向けに、故障に強い制御フレームワークを提示する。可能な力とねじりモーメントの空間をモデル化し、動的制御割り当てを実装することで、モーター、傾きサーボ、エレベーター、スロットルの故障を含むさまざまなアクチュエータ故障下でも安定飛行を維持する。PX4統合による広範なシミュレーションとリアルタイム実験で検証された。

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.

研究の動機と目的

• 傾き可変プロペラVTOLドローンの構成冗長性に起因する余剰性は存在するが、故障に強い制御に関する研究が不足していることに対処する。
• 個別に傾き可変可能なプロペラを備え、空力的断面を有するアームを備えたハイブリッド傾き可変プロペラドローンを設計する。
• 非線形動的モデルを構築し、可能な力とねじりモーメントの空間を分析することで、故障に適応可能な制御を可能にする。
• PX4のような既存のフライトスタックと統合可能な軽量でリアルタイムな制御割り当て手法を開発する。
• ホバーモードおよびクルーズモードの両方で、モーター、傾き角度、エレベーター、スロットルの故障を含む多様なアクチュエータ故障下での故障耐性を検証する。

提案手法

• 各プロペラが独立して傾き角と回転数を制御可能で、クアッドコプターのアームに空力的断面を有するカスタム傾き可変プロペラVTOLドローンを設計する。
• プロペラおよび制御面からの力とモーメントを含む、航空機の非線形動的モデルを定式化する。
• 凸最適化を用いて可能な力とねじりモーメントの空間を分析し、アクチュエータ制約下での達成可能な力とモーメントの集合を同定する。
• 故障検出時に健全なアクチュエータ間で制御効果を再配分する動的制御割り当てを実装し、リアルタイムでの故障同定を用いる。
• PX4フライト制御スタックへの拡張として故障耐性制御モジュールを統合し、リアルタイムでの実装を実現する。
• 最適化に基づく制御割り当てを用いて、故障が生じた後も所望の飛行軌道を維持するための新たなアクチュエータ命令を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モーター、傾きサーボ、エレベーター、スロットルの故障を含む複数のタイプのアクチュエータ故障下でも、傾き可変プロペラVTOLドローンは安定飛行を維持できるか？
• RQ2 傾き可変プロペラドローンの構成冗長性は、動的制御割り当てを通じてどのように故障耐性を実現できるか？
• RQ3 特に高速クルーズ時とホバーモードの両方で、主要なアクチュエータが故障した場合、システムは軌道追従性および姿勢制御をどの程度維持できるか？
• RQ4 事前に故障状態を把握しない状態で、制御システムは故障をどの程度の速さで検出し、適応できるか？
• RQ5 構造的変形や非対称推力が、傾き可変プロペラプラットフォームの故障耐性制御に及ぼす影響は何か？

主な発見

• ホバーモードでのモーター故障後、制御が正常に維持された。アクチュエータ命令は10秒以内に収束し、ドローンはウェイポイントを追従した。
• 傾きサーボが60°で固定された故障時、制御権限を再配分することで迅速に回復し、著しい擾乱下でも安定を維持した。
• クルーズ飛行中、モーター故障はモーター回転数の調整と制御面のデフォルト位置の変更により補償された。傾き角度は構造的応力回避のため、最大前傾位置を維持した。
• エレベーターが6°で固定された故障後、ドローンは一定高度を±4メートルの範囲で維持した。リアプロペラが後傾することでピッチアップモーメントを相殺した。
• スロットルが15°で固定された故障時、非対称なモーター回転数と制御面の調整により補償され、±15°のスロットルデフォルト位置で安定飛行を維持した。
• 故障を認識する制御は即時の制御喪失を防ぎ、故障知識のないシステムは、無意味な制御試行のため数秒以内に墜落した。