Experimental System Design of an Active Fault-Tolerant Quadrotor

要約

クアッドローターは過去 10 年間で人気が高まり、捜索や救助、地図作成、探検などの複雑な作業で人間を支援しています。
他のタイプの航空機に比べて機械的な単純さと多用途性にもかかわらず、ローターの故障に対して依然として脆弱です。
この論文では、回転子が故障した場合のクアッドローターのフォールトトレラント問題に対処するためのアルゴリズム的および機械的アプローチを提案します。
まず、さまざまな姿勢誤差メトリクスを含むフォールトトレラントな検出および制御スキームを提示します。
このスキームは、ヨー制御を放棄することによってフォールトトレラント制御モードに移行します。
続いて、プラットフォーム センシングの制約との互換性を確保するために、モジュール式の機械設計付属物によって実現されるロボットの回転抗力の変化と、結果としてセンサーの制限内にヨー レートが収まる間の関係を調査します。
この分析は、ローターの故障時に、より信頼性が高く堅牢なクワッドローターを設計するためのプラットフォームに依存しないフレームワークを提供します。
広範な実験結果により、提案されたアプローチが検証され、フォールト トレラント制御が可能なコスト効率の高いクワローターの設計を成功させるための洞察が得られます。
全体的な設計により、追加のセンサーや計算リソースを必要とせずに、ローターに障害が発生した場合の安全性が向上します。

要約(オリジナル)

Quadrotors have gained popularity over the last decade, aiding humans in complex tasks such as search and rescue, mapping and exploration. Despite their mechanical simplicity and versatility compared to other types of aerial vehicles, they remain vulnerable to rotor failures. In this paper, we propose an algorithmic and mechanical approach to addressing the quadrotor fault-tolerant problem in case of rotor failures. First, we present a fault-tolerant detection and control scheme that includes various attitude error metrics. The scheme transitions to a fault-tolerant control mode by surrendering the yaw control. Subsequently, to ensure compatibility with platform sensing constraints, we investigate the relationship between variations in robot rotational drag, achieved through a modular mechanical design appendage, resulting in yaw rates within sensor limits. This analysis offers a platform-agnostic framework for designing more reliable and robust quadrotors in the event of rotor failures. Extensive experimental results validate the proposed approach providing insights into successfully designing a cost-effective quadrotor capable of fault-tolerant control. The overall design enhances safety in scenarios of faulty rotors, without the need for additional sensors or computational resources.

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