Integrating Vision Systems and STPA for Robust Landing and Take-Off in VTOL Aircraft

要約

垂直離着陸 (VTOL) 無人航空機 (UAV) は、監視、捜索救助、都市の航空モビリティなどの用途で広く使用されている多用途プラットフォームです。
その可能性にもかかわらず、不確実で動的な環境での離陸と着陸の重要な段階では、環境の不確実性、センサーのノイズ、システムレベルの相互作用により、安全性に重大な課題が生じます。
この論文では、離着陸時の VTOL UAV 操作の安全性と堅牢性を強化するために、ビジョンベースのセンサー フュージョンとシステム理論プロセス分析 (STPA) を組み合わせた統合アプローチを紹介します。
AprilTags などの基準マーカーを制御アーキテクチャに組み込み、包括的なハザード分析を実行することで、安全でない制御アクションを特定し、緩和戦略を提案します。
主な貢献には、基準マーカー、マルチローターコントローラー、および対応する危険な制御アクションと緩和戦略を識別できるビジョンシステムを備えた制御構造の開発が含まれます。
提案されたソリューションは、VTOL UAV 運用の信頼性と安全性を向上させ、回復力のある自律システムへの道を開くことが期待されています。

要約(オリジナル)

Vertical take-off and landing (VTOL) unmanned aerial vehicles (UAVs) are versatile platforms widely used in applications such as surveillance, search and rescue, and urban air mobility. Despite their potential, the critical phases of take-off and landing in uncertain and dynamic environments pose significant safety challenges due to environmental uncertainties, sensor noise, and system-level interactions. This paper presents an integrated approach combining vision-based sensor fusion with System-Theoretic Process Analysis (STPA) to enhance the safety and robustness of VTOL UAV operations during take-off and landing. By incorporating fiducial markers, such as AprilTags, into the control architecture, and performing comprehensive hazard analysis, we identify unsafe control actions and propose mitigation strategies. Key contributions include developing the control structure with vision system capable of identifying a fiducial marker, multirotor controller and corresponding unsafe control actions and mitigation strategies. The proposed solution is expected to improve the reliability and safety of VTOL UAV operations, paving the way for resilient autonomous systems.

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