This paper reports on a fault tolerance control (FTC) scheme for a multirotor UAV with actuator faults. The proposed FTC is based on model predictive control, which can be applied to nonlinear systems by using the successive convexification algorithm, which converts a nonconvex function to a convex function in a successive manner through linearization. The faults are parameterized in the form of the loss of effectiveness and estimated through fault detection and diagnosis (FDD). In contrast to the existing FTC schemes, the proposed scheme can control not only small partial losses of the actuator effectiveness, defined as non-severe faults, but also a complete loss of the effectiveness, defined as failure. Furthermore, the proposed FTC can control even severe partial faults that critically impede the normal control of the multirotor, which have not been considered in the existing work. Moreover, the proposed FTC approach does not require controller switching, and the actuator saturation limit is considered. The approach was validated under various actuator fault conditions through nonlinear simulation studies involving two-stage Kalman-filter-based FDD.
이 논문은 멀티로터 무인기의 구동기 고장에 대한 고장 허용 제어기법을 제안한다. 제안된 기법은 모델 예측 제어 기법을 기반으로 하며, 비선형 시스템을 다루기 위해 선형화를 통해 연속적으로 비볼록 함수를 볼록 함수로 변환하는 연속 볼록화 알고리즘을 적용하였다. 구동기의 고장은 효력 상실 비율로 매개 변수화 되며 고장 감지 및 진단 기법을 통해 추정된다. 제안된 고장 허용 제어 기법은 다른 기법들과 비교하여 구동기 효력의 심각하지 않은 부분적 손실만이 아니라 완전고장으로 인한 일부 구동기의 효력이 완전 손실되는 상황에서도 제어가 가능하다. 또한 기존 연구에서 고려되지 않은 정상제어 불가능한 심각한 부분 고장에 대해서도 제어가 가능하다. 제안된 고장 허용 제어 기법은 제어기법의 전환을 필요로 하지 않으며 구동기의 포화까지 고려된 제어 명령을 생성한다. 구동기의 다양한 부분 손실 및 전체 손실 상황에 대해 2단계 칼만 필터 기반의 고장진단 기법이 포함된 비선형 시뮬레이션을 통하여 성능을 검증하였다.
