Fault-Tolerant Control

Auch genannt: FTC
Kategorie: Control › Feedback control
Schlagwörter: fault-tolerance, flight-control, robust-control, reliability, multirotor

Reglerentwurf, der ein System nach Fehlern wie einem ausgefallenen Aktuator oder Sensor stabil und nutzbar hält, indem er den Fehler toleriert oder ihn erkennt und den Regler rekonfiguriert.

Definition

Fehlertolerante Regelung (fault-tolerant control, FTC) zielt darauf, ein System sicher zu halten und, wo möglich, seine Aufgabe weiter ausführen zu lassen, nachdem etwas schiefgegangen ist: ein Aktuator klemmt, ist geschwächt oder ausgefallen, ein Sensor hat einen Bias oder ist tot, oder es liegt ein struktureller Schaden vor. Üblicherweise unterscheidet man zwei Ansätze. Passive fehlertolerante Regelung entwirft einen einzigen festen Regler, oft mit Methoden der robusten Regelung, der für eine definierte Menge von Fehlern stabil bleibt, ohne wissen zu müssen, welcher aufgetreten ist. Aktive fehlertolerante Regelung erkennt und isoliert den Fehler zur Laufzeit, ein Schritt, der Fehlererkennung und -isolation (FDI) oder Fehlererkennung und -diagnose genannt wird, und rekonfiguriert dann den Regler, die Stellgrößenallokation oder die Mission passend zum veränderten System.

Welche Möglichkeiten bestehen, hängt davon ab, wie viel Redundanz verbleibt. Bei einem Hexacopter oder einem Manipulator mit überzähligen Freiheitsgraden lässt sich ein ausgefallener Aktuator oft dadurch auffangen, dass die Befehle über die Stellgrößenallokation auf die übrigen umverteilt werden. Wo es keinen überzähligen Aktuator gibt, muss der Regler etwas aufgeben. Ein Standardbeispiel ist ein Quadrocopter, der einen Rotor verliert: Mit den verbleibenden drei kann er nicht alle drei Drehachsen und den Gesamtschub unabhängig regeln. Mueller und D'Andrea zeigten 2014, dass das Fluggerät dennoch geflogen werden kann, indem man es kontinuierlich um seine Gierachse rotieren lässt und nur die Richtung seiner Schubachse und seine Position regelt. Ähnliche Überlegungen gelten für Flugzeuge mit beschädigten Steuerflächen und Roboter, die ein Gelenk oder ein Bein verlieren.

Fehlertoleranz betrifft den ganzen Regelkreis, nicht nur das Regelgesetz. Die Fehlererkennung muss schnell und zuverlässig genug sein, um zu handeln, bevor das System nicht mehr zu retten ist, und der rekonfigurierte Regler stützt sich oft auf Zustandsschätzungen, die nach dem Fehler selbst schwerer zu gewinnen sind. Ein rotierender Quadrocopter etwa ist wegen Bewegungsunschärfe schwierig für Standardkameras, weshalb die Zustandsschätzung unter solchen Bedingungen mit Ereigniskameras untersucht wurde. Tests kombinieren meist Simulation mit eingespeisten Fehlern, Hardware-in-the-Loop-Experimente und, wo möglich, absichtliche Fehler an gefesselter oder geschützter Hardware.

Warum es wichtig ist

Roboter und Drohnen arbeiten zunehmend in der Nähe von Menschen und fernab jeder Reparaturmöglichkeit. Ein Ausfall, der sich in Software auffangen lässt, statt zusätzliche Hardware zu erfordern oder in einem Absturz zu enden, verbessert Sicherheit und Zuverlässigkeit zu geringen Kosten. Fehlertolerante Regelung ist außerdem ein Thema der Regulierung und Zertifizierung in der Luftfahrt und in anderen sicherheitskritischen Bereichen.

Wichtige Anwendungen

Abfangen von Multikoptern nach Rotor- oder Motorausfall
Stellgrößenallokation für redundante Aktuatoren an Flugzeugen und Drohnen
Fortsetzen der Manipulation nach Gelenkausfällen oder blockierten Gelenken
Laufroboter, die ihre Gangart nach einem Beinschaden anpassen
Behandlung von Sensorfehlern in Zustandsschätzung und Navigation

In der Praxis

Ein Team ergänzt die Flugsoftware eines Quadrocopters um die Behandlung von Rotorausfällen. Ein Detektor vergleicht kommandierte und von der IMU gemessene Winkelbeschleunigungen und meldet einen Rotorverlust innerhalb eines kurzen Zeitfensters. Bei Erkennung schaltet der Regler vom normalen kaskadierten Lageregler auf einen Regler für die reduzierte Lage um, der das Fluggerät um seine Gierachse rotieren lässt und die Rotationsachse neigt, um die horizontale Bewegung zu regeln. Das Team testet die Umschaltung zuerst in der Simulation mit eingespeisten Ausfällen, dann auf der Hardware mit einem Rotor, dem über einem Netz null Schub kommandiert wird, und prüft, ob das Schub-Gewichts-Verhältnis des Fluggeräts genug Reserve lässt, um mit drei Rotoren die Höhe zu halten.

Häufige Missverständnisse

Fehlertoleranz erfordert immer redundante Hardware — manche Systeme wie Quadrocopter bleiben nach dem Verlust eines Aktuators regelbar, indem sie die Regelung eines weniger wichtigen Freiheitsgrads aufgeben
Fehlertolerante Regelung ist nur ein Problem des Reglerentwurfs — schnelle Fehlererkennung und verlässliche Zustandsschätzung nach dem Fehler sind oft die schwierigeren Teile
Ein fehlertolerantes System arbeitet nach einem Fehler genauso gut — die Rekonfiguration tauscht meist Leistung, etwa die Gierregelung oder die Nutzlastkapazität, gegen fortgesetzten sicheren Betrieb

Wer das wissen sollte

Ingenieure für Drohnen und Flugregelung
Sicherheits- und Zuverlässigkeitsingenieure für autonome Systeme
Regelungsforscher, die an robuster und adaptiver Regelung arbeiten
Ingenieure der Feldrobotik, die für den Fernbetrieb entwerfen

Open Source Robotics