Power-based Safety Layer for Aerial Vehicles in Physical Interaction using Lyapunov Exponents

Autoren: Eugenio Cuniato, Nicholas Lawrance, Marco Tognon, Roland Siegwart · IROS 2022

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Open Access
Paper: CC BY 4.0

Alles Folgende stützt sich auf das vollständige Paper unter seiner Lizenz CC BY 4.0; die Abbildung wird mit Nennung der Autoren gezeigt.

Kurz gesagt

Indem verfolgt wird, wie schnell Regelfehler divergieren, lässt eine Kipprotor-Drohne Leistung zu, solange die Fehler schrumpfen, und dissipiert sie, wenn sie wachsen, sodass sie sicher anhält, wenn ein geschobener Wagen weggezogen wird.

Warum es wichtig ist

Die Schicht braucht kein Energiebudget und lässt den nominellen Regler bestehen, sodass sie einer bereits funktionierenden Posen- oder Wrench-Folgeregelung hinzugefügt werden kann. Die Autoren zeigen analytisch, dass die Sollwerte für Pose und Kraft innerhalb der resultierenden sicheren Mengen bleiben, sodass die Nebenbedingung die Aufgabe nicht unerreichbar macht, und sie geben an, dass die Methode auf jedes vollaktuierte mechanische System anwendbar ist.

Problem

Vollaktuierte Flugroboter, die gegen Flächen drücken, können nach Stößen, Böen oder Kontaktverlust instabil werden, und manche Regler beschädigen dann die Plattform. Sicherheitsschichten auf Basis von Energietanks begrenzen die Energie des Systems und seine Leistung nur implizit, und sie benötigen ein Energiebudget, das schwer zu wählen ist: zu wenig beendet die Aufgabe vorzeitig, zu viel gewährleistet keine Sicherheit mehr.

Lösungsansatz

Die Autoren schätzen den größten Lyapunov-Exponenten (LLE) der Posen- und Wrench-Fehlerdynamik im geschlossenen Regelkreis für jeden Freiheitsgrad, indem sie eine punktweise Konvergenzrate tiefpassfiltern. Eine aus dem LLE abgeleitete Leistungsgrenze (positiv, solange die Fehler konvergieren, dissipativ, solange sie divergieren) wird mit Control Barrier Functions in einem quadratischen Programm auf einem um die Ruck-Ebene erweiterten System durchgesetzt, das über dem bestehenden hybriden Positions-/Kraftregler liegt.

Wichtigste Erkenntnisse

Der LLE der Fehlerdynamik dient als laufendes Gefahrensignal: negativ, solange die Fehler konvergieren, und positiv innerhalb von 0,2 s, nachdem eine geschobene Fläche entfernt wurde.
Den Leistungsfluss direkt statt der gespeicherten Energie zu beschränken, macht die Wahl eines Energietank-Budgets überflüssig und erlaubt sowohl positive als auch dissipative Leistungsgrenzen.
Wird die Stellgröße auf die Ruck-Ebene verlegt, wird der kommandierte Wrench zu einem Zustand, sodass Nebenbedingungen aus Barrierefunktionen auf einen von Sensormesswerten getriebenen Wrench-Regler angewendet werden können und die Eingabe beim Umschalten zwischen Reglern stetig bleibt.
Die Fehlerbeschleunigung in der LLE-Schätzung auf null zu setzen, vergrößert die sichere Menge der Pose, vor allem dort, wo Positions- und Geschwindigkeitsfehler in dieselbe Richtung zeigen; eine Skalierung der Leistungsgrenze mit einem berechneten Faktor kleiner als 1 bringt sie wieder in die ursprüngliche Menge.
Die Dämpfungsverstärkung kλ wägt ab, wie schnell das Fahrzeug anhält, gegen wie viel Leistung zugelassen wird, wenn keine Dissipation nötig ist.

Hauptergebnisse

Freier Flug auf einer liegenden Acht mit einer virtuellen Störung von 14 N für 1 s und auf 10 N begrenzten linearen Eingaben: Ohne die Schicht überschwingt das Fahrzeug mit 0,5 m/s in y und 0,25 m/s in x und erzeugt bis zu 4 W Leistung.
Mit aktivierter Schicht werden die maximalen Überschwinger des Geschwindigkeitsfehlers mehr als halbiert und Leistungsspitzen erreichen höchstens 0,5 W, während die Positionsfehler etwa 2 s länger zum Konvergieren brauchen.
Während die Eingaben in Sättigung waren, überschritt die Leistung kurz die Grenze der Barrierefunktion (zwei Spitzen in y um 4 s) und kehrte nach Ende der Sättigung in die Schranken zurück.
Wrench-Folgeregelung eines Drucks von 3 N bis 5 N auf einen Wagen: Der LLE pendelt sich bei −0,2 s⁻¹ ein (gegenüber −0,5 s⁻¹ bei Posen-Folgeregelung); wird der Wagen bei etwa 30 s weggezogen, steigt der LLE innerhalb von 0,2 s über null, und das Fahrzeug dissipiert Energie und hält an, statt zu beschleunigen.
Analyse der sicheren Menge für die Beispielverstärkungen: Ohne Beschleunigungsmessung verdoppelt sich die zulässige Höchstgeschwindigkeit etwa, von rund 0,25 m/s auf rund 0,5 m/s.
Raisim-Simulationen des Wrench-Experiments: Ein höheres kλ lässt das Fahrzeug kinetische Energie schneller dissipieren und früher anhalten und lässt mehr Leistung zu, solange der LLE negativ ist.

Einschränkungen

Lage und Winkelgeschwindigkeit stammten aus einem Motion-Capture-System; die Autoren geben an, dass der Einsatz im Freien eine Zustandsschätzung an Bord mit einer IMU und/oder optischen Sensoren erfordern würde.
Der LLE wird mit auf null gesetzter Fehlerbeschleunigung berechnet, was, wie die Autoren zeigen, die sichere Menge vergrößert und die zulässige Geschwindigkeit etwa verdoppelt, sofern die Leistungsgrenze nicht herunterskaliert wird.
Wenn Stellgrößen sättigen, kann die Leistung die auferlegte Grenze kurzzeitig überschreiten, wie die Autoren im Freiflugtest beobachten.
Die Störungen im freien Flug waren virtuelle Softwarekräfte statt physischer Stöße, und die Wirkung von kλ wurde nur in der Simulation untersucht.
Die Formulierung setzt eine vollaktuierte Plattform mit Linearisierung durch Rückführung voraus, und nur eine Plattform wurde getestet; Aufgaben der Mensch-Roboter-Interaktion bleiben künftiger Arbeit überlassen.

Wirkung auf das Fachgebiet

Die Arbeit gewann den IROS 2022 Best Paper Award on Safety, Security, and Rescue Robotics in memory of Motohiro Kisoi und hat 25 Zitierungen. Sie erschien in IEEE Robotics and Automation Letters (DOI 10.1109/LRA.2022.3176959). Das Paper gibt keine Veröffentlichung von Code, Daten oder Hardware-Entwürfen an.

Zusammenfassung

Mit steigender Leistungsfähigkeit autonomer Systeme kommen Sicherheitsbedenken auf, insbesondere beim Betrieb in unstrukturierten Umgebungen. Um diesen Bedenken zu begegnen, stellt diese Arbeit eine Sicherheitsschicht für mechanische Systeme vor, die durch äußere Störungen verursachte instabile Dynamik erkennt und darauf reagiert. Die Sicherheitsschicht wird unabhängig und zusätzlich zu bereits vorhandenen nominellen Reglern, etwa für Posen- oder Wrench-Folgeregelung, implementiert und begrenzt den Leistungsfluss, wenn die Antwort des Systems zu Instabilität führen würde. Dieser Ansatz beruht auf der Berechnung des größten Lyapunov-Exponenten (LLE) der Fehlerdynamik des Systems, der ein Maß für die Divergenz- oder Konvergenzrate der Dynamik darstellt. Durch die laufende Berechnung dieser Metrik kann divergentes und möglicherweise gefährliches Systemverhalten umgehend erkannt werden. Der LLE wird dann in Kombination mit Control Barrier Functions (CBFs) verwendet, um einem über den Ruck geregelten System Nebenbedingungen zur Leistungsbegrenzung aufzuerlegen. Die vorgeschlagene Architektur wird experimentell an einem omnidirektionalen Mikro-Luftfahrzeug (OMAV) sowohl im freien Flug als auch bei Interaktionsaufgaben validiert.

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