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

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

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• Accès libre
• Article: CC BY 4.0

Tout ce qui suit s'appuie sur l'article complet sous sa licence CC BY 4.0 ; sa figure est montrée en citant les auteurs.

En bref

Suivre la vitesse à laquelle les erreurs de commande divergent permet à un drone à rotors basculants d'autoriser de la puissance tant que les erreurs diminuent et de la dissiper quand elles croissent, de sorte qu'il s'arrête en sécurité quand un chariot qu'il pousse est retiré.

Pourquoi c'est important

La couche n'a besoin d'aucun budget d'énergie et laisse le contrôleur nominal en place, si bien qu'elle peut être ajoutée à un suivi de pose ou de torseur qui fonctionne déjà. Les auteurs montrent analytiquement que les consignes de pose et de force restent à l'intérieur des ensembles sûrs qui en résultent, de sorte que la contrainte ne rend pas la tâche inatteignable, et ils indiquent que la méthode s'applique à tout système mécanique entièrement actionné.

Problème

Les robots aériens entièrement actionnés qui poussent sur des surfaces peuvent devenir instables après des impacts, des rafales ou une perte de contact, et certains contrôleurs endommagent alors la plateforme. Les couches de sécurité à réservoir d'énergie limitent l'énergie du système et seulement implicitement sa puissance, et elles nécessitent un budget d'énergie difficile à choisir : trop faible, il met fin à la tâche prématurément ; trop élevé, il ne garantit plus la sécurité.

Solution proposée

Les auteurs estiment le plus grand exposant de Lyapunov (LLE) de la dynamique d'erreur de pose et de torseur en boucle fermée pour chaque degré de liberté, en filtrant passe-bas un taux de convergence ponctuel. Une limite de puissance dérivée du LLE (positive tant que les erreurs convergent, dissipative tant qu'elles divergent) est imposée par des fonctions barrières de contrôle dans un programme quadratique sur un système augmenté au niveau du jerk, placé par-dessus le contrôleur hybride position/force existant.

Idées clés

• Le LLE de la dynamique d'erreur fonctionne comme un signal de danger en direct : négatif tant que les erreurs convergent, et positif dans les 0,2 s suivant le retrait d'une surface poussée.
• Contraindre directement le flux de puissance, plutôt que l'énergie stockée, supprime la nécessité de choisir un budget de réservoir d'énergie et permet des limites de puissance aussi bien positives que dissipatives.
• Déplacer l'entrée de commande au niveau du jerk transforme le torseur commandé en état, de sorte que des contraintes de fonctions barrières peuvent s'appliquer à un contrôleur de torseur piloté par des mesures de capteurs et que l'entrée reste continue lors du basculement entre contrôleurs.
• Fixer à zéro l'accélération de l'erreur dans l'estimation du LLE agrandit l'ensemble sûr de pose, surtout là où les erreurs de position et de vitesse pointent dans la même direction ; mettre à l'échelle la limite de puissance par un facteur calculé inférieur à 1 la ramène à l'intérieur de l'ensemble d'origine.
• Le gain d'amortissement kλ arbitre entre la rapidité d'arrêt du véhicule et la quantité de puissance autorisée lorsqu'aucune dissipation n'est nécessaire.

Principaux résultats

• Vol libre sur une trajectoire en huit avec une perturbation virtuelle de 14 N pendant 1 s et des entrées linéaires limitées à 10 N : sans la couche, le véhicule dépasse à 0,5 m/s en y et 0,25 m/s en x et génère jusqu'à 4 W de puissance.
• Avec la couche activée, les dépassements maximaux de l'erreur de vitesse sont plus que divisés par deux et les pics de puissance culminent à 0,5 W, tandis que les erreurs de position mettent environ 2 s de plus à converger.
• Pendant que les entrées étaient saturées, la puissance a brièvement franchi la limite de la fonction barrière (deux pics en y vers 4 s) et est revenue dans les bornes une fois la saturation terminée.
• Suivi de torseur d'une poussée de 3 N à 5 N sur un chariot : le LLE se stabilise à −0,2 s⁻¹ (contre −0,5 s⁻¹ pour le suivi de pose) ; quand le chariot est retiré vers 30 s, le LLE passe au-dessus de zéro en 0,2 s et le véhicule dissipe de l'énergie et s'arrête au lieu d'accélérer.
• Analyse de l'ensemble sûr pour les gains de l'exemple : sans mesure d'accélération, la vitesse maximale autorisée double à peu près, d'environ 0,25 m/s à environ 0,5 m/s.
• Simulations Raisim de l'expérience de torseur : un kλ plus élevé fait dissiper plus vite l'énergie cinétique au véhicule, qui s'arrête plus tôt, et autorise davantage de puissance tant que le LLE est négatif.

Limites

• L'attitude et la vitesse angulaire provenaient d'un système de capture de mouvement ; les auteurs indiquent qu'une utilisation en extérieur nécessiterait une estimation d'état embarquée avec une IMU et/ou des capteurs optiques.
• Le LLE est calculé avec l'accélération de l'erreur fixée à zéro, ce qui, comme le montrent les auteurs, agrandit l'ensemble sûr et double à peu près la vitesse autorisée, sauf si la limite de puissance est réduite.
• Lorsque les entrées de commande saturent, la puissance peut dépasser la limite imposée pendant de courtes périodes, comme les auteurs l'observent lors de l'essai en vol libre.
• Les perturbations en vol libre étaient des forces logicielles virtuelles et non des impacts physiques, et l'effet de kλ n'a été étudié qu'en simulation.
• La formulation repose sur une plateforme entièrement actionnée avec linéarisation par bouclage, et une seule plateforme a été testée ; les tâches d'interaction humain-robot sont laissées à des travaux futurs.

Impact sur le domaine

L'article a remporté le IROS 2022 Best Paper Award on Safety, Security, and Rescue Robotics in memory of Motohiro Kisoi et compte 25 citations. Il a été publié dans IEEE Robotics and Automation Letters (DOI 10.1109/LRA.2022.3176959). L'article ne mentionne pas de publication du code, des données ou des plans matériels.

Résumé

À mesure que les performances des systèmes autonomes augmentent, des préoccupations de sécurité apparaissent, en particulier lors du fonctionnement dans des environnements non structurés. Pour répondre à ces préoccupations, ce travail présente une couche de sécurité pour systèmes mécaniques qui détecte la dynamique instable causée par des perturbations externes et y réagit. La couche de sécurité est implémentée indépendamment et par-dessus des contrôleurs nominaux déjà présents, comme le suivi de pose ou de torseur, et limite le flux de puissance lorsque la réponse du système mènerait à l'instabilité. Cette approche repose sur le calcul du plus grand exposant de Lyapunov (LLE) de la dynamique d'erreur du système, qui représente une mesure du taux de divergence ou de convergence de la dynamique. En calculant activement cette métrique, les comportements divergents et potentiellement dangereux du système peuvent être détectés rapidement. Le LLE est ensuite utilisé en combinaison avec des fonctions barrières de contrôle (CBF) pour imposer des contraintes de limite de puissance à un système commandé en jerk. L'architecture proposée est validée expérimentalement sur un micro-véhicule aérien omnidirectionnel (OMAV), en vol libre et lors de tâches d'interaction.

Liens

• arXiv 2205.12562: https://arxiv.org/abs/2205.12562
• DOI 10.1109/LRA.2022.3176959: https://doi.org/10.1109/LRA.2022.3176959
• PDF: https://arxiv.org/pdf/2205.12562v1