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

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

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• Articolo: CC BY 4.0

Tutto ciò che segue si basa sull'articolo completo secondo la sua licenza CC BY 4.0; la figura è riportata citando gli autori.

In breve

Seguire quanto rapidamente divergono gli errori di controllo permette a un drone a rotori basculanti di concedere potenza mentre gli errori si riducono e di dissiparla quando crescono, così si ferma in sicurezza quando un carrello che stava spingendo viene tirato via.

Perché è importante

Lo strato non richiede alcun budget di energia e lascia al suo posto il controllore nominale, quindi può essere aggiunto a un inseguimento della posa o del wrench già funzionante. Gli autori mostrano analiticamente che i setpoint di posa e di forza restano all'interno degli insiemi sicuri risultanti, quindi il vincolo non rende il compito irraggiungibile, e affermano che il metodo si applica a qualsiasi sistema meccanico completamente attuato.

Problema

I robot aerei completamente attuati che spingono su superfici possono diventare instabili dopo urti, raffiche o perdita di contatto, e alcuni controllori finiscono allora per danneggiare la piattaforma. Gli strati di sicurezza a serbatoio di energia limitano l'energia del sistema e solo implicitamente la sua potenza, e richiedono un budget di energia difficile da scegliere: troppo poco termina il compito in anticipo, troppo non garantisce più la sicurezza.

Soluzione proposta

Gli autori stimano il massimo esponente di Lyapunov (LLE) della dinamica ad anello chiuso degli errori di posa e di wrench per ciascun grado di libertà filtrando passa-basso un tasso di convergenza puntuale. Un limite di potenza derivato dall'LLE (positivo mentre gli errori convergono, dissipativo mentre divergono) è imposto con funzioni barriera di controllo in un programma quadratico su un sistema aumentato al livello del jerk, posto al di sopra del controllore ibrido posizione/forza esistente.

Idee chiave

• L'LLE della dinamica dell'errore funziona come segnale di pericolo in tempo reale: negativo mentre gli errori convergono e positivo entro 0,2 s dopo la rimozione di una superficie che veniva spinta.
• Vincolare direttamente il flusso di potenza, invece dell'energia immagazzinata, elimina la necessità di scegliere un budget per il serbatoio di energia e consente limiti di potenza sia positivi sia dissipativi.
• Portare l'ingresso di controllo al livello del jerk trasforma il wrench comandato in uno stato, così i vincoli delle funzioni barriera possono essere applicati a un controllore del wrench guidato dalle letture dei sensori e l'ingresso resta continuo quando si cambia controllore.
• Porre a zero l'accelerazione dell'errore nella stima dell'LLE allarga l'insieme sicuro della posa, soprattutto dove gli errori di posizione e di velocità puntano nella stessa direzione; scalare il limite di potenza di un fattore calcolato minore di 1 lo riporta all'interno dell'insieme originale.
• Il guadagno di smorzamento kλ bilancia la rapidità con cui il veicolo si ferma e la potenza consentita quando non serve dissipare.

Risultati principali

• Volo libero su una traiettoria a otto con un disturbo virtuale di 14 N per 1 s e ingressi lineari limitati a 10 N: senza lo strato il veicolo va in sovraelongazione a 0,5 m/s in y e 0,25 m/s in x e genera fino a 4 W di potenza.
• Con lo strato attivato, le sovraelongazioni massime dell'errore di velocità si riducono di oltre la metà e i picchi di potenza arrivano al massimo a 0,5 W, mentre gli errori di posizione impiegano circa 2 s in più a convergere.
• Mentre gli ingressi erano saturati, la potenza ha superato brevemente il limite della funzione barriera (due picchi in y intorno a 4 s) ed è rientrata nei limiti al termine della saturazione.
• Inseguimento del wrench di una spinta da 3 N a 5 N su un carrello: l'LLE si assesta a −0,2 s⁻¹ (contro −0,5 s⁻¹ per l'inseguimento della posa); quando il carrello viene tirato via intorno a 30 s, l'LLE sale sopra lo zero entro 0,2 s e il veicolo dissipa energia e si ferma invece di accelerare.
• Analisi dell'insieme sicuro per i guadagni dell'esempio: senza misura dell'accelerazione, la velocità massima consentita circa raddoppia, da circa 0,25 m/s a circa 0,5 m/s.
• Simulazioni in Raisim dell'esperimento sul wrench: un kλ più alto fa dissipare al veicolo l'energia cinetica più rapidamente e lo ferma prima, e consente più potenza mentre l'LLE è negativo.

Limiti

• Assetto e velocità angolare provenivano da un sistema di motion capture; gli autori affermano che l'uso all'aperto richiederebbe una stima dello stato a bordo con una IMU e/o sensori ottici.
• L'LLE è calcolato con l'accelerazione dell'errore posta a zero, il che, come mostrano gli autori, allarga l'insieme sicuro e circa raddoppia la velocità consentita a meno che il limite di potenza non venga ridotto.
• Quando gli ingressi di controllo saturano, la potenza può superare il limite imposto per brevi periodi, come osservano gli autori nel test in volo libero.
• I disturbi in volo libero erano forze virtuali software e non urti fisici, e l'effetto di kλ è stato studiato solo in simulazione.
• La formulazione si basa su una piattaforma completamente attuata con linearizzazione in retroazione, ed è stata testata una sola piattaforma; i compiti di interazione uomo-robot sono lasciati a lavori futuri.

Impatto sul settore

Ha vinto l'IROS 2022 Best Paper Award on Safety, Security, and Rescue Robotics in memory of Motohiro Kisoi e ha 25 citazioni. È stato pubblicato su IEEE Robotics and Automation Letters (DOI 10.1109/LRA.2022.3176959). L'articolo non dichiara un rilascio di codice, dati o progetti hardware.

Abstract

Con l'aumento delle prestazioni dei sistemi autonomi emergono problemi di sicurezza, specialmente quando operano in ambienti non strutturati. Per affrontarli, questo lavoro presenta uno strato di sicurezza per sistemi meccanici che rileva e risponde a dinamiche instabili causate da disturbi esterni. Lo strato di sicurezza è implementato in modo indipendente e al di sopra dei controllori nominali già presenti, come l'inseguimento della posa o del wrench (torsore), e limita il flusso di potenza quando la risposta del sistema porterebbe all'instabilità. Questo approccio si basa sul calcolo del massimo esponente di Lyapunov (LLE) della dinamica dell'errore del sistema, che rappresenta una misura del tasso di divergenza o di convergenza della dinamica. Calcolando attivamente questa metrica, i comportamenti divergenti e potenzialmente pericolosi del sistema possono essere rilevati tempestivamente. L'LLE viene poi usato in combinazione con le funzioni barriera di controllo (CBF) per imporre vincoli di limite di potenza a un sistema controllato in jerk. L'architettura proposta è validata sperimentalmente su un micro-veicolo aereo omnidirezionale (OMAV) sia in volo libero sia in compiti di interazione.

Link

• 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