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Fault-Tolerant Control

  • 別名: FTC
  • カテゴリ: Control › Feedback control
  • タグ: fault-tolerance, flight-control, robust-control, reliability, multirotor

アクチュエータやセンサーの故障などが起きた後も、故障を許容するか、故障を検出してコントローラを再構成することで、システムを安定かつ使用可能な状態に保つ制御設計。

定義

フォールトトレラント制御（Fault-tolerant control、FTC）は、何かがうまくいかなくなった後でも、すなわちアクチュエータが固着、出力低下、喪失したり、センサーにバイアスがかかったり故障したり、構造的な損傷が生じたりした後でも、システムを安全に保ち、可能であればタスクを続行させることを目指す。通常は 2 つのアプローチに分けられる。パッシブフォールトトレラント制御は、多くの場合ロバスト制御の手法を用いて、どの故障が起きたかを知らなくても定められた故障の集合に対して安定であり続ける 1 つの固定コントローラを設計する。アクティブフォールトトレラント制御は、実行時に故障を検出・分離し（このステップは故障検出・分離（FDI）または故障検出・診断と呼ばれる）、そのうえで変化したシステムに合うようにコントローラ、制御配分、あるいはミッションを再構成する。

取れる選択肢は、冗長性がどれだけ残っているかによる。ヘキサコプターや余分な自由度を持つロボットアームでは、故障したアクチュエータは、制御配分を通じて指令を他のアクチュエータに再配分することで対処できることが多い。予備のアクチュエータがない場合、コントローラは何かを諦めなければならない。標準的な例は、ロータを 1 つ失ったクアッドロータである。残りの 3 つでは、3 つの回転軸すべてと総推力を独立に制御することはできない。Mueller と D'Andrea は 2014 年に、機体をヨー軸まわりに連続的に回転させ、推力軸の向きと位置だけを制御すれば、なお飛行させられることを示した。同様の考え方は、操縦翼面が損傷した航空機や、関節や脚を 1 本失ったロボットにも当てはまる。

フォールトトレランスは制御則だけでなくループ全体に関わる。故障検出は、システムが回復不能になる前に対処できるだけの速さと信頼性を備えていなければならず、再構成されたコントローラは多くの場合状態推定に依存するが、その状態推定自体も故障後には得にくくなる。たとえば回転するクアッドロータはモーションブラーのために通常のカメラでは扱いにくく、このような条件下での状態推定がイベントカメラを使って研究されてきたのはそのためである。テストでは通常、故障を注入したシミュレーション、HIL（hardware-in-the-loop）実験、そして可能であれば係留または保護されたハードウェア上での意図的な故障を組み合わせる。

重要な理由

ロボットやドローンは、人の近くや修理の手が届かない場所で稼働することが増えている。追加のハードウェアを必要としたり墜落に至ったりせず、ソフトウェアで吸収できる故障は、わずかなコストで安全性と信頼性を高める。フォールトトレラント制御は、航空やその他のセーフティクリティカルな分野では、規制と認証の観点からも重要な事項である。

主な用途

  • ロータやモーターの故障からのマルチロータの回復
  • 航空機やドローンの冗長アクチュエータの制御配分
  • 関節の故障や関節のロック後のマニピュレーションの継続
  • 脚の損傷後に歩容を適応させる脚ロボット
  • 状態推定とナビゲーションにおけるセンサー故障への対処

実際の使われ方

あるチームが、クアッドロータの飛行ソフトウェアにロータ故障時の処理を追加する。検出器が指令した角加速度と IMU で計測した角加速度を比較し、短い時間窓の中でロータの喪失を検知する。検知すると、コントローラは通常のカスケード姿勢コントローラから縮約姿勢コントローラに切り替わり、機体をヨー軸まわりに回転させながら、回転軸を傾けて水平方向の運動を制御する。チームはまず故障を注入したシミュレーションでこの切り替えをテストし、次に実機で、ネットの上で 1 つのロータの推力指令をゼロにしてテストする。そして、機体の推力重量比に 3 つのロータで高度を保つのに十分な余裕があるかを確認する。

よくある誤解

  • フォールトトレランスには常に冗長なハードウェアが必要である — クアッドロータのように、重要度の低い自由度の制御を諦めることで、アクチュエータを失った後も制御可能であり続けられるシステムもある
  • フォールトトレラント制御はコントローラ設計だけの問題である — 迅速な故障検出と、故障後の信頼できる状態推定のほうが難しい部分であることが多い
  • フォールトトレラントなシステムは故障後も同じ性能を発揮する — 再構成では通常、ヨー制御や可搬重量といった性能を犠牲にして、安全な運用の継続を得る

知っておくべき人

  • ドローンと飛行制御のエンジニア
  • 自律システムの安全性・信頼性エンジニア
  • ロバスト制御と適応制御に取り組む制御研究者
  • 遠隔運用を前提に設計するフィールドロボティクスのエンジニア

関連技術

  • 故障検出・分離（Fault Detection and Isolation、FDI）
  • 制御配分（Control Allocation）
  • ロバスト制御（Robust Control）
  • Incremental Nonlinear Dynamic Inversion（INDI）
  • PX4 Autopilot

関連用語

  • UAV
  • Cascaded Control
  • Thrust-to-Weight Ratio
  • Event Camera
  • Visual-Inertial Odometry
  • IMU

関連プロジェクト

  • MAVROS: ROS gateway for MAVLink-compatible autopilots (PX4, ArduPilot)
  • Pegasus Simulator: Photorealistic multirotor simulation on NVIDIA Isaac Sim with PX4-in-the-loop

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