Fault-Tolerant Control

• 다른 이름: FTC
• 카테고리: Control › Feedback control
• 태그: fault-tolerance, flight-control, robust-control, reliability, multirotor

액추에이터나 센서 고장 같은 결함이 생긴 뒤에도, 그 고장을 견디거나 검출하여 제어기를 재구성함으로써 시스템을 안정적이고 사용 가능하게 유지하는 제어 설계.

정의

고장 허용 제어(fault-tolerant control, FTC)는 액추에이터가 고착되거나 약해지거나 상실되고, 센서에 바이어스가 생기거나 센서가 죽고, 구조적 손상이 생기는 등 무언가가 잘못된 뒤에도 시스템을 안전하게 유지하고, 가능하다면 계속 작업을 수행하게 하는 것을 목표로 한다. 보통 두 가지 접근법으로 나뉜다. 수동형(passive) 고장 허용 제어는 흔히 강인 제어 기법을 사용해, 어떤 고장이 일어났는지 알 필요 없이 정해진 고장 집합에 대해 안정을 유지하는 하나의 고정된 제어기를 설계한다. 능동형(active) 고장 허용 제어는 실행 중에 고장을 검출하고 분리하는데, 이 단계를 고장 검출 및 분리(FDI) 또는 고장 검출 및 진단이라고 하며, 이어서 바뀐 시스템에 맞게 제어기, 제어 할당, 또는 임무를 재구성한다.

선택지는 남아 있는 중복성이 얼마나 되는지에 달려 있다. 헥사콥터나 여분의 자유도를 가진 로봇 암에서는 고장 난 액추에이터를 제어 할당을 통해 명령을 나머지 액추에이터에 재분배하는 방식으로 처리할 수 있는 경우가 많다. 여분의 액추에이터가 없으면 제어기는 무언가를 포기해야 한다. 표준적인 예는 로터 하나를 잃은 쿼드로터이다. 남은 세 개로는 세 회전축 모두와 총 추력을 독립적으로 제어할 수 없다. Mueller와 D'Andrea는 2014년에 기체를 요 축을 중심으로 계속 회전하게 두고 추력 축의 방향과 위치만 제어하면 여전히 비행할 수 있음을 보였다. 비슷한 추론이 조종면이 손상된 항공기와 관절이나 다리를 잃은 로봇에도 적용된다.

고장 허용은 제어 법칙만이 아니라 루프 전체에 관한 것이다. 고장 검출은 시스템이 복구 불가능해지기 전에 대응할 수 있을 만큼 빠르고 신뢰할 수 있어야 하며, 재구성된 제어기는 고장 뒤에 그 자체로 얻기 더 어려워진 상태 추정에 의존하는 경우가 많다. 예를 들어 회전하는 쿼드로터는 모션 블러 때문에 표준 카메라로 다루기 어려우며, 그래서 그런 조건에서의 상태 추정이 이벤트 카메라로 연구되어 왔다. 시험은 보통 고장을 주입한 시뮬레이션, 하드웨어 인 더 루프 실험, 그리고 가능하다면 테더로 묶거나 보호된 하드웨어에서의 의도적인 고장을 결합한다.

중요한 이유

로봇과 드론은 점점 더 사람 가까이에서, 그리고 수리가 어려운 먼 곳에서 운용된다. 추가 하드웨어가 필요하거나 추락으로 끝나는 대신 소프트웨어에서 흡수할 수 있는 고장은 적은 비용으로 안전성과 신뢰성을 높인다. 고장 허용 제어는 항공을 비롯한 안전 필수 분야에서 규제 및 인증상의 관심사이기도 하다.

주요 응용

• 로터나 모터 고장에서 멀티로터 복구
• 항공기와 드론의 중복 액추에이터를 위한 제어 할당
• 관절 고장이나 잠긴 관절 이후에도 조작 계속하기
• 다리 손상 후 걸음새를 적응시키는 보행 로봇
• 상태 추정과 내비게이션에서의 센서 고장 처리

실제 사례

한 팀이 쿼드로터의 비행 소프트웨어에 로터 고장 처리를 추가한다. 검출기는 명령된 각가속도와 IMU로 측정한 각가속도를 비교하여 짧은 시간 창 안에 로터 상실을 표시한다. 검출되면 제어기는 일반적인 캐스케이드 자세 제어기에서, 기체가 요 축을 중심으로 회전하도록 두면서 회전축을 기울여 수평 운동을 제어하는 축소 자세 제어기로 전환한다. 팀은 이 전환을 먼저 고장을 주입한 시뮬레이션에서, 이어서 그물 위에서 로터 하나에 추력 0을 명령한 하드웨어에서 시험하고, 기체의 추력 대 중량비가 로터 세 개로 고도를 유지할 만큼 충분한 여유를 남기는지 확인한다.

흔한 오해

• 고장 허용에는 언제나 중복 하드웨어가 필요하다 — 쿼드로터 같은 일부 시스템은 덜 중요한 자유도의 제어를 포기함으로써 액추에이터를 잃은 뒤에도 제어 가능한 상태로 남을 수 있다
• 고장 허용 제어는 제어기 설계 문제일 뿐이다 — 빠른 고장 검출과 고장 이후의 신뢰할 수 있는 상태 추정이 더 어려운 부분인 경우가 많다
• 고장 허용 시스템은 고장 뒤에도 똑같이 잘 동작한다 — 재구성은 보통 요 제어나 페이로드 용량 같은 성능을 내주고 계속된 안전 운용을 얻는다

알아야 할 사람

• 드론 및 비행 제어 엔지니어
• 자율 시스템의 안전 및 신뢰성 엔지니어
• 강인 제어와 적응 제어를 연구하는 제어 연구자
• 원격 조작을 위해 설계하는 필드 로봇공학 엔지니어

관련 기술

• 고장 검출 및 분리(Fault Detection and Isolation, FDI)
• 제어 할당(Control Allocation)
• 강인 제어(Robust Control)
• Incremental Nonlinear Dynamic Inversion(INDI)
• PX4 Autopilot

관련 용어

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

관련 프로젝트

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