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

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

라이선스

• 오픈 액세스
• 논문: CC BY 4.0

아래 내용은 모두 논문의 라이선스(CC BY 4.0)에 따라 논문 전문을 바탕으로 하며, 그림에는 저자를 표기했습니다.

요약

제어 오차가 얼마나 빨리 발산하는지 추적하여, 틸트로터 드론이 오차가 줄어드는 동안에는 파워를 허용하고 오차가 커지면 소산시키므로, 밀고 있던 카트를 당겨 빼도 안전하게 멈춘다.

중요한 이유

이 계층은 에너지 예산이 필요 없고 공칭 제어기를 그대로 두므로, 이미 작동하는 자세 추종이나 렌치 추종에 추가할 수 있다. 저자들은 자세 및 힘 설정점이 결과적인 안전 집합 안에 머문다는 것을 해석적으로 보여, 제약이 작업을 도달 불가능하게 만들지 않음을 입증하며, 이 방법이 모든 완전 구동 기계 시스템에 적용된다고 밝힌다.

문제

표면을 미는 완전 구동 공중 로봇은 충격, 돌풍, 접촉 상실 후 불안정해질 수 있으며, 일부 제어기는 그때 플랫폼을 손상시킨다. 에너지 탱크 안전 계층은 시스템의 에너지를 제한하고 파워는 암묵적으로만 제한하며, 고르기 어려운 에너지 예산이 필요하다. 너무 적으면 작업이 일찍 끝나고, 너무 많으면 더 이상 안전을 보장하지 못한다.

제안 방법

저자들은 점별 수렴 속도를 저역 통과 필터링하여 각 자유도에 대한 폐루프 자세 및 렌치 오차 동역학의 최대 리아푸노프 지수(LLE)를 추정한다. LLE로부터 유도한 파워 한계(오차가 수렴하는 동안은 양수, 발산하는 동안은 소산성)는 저크 수준으로 확장된 시스템에 대한 이차 계획법(QP)에서 제어 장벽 함수로 강제되며, 기존 하이브리드 위치/힘 제어기 위에 놓인다.

핵심 통찰

• 오차 동역학의 LLE는 실시간 위험 신호로 작동한다. 오차가 수렴하는 동안에는 음수이고, 밀고 있던 표면이 제거된 후 0.2 s 안에 양수가 된다.
• 저장된 에너지 대신 파워 흐름을 직접 제약하면 에너지 탱크 예산을 고를 필요가 없어지고, 양의 파워 한계와 소산성 파워 한계를 모두 허용할 수 있다.
• 제어 입력을 저크 수준으로 옮기면 명령 렌치가 상태가 되므로, 센서 측정값으로 구동되는 렌치 제어기에 장벽 함수 제약을 적용할 수 있고 제어기를 전환할 때 입력이 연속으로 유지된다.
• LLE 추정에서 오차 가속도를 0으로 두면 자세 안전 집합이 커지며, 주로 위치 오차와 속도 오차가 같은 방향을 가리키는 곳에서 그렇다. 계산된 1 미만의 계수로 파워 한계를 스케일링하면 원래 집합 안으로 다시 들어간다.
• 감쇠 이득 kλ는 비행체가 얼마나 빨리 멈추는지와 소산이 필요 없을 때 얼마나 많은 파워를 허용하는지 사이의 트레이드오프를 정한다.

주요 결과

• 14 N 가상 교란을 1 s 동안 가하고 선형 입력을 10 N으로 제한한 8자 궤적 자유 비행: 계층이 없으면 비행체는 y 방향 0.5 m/s, x 방향 0.25 m/s로 오버슈트하며 최대 4 W의 파워를 생성한다.
• 계층을 활성화하면 최대 속도 오차 오버슈트가 절반 넘게 줄고 파워 스파이크는 최대 0.5 W이지만, 위치 오차가 수렴하는 데 약 2 s 더 걸린다.
• 입력이 포화된 동안 파워는 잠시 장벽 함수 한계를 벗어났으며(약 4 s 부근 y 방향의 스파이크 두 개), 포화가 끝나자 한계 안으로 돌아왔다.
• 카트를 3 N에서 5 N으로 미는 렌치 추종: LLE는 −0.2 s⁻¹에 안착한다(자세 추종은 −0.5 s⁻¹). 약 30 s에 카트를 당겨 빼면 LLE가 0.2 s 안에 0을 넘고, 비행체는 가속하는 대신 에너지를 소산시키며 멈춘다.
• 예시 이득에 대한 안전 집합 분석: 가속도 측정이 없으면 허용 최대 속도가 약 0.25 m/s에서 약 0.5 m/s로 대략 두 배가 된다.
• 렌치 실험의 Raisim 시뮬레이션: kλ가 클수록 비행체가 운동 에너지를 더 빨리 소산시켜 더 일찍 멈추며, LLE가 음수인 동안 더 많은 파워를 허용한다.

한계

• 자세와 각속도는 모션 캡처 시스템에서 얻었다. 저자들은 실외에서 사용하려면 IMU 및/또는 광학 센서를 이용한 온보드 상태 추정이 필요할 것이라고 밝힌다.
• LLE는 오차 가속도를 0으로 두고 계산되며, 저자들은 파워 한계를 낮춰 스케일링하지 않으면 이것이 안전 집합을 키우고 허용 속도를 대략 두 배로 만든다는 것을 보인다.
• 제어 입력이 포화되면 파워가 짧은 기간 동안 부과된 한계를 넘을 수 있으며, 저자들은 자유 비행 시험에서 이를 관찰한다.
• 자유 비행 교란은 물리적 충격이 아니라 소프트웨어상의 가상 힘이었으며, kλ의 효과는 시뮬레이션에서만 연구되었다.
• 정식화는 피드백 선형화를 사용하는 완전 구동 플랫폼에 의존하며, 하나의 플랫폼만 시험되었다. 인간-로봇 상호작용 작업은 향후 과제로 남겨 두었다.

분야에 미친 영향

IROS 2022 Best Paper Award on Safety, Security, and Rescue Robotics in memory of Motohiro Kisoi를 수상했으며 인용 수는 25회이다. IEEE Robotics and Automation Letters에 게재되었다(DOI 10.1109/LRA.2022.3176959). 논문은 코드, 데이터, 하드웨어 설계의 공개를 명시하지 않는다.

초록

자율 시스템의 성능이 높아짐에 따라, 특히 비정형 환경에서 작동할 때 안전 문제가 제기된다. 이러한 문제를 다루기 위해, 본 연구는 외부 교란으로 인한 불안정한 동역학을 감지하고 대응하는 기계 시스템용 안전 계층을 제시한다. 안전 계층은 자세 추종이나 렌치 추종 같은 기존의 공칭 제어기와 독립적으로 그 위에 구현되며, 시스템의 응답이 불안정으로 이어질 때 파워 흐름을 제한한다. 이 접근법은 시스템 오차 동역학의 최대 리아푸노프 지수(LLE) 계산에 기반하며, 이는 동역학의 발산 또는 수렴 속도에 대한 척도를 나타낸다. 이 지표를 능동적으로 계산함으로써 발산하는, 그리고 잠재적으로 위험한 시스템 행동을 신속하게 감지할 수 있다. 그런 다음 LLE를 제어 장벽 함수(CBF)와 결합하여 저크로 제어되는 시스템에 파워 제한 제약을 부과한다. 제안된 아키텍처는 전방향 초소형 비행체(OMAV)에서 자유 비행과 상호작용 작업 모두에 대해 실험적으로 검증되었다.

링크

• 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