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

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

授權條款

開放取用
論文: CC BY 4.0

以下內容皆依據論文全文，依其 CC BY 4.0 授權條款使用；圖表已標示作者。

一句話摘要

追蹤控制誤差發散的快慢，讓傾轉旋翼無人機在誤差縮小時允許功率、在誤差變大時耗散功率，因此當被推動的推車被拉開時，它能安全地停下。

為何重要

此安全層不需要能量預算，並保留名目控制器不變，因此可以加到已經正常運作的姿態或力旋量追蹤上。作者以解析方式證明，姿態與力的設定點都位於由此得到的安全集合內，因此此限制條件不會讓任務無法達成；他們也表示，此方法適用於任何全驅動的機械系統。

問題

推壓表面的全驅動空中機器人，在受到衝擊、陣風或失去接觸後可能變得不穩定，有些控制器接著會損壞平台。能量槽安全層限制系統的能量，只是間接限制其功率，而且需要一個難以選擇的能量預算：太少會讓任務提早結束，太多則無法再確保安全。

提出的方法

作者對逐點收斂速率進行低通濾波，為每個自由度估計閉迴路姿態與力旋量誤差動態的最大李亞普諾夫指數（LLE）。由 LLE 導出的功率限制（誤差收斂時為正，發散時為耗散性），在一個急動度層級的擴增系統上，以二次規劃中的控制屏障函數加以施加，並置於既有的混合位置/力控制器之上。

關鍵見解

誤差動態的 LLE 可作為即時危險訊號：誤差收斂時為負，被推的表面移開後 0.2 s 內轉為正。
直接限制功率流而非儲存的能量，就不必選擇能量槽預算，並允許正的與耗散性的功率限制。
將控制輸入移到急動度層級，使指令力旋量成為一個狀態，因此屏障函數限制條件可以施加在由感測器讀數驅動的力旋量控制器上，且切換控制器時輸入保持連續。
在 LLE 估計中把誤差加速度設為零，會擴大姿態安全集合，主要是在位置誤差與速度誤差同向之處；以一個計算出的小於 1 的係數縮放功率限制，可讓它重新落在原集合之內。
阻尼增益 kλ 在飛行器停下的快慢，與不需要耗散時允許多少功率之間取捨。

主要結果

在 8 字形軌跡上自由飛行，施加 14 N 的虛擬擾動 1 s，線性輸入限制為 10 N：沒有安全層時，飛行器在 y 方向以 0.5 m/s、在 x 方向以 0.25 m/s 過衝，並產生高達 4 W 的功率。
啟用安全層後，最大速度誤差過衝減少一半以上，功率尖峰最高為 0.5 W，而位置誤差的收斂時間延長約 2 s。
輸入飽和期間，功率曾短暫突破屏障函數的限制（y 方向約 4 s 處有兩個尖峰），飽和結束後回到界限之內。
對推車施加 3 N 至 5 N 推力的力旋量追蹤：LLE 穩定在 −0.2 s⁻¹（姿態追蹤為 −0.5 s⁻¹）；當推車在約 30 s 時被拉開，LLE 在 0.2 s 內升到零以上，飛行器耗散能量並停下，而不是加速。
對範例增益的安全集合分析：在沒有加速度量測的情況下，允許的最大速度約增為兩倍，從約 0.25 m/s 增至約 0.5 m/s。
力旋量實驗的 Raisim 模擬：較高的 kλ 讓飛行器更快耗散動能、更早停下，並在 LLE 為負時允許更多功率。

限制

姿態與角速度來自動作擷取系統；作者表示，戶外使用需要以慣性量測單元（IMU）和/或光學感測器進行機上狀態估計。
LLE 是在誤差加速度設為零的情況下計算，作者證明這會擴大安全集合，並讓允許速度約增為兩倍，除非把功率限制按比例調低。
控制輸入飽和時，功率可能短時間超過所施加的限制，作者在自由飛行測試中觀察到這一點。
自由飛行中的擾動是虛擬的軟體力而非實體衝擊，kλ 的影響只在模擬中研究。
此建模仰賴採用回饋線性化的全驅動平台，且只測試了一個平台；人機互動任務留待未來研究。

對領域的影響

它獲得 IROS 2022 安全、保全與救援機器人最佳論文獎（紀念 Motohiro Kisoi），被引用 25 次。論文發表於 IEEE Robotics and Automation Letters（DOI 10.1109/LRA.2022.3176959）。論文未說明是否釋出程式碼、資料或硬體設計。

摘要

隨著自主系統效能的提升，安全疑慮也隨之出現，尤其是在非結構化環境中運作時。為了處理這些疑慮，本研究提出一種用於機械系統的安全層，能偵測並回應由外部擾動造成的不穩定動態。此安全層獨立實作，並疊加在既有的名目控制器（例如姿態或力旋量追蹤）之上，在系統響應會導致不穩定時限制功率流。此方法以計算系統誤差動態的最大李亞普諾夫指數（LLE）為基礎，它是衡量動態發散或收斂速率的指標。藉由即時計算此指標，就能及早偵測出發散且可能危險的系統行為。接著，將 LLE 與控制屏障函數（CBF）結合，對一個以急動度為控制量的系統施加功率限制條件。所提出的架構在全向微型飛行器（OMAV）上，於自由飛行與互動任務中經過實驗驗證。

連結

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