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
许可协议
- 开放获取
- 论文: CC BY 4.0
以下内容均依据论文全文，按其 CC BY 4.0 许可协议使用；其中的图已注明作者。
一句话总结
跟踪控制误差发散的快慢，使倾转旋翼无人机在误差减小时允许功率、在误差增大时耗散功率，因此当被推动的小车被拉走时，它能安全地停下来。
为何重要
该安全层不需要能量预算，并保留名义控制器不变，因此可以加到已经正常工作的位姿或力旋量跟踪上。作者通过解析证明，位姿和力的设定点都位于由此得到的安全集合之内，因此该约束不会使任务无法达成；他们还指出，该方法适用于任何全驱动机械系统。
问题
推压表面的全驱动空中机器人在受到冲击、阵风或失去接触后可能变得不稳定，一些控制器随后会损坏平台。能量罐安全层限制系统能量，只是间接地限制其功率，并且需要一个难以选择的能量预算：太少会过早终止任务，太多则不再能确保安全。
提出的方法
作者通过对逐点收敛速率进行低通滤波，为每个自由度估计闭环位姿和力旋量误差动力学的最大李雅普诺夫指数（LLE）。由 LLE 导出的功率限制（误差收敛时为正，发散时为耗散性）在一个加加速度层面的增广系统上，通过二次规划中的控制屏障函数加以施加，并置于现有的混合位置/力控制器之上。
关键见解
- 误差动力学的 LLE 可作为实时危险信号：误差收敛时为负，被推的表面移开后 0.2 s 内变为正。
- 直接约束功率流而非储存的能量，无需选择能量罐预算，并允许正的和耗散性的功率限制。
- 将控制输入移到加加速度层面，使指令力旋量成为一个状态，因此屏障函数约束可以施加在由传感器读数驱动的力旋量控制器上，并且切换控制器时输入保持连续。
- 在 LLE 估计中将误差加速度设为零会扩大位姿安全集合，主要是在位置误差和速度误差同向的区域；用一个计算得到的小于 1 的系数缩放功率限制，可使其重新落入原集合之内。
- 阻尼增益 kλ 在飞行器停下的快慢与无需耗散时允许的功率大小之间进行权衡。
主要结果
- 在 8 字形轨迹上自由飞行，施加 14 N 的虚拟扰动 1 s，线性输入限制为 10 N：没有安全层时，飞行器在 y 方向以 0.5 m/s、在 x 方向以 0.25 m/s 超调，并产生高达 4 W 的功率。
- 启用安全层后，最大速度误差超调减少一半以上，功率尖峰最高为 0.5 W，而位置误差的收敛时间延长约 2 s。
- 在输入饱和期间，功率曾短暂突破屏障函数限制（y 方向约 4 s 处有两个尖峰），饱和结束后回到界限之内。
- 对小车施加 3 N 至 5 N 推力的力旋量跟踪：LLE 稳定在 −0.2 s⁻¹（位姿跟踪为 −0.5 s⁻¹）；当小车在约 30 s 时被拉走，LLE 在 0.2 s 内升至零以上，飞行器耗散能量并停下，而不是加速。
- 对示例增益的安全集合分析：在没有加速度测量的情况下，允许的最大速度大约翻倍，从约 0.25 m/s 增至约 0.5 m/s。
- 对力旋量实验的 Raisim 模拟：更高的 kλ 使飞行器更快耗散动能、更早停下，并在 LLE 为负时允许更多功率。
局限
- 姿态和角速度来自动作捕捉系统；作者指出，户外使用需要基于惯性测量单元（IMU）和/或光学传感器的机载状态估计。
- LLE 是在误差加速度设为零的情况下计算的，作者表明这会扩大安全集合，并使允许速度大约翻倍，除非将功率限制按比例调低。
- 当控制输入饱和时，功率可能在短时间内超过所施加的限制，作者在自由飞行测试中观察到了这一点。
- 自由飞行中的扰动是虚拟的软件力而非物理冲击，kλ 的影响只在模拟中进行了研究。
- 该建模依赖于采用反馈线性化的全驱动平台，并且只测试了一个平台；人机交互任务留待未来工作。
对领域的影响
它获得了 IROS 2022 安全、安保与救援机器人最佳论文奖（纪念 Motohiro Kisoi），被引用 25 次。论文发表于 IEEE Robotics and Automation Letters（DOI 10.1109/LRA.2022.3176959）。论文未说明是否发布代码、数据或硬件设计。
摘要
随着自主系统性能的提升，安全问题随之出现，尤其是在非结构化环境中运行时。为应对这些问题，本研究提出一种用于机械系统的安全层，它能检测并响应由外部扰动引起的不稳定动力学。该安全层独立实现，并叠加在已有的名义控制器（如位姿或力旋量跟踪）之上，当系统响应会导致不稳定时限制功率流。该方法基于计算系统误差动力学的最大李雅普诺夫指数（LLE），它是衡量动力学发散或收敛速率的指标。通过实时计算这一指标，可以及时检测出发散的、可能危险的系统行为。随后，将 LLE 与控制屏障函数（CBF）结合，对一个以加加速度为控制量的系统施加功率限制约束。所提出的架构在全向微型飞行器（OMAV）上，于自由飞行和交互任务中得到了实验验证。
链接
- 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