Health-aware control of an octorotor UAV system based on actuator reliability

A major goal in modern flight control systems is the need of improving the reliability. This work presents a reliable control approach of an octorotor UAV that allows distributing the control effort among the actuators using health actuator information. The octorotor is an over-actuated system where the redundancy of the actuators allows the redistribution of the control effort among the existing actuators according to a given control strategy. The priority is given to each actuator according to the capabilities and reliability of this actuatorPeer ReviewedPostprint (author's final draft

Health-aware and fault-tolerant control of an octorotor UAV system based on actuator reliability

A major goal in modern flight control systems is the need for improving reliability. This work presents a health-aware and fault-tolerant control approach for an octorotor UAV that allows distributing the control effort among the available actuators based on their health information. However, it is worth mentioning that, in the case of actuator fault occurrence, a reliability improvement can come into conflict with UAV controllability. Therefore, system reliability sensitivity is redefined and modified to prevent uncontrollable situations during the UAV’s mission. The priority given to each actuator is related to its importance in system reliability. Moreover, the proposed approach can reconfigure the controller to compensate actuator faults and improve the overall system reliability or delay maintenance tasks.Peer ReviewedPostprint (published version

Contribution to reliable control of dynamic systems

Aplicat embargament des de la data de defensa fins al maig 2020This thesis presents sorne contributions to the field of Health-Aware Control (HAC) of dynamic systems. In the first part of this thesis, a review of the concepts and methodologies related to reliability versus degradation and fault tolerant control versus health-aware control is presented. Firstly, in an attempt to unify concepts, an overview of HAC, degradation, and reliability modeling including some of the most relevant theoretical and applied contributions is given. Moreover, reliability modeling is formalized and exemplified using the structure function, Bayesian networks (BNs) and Dynamic Bayesian networks (DBNs) as modeling tools in reliability analysis. In addition, some Reliability lmportance Measures (RIMs) are presented. In particular, this thesis develops BNs models for overall system reliability analysis through the use of Bayesian inference techniques. Bayesian networks are powerful tools in system reliability assessment due to their flexibility in modeling the reliability structure of complex systems. For the HAC scheme implementation, this thesis presents and discusses the integration of actuators health information by means of RIMs and degradation in Model Predictive Control (MPC) and Linear Quadratic Regulator algorithms. In the proposed strategies, the cost function parameters are tuned using RIMs. The methodology is able to avoid the occurrence of catastrophic and incipient faults by monitoring the overall system reliability. The proposed HAC strategies are applied to a Drinking Water Network (DWN) and a multirotor UAV system. Moreover, a third approach, which uses MPC and restricts the degradation of the system components is applied to a twin rotor system. Finally, this thesis presents and discusses two reliability interpretations. These interpretations, namely instantaneous and expected, differ in the manner how reliability is evaluated and how its evolution along time is considered. This comparison is made within a HAC framework and studies the system reliability under both approaches.Aquesta tesi presenta algunes contribucions al camp del control basat en la salut dels components "Health-Aware Control" (HAC) de sistemes dinàmics. A la primera part d'aquesta tesi, es presenta una revisió dels conceptes i metodologies relacionats amb la fiabilitat versus degradació, el control tolerant a fallades versus el HAC. En primer lloc, i per unificar els conceptes, s'introdueixen els conceptes de degradació i fiabilitat, models de fiabilitat i de HAC incloent algunes de les contribucions teòriques i aplicades més rellevants. La tesi, a més, el modelatge de la fiabilitat es formalitza i exemplifica utilitzant la funció d'estructura del sistema, xarxes bayesianes (BN) i xarxes bayesianes dinamiques (DBN) com a eines de modelat i anàlisi de la fiabilitat com també presenta algunes mesures d'importància de la fiabilitat (RIMs). En particular, aquesta tesi desenvolupa models de BNs per a l'anàlisi de la fiabilitat del sistema a través de l'ús de tècniques d'inferència bayesiana. Les xarxes bayesianes són eines poderoses en l'avaluació de la fiabilitat del sistema gràcies a la seva flexibilitat en el modelat de la fiabilitat de sistemes complexos. Per a la implementació de l?esquema de HAC, aquesta tesi presenta i discuteix la integració de la informació sobre la salut i degradació dels actuadors mitjançant les RIMs en algoritmes de control predictiu basat en models (MPC) i control lineal quadràtic (LQR). En les estratègies proposades, els paràmetres de la funció de cost s'ajusten utilitzant els RIMs. Aquestes tècniques de control fiable permetran millorar la disponibilitat i la seguretat dels sistemes evitant l'aparició de fallades a través de la incorporació d'aquesta informació de la salut dels components en l'algoritme de control. Les estratègies de HAC proposades s'apliquen a una xarxa d'aigua potable (DWN) i a un sistema UAV multirrotor. A més, un tercer enfocament fent servir la degradació dels actuadors com a restricció dins l'algoritme de control MPC s'aplica a un sistema aeri a dos graus de llibertat (TRMS). Finalment, aquesta tesi també presenta i discuteix dues interpretacions de la fiabilitat. Aquestes interpretacions, nomenades instantània i esperada, difereixen en la forma en què s'avalua la fiabilitat i com es considera la seva evolució al llarg del temps. Aquesta comparació es realitza en el marc del control HAC i estudia la fiabilitat del sistema en tots dos enfocaments.Esta tesis presenta algunas contribuciones en el campo del control basado en la salud de los componentes “Health-Aware Control” (HAC) de sistemas dinámicos. En la primera parte de esta tesis, se presenta una revisión de los conceptos y metodologíasrelacionados con la fiabilidad versus degradación, el control tolerante a fallos versus el HAC. En primer lugar, y para unificar los conceptos, se introducen los conceptos de degradación y fiabilidad, modelos de fiabilidad y de HAC incluyendo algunas de las contribuciones teóricas y aplicadas más relevantes. La tesis, demás formaliza y ejemplifica el modelado de fiabilidad utilizando la función de estructura del sistema, redes bayesianas (BN) y redes bayesianas diná-micas (DBN) como herramientas de modelado y análisis de fiabilidad como también presenta algunas medidas de importancia de la fiabilidad (RIMs). En particular, esta tesis desarrolla modelos de BNs para el análisis de la fiabilidad del sistema a través del uso de técnicas de inferencia bayesiana. Las redes bayesianas son herramientas poderosas en la evaluación de la fiabilidad del sistema gracias a su flexibilidad en el modelado de la fiabilidad de sistemas complejos. Para la implementación del esquema de HAC, esta tesis presenta y discute la integración de la información sobre la salud y degradación de los actuadores mediante las RIMs en algoritmos de control predictivo basado en modelos (MPC) y del control cuadrático lineal (LQR). En las estrategias propuestas, los parámetros de la función de coste se ajustan utilizando las RIMs. Estas técnicas de control fiable permitirán mejorar la disponibilidad y la seguridad de los sistemas evitando la aparición de fallos a través de la incorporación de la información de la salud de los componentes en el algoritmo de control. Las estrategias de HAC propuestas se aplican a una red de agua potable (DWN) y a un sistema UAV multirotor. Además, un tercer enfoque que usa la degradación de los actuadores como restricción en el algoritmo de control MPC se aplica a un sistema aéreo con dos grados de libertad (TRMS). Finalmente, esta tesis también presenta y discute dos interpretaciones de la fiabilidad. Estas interpretaciones, llamadas instantánea y esperada, difieren en la forma en que se evalúa la fiabilidad y cómo se considera su evolución a lo largo del tiempo. Esta comparación se realiza en el marco del control HAC y estudia la fiabilidad del sistema en ambos enfoques.Postprint (published version

Contribution to reliable control of dynamic systems

This thesis presents sorne contributions to the field of Health-Aware Control (HAC) of dynamic systems. In the first part of this thesis, a review of the concepts and methodologies related to reliability versus degradation and fault tolerant control versus health-aware control is presented. Firstly, in an attempt to unify concepts, an overview of HAC, degradation, and reliability modeling including some of the most relevant theoretical and applied contributions is given. Moreover, reliability modeling is formalized and exemplified using the structure function, Bayesian networks (BNs) and Dynamic Bayesian networks (DBNs) as modeling tools in reliability analysis. In addition, some Reliability lmportance Measures (RIMs) are presented. In particular, this thesis develops BNs models for overall system reliability analysis through the use of Bayesian inference techniques. Bayesian networks are powerful tools in system reliability assessment due to their flexibility in modeling the reliability structure of complex systems. For the HAC scheme implementation, this thesis presents and discusses the integration of actuators health information by means of RIMs and degradation in Model Predictive Control (MPC) and Linear Quadratic Regulator algorithms. In the proposed strategies, the cost function parameters are tuned using RIMs. The methodology is able to avoid the occurrence of catastrophic and incipient faults by monitoring the overall system reliability. The proposed HAC strategies are applied to a Drinking Water Network (DWN) and a multirotor UAV system. Moreover, a third approach, which uses MPC and restricts the degradation of the system components is applied to a twin rotor system. Finally, this thesis presents and discusses two reliability interpretations. These interpretations, namely instantaneous and expected, differ in the manner how reliability is evaluated and how its evolution along time is considered. This comparison is made within a HAC framework and studies the system reliability under both approaches.Aquesta tesi presenta algunes contribucions al camp del control basat en la salut dels components "Health-Aware Control" (HAC) de sistemes dinàmics. A la primera part d'aquesta tesi, es presenta una revisió dels conceptes i metodologies relacionats amb la fiabilitat versus degradació, el control tolerant a fallades versus el HAC. En primer lloc, i per unificar els conceptes, s'introdueixen els conceptes de degradació i fiabilitat, models de fiabilitat i de HAC incloent algunes de les contribucions teòriques i aplicades més rellevants. La tesi, a més, el modelatge de la fiabilitat es formalitza i exemplifica utilitzant la funció d'estructura del sistema, xarxes bayesianes (BN) i xarxes bayesianes dinamiques (DBN) com a eines de modelat i anàlisi de la fiabilitat com també presenta algunes mesures d'importància de la fiabilitat (RIMs). En particular, aquesta tesi desenvolupa models de BNs per a l'anàlisi de la fiabilitat del sistema a través de l'ús de tècniques d'inferència bayesiana. Les xarxes bayesianes són eines poderoses en l'avaluació de la fiabilitat del sistema gràcies a la seva flexibilitat en el modelat de la fiabilitat de sistemes complexos. Per a la implementació de l?esquema de HAC, aquesta tesi presenta i discuteix la integració de la informació sobre la salut i degradació dels actuadors mitjançant les RIMs en algoritmes de control predictiu basat en models (MPC) i control lineal quadràtic (LQR). En les estratègies proposades, els paràmetres de la funció de cost s'ajusten utilitzant els RIMs. Aquestes tècniques de control fiable permetran millorar la disponibilitat i la seguretat dels sistemes evitant l'aparició de fallades a través de la incorporació d'aquesta informació de la salut dels components en l'algoritme de control. Les estratègies de HAC proposades s'apliquen a una xarxa d'aigua potable (DWN) i a un sistema UAV multirrotor. A més, un tercer enfocament fent servir la degradació dels actuadors com a restricció dins l'algoritme de control MPC s'aplica a un sistema aeri a dos graus de llibertat (TRMS). Finalment, aquesta tesi també presenta i discuteix dues interpretacions de la fiabilitat. Aquestes interpretacions, nomenades instantània i esperada, difereixen en la forma en què s'avalua la fiabilitat i com es considera la seva evolució al llarg del temps. Aquesta comparació es realitza en el marc del control HAC i estudia la fiabilitat del sistema en tots dos enfocaments.Esta tesis presenta algunas contribuciones en el campo del control basado en la salud de los componentes “Health-Aware Control” (HAC) de sistemas dinámicos. En la primera parte de esta tesis, se presenta una revisión de los conceptos y metodologíasrelacionados con la fiabilidad versus degradación, el control tolerante a fallos versus el HAC. En primer lugar, y para unificar los conceptos, se introducen los conceptos de degradación y fiabilidad, modelos de fiabilidad y de HAC incluyendo algunas de las contribuciones teóricas y aplicadas más relevantes. La tesis, demás formaliza y ejemplifica el modelado de fiabilidad utilizando la función de estructura del sistema, redes bayesianas (BN) y redes bayesianas diná-micas (DBN) como herramientas de modelado y análisis de fiabilidad como también presenta algunas medidas de importancia de la fiabilidad (RIMs). En particular, esta tesis desarrolla modelos de BNs para el análisis de la fiabilidad del sistema a través del uso de técnicas de inferencia bayesiana. Las redes bayesianas son herramientas poderosas en la evaluación de la fiabilidad del sistema gracias a su flexibilidad en el modelado de la fiabilidad de sistemas complejos. Para la implementación del esquema de HAC, esta tesis presenta y discute la integración de la información sobre la salud y degradación de los actuadores mediante las RIMs en algoritmos de control predictivo basado en modelos (MPC) y del control cuadrático lineal (LQR). En las estrategias propuestas, los parámetros de la función de coste se ajustan utilizando las RIMs. Estas técnicas de control fiable permitirán mejorar la disponibilidad y la seguridad de los sistemas evitando la aparición de fallos a través de la incorporación de la información de la salud de los componentes en el algoritmo de control. Las estrategias de HAC propuestas se aplican a una red de agua potable (DWN) y a un sistema UAV multirotor. Además, un tercer enfoque que usa la degradación de los actuadores como restricción en el algoritmo de control MPC se aplica a un sistema aéreo con dos grados de libertad (TRMS). Finalmente, esta tesis también presenta y discute dos interpretaciones de la fiabilidad. Estas interpretaciones, llamadas instantánea y esperada, difieren en la forma en que se evalúa la fiabilidad y cómo se considera su evolución a lo largo del tiempo. Esta comparación se realiza en el marco del control HAC y estudia la fiabilidad del sistema en ambos enfoques

A Contribution to the Design of Highly Redundant Compliant Aerial Manipulation Systems

Es ist vorhersehbar, dass die Luftmanipulatoren in den nächsten Jahrzehnten für viele Aufgaben eingesetzt werden, die entweder zu gefährlich oder zu teuer sind, um sie mit herkömmlichen Methoden zu bewältigen. In dieser Arbeit wird eine neuartige Lösung für die Gesamtsteuerung von hochredundanten Luftmanipulationssystemen vorgestellt. Die Ergebnisse werden auf eine Referenzkonfiguration angewendet, die als universelle Plattform für die Durchführung verschiedener Luftmanipulationsaufgaben etabliert wird. Diese Plattform besteht aus einer omnidirektionalen Drohne und einem seriellen Manipulator. Um den modularen Regelungsentwurf zu gewährleisten, werden zwei rechnerisch effiziente Algorithmen untersucht, um den virtuellen Eingang den Aktuatorbefehlen zuzuordnen. Durch die Integration eines auf einem künstlichen neuronalen Netz basierenden Diagnosemoduls und der rekonfigurierbaren Steuerungszuordnung in den Regelkreis, wird die Fehlertoleranz für die Drohne erzielt. Außerdem wird die Motorsättigung durch Rekonfiguration der Geschwindigkeits- und Beschleunigungsprofile behandelt. Für die Beobachtung der externen Kräfte und Drehmomente werden zwei Filter vorgestellt. Dies ist notwendig, um ein nachgiebiges Verhalten des Endeffektors durch die achsenselektive Impedanzregelung zu erreichen. Unter Ausnutzung der Redundanz des vorgestellten Luftmanipulators wird ein Regler entworfen, der nicht nur die Referenz der Endeffektor-Bewegung verfolgt, sondern auch priorisierte sekundäre Aufgaben ausführt. Die Wirksamkeit der vorgestellten Lösungen wird durch umfangreiche Tests überprüft, und das vorgestellte Steuerungssystem wird als sehr vielseitig und effektiv bewertet.:1 Introduction 2 Fundamentals 3 System Design and Modeling 4 Reconfigurable Control Allocation 5 Fault Diagnostics For Free Flight 6 Force and Torque Observer 7 Trajectory Generation 8 Hybrid Task Priority Control 9 System Integration and Performance Evaluation 10 ConclusionIn the following decades, aerial manipulators are expected to be deployed in scenarios that are either too dangerous for human beings or too expensive to be accomplished by traditional methods. This thesis presents a novel solution for the overall control of highly redundant aerial manipulation systems. The results are applied to a reference configuration established as a universal platform for performing various aerial manipulation tasks. The platform consists of an omnidirectional multirotor UAV and a serial manipulator. To ensure modular control design, two computationally efficient algorithms are studied to allocate the virtual input to actuator commands. Fault tolerance of the aerial vehicle is achieved by integrating a diagnostic module based on an artificial neural network and the reconfigurable control allocation into the control loop. Besides, the risk of input saturation of individual rotors is minimized by predicting and reconfiguring the speed and acceleration responses. Two filter-based observers are presented to provide the knowledge of external forces and torques, which is necessary to achieve compliant behavior of the end-effector through an axis-selective impedance control in the outer loop. Exploiting the redundancy of the proposed aerial manipulator, the author has designed a control law to achieve the desired end-effector motion and execute secondary tasks in order of priority. The effectiveness of the proposed designs is verified with extensive tests generated by following Monte Carlo method, and the presented control scheme is proved to be versatile and effective.:1 Introduction 2 Fundamentals 3 System Design and Modeling 4 Reconfigurable Control Allocation 5 Fault Diagnostics For Free Flight 6 Force and Torque Observer 7 Trajectory Generation 8 Hybrid Task Priority Control 9 System Integration and Performance Evaluation 10 Conclusio

Proceedings of the International Micro Air Vehicles Conference and Flight Competition 2017 (IMAV 2017)

The IMAV 2017 conference has been held at ISAE-SUPAERO, Toulouse, France from Sept. 18 to Sept. 21, 2017. More than 250 participants coming from 30 different countries worldwide have presented their latest research activities in the field of drones. 38 papers have been presented during the conference including various topics such as Aerodynamics, Aeroacoustics, Propulsion, Autopilots, Sensors, Communication systems, Mission planning techniques, Artificial Intelligence, Human-machine cooperation as applied to drones

Articles indexats publicats per investigadors del Campus de Terrassa: 2020

Aquest informe recull els 314 treballs publicats per 242 investigadors/es del Campus de Terrassa en revistes indexades al Journal Citation Report durant el 2020Postprint (author's final draft