Control allocation as part of a fault-tolerant control architecture for UAVs
Date
2011-03
Authors
Basson, Lionel
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : University of Stellenbosch
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The development of a control allocation system for use as part of a fault-tolerant control
(FTC) system in unmanned aerial vehicles (UAVs) is presented. This system plays a
vital role in minimising the possibility that a fault will necessitate the reconfiguration of
the control, guidance or navigation systems of the aircraft by minimising the difference
between the desired and achievable aircraft performance parameters. This is achieved
by optimising the allocation of control effort commanded by the virtual actuators to the
physical actuators present on the aircraft.
A simple general six degree of freedom aircraft model is presented that contains all of
the relevant terms needed to find the trim biases of the aircraft actuators and evaluate
the performance of the virtual actuators. This model was used to develop a control
allocation formulation that optimises the performance of the virtual actuators of the
aircraft while minimising adverse effects and avoiding actuator saturation. The resulting
problem formulation was formulated as a multi-objective optimisation problem which was
solved using the sequential quadratic programming method.
The control allocation system was practically implemented and tested. A number of
failure categories of varying severity were defined and two aircraft with different levels
of actuator redundancy were used to test the system. The control allocation algorithm
was evaluated for each failure category, aircraft test case and for a number of differing
control allocation system configurations. A number of enhancements were then made
to the control allocation system which included adding frequency-based allocation and
adapting the algorithm for an unconventional ducted-fan UAV.
The control allocation system is shown to be applicable to a number of different conventional
aircraft configurations with no alterations as well as being applicable to unconventional
aircraft with minor alterations. The control allocation system is shown to
be capable of handling both single and multiple actuator failures and the importance of
actuator redundancy is highlighted as a factor that influences the effectiveness of control
allocation. The control allocation system can be effectively used as part of a FTC system
or as a tool that can be used to investigate control allocation and aircraft redundancy.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die ontwikkeling van ’n beheertoekenning sisteem vir gebruik as deel van ’n fout verdraagsame beheersisteem in onbemande lugvaartuie word voorgelê. Hierdie sisteem speel ’n essensiële rol in die vermindering van die moontlikheid dat ’n fout die herkonfigurasie van die beheer, bestuur of navigasiesisteme van die vaartuig tot gevolg sal hê, deur die verskil te verminder tussen die verlangde en bereikbare werkverrigtingsraamwerk van die vaartuig. Dit word bereik deur die optimisering van die toekenning van beheerpoging aangevoer deur die virtuele aktueerders na die fisiese aktueerders teenwoordig op die vaartuig. ’n Eenvoudige algemene ses grade van vryheid lugvaartuig model word voorgestel wat al die relevante terme bevat wat benodig word om die onewewigtigheid verstelling van die vaartuig se aktueerders te vind en die werksverrigting van die virtuele aktueerders te evalueer. Hierdie model is gebruik om ’n beheer toekenning formulering te ontwikkel wat die werkverrigting van die virtuele aktueerders van die vaartuig optimiseer terwyl nadelige gevolge verminder word asook aktueerder versadiging vermy word. Die gevolglike probleem formulering is omskryf as ’n multi-doel optimiserings probleem wat opgelos is deur gebruik van die sekwensiële kwadratiese programmerings metode. Die beheertoekenning sisteem is prakties geïmplementeer en getoets. ’n Aantal fout kategorieë van verskillende grade van erns is gedefinieer en twee vaartuie met verskillende vlakke van aktueerder oortolligheid is gebruik om die sisteem te toets. Die beheer toekenning algoritme is geëvalueer vir elke fout kategorie, vaartuig toetsgeval, asook vir ’n aantal verskillende beheertoekenning sisteem konfigurasies. ’n Aantal verbeterings is aangebring aan die beheertoekenning sisteem, naamlik die toevoeging van frekwensie gebaseerde toekenning en wysiging van die algoritme vir ’n onkonvensionele onbemande geleide waaier lugvaartuig. Die beheertoekenning sisteem is van toepassing op ’n aantal verskillende konvensionele vaartuig konfigurasies met geen verstellings asook van toepassing op onkonvensionele vaartuie met geringe verstellings. Die beheertoekenning sisteem kan beide enkel- en veelvoudige aktueerder tekortkominge hanteer en die belangrikheid van aktueerder oortolligheid is beklemtoon as ’n faktor wat die effektiwiteit van beheertoekenning beïnvloed. Die beheertoekenning sisteem kan effektief geïmplementeer word as deel van ’n fout verdraagsame beheersisteem of as ’n werktuig om beheertoekenning en vaartuig oortolligheid te ondersoek.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die ontwikkeling van ’n beheertoekenning sisteem vir gebruik as deel van ’n fout verdraagsame beheersisteem in onbemande lugvaartuie word voorgelê. Hierdie sisteem speel ’n essensiële rol in die vermindering van die moontlikheid dat ’n fout die herkonfigurasie van die beheer, bestuur of navigasiesisteme van die vaartuig tot gevolg sal hê, deur die verskil te verminder tussen die verlangde en bereikbare werkverrigtingsraamwerk van die vaartuig. Dit word bereik deur die optimisering van die toekenning van beheerpoging aangevoer deur die virtuele aktueerders na die fisiese aktueerders teenwoordig op die vaartuig. ’n Eenvoudige algemene ses grade van vryheid lugvaartuig model word voorgestel wat al die relevante terme bevat wat benodig word om die onewewigtigheid verstelling van die vaartuig se aktueerders te vind en die werksverrigting van die virtuele aktueerders te evalueer. Hierdie model is gebruik om ’n beheer toekenning formulering te ontwikkel wat die werkverrigting van die virtuele aktueerders van die vaartuig optimiseer terwyl nadelige gevolge verminder word asook aktueerder versadiging vermy word. Die gevolglike probleem formulering is omskryf as ’n multi-doel optimiserings probleem wat opgelos is deur gebruik van die sekwensiële kwadratiese programmerings metode. Die beheertoekenning sisteem is prakties geïmplementeer en getoets. ’n Aantal fout kategorieë van verskillende grade van erns is gedefinieer en twee vaartuie met verskillende vlakke van aktueerder oortolligheid is gebruik om die sisteem te toets. Die beheer toekenning algoritme is geëvalueer vir elke fout kategorie, vaartuig toetsgeval, asook vir ’n aantal verskillende beheertoekenning sisteem konfigurasies. ’n Aantal verbeterings is aangebring aan die beheertoekenning sisteem, naamlik die toevoeging van frekwensie gebaseerde toekenning en wysiging van die algoritme vir ’n onkonvensionele onbemande geleide waaier lugvaartuig. Die beheertoekenning sisteem is van toepassing op ’n aantal verskillende konvensionele vaartuig konfigurasies met geen verstellings asook van toepassing op onkonvensionele vaartuie met geringe verstellings. Die beheertoekenning sisteem kan beide enkel- en veelvoudige aktueerder tekortkominge hanteer en die belangrikheid van aktueerder oortolligheid is beklemtoon as ’n faktor wat die effektiwiteit van beheertoekenning beïnvloed. Die beheertoekenning sisteem kan effektief geïmplementeer word as deel van ’n fout verdraagsame beheersisteem of as ’n werktuig om beheertoekenning en vaartuig oortolligheid te ondersoek.
Description
Thesis (MScEng (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2011.
Keywords
Fault-tolerant control, Control allocation system, Unmanned aerial vehicles (UAVs), Dissertations -- Electronic engineering, Theses -- Electronic engineering, Drone aircraft, Flight control