Detección, aislamiento y estimación de fallas aplicado a vehículos aéreos no tripulados del tipo quadrotor

Abstract

Fault diagnosis for dynamic systems presents an interesting problem for the scientific community, mainly for security reasons, which lead into possible fault tolerant control systems that are capable of enduring them. It is of utmost importance to have strategies and schemes for fault detection, isolation and estimation, whether for sensors, actuators, or even the system itself. Particularly, in modern society, Unmanned Aerial Vehicles, specially quadrotors have experienced an unmatched growth, and thus represent a new technological revolution for it, due to their versatility and multiple applications both in civil and military branches. For the reasons aforementioned, in this work the problem of fault detection, isolation, and estimation for a quadrotor UAV focused on gyroscopic sensor faults is tackled. For this, two schemes are designed using both the Takagi-Sugeno convex modeling and convex state observers. The process then is divided into two phases, the first one considers the representation of the rotational dynamics of the system as a convex model, consisting of an adequate number of submodels. Phase two carries with the design of the model based diagnosis schemes. The first scheme considers a hybrid observer set, combining both a generalized observer scheme, and a dedicated observer scheme. This combination allows for fault detection and isolation. Parallel to this scheme, and looking to achieve for fault estimation, a convex unknown input observer was designed, considering a descriptor representation for the already obtained convex model for the quadrotor's rotational dynamics. Both observer schemes were designed using a LMI formulation.

El diagnóstico de fallas para sistemas dinámicos representa un problema de interés en la comunidad científica, primeramente, por cuestiones de seguridad, derivando en posibles sistemas de control que sean tolerantes a fallas, y en un segundo plano para la mejora en sus diseños buscando la prevención de éstas. Es de suma importancia contar con estrategias que permitan detectar, aislar y estimar fallas ya sea en sensores, actuadores o la planta misma. De manera particular, en la sociedad contemporánea, los vehículos aéreos no tripulados tipo quadrotor han tenido un auge y por esta razón representan una revolución tecnológica gracias a su versatilidad y múltiples aplicaciones en grandes ramas civiles y militares. En el presente trabajo se aborda el problema de detección, aislamiento y estimación de fallas para vehículos aéreos no tripulados tipo quadrotor, enfocado a fallas en sensores de posición angular, para el cual se presentan dos esquemas de diagnóstico de fallas diseñados mediante la aplicación de técnicas de modelado convexo Takagi-Sugeno y el uso de observadores de estado. Este proceso conlleva la representación de la dinámica rotacional del vehículo como un modelo convexo, conformado por un número adecuado de submodelos, y el posterior diseño de los esquemas de diagnóstico con base en éste. El primer esquema considera un diseño de banco de observadores hibrido mediante una combinación de una parte generalizada y una dedicada, los cuales permiten la detección y aislamiento de fallas. De manera conjunta, buscando lograr la estimación de fallas para dichos sensores, se diseñó un observador convexo de entradas desconocidas mediante la representación descriptora del modelo convexo de la dinámica rotacional del quadrotor, el cual permite el desacoplo de fallas aditivas independientemente de su comportamiento dinámico. El diseño de los observadores fue realizado mediante la formulación LMI.