Adaptívne riadenie degradácie

Adaptívne riadenie

Adaptívne riadenie pri degradácii pohonu a pri stratách vrtule je kľúčovou témou v oblasti bezpilotných lietadiel (UAV), kde spoľahlivosť a bezpečnosť letu závisia od schopnosti riadiaceho systému online kompenzovať zmeny v dostupnom ťahu, účinnosti motorov a aerodynamických vlastnostiach. Degradácia môže byť postupná (opotrebovanie ložísk, znečistenie listov, zníženie napätia batérie) alebo náhla (čiastočná/úplná strata vrtule, poškodenie statora, odpojenie ESC). Cieľom je zabezpečiť riadenú degradáciu výkonu s preferenciou k bezpečnému režimu návratu (RTB/RTL), prípadne k riadenému pristátiu, namiesto nekontrolovaného pádu.

Taxonómia porúch a degradačných stavov pohonu

• Postupná degradácia: zníženie maximálneho koeficientu ťahu, pokles účinnosti ESC pri zahriatí, nárast trenia ložísk, nevyváženosť listov.
• Náhla porucha (fault): pretrhnutie vrtule, odlepenie listu, odpojenie fázy motora, soft-fault senzoriky (chybný prúdový snímač).
• Exogénna limitácia: pokles napätia/napäťový sag batérie, teplotné obmedzenia, saturácia prúdového limitu ESC.
• Konfiguračná udalosť: asymetria rotorov po strate jedného pohonu (napr. quadrotor in tri-rotor mode), zmena rozloženia momentov a dostupného riadiaceho priestoru.

Modelovanie: od aktuátora k momentom trupu

Štandardný model pre i-ty rotor: F_i = k_f,i \u03c9_i², \u03c4_i = k_\u03c4,i \u03c9_i², s prípadnou nelinearitou pri nízkych Reynoldsových číslach a prítomnosti dead-zone v ESC. Degradáciu modelujeme ako časovo sa meniace koeficienty k_f,i(t), k_\u03c4,i(t), prípadne multiplicatívne poruchy \u03b1_i \u2208 [0,1], kde 0 reprezentuje úplnú stratu ťahu. Mapovanie vektorov ťahu na telesové momenty je cez maticu alokácie B \u2208 \u211d^{3 \u00d7 m} (momentový priestor), pričom translácia je cez G \u2208 \u211d^{1 \u00d7 m} (celkový ťah). Po poruche sa účinná alokačná matica mení na \u02c6B = B \u00b7 \u039b, kde \u039b = \u0394(k_{f,i}, \u03b1_{i}).

Diagnostika, detekcia a izolácia porúch (FDI)

Úspešná adaptácia začína rýchlou a spoľahlivou detekciou. Používajú sa reziduálne metódy a štatistická detekcia z odchýlok medzi predikovanou a meranou odozvou:

• Paritné vzťahy a reziduá: porovnanie meraných uhlových rýchlostí a akcelerácií s predikciou z modelu s nominálnymi koeficientmi.
• Bayesovské a variacionálne filtre: Unscented Kalman Filter (UKF) alebo Particle Filter s rozšíreným stavom o k_f,i, k_\u03c4,i.
• Moving Horizon Estimation (MHE): robustné odhadovanie parametrov s penalizáciou L1/L2 a explicitnými obmedzeniami na saturácie.
• Model-free indikátory: prudký nárast PWM pri rovnakom ťahu, asymetrické vibrácie (IMU), spektrálna zmena zvuku motoru (mikrofón), nárast prúdu pri poklese ťahu.

Izolácia identifikuje konkrétny pohon. Pri multirotoroch s rovnakými vrtuľami pomáha krížová korelácia \u0394PWM \u2192 \u0394\u03c9 a monitorovanie reakcie osi yaw na diferencované príkazy momentu.

Online identifikácia a adaptívne odhadovanie parametrov

Online identifikácia kvantifikuje degradačné faktory a poskytuje adaptérom numerické podklady:

• RLS s projektorom a zabúdaním: odhad k_f,i, k_\u03c4,i zo vzťahov medzi príkazom a zmenou uhlovej akcelerácie, s projektorom do fyzikálne prípustnej množiny.
• Incremental NDI odhad: numerické vyčíslenie neznámych nelinearít cez diferenciálnu korekciu medzi požadovaným a dosiahnutým momentom.
• Gaussian Processes (GP): učenie reziduálnej mapy u \u2192 \u0394\tau s kvantifikáciou neistoty pre bezpečné plánovanie.
• Joint-state parameter UKF: rozšírený stav zahŕňa parametre aj biasy senzorov; adaptácia sa viaže na merané vibrácie a prúdové obmedzenia.

Rekonfigurácia riadenia a alokácia momentov po poruche

Po detekcii a kvantifikácii poruchy je nutné prepočítať alokáciu. Pri úplnej strate jedného pohonu sa pôvodná úloha alokácie mení na problém s obmedzeniami (často neštandardne poddimenzovaný pre yaw). Používajú sa:

• Weighted Pseudoinverse (WPI): váhy reflektujú degradáciu \u039b, preferuje sa použitie zdravých rotorov.
• Quadratic Programming (QP): minimalizácia chyby momentu s obmedzeniami 0 \u2264 u_i \u2264 u_i,max, doplnená o slew-rate limity a prioritizáciu rol/pitch nad yaw.
• Explicitná saturácia yaw: v núdzovom režime sa povoľuje drift yaw s obmedzenou rýchlosťou otáčania, aby boli zachované kanály rol/pitch a ťah.

Adaptívne zákony riadenia: MRAC, L1, INDI a MPC

• MRAC (Model Reference Adaptive Control): riadiaca slučka sleduje referenčný model dynamiky; adaptácia mení spätnoväzbové zisky tak, aby kompenzovala zmenené účinky aktuátorov. Projekčné operátory zabezpečia obmedzenie parametrov.
• L1 adaptívne riadenie: oddelenie odhadovania a robustného nízkopriepustného filtra; poskytuje rýchlu adaptáciu pri garantovaných hraniciach chýb, vhodné pre prudké zmeny k_f,i.
• INDI (Incremental Nonlinear Dynamic Inversion): využíva merané uhlové akcelerácie na priamu kompenzáciu neznámych dynamík; vhodné aj pri nepresných modeloch a saturácii.
• NMPC (nelineárne MPC) s fault-aware modelom: predikčný model a constrainty sa aktualizujú podľa odhadnutej \u02c6B; cieľová funkcia zvýrazňuje stabilitu výšky a náklonov, soft constraint pre yaw.

Strata vrtule na kvadrotore: špecifiká a letový režim

Pri úplnej strate jedného rotora vzniká nevykompenzovaný reakčný moment a výrazný deficit maximálneho ťahu. Prakticky sa zavádza režim tri-rotor so stratégiou:

1. Okamžitá stabilizácia náklonov: uzamknutie yaw kontroléru do rate limit režimu a alokácia preferujúca rol/pitch.
2. Prechod na špirálovitý let s obmedzeným yaw driftom: ak nie je možné nulovať yaw moment, riadenie orientuje trup tak, aby horizontálne zložky ťahu umožnili smerovanie k bodu bezpečného pristátia.
3. Riadené pristátie: výška sa znižuje tempom kompatibilným s dostupným ťahom; pri nízkej výške sa toleruje vyššia rýchlosť yaw.

Pre coaxial a hex/ octo platformy je možné plne kompenzovať yaw v širšom rozsahu, závisí od geometrie a zostávajúcich limitov prúdu.

Bezpečnostné obálky a plánovanie trajektórie pod obmedzeniami

Adaptácia musí rešpektovať redukovanú thrust-to-weight rezervu a nové polytopické limity momentov. Zavádza sa bezpečnostná obálka v priestore stavov a vstupov, napríklad:

• Obálka ťahu: T \u2264 \u2211 \u03b1_i T_i,max.
• Obálka klopenia/klonenia: obmedzenie maxima úhlového zrýchlenia cez normu \u2225\u03c4\u2225 s aktualizáciou podľa \u02c6B.
• Bezpečný sklon pri lete proti vetru: limitácia roll/pitch podľa dostupnej rezervy ťahu.

Trajektórie pre Return-To-Home využívajú konzervatívne profily rýchlosti a výšky, vyhýbajú sa agresívnym manévrom a minimalizujú čas v režime s deficitom yaw momentu.

Integrácia FDI a adaptácie do architektúry autopilota

• Vrstva 0: Senzorika a monitoring: IMU, prúd/napätie, teplota ESC, odhad rýchlosti rotora (telematria ESC alebo RPM modul).
• Vrstva 1: FDI a identifikácia: UKF/MHE, generovanie indikátorov poruchy, rozhodovanie s hysteréziou a confidence metrikami.
• Vrstva 2: Rekonfigurácia: aktualizácia \u02c6B, prepnutie alokátora (WPI \u2192 QP), nastavenie priorít osí.
• Vrstva 3: Adaptívny regulátor: MRAC/L1/INDI/NMPC s fault-aware parametrami.
• Vrstva 4: Mission manager: rozhodovanie o RTL, bezpečnom pristátí, geofencing, aktualizácia limitov rýchlosti a sklonu.

Robustnosť a stabilitné záruky

Kritické je zabezpečiť input-to-state stability a obmedzenosť odhadov počas prechodov. Používajú sa projekčné a leakage termy v adaptácii, anti-windup mechanizmy pri saturácii, a výpočet gain/phase margins pri degradovanej \u02c6B. Pre NMPC sa vyžaduje terminálna množina a penalizácia, aby boli splnené podmienky rekursívnej uskutočniteľnosti.

Praktické aspekty: kalibrácia, latencia a merania

• Latencia ESC a kvantizácia PWM: kompenzácia v predikčnom modeli, filtrovane odvodené akcelerácie pre INDI.
• Vibrácie a aliasing IMU: notch filtre adaptované na dominantné frekvencie po poškodenej vrtuli.
• Variabilita batérie: adaptívne mapovanie príkaz \u2192 ťah ako funkcia napätia a teploty.

Testovanie, validácia a verifikácia

Odporúčaný postup zahŕňa viacvrstvové testy:

1. Hardware-in-the-loop (HIL): simulácia ESC a motorov s emuláciou porúch, verifikácia FDI latencií a falošných poplachov.
2. Rameno/krížový stend (tethered, thrust stand): bezpečné overenie alokácie a adaptácie pri postupnej degradácii.
3. Letové skúšky v kontrolovanom prostredí: vopred definované scenáre s limitovanou výškou, záznam rýchlostí rotorov, prúdov, PWM a stavov adaptácie.

Metodika hodnotenia používa metriky ako time-to-detect, time-to-reconfigure, attitude hold error, energy overhead, a landing dispersion.

Stratégie riadeného pristátia a núdzové režimy

• Degradovaný position-hold: obmedzenie maximálnych náklonov a rýchlostí, zvýšená prioritizácia ťahu.
• RTL s obmedzením manévrov: vyhnutie sa silnému vetru, preferencia priamych trajektórií s vyšším časom na odozvu adaptácie.
• Riadené pristátie na mieste: pri výraznej strate ťahu voľba najbližšej bezpečnej plochy; yaw drift tolerovaný.
• Automatický motor kill pod prahom výšky: minimalizácia kinetickej energie pri kontakte, ak stratíme stabilitu.

Učenie za behu a dlhodobá údržba modelu

Okrem krátkodobej adaptácie je užitočné dlhodobé učenie trendov degradácie. Agregované letové dáta (napätie, teplota, RPM, vibrácie, požadovaný vs. dosiahnutý ťah) umožnia prediktívnu údržbu a včasnú výmenu komponentov. Modely odhadu zostávajúcej životnosti (RUL) pre vrtule a ložiská znižujú pravdepodobnosť náhlych porúch.

Implementačné odporúčania a návrhové vzory

• Dual-loop dizajn: vnútorná adaptívna slučka pre momenty (rýchla), vonkajšia pre polohu (pomalšia), s rate limiting a anti-windup.
• Bezpečnostné prepínače: definované guard conditions pre prechod medzi režimami nominálny \u2192 degradovaný \u2192 núdzový.
• Diagnostické flagy a telemetria: transparentný reporting stavu FDI, stupňa degradácie a aktívnych obmedzení pre pozemnú stanicu.
• Deterministické výpočty: využitie pevného kroku a saturácií v QP, aby sa predišlo neuskutočniteľnosti alokácie.

Prípadová štúdia: quadrotor so stratou predného pravého rotora

Scenár: pri rýchlosti 10 m/s dôjde k odtrhnutiu listu. FDI deteguje nárast vibračného spektra a zlyhajúci vzťah PWM\u2192RPM do 80 ms. Rekonfigurácia aktualizuje maticu alokácie a spustí yaw-relaxed režim; MRAC zvýši zisky pre roll/pitch podľa projekčného operátora. NMPC aplikuje soft constraint na yaw rýchlosť a obmedzí horizontálnu rýchlosť na 3 m/s. Systém zvolí priamu trajektóriu k bezpečnej ploche a pristane s priemerom rozptylu 1,8 m, pričom maximálny náklon neprekročil 18\u00b0.

Obmedzenia a otvorené výzvy

• Ambiguita diagnostiky: podobné symptómy pri zlom IMU kalibrovaní a pri čiastočnej strate vrtule.
• Neistota veterného poľa: prudké poryvy môžu maskovať efekt degradácie, čo komplikuje odhad parametrov.
• Výpočtové limity: NMPC a MHE na palube vyžadujú optimalizované implementácie a predvýpočty gradientov.
• Interakcia so sieťovými oneskoreniami: pri FPV/autonómii môže oneskorenie telemetrie vplývať na rozhodnutia mission managera.

Adaptívne riadenie pri degradácii pohonu a stratách vrtule v UAV kombinuje včasnú a spoľahlivú diagnostiku, online identifikáciu parametrov, rekonfiguráciu alokácie a robustné adaptívne riadiace zákony. Integrovaný prístup, ktorý rešpektuje zmenené obálky bezpečnosti a zaťažiteľnosti, umožňuje nielen prežiť poruchu, ale aj bezpečne ukončiť misiu. Kľúčové je formálne ošetrenie stabilitných záruk, disciplinovaná telemetria a viacstupňové testovanie od HIL až po reálne letové scenáre.