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Quadrotor Actuator Fault Detection Considering the Aerodynamic Effect of Propellers
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dc.contributor.advisor 은용순 -
dc.contributor.author Hyukjin Lee -
dc.date.accessioned 2022-07-07T02:29:04Z -
dc.date.available 2022-07-07T02:29:04Z -
dc.date.issued 2021 -
dc.identifier.uri http://dgist.dcollection.net/common/orgView/200000362648 en_US
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/20.500.11750/16660 -
dc.description.abstract One of the malfunctions that can happen in the operating quadrotor is the actuator fault. The fault signal appears in the form of motor power degradation or complete loss. It can have catastrophic consequences, such as a crash, for the operating quadrotor. So, fault signal detection and fault-tolerant control are needed when a faulty situation occurs. In this regard, it is necessary to find out which actuator has failed first.

This thesis describes how to detect fault signals in actuators based on the dynamic model of quadrotors. There are two dynamic models of quadrotors used in this thesis. One is a model that assumes the quadrotor dynamics in an ideal environment. It represents the quadrotor dynamics relatively straightforward, so it is commonly used in most studies using quadrotors. The other is a model that considers the effect of aerodynamic properties generated by the rotation of propellers. Linear state equations are obtained for each two quadrotor models when the quadrotor hovers to apply the fault detection method.

The fault detection method used in this thesis is called a geometric approach, using the subspaces of the error system expressed as the estimation error of the linear system. We use the characteristics of the subspaces of the error system to design suitable filters for actuator fault detection.

To analyze the performance of the designed fault detection filter, a simulation based on MATLAB Simulink was used. We verified the performance of the designed fault detection filters and checked the effects of aerodynamic properties by the rotation of propellers on fault detection performance.
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dc.description.statementofresponsibility Y -
dc.description.tableofcontents 1. Introduction 1
1.1. Motivation 2
1.2. Existing literature 3
1.3. Contribution 3
1.4. Thesis outline 4

2 Mathematical Preliminaries 5
2.1 Notations and backgrounds 5
2.2 (C,A)-invariant subspaces 7
2.3 Unobservable subspaces 8

3 Quadrotor dynamics 9
3.1 Classical quadrotor model 10
3.2 Aerodynamic effect of propellers 11
3.3 Modeling of the drag force and drag torque 14
3.4 Linearization and controller design 16

4 Fault Detection Problems 19
4.1 Fault detection problems 20
4.1.1 Algorithm for (C,A)-invariant subspaces 22
4.1.2 Algorithm for unobservable subspaces 22
4.1.3 Solvability condition 23
4.1.4 Design condition of the observer gain G_i 24
4.1.5 Design condition of the filter matrix H_i 24
4.2 Special case when C is full rank 25
4.3 Designing fault detection filters in classical quadrotor model 25
4.4 Designing fault detection filters in detailed quadrotor model 35

5 Simulation 43
5.1 Simulation environment 43
5.2 Simulation result 43

6 Conclusion 61

A Matrices in linearization 63

B General case when C is not full rank with TE-PCS 67

Bibliography 75

국문초록 77
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dc.format.extent 77 -
dc.language eng -
dc.publisher DGIST -
dc.subject Fault Detection, Geometric approach, Unobservable Subspace, Quadrotor, Actuator, Aerodynamic Effect -
dc.title Quadrotor Actuator Fault Detection Considering the Aerodynamic Effect of Propellers -
dc.title.alternative 프로펠러의 공기역학적 특성을 고려한 쿼드로터 액추에이터 고장 감지 -
dc.type Thesis -
dc.identifier.doi 10.22677/thesis.200000362648 -
dc.description.alternativeAbstract 운행중인 쿼드로터에 발생할 수 있는 오동작의 원인 중 하나로는 액추에이터에 발생하는 고장이 있다. 이때 고장 신호는 모터의 출력 저하 또는 완전 정지의 형태로 나타난다. 이러한 고장은 운행중인 쿼드로터에게 추락과 같은 치명적인 결과를 야기할 수 있으므로, 고장 발생 시 이를 감지하고 대처할 수 있도록 하는 조치가 필요하다. 이를 위해서는 먼저, 어느 액추에이터에 고장이 발생했는지 찾아내는 과정이 필요하다.

이에 본 연구는 쿼드로터의 동역학 모델을 기반으로 액추에이터에 발생하는 고장 신호를 감지하는 방법에 대해 서술한다. 본 연구에서 사용한 쿼드로터의 동역학 모델은 두 가지이다. 하나는 이상적인 환경에서의 동작을 가정한 모델이며, 쿼드로터의 움직임을 비교적 간단하게 표현하므로 쿼드로터를 이용한 대부분의 연구에서 보편적으로 사용된다. 다른 하나는 프로펠러의 회전에 의해 발생하는 공기역학적 특성이 쿼드로터의 동역학에 미치는 영향을 고려한 모델이다. 본 연구에서는 고장 감지 기법을 적용하기 위해 두 가지 선형 모델 각각에 대해 쿼드로터가 제자리에서 비행하고 있는 상황에서의 선형화 모델을 수립하였다.

본 연구에서 사용한 고장 감지 기법은 선형 모델의 상태 추정 오차로 표현되는 오차 시스템의 선형부분공간을 이용한 기하학적 접근법이며, 선형화 모델과 오차 시스템의 관측불가능한 선형부분공간의 특성을 통해 액추에이터 고장을 감지하는 데 적합한 필터들을 설계하였다.

설계한 고장 감지 필터의 성능을 분석하기 위해, MATLAB Simulink 기반의 시뮬레이션을 사용하였다. 우선 이상적인 쿼드로터 선형 모델에 적합한 고장 감지 필터들을 시뮬레이션으로 구현하고 성능을 확인하였다. 그리고, 이 필터들을 공기역학적 특성이 고려된 쿼드로터 선형 모델에 적용하여, 프로펠러의 회전에 의한 공기역학적 특성이 고장 감지 성능에 미치는 영향을 확인하였다. 이후 공기역학적 특성이 고려된 쿼드로터 모델에 적합한 새로운 고장 감지 필터들을 시뮬레이션으로 구현하고 성능을 확인하여 실제 쿼드로터 운행 환경에 적합한 액추에이터 고장 감지 필터를 제시하였다.
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dc.description.degree Master -
dc.contributor.department Information and Communication Engineering -
dc.identifier.bibliographicCitation Hyukjin Lee. (2021). Quadrotor Actuator Fault Detection Considering the Aerodynamic Effect of Propellers. doi: 10.22677/thesis.200000362648 -
dc.contributor.coadvisor Kyoung-Dae Kim -
dc.date.awarded 2021/02 -
dc.publisher.location Daegu -
dc.description.database dCollection -
dc.citation XT.IM 이94 202102 -
dc.contributor.alternativeDepartment 정보통신융합전공 -
dc.contributor.affiliatedAuthor Hyukjin Lee -
dc.contributor.affiliatedAuthor Yongsoon Eun -
dc.contributor.affiliatedAuthor Kyoung-Dae Kim -
dc.contributor.alternativeName 이혁진 -
dc.contributor.alternativeName Yongsoon Eun -
dc.contributor.alternativeName 김경대 -
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