Active Fault Tolerant Control for Overactuated Unmanned Vehicles

Motivato dalla crescente richiesta di sicurezza, disponibilità e affidabilità nei veicoli, lo scopo della presente tesi è sviluppare nuovi metodi per effettuare sia la diagnosi dei guasti che il controllo tollerante ai guasti per veicoli sovrattuati. In particolare, si considerano i guasti degli attuatori, poiché essi rappresentano una classe comune di guasti ed hanno conseguenze critiche se non affrontati tempestivamente. Per raggiungere l'obiettivo, si propongono metodi attivi, ovvero la diagnosi guasti attiva ed il controllo attivo tollerante ai guasti, poiché essi presentano migliori capacità di gestire guasti di severità arbitraria. Il primo passo consiste nel quantificare l'ampiezza del guasto. Per questo motivo, in questa tesi si illustrano diversi algoritmi per la diagnosi dei guasti applicata a due categorie di veicoli, in particolare i veicoli sottomarini a comando remoto ed i droni multirotore. I metodi sviluppati richiedono l'utilizzo di sole misure inerziali, quindi sono facilmente applicabili anche su veicoli con limitate disponibilità sensoriali. Dato un insieme di variabili misurate, la stima dei guasti dell'ingresso diventa più complessa all'aumentare del numero di attuatori. D'altronde, i veicoli sovrattuati sono caratterizzati dalla ridondanza di attuatori, quindi il compito non è banale: la diagnosi dei guasti attiva permette di distinguere tra diversi tipi di guasto, tramite l'introduzione di segnali opportuni nei canali di ingresso. Inoltre, poiché molti attuatori hanno un comportamento non lineare, i metodi lineari classici non raggiungono prestazioni soddisfacenti, quindi è necessario sviluppare soluzioni specifiche. Come secondo passo, supposto che una stima del guasto sia disponibile grazie al predetto algoritmo di rilevamento e diagnosi dei guasti, in questa tesi si propone di sfruttare gli algoritmi di allocazione dello sforzo di controllo per gestire i guasti, oltre che per soddisfare i vincoli degli ingressi e minimizzare una funzione di costo. L'algoritmo di allocazione ha un ruolo chiave in tale schema di controllo, in quanto permette di affrontare i guasti moltiplicativi senza il bisogno di riformulare la legge di controllo (tipicamente nonlineare); inoltre, esso permette di gestire la ridondanza in maniera dinamica. Il metoto proposto consiste nel formulare il problema di allocazione come un problema di ottimizzazione, per poi farlo ricadere in una classe di problemi per la quale sono disponibili in letteratura degli algoritmi di soluzione efficienti, come ad esempio avviene per i problemi convessi. Lo schema di controllo tollerante ai guasti discusso è poi applicato ai veicoli sottomarini a comando remoto, siano essi equipaggiati con propulsori fissi o azimutali (ossia orientabili), e ai droni multirotore, sia nel caso di eliche ad angolo di incidenza fisso, sia nel caso di angolo di incidenza variabile. I risultati forniti dalle simulazioni, realizzate in condizioni realistiche, mostrano l'efficacia del metodo, in termini di tolleranza ai guasti, di riduzione dell'errore di inseguimento della traiettoria e di miglioramento del consumo energetico.