Published January 1, 2012 | Version v1
Publication Open

Fault-Tolerant Control Strategy for Steering Failures in Wheeled Planetary Rovers

  • 1. German Aerospace Center
  • 2. National Institute for Space Research

Description

Fault-tolerant control design of wheeled planetary rovers is described. This paper covers all steps of the design process, from modeling/simulation to experimentation. A simplified contact model is used with a multibody simulation model and tuned to fit the experimental data. The nominal mode controller is designed to be stable and has its parameters optimized to improve tracking performance and cope with physical boundaries and actuator saturations. This controller was implemented in the real rover and validated experimentally. An impact analysis defines the repertory of faults to be handled. Failures in steering joints are chosen as fault modes; they combined six fault modes and a total of 63 possible configurations of these faults. The fault-tolerant controller is designed as a two-step procedure to provide alternative steering and reuse the nominal controller in a way that resembles a crab-like driving mode. Three fault modes are injected (one, two, and three failed steering joints) in the real rover to evaluate the response of the nonreconfigured and reconfigured control systems in face of these faults. The experimental results justify our proposed fault-tolerant controller very satisfactorily. Additional concluding comments and an outlook summarize the lessons learned during the whole design process and foresee the next steps of the research.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يتم وصف تصميم التحكم المتسامح مع الأعطال للمركبات الكوكبية ذات العجلات. تغطي هذه الورقة جميع خطوات عملية التصميم، من النمذجة/المحاكاة إلى التجريب. يتم استخدام نموذج تلامس مبسط مع نموذج محاكاة متعدد الأجسام ويتم ضبطه ليناسب البيانات التجريبية. تم تصميم وحدة التحكم في الوضع الاسمي لتكون مستقرة وتم تحسين معالمها لتحسين أداء التتبع والتعامل مع الحدود المادية وتشبع المشغل. تم تنفيذ وحدة التحكم هذه في المتجول الحقيقي وتم التحقق من صحتها تجريبياً. يحدد تحليل الأثر مرجع الأخطاء التي يجب معالجتها. يتم اختيار الأعطال في وصلات التوجيه كأوضاع للأعطال ؛ فهي تجمع بين ستة أوضاع للأعطال وما مجموعه 63 تكوينًا محتملًا لهذه الأعطال. تم تصميم وحدة التحكم المتسامحة مع الأعطال كإجراء من خطوتين لتوفير توجيه بديل وإعادة استخدام وحدة التحكم الاسمية بطريقة تشبه وضع القيادة الشبيه بالسرطان. يتم حقن ثلاثة أوضاع للخطأ (واحد واثنان وثلاثة وصلات توجيه فاشلة) في العربة الجوالة الحقيقية لتقييم استجابة أنظمة التحكم غير المعاد تكوينها والمعاد تكوينها في مواجهة هذه الأخطاء. تبرر النتائج التجريبية وحدة التحكم المتسامحة المقترحة بشكل مرضٍ للغاية. تلخص التعليقات الختامية الإضافية والتوقعات الدروس المستفادة خلال عملية التصميم بأكملها وتتوقع الخطوات التالية للبحث.

Translated Description (French)

La conception de commande tolérante aux pannes des rovers planétaires à roues est décrite. Cet article couvre toutes les étapes du processus de conception, de la modélisation/simulation à l'expérimentation. Un modèle de contact simplifié est utilisé avec un modèle de simulation multi-corps et ajusté pour s'adapter aux données expérimentales. Le contrôleur de mode nominal est conçu pour être stable et ses paramètres sont optimisés pour améliorer les performances de suivi et faire face aux limites physiques et aux saturations de l'actionneur. Ce contrôleur a été implémenté dans le vrai rover et validé expérimentalement. Une analyse d'impact définit le répertoire des défauts à traiter. Les défaillances des joints de direction sont choisies comme modes de défaillance ; elles combinent six modes de défaillance et un total de 63 configurations possibles de ces défaillances. Le contrôleur tolérant aux pannes est conçu comme une procédure en deux étapes pour fournir une direction alternative et réutiliser le contrôleur nominal d'une manière qui ressemble à un mode de conduite en crabe. Trois modes de défaut sont injectés (un, deux et trois joints de direction défaillants) dans le mobile réel pour évaluer la réponse des systèmes de contrôle non reconfigurés et reconfigurés face à ces défauts. Les résultats expérimentaux justifient notre proposition de contrôleur tolérant aux pannes de manière très satisfaisante. Des commentaires de conclusion supplémentaires et un aperçu résument les leçons apprises tout au long du processus de conception et prévoient les prochaines étapes de la recherche.

Translated Description (Spanish)

Se describe el diseño de control tolerante a fallas de los rovers planetarios con ruedas. Este documento cubre todos los pasos del proceso de diseño, desde el modelado/simulación hasta la experimentación. Se utiliza un modelo de contacto simplificado con un modelo de simulación multicuerpo y se ajusta para adaptarse a los datos experimentales. El controlador de modo nominal está diseñado para ser estable y tiene sus parámetros optimizados para mejorar el rendimiento de seguimiento y hacer frente a los límites físicos y las saturaciones del actuador. Este controlador se implementó en el rover real y se validó experimentalmente. Un análisis de impacto define el repertorio de fallos a tratar. Las fallas en las juntas de dirección se eligen como modos de falla; combinaron seis modos de falla y un total de 63 configuraciones posibles de estas fallas. El controlador tolerante a fallas está diseñado como un procedimiento de dos pasos para proporcionar una dirección alternativa y reutilizar el controlador nominal de una manera que se asemeje a un modo de conducción similar a un cangrejo. Se inyectan tres modos de falla (una, dos y tres juntas de dirección fallidas) en el rover real para evaluar la respuesta de los sistemas de control no reconfigurados y reconfigurados frente a estas fallas. Los resultados experimentales justifican muy satisfactoriamente nuestro controlador tolerante a fallos propuesto. Los comentarios finales adicionales y una perspectiva resumen las lecciones aprendidas durante todo el proceso de diseño y prevén los próximos pasos de la investigación.

Files

694673.pdf.pdf

Files (4.5 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:8c918d708f8c570d2812b698cff3cc73
4.5 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
استراتيجية التحكم المتسامح مع الأعطال لفشل التوجيه في عربات التجوال الكوكبية ذات العجلات
Translated title (French)
Stratégie de contrôle tolérant aux pannes pour les pannes de direction dans les mobiles planétaires à roues
Translated title (Spanish)
Estrategia de control tolerante a fallas para fallas de dirección en rovers planetarios con ruedas

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2070083568
DOI
10.1155/2012/694673

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Brazil

References

  • https://openalex.org/W1987424218
  • https://openalex.org/W2012416257
  • https://openalex.org/W2139494503
  • https://openalex.org/W4246474877