Quadcopter collision recovery under loss of one propeller

Quadcopters are prone to accidents and collisions with objects in an urban environment such as building walls, power lines, poles, and fences. During a wall collision, there is a high probability that one of the propellers on the vehicle will be damaged, as a result breaking the nominal control loop and causing the quadcopter to crash.This thesis deals with flight control recovery for when a quadcopter collides with a solid wall and experiences a loss of one propeller. Such a scenario is directly relevant to quadcopters flying in urban environments in close proximity to buildings. Following the literature review on fault-tolerant controllers for loss of one actuator, the dynamics model for a vehicle undergoing a collision with a wall is presented. A recovery flight control law using “relaxed hover” approach was selected, where the requirement for having zero angular velocity is relaxed and the vehicle hovers while rotating around a fixed axis. The recovery control strategy is made up of two cascaded controllers and consists of three phases. In the first, the impact event is identified, and the normal direction of the contact surface is estimated from accelerometer measurements. The second phase uses the surface normal direction to calculate the desired position at a safe distance away from the wall, which is used in the outer position controller to define the desired acceleration. For the case where position estimates of the vehicle are not available, an alternative velocity controller is proposed to calculate a desired acceleration and control the velocity of the vehicle during the recovery. In the last phase, the inner controller regulates the attitude of the vehicle so that the desired acceleration is achieved. This control strategy is simulated in MATLAB simulator of the system for different incoming impact velocities and attitudes, in order to demonstrate the performance of the controller and to define a bound for successful recoveries.Les drones sont sujets à des accidents et des collisions avec des objets dans un environnement urbain tels que les immeubles, les lignes électriques, des pôles et des clôtures. Durant une collision, il y a de fortes chances qu’un des propulseurs du véhicule soit endommagé, résultant dans une défectuosité du cycle de contrôle principal et causant la destruction du drone. La thèse présentée gère la récupération du contrôle de vol lorsque le drone entre en collision avec des obstacles solide et perd un des propulseurs. Dans un tel scénario, il est directement en lien avec des drones volant dans un environnement urbain à proximité des immeubles. En suivant la littérature sur les contrôleurs tolérants la perte d’un actionneur, le modèle dynamique d’un véhicule entrant en collision avec un mur est présenté. Un récupérateur de contrôle de vol suivant la méthode « planage relaxé » a été sélectionné. Ici, les requis accordant une vitesse angulaire nul ont été relaxées ce qui permet au véhicule d’avoir une vitesse angulaire lors du planage. La stratégie de récupération de contrôle est faite de deux contrôleurs en cascade et est constituée de trois phases. Dans la première phase, l’impact est identifié et la surface de contacte est considérée normal à la direction estimée par les mesures de l’accéléromètre. La seconde phase utilise la direction normale de la surface pour calculer une position désirée à une distance sécuritaire du mur qui est utilisée dans le contrôleur de position externe pour déterminer l’accélération nécessaire. Dans le cas où la position estimée du véhicule n’est pas disponible, un contrôleur de vitesse alternatif est proposé pour calculer une accélération optimale et contrôler la vitesse du véhicule durant le rétablissement. Dans la dernière phase, le contrôleur interne régularise lecomportement du véhicule afin d’atteindre l’accélération calculée. Cette stratégie de contrôle est simulée dans MATLAB pour des impacts de différentes vitesses et comportements dans le but de démontrer la performance du contrôleur ainsi quepour déterminer la limite des rétablissement réussis