Quadrotor collision dynamics and fuzzy logic characterization

As quadrotor unmanned aerial vehicles (UAVs) become more commonplace, the inherent safety risks that these vehicles pose must be addressed. Focus is placed on the risk of losing flight control after a quadrotor UAV collides with an obstacle, which is a danger for anyone in proximity of the vehicle. A collision dynamics model of a quadrotor UAV with bumpers (i.e., propeller protection) is developed for the purpose of developing a collision recovery strategy to return the quadrotor to a hovering configuration after colliding with a wall, using only on-board sensors. The model includes forces and moments from the standard quadrotor rigid-body dynamics formulation, combined with contact forces applied at contact points on the bumpers. The model is simulated under an array of different incoming impact velocities and attitudes for model verification and studying the quadrotor post-collision response. Validation is provided by comparing the simulated post-collision response to experimental results with the same pre-impact conditions, to show the model is a suitable tool for collision recovery development. An overall recovery strategy is presented: the Collision Recovery Pipeline (CRP), comprising of three phases. The first two phases, Collision Identification and Collision Characterization, are formulated. The first phase detects the collision and estimates the contact surface normal direction with accelerometer measurements. The second phase uses a fuzzy logic process (FLP) to identify the difficulty of recovery. Monte Carlo simulation and experimental data demonstrate that the two phases provide useful information to the final CRP phase. Simulations and experiments of the complete recovery solution demonstrate successful quadrotor recovery for initial collision velocities up to 3 m/s, and the effect of the first two phases on the recovery control performance.À mesure que les quadrirotors, petits véhicules aériens sans pilote (UAV), deviennent de plus en plus courants, les risques de sécurité inhérents à ces véhicules doivent être résolus. L'accent est mis sur le risque de perdre le contrôle du vol après qu'un quadrirotor soit entré en collision avec un obstacle, ce qui est un danger pour les personnes qui se retrouvent à proximité du véhicule. Un modèle de collision dynamique de quadrirotor avec des pare-chocs a été développé afin de développer une stratégie de récupération de collision. Avec des capteurs embarqués, cette stratégie permet de ramener le quadrirotor à une configuration de vol stationnaire après être entré en collision avec un mur. Le modèle tient compte des forces et des moments qui proviennent de la formulation dynamique du corps rigide standard d'un quadrirotor, combinés aux forces de contact appliquées aux points de contact sur les pare-chocs. Le modèle est simulé sous une multitude de vitesses et d'attitudes d'impacts différents. Cela permet la vérification du modèle ainsi que l'étude de la réponse de collision du quadrirotor. La validation est faite en comparant la réponse de collision simulée aux résultats expérimentaux avec les mêmes conditions de collision. On peut ainsi démontrer que le modèle est un outil approprié pour le développement d'une stratégie de récupération des collisions. Une stratégie globale de rétablissement est présentée: le pipeline de récupération de collision (CRP), qui compte trois phases. La première phase détecte la collision et estime la direction de la normale de la surface de contact grâce aux mesures de l'accéléromètre. La deuxième phase utilise un processus de logique floue (FLP) pour identifier la difficulté de la récupération. La simulation Monte Carlo et les données expérimentales démontrent que les deux phases fournissent des informations utiles à la dernière phase du CRP. Des simulations et des essais de la solution de récupération complète démontrent des récupérations réussies pour des collisions du quadrirotor avec des vitesses allant jusqu'à 3 m/s ainsi que l'effet des deux premières phases sur la performance du contrôle de récupération