Fault diagnosis of over-actuated linear system with application to four-wheel steering and driving vehicle

Abstract

과 구동 시스템은 제어 하고자 하는 상태 변수의 수보다 구동기의 수가 더 많은 시스템을 말한다. 과 구동 시스템의 입력 행렬의 랭크 (rank) 보다 열의 수가 더 많기 때문에 입력 행렬에 영 공간 (null space)이 존재하게 되고, 구동기 중복 (actuator redundancy)를 제공한다. 그에 따라 과 구동 시스템은 기존의 시스템에 비해 강건성 (robustness)를 강화 할 수 있다. 하지만, 구동기의 수가 증가함에 따라 구동기의 결함 진단 가능성 또한 증가한다. 그리고 기존의 결함 진단 과정을 그대로 적용하기에는 과정이 어려워지고 복잡해지는 문제점이 있다. 따라서 본 연구에서는 과 구동 시스템의 특성을 이용하여 실시간 구동기 결함 진단 (fault diagnosis) 방법을 제안하였다. 과 구동 시스템의 결함 진단의 과정 중 결함의 위치를 정확하게 파악하기 위한 결함 분류 (fault isolation) 과정을 L1-norm 최소화 방법을 활용하여 제안하였다. 구동기의 수와 동시에 발생하는 결함의 수가 증가함에 따라 계산 과정이 복잡해지는 기존의 방법에 비해, 희소성 (sparsity)이 만족되는 과소결정 시스템 (underdetermined system)이면 항상 일정한 수의 적은 양의 계산 양만을 요구하는 장점이 있다. 다음으로 결함의 크기와 형태를 정확히 파악하기 위한 결함 분석 (fault identification) 과정에 있어서 피셔 정보 행렬 (Fisher information matrix)을 활용하여 결함에 대한 출력의 민감도가 최대가 되도록 하는 섭동 신호를 제안하여 정밀도를 향상시켰다. 구동기 중복의 특성을 활용하여 시스템의 거동에 최소한의 영향만을 주면서 섭동 신호를 각각의 구동기에 적용하는 구조를 제안하여 사용자의 안전성이 실시간으로 보장이 되어야 하는 시스템에 적용할 수 있는 장점이 있다. 1/5 크기의 축소 모형 자동차를 활용한 실험을 통해 제안한 결함 분류와 분석 방법의 성능이 우수함을 확인하였다.