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Multi-IMU System for Robust Inertial Navigation: Kalman Filters and Differential Evolution-Based Fault Detection and Isolation

卡尔曼滤波器 惯性测量装置 惯性导航系统 故障检测与隔离 惯性基准装置 计算机科学 扩展卡尔曼滤波器 快速卡尔曼滤波 惯性参考系 控制理论(社会学) 人工智能 物理 量子力学 执行机构 控制(管理)
作者
Eslam Mounier,Malek Karaim,Michael J. Korenberg,Aboelmagd Noureldin
出处
期刊:IEEE Sensors Journal [IEEE Sensors Council]
卷期号:25 (6): 9998-10014 被引量:15
标识
DOI:10.1109/jsen.2025.3536806
摘要

The safety and reliability of various navigation applications are critically dependent on the integrity of sensor measurements. The inertial measurement unit (IMU) is a primary sensor in many navigation systems, yet is susceptible to diverse errors and faults, particularly with micro-electromechanical systems (MEMS). To address these challenges, we propose a Kalman filter (KF)-based framework incorporating multiple redundant IMUs offering robust fault detection and isolation (FDI) capabilities in the context of inertial navigation. The primary contributions of this work include effective multi-IMU calibration and integration, a comprehensive FDI enabled by a bank of auxiliary KFs, and an optimal dual-objective function combined with the differential evolution (DE) algorithm for fault detection parameters optimization. The effectiveness of the introduced method was validated using real-world data from homogeneous MEMS IMUs during urban road tests. Through data augmentation, fault simulation, and parameter optimization experiments, an exceptional fault detection performance was demonstrated, with an${F}1$score of 99.9%. Furthermore, our approach significantly enhanced inertial navigation accuracy, with position improvements of up to 78.4% in fault-free conditions compared to a single IMU and 64.5% in fault conditions compared to the standalone IMU fusion. These results confirm that the system can maintain an accurate and reliable navigation solution even in the presence of IMU sensor faults.
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