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Quadratic-Kalman-Filter-Based Sensor Fault Detection Approach for Unmanned Aerial Vehicles

卡尔曼滤波器 故障检测与隔离 控制理论(社会学) 惯性测量装置 噪音(视频) 计算机科学 扩展卡尔曼滤波器 断层(地质) 噪声测量 软传感器 降噪 工程类 人工智能 控制(管理) 执行机构 地震学 地质学 过程(计算) 图像(数学) 操作系统
作者
Xiaojia Han,Yiren Hu,Anhuan Xie,Xufei Yan,Xiaobo Wang,Chao Pei,Dan Zhang
出处
期刊:IEEE Sensors Journal [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:22 (19): 18669-18683 被引量:19
标识
DOI:10.1109/jsen.2022.3197234
摘要

Sensors are crucial for the control of unmanned aerial vehicles (UAVs). However, sensor faults will inevitably appear over time. Therefore, it is important to develop a sensor fault detection approach for the reliability of UAV. This article presents a novel model-based UAV fault detection approach based on quadratic Kalman filter (QKF). First, an accurate kinematic and dynamic model of UAVs is established, where the model is linearized and discretized for Kalman filter (KF). Second, the first KF is used for denoising, the secondKF is used to detrend, and residuals are calculated for detection. It is worth mentioning that the second KF is a modified Sage–Husa adaptive KF, which can automatically estimate the measurement noise variance. Compared with traditional approaches, this approach has the advantages of noise reduction, self-adaptation, divergence avoidance, and high detection rate. Simulation and experimental results show the effectiveness of the proposed approach, which can accurately detect the abrupt and incipient fault of an inertial measurement unit (IMU) sensor. At the same time, it can get the higher fault detection rates (FDRs) compared with conventional KF. Furthermore, this approach also provides the leading information and foundation for UAV fault-tolerant control.
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