Robust estimation-based fault detection and isolation framework for autonomous aerial and navigation systems
Otonom hava ve seyrüsefer sistemleri için dayanıklı kestirim tabanlı arıza tespiti ve izolasyonu çerçevesi
- Tez No: 1003696
- Danışmanlar: DOÇ. DR. İLKER ÜSTOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Mechatronics Engineering, Aeronautical Engineering, Computer Engineering and Computer Science and Control
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Otonom hava ve seyrüsefer sistemleri, son yıllarda insansız hava araçları (İHA), bütünleşik seyrüsefer sistemleri ve otonom taşıma platformları başta olmak üzere birçok mühendislik uygulamasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu sistemlerin karmaşık, belirsizlik içeren ve çoğu zaman emniyet-kritik ortamlarda çalışması, güvenilirlik ve arıza toleransı kavramlarını temel tasarım gereksinimleri hâline getirmiştir. Sensör ve aktüatör kaynaklı arızalar; donanımsal yaşlanma, çevresel etkiler, mekanik aşınma veya beklenmeyen çalışma koşulları nedeniyle ortaya çıkabilmekte ve zamanında tespit edilmedikleri takdirde sistem performansında ciddi bozulmalara, kararsızlığa veya görev başarısızlığına yol açabilmektedir. Bu nedenle, otonom sistemler için güvenilir arıza tespit ve izolasyon (Fault Detection and Isolation - FDI) yöntemlerinin geliştirilmesi güncel ve önemli bir araştırma konusu olmaya devam etmektedir. Model tabanlı kestirim yöntemleri, özellikle Kalman filtresi (KF) ve doğrusal olmayan uzantıları, hesaplama verimliliği ve nominal koşullardaki optimal özellikleri nedeniyle otonom sistemlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Geleneksel KF tabanlı FDI yaklaşımları çoğunlukla inovasyon veya rezidü sinyallerine dayanmaktadır. Bu yöntemler ani ve yüksek genlikli basamak (step) tipi arızaların tespitinde genellikle başarılı olmakla birlikte, yavaş gelişen rampa (ramp) tipi arızalar söz konusu olduğunda önemli sınırlamalara sahiptir. Bu durumun temel nedenlerinden biri, Kalman filtresinin özyinelemeli yapısından kaynaklanan ve literatürde hata izleme etkisi (error tracking effect) olarak adlandırılan olgudur. Hata izleme etkisi altında, KF arızalı ölçümlere zamanla uyum sağlamakta ve bu ölçümleri durum kestirimine dâhil etmektedir. Bu durum inovasyon sinyalinin küçülmesine yol açmakta ve arızaya ait imzaların ayırt edilmesini zorlaştırmaktadır. Sonuç olarak, özellikle yavaş gelişen rampa arızalar için arıza tespit duyarlılığı azalmakta, arızalar geç tespit edilmekte veya tamamen gözden kaçabilmektedir. Bu sınırlamalar, arıza tespit duyarlılığını artırırken güvenilir kestirim performansını koruyabilen alternatif kestirim yaklaşımlarına olan ihtiyacı ortaya koymaktadır. Bu tezin temel amacı, otonom hava ve seyrüsefer sistemlerinde arıza tespit performansını iyileştirmeyi hedefleyen, dayanıklı (robust) kestirim temelli birleşik bir FDI çerçevesi geliştirmektir. Önerilen yaklaşım, hata izleme etkisinin olumsuz etkilerini azaltmak ve özellikle yavaş gelişen rampa tipi arızalara karşı duyarlılığı artırmak amacıyla dayanıklı kestirim ilkelerini Kalman filtreleme yapılarıyla bütünleştirmektedir. Tez kapsamında, hata izleme etkisinin Kalman filtreleme süreci içerisindeki rolü ve arıza tespit performansı üzerindeki etkisi ele alınmıştır. Bu etki literatürde daha önce tartışılmış olmakla birlikte, bu çalışmada KF tabanlı FDI bağlamında yeniden değerlendirilmiş ve özellikle yavaş gelişen arızalar üzerindeki pratik sonuçları vurgulanmıştır. Arıza kaynaklı kestirim hatalarının özyinelemeli filtreleme adımları boyunca nasıl yayıldığı açıklanarak, geleneksel KF tabanlı FDI yaklaşımlarının bazı yapısal sınırlamaları ortaya konulmuştur. Bu analiz, dayanıklı kestirim ilkelerinin FDI sürecine dâhil edilmesini motive eden teorik altyapıyı oluşturmaktadır. Önerilen dayanıklı FDI çerçevesi, sistemden bağımsız ve genellenebilir bir yapı hedeflenerek tasarlanmıştır. Bu sayede yaklaşımın hem doğrusal hem de doğrusal olmayan sistemlere uygulanabilmesi amaçlanmıştır. Çerçevenin etkinliği, iki farklı uygulama senaryosu üzerinden değerlendirilmiştir. İlk uygulama, doğrusal bir Küresel Konumlama Uydu Sistemi/Ataletsel Seyrüsefer Sistemi (Global Navigation Satellite System/Inertial Navigation System - GNSS/INS) bütünleşik seyrüsefer sistemine odaklanmaktadır. Bu senaryoda, önerilen yaklaşım doğrusal Kalman filtresi yapısı içerisinde uygulanmış ve farklı sensör arıza senaryoları altında test edilmiştir. Benzetim sonuçları, özellikle yavaş gelişen rampa tipi sensör arızalarının tespitinde, önerilen yaklaşımın geleneksel inovasyon tabanlı FDI yöntemlerine kıyasla daha yüksek duyarlılık sağladığını göstermektedir. Dayanıklı ağırlıklandırma mekanizması sayesinde hata izleme etkisi azaltılmış ve arıza imzalarının inovasyon sinyali üzerinde daha belirgin hâle gelmesi sağlanmıştır. İkinci uygulama senaryosu, doğrusal olmayan bir dört rotorlu (quadrotor) İHA sistemine yöneliktir. Bu durumda, doğrusal olmayan sistem dinamiklerini ele alabilmek amacıyla genişletilmiş Kalman filtresi (Extended Kalman Filter - EKF) tabanlı bir yapı kullanılmış ve tez kapsamında tanımlanan dayanıklı artırılmış durumlu EKF (Robust Augmented State EKF - RASEKF) yaklaşımı uygulanmıştır. Aktüatör arızaları, artırılmış durum vektörü aracılığıyla dinamik olarak modellenmiş ve durum kestirimi ile birlikte ele alınmıştır. Böylece sensör ve aktüatör arızalarının aynı kestirim mimarisi içerisinde tespit ve izolasyonu mümkün hâle gelmiştir. Benzetim çalışmaları, RASEKF tabanlı yaklaşımın özellikle yavaş gelişen rampa tipi sensör arızalarının tespitinde duyarlılığı artırdığını ve arıza varlığında kestirim performansının daha başarılı olduğunu göstermektedir. Bu sonuçlar, önerilen dayanıklı FDI çerçevesinin doğrusal olmayan ve karmaşık sistemlerde de uygulanabilir olduğunu ortaya koymaktadır. Her iki uygulama senaryosunda da önerilen çerçeve kapsamlı benzetim çalışmalarıyla değerlendirilmiş ve arıza tespit performansı ile dayanıklılık özellikleri incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar, dayanıklı kestirim ilkelerinin KF tabanlı FDI yapılarıyla bütünleştirilmesinin, hata izleme etkisinin olumsuz sonuçlarını azaltmada ve arıza tespit edilebilirliğini artırmada etkili bir yaklaşım olduğunu göstermektedir. Ayrıca önerilen yöntemin hesaplama yükü, klasik Kalman filtreleme işlemlerine kıyasla sınırlı düzeyde artmakta ve gerçek zamanlı uygulamalar için uygun bir yapı sunmaktadır. Modüler tasarımı sayesinde, geliştirilen çerçeve mevcut kestirim ve kontrol mimarilerine asgari değişikliklerle entegre edilebilmektedir. Bu tezde önerilen dayanıklı kestirim temelli FDI yaklaşımının önemli bir yönü, arıza tespit sürecini doğrudan rezidü eşikleme probleminin ötesine taşımasıdır. Geleneksel KF tabanlı yöntemlerde arıza tespiti çoğunlukla inovasyon sinyalinin büyüklüğüne bağlı olarak gerçekleştirilirken, önerilen yaklaşımda ölçümlerin kestirim sürecine katkısı dinamik olarak düzenlenmektedir. Dayanıklı ağırlıklandırma mekanizması sayesinde, ölçüm tutarsızlıkları filtreleme süreci içerisinde bastırılmakta ve arızaya bağlı kestirim hatalarının zamanla normal davranış gibi algılanmasının önüne geçilmektedir. Bu bakış açısı, arıza tespit problemini yalnızca bir karar verme mekanizması olarak değil, kestirim sürecinin ayrılmaz bir parçası olarak ele almakta ve hata izleme etkisinin temel nedenlerine doğrudan müdahale edilmesini mümkün kılmaktadır. Uygulama sonuçları değerlendirildiğinde, önerilen yaklaşımın özellikle gerçekçi arıza senaryoları altında sunduğu avantajlar dikkat çekmektedir. Yavaş gelişen rampa tipi sensör arızaları, pratik sistemlerde sıklıkla karşılaşılan ancak tespiti zor olan arıza türleri arasında yer almaktadır. Benzetim sonuçları, önerilen dayanıklı FDI çerçevesinin bu tür arızalar için daha erken ve daha güvenilir tespit imkânı sunduğunu göstermektedir. Özellikle quadrotor İHA uygulamasında gerçekleştirilen karekök ortalama kare hata (Root Mean Square Error - RMSE) tabanlı analizler, arıza varlığında kestirim doğruluğunun korunabildiğini ve sistemin genel kestirim performansının daha tutarlı bir şekilde sürdürülebildiğini nicel olarak ortaya koymaktadır. Bu durum, önerilen yaklaşımın yalnızca teorik bir katkı sunmakla kalmayıp, gerçek otonom sistemlerin güvenilirliğini artırmaya yönelik pratik bir çözüm potansiyeline sahip olduğunu göstermektedir. Bununla birlikte, bu çalışma kapsamında geliştirilen yaklaşımın bazı sınırlamaları bulunmaktadır. Mevcut formülasyon, sensör arızaları açısından ağırlıklı olarak basamak (step) ve yavaş gelişen rampa tipi arızalara odaklanmakta ve sensör arıza kaynaklarının durağan olduğu varsayımını içermektedir. Aralıklı sensör arızaları, doğrusal olmayan sensör arıza dinamikleri veya zamanla değişen sensör arıza kaynakları bu tez kapsamında ele alınmamıştır. Ayrıca, RASEKF yapısında sensör ve aktüatör arızalarının aynı anda meydana gelmediği varsayılmıştır. Bu varsayım pratikte çoğu durumda geçerli olmakla birlikte, daha genel senaryolar için gelecekteki çalışmalarda ele alınabilecek bir genişleme alanı sunmaktadır. Bunun yanı sıra, kayan pencere uzunluğu ve ağırlıklandırma eşikleri gibi bazı tasarım parametrelerinin sistem ve gürültü özelliklerine bağlı olması, adaptif veya sistematik parametre ayarlama yöntemlerinin geliştirilmesini potansiyel bir araştırma konusu hâline getirmektedir. Bu tezde sunulan sonuçlar benzetim tabanlı değerlendirmelere dayanmaktadır. Gerçek donanım üzerinde gerçekleştirilecek deneysel çalışmalar, yöntemin model hataları, haberleşme gecikmeleri ve çevresel belirsizlikler altındaki performansını incelemek açısından önemli bir sonraki adım olarak görülmektedir. Özellikle donanım-döngüde (hardware-in-the-loop, HIL) testler ve gerçek uçuş deneyleri, önerilen FDI çerçevesinin pratik uygulanabilirliğine ilişkin daha kapsamlı değerlendirmeler sağlayacaktır. Ayrıca geliştirilen FDI yaklaşımının arıza toleranslı kontrol stratejileriyle bütünleştirilmesi, sistemlerin arıza tespitinden sonra güvenli şekilde çalışmaya devam edebilmesini mümkün kılabilecek önemli bir genişleme alanıdır. Sonuç olarak, bu tez otonom hava ve seyrüsefer sistemleri için dayanıklı kestirim temelli, birleşik ve pratik bir arıza tespit ve izolasyon çerçevesi sunmaktadır. Dayanıklı kestirim ilkelerinin model tabanlı Kalman filtreleme yapılarıyla bütünleştirilmesi sayesinde arıza tespit duyarlılığı artırılmış, hata izleme etkisinin olumsuz sonuçları azaltılmış ve arıza varlığında güvenilir kestirim performansı sağlanmıştır. Doğrusal ve doğrusal olmayan sistemler üzerinde elde edilen sonuçlar, önerilen yaklaşımın otonom sistemlerin güvenilirliğinin ve arıza toleransının artırılmasına katkı sağlayabilecek bir potansiyele sahip olduğunu göstermekte ve dayanıklı kestirim temelli FDI alanında yapılacak gelecekteki çalışmalar için sağlam bir temel oluşturmaktadır.
Özet (Çeviri)
Autonomous aerial and navigation systems have become an integral part of modern engineering applications, including unmanned aerial vehicles (UAVs), integrated navigation platforms, and autonomous transportation systems. As these systems increasingly operate in complex and safety-critical environments, their reliability and fault tolerance have emerged as key requirements. Sensor and actuator faults, whether caused by hardware degradation, environmental disturbances, or operational wear, can significantly degrade system performance and may lead to instability or mission failure if not detected and isolated in a timely manner. Consequently, the development of reliable fault detection and isolation (FDI) methods remains a critical research topic for autonomous systems. Kalman filter (KF)-based estimation techniques and their nonlinear extensions are widely used in autonomous systems due to their computational efficiency and optimality properties under nominal conditions. However, traditional innovation-based FDI approaches relying on standard Kalman filtering structures exhibit inherent limitations when faults are present. In particular, slowly-growing sensor faults may be masked by the recursive nature of the filter through a phenomenon known as the error tracking effect, where biased measurements are gradually absorbed into the state estimates. This behavior reduces the sensitivity of traditional FDI methods and may result in delayed or missed fault detection. These limitations motivate the need for alternative estimation strategies that enhance fault detectability while maintaining reliable estimation performance under faulty conditions. This thesis aims to develop a unified robust estimation-based FDI framework that improves fault detection performance in autonomous aerial and navigation systems. The proposed framework integrates robust estimation principles into Kalman filtering structures to mitigate the error tracking effect and enhance sensitivity to faulty measurements, particularly for slowly-growing ramp faults. One of the methodological aspects addressed in this thesis is the examination of the error tracking effect in Kalman filtering and its influence on fault detection performance. While the error tracking effect has been discussed in the literature, this thesis revisits the phenomenon in the context of KF-based FDI and highlights its practical implications, particularly for the detection of slowly-growing faults. By describing how fault induced estimation errors propagate through the recursive filtering process, the thesis provides additional insight into the limitations of conventional FDI approaches and motivates the use of robust estimation principles within the proposed framework. The proposed robust FDI framework is designed in a general and system-independent manner, allowing it to be applied to both linear and nonlinear systems. To demonstrate its effectiveness and generality, two representative application cases are considered. The first application focuses on a linear Global Navigation Satellite System/Inertial Navigation System (GNSS/INS) integrated navigation system. In this case, the framework is implemented within a linear Kalman filter structure. Simulation studies are conducted under various sensor fault scenarios, including step and slowly-growing ramp faults. The results show that the proposed approach improves fault detection sensitivity compared to traditional innovation-based methods, particularly in scenarios where ramp faults are difficult to detect due to error tracking. The second application extends the framework to a nonlinear quadrotor unmanned aerial vehicle system. In this case, an extended Kalman filter (EKF)-based structure is employed, and the proposed robust FDI framework is implemented using the robust augmented state EKF (RASEKF) formulation. Actuator faults are dynamically modeled and incorporated into the estimation process through an augmented state representation, enabling simultaneous sensor and actuator FDI within a unified estimation architecture. Simulation results demonstrate that the RASEKF-based framework provides improved capability to detect gradually developing ramp sensor faults and and maintains robust estimation performance in the presence of faults when compared to traditional EKF-based and representative robust filtering approaches. Throughout both application cases, the proposed framework is evaluated through extensive simulation studies to assess its fault detection performance and robustness under faulty conditions. The results confirm that integrating robust estimation principles into KF-based FDI structures effectively mitigates the adverse effects of error tracking and enhances fault detectability without introducing excessive computational complexity. The framework remains suitable for real-time implementation and can be integrated into existing autonomous system architectures with minimal modification. While the proposed framework demonstrates effective performance under the considered scenarios, certain limitations are acknowledged. The current formulation primarily focuses on step and slowly-growing ramp fault profiles and assumes stationary fault sources. More complex fault behaviors, such as intermittent faults or nonlinear fault dynamics, are not explicitly addressed. In addition, the framework assumes that sensor and actuator faults do not occur simultaneously, which reflects a realistic but simplifying assumption for many practical systems. Extending the approach to handle simultaneous sensor and actuator failures represents a potential direction for future research. Furthermore, the selection of certain design parameters, such as sliding window length and weighting thresholds, remains dependent on system characteristics and noise properties, suggesting that adaptive or systematic parameter tuning strategies could further enhance the generality of the framework. In conclusion, this thesis presents a robust, unified, and practically applicable fault detection and isolation framework for autonomous aerial and navigation systems. By combining robust estimation principles with model-based Kalman filtering structures, the proposed approach improves fault detection sensitivity, mitigates the error tracking effect, and maintains reliable estimation performance in the presence of faults. The results obtained from both linear and nonlinear system applications demonstrate the potential of the proposed framework to enhance the reliability and fault tolerance of modern autonomous systems and provide a solid basis for future studies on robust estimation-based FDI in autonomous platforms.
Benzer Tezler
- Quadrotor actuator fault detection and isolation. a model-based approach
Döner kanat aktüatör arıza tespiti ve izolasyonu. model tabanlı bir yaklaşım
MUHAMMED ARSLAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖKHAN İNALHAN
- Kalman filtresi temelli sensör arıza tespit, teşhis ve ayrıştırma algoritmalarının helikopter dinamik modeline uygulanması
Application of helicopter dynamic modeling of Kalman filter based sensor fault detection, isolation and accommodation algorithms
ÖZLEM DÖKME
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENGİZ HACIZADE
- Fault detection and isolation, reconfiguration and fault tolerant control of multi agent systems
Çoklu ajan sistemlerde hata tespiti, ayıklama, yeniden yapılandırma ve hataya dayanıklı kontrol
ÖMER GÜRSOY
Doktora
İngilizce
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolYıldız Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞEREF NACİ ENGİN
- Nivelman ağında kaba hatalı ölçülerin denk uzay yaklaşımı ile belirlenmesi
Fault detection and isolation using parity space approach in leveling networks
UTKAN MUSTAFA DURDAĞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Jeodezi ve FotogrametriYıldız Teknik ÜniversitesiHarita Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞERİF HEKİMOĞLU
- Development of a fault tolerant flight control system for a UAV
İnsansız bir hava aracı için hata toleranslı uçuş kontrol sistemi geliştirilmesi
SITKI YENAL VURAL
Doktora
İngilizce
2022
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENGİZ HACIZADE