Diagnostika senzorov

Diagnostika senzorov v UAV: prečo je „zdravie dát“ kritické

Bezpečná navigácia dronov stojí na presnosti a konzistencii senzorov: IMU (akcelerometer, gyroskop), magnetometer, barometer, GNSS (GPS/Galileo/GLONASS), vizuálna odometria (kamera), LiDAR alebo radar. Aj menšia porucha – od driftu gyroskopu po saturáciu barometra – deformuje odhady stavu a môže spustiť reťazec chýb v riadení. Cieľom diagnostiky je poruchy detegovať, izolovať a re-konfigurovať fúziu tak, aby sa udržala integrita navigácie a riaditeľnosť stroja.

Typy porúch a symptómy naprieč senzormi

• IMU: bias drift, náhodný šum (RW), saturácia pri vibráciách, osovo závislé chyby, teplotná nestabilita. Symptómy: rastúca divergencia attitude, zvýšené inovácie v EKF, vysoké PSD na frekvenciách motorov.
• Magnetometer: tvrdé/mäkké železá, lokálne rušenie, saturované osi. Symptómy: náhly skok headingu, nekonzistencia so slnečným/gyro odhadom yaw.
• Barometer: drift s tlakovým frontom, teplotný offset, nárazový tlak pri rýchlej zmene výšky. Symptómy: pomalé plávanie výšky, anti-korelované s teplotou, skoky pri rotácii vrtúľ.
• GNSS: multipath, výpadky satelitov, vysoký DOP, skokové RTK fix→float, spoofing/jamming. Symptómy: skoky polohy, prudký nárast horizontálnej/nevertikálnej chybovosti, fluktuácia počtu satelitov.
• Vizualizácia (VO/VIO): málo textúry, oslnenie, rolling shutter, degradácia kalibrácie kamery-IMU. Symptómy: pokles počtu keypointov, vysoká reprojekčná chyba, nekonzistentné škálovanie.
• LiDAR/Radar: nízka hustota bodov (hmla/dažď), nasýtenie blízkymi odrazmi, kalibračné posuny. Symptómy: prudké riedenie pointcloud, nekonzistentná odometria, skoky v altitude nad terénom.
• Časová synchronizácia: drift TSC/PTS, jitter v časových značkách. Symptómy: systematický fázový posun inovácií, zdanlivé oneskorenie meraní v EKF.

Základy FDI: detekcia, izolácia a identifikácia

FDI (Fault Detection and Isolation) používa reziduá medzi nameranými a predikovanými hodnotami. V stavových filtroch (EKF/UKF/MHE) je prirodzeným zdrojom diagnózy inovácia (meracia odchýlka) a jej kovariancia.

• Štatistické testy: χ² test inovácií, Mahalanobisova vzdialenosť s prahmi prispôsobenými rýchlosti letu a manévrovaniu.
• Paritné rovnice: nezávislé lineárne kombinácie meraní, ktoré by mali byť nulové v ideále (detekcia odchýlok bez explicitného modelu).
• Banky pozorovateľov: viacero filtrov špecializovaných na hypotézy (napr. GNSS OK vs. GNSS degradovaný vs. GNSS off), hlasovanie podľa pravdepodobnosti.
• Spektrálne ukazovatele: PSD/FFT na detekciu vibrácií spôsobujúcich aliasing IMU; sledovanie pásiem okolo harmonických motorov.
• Integritné metriky: RAIM-like testy pre GNSS (redundantné satelity → izolácia satelitov s najvyšším reziduom).

Diagnostické metriky a prahy (praktické hodnoty)

• IMU Allanova variancia: online odhad bias/Random Walk. Ak bias drift > 0,5 °/s/h (gyro) alebo ARW > 0,2 °/√h, aktivujte zvýšenie R (merací šum) pre príslušnú os.
• Vibrácie: RMS akcelerácií > 0,5 g v pásme 80–200 Hz → hrozí saturácia; spustite notch filtrov a down-weight IMU.
• GNSS: HDOP > 2,5 alebo < 10 satelitov → prepnúť do „GNSS degraded“; pri RTK strata fixu > 3 s → plynulé odváženie k VO/VIO/INS.
• VO/VIO: priemer reprojekčnej chyby > 1,5 px alebo < 80 aktívnych trackov → znížiť váhu vizuálneho merania; ak < 30 trackov → vypnúť VO vstup.
• Barometer: drift > 0,5 m/min bez korelácie s teplotou → re-align s GNSS/laser altimetrom; pri nárazoch spúšťať median filter/klzavé okno.

Diagnostika v EKF/UKF: inovácie, gating a konzistencia

Každé meranie prechádza gatingom. Ak Mahalanobisova vzdialenosť prekročí prah (napr. 95. percentil), meranie sa do update kroku nezahrnie. Dlhodobejšie prekračovanie prahov vedie k trvalému down-weightingu (inflácia R) alebo vylúčeniu senzora. Konzistenciu filtra sledujte cez NIS (Normalized Innovation Squared) a NEES (Normalized Estimation Error Squared) v čase – systematické odchýlky znamenajú zlú kalibráciu alebo prahovanie.

Re-konfigurácia fúzie: stratégie a poradie krokov

1. Soft re-weighting: adaptívne upravujte meraciu kovarianciu R podľa kvality (napr. funkcia R = f(HDOP, #trackov, RMS vibrácií)).
2. Sensor exclusion: dočasne vyraďte senzor po N zlyhaných gatingoch; ponechajte watchdog na jeho opätovnú reintegráciu po stabilizácii.
3. Model switching (IMM/MMAE): paralelne bežte viac modelov (GNSS+INS, VIO+INS, INS-only) a miešajte pravdepodobnosti; riadenie čerpá stav z najpravdepodobnejšieho modelu.
4. Covariance management: pri strate kľúčového senzora (GNSS) spravte covariance reset vybraných stavov (napr. horizontálna poloha), inak hrozí numerická degenerácia.
5. Fallback módy: INS-only (krátkodobo), VIO-only (interiéry), altimetria z LiDARu. Pre každý mód definujte limity rýchlosti a vzdialenosti.

Špeciálne prípady: GPS-chudobné, magneticky rušné, vizuálne chudobné prostredia

• Urban canyon: HDOP prudko kolíše; aktivujte VO/VIO a obmedzte horizontálnu rýchlosť. GNSS nech je len „weak prior“.
• Magnetické rušenie: heading z magnetometra gate-ujte veľmi striktne; yaw odvodzujte z gyro + vizuálnych landmarkov.
• Low-texture scény: ak VO degraduje (málo funkcií), preferujte LiDAR odometriu; znížte výšku a rýchlosť kvôli bezpečnosti.

Kalibrácia a jej online dohľad

Kalibračné parametre (scale, misalignment, časové oneskorenia) musia mať strážne mechanizmy:

• Monitorujte drift odhadnutých extrinzík (kamera↔IMU, LiDAR↔IMU); ak prekonajú prah (napr. 0,5°/5 mm), vyžadujte rekalibráciu.
• Online časová kalibrácia: odhadujte Δt medzi senzorom a IMU cez koreláciu signálov; ak Δt > 5 ms, zaviesť kompenzáciu alebo vypnúť meranie.
• Teplotná kompenzácia: používajte teplotné modely biasov IMU; bez neho rastie NIS počas dynamiky.

Diagnostika synchronizácie: keď je čas nepriateľ

Asynchrónne timestampy spôsobujú, že aj dobré merania vyzerajú „zlé“. Sledujte latenčné histogramy a drift PTP/Chrony. V EKF zavádzajte delay state alebo použite out-of-sequence update s re-propagáciou. Ak jitter presiahne 10–15 ms v dynamike, spustite „low-dynamics“ bezpečnostný režim.

Fúzia s integritným poistením: RAIM a integrity budget

Koncept integrity budget rozdeľuje prípustnú chybovosť medzi zdroje (GNSS, VO, baro). RAIM-like testy vypočítajú parciálne reziduá pre subset meraní; meranie s najvyšším reziduom sa dočasne vylúči. Táto metodika funguje aj pre VO (subsets trackov) a LiDAR (subsets scan matching korelácií).

Algoritmické vzory pre implementáciu

1. Innovation-based Adaptive Estimation (IAE): priamo upravuje R podľa štatistiky inovácií; jednoduché a robustné.
2. IMM: viac modelov s rôznou dostupnosťou senzorov; vhodné pre prechody GNSS↔VO↔INS.
3. MHE (Moving Horizon Estimation): lepšie zvláda saturácie a obmedzenia; vyššia výpočtová záťaž, vhodné na edge GPU/CPU.
4. Robustné náklady: Huber/Tukey pri VO/LiDAR matching-u znižujú vplyv outlierov skôr, než sa dostanú do EKF.

Testovanie: SIL/HIL, injekcia chýb a overenie prahov

• SIL: simulujte v plnej dynamike vetra, výpadky GNSS, zníženú textúru; validujte NIS/NEES a reakciu prahov.
• HIL: reálne IMU a kamery cez senzorové rozhrania; overte latencie a synchronizáciu.
• Fault injection: skok biasu gyro, lineárny drift baro, whiteout kamery, multipath GNSS; zmerajte TTD (time-to-detect) a TTR (time-to-recover).

KPI diagnostiky a fúzie

• TTD/TTR: čas do detekcie/obnovy pri definovaných poruchách.
• Integrity Risk: pravdepodobnosť prekročenia chybového limitu bez detekcie.
• Availability: podiel letu s plnohodnotnou fúziou vs. fallback módmi.
• Consistency: priemer NIS v pásme očakávania (napr. 95 % kvantil).
• False Alarm Rate: počet falošných vylúčení senzora na hodinu letu.

Prevádzkové „playbooky“: rýchle rozhodovanie vo vzduchu

• GNSS degradácia: zníž horizontálnu rýchlosť < 5 m/s, prepnúť na VO/VIO prior, aktivovať výškový limit; ak sa HDOP nezlepší do 10 s, RTH podľa inertnej trajektórie a posledného spoľahlivého fixu.
• IMU vibrácie: zapnúť notch/low-pass, down-weight IMU, prepnúť do attitude-only s výškovým držaním podľa baro/laser.
• VO zlyhanie: zvýšiť osvetlenie (ak je možné), znížiť rýchlosť a výšku, aktivovať LiDAR odometriu; ak počet trackov < 20 > 5 s, vypnutie VO merania.

Bezpečnostné limity a degradované módy

Pre každý fallback mód definujte „flight envelope“: maximálna rýchlosť, náklon, stúpavosť, vzdialenosť od štartu. Napríklad INS-only: max 2 m/s, max 10° roll/pitch, dolet < 150 m; VO-only: max 5 m/s, výška 3–30 m nad textúrou.

Telemetria, logging a post-mortem

• Logujte inovácie, NIS/NEES, prahy gatingu, váhy meraní, latencie timestampov, HDOP, počet VO trackov, hustotu bodov LiDAR.
• Ukladajte „snapshot“ konfigu (R/Q, modely IMM) pri každej zmene; umožní reprodukovateľné analýzy.
• Vizualizujte časové priebehy s udalosťami (fault flags) a zásahmi re-konfigurácie.

Architektúra systému: bezpečnostné domény a redundancia

Oddelte flight-critical slučky (attitude/rádová stabilizácia) od mission-level fúzie. Kritické slučky by mali fungovať na minimal set IMU + altimetria; vyššie vrstvy môžu byť reštartované či re-konfigurované bez straty riaditeľnosti. Pre dôležité misie uvažujte dvojitú IMU (rôzni výrobcovia) a nezávislé GNSS moduly s diverzitnými anténami.

Checklist implementácie

• Definujte diagnostické metriky a prahy pre každý senzor (tabuľka kvality).
• Zaveďte IAE/IMM a politiku soft a hard vylúčenia meraní.
• Implementujte OOS (out-of-sequence) update a časovú kalibráciu Δt.
• Nastavte HIL/SIL scénare s injekciou chýb; merajte TTD/TTR.
• Vytvorte playbooky a „flight envelopes“ pre každý fallback mód.
• Logovanie a vizualizácia: inovácie, NIS/NEES, latencie, váhy.

Roadmapa 0–90–180–365 dní

0–90 dní: definujte metriky, prahy, základný gating v EKF, logging. Spustite SIL testy s typickými poruchami.

90–180 dní: pridajte IAE, RAIM-like pre GNSS, VO/LI DAR kvalitatívne metriky, prvé fallback módy.

180–365 dní: IMM/MMAE na prechod medzi modelmi, MHE pre robustné scenáre, redundancia IMU/GNSS, formálna integritná analýza.

Integrita pred presnosťou

Najlepšie systémy fúzie nie sú len najpresnejšie – sú predvídateľné a sebavedomé v tom, kedy svojim dátam dôverovať. Systematická diagnostika, rýchla izolácia porúch a disciplinovaná re-konfigurácia fúzie držia UAV v bezpečnej prevádzke aj v degradovaných podmienkach. Integrita je prvá; presnosť je odmena za dobrú disciplínu.