Avanzando en la altimetría de mmWave para sistemas aéreos no tripulados: un marco de procesamiento de señales para el diseño optimizado de formas de onda
Autores: Awan, Maaz Ali; Dalveren, Yaser; Kara, Ali; Derawi, Mohammad
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2024
Acceso abierto
Artículo científico
2024
Avanzando en la altimetría de mmWave para sistemas aéreos no tripulados: un marco de procesamiento de señales para el diseño optimizado de formas de onda
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Robótica
Palabras clave
Investigación
Ondas milimétricas
Altimetría
Sistemas aéreos no tripulados
Radares automotrices
Forma de onda continua modulada en frecuencia
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
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Esta investigación avanza en la altimetría de ondas milimétricas (mmWave) para sistemas aéreos no tripulados (UAS) al optimizar métricas de rendimiento dentro de las limitaciones de radares automotrices económicos. Aprovechando la arquitectura definida por software, este estudio abarca las complejidades del diseño de onda continua modulada en frecuencia (FMCW) para tres etapas distintas del vuelo de UAS: crucero, aproximación para aterrizaje y aterrizaje dentro de un marco de procesamiento de señales. La estimación del ángulo de llegada (AoA), empleada tradicionalmente en aplicaciones de mapeo del terreno, está en gran medida inexplorada para los altímetros de radar (RA) de UAS. La multiplexión por división de tiempo de múltiples entradas y múltiples salidas (TDM-MIMO) es un método eficiente para mejorar la resolución angular sin comprometer las características de tamaño, peso y potencia (SWaP). En consecuencia, este trabajo argumenta el potencial de la estimación de AoA utilizando TDM-MIMO para aumentar la conciencia situacional en escenarios de aterrizaje desafiantes. Con este fin, se incluyen dos casos extremos que comprenden el aterrizaje de un dron de tamaño pequeño en una plataforma en medio de un cuerpo de agua. Asimismo, para la etapa de aterrizaje, se investiga una versión improvisada de la transformada rápida de Fourier de zoom (ZFFT) para lograr una precisión de rango a nivel milimétrico (mm). Apropiadamente, se propone que un RA preciso a nivel milimétrico puede ser explotado como una redundancia de software para el crítico sistema de peso sobre ruedas (WoW) en UAS comerciales de ala fija. Cada etapa se simula como un escenario de radar utilizando las especificaciones de un radar automotriz que opera en la banda de 77-81 GHz para optimizar el diseño de la forma de onda, preparando el terreno para la verificación en campo. Este artículo aborda los desafíos que surgen de la velocidad radial debido a las tasas de descenso de UAS y la variación del terreno a través de enfoques teóricos y matemáticos para la caracterización y compensación obligatoria. Si bien se han reportado algoritmos de tasa de falsas alarmas constante (CFAR) para la detección de suelo, una comparación de sus variantes dentro del ámbito de la altimetría de UAS es limitada. Este estudio evalúa variantes CFAR populares para lograr un rendimiento optimizado en la detección de suelo. Los autores abogan por estándares mínimos de rendimiento operativo (MOPS) dedicados para los RA de UAS. Por último, este cuerpo de trabajo identifica desafíos potenciales, propone soluciones y esboza direcciones futuras de investigación.
Descripción
Esta investigación avanza en la altimetría de ondas milimétricas (mmWave) para sistemas aéreos no tripulados (UAS) al optimizar métricas de rendimiento dentro de las limitaciones de radares automotrices económicos. Aprovechando la arquitectura definida por software, este estudio abarca las complejidades del diseño de onda continua modulada en frecuencia (FMCW) para tres etapas distintas del vuelo de UAS: crucero, aproximación para aterrizaje y aterrizaje dentro de un marco de procesamiento de señales. La estimación del ángulo de llegada (AoA), empleada tradicionalmente en aplicaciones de mapeo del terreno, está en gran medida inexplorada para los altímetros de radar (RA) de UAS. La multiplexión por división de tiempo de múltiples entradas y múltiples salidas (TDM-MIMO) es un método eficiente para mejorar la resolución angular sin comprometer las características de tamaño, peso y potencia (SWaP). En consecuencia, este trabajo argumenta el potencial de la estimación de AoA utilizando TDM-MIMO para aumentar la conciencia situacional en escenarios de aterrizaje desafiantes. Con este fin, se incluyen dos casos extremos que comprenden el aterrizaje de un dron de tamaño pequeño en una plataforma en medio de un cuerpo de agua. Asimismo, para la etapa de aterrizaje, se investiga una versión improvisada de la transformada rápida de Fourier de zoom (ZFFT) para lograr una precisión de rango a nivel milimétrico (mm). Apropiadamente, se propone que un RA preciso a nivel milimétrico puede ser explotado como una redundancia de software para el crítico sistema de peso sobre ruedas (WoW) en UAS comerciales de ala fija. Cada etapa se simula como un escenario de radar utilizando las especificaciones de un radar automotriz que opera en la banda de 77-81 GHz para optimizar el diseño de la forma de onda, preparando el terreno para la verificación en campo. Este artículo aborda los desafíos que surgen de la velocidad radial debido a las tasas de descenso de UAS y la variación del terreno a través de enfoques teóricos y matemáticos para la caracterización y compensación obligatoria. Si bien se han reportado algoritmos de tasa de falsas alarmas constante (CFAR) para la detección de suelo, una comparación de sus variantes dentro del ámbito de la altimetría de UAS es limitada. Este estudio evalúa variantes CFAR populares para lograr un rendimiento optimizado en la detección de suelo. Los autores abogan por estándares mínimos de rendimiento operativo (MOPS) dedicados para los RA de UAS. Por último, este cuerpo de trabajo identifica desafíos potenciales, propone soluciones y esboza direcciones futuras de investigación.