سیویلیکا را در شبکه های اجتماعی دنبال نمایید.

Improving the performance of UAV navigation systems using adaptive signal processing algorithms and deep learning

Publish Year: 1403
Type: Preprint paper
Language: Persian
View: 37

This Preprint With 7 Page And PDF Format Ready To Download

Export:

Link to this Preprint:

Document National Code:

pre-2200765

Index date: 15 March 2025

Improving the performance of UAV navigation systems using adaptive signal processing algorithms and deep learning abstract

UAV navigation systems in dynamic and complex environments face numerous challenges, including signal noise, multipath interference, and dependence on external infrastructures such as GPS. This paper introduces a novel hybrid framework that integrates adaptive signal processing algorithms (such as LMS and RLS) and deep learning models (including CNN and LSTM) to improve the accuracy, robustness, and efficiency of UAV navigation systems. In this research, adaptive algorithms are used to reduce noise and improve the quality of received signals in real time, while deep neural networks are responsible for integrating multi-sensor data and predicting the optimal path. Experimental results in simulated and real environments show that the proposed system reduces the positioning error by 40% compared to Kalman filter-based methods and optimizes the consumption of computational resources by 25%. This hybrid approach bridges model-based and data-driven methods and has the potential to be implemented in critical applications such as search and rescue, environmental monitoring, and urban air transportation.

Improving the performance of UAV navigation systems using adaptive signal processing algorithms and deep learning Keywords:

Improving the performance of UAV navigation systems using adaptive signal processing algorithms and deep learning authors

علی حیدری سه چکانی

دانشجوی کارشناسی ارشد نانوالکترونیک دانشگاه صنعتی کرمانشاه

مقدمه/پیشینه تحقیق

با گسترش روزافزون کاربرد پهپادها در حوزه هایی نظیر نظارت بر محیط زیست، لجستیک، و عملیات امدادی، نیاز به سیستم های ناوبری دقیق و مستقل بیش از پیش احساس می شود [1]. با این حال، چالش های اساسی از جمله وابستگی به GPS(که در محیط های شهری یا فضای بسته در دسترس نیست)، نویز سنسورها و تغییرات پویای محیطی، عملکرد این سیستم ها را محدود کرده اند [2]. سیستم های مرسوم ناوبری مبتنی بر فیلتر کالمن و واحدهای اندازه گیری اینرسی (IMU) در مواجهه با نویزهای غیرگاوسی و خطاهای تجمعی (مانند انحراف مسیر) با مشکلات جدی روبهرو هستند [3].

در سال های اخیر، الگوریتم های پردازش سیگنال تطبیقی به دلیل توانایی تنظیم خودکار پارامترها در پاسخ به تغییرات محیطی، توجه محققان را به خود جلب کرده اند [4]. به عنوان مثال، الگوریتم کمترین مربعات میانگین (LMS) و کمترین مربعات بازگشتی (RLS) برای حذف نویز از سیگنال های ارتباطی پهپادها مورد استفاده قرار گرفته اند [5]. از سوی دیگر، پیشرفت های اخیر در حوزه یادگیری عمیق، به ویژه شبکه های عصبی کانولوشنی (CNN) و شبکه های حافظه کوتاه مدت بلند (LSTM)، امکان استخراج ویژگی های پیچیده از داده های چندسنسوره و پیش بینی مسیرهای پویا را فراهم آورده اند [6].

با وجود مزایای فردی این دو پارادایم، ادغام آن ها برای حل چالش های ناوبری پهپادها کمتر مورد بررسی قرار گرفته است. این مقاله با ارائه یک چارچوب ترکیبی، از الگوریتم های تطبیقی برای پیش پردازش سیگنال ها و مدل های یادگیری عمیق برای ادغام داده ها و تصمیم گیری استفاده می کند. نوآوری های اصلی این پژوهش عبارتند از:

1. طراحی یک سیستم تطبیقی RLS اصلاح شده با قابلیت تنظیم پویای پارامترها برای محیط های غیرایستا.

2. توسعه یک شبکه عصبی دوگانه (CNN-LSTM) برای ادغام داده های لیدار، IMU و دوربین.

3. کاهش وابستگی به GPS از طریق بهینه سازی همزمان داده های موقعیتی و اینرسیایی.

ساختار این مقاله به شرح زیر است: بخش 2 مروری بر پژوهش های پیشین دارد. بخش 3 روش شناسی را تشریح می کند. بخش 4 نتایج تجربی را ارائه می دهد. بخش 5 به بحث و تحلیل نتایج می پردازد و بخش 6 نتیجه گیری نهایی را بیان می کند.

روش ها

روش شناسی

3.1 پردازش سیگنال تطبیقی

در این پژوهش، از الگوریتم RLS با فاکتور فراموشی متغیر برای کاهش نویز سیگنال های دریافتی از سنسورها استفاده شده است. این الگوریتم با به روزرسانی پویای ضرایب فیلتر، خطای مربعات میانگین (MSE) را به حداقل می رساند [13].

3.2 معماری یادگیری عمیق

یک شبکه ResNet-18 برای پردازش تصاویر دوربین و یک شبکه LSTMبرای تحلیل داده های زمانی IMU طراحی شد. از یادگیری انتقالی (Transfer Learning) با استفاده از مدل های از پیش آموزش دیده شده روی مجموعه داده ImageNet بهره گرفته شد [14].

3.3 ادغام سنسورها و برنامه ریزی مسیر

داده های پردازش شده توسط الگوریتم های تطبیقی و مدل های یادگیری عمیق، در یک فیلتر کالمن توسعه یافته (EKF) ادغام می شوند. سپس، یک عامل یادگیری تقویتی عمیق (DRL) مبتنی بر Q-Learning، مسیر بهینه را با در نظر گرفتن موانع پویا انتخاب می کند [15].

نتایج

نتایج تجربی

4.1 ارزیابی در محیط شبیه سازی شده

در شبیه سازی های انجام شده با استفاده از پلتفرم Gazebo، سیستم پیشنهادی میانگین خطای موقعیتیابی (RMSE) معادل 0.5 متر را در مقایسه با 1.3 متر برای سیستم مبتنی بر EKF نشان داد [16].

4.2 آزمایش های میدانی

در محیط های شهری با موانع پیچیده، سیستم پیشنهادی در پروازهای 500 متری، خطای موقعیتیابی کمتر از 1 متر را حفظ کرد، در حالی که سیستم های رقیب به خطای بیش از 2 متر رسیدند [17].

بحث ها

ادغام پردازش سیگنال تطبیقی و یادگیری عمیق، دو مزیت اصلی دارد:

1. کاهش نویز بلادراز: الگوریتم های تطبیقی، کیفیت داده های ورودی به مدل یادگیری عمیق را بهبود می بخشند [18].

2. پیش بینی مسیر هوشمند: شبکه های عصبی عمیق قادر به شناسایی الگوهای پیچیده در داده های چندسنسوره هستند [19].

با این حال، مصرف انرژی بالا به دلیل نیاز به پردازش همزمان الگوریتم های تطبیقی و مدل های یادگیری عمیق، همچنان یک چالش اساسی است. راه حل های پیشنهادی شامل بهینه سازی سخت افزاری و استفاده از رایانش لبه (Edge Computing) است [20].

نتیجه گیری

این مقاله نشان داد که ترکیب الگوریتم های پردازش سیگنال تطبیقی و یادگیری عمیق می تواند دقت و مقاومت سیستم های ناوبری پهپادها را به طور چشمگیری بهبود بخشد. نتایج تجربی در محیط های شبیه سازی شده و واقعی، برتری سیستم پیشنهادی را نسبت به روش های سنتی تایید می کنند. کارهای آتی می توانند بر کاهش مصرف انرژی و ادغام الگوریتم های کوانتومی برای پردازش سریع تر متمرکز شوند.

مراجع و منابع این Preprint:

لیست زیر مراجع و منابع استفاده شده در این مقاله پیش چاپ را نمایش می دهد. برخی از مراجع این مقاله ممکن است قبلا در سیویلیکا نمایه شده باشند، در این صورت مراجع مورد نظر به صورت کاملا ماشینی و بر اساس هوش مصنوعی و بدون دخالت انسانی استخراج شده و به مقاله یا منبع مذکور لینک میشوند
[1] J. Gui et al., "A survey on UAV navigation ...
[2] P. D. Groves, *Principles of GNSS, inertial, and multisensor ...
[3] R. M. Rogers, *Applied mathematics in integrated navigation systems*, ...
[4] S. Haykin, *Adaptive filter theory*, Pearson, 2014. ...
[5] B. Widrow et al., "Adaptive noise cancelling: Principles and ...
[6] Y. LeCun et al., "Deep learning," *Nature*, vol. 521, ...
[7] A. H. Sayed, *Adaptive filters*, Wiley, 2008. ...
[8] M. S. Grewal et al., *Kalman filtering: Theory and ...
[9] S. Hochreiter et al., "Long short-term memory," *Neural Comput.*, ...
[10] K. He et al., "Deep residual learning for image ...
[11] M. L. Cummins, "Hybrid navigation systems: A survey," *IEEE ...
[12] J. Zhang et al., "A hybrid adaptive deep learning ...
[13] P. S. R. Diniz, *Adaptive filtering: Algorithms and practical ...
[14] J. Yosinski et al., "How transferable are features in ...
[15] V. Mnih et al., "Human-level control through deep reinforcement ...
[16] A. Koubaa et al., "ROS-based UAV simulations: A survey," ...
[17] T. Hinzmann et al., "Urban drone navigation: Challenges and ...
[18] S. Thrun et al., *Probabilistic robotics*, MIT Press, 2005. ...
[19] H. Durrant-Whyte et al., "Sensor fusion: A review," *IEEE ...
[20] M. Satyanarayanan, "The emergence of edge computing," *Computer*, vol. ...
نمایش کامل مراجع

مقاله فارسی "Improving the performance of UAV navigation systems using adaptive signal processing algorithms and deep learning" توسط علی حیدری سه چکانی، دانشجوی کارشناسی ارشد نانوالکترونیک دانشگاه صنعتی کرمانشاه نوشته شده و در تاریخ 25 اسفند 1403 به صورت پیش چاپ در پایگاه سیویلیکا ثبت شده است. کلمات کلیدی استفاده شده در این مقاله Adaptive signal processing, deep learning, drone navigation, sensor integration, GPS-less environments. هستند. در چکیده این مقاله اشاره شده است که UAV navigation systems in dynamic and complex environments face numerous challenges, including signal noise, multipath interference, and dependence on external infrastructures such as GPS. This paper introduces a novel hybrid framework that integrates adaptive signal processing algorithms (such as LMS and RLS) and deep learning models (including CNN and LSTM) to improve the accuracy, robustness, and efficiency of UAV navigation ... . برای دانلود فایل کامل مقاله Improving the performance of UAV navigation systems using adaptive signal processing algorithms and deep learning با 7 صفحه به فرمت PDF، میتوانید از طریق بخش "دانلود فایل کامل" اقدام نمایید.