Improving the performance of UAV navigation systems using adaptive signal processing algorithms and deep learning
This Preprint With 7 Page And PDF Format Ready To Download
- Certificate
- I'm the author of the paper
Export:
Document National Code:
Index date: 15 March 2025
Improving the performance of UAV navigation systems using adaptive signal processing algorithms and deep learning abstract
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
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: