초음파 거리계를 이용하는 쿼드로터 무인항공기의 스파이크 제거 기법 :Spike rejection method of quadrotor UAV using ultrasonic rangefinder

김성훈

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김성훈 (한서대학교, 한서대학교 대학원)

지도교수: 홍교영

발행연도: 2017

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2017

초음파 거리계를 이용하는 쿼드로터 무인항공기의 스파이크 제거 기법

김성훈 항공시스템공학과 2017.01 학위논문

2016

웨이블릿 패킷 변환을 이용한 초음파 거리계 스파이크 제거 기법

김성훈 , 홍교영 한국항행학회논문지 2016.01 학술저널

초음파 거리계를 이용하는 쿼드로터 무인항공기의 고도 제어 성능 향상을 위한 스파이크 제거 기법

김성훈 , 최경식 , 홍교영 한국항행학회논문지 2016.01 학술저널

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본 논문은 현재 쿼드로터(Quadrotor) 무인 항공기에서 많이 사용하고 있는 초음파 거리계의 특징을 확인하고 보다 더 안정적인 고도 제어를 위한 웨이블릿 해석 기법을 연구하였다.
일반적으로 쿼드로터 무인 항공기의 고도 제어에는 가격이 저렴하고 센서 측정 주기가 비교적 짧은 초음파 거리계가 많이 사용되고 있다. 그러나 초음파 거리계는 일반적으로 정반사율(Specular reflectance)과 음향 잡음(Acoustic noise)으로 인한 스파이크(Spike)가 발생한다. 이와 같이 스파이크 및 잡음이 포함된 측정치를 기반으로 고도 제어가 수행되는 경우 수직 이착륙 실패와 공중정지비행(Hovering) 성능 저하 문제 등 치명적인 문제가 초래될 수 있다.
스파이크는 특성상 고도 측정 시 짧은 시간 간격으로 인해 주파수 영역에서의 분석보다는 시간과 주파수 영역의 동시 분석과 함께 발생 잡음의 비선형(Nonlinear)적 특성으로 인해 선형이 아닌 비선형 해석이 필요하다.
웨이블릿 해석 기법은 푸리에 변환과 다르게 시간과 주파수 정보를 동시에 분석이 가능하며 시간 및 주파수창에서 국부적(Local) 비선형 분석 및 처리가 가능하다. 또한 웨이블릿 해석은 고주파 신호성분에 대해서는 짧은 윈도우(Window)를 사용함으로써 시간분해능이 좋아져 스파이크와 같은 고주파 신호를 분석하기에 효율적이다. 따라서 웨이블릿 해석 기법은 초음파 거리계의 스파이크를 분석하기 위한 최적의 기법으로 판단된다.
따라서 본 논문에서는 초음파 거리계의 스파이크를 효율적으로 제거하기 위해 하르 웨이블릿을 이용하는 정상 웨이블릿 변환 기법의 적용을 제안한다. 정상 웨이블릿 변환은 이동 불변(Shift invariance) 특성으로 인하여 원 신호를 잘 보존하며 잡음을 제거하는데 이산 웨이블릿 변환보다 더욱 효과적이다. 정상 웨이블릿 변환은 이산 웨이블릿 변환보다 0.08m 이상의 스파이크 제거 정확도를 보였다. 또한 하르 웨이블릿은 불연속성으로 인해 주어진 신호에 불연속점 검출에 효과적이므로 불연속적인 자료나 값이 날카롭게 변하는 지점에서의 자료를 분석하는데 효과적이다. 하르 웨이블릿은 도비시 웨이블릿보다 0.2m 이상의 스파이크 제거 정확도를 보였다.
초음파 거리계의 스파이크가 포함된 측정 신호를 칼만필터 처리 한 결과와 이산 웨이블릿 변환, 패킷 웨이블릿 변환, 정상 웨이블릿 변환한 결과와의 비교를 통해 정상 웨이블릿 기법의 우수성을 확인하였다. 제안한 기법을 적용하여 쿼드로터 무인 항공기의 수직이착륙 환경을 고려한 지면으로부터의 고도실험 수행을 통해 그 성능을 확인하였으며, 스파이크를 제거 함으로써 보다 더 안정적인 고도제어와 성공적인 수직이착륙 및 공중정지비행 성능 향상에 기여할 수 있음을 확인하였다.

This study investigated the features of ultrasonic rangefinder which has been widely used in Quadrotor UAVs and studied wavelet analysis technique for more stable altitude control.
In general, the ultrasonic rangefinder, which is inexpensive and has relatively short sensor measurement period, has been widely used for the altitude control of the Quadrotor UAVs. However, the ultrasonic rangefinder generally creates Spike due to Specular reflectance and Acoustic noise. So, when the altitude control is performed based on the measurement value including the spike and the noise, serious problems such as the failure of a vertical take-off and landing, performance drop in Hovering, and so on. may be caused.
It is necessary to perform non-linear analysis rather than linear analysis due to the non-linear characteristics of generated noise as well as simultaneous analysis of time and frequency domain rather than the analysis in the frequency domain because of the spike has short time intervals during altitude measure as its one of characteristics.
The wavelet analysis method makes it possible to simultaneously analysis the time and the frequency information unlike Fourier transform, and it can do local non-linear analysis and processing in the windows of the time and the frequency. Also, the wavelet analysis is effective for analysis high-frequency signals such as the spike because the time resolution is improved by using a short window for the signal component of the high frequency. Also, the wavelet analysis technique is considered to be an optimal technique for analysing the spike of the ultrasonic rangefinder.
Therefore, this paper proposes the application of the transform technique of stationary wavelet using haar wavelet in order to efficiently remove the spike in the ultrasonic rangefinder. Stationary wavelet transform is known to be more effective than discrete wavelet transform in removing the noise while preserving the circular signals because of Time-invariant characteristic.
Stationary wavelet transform showed an accuracy of removing spikes more than 0.08m compared to discrete wavelet transform.
In addition, the Haar wavelet is effective in detecting the data at points where discontinuous data and value are sharply changed as the Haar wavelet is effective for detecting the discontinuous points in a given signal due to the discontinuity. Haar wavelet showed a accuracy of removing spikes more than 0.2m compared to daubechies wavelet. The superiority of the stationary wavelet technique was verified by comparing the results of making the measurement signal including the spike of the ultrasonic rangefinder to be kalman filtered with the results of the
discrete wavelet transform, the packet wavelet transform, and the stationary wavelet transform.
This study confirmed its performance through carrying out an altitude experiment from the ground considering the vertical take-off and landing environment of the Quadrotor UAVs by applying the proposed technique and also verified that removing the spike can make a contribution to more stable altitude control and successful vertical take-off and landing and performance improvement of the hovering.

#스파이크 제거 기법

1. 서론 1
1.1 연구 배경 및 목적 1
2. 초음파 거리계 4
2.1 초음파 거리계 오차요인 5
2.1.1 정반사 5
2.2 실험에 사용된 초음파 거리계 8
3. 칼만필터 설계 10
3.1 칼만필터 알고리즘 개요 10
3.2 칼만필터 알고리즘 이론 11
3.3 시스템 모델링 12
3.4 잡음의 공분산 13
3.5 초음파 거리계 측정값 구현 13
3.6 칼만필터를 적용한 초음파 거리계 14
4. 웨이블릿 변환 15
4.1 웨이블릿 변환 16
4.1.1 하르 웨이블릿 19
4.1.2 도비시 웨이블릿 20
4.2 패킷 웨이블릿 변환 21
4.3 정상 웨이블릿 변환 23
4.4 웨이블릿 기반 잡음 제거 27
5. 실험 및 결과 31
5.1 실험 장치 구성 31
5.2 칼만필터 처리된 신호와 비교 33
5.3 이산 웨이블릿, 패킷 웨이블릿, 정상 웨이블릿 변환 처리된 신호 비교 40
5.4 모함수의 종류에 따라 정상 웨이블릿 변환 처리된 신호 비교 46
6. 결론 51
참고문헌 53
Abstract 58

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