面向智能无人机的毫米波雷达关键技术研究

发布时间：2020-05-21 08:06

【摘要】：随着智能技术的发展,无人机凭借其低成本、高机动性等优点,大量应用于军事及民用领域。在无人机技术的众多研究方向中,自主安全着陆作为保障既定任务顺利可靠完成的关键环节,得到了国内外学者的广泛关注。为实现无人机自主安全着陆,一个有效的解决方案就是搭载传感器对着陆环境进行感知,毫米雷达凭借其全天候、低成本、体积小、精度高等优点可以为无人机安全着陆提供强有力的保障,为此对毫米波雷达技术进行深入研究具有十分重要的意义。首先,介绍了线性调频连续波(Linear Frequency Modulated Continuous Wave,LFMCW)雷达的信号处理的基本理论知识。在此基础上分析了提高雷达测距精度的几种典型算法,包括补零法、基于复调制的选带细化快速傅里叶变换(ZFFT)、线性调频Z变换(Chirp-Z)以及快速傅里叶变换(FFT)和离散时间傅里叶变换结合(FFT-DTFT)的方法,并对这几种算法进行了仿真,对计算量、所需存储空间进行了探讨,选择了适用于硬件平台的ZFFT算法。然后,基于毫米波雷达传感器进行信号处理算法实现,实现了测距测速功能,并且实现了ZFFT算法。在实验测试中,对采集的数据进行了1K点FFT、16K点FFT变换和ZFFT变换处理,并使用ZFFT算法进行在线处理,测试结果表明,使用ZFFT变换可以大幅提高测距精度,可以精确到毫米级。设计了一组合适的参数,实现了雷达的最大探测距离超过40米的目标。最后,对无人机降落时的着陆表面鉴别技术进行了研究。结合LFMCW雷达中频信号的相位对于微小距离变换敏感的特性,以及在镜面反射和漫反射下回波强度大小的差异特性,分析了使用相位特征和回波强度特征进行着陆表面鉴别的可行性。结合两种特征进行方案设计,使用支持向量机(Support Vector Machine,SVM)对样本数据进行训练及识别,测试结果表明利用以上两种特征时可以得到90%以上的识别率。
【图文】：

如图 1-2所示为无人机在河道上空飞行，如果降落则会造成无人机的损坏。图1-1 无人机送货图1-2 无人机河道上空飞行考虑到雷达受天气等因素的影响比较小，并且能够在全天整个时段内进行探测与感知[6]，，毫米波雷达可为解决上述问题提供有效途径。其工作频段处于大气窗口且大气衰减相对较小，同时高频段有利于小型化，和激光雷达、红外线雷达等比较，毫米波雷达有频谱范围宽、距离分辨率高、测速灵敏度高、抗干扰能力及穿透空气中粒子的能力强的优点[7]，能够在全天候场景下快速感知周边环境物体的距离、速度、角度等信息，帮助无人机在飞行过程中自动规避障碍物、在降落过程中规避危险区域等安全工作领域提供准确、快速的智能预警，尤其在可见度较低的情况下能够为无人机操作员提供进一步的安全辅助，现已成为无人机产业及其智能装配领域中的热点研究问题。将毫米波雷达与无人机平台相结合

如果降落则会造成无人机的损坏。图1-1 无人机送货图1-2 无人机河道上空飞行考虑到雷达受天气等因素的影响比较小，并且能够在全天整个时段内进行探测与感知[6]，毫米波雷达可为解决上述问题提供有效途径。其工作频段处于大气窗口且大气衰减相对较小，同时高频段有利于小型化，和激光雷达、红外线雷达等比较，毫米波雷达有频谱范围宽、距离分辨率高、测速灵敏度高、抗干扰能力及穿透空气中粒子的能力强的优点[7]，能够在全天候场景下快速感知周边环境物体的距离、速度、角度等信息，帮助无人机在飞行过程中自动规避障碍物、在降落过程中规避危险区域等安全工作领域提供准确、快速的智能预警，尤其在可见度较低的情况下能够为无人机操作员提供进一步的安全辅助，现已成为无人机产业及其智能装配领域中的热点研究问题。将毫米波雷达与无人机平台相结合
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V279;TN958

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