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Título: Mapeamento de objetos em sonares utilizando compressed sensing para navegação autônoma
Título(s) alternativo(s): Mapping of objects in sonar using compressed sensing for autonomous navigation
Autor(es): Dias, Eduardo Tondin Ferreira
Orientador(es): Schneider, Fábio Kurt
Palavras-chave: Sonar
Detecção comprimida (Telecomunicações)
Transdutores ultrassônicos
Problemas inversos (Equações diferenciais)
Transformada de Hilbert
Processamento de imagens
Algorítmos - Desenvolvimento
Compressed sensing (Telecommunication)
Ultrasonic transducers
Inverse problems (Differential equations)
Hilbert transform
Image processing
Algorithms - Development
Data do documento: 27-Dez-2024
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: DIAS, Eduardo Tondin Ferreira. Mapeamento de objetos em sonares utilizando compressed sensing para navegação autônoma. 2025. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2024.
Resumo: Sonares são amplamente utilizados em sistemas de navegação, os quais tradicionalmente utilizam a técnica de tempo de voo para a detecção e localização de obstáculos. Essa técnica consiste em calcular o tempo entre o envio e recebimento das reflexões ultrassônicas dos obstáculos, porém, em ambientes com múltiplos obstáculos, esta técnica apresenta problemas para lidar com as interferências entre as reflexões, sendo necessárias diversas aquisições para uma detecção apropriada. Esta tese apresenta uma nova abordagem para a detecção e localização de múltiplos obstáculos, utilizando-se das características inerentes aos sinais no domínio do tempo e de conceitos de problemas inversos e uma técnica denominada Compressed Sensing. Experimentos foram conduzidos em um ambiente controlado de testes, reproduzindo um ambiente interno, com múltiplos obstáculos presentes e suas reflexões ultrassônicas adquiridas por uma plataforma de hardware, composta por quatro sonares e desenvolvida especificamente para o envio e aquisição de sinais ultrassônicos sem processamento. Para a validação da abordagem proposta, foram efetuados três estudos de caso, através de comparações entre as imagens reconstruídas no formato de mapa de ocupação representando bidimensionalmente os ambientes mapeados. O método proposto foi o Compressed Sensing e o algoritmo Orthogonal Matching Pursuit. Um método tradicional de reconstrução de imagem e a regularização de Tikhonov foram utilizados adicionalmente para fins de comparação. Três representações diferentes de valores dos sinais também foram usadas e as reconstruções foram avaliadas quantitativamente por três métodos. O método proposto utilizando Compressed Sensing apresentou resultados promissores nos experimentos quando comparado às técnicas tradicionais, o que recomenda a sua inclusão na pesquisa de detecção e localização de obstáculos utilizando sonares no ar.
Abstract: Sonars are widely used in navigation systems, which traditionally use the time-of-flight technique for obstacle detection and localization. This technique computes the time between sending and receiving the reflected ultrasonic signals. However, this technique presents problems with multiple ultrasonic reflection interferences in environments with multiple obstacles, requiring several acquisitions for an appropriate detection. This dissertation presents a novel approach to obstacle detection and localization. Some characteristics inherent to the ultrasound signals in the time domain, inverse problems, and Compressed Sensing concepts were used. Experiments were conducted in a controlled environment with multiple obstacles, and the ultrasonic reflections were acquired by a hardware platform with four sonars explicitly developed for sending and acquiring raw ultrasonic signals. The proposed approach was validated by comparing the reconstructed images – a bi-dimensional occupancy grid format – using the Orthogonal Matching Pursuit algorithm, a traditional image reconstruction method, and Tikhonov regularization. Three different representations of signal values were used, and the reconstructions were evaluated quantitatively, with the Compressed Sensing method showing promising results, which recommend its use in research for the detection and location of obstacles using sonar in the air.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/36707
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