무인 이동체 기술의 발달로 인해 무인 이동체를 이용하여 지형 탐지와 같은 단순한 작업부터 물품 운송, 농약 살포, 화재 진화, 재난 구호 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 그 중에서도 소형 무인 이동체를 여러 대 운용하는 군집 비행의 연구가 많음 관심을 끌고 있어 소형 무인 이동체를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 다수의 소형 무인 이동체의 안정적인 비행과 이착륙을 위해서는 충돌방지 및 고도탐지 센서의 개발이 필수적이다. 충돌방지 및 고도탐지에 사용될 수 있는 센서는 다양하게 있지만 소형 무인 이동체에 부착하기 위해서는 저전력 및 경량 센서의 사용이 불가피하다. 현재 사용되고 있는 센서들의 경우 우천, 안개, 빛이 없는 야간 등 환경요소에 영향을 받기 쉽거나 소형화, 경량화가 어렵고, 많은 전력소모가 필요한 것들이 많다. 그러나 ...
무인 이동체 기술의 발달로 인해 무인 이동체를 이용하여 지형 탐지와 같은 단순한 작업부터 물품 운송, 농약 살포, 화재 진화, 재난 구호 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 그 중에서도 소형 무인 이동체를 여러 대 운용하는 군집 비행의 연구가 많음 관심을 끌고 있어 소형 무인 이동체를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 다수의 소형 무인 이동체의 안정적인 비행과 이착륙을 위해서는 충돌방지 및 고도탐지 센서의 개발이 필수적이다. 충돌방지 및 고도탐지에 사용될 수 있는 센서는 다양하게 있지만 소형 무인 이동체에 부착하기 위해서는 저전력 및 경량 센서의 사용이 불가피하다. 현재 사용되고 있는 센서들의 경우 우천, 안개, 빛이 없는 야간 등 환경요소에 영향을 받기 쉽거나 소형화, 경량화가 어렵고, 많은 전력소모가 필요한 것들이 많다. 그러나 레이더 센서의 경우 환경문제. 소형화 저전력 등의 문제를 해결 가능하다. 레이더 센서의 경우 사용하는 송신 신호의 방식에 따라 크게 FMCW 레이더와 UWB레이더로 나뉘어 진다. UWB(Ultra-Wide Band) 레이더는 FMCW 레이더와 다르게 chirp 기능을 가지는PLL 등의 전력소모와 면적이 큰 회로부를 필요치 않으면서 간단한 구조로 인하여 전체 시스템을 낮은 복잡도로 설계가 가능하다. 그리고 FMCW 레이더와 다르게 복잡한 신호처리가 필요하지 않아 신호처리에 필요한 전력이 크지 않다. 따라서, 소형화 및 저전력 등의 무인 이동체에서 요구하는 센서의 기술적인 이슈들을 해결할 수 있는 탐지 센서이다. 본 논문에서는 충돌 방지 시스템을 위한 24GHz 대역 UWB 레이더 센서를 설계 및 제작하였다. UWB 레이더 송수신 IC는 22GHz에서 25GHz 대역에서 동작하도록 설계하였다. 제안된 송신기는 voltage controlled oscillator와 active switch, Drive amplifier로 구성되어 있고, active switch에 사용하는 스위칭 신호를 drive amplifier의 전원 제어에 사용하여 전력소모가 낮은 송신기를 설계하였다. 제안된 수신기는 low noise amplifier, variable gain amplifier, baseband analog 및 analog to digital converter 로 구성되어 있다. 수신부에 사용하는 ADC는 전력소모가 큰 고속의 ADC 대신 저속의 ADC로 신호를 샘플링 하기 위하여 delay locked loop회로를 사용한 sub-sampling 기법을 사용하였다. 설계된 UWB 레이더 송수신 IC를 사용하여 제작된 UWB 센서 모듈을 이용한 여러 테스트를 통해, 무인 이동체에 장착되어 사용하는 모듈 환경은 주변 환경요소를 제거하여야 크기가 작은 다른 무인 이동체를 감지할 수 있었으며, 이를 개선하기 위해 무인 이동체 환경에 적합한 신호처리인 Exponential moving averaging 알고리즘과 cell averaging constant false alarm 알고리즘을 적용하였다. 설계된 UWB 레이더 송수신 IC와 무인 이동체 환경에 맞는 신호처리를 적용하여 소형 무인 이동체의 Radar cross section (RCS) 와 유사한 표준구 및 실제 소형 무인 이동체의 탐지 및 거리 측정이 가능하도록 하였다. 본 논문은6 개의 챕터로 구성되어 있다. 챕터 1에서는 무인 이동체에 사용되고 있는 센서들의 비교, 분석과 UWB에 대한 간단한 설명을 한다. 챕터 2에서는 UWB 레이더 송수신 IC의 설계를 위한 시스템 link budget 을 위한 고려사항들을 제시하였으며, 각 개별 블록들의 회로와 시뮬레이션 결과를 챕터 3에서 정리하였다. 챕터 4에서는 UWB에 적합한 신호처리에 대하여 분석, 정리하였으며 실제 제작된 24GHz UWB 레이더 센서를 사용하여 표준구 및 무인 이동체의 탐지 결과를 챕터 5에서 정리하였다. 마지막 챕터에서는 본 논문의 결론과 향후 계획을 정리하였다.
무인 이동체 기술의 발달로 인해 무인 이동체를 이용하여 지형 탐지와 같은 단순한 작업부터 물품 운송, 농약 살포, 화재 진화, 재난 구호 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 그 중에서도 소형 무인 이동체를 여러 대 운용하는 군집 비행의 연구가 많음 관심을 끌고 있어 소형 무인 이동체를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 다수의 소형 무인 이동체의 안정적인 비행과 이착륙을 위해서는 충돌방지 및 고도탐지 센서의 개발이 필수적이다. 충돌방지 및 고도탐지에 사용될 수 있는 센서는 다양하게 있지만 소형 무인 이동체에 부착하기 위해서는 저전력 및 경량 센서의 사용이 불가피하다. 현재 사용되고 있는 센서들의 경우 우천, 안개, 빛이 없는 야간 등 환경요소에 영향을 받기 쉽거나 소형화, 경량화가 어렵고, 많은 전력소모가 필요한 것들이 많다. 그러나 레이더 센서의 경우 환경문제. 소형화 저전력 등의 문제를 해결 가능하다. 레이더 센서의 경우 사용하는 송신 신호의 방식에 따라 크게 FMCW 레이더와 UWB레이더로 나뉘어 진다. UWB(Ultra-Wide Band) 레이더는 FMCW 레이더와 다르게 chirp 기능을 가지는PLL 등의 전력소모와 면적이 큰 회로부를 필요치 않으면서 간단한 구조로 인하여 전체 시스템을 낮은 복잡도로 설계가 가능하다. 그리고 FMCW 레이더와 다르게 복잡한 신호처리가 필요하지 않아 신호처리에 필요한 전력이 크지 않다. 따라서, 소형화 및 저전력 등의 무인 이동체에서 요구하는 센서의 기술적인 이슈들을 해결할 수 있는 탐지 센서이다. 본 논문에서는 충돌 방지 시스템을 위한 24GHz 대역 UWB 레이더 센서를 설계 및 제작하였다. UWB 레이더 송수신 IC는 22GHz에서 25GHz 대역에서 동작하도록 설계하였다. 제안된 송신기는 voltage controlled oscillator와 active switch, Drive amplifier로 구성되어 있고, active switch에 사용하는 스위칭 신호를 drive amplifier의 전원 제어에 사용하여 전력소모가 낮은 송신기를 설계하였다. 제안된 수신기는 low noise amplifier, variable gain amplifier, baseband analog 및 analog to digital converter 로 구성되어 있다. 수신부에 사용하는 ADC는 전력소모가 큰 고속의 ADC 대신 저속의 ADC로 신호를 샘플링 하기 위하여 delay locked loop회로를 사용한 sub-sampling 기법을 사용하였다. 설계된 UWB 레이더 송수신 IC를 사용하여 제작된 UWB 센서 모듈을 이용한 여러 테스트를 통해, 무인 이동체에 장착되어 사용하는 모듈 환경은 주변 환경요소를 제거하여야 크기가 작은 다른 무인 이동체를 감지할 수 있었으며, 이를 개선하기 위해 무인 이동체 환경에 적합한 신호처리인 Exponential moving averaging 알고리즘과 cell averaging constant false alarm 알고리즘을 적용하였다. 설계된 UWB 레이더 송수신 IC와 무인 이동체 환경에 맞는 신호처리를 적용하여 소형 무인 이동체의 Radar cross section (RCS) 와 유사한 표준구 및 실제 소형 무인 이동체의 탐지 및 거리 측정이 가능하도록 하였다. 본 논문은6 개의 챕터로 구성되어 있다. 챕터 1에서는 무인 이동체에 사용되고 있는 센서들의 비교, 분석과 UWB에 대한 간단한 설명을 한다. 챕터 2에서는 UWB 레이더 송수신 IC의 설계를 위한 시스템 link budget 을 위한 고려사항들을 제시하였으며, 각 개별 블록들의 회로와 시뮬레이션 결과를 챕터 3에서 정리하였다. 챕터 4에서는 UWB에 적합한 신호처리에 대하여 분석, 정리하였으며 실제 제작된 24GHz UWB 레이더 센서를 사용하여 표준구 및 무인 이동체의 탐지 결과를 챕터 5에서 정리하였다. 마지막 챕터에서는 본 논문의 결론과 향후 계획을 정리하였다.
Due to the development of unmanned vehicle (UAV) technology, UAV is being used in various fields such as simple tasks such as terrain detection, goods transportation, pesticide spraying, fire extinguishing, and disaster relief. Among them, research on swarm flight using several small ...
Due to the development of unmanned vehicle (UAV) technology, UAV is being used in various fields such as simple tasks such as terrain detection, goods transportation, pesticide spraying, fire extinguishing, and disaster relief. Among them, research on swarm flight using several small UAVs is attracting much attention, and research for small UAVs is being actively conducted. For the stable flight and take-off and landing of many small UAVs, the development of anti-collision and altitude detection sensors is essential. There are various sensors that can be used for collision avoidance and altitude detection, but in order to attach them to a small UAV, the use of low-power and lightweight sensors is inevitable. In the case of sensors currently used, they are easily affected by environmental factors such as rain, fog, and night without light, or are difficult to reduce in size or weight, and require a lot of power consumption. However, in the case of radar sensors, it is an environmental problem. It is possible to solve problems such as miniaturization and low power consumption. The radar sensor is largely divided into FMCW radar and UWB radar according to the transmission signal method used. Unlike FMCW radar, UWB (Ultra-Wide Band) radar does not require power consumption such as PLL and large-area circuitry, and due to its simple structure, the entire system can be designed with low complexity. And unlike the FMCW radar, complex signal processing is not required, so the power required for signal processing is not large. Accordingly, it is a detection sensor that can solve technical issues of sensors required by unmanned moving objects such as miniaturization and low power. In this thesis, 24GHz band UWB radar sensor for collision avoidance system was designed and manufactured. The UWB radar transceiver IC is designed to operate in the 22GHz to 25GHz band. The proposed transmitter consists of a voltage controlled oscillator (VCO), an active switch, and a drive amplifier(DA), and the switching signal used in the active switch is used to control the power of the DA to design a transmitter with low power consumption. The proposed receiver consists of low noise amplifier (LNA), variable gain amplifier (VGA), baseband analog (BBA) and analog to digital converter (ADC). The ADC used in the receiver uses an sub-sampling technique using a delay locked loop (DLL) circuit to sample a signal with a low-speed ADC instead of a high-speed ADC that consumes a lot of power. Through several tests using the UWB sensor module manufactured using the designed UWB radar transceiver IC, the module environment installed and used in the UAV was able to detect other small UAV only by removing the surrounding environmental factors, and it was improved. To this end, the exponential moving averaging algorithm (EMA) and the cell averaging constant false alarm (CA-C FA R ) algorithm, which are signal processing suitable for the UAV's environment, were applied. By applying the designed UWB radar transceiver IC and signal processing suitable forthe UAV environment, it is possible to detect and measure the distance of a reference sphere similar to the radar cross section (RCS) of a small UAV and an actual small UAV. This thesis consists of 6 chapters. Chapter 1 provides a brief explanation of the comparison and analysis of sensors used in UAVs and UWB. In Chapter 2, the system link budget for the design of UWB radar transceiver IC and the design of the transceiver structure and the comparison with existing studies are presented, and the circuit and simulation results of each individual block are summarized in Chapter 3. In Chapter 4, signal processing suitable for UWB was analyzed and organized, and the detection results of standard spheres and unmanned moving objects using the actually manufactured 24GHz UWB radar sensor were summarized in Chapter 5. In the last chapter, the conclusion of this paper and future plans are summarized.
Due to the development of unmanned vehicle (UAV) technology, UAV is being used in various fields such as simple tasks such as terrain detection, goods transportation, pesticide spraying, fire extinguishing, and disaster relief. Among them, research on swarm flight using several small UAVs is attracting much attention, and research for small UAVs is being actively conducted. For the stable flight and take-off and landing of many small UAVs, the development of anti-collision and altitude detection sensors is essential. There are various sensors that can be used for collision avoidance and altitude detection, but in order to attach them to a small UAV, the use of low-power and lightweight sensors is inevitable. In the case of sensors currently used, they are easily affected by environmental factors such as rain, fog, and night without light, or are difficult to reduce in size or weight, and require a lot of power consumption. However, in the case of radar sensors, it is an environmental problem. It is possible to solve problems such as miniaturization and low power consumption. The radar sensor is largely divided into FMCW radar and UWB radar according to the transmission signal method used. Unlike FMCW radar, UWB (Ultra-Wide Band) radar does not require power consumption such as PLL and large-area circuitry, and due to its simple structure, the entire system can be designed with low complexity. And unlike the FMCW radar, complex signal processing is not required, so the power required for signal processing is not large. Accordingly, it is a detection sensor that can solve technical issues of sensors required by unmanned moving objects such as miniaturization and low power. In this thesis, 24GHz band UWB radar sensor for collision avoidance system was designed and manufactured. The UWB radar transceiver IC is designed to operate in the 22GHz to 25GHz band. The proposed transmitter consists of a voltage controlled oscillator (VCO), an active switch, and a drive amplifier(DA), and the switching signal used in the active switch is used to control the power of the DA to design a transmitter with low power consumption. The proposed receiver consists of low noise amplifier (LNA), variable gain amplifier (VGA), baseband analog (BBA) and analog to digital converter (ADC). The ADC used in the receiver uses an sub-sampling technique using a delay locked loop (DLL) circuit to sample a signal with a low-speed ADC instead of a high-speed ADC that consumes a lot of power. Through several tests using the UWB sensor module manufactured using the designed UWB radar transceiver IC, the module environment installed and used in the UAV was able to detect other small UAV only by removing the surrounding environmental factors, and it was improved. To this end, the exponential moving averaging algorithm (EMA) and the cell averaging constant false alarm (CA-C FA R ) algorithm, which are signal processing suitable for the UAV's environment, were applied. By applying the designed UWB radar transceiver IC and signal processing suitable forthe UAV environment, it is possible to detect and measure the distance of a reference sphere similar to the radar cross section (RCS) of a small UAV and an actual small UAV. This thesis consists of 6 chapters. Chapter 1 provides a brief explanation of the comparison and analysis of sensors used in UAVs and UWB. In Chapter 2, the system link budget for the design of UWB radar transceiver IC and the design of the transceiver structure and the comparison with existing studies are presented, and the circuit and simulation results of each individual block are summarized in Chapter 3. In Chapter 4, signal processing suitable for UWB was analyzed and organized, and the detection results of standard spheres and unmanned moving objects using the actually manufactured 24GHz UWB radar sensor were summarized in Chapter 5. In the last chapter, the conclusion of this paper and future plans are summarized.
Keyword
#CMOS Ultra-wideband K band Radar transceiver Radar detection
학위논문 정보
저자
서병재
학위수여기관
광운대학교 일반대학원
학위구분
국내박사
학과
전자공학과
지도교수
어윤성
발행연도
2023
총페이지
xvii, 146p
키워드
CMOS Ultra-wideband K band Radar transceiver Radar detection
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.