원형 마이크로폰 어레이 적용 드론 위치 추적 :Drone Location Tracking with Circular Microphone Array

정형찬

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자료유형: 학위논문

저자정보: 정형찬 (인하대학교, 인하대학교 대학원)

지도교수: 장경희

발행연도: 2021

저작권: 인하대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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드론의 음향 추적을 위한 방법론에 있어서 음향특징 벡터를 추출하여, 비행체 인식을 위하여 프로그래밍 되어 생성된 학습데이터세트에 HMM(hidden Markov Model) 모델을 학습시켜, 데이터베이스(DB)화된 오디오신호를 해당무인항공기(UAV)의 음향신호와 비교하여 인식시스템과 비행체의 음향유사도를 판단하여 비행체의 유,무를 확률적으로 판단한다. 그러므로 무인비행체의 실시간 위치를 보다 명확하게 추적 및 탐지할 수 있는 기술 역량이 필요하다. 비행하는 드론의 절대좌표 및, 피치, 롤, 헤딩, 고도 ,방위각(Azimuth)및 고각(Elevation)을 포함한 상태 정보 오디오 추적 인터페이스를 설계 및 실험을 통하여 무인항공기의 위치를 추적하는 기술을 제시하였다. 본 논문은 잡음이 존재하는 실제 환경에서 다양하게 탐지되어 들어온 음향신호를 보다 정밀하게 인식하는 기술에 대하여 논한다. 불법 무인기에 의한 위협을 줄이기 위해, 음향 기반 기법 에 의한 추적시스템을 구현하였다. 드론 음향추적방식에는 3가지 주요 사항이 있다. 첫째, 가변 빔 형성을 통해 공간을 스캔하여 음원을 찾아 마이크어레이를 사용하여 소리를 녹음한다. 둘째, 음원의 존재 유,무 여부를 알기위해 은닉 마르코프 모델(HMM)로 분류한다. 마지막으로 음원이 드론인 경우, 적응형 빔 패턴기반의 추적기준 신호로 기록 및 저장된 음원을 사용한다. 시뮬레이션은 배경 노이즈 및 간섭 사운드가 없는 이상적인 상태와 배경 노이즈 및 간섭 사운드가 있는 비이상적인 조건 모두에서 수행되며 불법적인 드론의 추적성능을 평가하였다. 드론 추적시스템은 마이크어레이 성능에 따른 탐색 거리 성능향상 및 음향패턴일치 정도에 따른 드론 유무 판정기준을 설계하여 음성판독 회로설계에 반영하였다.

#드론음향 추적 #비행체 인식

제I장 서론 1
1. 연구배경 1
2. 연구동향 3
3. 드론 대응 무력화 기술 동향 11
4, 논문의 구성 15
제Ⅱ장 음향특징벡터추출 16
1. 개요 16
2. 특징벡터 모델링 18
2.1 Mel 주파수 캡스트럴 기술 : MFCC 18
2.2 필터뱅크 주파수 및 대역폭 20
3. HLA 특징벡터추출 21
3.1 STFT 이용 HLA 드론사운드 특징벡터추출 21
3.2 HLA 특징벡터추출 스펙트로그램 획득절차 21
3.3 푸리에변환(FT) 과 국소푸리에변환 (STFT) 23
3.4 음향식별 HLA 특징벡터 추출절차 24
3.5 음향특징벡터 추출 유클리디언 거리 27
4. HMM(Hidden Markov Model) 28
4.1 HMM Model 개요 28
4.2 이산은닉 마르코프모델 정의 28
4.3 HMM 파라미터 정의 29
제Ⅲ장 음향추적 알고리즘 설계 및 모의실험 30
1. 개요 30
2. 원형마이크 어레이의 위상 구조 및 신호모델 32
3. UAV 위치추적 결정 음향추출 신호기법 33
4. 자유공간의 물체 스캐닝 35
4.1 최대전력 기준에 따른 Switched 빔 포밍 35
4.2 SBF(Switched Beam Forming) 스캐닝 정확도 36
4.3 음원식별분류기 설계 39
4.4 무인항공기 추적 음향 특징 벡터 추출 39
4.5 HMM 이용 UAV 음향인식 및 추적 42
4.6 UAV 추적음향 최적화 및 음향 적응패턴 설계 44
4.7 UAV 음향추적 및 모의실험 성능 평가 46
5. 적응형 빔 패턴 활용 무인 UAV 추적 49
5.1 최적가중치 (Criteria for Optimal Weights) 49
5.2 가중치 갱신 RLS 알고리즘 50
5.3 MMSE기반 RLS Beam_Forming 알고리즘 Tracking 52
제Ⅳ장 UAV 음향탐지 시스템 설계 및 시험 55
1. 드론음향탐지 시스템 개요 55
1.1 STM32F722xx_ARM_CORTEX_M7 개요 55
1.2 ARM Instruction Sets 58
2. 드론음향 탐지 시스템 설계 59
2.1 회로설계 및 검증 60
2.2 회로도 작성 및 회로시뮬레이션 61
3. 드론 음향탐지시스템 펌웨어 및 소프트웨어 설계 66
3.1 드론음향탐지기 펌웨어 기능정의 66
3.2 드론음향탐지기 소프트웨어 설계 흐름도 68
3.3 하드웨어 제어프로그렘 코드 작성 및 Debugging 69
3.4 오디오주파수 및 대역폭 응답 평가시험 71
3.5 마이크 어레이 연결 및 비행시험 73
제Ⅴ장 결론 75
참고문헌 76

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