מכם לניווט רכבי שטח - אור הירשפלד - עבודה בקורס חישת מיקרוגלים - טכניון חיפה - 16 ליוני 2014

מכון טכנולוגי לישראל –טכניון

מכ"ם לניווט בשטח לא בנוי 100110 –קורס חישת מיקרוגלים במערכות טבעיות

מנחה: ד"ר יונתן ניומן

אור הירשפלדמגיש :

4102ליוני 18

היא לסכם מאמר מדעי בנושא הקורס ובנוסף הפרויקטבמסגרת קורס חישת מיקרוגלים בטכניון. משימת פרויקטסיום שלי העוסק לפרויקטלהציגו מול הכתה. אני בחרתי להתמקד בנושא של מכ"ם לניווט שטח אשר מתקשר

אוטונומית/רובוטית לקטיף תפוחים. במכונה

אור הירשפלד מכ"ם לניווט בשטח לא בנוי חישת מיקרוגלים במערכות טבעיות

Page 2 of 18 4182ליוני 81 מבוא

ן ענייניםתוכ 2 .................................................................................................................................................... עניינים תוכן

3 .............................................................................................................................................................. מבוא

FMCW ................................................................................................................................................. 3 שיטת

3 ............................................................................................................................... (Chirp Signal) ציוץ אות

5 ................................................................................................................. (Continuous Wave) רציף שידור

6 ....................................................................................................................... (Beat Signal) התאבכות אות

FMCW ........................................................................................................... 6 שיטת פ"ע עצם מרחק חישוב

Interrupted FMCW (FMICW) .................................................................................................................... 8

8 ....................................................................... אחרות בשיטות לניווט ראייה אמצעי לבין מיקרוגלים בין אההשוו

01 ....................................................................................................................................... רחוק לטווח מערכת

00 ....................................................................................................................................... בינוני לטווח מערכת

02 .............................................................................................................................. קרוב-בינוני חלטוו מערכת

03 ............................................................................................................................... השטח של הדמיה יכולות

01 ........................................................................................................................................... עלווה הדמיית

05 ................................................................................................... ומשטחים עצמים זיהויל והצללה החזריות

01 ............................................................................................................................................................ סיכום

08 ......................................................................................................................................................... מקורות


Page 3 of 18 4182ליוני 81 מבוא

מבוא

ובנוסף הקורס בנושא מדעי מאמר המסכמת עבודה להגיש התבקשנו בטכניון מיקרוגלים חישת קורס במסגרת

רובוטית/אוטונומית במכונה העוסק שלי סיום לפרויקט מתקשר אשר מאמר לחקור רציתי אני. הכתה מול להציגו

מכ"ם בשטחים חקלאיים. בסוף בחרתי מאמר שעוסק בניווט רכבי שטח בעזרת לנושא פניתי לכן. תפוחים לקטיף

High‐resolution millimeter‐wave radar systems for visualization of unstructured outdoorמכ"ם,

environments במסגרת מחקר הנערך במכוןAustralian Centre for Field Robotics אשר בסידני(Graham

Brooker, 2006).

. מערכות אלו נועדו במקור לכלי טייס ומיפוי מכרות אמנם אם התאמות קר שלושה מכ"מים שוניםזהו מאמר הסו

בנוסף השוו בין מכ"ם במסגרת המאמר נוסו המכ"מים במשימות שונות קלות נוסו עבור ניווט רכבי שטח.

למערכות אחרות בעזרת מצלמות ולייזר.

FMCWשיטת .FMCWבשלושת המערכות השתמשו במכ"מים בשיטת

( Frequency Modulationאיפנון תדר )

FM .באנלית זה קיצור ל היא שיטה לשידור וקליטה אותות אלקטרומגנטיים- Frequency Modulation כלומר

איפנון תדר.

כאשר דיגיטלי( אנלוגי/Signal( בתדר קבוע אשר עליו מרכיבים אות )Carrier Waveישנו גל נושא )בשיטה זו

. עבור ערוץ (Wikipedia_FM, 2014) 8 איור, ניתן לראות תיאור זה בהשינוי בערך האות משנה את תדר גל הנושא

יוגדר רוחב פס בו הוא עובד והתאמה בין תדר לערך האות. FM תקשורת

(FMאיפנון תדר ) – 0 איור

ליצירת אותות ציוץ. FM-במאמר ישתמשו ב המתוארותבמערכות

( SignalChirpאות ציוץ )

.2 איור , ניתן לראות ב(Wikipedia_Chirp, 2014) אות ציוץ הוא אות סינוסאידאלי אשר תדרו הולך ועולה


Page 4 of 18 שיטת FMCW 81 4182ליוני

(4102)ניומן, אות ציוץ במישור הזמן -2 איור

משתמשים בציוץ לינארי לכן הגרף יהיה FMCW. בשיטת מול הזמן ניתן לאפיין את האות בעזרת מישור התדר

כך משודר תחום תדרים בזמן קצר וניתן למדוד את ההחזר שלו. .3 איור, ניתן לראות בישר כתלות בזמן

אות ציוץ משודר ונקלט כתלות בתדר ומציאת ההפרשים. – 3 איור

.2 איורן לראות בניתן גם לאפיין את האות כאמפליטודה כתלות בתדר כפי שנית



אות ציוץ המוצג כאמפליטודה כנגד תדר. – 2 איור

. 4 נוסחהו 8 נוסחהמוצגות ב במישור הזמן והתדר המתארות את הציוץ נוסחאות

2

21

02cos ttfVt ,T

B

זהו זמן מחזור של אות ציוץ Tשל תחום תדרי הציוץ, Bandwidthהוא רוחב פס ) B, מתח שידור כתלות בזמן של אות ציוץ – 0 נוסחה

.של טווח תדרי הציוץ מינימליזה תדר התחלתי/ f0מחזורי,

tT

Bff 0

.תדר ציוץ לינארי כתלות בזמן – 4 נוסחה

.5 איור נשדר את אות הציוץ באופן מחזורי ורציף כפי שניתן לראות ב FMCWבשיטת

FMCWשידור וקליטת אות ציוץ מחזורי ומציאת הפרשים לפי שיטת – 5 איור

לרובם יש מערכות מתקנות בחוג פתוח ע"י טבלת כיול אינם לינאריות אבל לרוב האמתיותרצוי לציין שמערכות

.דיגיטלית( ובחוג סגור ע"י מערכת בקרה lookup tableפרנס )ר

(Continuous Wave)שידור רציף .(Wikipedia_CW, 2014)זאת צורת שידור של מכ"ם אשר השידור והקליטה נעשים באופן רציף ולא בפולסים



בלוקים של מכ"ם בשידור רציף.דיאגרמת -6 איור

(Beat Signal)אות התאבכות

בגלל הזמן שלוקח האות הנכנס והיוצא מעורבבים יחדיו. בין האות והמשודר לנקלט קיים פאזה FMCWבשיטת

נוצר התאבכות בונה והורסת היוצרת גל מעורבביםמגנטי לפגוע במטרה ולחזור לכן שהאותות -לגל האלקטרו

האותות הם בעלי תדר משתנה. FMCWאמנם בשיטת 7 איורמא בגחדש, ניתן לראות דו

.(UNSW)אות התאבכות משני גלים בעלי אותו תדר קבוע ופאזה שונה – 7 איור

FMCWחישוב מרחק עצם ע"פ שיטת

עושים ניתוח לאות ההתאבכות ומוצאים את תדר ההתאבכות אשר בעזרתו ניתן לדעת את הפאזה FMCWבשיטת

ע שידור האות ועד חזרתו. מהירות גל אלקטרומגנטי בטווח בין הגלים. בעזרת הפאזה ניתן לדעת הזמן שחלף מרג

ידוע כמהירות האור ולכן ניתן לדעת את מרחק שעבר האות וכך גם את מרחק העצם. בנוסף בעזרת ניתוח אפקט

דופלר ניתן לדעת גם מהירותו אך במאמר זה לא נבדק נושא זה.



FMCWלפי שיטת מרחק עצם מן המכ"ם – 3 נוסחה

הוא זמן מחזור של אות Tb, כאשר קיימים קבועים של המערכת המשדרת, Rמתארת מרחק העצם, 3 נוסחה

תדירות של אות fb. והמשתנה העיקרי הוא פס של טווח התדרים של אות הציוץ רוחב Δfמהירות האור, Cהציוץ,

יד על מרחק למטרה.ההתאבכות המע

.2 נוסחה, בδRבנוסף ניתן להגדיר את יכולת ההפרדה,

FMCWיכולת הפרדה )רזולוציה( עבור מכ"ם – 2 נוסחה

.7 איורו 3 איוראת תדר ההתאבכות ניתן למצוא ע"י ניתוח האות כתדר כנגד זמן כפי שניתן לראות ב

.(4102)ניומן, אותות שידור, קליטה והתאבכות במישור התדר – 5 נוסחה


Page 8 of 18 אחרות בשיטות לניווט ראייה אמצעי לבין מיקרוגלים בין השוואה 4182ליוני 81

nterrupted FMCWI (FMICW)

. כך יש פחות רעשים ואין צורך בבידוד רב בין השידור לקליטהבשיטת שידור זו יש הפרדה בין השידור לקליטה

למערכת אמנם בנוסף ניתן להגביר את ההספק למערכת השידור ללא חשש כי יהיה זליגת אות למערכת הקליטה.

.(AUSTRALIAN CENTRE FOR FIELD ROBOTICS)יכולות מוגבלות לטווחים קרובים זו

FMICWדיאגרמת מלבנים וגרף תדר מול זמן עבור שיטת – 8 יורא

ראייה לניווט בשיטות אחרות השוואה בין מיקרוגלים לבין אמצעי

להשתמש בפתרונות בשיטות אחרות מן מיקרוגלים עבור מערכות ראייה לניווט, מקובל פופולריהיום מאוד

סורק לייזר. אמנם למערכות האדום ובנוסף בעזרת והאינפרהלהשתמש באמצעי עזר של צילום בתחום הנראה

בעיית לחיישנים אלו יש אלה יש חסרון גדול כאשר תנאי הראות לקויים בגלל ערפל, אבק, גשם. בנוסף כאשר

. למשל מעבר מחושך אל תאורה מלאכותית ועד תאורת אור יום מלאה.ה משתנותרעוצמת ההארגישות כאשר

(, ההנחתה פחותה Millimeterח אורכי הגל )שעבור גלי מיקרוגל, המוגדרים לפי טוו 9 איורניתן לראות ב

עבור תנאי מזג אוויר. משמעותית

(, גשם כבד מאוד Heavy Rain(, גשם כבד )Drizzle) מטפטוףמגנטים כתלות בתדר כתוצאה -הנחתת אותות אלקטרו – 9 איור

(Delugeוחלקיקי אוויר ב )-0אטמוספירה מעלות צלזיוס ולחץ של 41.


Page 9 of 18 אחרות בשיטות לניווט ראייה אמצעי לבין מיקרוגלים בין השוואה 4182ליוני 81

לייצר תמונה שטוחה של יוכלואלמנט חשוב נוסף היא יכולת הדמיית תוואי פני שטח שטוח. מכשירי לייזר וצילום

.81 איורמה שהם רואים אמנם מכ"ם יכול לייצר תמונת עומק, ניתן לראות היטב את ההבדל ב

השוואה בין תמונה תוואי שטח שטוח לבין הדמייה בעזרת מכ"ם - 01 איור

בנוסף בהשוואה להדמיות לייזר המכ"ם מגיע למרחקים גדולים יותר ובעל קצב ריענון גבוה יותר אשר חשוב עבור

רכבי שטח המתניידים במהירות.

איורו 88 איוריכולות חדירות בחומרים מסוימים ולכן ניתן לראות דברים נסתרים, ניתן לראות דוגמא בלמכ"מים

של חצר וניתן לראות כי העצים לא מסתירים את הבניינים מאחוריהם. הדמיהבה רואים 84

לתמונה אווירית של מכ"ם בהשוואה ממדית-תלת הדמיה - 00 איור


Page 10 of 18 רחוק לטווח מערכת 4182ליוני 81

של מכ"ם ממדיתתלת הדמיה - 04 איור

טווח רחוקלמערכת

. תדר העבודה הוא ומיועדת במקור להרכבה על כלי תעופה המערכת הכי מתקדמת הנסקרת במאמר זה היאזו

, זאת 83 איור, ניתן לראות ב, המוזכרת לעיל. מערכת זו הוצבה על גימבלFMICWהרץ ושיטת שידור -גיגה 92

קבועה גם שהמשטח עליו מוצבת המערכת אוריינטציהמערכת בעלת שלושה צירים שבעזרתה ניתן לשמור

משתנה.

(Wikipedia_Gimbal, 2014)גימבל לש ממדימודל תלת – 03 איור

של (Wikipedia_GPS-INS, 2014) ואוריינטציההנותנת מיקום GPS-INS מערכת מחוברת אל מערכת הגימבל

, מחובר הגימבל וכך ניתן ליצור יציבות מקסימלית של המערכת, אלמנט זה חשוב ביותר ברכבי שטח ליוע בסיסה

.82 איורניתן לראות את המערכת ב

מטר אמנם בגלל 5של קווית ק"מ ובאופן תאורטי מערכת זאת היא בעלת הפרדה 3 מערכת זאת מגיעה עד

במקרה הכי גרוע. מטר 85אות הציוץ הם קיבלו תוצאות של הפרדה של לינראזיציה פחות טובה מן הצפוי של

ק"מ. 3מטר רוחבית במרחק של 85מעלות היוצר בערך בפרדה של 1.49ההפרדה הזוויתית היא


Page 11 of 18 בינוני לטווח מערכת 4182ליוני 81

מערכת לטווח רחוק המותקנת על גימבל – 02 איור

מערכת לטווח בינוני

, תמונה של המערכת מן של הסביבה ממדית-הרץ היכול ליצור תמונה תלת-גיגה 77זוהי מערכת העובדת בתדר

המערכת היא בעלת אנטנה קבועה ומראה בעלת שני צירים. מערכת זאת פותחה .85 איורהמאמר מוצגת ב

במקור עבור מכרות.

מערכת לטווח בינוני. – 05 איור


Page 12 of 18 קרוב-בינוני לטווח מערכת 4182ליוני 81

-בה ליצירת תמונה תלת משתמשיםמעלות, ולכן 1.12מערכת זאת מתאפיינת בטווח טוב והפרדה זוויתית גובה,

1.35הרץ. הפרדה אורכית של -מגה 011של השטח. מערכת זאת משתמשת ברוחב פס אות ציוץ של ממדית

מטר. 451מטר בטווח של 3.7מטר והפרדה רוחבית של

דקות, תלוי בטווח השטח הנסרק. 81-ל 1.5בעיה מרכזית של מכשיר היא מהירות סריקת השטח אשר לוקחת בין

וש על מערכות ניידות. לכן מערכת זאת שודרגה למערכת במפורט בפרקמהירות זאת אינה מספיק מהירה לשימ

קרוב-טווח בינונילמערכת

קרוב-טווח בינונילמערכת

של השטח באופן מהיר וגם לקבל טווחים קרובים יותר. הדמיהשידרגו כדי ליצור מערכת לטווח בינוניאת ה

מערכת זאת היא בעלת הרץ. -גיגה 8.0הרץ עם רוחב פס ציוץ אפשרי של -גיגה 92-המערכת עברה לפעול ב

יוץ ובאופן כזה ניתן לקבל רזולוציה מיטבית בטווח הרצוי כפי שניתן לראות אפשרות לשליטה על רוחב פס של הצ

., כך ניתן ליצור תמונה השטח גם לטווח קרוב16 איור ב

קבלת הפרדה אורכית כתלות ברוחב פס אות הציוץ – 16 איור

נע מעלה ומטה כאשר הרכבבתלות בתנועת בסיסה כלומר ממדית-מערכת זאת יכולה ליצור תמונה תלת

(, מפתחים ציר נוסף 4110המערכת תוכל ליצור תמונה מלאה של השטח. בנוסף, נכון לזמן כתיבת המאמר )שנת

גם שהרכב עליו הוא ממדית-מתואר ב, כך שהוא יוכל ליצור תמונה תלתשעליו יישב כל מערך המכ"ם, כפי ש

מורכב לא נע.

ממדית-בכדי ליצור תמונה דו ביניהםיוצר מספר הדמיות של אותו אזור ניתן ליצור אינטגרציה המכ"םבנוסף כאשר

.81 איור, ניתן לראות דוגמא בברורה יותר


Page 13 of 18 השטח של הדמיה יכולות 4182ליוני 81

קרוב משודרגת-טווח בינוני למערכתציר נוסף הנמצא בפיתוח – 07 איור

(b( לבין אינטגרציה של מספר תמונות )aהשוואה בין תמונה יחידה ) - 08 איור

של השטח הדמיהיכולות

ופעות של החזר הגל מרחק ניתן לאפיין את העצם הנקלט ע"י מספר פרמטרים שנובעים מת למדידתמעבר

האלקטרומגנטי.

איור התלוי בגודל המשטח, סוג החומר, חספוס המשטח, זווית הפגיעה ) בעל רמת החזריות שונהכל עצם יהיה

.(0 נוסחהלפי קריטריון ריילי ) ( ואורך הגל המשודר19

החזריות כתלות בזווית הפגיעה - 19 איור



אורך הגל המשודר. λזוית הפגיעה המשטח, θשינוי בגובה פני השטח, Δhקירטריון ריילי, - 6 נוסחה

עלווההדמיית

לקבל תמונת עומק אל תוך העלווה. ניתן להפריד עלווה משאר החומרים ולמקם אותם במרחב ובנוסף ניתן

סיום שלי שבו אני צריך למקם את פירות תפוח במרחב של עלווה בכדי הפרויקטיכולות אלו מועילות במיוחד עבור

וחשב.ע רובוטית באופן אוטונומי ממורבעזרת זלגשת אליו בצורה הנכונה

אמנם עבור עלווה רטובה המקדמים משתנים. 7 נוסחהעבור עלווה יבשה ניתן לחזות את ההנחתה הצפויה ע"י

.48 איורו 41 איורב להדמיות ניתן לראות דוגמא

הנחתת אות מיקרוגל בעלווה יבשה כתלות בתדר הגל המשודר - 7 נוסחה

.השוואת הדמיית עלווה במרחב מול תצלום, ניתן להבחין בגדלים שונים של מקבצי העלווה ואפקטי הצללה - 41 איור



הדמיית לעומק של עלווה - 40 איור

בעומק העלווה.אותות בשני תדרים שונים כתלות גרף הנחתת - 44 איור

עלווה אינה צפופה והאות מספיק חזק ניתן גם לקלוט עצמים הנמצאים מאחורי הצמחייה כפי שניתן הבמקרים בה

.44 איורניתן לחזות את ההנחתה בעזרת גרפים כפי שמוצג ב .84 איורו 88 איורלראות ב

החזריות והצללה לזיהוי עצמים ומשטחים

שניתן להתחשב בהם בזיהוי אוטומטי של עצמים, להלן כמה מן בגורמים:ישנם גורמים

.)...החזר גבוה מקרקע מעיד על כך שזה מים )שלולית, בריכה, ים

.החזריות קבועה מעיד על בתה או מדשאות

.החזריות משתנה בד"כ מעיד על עץ או שיח גבוה אשר אינו מאפשר מעבר

מסמן גדר, חומה או קיר.החזריות גבוה העוקבת אחרי קו מסוים

.ניתן להבחין בצל גדול המעיד על שורת עצים גבוהים או חומה



,אזורים עם החזריות קבועה נמוכה הם משטחים סלולים אמנם זה יכול להיות גם תעלות, נהרות

ע"י מאפייני שפה שונים. ביניהםאגמים וימים. אך ניתן להבדיל

.ניתן גם למדוד שיפועי משטחים

לעשות כיול עם נתוני מפות. ניתן גם

.43 איורלראות דוגמאות בניתן

השוואות בין תצלומי אוויר לסריקת מכ"ם דו מימדית מן האוויר וזיהוי העצמים השונים. - 43 איור


Page 17 of 18 4182ליוני 81 סיכום

סיכום

קיימים יתרונות רבים עבור מכ"ם העיקרי בהם הוא יכולות קליטה גם בתנאים שאמצעים אחרים נכשלים, היתרון

חרים הם מרחק, חדירות דרך הא היתרונותהמשמעותי השני היא יכולת למיפוי עומק גם בתמונת אופק קצרה.

עצמים, מיפוי עלווה, זיהוי סוגי משטחים.

ובאמצעות המערכות לטווח בינוני ניתן מק" 3ירת הדמיות אפילו עד טווח של המכ"מים הראו יכולות טובות ביצ

ממדית בעזרת אלגוריתם.-ליצור תמונה תלת

טח, ניתן למטב את יכולות אלה בעזרת מיפויים מערכות אלה יכולות להתאים לניווט ותכנון מסלול אוטונומי בש

אלקטרוניים של האזור.


Page 18 of 18 4182ליוני 81 מקורות

מקורותAUSTRALIAN CENTRE FOR FIELD ROBOTICS( .אין תאריך .)Frequency Modulation and High Resolution .

:Sensor Systems Courseמתוך , june 2014 00 -אוחזר ב

http://www.acfr.usyd.edu.au/pdfs/training/sensorSystems/08Lec%20-

%20High%20Range%20Resolution.pdf

Graham Brooker, R' H'-W( .'01 October 2006 .)High-resolution millimeter-wave radar systems for

visualization of unstructured outdoor environments .Journal of Field Robotics ,32(01 ,)810-102.

UNSW( .אין תאריך .)Interference beats and Tartini tones .02 -אוחזר ב june 2014 , מתוךUNSW:

http://www.animations.physics.unsw.edu.au/jw/beats.htm

Wikipedia_Chirp( .00 june 2014 .)Chirp .03 -אוחזר ב june 2014 , מתוךWikipedia:

http://en.wikipedia.org/wiki/Chirp

Wikipedia_CW( .06 june 2014 .)Continuous-wave_radar .01 -אוחזר ב june 2014 , מתוךWikipedia:

http://en.wikipedia.org/wiki/Continuous-wave_radar

Wikipedia_FM( .03 may 2014 .)Frequency Modulation .05 -אוחזר ב june 2014 ,וך מתWikipedia:

http://en.wikipedia.org/wiki/Frequency_modulation

Wikipedia_Gimbal( .0 april 2014 .)Gimbal .03 -אוחזר ב june 2014 , מתוךWikipedia:

http://en.wikipedia.org/wiki/Gimbal

Wikipedia_GPS-INS( .08 june 2014 .)GPS-INS .01 -אוחזר ב june 2014 , מתוךWikipedia:

http://en.wikipedia.org/wiki/GPS/INS

.ישראל, חיפה. קורס חישת מיקרוגלים. CWם "מכ(. 2101יוני 06'. )י' ד, ניומן

Science

מכם לניווט רכבי שטח - אור הירשפלד - עבודה בקורס חישת מיקרוגלים - טכניון חיפה - 16 ליוני 2014