Sistema de rastreamento de alvos multi-sensor para veículos Wing-in-Ground

FERNANDES, JOSÉ CARLOS PINTO

http://hdl.handle.net/10400.22/31272

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Authors

FERNANDES, JOSÉ CARLOS PINTO

Advisor(s)

Dias, André Miguel Pinheiro

Abstract(s)

Wing-In-Ground-effect (WIG) craft are specialized vehicles that leverage the groundeffect phenomenon - characterized by increased lift and reduced drag when flying close to a surface such as water. This effect enables Wing-In-Ground-effect (WIG) vehicles to achieve higher speeds and carry greater payloads with lower fuel consumption compared to conventional aircraft. However, the exploitation of groundeffect presents significant operational challenges: traditional pilots are not typically trained to maintain sustained flight in this regime, and the near-surface environment contains numerous dynamic and static obstacles. These complexities require the development of a robust autonomous navigation and obstacle avoidance system tailored for WIG applications. This work presents a multi-sensor multi-target perception system for autonomous WIG vehicles. The system integrates multiple sensor modalities to exploit their complementary strengths and minimize individual limitations. It is capable of estimating the position, velocity, and acceleration (depending on the motion model applied) of a target with a Kalman filter. The targets are tracked individually, each with an independent estimator, in which sensor measurements are associated with the Joint Probabilistic Data Association Filter to guarantee accurate target association even in cluttered environments. The resulting system provides reliable environmental awareness and forms a necessary component of an autonomous control framework for WIG craft.

Wing-In-Ground-effect (WIG) craft são veículos especializados que exploram o fenómeno ground-effect - caracterizado por um aumento de sustentação e uma redução de resistência aerodinâmica quando voam próximo de uma superfície, como a água. Este efeito permite que estas aeronaves atinjam velocidades superiores e transportem cargas mais pesadas com um consumo de combustível reduzido, em comparação com aeronaves convencionais. No entanto, a operação sustentada neste regime apresenta desafios significativos: os pilotos não estão, geralmente, treinados para voar continuamente em ground-effect, e o ambiente próximo à superfície está repleto de obstáculos dinâmicos e estáticos. Estas complexidades exigem o desenvolvimento de um sistema robusto de navegação autónomo e de desvio de obstáculos, especificamente adaptado a WIG. Este trabalho apresenta um sistema de perceção multi-sensor e multi-alvo para veículos WIG autónomos. O sistema integra diversas modalidades sensoriais, aproveitando as qualidades de cada um e mitigando as limitações individuais. Pode estimar a posição, velocidade e aceleração (dependendo do modelo de movimento aplicado) de cada alvo, através de um filtro de Kalman. Os alvos são rastreados individualmente, cada um com um estimador independente, sendo as medições dos sensores associadas através do Joint Probabilistic Data Association Filter, garantindo uma associação precisa mesmo em ambientes congestionados. O sistema resultante fornece uma perceção fiável do ambiente envolvente e constitui um componente essencial de um sistema autónomo para aeronaves WIG.