В будущем автономные дроны могут использоваться для перемещения инвентаря между крупными складами. Дрон может влететь в полутемное сооружение размером с несколько футбольных полей, промчаться по сотням одинаковых проходов, прежде чем приземлиться в том самом месте, где требуется его отгрузка.

Большинство современных дронов, вероятно, не справятся с этой задачей, поскольку дроны обычно ориентируются на открытом воздухе с помощью GPS, который не работает в помещениях . Для навигации внутри помещений некоторые дроны используют компьютерное зрение или лидар, но оба метода ненадежны в темных помещениях или помещениях с гладкими стенами или повторяющимися элементами.

Исследователи MIT представили новый подход, который позволяет дрону самостоятельно локализоваться или определять свое местоположение в помещениях, в темноте и в условиях плохой видимости. Самолокализация является ключевым шагом в автономной навигации.

Исследователи разработали систему под названием MiFly , в которой дрон использует радиочастотные (РЧ) волны, отражаемые одной меткой, размещенной в его среде, для автономной самолокализации.

Поскольку MiFly обеспечивает самолокализацию с помощью всего лишь одной небольшой метки, которую можно прикрепить к стене как наклейку, это будет дешевле и проще в реализации, чем системы, требующие нескольких меток. Кроме того, поскольку метка MiFly отражает сигналы, посылаемые дроном, а не генерирует свой собственный сигнал, она может работать с очень низкой мощностью.

Два готовых радара, установленных на дроне, позволяют ему локализоваться относительно метки. Эти измерения объединяются с данными бортового компьютера дрона, что позволяет ему оценить его траекторию.

Исследователи провели сотни летных экспериментов с реальными дронами в помещениях и обнаружили, что MiFly стабильно локализует дрон с точностью менее 7 сантиметров.

«По мере того, как наше понимание восприятия и вычислений улучшается, мы часто забываем о сигналах, которые находятся за пределами видимого спектра. Здесь мы вышли за рамки GPS и компьютерного зрения и обратились к миллиметровым волнам, и тем самым открыли новые возможности для беспилотников в помещениях, которые раньше были невозможны», — говорит Фадель Адиб, доцент кафедры электротехники и компьютерных наук, директор группы по кинетике сигналов в медиалаборатории Массачусетского технологического института и старший автор статьи о MiFly.

К Адибу в работе над статьей присоединились соавторы и научные сотрудники Мейси Лэм и Лора Доддс; Элин Эйд, бывший постдок, ныне доцент Мичиганского университета; и Джимми Хестер, технический директор и соучредитель Atheraxon, Inc. Исследование будет представлено на конференции IEEE по компьютерным коммуникациям .

Сигналы обратного рассеяния

Чтобы дроны могли самостоятельно локализоваться в темных помещениях, исследователи решили использовать сигналы миллиметровых волн. Миллиметровые волны, которые обычно используются в современных радарах и системах связи 5G, работают в темноте и могут проходить сквозь повседневные материалы, такие как картон, пластик и внутренние стены.

Они намеревались создать систему, которая могла бы работать всего с одной меткой, чтобы ее было дешевле и проще внедрять в коммерческих условиях. Чтобы гарантировать, что устройство потребляет мало энергии, они разработали метку обратного рассеяния, которая отражает сигналы миллиметровых волн, посылаемые бортовым радаром дрона. Дрон использует эти отражения для самолокализации.

Но радар дрона будет принимать сигналы, отраженные от всей окружающей среды, а не только от метки. Исследователи преодолели эту проблему, применив технику, называемую модуляцией. Они настроили метку так, чтобы она добавляла небольшую частоту к сигналу, который она рассеивает обратно на дрон.

«Теперь отражения от окружающей среды возвращаются на одной частоте, а отражения от метки возвращаются на другой частоте. Это позволяет нам разделить ответы и просто смотреть на ответ от метки», — говорит Доддс.

Однако, имея всего одну метку и один радар, исследователи смогли рассчитать только измерения расстояния. Им требовалось несколько сигналов для вычисления местоположения дрона.

Вместо того, чтобы использовать больше меток, они добавили второй радар к дрону, установив один горизонтально, а другой вертикально. Горизонтальный радар имеет горизонтальную поляризацию, что означает, что он посылает сигналы горизонтально, в то время как вертикальный радар будет иметь вертикальную поляризацию.

Они интегрировали поляризацию в антенны метки, чтобы она могла изолировать отдельные сигналы, посылаемые каждым радаром.

«Поляризованные солнцезащитные очки принимают определенную поляризацию света и блокируют другие поляризации. Мы применили ту же концепцию к миллиметровым волнам», — объясняет Лэм.

Кроме того, они применили различные частоты модуляции к вертикальным и горизонтальным сигналам, что еще больше снизило помехи.

Точная оценка местоположения

Эта архитектура с двойной поляризацией и двойной модуляцией дает дрону пространственное местоположение. Но дроны также движутся под углом и вращаются, поэтому для того, чтобы дрон мог осуществлять навигацию, он должен оценить свое положение в пространстве относительно шести степеней свободы — с данными траектории, включая тангаж, рыскание и крен в дополнение к обычным направлениям вперед/назад, влево/вправо и вверх/вниз.

«Вращение дрона вносит большую неоднозначность в оценки миллиметровых волн. Это большая проблема, поскольку дроны довольно сильно вращаются во время полета», — говорит Доддс.

Они преодолели эти проблемы, используя бортовой инерциальный измерительный блок дрона, датчик, который измеряет ускорение, а также изменения высоты и положения. Объединяя эту информацию с измерениями миллиметровых волн, отраженных меткой, они позволяют MiFly оценить полную позу дрона с шестью степенями свободы всего за несколько миллисекунд.

Они протестировали дрон, оснащенный MiFly, в нескольких закрытых помещениях, включая свою лабораторию, летное пространство в MIT и темные туннели под зданиями кампуса. Система достигла высокой точности во всех средах, локализуя дрон с точностью до 7 сантиметров во многих экспериментах.

Кроме того, система была почти такой же точной в ситуациях, когда метка была заблокирована из поля зрения дрона. Они достигли надежных оценок локализации на расстоянии до 6 метров от метки.

Это расстояние может быть увеличено в будущем с использованием дополнительного оборудования, такого как мощные усилители, или путем улучшения конструкции радара и антенны. Исследователи также планируют провести дальнейшие исследования, включив MiFly в автономную навигационную систему. Это может позволить дрону решать, куда лететь, и выполнять траекторию полета с использованием технологии миллиметровых волн.

«Инфраструктура и алгоритмы локализации, которые мы создаем для этой работы, являются прочной основой для дальнейшего развития и повышения их надежности для поддержки разнообразных коммерческих приложений», — говорит Лэм.