工程师使无人机能够在黑暗中和室内确定其位置

快速阅读: 《麻省理工学院》消息，MiFly是一种利用单个小标签和毫米波技术实现无人机室内精确定位的新系统，定位误差小于7厘米。该系统使用双雷达和双极化技术，无需GPS或计算机视觉。通过融合雷达数据和无人机内置传感器的信息，MiFly能在几毫秒内估算无人机的六自由度姿态。此技术有望应用于多种商业场景。

由于MiFly只需一个小型标签即可实现自我定位，这个标签可以像贴纸一样贴在墙上，因此它比需要多个标签的系统更便宜、更易于实施。安装在无人机上的两个现成雷达使无人机能够相对于标签进行定位。这些测量数据与无人机内置计算机的数据融合，使无人机能够估算其轨迹。研究人员在室内环境中进行了数百次飞行实验，发现MiFly能将无人机精确定位在小于7厘米的范围内。随着我们对感知和计算的理解不断进步，我们常常会忽略那些超出可见光谱范围的信号。在这里，我们超越了GPS和计算机视觉，转向毫米波技术，为无人机在室内环境中的应用开辟了新途径。

“随着我们对感知和计算的理解不断进步，我们常常会忽略那些超出可见光谱范围的信号。在这里，我们超越了GPS和计算机视觉，转向毫米波技术，为无人机在室内环境中的应用开辟了新途径，”电气工程与计算机科学系副教授、麻省理工学院媒体实验室信号动力学研究组主任、MiFly论文的资深作者法德尔·阿迪布说道。阿迪布在论文中与共同第一作者兼研究员马西·蓝和劳拉·多德斯，前博士后研究员艾瑟·艾德（现任密歇根大学助理教授），以及Atheraxon公司首席技术官兼联合创始人吉米·赫斯特共同合作。这项研究将在IEEE通信会议（IEEE国际通信会议）上发表。

反向散射信号

为了使无人机能够在黑暗的室内环境中自我定位，研究人员决定利用毫米波信号。毫米波通常用于现代雷达和5G通信系统，在黑暗中工作，可以穿过诸如纸板、塑料和内部墙壁等日常材料。他们试图创建一个只需要一个标签就能工作的系统，这样在商业环境中实施起来会更便宜、更容易。为了确保设备保持低功耗，他们设计了一个反射毫米波信号的反向散射标签，该信号由无人机的内置雷达发出。无人机使用这些反射来实现自我定位。但是无人机的雷达会接收到从整个环境反射回来的信号，而不仅仅是标签的反射。研究人员通过采用一种称为调制的技术解决了这一挑战。他们配置标签以向其散射回无人机的小频率信号添加一个小频率。“现在，来自周围环境的反射信号以一个频率返回，但来自标签的反射信号以不同的频率返回。这使得我们可以分离这些响应并仅关注来自标签的响应，”多德斯说。

然而，仅有一个标签和一个雷达，研究人员只能计算距离测量值。他们需要多个信号来计算无人机的位置。他们没有使用更多的标签，而是给无人机增加了第二个雷达，一个水平安装，一个垂直安装。水平雷达具有水平极化，这意味着它发送水平信号，而垂直雷达则具有垂直极化。他们在标签的天线上加入了极化，以便它可以隔离每个雷达发送的独立信号。“偏振太阳镜只允许特定偏振方向的光线通过，阻挡其他偏振方向的光线。我们将类似的概念应用于毫米波，”蓝解释道。此外，他们还对垂直和水平信号应用了不同的调制频率，进一步减少了干扰。

精确的位置估计

这种双极化和双调制架构使无人机的空间位置得以确定。但无人机也会以角度移动并旋转，因此为了让无人机导航，它必须估计其在空间中的位置，包括六个自由度——除了常规的前后、左右、上下之外，还包括俯仰、偏航和滚转。“无人机的旋转给毫米波估计带来了很大不确定性。这是一个大问题，因为无人机在飞行时会频繁旋转，”多德斯说。他们通过利用无人机的内置惯性测量单元克服了这些挑战，该传感器测量加速度以及高度和姿态的变化。通过将这些信息与标签反射的毫米波测量数据融合，他们使MiFly能够在几毫秒内估算出无人机的完整六自由度姿态。他们在几个室内环境中测试了装备有MiFly的无人机，包括他们的实验室、麻省理工学院的飞行空间以及校园建筑下的昏暗隧道。该系统在所有环境中都实现了高精度，多数实验中将无人机定位在小于7厘米的范围内。此外，在标签被无人机视线遮挡的情况下，该系统也几乎同样准确。他们实现了在距离标签高达6米的情况下可靠的定位估计。未来可通过增加额外硬件（如高功率放大器）或改进雷达和天线设计来延长这一距离。研究人员还计划通过将MiFly集成到自主导航系统中进行进一步研究。这可以使无人机决定飞往何处并使用毫米波技术执行飞行路径。“我们为这项工作建立的基础设施和定位算法是一个坚实的基础，可以使其更加稳健，以支持各种商业应用，”蓝说。这项研究部分得到了国家科学基金会和麻省理工学院媒体实验室的支持。

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