Инженеры MIT разработали систему, которая позволяет дрону самостоятельно определять своё местоположение в помещениях

Большинству современных дронов, скорее всего, будет сложно выполнить эту задачу, поскольку дроны обычно ориентируются на открытом воздухе с помощью GPS, который не работает в помещениях. Для навигации в помещениях некоторые дроны используют компьютерное зрение или лидар, но оба метода ненадёжны в тёмных помещениях или комнатах с однотонными стенами или повторяющимися элементами.

Исследователи Массачусетского технологического института представили новый подход, который позволяет дрону самостоятельно определять своё местоположение в помещениях, в темноте и в условиях плохой видимости. Самостоятельная локализация — ключевой этап автономной навигации.

Исследователи разработали систему под названием MiFly, в которой дрон использует радиочастотные (РЧ) волны, отражаемые одним датчиком, расположенным в окружающей среде, для автономной самолокации.

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

Два готовых к использованию радара, установленных на дроне, позволяют ему определять своё местоположение относительно метки. Эти измерения объединяются с данными бортового компьютера дрона, что позволяет ему рассчитывать траекторию полёта.

Исследователи провели сотни экспериментов с реальными дронами в помещениях и обнаружили, что MiFly стабильно определяет местоположение дрона с точностью до 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, что позволило нам открыть новые возможности для дронов в помещениях, которые раньше были недоступны», — говорит Фадель Адиб, доцент кафедры электротехники и компьютерных наук, руководитель группы Signal Kinetics в Media Lab Массачусетского технологического института и старший автор статьи о MiFly.

Чтобы дроны могли самостоятельно определять своё местоположение в тёмных 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 через обычные материалы, такие как картон, пластик и внутренние стены.

Они решили создать систему, которая могла бы работать с помощью всего одной метки, чтобы её было дешевле и проще внедрять в коммерческих условиях. Чтобы устройство потребляло мало энергии, они разработали метку с обратным рассеянием, которая отражает сигналы миллиметрового диапазона, посылаемые бортовым радаром дрона. Дрон использует эти отражения для самонаведения.

Но радар дрона будет принимать сигналы, отражённые от всего окружения, а не только от метки. Исследователи решили эту проблему, используя метод, называемый модуляцией. Они настроили метку так, чтобы она добавляла небольшую частоту к сигналу, который она отражает обратно к дрону.

«Теперь отражения от окружающей среды возвращаются на одной частоте, а отражения от метки — на другой. Это позволяет нам разделить сигналы и рассматривать только сигнал от метки», — говорит Доддс.

Однако, имея только один маячок и один радар, исследователи могли рассчитывать только на измерение расстояния. Для определения местоположения дрона им требовалось несколько сигналов.

Вместо того чтобы использовать больше меток, они добавили к дрону второй радар, установив его горизонтально и вертикально. Горизонтальный радар имеет горизонтальную поляризацию, то есть он посылает сигналы горизонтально, а вертикальный радар имеет вертикальную поляризацию.

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

«Поляризационные солнцезащитные очки воспринимают определённую поляризацию света и блокируют другие поляризации. Мы применили ту же концепцию к миллиметровым волнам», — объясняет Лам.

Кроме того, они применяли разные частоты модуляции для вертикального и горизонтального сигналов, что ещё больше уменьшало помехи.

Эта архитектура с двойной поляризацией и двойной модуляцией позволяет определить пространственное положение дрона. Но дроны также перемещаются под углом и вращаются, поэтому, чтобы дрон мог ориентироваться, он должен оценивать своё положение в пространстве по шести степеням свободы — с учётом данных о траектории, включая тангаж, рыскание и крен в дополнение к обычным направлениям вперёд/назад, влево/вправо и вверх/вниз.

«Вращение дрона вносит большую неопределённость в расчёты миллиметровых волн. Это серьёзная проблема, потому что дроны довольно сильно вращаются во время полёта», — говорит Доддс.

Они преодолели эти трудности, используя бортовой инерциальный измерительный блок дрона — датчик, который измеряет ускорение, а также изменения высоты и положения в пространстве. Объединив эту информацию с данными, полученными с помощью миллиметровых волн, отражённых от метки, они позволили MiFly всего за несколько миллисекунд оценить положение дрона в пространстве с шестью степенями свободы.

Исследователи протестировали дрон с системой MiFly в нескольких помещениях, в том числе в своей лаборатории, в лётном ангаре Массачусетского технологического института и в тёмных туннелях под зданиями кампуса. Система стабильно обеспечивала высокую точность во всех помещениях, локализуя дрон с точностью до 7 сантиметров во многих экспериментах.

Кроме того, система была почти так же точна в ситуациях, когда метка была скрыта от обзора дрона. Они получали надёжные оценки местоположения на расстоянии до 6 метров от метки.

В будущем это расстояние можно будет увеличить с помощью дополнительного оборудования, например усилителей высокой мощности, или усовершенствовав конструкцию радара и антенны. Исследователи также планируют провести дополнительные исследования, включив MiFly в автономную навигационную систему. Это позволит дрону решать, куда лететь, и выполнять полёт по маршруту с помощью технологии миллиметровых волн.

Сообщение Инженеры MIT разработали систему, которая позволяет дрону самостоятельно определять своё местоположение в помещениях появились сначала на Время электроники.