無人機在黑暗與室內環境中的精準定位新突破

未來，自主無人機有望在大型倉庫間穿梭運輸貨物。想像一下，一架無人機飛入一個半黑暗、面積相當於數個足球場的建築物，快速穿過數百條相同的通道，最終精準停靠在需要卸貨的位置。然而，現今大多數無人機可能難以完成這項任務，因為它們通常依賴GPS進行戶外導航，而GPS在室內環境中無法運作。對於室內導航，部分無人機使用電腦視覺或光達技術，但這些方法在黑暗環境或牆面單調、特徵重複的房間中並不可靠。

麻省理工學院的研究人員提出了一種新方法，使無人機能夠在室內、黑暗和低能見度環境中進行自我定位，這是自主導航的關鍵步驟。他們開發了一種名為MiFly的系統，該系統利用無線電頻率（RF）波，透過環境中放置的單一標籤反射訊號，實現無人機的自主定位。由於MiFly只需一個小型標籤即可實現定位，且該標籤可以像貼紙一樣貼在牆上，因此比需要多個標籤的系統更便宜且更容易實施。此外，由於MiFly標籤反射的是無人機傳送的訊號，而非自行產生訊號，因此其功耗極低。

無人機上安裝的兩個現成雷達使其能夠相對於標籤進行定位。這些測量資料與無人機的機載電腦資料融合，使其能夠估算飛行軌跡。研究人員在室內環境中進行了數百次真實無人機飛行實驗，結果顯示MiFly始終能將無人機定位誤差控制在7公分以內。

「隨著我們對感知和計算的理解不斷提升，我們常常忽略了可見光譜以外的訊號。在這裡，我們超越了GPS和電腦視覺，轉向毫米波，從而為無人機在室內環境中開闢了前所未有的能力，」麻省理工學院電機工程與電腦科學系副教授、媒體實驗室訊號動力學組主任Fadel Adib表示，他也是MiFly論文的資深作者。

為了讓無人機在黑暗的室內環境中進行自我定位，研究人員決定利用毫米波訊號。毫米波常用於現代雷達和5G通訊系統，能在黑暗中工作，並能穿透紙板、塑膠和內牆等日常材料。他們著手建立一個僅需一個標籤的系統，以便在商業環境中更便宜且更容易實施。為了確保裝置保持低功耗，他們設計了一種反向散射標籤，能夠反射無人機機載雷達傳送的毫米波訊號。無人機利用這些反射訊號進行自我定位。

然而，無人機的雷達會接收到來自環境各處的反射訊號，而不僅僅是標籤。研究人員透過使用調製技術克服了這一挑戰。他們配置標籤，使其在散射回無人機的訊號上增加一個小頻率。「現在，來自周圍環境的反射訊號以一個頻率返回，而來自標籤的反射訊號以另一個頻率返回。這使我們能夠分離回應，僅檢視來自標籤的回應，」Dodds解釋道。

然而，僅有一個標籤和一個雷達，研究人員只能計算距離測量值。他們需要多個訊號來計算無人機的位置。於是，他們在無人機上增加了第二個雷達，一個水平安裝，一個垂直安裝。水平雷達具有水平極化，意味著它水平傳送訊號，而垂直雷達則具有垂直極化。他們將極化技術應用於標籤的天線，使其能夠隔離每個雷達傳送的單獨訊號。

「偏光太陽鏡接收特定極化的光並阻擋其他極化。我們將相同的概念應用於毫米波，」Lam解釋道。此外，他們對垂直和水平訊號應用了不同的調製頻率，進一步減少幹擾。

這種雙極化和雙調製架構為無人機提供了空間位置。但無人機還會以角度移動和旋轉，因此為了實現無人機的導航，它必須估計其在空間中的位置，包括六個自由度——除了通常的前後、左右和上下之外，還包括俯仰、偏航和滾轉。「無人機的旋轉為毫米波估計增加了許多不確定性。這是一個大問題，因為無人機在飛行時會旋轉很多，」Dodds表示。

他們透過利用無人機的機載慣性測量單元克服了這些挑戰，該感測器測量加速度以及高度和姿態的變化。透過將這些資訊與標籤反射的毫米波測量資料融合，他們使MiFly能夠在幾毫秒內估算出無人機的完整六自由度姿態。

他們在多個室內環境中測試了配備MiFly的無人機，包括實驗室、麻省理工學院的飛行空間以及校園建築下的昏暗隧道。該系統在所有環境中均表現出高精度，在許多實驗中將無人機定位誤差控制在7公分以內。此外，即使在標籤被遮擋的情況下，該系統也幾乎同樣精準。他們在距離標籤6公尺的範圍內實現了可靠的定位估計。

未來，透過使用額外的硬體（如高功率放大器）或改進雷達和天線設計，這一距離還可以進一步擴大。研究人員還計劃將MiFly整合到自主導航系統中進行進一步研究。這可能使無人機能夠決定飛行路線並使用毫米波技術執行飛行路徑。「我們為這項工作建立的基礎設施和定位演算法是一個堅實的基礎，未來我們將使其更加穩健，以支援多樣的商業應用，」Lam表示。