Drony dokáží určit svou polohu i ve tmě a uvnitř budov

Autonomní drony by se v budoucnu mohly používat k přepravě zásob mezi velkými sklady. Představte si dron prolétávající pološerou halou o rozměrech několika fotbalových hřišť, proplétající se stovkami stejných uliček, než se usadí na přesném místě, kde je jeho zásilka potřeba.

Většina dnešních dronů by tento úkol pravděpodobně nezvládla, protože se typicky v exteriéru řídí pomocí GPS, která uvnitř budov nefunguje. Pro vnitřní navigaci některé drony využívají počítačové vidění nebo lidar, ale obě techniky jsou v tmavém prostředí nebo místnostech s jednoduchými stěnami či opakujícími se prvky nespolehlivé.

Výzkumníci z MIT představili nový přístup, který umožňuje dronům samostatnou lokalizaci, tedy určení jejich polohy v tmavém a špatně viditelném vnitřním prostředí. Samostatná lokalizace je klíčovým krokem k autonomní navigaci.

Výzkumníci vyvinuli systém nazvaný MiFly, ve kterém dron využívá rádiové vlny (RF), odrážející se od jediného značkovače umístěného v jeho okolí, k autonomní samostatné lokalizaci.

Protože MiFly umožňuje samostatnou lokalizaci pouze s jedním malým značkovačem, který lze připevnit na stěnu jako nálepku, je levnější a snazší na implementaci než systémy vyžadující více značek. Navíc, jelikož značka MiFly odráží signály vysílané dronem, místo aby generovala vlastní signál, může pracovat s velmi nízkou spotřebou energie.

Dva běžně dostupné radary namontované na dronu mu umožňují lokalizovat se vzhledem k značce. Tato měření se slučují s daty z palubního počítače dronu, což mu umožňuje odhadnout jeho trajektorii.

Výzkumníci provedli stovky leteckých experimentů se skutečnými drony ve vnitřních prostorách a zjistili, že MiFly konzistentně lokalizoval dron do vzdálenosti menší než 7 centimetrů.

„Jak se zlepšuje naše porozumění vnímání a výpočtům, často zapomínáme na signály, které jsou mimo viditelné spektrum. Zde jsme se podívali za GPS a počítačové vidění na milimetrové vlny a tím jsme otevřeli nové možnosti pro drony v vnitřních prostorech, které dříve nebyly možné,“ říká Fadel Adib, docent na katedře elektrotechniky a informatiky, ředitel skupiny Signal Kinetics v MIT Media Lab a hlavní autor článku o MiFly.

Adiba se na článku podíleli spoluautoři a výzkumní asistenti Maisy Lam a Laura Dodds; Aline Eid, bývalá postdoktorandka, která je nyní docentkou na Michiganské univerzitě; a Jimmy Hester, CTO a spoluzakladatel společnosti Atheraxon, Inc. Výzkum bude prezentován na konferenci IEEE o počítačové komunikaci.

Odražené signály

Aby umožnili dronům samostatnou lokalizaci v tmavých vnitřních prostorách, výzkumníci se rozhodli využít signály milimetrových vln. Milimetrové vlny, které se běžně používají v moderních radarech a 5G komunikačních systémech, fungují ve tmě a mohou procházet běžnými materiály, jako je karton, plast a vnitřní stěny.

Chtěli vytvořit systém, který by fungoval pouze s jednou značkou, aby byl levnější a snadněji implementovatelný v komerčních prostředích. Aby zajistili nízkou spotřebu energie zařízení, navrhli zpětně rozptylující značku, která odráží signály milimetrových vln vysílané palubním radarem dronu. Dron využívá tyto odrazy k vlastní lokalizaci.

Radar dronu by však přijímal signály odrážející se z celého prostředí, nejen od značky. Výzkumníci tento problém překonali použitím techniky zvané modulace. Nakonfigurovali značku tak, aby přidala malou frekvenci k signálu, který rozptyluje zpět k dronu.

„Nyní se odrazy z okolního prostředí vracejí na jedné frekvenci, ale odrazy od značky se vracejí na jiné frekvenci. To nám umožňuje oddělit odpovědi a dívat se pouze na odpověď ze značky,“ říká Dodds.

Pouze s jednou značkou a jedním radarem však výzkumníci mohli vypočítat pouze vzdálenost. K výpočtu polohy dronu potřebovali více signálů.

Místo použití více značek přidali k dronu druhý radar, jeden horizontální a jeden vertikální. Horizontální radar má horizontální polarizaci, což znamená, že vysílá signály horizontálně, zatímco vertikální radar má vertikální polarizaci.

Do antén značky začlenili polarizaci, aby mohla izolovat samostatné signály vysílané každým radarem.

„Polarizované sluneční brýle přijímají určitou polarizaci světla a blokují jiné polarizace. Stejný koncept jsme aplikovali na milimetrové vlny,“ vysvětluje Lam.

Navíc aplikovali různé modulační frekvence na vertikální a horizontální signály, čímž dále snížili rušení.

Přesné odhadování polohy

Tato architektura s dvojitou polarizací a dvojitou modulací udává prostorovou polohu dronu. Drony se však pohybují pod úhlem a rotují, takže aby se dron mohl orientovat, musí odhadnout svou polohu v prostoru vzhledem k šesti stupňům volnosti – s daty trajektorie včetně náklonu, sklonu a náklonu navíc k obvyklému pohybu vpřed/vzad, vlevo/vpravo a nahoru/dolů.

„Rotace dronu přidává do odhadů milimetrových vln velkou nejednoznačnost. To je velký problém, protože drony se během letu dost otáčejí,“ říká Dodds.

Tyto problémy překonali použitím palubní inerciální měřící jednotky dronu, senzoru, který měří zrychlení a také změny nadmořské výšky a náklonu. Spojením těchto informací s měřeními milimetrových vln odrážených značkou umožňuje MiFly odhadnout plnou šestistupňovou polohu dronu za pouhé milisekundy.

Otestovali dron vybavený MiFly v několika vnitřních prostředích, včetně své laboratoře, leteckého prostoru na MIT a stinných tunelů pod budovami kampusu. Systém dosáhl vysoké přesnosti konzistentně ve všech prostředích, lokalizující dron do 7 centimetrů ve mnoha experimentech.

Systém byl navíc téměř stejně přesný v situacích, kdy značka byla zablokována z pohledu dronu. Dosáhli spolehlivých odhadů lokalizace až do vzdálenosti 6 metrů od značky.

Tuto vzdálenost by bylo možné v budoucnu prodloužit použitím dalšího hardwaru, jako jsou zesilovače s vysokým výkonem, nebo vylepšením designu radaru a antény. Výzkumníci také plánují další výzkum začleněním MiFly do autonomního navigačního systému. To by umožnilo dronu rozhodnout, kudy má letět, a provést letovou dráhu pomocí technologie milimetrových vln.

„Infrastruktura a algoritmy lokalizace, které pro tuto práci budujeme, jsou pevným základem pro to, aby se staly robustnějšími a umožnily rozmanité komerční aplikace,“ říká Lam.

Tento výzkum je částečně financován Národní vědeckou nadací a MIT Media Lab.