Αυτόνομα drones: Εσωτερική πλοήγηση σε σκοτεινούς χώρους

Η πρόκληση της εσωτερικής πλοήγησης

Φανταστείτε ένα μέλλον όπου τα αυτόνομα drones μεταφέρουν αποθέματα σε τεράστιες αποθήκες, πετώντας μέσα σε ημίφωτα κτίρια μεγέθους πολλών γηπέδων ποδοσφαίρου. Αυτά τα drones θα πρέπει να κινούνται ανάμεσα σε εκατοντάδες πανομοιότυπους διαδρόμους και να σταθμεύουν με ακρίβεια στο σημείο όπου απαιτείται η παράδοση του φορτίου τους. Ωστόσο, η σημερινή τεχνολογία δεν μπορεί να ανταποκριθεί σε αυτή την πρόκληση, καθώς τα περισσότερα drones βασίζονται στο GPS για την πλοήγηση, το οποίο δεν λειτουργεί σε εσωτερικούς χώρους.

Η καινοτομία του MIT: Το σύστημα MiFly

Ερευνητές του MIT ανέπτυξαν μια πρωτοποριακή προσέγγιση που επιτρέπει στα drones να αυτοεντοπίζονται σε εσωτερικούς, σκοτεινούς και χαμηλής ορατότητας χώρους. Η αυτοεντοπιση είναι κρίσιμο βήμα για την αυτόνομη πλοήγηση. Το σύστημα που ανέπτυξαν, γνωστό ως MiFly, χρησιμοποιεί ραδιοσυχνότητες (RF) που ανακλώνται από μια μοναδική ετικέτα τοποθετημένη στο περιβάλλον του drone για να αυτοεντοπίζεται αυτόνομα.

Οικονομική και εύκολη υλοποίηση

Το MiFly προσφέρει μια οικονομική και εύκολη λύση, καθώς απαιτεί μόνο μία μικρή ετικέτα που μπορεί να τοποθετηθεί στον τοίχο σαν αυτοκόλλητο. Επειδή η ετικέτα απλώς ανακλά τα σήματα που στέλνει το drone, αντί να παράγει δικό της σήμα, λειτουργεί με πολύ χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Δύο ραντάρ που είναι τοποθετημένα στο drone επιτρέπουν την αυτοεντοπιση σε σχέση με την ετικέτα, ενώ τα δεδομένα συνδυάζονται με πληροφορίες από τον ενσωματωμένο υπολογιστή του drone για την εκτίμηση της τροχιάς του.

Η χρήση των millimeter waves

Για να επιτρέψουν στα drones να αυτοεντοπίζονται σε σκοτεινά, εσωτερικά περιβάλλοντα, οι ερευνητές αποφάσισαν να χρησιμοποιήσουν millimeter waves. Αυτά τα κύματα, που χρησιμοποιούνται συχνά σε σύγχρονα ραντάρ και συστήματα επικοινωνίας 5G, λειτουργούν στο σκοτάδι και μπορούν να διαπεράσουν καθημερινά υλικά όπως χαρτόνι, πλαστικό και εσωτερικούς τοίχους.

Η τεχνολογία backscatter

Η ομάδα του MIT δημιούργησε μια ετικέτα backscatter που ανακλά τα millimeter waves που στέλνει το ραντάρ του drone. Ωστόσο, το ραντάρ του drone λαμβάνει σήματα που ανακλώνται από όλο το περιβάλλον, όχι μόνο από την ετικέτα. Για να ξεπεράσουν αυτή την πρόκληση, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται διαμόρφωση, προσθέτοντας μια μικρή συχνότητα στο σήμα που ανακλά η ετικέτα.

Ακριβής εκτίμηση θέσης

Η αρχιτεκτονική διπλής πόλωσης και διπλής διαμόρφωσης επιτρέπει στο drone να εκτιμά τη χωρική του θέση. Όμως, τα drones κινούνται σε γωνίες και περιστρέφονται, οπότε για να πλοηγηθεί ένα drone, πρέπει να εκτιμήσει τη θέση του στο χώρο με έξι βαθμούς ελευθερίας — συμπεριλαμβανομένων των δεδομένων τροχιάς όπως pitch, yaw και roll.

Προκλήσεις και μελλοντικές προοπτικές

Η περιστροφή των drones προσθέτει πολλή ασάφεια στις εκτιμήσεις των millimeter waves. Οι ερευνητές ξεπέρασαν αυτές τις προκλήσεις χρησιμοποιώντας τη μονάδα αδρανειακής μέτρησης του drone, έναν αισθητήρα που μετρά την επιτάχυνση καθώς και τις αλλαγές στο ύψος και τη στάση. Συνδυάζοντας αυτή την πληροφορία με τις μετρήσεις των millimeter waves που ανακλά η ετικέτα, το MiFly μπορεί να εκτιμήσει τη θέση του drone με έξι βαθμούς ελευθερίας μέσα σε λίγα χιλιοστά του δευτερολέπτου.

Δοκιμές και αποτελέσματα

Οι ερευνητές δοκίμασαν ένα drone εξοπλισμένο με MiFly σε διάφορα εσωτερικά περιβάλλοντα, συμπεριλαμβανομένου του εργαστηρίου τους, του χώρου πτήσης στο MIT και των σκοτεινών τούνελ κάτω από τα κτίρια της πανεπιστημιούπολης. Το σύστημα πέτυχε υψηλή ακρίβεια σε όλα τα περιβάλλοντα, εντοπίζοντας το drone με ακρίβεια μικρότερη των 7 εκατοστών σε πολλές δοκιμές.

Το MiFly απέδειξε την ικανότητά του να παρέχει αξιόπιστες εκτιμήσεις θέσης ακόμα και όταν η ετικέτα ήταν κρυμμένη από το οπτικό πεδίο του drone. Οι εκτιμήσεις αυτοεντοπισμού ήταν αξιόπιστες μέχρι και 6 μέτρα από την ετικέτα, με δυνατότητες επέκτασης αυτής της απόστασης στο μέλλον με τη χρήση επιπλέον υλικού, όπως ενισχυτές υψηλής ισχύος ή με βελτίωση του σχεδιασμού των ραντάρ και των κεραιών.

Μελλοντικές εφαρμογές

Οι ερευνητές σχεδιάζουν να συνεχίσουν την έρευνά τους ενσωματώνοντας το MiFly σε ένα αυτόνομο σύστημα πλοήγησης. Αυτό θα μπορούσε να επιτρέψει σε ένα drone να αποφασίζει πού να πετάξει και να εκτελεί μια διαδρομή πτήσης χρησιμοποιώντας την τεχνολογία των millimeter waves. Οι υποδομές και οι αλγόριθμοι αυτοεντοπισμού που αναπτύχθηκαν για αυτή την εργασία αποτελούν μια ισχυρή βάση για να γίνουν πιο ανθεκτικοί και να επιτρέψουν ποικίλες εμπορικές εφαρμογές.

Η έρευνα αυτή χρηματοδοτείται εν μέρει από το National Science Foundation και το MIT Media Lab.