误差不到7厘米，MIT新技术让无人机在黑暗室内实现精准定位

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（来源：MIT News）

想象这样一个场景：未来的智能仓库里，无人机在足球场大小的半封闭空间中自如穿梭，即便身处昏暗环境它也能精准识别数百条相似货架通道，最终将货物准确送达指定位置。这个看似科幻的场景，或许能凭借麻省理工学院的最新研究成果变成现实。


就目前而言，市面上的大多数无人机难以完成上述这类任务，这主要是由于通常情况下无人机在户外依靠 GPS 导航，而 GPS 在室内环境基本派不上用场。


对于室内导航，一些无人机采用计算机视觉或激光雷达技术，但在黑暗环境或是墙面特征单调的场所，这两种技术同样束手无策。


近期，麻省理工学院的研究人员开发出了一种新方法，能让无人机在室内、黑暗以及低能见度环境中实现自主定位。要知道，自主定位可是自主导航的关键环节。


研究人员开发的这个系统名为“MiFly”，在这个系统中，无人机借助射频波，通过放置在周围环境中的单个标签反射的信号，就能实现自主定位。


MiFly 仅需像贴纸一样可贴在墙上的小标签就能完成自主定位，相比其他（多标签）系统成本更低，也更易实现。


此外，由于 MiFly 标签是反射由无人机发出的信号，而不是自身产生信号，所以它的能耗极低。


无人机上配备的雷达能够帮助它跟据标签进行定位，这些测量数据与无人机机载计算机的数据相互融合，进而让其能够估算自身的飞行轨迹。


研究人员在室内环境中使用无人机开展了数百次飞行实验，结果显示，搭载 MiFly 系统能将无人机的定位误差控制在 7 厘米以内。

（来源：MIT News）

“随着我们对感知和计算的理解不断深入，常常会忽略可见光谱以外的信号。此次研究我们突破了 GPS 和计算机视觉的限制并将目光投向毫米波，从而为无人机在黑暗、室内环境中解锁了前所未有的新能力。”这篇研究论文的资深作者、麻省理工学院电气工程和计算机科学系副教授 Fadel Adib 说道。


Fadel Adib 与研究助理 Maisy Lam、Laura Dodds（共同第一作者），密歇根大学助理教授 Aline Eid，以及 Atheraxon 公司首席技术官兼联合创始人 Jimmy Hester 共同撰写了这篇论文。这项研究成果将在 IEEE 计算机通信会议上展示。

反向散射信号

为了让无人机在黑暗的室内环境中实现自主定位，研究团队将目光投向了毫米波技术。这种广泛应用于 5G 通信和现代雷达系统的特殊频段，不仅能在完全黑暗环境中工作，还能穿透纸箱、塑料板乃至普通墙体等日常障碍物


在这项新研究中，他们致力于打造一个仅需单个标签的系统，这样在商业场景中的应用成本更低、更便捷。为确保设备低功耗运行，研究团队设计了一种反向散射标签，能反射无人机机载雷达发出的毫米波信号，无人机则利用这些反射信号进行自主定位。


不过，无人机的雷达接收到的信号，除了来自标签的反射，还有整个环境反射的信号。对此，研究人员采用一种名为“调制”的技术解决了这一难题：通过对标签进行配置，使其散射回无人机的信号带有一个特定的小频率。


“如此一来，周围环境反射的信号以一个频率返回，而标签反射的信号频率与之不同。这样我们就能区分不同的反射信号，只关注来自标签的信号。”Laura Dodds 解释道。


但是仅靠一个标签和一个雷达，研究人员只能测量距离，想要计算无人机的位置还需要多个信号。


对于这个问题，研究人员没有增加标签数量，而是在无人机上额外安装了两个雷达：一个水平安装，一个垂直安装。水平雷达发射水平极化信号，垂直雷达则发射垂直极化信号。


他们还在标签天线上整合了极化功能，这样就能区分每个雷达发出的不同信号。


“就像偏光太阳镜只接收特定偏振光而阻挡其他偏振光一样，我们把同样的原理应用到毫米波上。”Maisy Lam 表示。


除此之外，研究团队还对水平和垂直信号设置了不同的调制频率，进一步降低了信号干扰。

精确的位置估算

这种“双极化”和“双调制”架构为无人机提供了空间位置信息。然而，无人机在飞行过程中不仅会直线移动，还会倾斜、旋转。


因此，为了实现自主导航，无人机必须依据六个自由度来估算自身在空间中的位置，除了前后、左右、上下这三个方向的移动，还包括俯仰、偏航和滚动等轨迹数据。


“无人机的旋转给毫米波定位带来了很多不确定因素，这个问题非常关键，因为无人机飞行时旋转非常频繁。”Laura Dodds 说道。


为了克服这些挑战，研究人员考虑到了无人机搭载的惯性测量单元（IMU），这是一种可以测量加速度、高度和姿态变化的传感器。通过融合该传感器的数据和标签反射的毫米波测量数据，MiFly 系统能在短短数毫秒内精确估算出无人机完整的六自由度姿态。


最后，他们在多种室内环境中测试了配备 MiFly 系统的无人机，包括实验室、麻省理工学院的飞行空间，以及校园建筑下昏暗的隧道。MiFly 系统在所有环境中都表现出高精度定位能力，在一系列实验中能够将无人机定位误差控制在 7 厘米以内。


值得一提的是，即使标签被遮挡，该系统的定位精度也不太受影响。在距离标签最远 6 米的地方，依然能实现可靠的定位估算。后期通过增加高功率放大器等硬件设备，或是优化雷达和天线设计，有望进一步扩大定位距离。


研究人员还计划如何将 MiFly 集成到自主导航系统中开展进一步研究，使无人机能够自主规划飞行方向，借助毫米波技术执行飞行路径。


“我们为这项研究搭建的硬件设施和定位算法是下一步研究的基础，未来我们还将不断优化完善以满足更多商业应用需求。”Maisy Lam 表示。


这项研究部分由美国国家科学基金会和麻省理工学院媒体实验室资助。


原文链接：
https://news.mit.edu/2025/engineers-enable-drone-determine-its-position-dark-and-indoors-0213