MIT、自律型ドローンシステム「MiFly」を開発。暗闇・屋内でも7センチの精度で位置を追跡

この発明は電波（RF）を使った新しい低電力システムで、交差偏光レーダーと無線タグを使用し、ドローンが6自由度で位置を追跡できるようにした。

将来、自律型ドローンは、大規模な倉庫間で在庫を輸送するために使用される可能性がある。ドローンは、複数のフットボール場ほどの大きさの薄暗い構造物の中を飛行し、何百もの同一の通路を通り抜け、出荷が必要な正確な場所にドッキングするかもしれない。

今日のドローンのほとんどは、このタスクを完了するのに苦労すると考えられる。ドローンは通常、屋外ではGPSを使用してナビゲートするが、GPSは屋内環境では機能しない。屋内ナビゲーションのために、一部のドローンはコンピュータービジョンやLIDARを使用するが、どちらの手法も、暗い環境や、壁が平らであったり、特徴が反復的であったりする部屋では信頼性が低くなる。

MITの研究者らは、屋内、暗い、低視認性の環境で、ドローンが自己位置を特定、つまり自分の位置を特定することを可能にする新しいアプローチを導入した。自己位置特定は、自律航法の重要なステップだという。

MiFlyは、ドローンは無線周波数（RF）波を使用し、環境に配置された単一のタグによって反射されたRF波を使用して、自律的に自己位置を特定する。

MiFlyは、ステッカーのように壁に貼り付けることができる小さなタグを1つだけ使用して自己位置特定を可能にするため、複数のタグを必要とするシステムよりも安価で実装が容易だ。さらに、MiFlyタグは独自の信号を生成するのではなく、ドローンから送信された信号を反射するため、非常に低い電力で動作させることができる。

ドローンに搭載された2つの既製のレーダーにより、ドローンはタグとの相対的な位置を特定できる。これらの測定値は、ドローンのオンボードコンピューターからのデータと融合され、ドローンは自分の軌道を推定できる。

研究者らは、屋内環境で実際のドローンを使用して数百回の飛行実験を実施し、MiFlyが一貫してドローンの位置を7センチメートル以内の精度で特定することを発見した。

電気工学およびコンピューターサイエンス学部の准教授かつ、MITメディアラボのSignal Kineticsグループのディレクターであり、MiFlyに関する論文の筆頭著者であるFadel Adib氏は、次のようにコメントしている。

Adib氏とともに論文を執筆したのは、共同筆頭著者であり研究助手のMaisy Lam氏とLaura Dodds氏、元ポスドク研究員で現在はミシガン大学の助教授であるAline Eid氏、Atheraxon, Inc.のCTO兼共同創設者のJimmy Hester氏だ。この研究は、IEEE Conference on Computer Communicationsで発表される予定。

後方散乱信号

ドローンが暗い屋内環境で自己位置を特定できるようにするために、研究者らはミリ波信号を利用することにした。ミリ波は、最新のレーダーや5G通信システムで一般的に使用されており、暗闇でも機能し、段ボール、プラスチック、内壁などの日常的な素材を通過できる。

研究者らは、1つのタグだけで機能するシステムを作成することに着手した。これにより、商用環境での実装が安価かつ容易になるからだ。デバイスの低電力を維持するために、ドローンのオンボードレーダーから送信されたミリ波信号を反射する後方散乱タグを設計した。ドローンは、これらの反射を使用して自己位置を特定する。

ただし、ドローンのレーダーは、タグだけでなく、環境全体から反射された信号を受信する。研究者らは、変調と呼ばれる手法を採用することで、この課題を克服した。研究者らは、タグがドローンに散乱して戻す信号に小さな周波数を追加するように構成した。

ただし、タグが1つとレーダーが1つだけでは、距離の測定値しか計算できなかった。ドローンの位置を計算するには、複数の信号が必要だった。

研究者らは、タグを増やすのではなく、2つ目のレーダーをドローンに追加し、1つを水平に、もう1つを垂直に取り付けた。水平レーダーは水平偏波を持ち、信号を水平方向に送信する。一方、垂直レーダーは垂直偏波を持つ。

研究者らは、各レーダーから送信された個別の信号を分離できるように、偏波をタグのアンテナに組み込んだ。

さらに、干渉をさらに減らすために、異なる変調周波数を垂直信号と水平信号に適用した。

正確な位置推定

この二重偏波および二重変調アーキテクチャにより、ドローンの空間的な位置がわかる。しかし、ドローンは角度をつけて移動したり回転したりもするため、ドローンがナビゲートできるようにするには、通常の前後、左右、上下に加えて、ピッチ、ヨー、ロールを含む軌道データを使用して、空間内の位置を6自由度で推定する必要がある。

研究者らは、ドローンのオンボード慣性測定ユニット、つまり高度と姿勢の変化だけでなく加速度も測定するセンサーを利用することで、これらの課題を克服した。この情報をタグによって反射されたミリ波の測定値と融合することにより、MiFlyはわずか数ミリ秒でドローンの完全な6自由度姿勢を推定できる。

研究者らは、MiFlyを搭載したドローンを、研究室、MITの飛行スペース、キャンパスの建物の下の薄暗いトンネルなど、いくつかの屋内環境でテストした。このシステムは、すべての環境で一貫して高い精度を達成し、多くの実験でドローンの位置を7センチメートル以内の精度で特定した。

さらに、このシステムは、タグがドローンの視界から遮られている状況でもほぼ同じくらい正確だった。研究者らは、タグから最大6メートル離れた場所で信頼性の高い位置推定を達成した。

その距離は、高出力アンプなどの追加のハードウェアを使用するか、レーダーとアンテナの設計を改善することで、将来拡張できる可能性があるという。研究者らは、MiFlyを自律航法システムに組み込むことで、さらなる研究を行う予定だ。これにより、ドローンは飛行場所を決定し、ミリ波技術を使用して飛行経路を実行できるようになる可能性があるとしている。

この研究は、一部、全米科学財団とMITメディアラボの資金提供を受けている。

▶︎マサチューセッツ工科大学