Indoor-Navigation: Drohnensystem vom MIT ermöglicht Navigation in dunklen Räumen
Das Drohnen-Indoor-Navigationssystem MiFly des MIT arbeitet mit reflektierten Radarwellen. Die Positionsbestimmung in Innenräumen ist so auf 7 cm genau möglich.
(Bild: MIT)
Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der University Michigan haben eine Navigation für Drohnen in Innenräumen entwickelt, die ohne Computer Vision oder Lidar funktioniert. Stattdessen setzten die Wissenschaftler bei ihrem MiFly-System auf die Auswertung reflektierter Funkwellen. Die Technik funktioniert auch in dunklen Umgebungen.
Unter freiem Himmel ist die Drohnen-Navigation ein Kinderspiel. Über GPS können genaue Ortsdaten einer Drohne ermittelt werden. Schwieriger ist es, wenn Drohnen in geschlossenen Gebäuden, wie etwa Lagerhäusern, eingesetzt werden und sich darin orientieren sollen, denn in Innenräumen funktioniert GPS aufgrund schwacher Signale nicht. Auch Techniken wie Computer Vision und Lidar haben dort ihre Tücken. Computer Vision scheitert bei schlechten Lichtverhältnissen, Lidar hat Schwierigkeiten bei glatten Wänden. Außerdem ist die Orientierung mit Lidar in Umgebungen mit wiederholenden Elementen schwierig. Das betrifft etwa lange Regalreihen in Lagerhäusern, die alle gleich aussehen.
Doppel-Radar
Das MiFly-System des MIT arbeitet mit zwei Radarsystemen, die in einer Drohne untergebracht sind, wie die Wissenschaftler in dem Paper "6D Self-Localization of Drones using a Single Millimeter-Wave Backscatter Anchor" (PDF) ausführen. Das Radar sendet Millimeterwellensignale aus. Sie können alltägliche Materialien wie etwa Pappe, Kunststoff und Innenwände durchdringen und werden auch in modernen Radarsystemen verwendet. Die ausgesendeten Signale werden von einem Rückstreuungs-Tag reflektiert, der beliebig in einem Raum platziert werden kann und nur wenig Strom benötigt.
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Da die reflektierten Radarsignale auch von der Umgebung stammen können, fügt der Tag dem reflektierten Signal eine weitere Frequenz hinzu. Die Drohne ist so in der Lage, die benötigten Signal-Reflexionen des Tags von denen der Umgebung zu unterscheiden.
Um den Standort einer Drohne zu ermitteln, reicht ein einzelnes Tag eigentlich nicht aus. Mit ihm ist es lediglich möglich, die Entfernung der Drohne zum Tag zu ermitteln. Die Forscher bedienen sich deshalb eines Tricks. Sie montieren das eine Radar horizontal und das andere vertikal in die Drohne. Entsprechend fällt die Polarisation horizontal und vertikal aus. Das eine Radar sendet die Signale also horizontal, das andere vertikal. Die Polarisierung berücksichtigten die Forscher im Tag, sodass es möglich ist, die von den beiden Radargeräten gesendeten Signale zu isolieren. Die Wissenschaftler wendeten unterschiedliche Modulationsfrequenzen auf die vertikalen und horizontalen Signale an, um Interferenzen weitgehend auszuschließen.
Lagebestimmung
Mit den kombinierten Signalen ist es möglich, die räumliche Position der Drohne zu bestimmen. Zur Navigation muss sie jedoch ihre Lage im Raum hinsichtlich ihrer sechs Freiheitsgrade abschätzen. Hinzu kommen die Flugbahnen neben Werten für Vorwärts, Rückwärts, Links, Rechts, Oben, Unten sowie Neigung, Gieren und Rollen.
"Die Rotation der Drohne fügt den Millimeterwellenschätzungen eine Menge Mehrdeutigkeit hinzu. Das ist ein großes Problem, denn Drohnen drehen sich während des Flugs ziemlich stark", sagt Laura Dodds, Forschungsassistentin am MIT und Mitautorin der Studie.
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Um die Lage der Drohne im Raum berücksichtigen zu können und genauere Signaleinschätzungen zu ermöglichen, nutzten die Wissenschaftler die internen Lagesensoren der Drohne, die neben der Lage zusätzlich Höhe und Beschleunigung ausgeben. Diese Informationen kombinierten die Forscher mit den reflektierten Signalen. MiFly kann so innerhalb von Millisekunden die Drohnenposition im Raum feststellen.
Das MIT probierte die MiFly-Drohne im Labor, im Flugraum und in dunklen Tunneln unter dem Universitätscampus aus. Die Position der Drohne konnte bei allen Versuchen bis auf 7 cm genau bestimmt werden. Das klappte bis auf eine Entfernung von 6 m zum Tag.
Die MIT-Forscher sind sich sicher, dass die Entfernung noch deutlich erhöht werden kann, etwa durch den Einsatz von Hochleistungsverstärkern oder Verbesserungen am Radar- und Antennendesign. Zusätzlich wollen die Wissenschaftler MiFly um autonome Navigationsfähigkeiten ergänzen. Die Drohne könnte dann selbstständig anhand der Radarreflexionen eine Flugroute festlegen. Bis daraus allerdings ein kommerziell vermarktbares System entsteht, kann es noch etwas dauern.
(olb)
