（來源：MIT News）
想象這樣一個場景：未來的智慧倉庫裡，無人機在足球場大小的半封閉空間中自如穿梭，即便身處昏暗環境它也能精準識別數百條相似貨架通道，最終將貨物準確送達指定位置。這個看似科幻的場景，或許能憑藉麻省理工學院的最新研究成果變成現實。
就目前而言，市面上的大多數無人機難以完成上述這類任務，這主要是由於通常情況下無人機在戶外依靠 GPS 導航，而 GPS 在室內環境基本派不上用場。
對於室內導航，一些無人機採用計算機視覺或雷射雷達技術，但在黑暗環境或是牆面特徵單調的場所，這兩種技術同樣束手無策。
近期，麻省理工學院的研究人員開發出了一種新方法，能讓無人機在室內、黑暗以及低能見度環境中實現自主定位。要知道，自主定位可是自主導航的關鍵環節。
研究人員開發的這個系統名為“MiFly”，在這個系統中，無人機藉助射頻波，透過放置在周圍環境中的單個標籤反射的訊號，就能實現自主定位。
MiFly 僅需像貼紙一樣可貼在牆上的小標籤就能完成自主定位，相比其他（多標籤）系統成本更低，也更易實現。
此外，由於 MiFly 標籤是反射由無人機發出的訊號，而不是自身產生訊號，所以它的能耗極低。
無人機上配備的雷達能夠幫助它跟據標籤進行定位，這些測量資料與無人機機載計算機的資料相互融合，進而讓其能夠估算自身的飛行軌跡。
研究人員在室內環境中使用無人機開展了數百次飛行實驗，結果顯示，搭載 MiFly 系統能將無人機的定位誤差控制在 7 釐米以內。
（來源：MIT News）
“隨著我們對感知和計算的理解不斷深入，常常會忽略可見光譜以外的訊號。此次研究我們突破了 GPS 和計算機視覺的限制並將目光投向毫米波，從而為無人機在黑暗、室內環境中解鎖了前所未有的新能力。”這篇研究論文的資深作者、麻省理工學院電氣工程和計算機科學系副教授 Fadel Adib 說道。
Fadel Adib 與研究助理 Maisy Lam、Laura Dodds（共同第一作者），密歇根大學助理教授 Aline Eid，以及 Atheraxon 公司首席技術官兼聯合創始人 Jimmy Hester 共同撰寫了這篇論文。這項研究成果將在 IEEE 計算機通訊會議上展示。
反向散射訊號
為了讓無人機在黑暗的室內環境中實現自主定位，研究團隊將目光投向了毫米波技術。這種廣泛應用於 5G 通訊和現代雷達系統的特殊頻段，不僅能在完全黑暗環境中工作，還能穿透紙箱、塑膠板乃至普通牆體等日常障礙物
在這項新研究中，他們致力於打造一個僅需單個標籤的系統，這樣在商業場景中的應用成本更低、更便捷。為確保裝置低功耗執行，研究團隊設計了一種反向散射標籤，能反射無人機機載雷達發出的毫米波訊號，無人機則利用這些反射訊號進行自主定位。
不過，無人機的雷達接收到的訊號，除了來自標籤的反射，還有整個環境反射的訊號。對此，研究人員採用一種名為“調製”的技術解決了這一難題：透過對標籤進行配置，使其散射回無人機的訊號帶有一個特定的小頻率。
“如此一來，周圍環境反射的訊號以一個頻率返回，而標籤反射的訊號頻率與之不同。這樣我們就能區分不同的反射訊號，只關注來自標籤的訊號。”Laura Dodds 解釋道。
但是僅靠一個標籤和一個雷達，研究人員只能測量距離，想要計算無人機的位置還需要多個訊號。
對於這個問題，研究人員沒有增加標籤數量，而是在無人機上額外安裝了兩個雷達：一個水平安裝，一個垂直安裝。水平雷達發射水平極化訊號，垂直雷達則發射垂直極化訊號。
他們還在標籤天線上整合了極化功能，這樣就能區分每個雷達發出的不同訊號。
“就像偏光太陽鏡只接收特定偏振光而阻擋其他偏振光一樣，我們把同樣的原理應用到毫米波上。”Maisy Lam 表示。
除此之外，研究團隊還對水平和垂直訊號設定了不同的調製頻率，進一步降低了訊號干擾。
精確的位置估算
這種“雙極化”和“雙調製”架構為無人機提供了空間位置資訊。然而，無人機在飛行過程中不僅會直線移動，還會傾斜、旋轉。
因此，為了實現自主導航，無人機必須依據六個自由度來估算自身在空間中的位置，除了前後、左右、上下這三個方向的移動，還包括俯仰、偏航和滾動等軌跡資料。
“無人機的旋轉給毫米波定位帶來了很多不確定因素，這個問題非常關鍵，因為無人機飛行時旋轉非常頻繁。”Laura Dodds 說道。
為了克服這些挑戰，研究人員考慮到了無人機搭載的慣性測量單元（IMU），這是一種可以測量加速度、高度和姿態變化的感測器。透過融合該感測器的資料和標籤反射的毫米波測量資料，MiFly 系統能在短短數毫秒內精確估算出無人機完整的六自由度姿態。
最後，他們在多種室內環境中測試了配備 MiFly 系統的無人機，包括實驗室、麻省理工學院的飛行空間，以及校園建築下昏暗的隧道。MiFly 系統在所有環境中都表現出高精度定位能力，在一系列實驗中能夠將無人機定位誤差控制在 7 釐米以內。
值得一提的是，即使標籤被遮擋，該系統的定位精度也不太受影響。在距離標籤最遠 6 米的地方，依然能實現可靠的定位估算。後期透過增加高功率放大器等硬體裝置，或是最佳化雷達和天線設計，有望進一步擴大定位距離。
研究人員還計劃如何將 MiFly 整合到自主導航系統中開展進一步研究，使無人機能夠自主規劃飛行方向，藉助毫米波技術執行飛行路徑。
“我們為這項研究搭建的硬體設施和定位演算法是下一步研究的基礎，未來我們還將不斷最佳化完善以滿足更多商業應用需求。”Maisy Lam 表示。
這項研究部分由美國國家科學基金會和麻省理工學院媒體實驗室資助。
原文連結：
https://news.mit.edu/2025/engineers-enable-drone-determine-its-position-dark-and-indoors-0213