毫米波+RFID+無人機，一個全新的集成式方案

日本電信集團NTT已推出一種利用被動毫米波射頻識別（RFID）標簽的無人機導航解決方案，幫助無人機在惡劣天氣或低能見度條件下識別地面位置。

借助這項技術，無人機可以捕獲RFID標簽ID，以信號的回饋來更好地確定其自身位置，應用領域包括災害響應或協(xié)助研究人員探索偏遠地區(qū)。此外，NTT集團最近對用于檢查海上風力渦輪機的無人機應用射頻技術協(xié)助定位的方案也進行了測試。

NTT集團與東京大學合作設計了其Millisign無人機通信系統(tǒng)。通過使用附著在地面的RFID標簽，公司想要驗證在雨、霧或其他低能見度條件下，無人機是否能夠確定其位置。

基于無人機導航的QR碼替代方案

該解決方案由安裝在無人機上的雷達發(fā)射器和專門設計的無源RFID標簽組成。事實上，NTT構建了一種標簽設計以及信號處理方法，以在各種極端氣候條件下提供最佳的讀取性能。

為了幫助無人機導航其位置，傳統(tǒng)的開發(fā)人員使用諸如QR碼之類的方法。NTT研究工程師Tatsuya Iizuka表示，無人機可以掃描附在特定位置（如著陸點）的QR碼。

然后，該掃描可以識別無人機位于哪個標簽附近，從而確定其位置。然而，像這樣的視覺標志在夜間或惡劣天氣中無法使用。而RFID識別，可以不需要可視需求，NTT故而使用RFID來替代QR碼進行測試。

將帶有芯片和天線的RFID標簽放置在偏遠的戶外，可能會面臨許多挑戰(zhàn)。因此，該團隊設計了一種不帶芯片的RFID標簽系統(tǒng)。通過定制的標簽搭配獨特的三維斜角反射器結構，使RFID標簽上的圖案形成獨特的ID，在無人機運行時，利用無人機的毫米波雷達功能對RFID標簽圖案進行識別，獲取其位置信息。

無人機的傳輸原理

該無人機本身配備了一個安裝有毫米波雷達發(fā)射器的設備，而非傳統(tǒng)的RFID讀取器。該無人機設備使用79 GHz毫米波頻率進行傳輸，而不同于其他RFID系統(tǒng)，比如標準的UHF RFID使用的900 MHz頻率。

隨著無人機的飛行，發(fā)射器發(fā)送其信號。當它接近RFID標簽時，標簽接收該傳輸信號并以廣泛的視角向發(fā)射器反射其獨特的響應。

無人機的內置處理器分析響應以識別與特定位置相關聯(lián)的標簽。然后，它分析信號強度以確定無人機的位置以及何處著陸或執(zhí)行其他操作。

為確保有效可靠的傳輸，NTT與大學研究人員建立了一個信號處理機制，從反射器中提取信息。

優(yōu)秀的讀取能力

該團隊在無人機上使用了一種商用的毫米波雷達組件，型號為得克薩斯儀器（Texas Instruments）的IWR1443，76至81 GHz波段模塊，Iizuka表示。“我們進行了實驗，并通過使用反射陣列驗證了廣泛的讀取范圍?！彼f。

測試包括基于標簽特征值分析的空間位置的測算，特征值分析是一種統(tǒng)計方法，用于分析大量變量之間的相互關系。它使用聚類分析在擁擠的環(huán)境或存在障礙物（如墻壁、車輛或樓梯）的空間中區(qū)分標簽與其他物體。

該無人機在各種條件和場地進行了測試，使用292毫米寬（11英寸）的標簽，在10至15米的距離內進行了讀取?！拔覀兺ㄟ^增加標簽的寬度，從而產生更強的反射，能夠進一步增加無人機的讀取范圍，”Iizuka說。

在雨霧等環(huán)境中測試系統(tǒng)

通過NTT公司的測試，在濃霧和大雨中，該無人機利用這項技術也可以成功識別著陸點。該系統(tǒng)還在多場景下進行了重復測試，測試環(huán)境包括將標簽放置在樓梯附近，以及一個類似停車場的環(huán)境，一輛面包車或一堵墻附近。

該系統(tǒng)還在不同的附著表面條件下進行了測試：在草地、沙地、水中和金屬上都能實現(xiàn)對無人機的定位。

由于一些應用可能需要多個標簽，研究人員還嘗試了同時使用多個標簽的系統(tǒng)。“我們在一個平方米的區(qū)域放置了多個標簽，發(fā)現(xiàn)在使用三個標簽以內的情況下，標簽識別的性能幾乎沒有下降，”Iizuka表示。

研究人員也測試了在不同無人機行駛速度下的讀取功能，并發(fā)現(xiàn)識別結果保持一致?！拔覀凃炞C了無人機速度對讀取性能沒有影響，”研究工程師說道。

在災難場景中完成救援任務

NTT預計MilliSign技術主要用于災難情景下的救援任務，公司預測，用于災難監(jiān)測和救援運輸?shù)臒o人機通過該技術實現(xiàn)的自治和連續(xù)運行將提高救援行動的生產力。在這種場景下，由于能見度差，傳統(tǒng)無人機無法運行，可能需要無人機在夜間或惡劣天氣中運行，而該方案下的無人機能很好地應對這樣的場景。

這是第一項表明無人機可以在能見度差的條件下安全導航的研究，該系統(tǒng)目前仍處于原型階段。

Iizuka表示：“接下來，我們需要與無人機公司等合作伙伴合作，將MilliSign技術集成到飛行控制系統(tǒng)中，通過AI的輔助，創(chuàng)建可以在全天候和各種天氣條件下運行的完全自治的無人機。”

用無人機檢測風力渦輪機運行

NTT集團已完成無人機之間的無線通信的部署。該公司建立了一套射頻傳輸系統(tǒng)，以實現(xiàn)在風力渦輪機運行時使用無人機對渦輪機進行日常的狀態(tài)檢查。

在以往的條件下，工程師必須前往渦輪機所在地，對風力渦輪機進行目視檢查，以尋找任何裂紋或損傷，這是一個非常危險的過程，因為它經常在渦輪機運動時進行，這需要工程師攀爬到相當高的位置。

使用NTT的解決方案，可以應用兩臺無人機在渦輪機的兩側進行環(huán)繞飛行。它們在渦輪機周圍盤旋時互相發(fā)送和接收無線電信號，當一架無人機發(fā)射射頻信號時，能量穿過渦輪機傳遞到對面的配備射頻接收器的無人機。在檢測中使用的無線電信號是被弱化后的，這樣可以確保用戶無需獲得無線電臺許可證就能運營無人機完成任務。渦輪機本身會產生一個菲涅爾區(qū)（Fresnel Zone）—這是無線電波傳播的空間。

測試發(fā)現(xiàn)，在30米的高度可以使用無人機進行無線電信號的傳輸和接收，并有效完成對渦輪機的狀態(tài)檢查任務。NTT集團的下一步是在實地環(huán)境下進一步測試該技術。