WiFi hilft Robotern bei der Navigation in Innenräumen

Ingenieure an der University of California San Diego haben eine kostengünstige, stromsparende Technologie entwickelt, die Robotern hilft, ihre Innenräume zu kartieren. Das System hilft den Robotern, auch bei schlechter Beleuchtung oder wenn keine erkennbaren Merkmale oder Orientierungspunkte vorhanden sind, zu navigieren.

Das Team der Forscher gehört zur Wireless Communication Sensing and Networking Group, die von dem Professor für Elektrotechnik und Informatik an der UC San Diego, Dinesh Bharadia, geleitet wird. Es wird auf der International Conference on Robotics and Automation (ICRA) 2022 in Philadelphia vorgestellt, die vom 23. bis 27. Mai stattfindet.

Die Forschung wurde in IEEE Robotics and Automation veröffentlicht.

Ein völlig neuer Ansatz

Die neu entwickelte Technologie verfügt über Sensoren, die auf WiFi-Signale angewiesen sind, um es dem Roboter zu ermöglichen, seine Umgebung und seinen Pfad zu kartieren. Das System ist ein völlig neuer Ansatz für die Navigation von Robotern in Innenräumen und unterscheidet sich von früheren Ansätzen, die optische Lichtsensoren wie Kameras und LiDARs verwenden.

Die “WiFi”-Sensoren verwenden Funkfrequenzsignale anstelle von Licht oder visuellen Hinweisen, um zu “sehen”, was es ihnen ermöglicht, in Umgebungen zu arbeiten, in denen Kameras und LiDARs Schwierigkeiten haben. Diese Arten von Umgebungen sind normalerweise schlecht beleuchtet, wechselnd beleuchtet und repetitive Umgebungen wie lange Flure.

Alternative zu LiDARs

Das WiFi hilft der Technologie, ihren Status als wirtschaftliche Alternative zu LiDARs zu erreichen, die teuer und stromhungrig sind.

“Wir sind fast überall von drahtlosen Signalen umgeben. Die Schönheit dieser Arbeit besteht darin, dass wir diese alltäglichen Signale verwenden können, um Indoor-Ortung und -Kartierung mit Robotern durchzuführen”, sagte Bharadia.

Aditya Arun ist ein Doktorand für Elektrotechnik und Informatik in Bharadias Labor und Erstautor der Studie.

Die Forscher bauten das Prototyp-System mit Standard-Hardware. Es besteht aus einem Roboter, der mit WiFi-Sensoren ausgestattet ist, die aus kommerziell erhältlichen WiFi-Transceivern gebaut sind. Diese WiFi-Sensoren senden und empfangen drahtlose Signale zu und von WiFi-Zugangspunkten in der Umgebung, und diese Kommunikation ermöglicht es dem Roboter, seine Position und Bewegungsrichtung zu kartieren.

Roshan Ayyalasomayajula ist auch ein Doktorand für Elektrotechnik und Informatik in Bharadias Labor und Co-Autor der Studie.

“Diese bidirektionale Kommunikation findet bereits zwischen Mobilgeräten wie Ihrem Telefon und WiFi-Zugangspunkten statt – sie sagt Ihnen nur nicht, wo Sie sind”, sagte Ayyalasomayajula. “Unsere Technologie nutzt diese Kommunikation, um Ortung und Kartierung in einer unbekannten Umgebung durchzuführen.”

Die WiFi-Sensoren sind zunächst nicht über die Position des Roboters und die Position der WiFi-Zugangspunkte in der Umgebung informiert. Wenn der Roboter sich bewegt, rufen die Sensoren die Zugangspunkte an und hören auf ihre Antworten, die dann als Orientierungspunkte verwendet werden.

Jedes eingehende und ausgehende drahtlose Signal trägt seine eigene physikalische Information, die verwendet werden kann, um die Positionen der Roboter und Zugangspunkte zueinander zu bestimmen. Die Algorithmen ermöglichen es den WiFi-Sensoren, diese Information zu extrahieren und diese Berechnungen durchzuführen. Die Sensoren nehmen weiterhin mehr Informationen auf und können schließlich die Position des Roboters bestimmen.

Die Technologie wurde auf einer Etage eines Bürogebäudes getestet, wo mehrere Zugangspunkte im Raum platziert wurden. Ein Roboter wurde mit den WiFi-Sensoren, einer Kamera und einem LiDAR ausgestattet, um Messungen für den Vergleich durchzuführen. Das Team steuerte den Roboter und ließ ihn mehrmals über die Etage fahren. Er bog auch um Ecken und fuhr durch lange und schmale Flure mit hellen und dunklen Räumen.

Die Tests zeigten, dass die Genauigkeit der Ortung und Kartierung, die durch die WiFi-Sensoren bereitgestellt wurde, mit der von kommerziellen Kamera- und LiDAR-Sensoren vergleichbar war.

“Wir können WiFi-Signale verwenden, die im Grunde kostenlos sind, um robuste und zuverlässige Sensoren in visuell anspruchsvollen Umgebungen zu entwickeln”, sagte Arun. “WiFi-Sensoren könnten teure LiDARs ersetzen und andere günstige Sensoren wie Kameras in diesen Szenarien ergänzen.”

Das Team wird nun daran arbeiten, WiFi-Sensoren und Kameras zu kombinieren, um eine noch vollständigere Kartierungstechnologie zu entwickeln.