WiFiを利用した室内環境のナビゲーション

カリフォルニア大学サンディエゴ校のエンジニアたちは、ロボットが室内環境をマッピングするのを助ける低コスト、低消費電力の技術を開発しました。このシステムは、ロボットが低照度や認識可能なランドマークや特徴がない場合でもナビゲーションを行うのを助けます。

研究者たちは、UCサンディエゴ校の電気電子工学教授Dinesh Bharadiaが率いるWireless Communication Sensing and Networking Groupに所属しています。この研究は、2022年5月23日から27日までフィラデルフィアで開催される2022 International Conference on Robotics and Automation (ICRA)で発表される予定です。

この研究は、IEEE Robotics and Automationに掲載されています。

新しいアプローチ

新しく開発された技術は、WiFiシグナルを利用してロボットが環境とパスをマッピングできるようにします。このシステムは、室内ロボットナビゲーションのための新しいアプローチであり、カメラやLiDARなどの光学センサーを使用する従来のシステムとは異なります。

「WiFi」センサーは、光や視覚的なヒントではなく、ラジオ周波数シグナルを使用して「見る」ことができます。これにより、カメラやLiDARが苦手とする環境、例えば低照度、変化する照度、繰り返しの環境（長い廊下など）で効果的に動作します。

LiDARの代替

WiFiは、LiDARよりも経済的な代替手段となります。LiDARは高価で、多大な電力を必要とします。

「私たちはほぼどこに行くでも無線信号に囲まれています。この研究の美しさは、これらの日常の信号を利用して室内ローカリゼーションとマッピングを行うことができるということです」とBharadiaは述べました。

Aditya Arunは、Bharadiaの研究室の電気電子工学の博士課程の学生であり、この研究の第一著者です。

研究者たちは、オフザシェルフのハードウェアを使用してプロトタイプシステムを構築しました。ロボットは、WiFiセンサーを搭載しています。これらのWiFiセンサーは、商用のWiFiトランシーバーから構成されています。WiFiセンサーは、環境内のWiFiアクセスポイントと無線信号を送受信します。この通信により、ロボットは自分の位置と移動方向をマッピングできます。

Roshan Ayyalasomayajulaも、Bharadiaの研究室の電気電子工学の博士課程の学生であり、この研究の共同著者です。

「この双方向の通信は、すでにあなたの携帯電話やWiFiアクセスポイントの間で常に起こっています。ただし、それはあなたの位置を教えてくれません」とAyyalasomayajulaは述べました。「私たちの技術は、この通信を利用して未知の環境でのローカリゼーションとマッピングを行うために乗っ取ります」。

WiFiセンサーは、最初はロボットの位置と環境内のWiFiアクセスポイントの位置を知りません。ロボットが移動すると、センサーはアクセスポイントに呼び出し、返信を待ちます。これらの返信は、ランドマークとして使用されます。

受信および送信される無線信号は、それぞれ独自の物理情報を持ち、ロボットとアクセスポイントの相対的な位置を特定するために使用できます。アルゴリズムは、WiFiセンサーがこの情報を抽出して計算を行うことを可能にします。センサーはさらに情報を収集し、最終的にロボットの移動方向を特定できます。

この技術は、オフィスビルのフロアでテストされました。ここでは、複数のアクセスポイントがスペース内に配置されていました。ロボットは、WiFiセンサー、カメラ、LiDARを搭載して比較のための測定を行いました。チームはロボットを制御し、複数回フロアを周回させ、コーナーを曲がり、明るく暗いスペースのある長い廊下を進みました。

テストの結果は、WiFiセンサーによるローカリゼーションとマッピングの精度が、商用カメラとLiDARセンサーの精度と同等であることを示しました。

「私たちは、基本的に無料のWiFiシグナルを利用して、視覚的に困難な環境でのロバストで信頼性の高いセンシングを行うことができます。WiFiセンシングは、高価なLiDARを置き換え、またこれらのシナリオでのカメラなどの低コストセンサーを補完する可能性があります」とArunは述べました。

チームは、WiFiセンサーとカメラを組み合わせて、さらに完全なマッピング技術を開発するために今後も作業を続ける予定です。