Fraunhofer、耳を持つドローン

January, 10, 2024, Watchberg--地震などの自然災害が発生すると、一分一秒が重要である。無人航空機(UAV)は、到達が困難なエリアの初期概要を提供し、犠牲者を検出するのに役立つため、生存者の捜索を支援するためによく使用されるが、犠牲者が見える場合に限られる。Fraunhofer FKIE通信・情報処理・人間工学研究所の研究者は、将来的には、マイクアレイを搭載したドローンが、空から被災者の助けを求める声やその他の音響信号を正確に特定し、救助隊にその位置に関する情報を提供できるようになるという新しい技術で、災害管理サービスの提供のギャップを埋めようとしている。これにより、カメラでは発見できない被災者の迅速な救助の可能性が大幅に高まる。

リビア、ギリシャ、スロベニアの洪水、ハワイとテネリフェ島の火災、トルコとモロッコの地震など、地域が自然災害に見舞われたとき、被災者を救うための努力は一分一秒が無視できない。しかし、生存者の捜索は、建物や道路が損傷し、広い範囲が寸断される可能性があるため、複雑な作業になる。そのため、昼光カメラや赤外線カメラを搭載したドローンの使用がますます普及しており、破壊されたインフラの広い範囲を素早く飛行し、犠牲者を見つけ、救助隊の対応を迅速化することができる。問題は、瓦礫の下に閉じ込められた被災者はこれらの画像センサで見ることができず、濃い煙、霧、暗闇などの要因もカメラの効果を制限することだ。このようなシナリオに備えて、Fraunhofer FKIEの研究者は、カメラに音響センサを追加できるソリューションに取り組んでいる。 LUCY(Listening system Using a Crow’s nest arraYの略)は、FKIEの科学者であるMacarena Varelaが同僚や研究グループリーダー、Dr. Marc Oispuuと共同開発した技術で、瓦礫に埋もれた人や火事に巻き込まれた人の命を救うために開発された。

マイクアレイはあらゆる方向から信号を受信
LUCYは、カラスの巣アレイと呼ばれるMEMSマイクロフォンのアレイで、ドローンに搭載され、助けを求める叫び声、拍手、ノックなどのノイズがどこから来ているかを判断する。小型で堅牢なMEMSマイクロフォンは安価で、スマートフォンなどのアプリケーションで使用されている。このシステムの特徴は、マイクがドローン下側に特殊な幾何学的構成で取り付けられており、あらゆる方向からの音を知覚できること。「船で一番高いところにある見張り台で、四方八方を見渡すことができる場所は、カラスの巣として知られている。LUCYも同様で、われわれのシステムは事実上制限なく全方向から音を聞くことができる」とMacarena Varelaは説明している。

LUCYは人間の耳と同じように機能し、音の情報を取り込んで脳に伝え、そこで分析する。アレイシステムの場合、耳はマイクに置き換えられ、脳はノイズが入ってくる方向を測定する信号処理ユニットに置き換えられる。LUCYは現在48個のマイクを搭載しており、音源の方向を高精度に決定できる。「空間聴覚は、2つの音響センサを使用するよりも、48本以上のマイクを使用する方が明らかに効果的である。また、特定の方向をターゲットにした聴覚と、特定の音を無視する能力も向上している」（Oispuu）。
さらに、このシステムは、人間の耳では認識できない周波数を知覚することができる。将来的には、リアルタイムに信号を処理できるセンサを256個に増やす予定である。

気を散らす周囲のノイズは除去
このシステムは、救助機器、風、鳥、ドローン自体の回転するロータなど、気が散る周囲の騒音を遮断する。人工知能(AI)の手法と適応型フィルタを使用して信号をフィルタリングすると同時に、注意を引くために必要としている人が使用する可能性のある叫び声、叩く音、拍手などの音のパターンを検出するようにシステムが学習される。これを可能にするために、AIが事前にトレーニングされた様々な音やシグネチャのデータベースを使用する。コヒーレントビームフォーミングなどの信号処理技術と組み合わせることで、ノイズを検出して分類し、その入射角を正確に決定することができる。さらに、コンパクトな処理ユニットにより、信号を非常に迅速に処理できる。災害発生時には、受信した位置情報が救助隊に伝えられ、救助隊はタブレットなどを使って被災者の正確な位置を特定することができる。

軽量LUCY
その拡張性により、センサモジュールとマイクアレイは、市販されている多くのドローンで使用できる。MEMS技術もドローンも比較的安価であるため、複数のUAVを使用して被災地を効果的に調査することができる。軽量なため、緊急対応要員はLUCYシステムを持ち運んで地上でも使用でき、車両に取り付けたり、固定機器として使用したりできる。FKIEの研究者は、現在、実験システムのさらなる改良に取り組んでいる。