無人機の検出

01これは何のためのものですか

物流センターは、数千平方メートルの屋根、作業スペース、荷役エリア、常に人がいる場所、そして保険で保護された商品など、すべてが屋外に展開されています。周囲にはフェンスがあり、その境界線を超えて監視されることはありません。

周囲はフェンス、監視カメラ、警備員、そしてアクセス制御システムによって保護されています。空気は監視されていません。しかし、まさにそこから、最も重要な活動が行われます。それは、窃盗前の偵察飛行、内部物流の撮影、荷物の搬送、屋根や設備の損傷などです。

無線探知機は、ドローンとコントローラー間の通信を傍受します。事前に記録された経路を走行する、送信機がオフになっているドローンは、彼らにとって存在しません。カメラは、無線通信に依存せず、ドローンを認識できます。このシステムは、空中に存在する未知の物体を特定し、その発生源と接近状況を確認し、警報を発するという1つの目的を達成します。ドローンを妨害したり、通信を傍受したり、干渉したりすることはありません。そのため、特別な許可は不要で、あらゆる商業施設に適しています。

02 提案：空をいくつかの領域に分割する

通常の検出器は、画面内の既知の形状の物体を検出し、枠で囲みます。しかし、空ではうまく機能しません。ドローンが1.5キロメートル離れた場所にある物体は、単に2〜3つの点として認識されるだけです。一方、「ゾーン・ペア」という手法は、別のアプローチです。まず、画面全体が格子状のゾーンに分割され、それぞれのゾーンに対して、通常の状態（正常）と、ゾーン内に異物が現れた状態（オブジェクト）の対応するパターンが学習されます。この場合、質問は「これは何ですか？」ではなく、「この空の領域は通常の状態ですか？」というものであり、2つのピクセルだけで答えを出すことができます。

空は一見均一に見えますが、地平線に見える霧、真上に見える青、雲、太陽からの光、屋根の端とマスト、木々と電線など、さまざまな要素が組み合わさっています。しかし、全体を把握しようとすると、画像の端でずれが生じてしまいます。屋根の上にあるエリアは、屋根の端が常に存在することを認識していますが、真上にあるエリアは、空と雲しか見えておらず、最も敏感な判断基準を持っています。

03空に現れた点が見つかった、という状況

検出は、形状ではなく、コントラストに基づいています。空には、木や車、影はありません。範囲内の明るさは、数段階で変化し、画像ごとに同じパターンが繰り返されます。そのような背景では、目に見えない暗い部分でも、統計的に検出できます。

10倍以上のノイズ除去 – 確実な指標です。 1ピクセルの大きさの物体でも、完全に遮蔽された領域に応じて、その割合で暗く表示されます。そのため、従来の「4ピクセルでターゲットを検出する」手法よりも、検出範囲が広くなります（これは、模様のある背景での隠蔽技術向けに設計されています）。 均一な空の背景にある暗い物体の場合、2ピクセルで確実に検出でき、3～4ピクセルで安定した追跡が可能です。 航空機と鳥を画像から区別するには、15～20ピクセルの情報が必要ですが、ここでは行動に基づいて判断します。

04 検出範囲：計算

画素の角の大きさによって、検出距離が決定されます。検出距離は、目標の画素数 = (目標の大きさ × レンズの焦点距離) ÷ (画素の大きさ × 検出距離) で計算されます。ここでは、20メガピクセルのカメラ（画素サイズ2.4μm、イメージセンサーサイズ1インチ）を使用し、対象は幅0.4mのドローンを想定して計算します。

より大きな目標の場合、その範囲は比例して広がります。航空機型のこの装置は、翼幅1.2m、50mmのレンズを持ち、6キロメートル先を確実に捉えることができます。しかし、約2キロメートルの距離になると、カメラの問題ではなく、空気の状態が問題になります。霧が発生すると、コントラストが低下して、視認性が悪くなります。

05 カメラ、光学機器、熱画像カメラ

すべての数値は、量産型の産業用カメラに関するデータに基づいていますHIKROBOT MV-CS200-10GM（モノクロ）：在庫があり、価格も予想通りです。ソフトウェアはすでにこのカメラに対応しており、直接操作が可能です。レンズは、直径1インチ以上、1ピクセルあたり2.4μmの解像度、F2.8以上の明るさ、固定焦点距離（ズーム不可）、ネジによるフォーカスと絞りの固定（屋外に設置されるため、振動に強い必要があります）。対応するレンズメーカーは、Kowa、Computar、FujinonなどですHikrobot全方位監視の場合、最適なレンズサイズは25mmです。12台のカメラを使用することで、360度をカバーし、重複した範囲を監視できます。このシステムでは、約1キロメートルまでの距離で確実に物体を検出できます。

サーマルカメラ：24時間稼働

夜、薄明、そして太陽光下での作業のために、サーマルカメラが追加されます。これは独立したシステムではなく、同じ手法の別のチャンネルです。同じエリア分割、各エリアごとに「正常/異常」の表示、そして同じトラッキング機能が備わっています。夜間の赤外線画像は寒く均一ですが、ドローンにはモーター、バッテリー、制御装置などが暖色で表示され、寒色背景の中で暖色として認識されます。

2つのチャンネルの範囲は、特定の空の座標に固定されています。昼間は互いに確認し合い、両方のチャンネルで検出されたオブジェクトは、ほぼ確実に本物であると確認できます。夜間は、熱画像が追跡を行います。オペレーターは、単一の追跡、単一の画面、および単一のログを確認できます。

06 ゾーン間の移動：コース

範囲の単発的な検出は、それ自体ではイベントではありません。イベントとなるのは、オブジェクトが範囲から別の範囲に移動するときです。設定後、各範囲は天上の固定座標（方位と仰角）を取得し、アクティブになった範囲の番号は、角度で方向を示します。

対象領域：7°の範囲。対象は、2.4秒で12の範囲を通過しており、角度速度は3.5°/秒。近くの鳥は急激に動き、飛行機は比較的安定した動き、ドローンは徐々に速度を上げていく。6～10フレーム/秒という速度で、各範囲を3～5回測定し、軌跡は滑らか。隣接するカメラは重なりを保ち、あるカメラから外れる対象は、次のカメラで同じ軌跡として捉えられる。

07 接近するか、通り過ぎるか

この問題は、距離ではなく、映像内の対象物の大きさが変化することによって判断されます。対象物のサイズが大きくなると、対象物がこちらに近づいてきます。サイズが一定で、角度がわずかに変化するだけなら、対象物は通り過ぎます。サイズが小さくなると、対象物は遠ざかっていきます。この3つの状態に対応して、警戒、監視、記録という3つの行動をとります。単一のカメラでは正確な距離を測定することはできません。また、警戒が必要な状況は、「異物の存在、一定の進行方向、接近」という組み合わせによって判断されます。

08 鳥かドローン

鳥による誤検知は、空の光学観測における主要な実用上の問題です。これは、映像を観察するのではなく、行動を分析することで解決できます。

各エリアのモデルは、合成データを用いて学習されます。具体的には、対象エリアの実際の空の画像に、さまざまなサイズ、位置、回転、コントラストを持つオブジェクトをソフトウェアで重ね合わせます。これにより、パイロットが数ヶ月間経験しない可能性のある状況、例えば、朝や夕方の低い太陽、薄明、霧や雲、ノイズ、ピントのずれ、マストの振動、光の反射などがシミュレーションされます。ノイズや異常に対する処理は、正常な状況と異常な状況の両方に対して適用されるため、夕方の空が誤った警告を引き起こすことはありません。学習の基礎は、対象物の実際の空の画像であり、パイロットのデータに加えて、実際の飛行経路も追加されます。

数メートル離れたカラスが、鮮明な物体として検知され、ドローンと区別がつかないほどに、検出器で確認できるだろう。しかし、追跡機能によって、わずか2秒で誤検知を排除できる。それぞれのエリアごとに、誤検知の頻度を記録する。例えば、屋根の角付近をカラスが毎日飛んでいる場合、そのエリアの閾値は自動的に調整される。

09 性能

20メガピクセルの画像には、128ピクセルのサイズの1,176の領域が含まれています。これらの領域をすべて1つのニューラルネットワークに送信する必要はありません。処理は3つの段階に分かれており、重いニューラルネットワークは、観察するものが存在する場所でのみ機能します。

一枚のビデオカードNVIDIARTX 50シリーズは、余裕をもって最大12台のカメラに対応できます。制限事項はネットワークです。20メガピクセルのカメラを6フレーム/秒で動作させる場合、カメラあたり約960Mbpsのデータ量が発生し、合計でギガビットポート1つが必要になります。また、6台のカメラに対しては、サーバーとの接続に10ギガビットの回線が必要となります。12台のカメラで構成されたシステム全体をニューラルネットワークで監視する場合、1サイクルあたり42～71秒かかります。ただし、候補となる領域の検索では、全方位の監視が1秒間に何度も更新され、各領域はそれぞれの範囲の画像を「正常」と判断するかどうか、および閾値に基づいて監視し続けます。

10 システム構成とコーティング

モジュール式システム：最小構成は、特定の危険区域に設置された1台のカメラで、すでに警報を発することができます。外部への出力は、監視画面（セクター、方位、角度、追跡、対象物の詳細）、警報音、および荷役エリアに設置された信号灯、倉庫の自動化システムへの乾電池接続（荷役停止、ゲートの閉鎖）、既存のセキュリティシステムへのメッセージ、および映像記録による証拠：保険会社や法執行機関向けの証拠となります。

11 ロボットとステレオカメラ：精密な追跡

監視カメラは「どこ」という質問に答えます。 次に、「これは何で、どれくらいの速さで移動するか」という質問に答えるために、2つの長焦点レンズを搭載した、固定されたアームに取り付けられたステレオカメラ（2つのカメラ）を備えた産業用ロボットBORUNTEがシステムに追加されます。

エラーは距離の二乗に比例して増加するため、ステレオカメラは近距離（数百メートル程度）の範囲を捉えるためのものであり、遠距離の視界は別の範囲でカバーされます。ロボットには、各軸におけるソフトウェアによる制限が設定されており、カメラの角度が指定された範囲を超えないこと、また、住宅、道路、および隣接地域に向けることが制限されています。

音響チャンネル

ドローンのモーター音は、150～400Hzの均一な低音と、明確な高調波を含んでおり、鳥が発する音とは異なります。この音は、空に存在する物体がドローンであるということを確認します。ステレオヘッドに取り付けられた指向性マイクは、カメラが向いている方向を正確に捉え、マストに取り付けられたマイク（6～8個のマイク）は、自らドローンの方向を特定し、カメラがまだ物体を見つけられていない場合でも、ドローンを動かすことができます。

オプション：エアカーテン

このロボットには、圧縮空気を使用して網を投げる装置を取り付けることができます。この装置は、火薬や弾丸を使用せず、網を投げてドローンを捕獲します。また、パラシュートを装備することで、捕獲したドローンをゆっくりと降下させることができます。通常、射程距離は20～100メートルで、操作員の確認後のみ降下させることができます。

12 このシステムが何を行い、何を行えないのか

13 導入手順

受付時には、すべての測定結果が記録され、申告されるのではなく、事前に決められたプログラムに従って、制御ドローンが飛行し、システムが記録を作成します。その記録は、飛行プログラムと照合されます。最も長い作業は、モデリングではなく、空の状態を把握することです。モデルは、晴れた空、雲、霧、低い太陽、雨などの状態を認識する必要があります。これらの状態は、天候によって変化します。そのため、パイロットは、他のモデリング作業と並行して、早期に1つのカメラで撮影を開始します。

こちらもご覧ください：engiAI- 機械視覚とゾーンペア法 · 取扱説明書 または ガイド または 指示書 または マニュアルengiAI (PDF) · Robot1- ロボットの制御