Detecção de drones

01 Qual é o propósito disso?

O centro de distribuição abrange dezenas de milhares de metros quadrados de telhado, uma área aberta com equipamentos, uma zona de carga, sempre com pessoas presentes e mercadorias seguradas. Tudo isso está ao ar livre, e ninguém observa de fora, além da cerca que o circunda.

O perímetro é fechado com cercas, câmeras, segurança e controle de acesso, e o ar é livre. No entanto, é exatamente de lá que ocorrem os eventos mais valiosos: voos de reconhecimento antes de um roubo, filmagem da logística interna, entrega de carga na área, danos ao telhado ou equipamentos.

Os detectores de rádio captam a comunicação entre o drone e o controle. Para eles, um drone que segue uma rota pré-definida com o transmissor desligado não existe. A câmera consegue detectá-lo independentemente da comunicação rádio. O sistema tem uma única função: identificar a presença de um objeto não identificado no céu, determinar de onde ele vem e se está se aproximando, e acionar o alarme. Ele não interfere na comunicação, não intercepta e não afeta o drone – por isso, não requer permissões especiais e pode ser usado em qualquer objeto comercial.

02Ideia: O céu é dividido em zonas.

Um detector comum procura por objetos de formas conhecidas na imagem e os delimita com um contorno. No céu, o método funciona mal: o drone, a uma distância de 1,5 quilômetros, não apresenta forma – são apenas dois ou três pontos. O método ZONA-PAR funciona de outra forma. A imagem é previamente marcada com uma grade de zonas – áreas fixas do céu, e para cada zona, são treinados dois tipos de resposta: `normal` (como a zona aparece quando tudo está normal) e `objeto` (quando algo estranho aparece na zona). A pergunta para a rede neural não é "qual é este objeto?", mas sim "esta parte do céu é normal ou não?", e a resposta pode ser obtida mesmo com apenas dois pixels.

O céu parece uniforme à primeira vista: névoa no horizonte, um azul intenso no alto, nuvens, reflexo do sol, a beirada do telhado e o mastro, árvores e fios. O sistema precisa lidar com tudo de uma vez e, por isso, comete erros nas bordas da imagem. A área acima do telhado sabe que a beirada do telhado sempre está presente, enquanto a área no alto só vê o céu e as nuvens, e, portanto, tem a sensibilidade mais alta.

03 Por que um ponto no céu já indica uma detecção?

A detecção é baseada no contraste, e não na forma. No céu, não há arbustos, carros ou sombras: dentro da área, a intensidade varia em unidades, e a imagem se repete de quadro em quadro. Qualquer mancha escura nesse fundo é detectável estatisticamente, mesmo que não seja visível a olho nu.

Um sinal de dez vezes maior que o ruído é um indicativo confiável. Mesmo que o objeto seja menor que um pixel, ele ainda obscurece a área correspondente, portanto, o limite de detecção é mais distante do que os "quatro pixels para um alvo" das metodologias clássicas (que foram desenvolvidas para técnicas de camuflagem em fundos coloridos). Para um objeto escuro em um céu claro, a detecção confiável começa com dois pixels, e com três ou quatro, um rastreamento estável é obtido. Para distinguir um drone de um pássaro apenas pela imagem, são necessários 15-20 pixels, mas essa tarefa é resolvida pelo comportamento.

04Alcance de detecção: cálculo

A distância é determinada pelo tamanho angular do pixel: número de pixels na imagem do alvo = tamanho do alvo × distância focal ÷ (tamanho do pixel × distância). O cálculo é feito para uma câmera de 20 megapixels, com um pixel de 2,4 μm e um sensor de 1 polegada; o alvo é um drone com uma envergadura de 0,4 metros.

Para objetivos maiores, o alcance aumenta proporcionalmente: o dispositivo, do tipo de avião, com uma envergadura de 1,2 m e uma lente de 50 mm, consegue detectar com confiança a 6 quilômetros. No entanto, a partir de cerca de 2 quilômetros, o limite não é mais a câmera, mas o próprio ar: a névoa reduz o contraste.

05 Câmera, óptica e termografia

Todos os números foram calculados para uma câmera industrial de produção em série HIKROBOT MV-CS200-10GM (monocromática): está disponível, tem um preço previsível, e o software já consegue trabalhar diretamente com ela. A lente deve ter um tamanho de pelo menos 1 polegada, uma resolução de pelo menos 2,4 μm por pixel, uma abertura de F2.8 ou melhor, uma distância focal fixa sem zoom, e o foco e a abertura devem ser fixados com parafusos (a câmera está instalada ao ar livre e vibra). Lentes compatíveis: Kowa, Computar, Fujinon e outras marcas HikrobotPara observação em 360 graus, a lente ideal é de 25 mm: doze câmeras cobrem 360° com sobreposição, e o sistema de detecção funciona de forma confiável até uma distância de um quilômetro.

Câmera termográfica: funcionamento contínuo

Para a noite, o crepúsculo e a operação contra a luz solar, é adicionado um termossensor – não um sistema separado, mas um canal adicional do mesmo método: a mesma grade de zonas, um par "normal/anormal" para cada zona e o mesmo rastreamento. O céu noturno no espectro infravermelho é frio e uniforme, enquanto os motores, a bateria e os reguladores do drone aparecem como pontos quentes em contraste com o fundo frio.

As zonas de dois canais estão associadas a coordenadas celestes: durante o dia, elas se confirmam mutuamente – um objeto detectado em ambos os canais é quase certamente real –, e à noite, o rastreador é exibido pelo termoscópio. O operador vê um único rastreador, uma única tela e um único registro.

06 Transição entre zonas: trilho

O acionamento de uma única zona não é um evento. Torna-se um evento quando o objeto passa de uma zona para outra. Após a configuração, cada zona recebe coordenadas fixas no céu – azimute e ângulo de elevação –, e o número da zona acionada torna-se a direção em graus.

A área — 0,7° do céu. O objeto passou por doze áreas em 2,4 segundos, com uma velocidade angular de 3,5°/s. A ave, em uma distância próxima, se move de forma irregular, enquanto a aeronave, em uma altitude maior, mantém um movimento constante. O drone que se aproxima do objeto apresenta um aumento suave na velocidade. Uma taxa de seis a dez quadros por segundo permite três a cinco medições por área, resultando em um trajeto suave. As câmeras adjacentes capturam a área com sobreposição, de modo que, quando um objeto sai do campo de visão de uma câmera, a próxima câmera o captura como o mesmo trajeto.

07 Aproxima-se ou passa?

A resposta para essa questão não está na distância, mas na mudança no tamanho do objeto dentro do quadro. Se o tamanho aumenta, o objeto se aproxima; se permanece constante, mas o ângulo de visão permanece o mesmo, o objeto passa ao lado; se diminui, ele se afasta. Três estados – três reações: alerta, observação e registro no log. É impossível obter uma distância precisa com uma única câmera, e para o alerta, isso não é necessário: a solução é a combinação de "objeto estranho, curso constante, aproximando-se".

08 Pássaro ou drone

Falsos alarmes causados por pássaros – é o principal problema prático da observação ótica do céu. É resolvido através da análise do comportamento, e não apenas da observação da imagem.

Cada zona é treinada com dados sintéticos: imagens reais do céu desta zona são programaticamente sobrepostas com objetos de diferentes tamanhos, posições, rotações e contrastes. Assim, são simuladas as condições que o piloto pode não encontrar por meses: sol baixo pela manhã e à noite, crepúsculo, névoa e nuvens, ruído, falta de foco, vibração da torre, reflexos. A mesma distribuição de interferências é aplicada tanto para o normal quanto para o anômalo, por isso o céu noturno não causa falsas alarmes. A base do treinamento é o céu real do objeto; após o piloto, são adicionadas imagens reais de voos.

Uma coruja a cerca de meio metro de distância fornece um sinal claro e distinto, e no detector de formas, pareceria tão real quanto um drone a uma distância de um quilômetro. No entanto, o rastreamento elimina falsos positivos em apenas duas segundos. Cada zona possui seu próprio registro de falsos alarmes: se pássaros voam sobre a beirada do telhado todas as manhãs, o limite dessa zona é ajustado automaticamente.

09 Desempenho

A imagem de 20 MP contém 1.176 áreas de 128 pixels. Não é necessário enviar todas elas para a rede neural a cada quadro – o trabalho é dividido em três etapas, e a rede neural pesada só funciona quando há algo para observar.

Uma única placa de vídeo da série NVIDIA RTX 50 pode suportar até doze câmeras, com folga. A limitação é a rede: 20 megapixels a seis quadros por segundo, o que equivale a aproximadamente 960 megabits por segundo por câmera. Isso significa que cada câmera precisa de uma porta Gigabit e o canal para o servidor precisa ter uma taxa de 10 Gigabit para cada grupo de seis câmeras. Verificar toda a área do céu de doze câmeras consecutivas usando uma rede neural leva de 42 a 71 segundos. Com a busca de candidatos, a visão panorâmica é atualizada várias vezes por segundo, e cada zona ainda mantém sua própria imagem do céu, seus valores "normais" e seus limiares.

10 Composição do sistema e cobertura

O sistema é modular: a instalação mínima consiste em uma câmera em cada direção de risco, que já emite um alerta. As saídas incluem: uma tela de vigilância (setor, azimute, ângulo, trajetória, imagem do objeto em close-up), um alarme e um farol na área de carga, um contato seco para o sistema automatizado do armazém (parar a carga, fechar as portas), uma mensagem para o sistema de segurança existente e um registo com imagens arquivadas – uma base de provas para seguradoras e autoridades policiais.

11 Robô e câmera estéreo: acompanhamento preciso

As câmeras de vigilância respondem à pergunta "onde". O próximo passo é "o que é e com que rapidez se move": um robô industrial BORUNTE com duas câmeras de visão estereoscópica (com lentes de longa distância) montadas em uma barra rígida é adicionado ao sistema.

O erro aumenta com o quadrado da distância, portanto, o sensor estéreo é uma ferramenta para áreas próximas, até algumas centenas de metros, enquanto a visão distante permanece limitada pelas zonas. O robô possui limites de programação para cada eixo: a cabeça não desce abaixo do ângulo especificado e não se volta para residências, ruas e áreas vizinhas.

Canal de áudio

Os motores do drone produzem um zumbido uniforme de 150–400 Hz, com harmônicos nítidos, que as aves não emitem. O som confirma que o ponto no céu é um aparelho: um microfone direcionado no sistema estéreo ouve na mesma direção em que as câmeras estão focadas, e a grade de microfones na torre (6–8 microfones) determina a direção do objeto e pode até mesmo mover o robô, mesmo que a óptica ainda não o tenha detectado.

Opção: rede pneumática

É possível equipar o robô com uma rede pneumática: utilizando ar comprimido, sem pólvora ou elementos de projecção, ela lança a rede, que envolve as hélices; a versão com paraquedas permite que o drone capturado desça lentamente. A distância típica varia entre 20 e 100 metros, e o controlo é feito com base em dados de visão estereoscópica, com a descida apenas após a confirmação do operador.

12 O que o sistema faz e o que não faz

13 Procedimento de implementação

Durante a inspeção, tudo é medido, e não apenas declarado: um drone de controle voa de acordo com um programa pré-definido, o sistema registra um log, e o log é comparado com o programa de voo. A parte mais longa não é a montagem, mas sim a visualização do céu: o modelo deve observar um céu claro, nuvens, névoa, sol baixo, chuva – algumas dessas condições dependem do clima. Por isso, o piloto em uma única câmera inicia o voo cedo e trabalha em paralelo com a montagem dos outros.

Leia também: engiAI — visão computacional e o método ZONA-PAR · manual engiAI (PDF) · Robot1 — controle de robôs.