04/12/2023
Door Ad Spijkers
Met microfoonarrays kunnen onbemande toestellen slachtoffers zoeken zie onzichtbaar maar wel hoorbaar zijn.
Na een ramp telt elke minuut. Bij het zoeken naar overlevenden wordt vaak gebruik gemaakt van onbemande luchtvaartuigen (drones). Ze geven een eerste beeld van de situatie in moeilijk bereikbare gebieden en helpen bij het lokaliseren van slachtoffers – als ze zichtbaar zijn.
Onderzoekers van het Fraunhofer-Institut für Kommunikation, Informationsverarbeitung und Ergonomie (FKIE) in Wachtberg (20 km zuidelijk van Bonn) willen met nieuwe technologie een leemte in de bescherming tegen rampen dichten. In de toekomst zullen drones uitgerust met microfoonarrays vanuit de lucht specifiek de hulpkreten en akoestische signalen kunnen lokaliseren van degenen die hulp zoeken. Ze kunnen de locatiegegevens van de gewonden aan de reddingswerkers ter beschikking stellen. Dit vergroot de kansen aanzienlijk om begraven slachtoffers die niet met de camera kunnen worden ontdekt, snel te redden.
Problematiek
Wanneer een regio wordt getroffen door een natuurramp, telt elke minuut om de gewonden te redden. Maar de zoektocht naar overlevenden is complex; gebouwen en wegen kunnen beschadigd raken en grote gebieden kunnen onbereikbaar zijn. Daarom worden drones met daglicht- en warmtebeeldcamera's aan boord steeds vaker gebruikt om snel over grote gebieden met vernietigde infrastructuur te vliegen, hulpzoekenden te lokaliseren en het reactievermogen van reddingsteams te versnellen.
Het probleem is dat slachtoffers die vastzitten onder het puin, niet zichtbaar zijn voor deze beeldsensoren. Zelfs bij dikke rook, mist en duisternis hebben de camera's hun grenzen. Voor deze scenario's ontwerpen onderzoekers van Fraunhofer FKIE een oplossing die de camera's aanvult met akoestische sensoren. Met Lucy (Listening system Using a Crow's nest arraY) ontwikkelen ze een technologie die de levens kan redden van degenen die begraven liggen en vastzitten in branden.
Microfoonarray
Lucy is een array van MEMS-microfoons in een zogeheten kraaiennest-array, die op drones wordt gemonteerd. Ze kunnen de richting bepalen van waaruit geluiden zoals hulpkreten, klappen of klopsignalen ontvangen. De robuuste, kleine MEMS-microfoons zijn goedkoop en worden bijvoorbeeld in smartphones gebruikt. De microfoons zijn in een speciale geometrische opstelling aan de onderkant van de drone bevestigd en kunnen geluid uit alle richtingen detecteren.
Lucy werkt op dezelfde manier als het menselijk oor: het absorbeert geluidsinformatie en verzendt dat naar de hersenen, waar deze wordt geanalyseerd. In het array-systeem worden de oren vervangen door microfoons en de hersenen door een signaalverwerkingseenheid die de aankomstrichting van de geluiden schat. Omdat Lucy momenteel liefst 48 microfoons bevat, kan de richting van de geluidsbron nauwkeurig worden bepaald. Het systeem detecteert ook frequenties die het menselijk oor niet kan registreren. In de toekomst wordt het aantal microfoons uitgebreid naar 256 sensoren die signalen real-time kunnen verwerken.
Omgevingsgeluiden
Het systeem blokkeert storende omgevingsgeluiden zoals bergingsapparatuur, wind of vogels, maar ook het zoemen van de rotoren van de drone zelf. Met behulp van kunstmatige intelligentie (AI) en adaptieve filters worden signalen weggefilterd en worden geluidspatronen zoals schreeuwen, slaan of klappen aangeleerd waarmee mensen in noodsituaties de aandacht op zichzelf vestigen.
Het systeem maakt gebruik van een database met verschillende geluiden of handtekeningen waarop de AI eerder is getraind. In combinatie met signaalverwerkingstechnieken zoals coherent beam forming worden geluiden gedetecteerd, geclassificeerd en wordt de invalshoek nauwkeurig bepaald. Een compacte verwerkingseenheid maakt het mogelijk om signalen snel te verwerken. In geval van een ramp moeten de ontvangen locatiegegevens worden doorgegeven aan de reddingsteams, die vervolgens bijvoorbeeld tablets kunnen gebruiken om de exacte posities van hulpzoekenden te bepalen.
Door hun schaalbaarheid kunnen de sensormodules en microfoonarrays op veel in de handel verkrijgbare drones worden gebruikt. Omdat zowel de MEMS-technologie als de drones goedkoop zijn, is het zinvol om meerdere onbemande luchtvaartuigen in te zetten om het rampgebied effectief te verkennen. Door de lage massa kunnen hulpverleners het systeem ook dragen. Het kan ook op grondvoertuigen worden gemonteerd of stationair worden gebruikt. De onderzoekers van Fraunhofer FKIE werken momenteel aan verdere verbeteringen van het experimentele systeem.
Foto: Fraunhofer FKIE