VolAnti is een open-source drone-detector die specifiek is ontwikkeld voor het opsporen van drones die onzichtbaar zijn in het RF-spectrum, zoals fibre-optic FPV-drones. In plaats van radioverbindingen te monitoren, analyseert het systeem het geluid van de propellers.
Technische werking en hardware:
- Hardware: Het systeem is gebouwd rond een ESP32-S3 en maakt gebruik van vier ICS-43434 MEMS-microfoons die synchroon samples verzamelen.
- Signaalverwerking: Elke 32ms voert de processor een 2048-punts FFT uit. Om vals-positieven te voorkomen en drones die stilhangen (hoveren) toch te detecteren, maakt VolAnti gebruik van een adaptieve ruisvloer en vier parallelle detectoren met verschillende geheugentijden.
- Communicatie en meldingen: Bij detectie geeft het apparaat meldingen via een beeper, RGB-LED, haptische puls, e-paper display en via LoRa-pakketten naar andere units.
Resultaten: Het systeem heeft een gemeten bereik van ongeveer 104 meter. De hardware is relatief betaalbaar, met bouwkosten tussen de 35 en 80 GBP, en alle bestanden (Gerbers, BOM, STL) zijn open-source beschikbaar.
VolAnti: Akoestische drone-detector
Het probleem: Onzichtbaarheid in het RF-spectrum
Bijna alle drone-detectiesystemen luisteren naar de controleverbinding tussen de piloot en het toestel. Een fibre-optic FPV-drone heeft echter geen radioverbinding: het videosignaal gaat via een glasvezeldraad naar beneden en de besturing gaat via dezelfde draad omhoog. Hierdoor blijft het radiospectrum volledig stil. Zelfs de beste RF-detector ter wereld zal niets oppikken.
Wat een drone niet kan verbergen, zijn de vier propellers. Deze produceren een 'kam' van harmonischen in de lucht, gescheiden door de bladfrequentie (blade-pass rate). VolAnti is een kast van 91 mm die specifiek naar deze kam luistert.
Hardware en ontwerp
Het systeem maakt gebruik van vier ICS-43434 MEMS-microfoons, die elk bij een hoek van de printplaat zijn geplaatst. Ze werken op één enkele I2S-klok zodat de samples synchroon lopen, waarna de signalen simpelweg worden opgeteld.
Waarom geen beamforming?
Er is bewust niet gekozen voor beamforming (het sturen van een ontvangstbundel). Bij een frequentie van 450 Hz is de golflengte van geluid ongeveer 760 mm. Omdat de array van VolAnti slechts 79 mm breed is (van hoek tot hoek), is deze effectief een enkel punt voor een geluid van 450 Hz; er is dus niets om te sturen.
Het optellen van de microfoons levert echter wel een voordeel op: ongeveer 6 dB aan signaal-ruisverhouding (SNR). Dit komt doordat het drone-signaal gecorreleerd arriveert bij alle vier de microfoons, terwijl elektrische ruis dat niet doet. Bovendien is een omnidirectionele opvang wenselijk, omdat drones uit elke richting kunnen komen.
Technische specificaties van de printplaat
De printplaat meet 84 x 84 mm, heeft vier lagen en is afgewerkt met ENIG. De belangrijkste componenten zijn:
- Processor: ESP32-S3-WROOM-1-N16R8
- Communicatie: Ra-01H LoRa-module
- Stroomvoorziening: BQ24074 power-path lader en een TPS63020 buck-boost converter voor een enkele 3V3-rail
- Interface: WS2812B LED, buzzer, e-paper header, USB-C en een JST-PH batterijconnector
- Overig: Motor-pads
Detectie en signaalverwerking
Elke 32 milliseconden voert de ESP32-S3 een 2048-punts FFT uit op de opgetelde audio van 16 kHz.
De adaptieve ruisvloer
Het systeem trekt een adaptieve ruisvloer per bin af. Deze vloer leert rustige, constante geluiden over een periode van ongeveer zes seconden, terwijl luide, plotselinge geluiden (zoals een passerende vrachtwagen) in minder dan een seconde worden verwerkt, zodat deze niet in het ruismodel terechtkomen.
Vervolgens wordt er een score berekend voor een 'kam' bij elke kandidaat-bladfrequentie van 70 tot 2000 Hz (in stappen van 1 Hz). De winnende frequentie moet zes frames achter elkaar winnen (binnen een marge van 2%) voordat er een melding wordt gegeven.
Oplossing voor hoverende drones
Een probleem bij adaptieve ruisvloeren is dat een drone die arriveert en vervolgens stilhangt (hoveren), een constant geluid produceert. De adaptieve vloer leert dit geluid na ongeveer zes seconden als 'stilte', waardoor de drone van het scherm verdwijnt terwijl hij er nog steeds is.
Om dit op te lossen, draaien er vier verschillende detectoren parallel op hetzelfde spectrum, elk met een ander 'geheugen':
- Snel: Vangt aankomst op in 0,23 seconden.
- Langzaam: Heeft een vloer van 30 seconden en vangt drones op die arriveren en vervolgens stabiliseren.
- Near-field: Voor objecten die dichtbij en luid zijn.
- Zonder vloer: Witgefilterd over de frequentie op een twee-seconden Welch-spectrum; dit is de meest gevoelige detector, maar doet er 5 tot 15 seconden over om een besluit te nemen.
Alle vier de detectoren draaien per frame. De zwaarste meting was 29,4 ms, wat binnen het budget van 32 ms valt.
Behuizing en meldingen
De behuizing bestaat uit vier onderdelen geprint in zwart PETG. Het deksel bevat kegels van 45 graden achter elke microfoonopening, zodat het geluid via de printplaat de bottom-ported microfoons bereikt. Daarnaast is er een lightpipe voor de RGB-LED en een grilledoek.
Bij detectie geeft het systeem de volgende meldingen:
- Beeper (geluid)
- Rood licht
- Haptische puls
- E-paper melding (die blijft staan na stroomuitval)
- LoRa-pakket naar alle andere actieve units
Resultaten en kosten
In een test op een drukke straat werd een hoverende quadcopter gemeten op een afstand van 104,2 meter.
De kosten van de onderdelen liggen tussen de 50 en 80 GBP voor een volledig geassembleerd apparaat, of ongeveer 35 GBP voor een versie op een breadboard. De Gerbers, BOM, STL-bestanden en firmware zijn open-source beschikbaar via:
- Website: Volantitech.com
- GitHub: github.com/agam
VolAnti: Akoestische drone-detector
Het probleem: Onzichtbaarheid in het RF-spectrum
Bijna alle drone-detectiesystemen luisteren naar de controleverbinding tussen de piloot en het toestel. Een fibre-optic FPV-drone heeft echter geen radioverbinding: het videosignaal gaat via een glasvezeldraad naar beneden en de besturing gaat via dezelfde draad omhoog. Hierdoor blijft het radiospectrum volledig stil. Zelfs de beste RF-detector ter wereld zal niets oppikken.
Wat een drone niet kan verbergen, zijn de vier propellers. Deze produceren een 'kam' van harmonischen in de lucht, gescheiden door de bladfrequentie (blade-pass rate). VolAnti is een kast van 91 mm die specifiek naar deze kam luistert.
Hardware en ontwerp
Het systeem maakt gebruik van vier ICS-43434 MEMS-microfoons, die elk bij een hoek van de printplaat zijn geplaatst. Ze werken op één enkele I2S-klok zodat de samples synchroon lopen, waarna de signalen simpelweg worden opgeteld.
Waarom geen beamforming?
Er is bewust niet gekozen voor beamforming (het sturen van een ontvangstbundel). Bij een frequentie van 450 Hz is de golflengte van geluid ongeveer 760 mm. Omdat de array van VolAnti slechts 79 mm breed is (van hoek tot hoek), is deze effectief een enkel punt voor een geluid van 450 Hz; er is dus niets om te sturen.
Het optellen van de microfoons levert echter wel een voordeel op: ongeveer 6 dB aan signaal-ruisverhouding (SNR). Dit komt doordat het drone-signaal gecorreleerd arriveert bij alle vier de microfoons, terwijl elektrische ruis dat niet doet. Bovendien is een omnidirectionele opvang wenselijk, omdat drones uit elke richting kunnen komen.
Technische specificaties van de printplaat
De printplaat meet 84 x 84 mm, heeft vier lagen en is afgewerkt met ENIG. De belangrijkste componenten zijn:
- Processor: ESP32-S3-WROOM-1-N16R8
- Communicatie: Ra-01H LoRa-module
- Stroomvoorziening: BQ24074 power-path lader en een TPS63020 buck-boost converter voor een enkele 3V3-rail
- Interface: WS2812B LED, buzzer, e-paper header, USB-C en een JST-PH batterijconnector
- Overig: Motor-pads
Detectie en signaalverwerking
Elke 32 milliseconden voert de ESP32-S3 een 2048-punts FFT uit op de opgetelde audio van 16 kHz.
De adaptieve ruisvloer
Het systeem trekt een adaptieve ruisvloer per bin af. Deze vloer leert rustige, constante geluiden over een periode van ongeveer zes seconden, terwijl luide, plotselinge geluiden (zoals een passerende vrachtwagen) in minder dan een seconde worden verwerkt, zodat deze niet in het ruismodel terechtkomen.
Vervolgens wordt er een score berekend voor een 'kam' bij elke kandidaat-bladfrequentie van 70 tot 2000 Hz (in stappen van 1 Hz). De winnende frequentie moet zes frames achter elkaar winnen (binnen een marge van 2%) voordat er een melding wordt gegeven.
Oplossing voor hoverende drones
Een probleem bij adaptieve ruisvloeren is dat een drone die arriveert en vervolgens stilhangt (hoveren), een constant geluid produceert. De adaptieve vloer leert dit geluid na ongeveer zes seconden als 'stilte', waardoor de drone van het scherm verdwijnt terwijl hij er nog steeds is.
Om dit op te lossen, draaien er vier verschillende detectoren parallel op hetzelfde spectrum, elk met een ander 'geheugen':
- Snel: Vangt aankomst op in 0,23 seconden.
- Langzaam: Heeft een vloer van 30 seconden en vangt drones op die arriveren en vervolgens stabiliseren.
- Near-field: Voor objecten die dichtbij en luid zijn.
- Zonder vloer: Witgefilterd over de frequentie op een twee-seconden Welch-spectrum; dit is de meest gevoelige detector, maar doet er 5 tot 15 seconden over om een besluit te nemen.
Alle vier de detectoren draaien per frame. De zwaarste meting was 29,4 ms, wat binnen het budget van 32 ms valt.
Behuizing en meldingen
De behuizing bestaat uit vier onderdelen geprint in zwart PETG. Het deksel bevat kegels van 45 graden achter elke microfoonopening, zodat het geluid via de printplaat de bottom-ported microfoons bereikt. Daarnaast is er een lightpipe voor de RGB-LED en een grilledoek.
Bij detectie geeft het systeem de volgende meldingen:
- Beeper (geluid)
- Rood licht
- Haptische puls
- E-paper melding (die blijft staan na stroomuitval)
- LoRa-pakket naar alle andere actieve units
Resultaten en kosten
In een test op een drukke straat werd een hoverende quadcopter gemeten op een afstand van 104,2 meter.
De kosten van de onderdelen liggen tussen de 50 en 80 GBP voor een volledig geassembleerd apparaat, of ongeveer 35 GBP voor een versie op een breadboard. De Gerbers, BOM, STL-bestanden en firmware zijn open-source beschikbaar via:
- Website: Volantitech.com
- GitHub: github.com/agam
Groetjes,