パルスレーダーでシェルター内の野良猫を検出

閉じた箱があります。中には生きた猫がいるかもしれませんが、箱を開けるまではわかりません。ほとんどの人にとって、この状況は量子力学の基礎を探る理論的な難問です。しかし、私にとっては、箱を開けたときに猫がどれだけイライラするかという重要な問題を物理学が完全に無視していることもあり、差し迫った実際的な問題です。しかし、幸いなことに、エンジニアリングが救いの手を差し伸べてくれます。SparkFun の新しい 50 ドルのメーカーフレンドリーなパルスコヒーレントレーダーセンサーです。

少し話を戻そう。パンデミック中に在宅勤務をしていたとき、妻と私はニューヨーク市の自宅の裏庭に野良猫の群れがいるのを発見した。私たちはできる限り多くの猫を捕獲・去勢・返還（TNR）することで群れの成長を食い止め、厳しいニューヨークの冬を毛むくじゃらの隣人を見守るためにフェラルヴィラの屋外シェルターを3つ購入した。このほぼ立方体の形をした断熱シェルターでは、猫は上げ床の開口部から中に入ることができる。上部の取り外し可能な蓋により、数か月ごとにわらの敷き藁を交換できる。蓋を外さないとシェルターの中を見ることは不可能なので、ほんの数分前まで静かに昼寝をしていた爪のある捕食動物を驚かせてしまう危険がある。

レーダーの筐体 [left column] バスウッドで作られています（猫の耳を上に付けるのはオプションです）。マイクロコントローラ [top row, middle column] レーダーモジュールからの結果を処理する [top row, right column] LEDを点灯させる [right column, second from top] それに応じて。バッテリーとオン/オフスイッチ [bottom row, left to right] 電源を構成します。ジェームズ・プロヴォスト

野良猫は、社会化された飼い猫とは人間に対する反応が異なります。彼らは人間を、不器用な召使いではなく脅威と見なします。何年も毎日餌を与えた後でも、私たちのブロックのコロニーの猫のほとんどは、触られるのはもちろん、1、2メートル以内に近づかせてくれません。彼らの爪は、一度もバリカンで切られたことがありません。そして、彼らは驚かされたり、閉じ込められたりするのが好きではありません。そこで、私はシェルターに人が住んでいるかどうかを確認する方法を探しました。 前に メンテナンスのために蓋を開けてみた。そこでレーダーの出番だ。

SparkFun のパルス コヒーレント レーダー モジュールは、Acconeer の低価格 A121 センサーをベースにしています。指の爪よりも小さいこのセンサーは 60 ギガヘルツで動作するため、信号は多くの一般的な素材を透過できます。信号が素材を通過すると、その一部がセンサーに反射して戻ってくるため、複数の表面までの距離をミリメートル単位の精度で測定できます。レーダーは「存在検出器」モードに設定できます。これは、人間が存在するかどうかをフラグ付けする目的で、反射距離の変化を探して動きを識別します。

SparkFun のモジュールの発表を見た瞬間、頭が回り始めました。レーダーが人間を検知できるのなら、猫なら検知できるはずだ。もちろん、箱の中に猫がいるかどうかという問題は、たとえばシェルターの中に圧力センサーを設置するなど、それほど高度ではない技術で解決できただろう。しかし、それには耐候性、電源、データを取り出す何らかの手段を備えた恒久的なセットアップが必要だった。さらに、シェルターごとに 1 つずつ、計 3 つのインストールを実行する必要もあった。数か月に 1 回しか必要ない情報の場合、それは少々多すぎるように思えた。そこで、レーダー モジュールと、30 ドルの IoT RedBoard マイクロコントローラーを注文した。RedBoard はレーダーと同じ 3.3 ボルトで動作し、モジュールを構成してその出力を解析できる。

レーダーが人間を検出できるのなら、なぜ猫は検出できないのでしょうか?

レーダーを RedBoard に接続するのは簡単でした。どちらも Qwiic 4 線式インターフェースを備えており、周辺機器への I2C シリアル接続とともに電力を供給します。SparkFun の Arduino ライブラリとサンプル コードを使用すると、マイクロコントローラーを USB 経由でホスト コンピューターに接続してアイデアの実現可能性をすばやくテストでき、シリアル モニターでレーダーの結果を表示できました。室内飼いの猫 (コロニーから脱走した 2 匹) を使った実験では、猫がぐっすり眠っているときでも、呼吸の動きだけで存在検出器が作動することが分かりました。さらにテストを進めると、レーダーがシェルターの木製壁と断熱ライニングを貫通できることがわかりました。

次のステップは、この装置を持ち運び可能にすることだった。私は 11 ドルの小さなリチウム電池を追加し、電源コードにオン/オフ スイッチを取り付けた。私は、RedBoard の入力/出力ピンにガムドロップ LED を 2 つ接続し、SparkFun のサンプル スクリプトを変更して、存在検出器の出力に基づいて LED を点灯するようにした。緑色の LED は「猫なし」、赤色の LED は「猫」である。私はバスウッドで筐体を作り、回路基板と電池を取り付け、レーダー モジュール用の窓として背面に穴を開けた。(補足: 野良猫の世話に加えて、パンデミック中に私が試したことの 1 つは、プロジェクト用のプラスチック筐体を 3D プリントすることだった。しかし、1 回限りの作品やプロトタイプを作る場合、木材を切断、穴あけ、接着する方が速く、頑丈で、はるかに許容範囲が広いことがわかった。)

レーダー センサーは、シェルターの壁と内張りを通して 60 ギガヘルツのパルスを送信します。レーダーが層を貫通すると、一部の放射線がセンサーに反射され、センサーはそれを検出して距離を測定します。材料によっては、電気誘電率に応じて、他の材料よりもパルスを強く反射するものがあります。 ジェームズ・プロヴォスト

また、存在検出器がスキャンする範囲を調整するためにスクリプトを変更しました。検出器をシェルターの壁に当てると、検出器は壁の内側の空間と反対側の約 50 センチメートルの距離からの反射のみを調べます。コロニー内の猫はすべて大人なので、検出器を角の近くに置かない限り、シェルターの容積の大部分を占め、そのようなレーダー ビームと交差します。

私は、室内飼いの猫の 1 匹にポータブル探知機をシェルター内でテストしました。猫はおやつでごまかし、一度に数秒間、開いた箱の中に座らせました。探知機は猫が中にいるときはいつでも猫をうまく見つけましたが、誤検知は起こりやすいです。レーダーの利用可能な多数の構成設定を調整して、これらのエラーを減らすように努めます。しかし、当面は、誤検知は誤検知よりはるかに望ましいです。「猫なし」のライトは、シェルターの蓋を開けても間違いなく安全であることを意味し、私の神経 (と猫たち) は、それでより安心です。