趙袁 魏靜怡 董洪友

摘? 要：因每年落水者的人數(shù)不斷增加，設(shè)計(jì)以無人機(jī)搭載救生圈，利用人體紅外感應(yīng)和人臉識(shí)別定位落水者大致位置，再通過超聲波、激光測(cè)距協(xié)同控制救生圈調(diào)整營救方向，最后采用GPS的自動(dòng)規(guī)劃路徑進(jìn)行返航。提供一種人機(jī)協(xié)同，精準(zhǔn)施救，自動(dòng)返航的水面救援裝置，從而大大提高救援的安全性和效率。

關(guān)鍵詞：救生圈;無人機(jī);超聲波;激光測(cè)距;人體工學(xué);GPS自動(dòng)返航

中圖分類號(hào)：TP391.4? ?? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）09-0029-02

Abstract： Due to the increasing number of people who fall into the water every year， the design uses a UAV to carry a lifebuoy， uses human infrared induction and face recognition to locate the approximate position of the person who falls into the water， and then adjusts the rescue direction through ultrasonic and laser ranging. Finally it uses the automatic planning path of GPS to return. The utility model provides a water surface rescue device with man-machine cooperation， accurate rescue and automatic return， thus greatly improving the safety and efficiency of the rescue.

Keywords： lifebuoy; UAV; ultrasonic; laser ranging; ergonomics; GPS automatic return

1 研究背景

1.1 溺水事故背景

據(jù)我國衛(wèi)生部的不完全估計(jì)，全國每年約有6萬人死于溺水，相當(dāng)于每天150多人溺水死亡。若統(tǒng)計(jì)自殺、他殺、自然災(zāi)害（臺(tái)風(fēng)、洪水）、航運(yùn)災(zāi)害等因素導(dǎo)致的溺亡事件，則溺水死亡總數(shù)將增加50%。另據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，中國溺亡人數(shù)約占世衛(wèi)組織西太平洋區(qū)域總溺亡人數(shù)的80%?？梢?，溺水死亡嚴(yán)重威脅到我國人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。炎夏季更是溺水事件的高發(fā)季節(jié)，而城市河流、公園湖泊、郊區(qū)水庫以及海濱場(chǎng)所是溺水事件的高發(fā)場(chǎng)所。

1.2 傳統(tǒng)救援方式

（1）依靠人力的救援

缺點(diǎn)：施救者的死亡比例高，施救風(fēng)險(xiǎn)較大。主要由于以下兩點(diǎn)：

a.施救者短時(shí)間體力消耗過度而虛脫，從而喪失救援能力而溺水。

b.溺水人溺水時(shí)的求生本能和恐慌心理，其掙扎拉拽等動(dòng)作嚴(yán)重干擾并束縛了施救者施救過程，造成施救者救援失敗甚至溺亡。

綜上分析可知，缺乏便捷迅速的水面救援裝置是夏季溺水事件高發(fā)的主要原因之一。

（2）簡(jiǎn)單救生圈、救生衣等小型典型救生裝置

缺點(diǎn)：救援速度慢，貽誤救援時(shí)機(jī)，且容易消耗救援人員的體力。

（3）救援沖鋒舟、皮筏艇等大型救生產(chǎn)品

缺點(diǎn)：a.價(jià)格較貴，導(dǎo)致救援設(shè)備數(shù)量難以擴(kuò)大，使得在危急時(shí)期無法迅速征調(diào)救援設(shè)備，貽誤救援時(shí)機(jī)。

b.當(dāng)出現(xiàn)救援距離遠(yuǎn)等問題時(shí)，此類設(shè)備機(jī)動(dòng)性緩慢，極易耽誤救援時(shí)間。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 具體救援思路與步驟

救援設(shè)備采用救生圈+無人機(jī)相結(jié)合的救援方式：

（1）無人機(jī)作為救生圈的載具，負(fù)責(zé)落水者位置識(shí)別、救生圈的投放、同時(shí)負(fù)責(zé)救生圈的路徑的規(guī)劃與導(dǎo)航。

（2）救生圈作為救援的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)進(jìn)行自動(dòng)救援。

2.1.1 投放救生圈、目標(biāo)定位

（1）在救援前，無人機(jī)搭載救生圈，兩者通過電磁鐵相連，到達(dá)溺水事故地點(diǎn)且接觸水面后，電磁鐵斷電，此時(shí)救生圈即可以進(jìn)行尋人搜救。當(dāng)救援距離較近時(shí)，船上人員可以直接利用遙控器進(jìn)行救援，安全可靠性高;若當(dāng)遇到大霧等視野不便的情況，則可以啟動(dòng)自動(dòng)搜救模式。

（2）救生圈上攜帶人臉識(shí)別攝像頭，通過人臉識(shí)別目標(biāo)面部表情與特征，進(jìn)而判斷目標(biāo)是否為溺水者，從而排除非人體目標(biāo)與非溺水者目標(biāo)。

（3）人體的穩(wěn)定相較于湖面的水溫要高，因此人體紅外特征明顯，故采用人體紅外感應(yīng)模塊。

2.1.2 方向確定、目標(biāo)確認(rèn)

（1）超聲波陣列的模糊定向：救生圈投放后，救生圈頭部的超聲波陣列可以快速掃描湖面，通過測(cè)得的不同方向上距離的差異來確定目標(biāo)的大致方向。

（2）激光測(cè)距的精確定向：由于超聲波屬于開放式信號(hào)波，在同一距離上不同方向的物體具有相同的檢測(cè)結(jié)果，無法精確定位方向，此時(shí)利用激光測(cè)距方向性強(qiáng)，通過確定大致方向，可以進(jìn)一步準(zhǔn)確判斷落水者的方向。

（3）人體的穩(wěn)定相較于湖面的水溫要高，因此人體紅外特征明顯，故采用人體紅外感應(yīng)模塊。

2.1.3 GPS返航路徑自動(dòng)規(guī)劃

（1）無人機(jī)拋下救生圈之前，無人機(jī)先在空中拍下俯視圖照片，通過圖像分析來識(shí)別落水人的大概位置，在此位置投放救生圈。

（2）救生圈自動(dòng)根據(jù)人體紅外識(shí)別、激光測(cè)距、超聲波測(cè)距來判斷落水者方向，并在救生圈駛向落水者過程中不斷修正方向，當(dāng)救生圈到達(dá)落水者位置時(shí)，救生圈上的GPS就可以確定落水人在湖中的具體經(jīng)緯坐標(biāo)，并將坐標(biāo)發(fā)給無人機(jī)。

（3）此時(shí)無人機(jī)開始自動(dòng)規(guī)劃一個(gè)離落水人最近的岸邊坐標(biāo)，并通過無線通信發(fā)給救生圈，救生圈在自帶的地圖中根據(jù)自己的位置坐標(biāo)進(jìn)行移動(dòng)，并不斷通過地磁傳感器來糾正移動(dòng)方向，到達(dá)指定位置。

2.2 救生圈外觀設(shè)計(jì)

2.2.1 低阻力的外形

（1）傳統(tǒng)救生圈缺點(diǎn)

傳統(tǒng)的救生圈一般都是中間鏤空設(shè)計(jì)，這種形狀加動(dòng)力裝置比較困難，而且在救人的過程中，阻力比較大，從而消耗救援人員和溺水者體力。

（2）創(chuàng)新點(diǎn)

a.行進(jìn)阻力?。罕菊n題設(shè)計(jì)的新型救生圈采用A型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在A字的兩個(gè)腿端增加兩個(gè)噴水推進(jìn)器。前端下半部分為前傾型首，以減小行駛中的阻力。A字橫杠往前的上半部分為微凹型，人趴在上面時(shí)，救生圈受力均勻。

b.抓附摩擦力大：采用了搪塑材料，觸感柔軟，在A字的橫杠外側(cè)有兩個(gè)把手，采用牛皮外表，而且內(nèi)側(cè)紋路還可以增大摩擦，溺水者抓住把手的時(shí)候更加省力安全。

2.2.2 浮力大小自適應(yīng)調(diào)整

（1）傳統(tǒng)救生圈缺點(diǎn)

傳統(tǒng)救生圈的大小都是固定的，這就導(dǎo)致在救人的時(shí)候出現(xiàn)很多弊端。

（2）創(chuàng)新點(diǎn)

自動(dòng)調(diào)節(jié)浮力大?。罕菊n題在A字型下端兩側(cè)內(nèi)側(cè)都裝上了氣墊設(shè)計(jì)，身材體型不同的人趴在上面，氣墊會(huì)根據(jù)負(fù)重與受力的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)浮力。

2.2.3 船體不分底與頂

救生圈的上下兩面都具有進(jìn)水口且上面的模塊均為防水設(shè)計(jì)，如若發(fā)生救生圈傾翻情況，仍可以進(jìn)行正常返航。

2.2.4 合理的顏色涂料

眾所周知，視覺是人對(duì)外界最重要的探知方式，海上大部分情況主要是陽光和月光環(huán)境，因此救生圈顏色的肉眼可辨識(shí)度在營救時(shí)有著很大的影響。

創(chuàng)新點(diǎn)：救生圈設(shè)計(jì)的主體顏色是橙黃色。

a.對(duì)鯊魚具有警告作用：當(dāng)落水事故發(fā)生時(shí)，溺水者極易受到海里鯊魚的襲擊。根據(jù)大量經(jīng)驗(yàn)和研究調(diào)研，鯊魚最懼怕橙黃色，故將救生圈主體做成橙黃色，降低鯊魚攻擊的概率。

b.肉眼可辨識(shí)度高：橙黃色能見度高，明亮刺眼，可以強(qiáng)烈地刺激救援人員的視神經(jīng)。在很多危險(xiǎn)的場(chǎng)合，也使用這樣的救援和警示裝置。

2.3 理論模塊技術(shù)支持

2.3.1 RCWL-1601超聲波測(cè)距模塊

RCWL-1601是一款3V-5.5V供電，軟件完全兼容HC-SR04的開放式超聲波測(cè)距模塊。無鉛工藝2cm超小盲區(qū)，典型4.5m最遠(yuǎn)測(cè)距，2.2mA超低工作電流;其性能優(yōu)于HC-SR04，為此我們采用了RCWL-1601模塊。

2.3.2 激光測(cè)距模塊

VL53L0X飛行時(shí)間測(cè)距傳感器是新一代激光測(cè)距模塊， VL53L0X是完全集成的傳感器，配有嵌入式紅外，人眼安全激光，先進(jìn)的濾波器和高速光子探測(cè)陣列，測(cè)量距離更長，速度和精度更高。VL53L0X的感測(cè)能力可以支持各種功能，包括各種創(chuàng)新用戶界面的手勢(shì)感測(cè)或接近檢測(cè)，掃地機(jī)器人、服務(wù)性機(jī)器人的障礙物探測(cè)與防撞系統(tǒng)，家電感應(yīng)面版、筆記本電腦的用戶存在檢測(cè)或電源開關(guān)監(jiān)控器，以及無人機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)（I0T）產(chǎn)品等。

3 結(jié)束語

本課題通過無人機(jī)搭載救生圈，通過人體紅外特征和人臉識(shí)別的落水者位置定位，超聲波、激光測(cè)距協(xié)同控制的落水者方向糾正和GPS的自動(dòng)返航路徑規(guī)劃。綜上所述，本課題優(yōu)點(diǎn)在于提供一種人機(jī)協(xié)同，精準(zhǔn)施救，自動(dòng)返航的水面救援裝置，從而大大提高救援的安全性和效率?？紤]到水上搜救的環(huán)境比較惡劣，水中隨機(jī)分布的障礙物和太陽光線與溫度等干擾元素，克服以上困難依舊是我們目前的難點(diǎn)與挑戰(zhàn)。這就要求我們?cè)跈C(jī)器學(xué)習(xí)的方面進(jìn)行不斷完善。由于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)方面尚存在不足，主要集中于如何區(qū)分人和動(dòng)物，學(xué)習(xí)如何避開障礙物，而識(shí)別到人的時(shí)候能迅速靠過去。為了能做到精準(zhǔn)施救，我們還有很大的進(jìn)步空間，包括如何優(yōu)化算法從而增加游泳圈的響應(yīng)速度。在自動(dòng)尋人等方面，我們還可以繼續(xù)改進(jìn)方案，通過不斷完善技術(shù)，繼續(xù)降低操作的難度，加快施救的速度。

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