溺水快速救援系統研究

陳會如 何永明 楊 柳 丁子峻

(東北林業大學交通學院，黑龍江 哈爾濱 150000)

研究表明，在我國尤其是水運居多的南方地區，因溺水導致的死亡率位居意外死亡的前列。每年全球有37萬人死于溺水，被列為24歲及以下人群十大意外死亡原因之一。目前的小型船只對救生設備的投擲主要為人工投擲，這種投擲方式雖然較為簡單，但投擲的范圍較近，對于遠距離的救援無法起到快速、高效的作用，延誤了最佳救援時間。本救援系統通過操控無人機對救生設備進行攜帶、釋放，以高效快速的方式協助完成溺水救援的過程。

1 水上救援現狀分析

1.1 水上救援的特點

溺水情況主要發生在以下兩種水域里，即開放水域和平靜水域。范圍較廣、流速較大的水域皆可列入開放水域的范圍，例如各江河湖海，此類水域的救援特點是待施救人員的溺水地點與安全區域的距離較遠，直接入水救援的難度較大，對施救人員的要求較高，同時危險性較高；平靜水域主要包括面積較小，流速小于0.4 m/s的水域，例如人工水池、游泳池和農村地區的河灣等，人工水池和游泳池的特點是環境較好，救援較方便，而農村的河灣等水域的特點是水質渾濁，水底情況復雜，救援情況難以預估，施救難度較大。

1.2 無人機救援的現狀

無人機作為一種便捷又高效的圖像輸送機器被廣泛應用于航拍中，近年來，由于其航拍圖像清晰以及準確的GPS定位系統，無人機的應用范圍越來越廣，比如利用無人機調查交通量、噴灑農藥等，在救援中，無人機同樣發揮著不可替代的作用。無人機在救援中的作用越來越重要，比如高速公路救援，與路面救援相比，無人機救援的優點在于可快速獲得待救援現場情況，以便做出及時、準確的應急措施。

1.3 無人機在海上救援過程中的現狀

我國有三種不同種類的無人機用于海上救援，分別為以浮力為動力的海上搜救無人機，飛行在高空的高續航無人機和可攜帶救援物資的地面效應無人機，本文主要討論可攜帶物資無人機的救援情況。

2 無人機救援的技術背景

技術是發展的主要動力，無人機技術發展得愈發成熟，就溺水救援系統而言，最重要的技術支持為準確定位技術和航拍攝影技術。

準確定位技術主要應用的是GPS全球定位系統，在GPS觀測中，地面接收機將接收到衛星從高空傳回的數據，利用預設的距離公式計算地面位置的準確坐標(X,X,Z)。

在溺水救援過程中，無人機利用自身的攝像技術對擬拍攝的景象進行拍攝，而后將圖像發送給計算機端，計算機對該圖像進行分析處理。由于溺水人員落水時經常發生掙扎行為，造成人員分辨不清晰的后果。為避免因圖像不清而造成救援不及時的嚴重后果，本文將采用圖像語義分割方法對圖像進行識別。

圖像語義分割(semantic segmentation)的含義可以理解為利用計算機分辨出圖像的語義，并從像素的角度自動分割圖像中的不同對象，對原圖中的每個像素都進行標注。

如圖1所示，如在計算機中輸入圖1a)，自動輸出圖1b)(圖1b)中淺灰色代表人，深灰色代表自行車)。

本文利用控制模塊的溺水者識別算法對采集到圖像進行處理后判斷視頻中是否出現溺水者。溺水者檢測采用背景幀差法進行，但傳統的背景幀差法主要是直接比較前后兩幀圖像對應像素點的灰度值，然而這種方法在低對比度的情況下易受噪聲干擾。因此本文采用一種基于提取函數的二值化方法來對傳統幀差法加以改進。原理如下：

(1)

(2)

其中，f(x,y,j)為當前幀圖像的灰度值；f(x,y,k)為前一幀圖像的灰度值；Ek為提取函數；Bk為輸出的二值化函數；T2為閾值，且T2∈(0,1)。

將通過視頻文件分解出的一系列連續圖像使用上述方法檢測區域內的障礙物信息，對前后兩幀圖像之間的像素點進行對比，并采用卡爾曼濾波法去掉噪聲。由于背景幀差法處理后留下的信息太少，所以需要使用邊緣檢測法獲取溺水者的邊緣信息并對檢測結果進行修正。結合上述兩種方法得到的信息并生成溺水者的位置信息，以此實現對溺水者的檢測。

3 溺水快速救援系統工作原理

3.1 整體系統工作原理

無人機上配備救生設備及相機系統，在溺水現象發生時，營救人員在安全地點通過無人機傳輸回來的圖像資料獲取被救援者的位置等情況資料，并通過遙控器對無人機進行控制，使得無人機攜帶救生設備快速飛行至被救援者身邊，通過感應人體紅外線的方式，選擇適當的高度和位置將救生設備進行釋放，為提高救援的安全性，遙控器還設置了手動釋放的功能，防止因傳感器出現故障或失靈而影響救援。

3.2 控制系統工作原理

控制系統細分為三部分，遙控部分、電路控制部分、機械部分。在遙控部分采用無線遙控器，通過在無人機上安裝的舵機控制器上連接無線接收模塊，將舵機控制器與無線手柄通過無線頻率相連。在ROBOIDE軟件中編輯舵機所需的動作組，并將其下載到舵機控制器中，通過設置對應按鍵端口控制的舵機序號及命令組，對舵機進行控制，再通過舵機與機械部分的機械爪相連，控制機械爪的動作以及動作時間、動作間隔。實現對無人機前進、后退、左轉、右轉、上升、下降等的動作控制，以及對救生設備的抓取和釋放等一系列操作。在發射時，當按下矩陣鍵盤不同的按鍵時，單片機對信號進行調制，使其產生相應的二進制控制脈沖，為了避免控制脈沖直接發射出去造成受到干擾和傳播距離短的問題，將脈沖調制為40 Hz的載波信號，經由放大器放大，再由紅外發光二極管發射出去。在接收部分，采用紅外接收傳感器，傳感器由光敏二極管和光敏三極管組成，紅外接收器接收到光信號，由于接收到的信號較為微弱，應加入放大電路，使得信號放大，再將信號傳入到PC端，由PC端對電平信號進行分析處理，將信號從載波上分離出來，解調為相應的按鍵信息。再將所獲得的信息通過電路控制機械爪的開合，使得機械裝置對救生圈進行抓取、釋放的動作。

3.3 新型救生氣墊工作原理

新型救生氣墊的優點主要有以下兩方面：一方面為輕便小巧，便于攜帶，收縮程度大，可以最大程度上減少無人機的載重；另一方面，新型救生氣墊使用高強抗拉TPU復合面料，配備微型高壓儲氣鋼瓶及充氣閥門，采取高周波模具熱合新工藝進行制作，成品可以自動充氣，其工作原理是救生氣墊落入水中后，水敏感元件遇水軟化，自動裝置中的撞針失去阻擋，在彈簧的作用下可刺破氣瓶封口的薄膜，CO2氣體立馬將氣墊充滿，從而產生浮力，以救援溺水人員。

4 溺水救援設備的系統組成

本系統由無人機、遙控器、投放機械裝置構成，無人機救援系統結構圖如圖2所示。其中無人機中包含無人機機體、螺旋槳、云臺、照相機、電池等裝置。遙控器由遙控器外殼、編碼集成電路、按鍵電路、紅外線發射電路構成。投放機械裝置由紅外接收電路、機械爪、電源、機械臂等結構構成。無人機通過短繩與舵機和機械爪相連，機械爪夾持救生氣墊。

5 實驗流程及問題

選取3級風速的天氣條件，進行溺水快速救援設備的實驗，1號實驗員控制遙感機，2號實驗員作為模特，以便無人機進行圖像采集。1號實驗員控制攜帶新型氣墊的無人機飛到2號實驗員所在位置的上空，將機械爪松開，將氣墊投擲到2號實驗員周圍，氣墊遇水快速充氣，從而實現救援行為。

實驗發現，風速對無人機的影響較大。以大疆無人機為例，增加了平衡感應設置，使無人機能夠更加平穩地飛行，研究發現，在6級以下的風力條件下，無人機可以正常執行飛行任務。此外，無人機的載重一般在10 kg左右，該載重遠遠大于氣墊的重量，因此無需過多考慮無人機的載重問題。

實驗表明，該系統具有其他海上搜救設備不擁有的優點：

1)隨時性。通常，無法直接救援的溺水現場的特點是水情復雜，救援難度大。無人機的特點是機動靈活，便于攜帶，可快速飛到待救援地點。利用該救援系統可以隨時監測水上情況，一旦發現險情，可以立刻進行救援，最大限度地降低傷亡水平。2)自識別性。加入圖像語義分割算法的圖像處理技術可以自動識別溺水人員，減少了PC端處理圖像的時間，在溺水發生4 min～6 min的黃金救援期內實施救援行為。3)安全性。間接救援比直接救援更加安全，無人機的使用降低了救援風險。

6 結語

無人機的GPS全球定位系統和圖像語義分割自識別系統，使得無人機救援系統的速度更快。無人機的操控簡單，降落所需滑道較短，一般救援現場均可滿足以上條件。此外，無人機造價低，控制靈活方便，甚至可通過編程對救援實現自動駕駛。因此，該系統可廣泛應用于溺水救援。