基于無人機的海上搜救識別系統(tǒng)設計

王睿麟

(煙臺大學，山東 煙臺 264003)

0 引言

如今，海洋經濟發(fā)展迅速，從事海洋產業(yè)的人員越來越多。由于海洋氣候條件較為復雜，很容易受到寒潮、大霧、臺風等環(huán)境的影響，并出現船只擱淺、碰撞、觸礁等事故，造成人員傷亡與財產損失[1]。為了減少海上船只的事故，海上搜救系統(tǒng)應運而生。傳統(tǒng)海上搜救系統(tǒng)側重于搜救，通過救援隊的望遠鏡或紅外識別裝置，對人員進行搜救，但是，紅外識別裝置經常會識別到海洋中的生物，影響人員救援時間[2]。除此之外，識別裝置僅可以識別人員，缺乏對于其他物資的識別能力，無法有效保證生命財產安全。

無人機是一種通過旋翼馬達與控制主板控制的設備，在無人機上安裝攝像頭后，可以通過人工控制或系統(tǒng)控制，對無人機所到之處的圖像進行拍攝[3]。為了對出現事故的船只進行精準定位，通過船只的自動識別裝置，將船只的失事信息傳遞給搜救系統(tǒng)，提高海上搜救效果，本文利用無人機，設計了海上搜救識別系統(tǒng)，旨在提高圖像識別效果，為海上搜救提供便捷條件。

1 硬件設計

無人機需要具有一定的機械強度，保證無人機在海上可以平穩(wěn)飛行。為了保證無人機的機械強度，無人機需要具有適當的負載能力，因此，將海上搜救的無人機機身重量設定為2.5 kg，電機型號選用YEJZF160，機架為500 mm的碳纖維材質，并使用6 200 mA/h的超大續(xù)航電池，保證海上搜救的高效性[4]。

1.1 圖像傳感器

本文設計了圖像傳感器的硬件，考慮到圖像傳感器是在系統(tǒng)中起到圖像采集功能的硬件，因此，將圖像傳感器的重量設計成201g，尺寸為150.42 mm×32.68 mm×32.68 mm。為了保證圖像傳輸質量，將傳感器的傳輸幀率設置為120FPS，使圖像分辨率在760 px×500 px，最大限度地保證圖像識別效果。此外，海上搜救時間較長，不能進行短時間的材料補充，因此，將圖像傳感器的工作電壓設置為3.0 V，每小時消耗的能量僅為2.76 W，保證圖像傳感器的續(xù)航能力。將圖像傳感器的CPU設置為256 GB，可以支持圖像的加速傳輸，為海上搜救行動提供時間保障。

1.2 飛行控制器

飛行控制器選用Pixhawk型號進行無人機的飛行控制。此型號的飛行控制器由PXJVGH與PX8GIBG兩個部分組成，其中PXJVGH為系統(tǒng)主控環(huán)節(jié)，可以通過系統(tǒng)對圖像傳感器傳回的圖像進行識別，隨后控制無人機向定位方向飛行[5]。PX8GIBG是系統(tǒng)的輔助控制環(huán)節(jié)，由于海上搜救環(huán)境較為復雜，遇上雷雨天氣，直接影響無人機的圖像識別效果與控制效果，如果出現無人機失控的現象，可以通過PX8GIBG進行召回，保證無人機的安全使用。因此，PX8GIBG中存在較多的STLHJG124信號，可以對無人機傳達相關姿態(tài)指令，通過PWM的系統(tǒng)控制與強制控制兩個環(huán)節(jié)，可以保證無人機的正常使用。除此之外，飛行控制器可以將圖像傳感器中的圖像進行初步分析與處理，并通過nRFL12HGD與系統(tǒng)進行無線通信，將無人機當前飛行圖像與無人機的飛行軌跡傳輸回系統(tǒng)，最大限度地保證系統(tǒng)識別效果，為海上搜救的下一步行動提供條件。

2 軟件設計

2.1 識別海上搜救環(huán)境

海上搜救環(huán)境較為復雜，普通的救援方式費時費力，影響海上救援效果。海洋環(huán)境特有的高鹽、高濕、強風，以及復雜海況，再加上特殊天氣對通信網絡限制等問題，使海上救援成為難題[6]。由于無人機小巧、輕便的特點，可以適應各種氣象條件，因此，無人機可以廣泛應用于搜救行動。基于此，本文利用無人機設計海上搜救系統(tǒng)。由于海上環(huán)境較為惡劣，會出現較多的風雨交加的場景，影響船只的行進與無人機的使用。因此，本文將無人機進行改造，使其可以在風雨環(huán)境下平穩(wěn)地運行。在保證系統(tǒng)的硬件正常使用的條件下，本文對海上搜救環(huán)境進行識別。在海灘溺水急救的過程中，系統(tǒng)需要對溺水人員的位置進行精準定位，并利用無人機攜帶小型救生圈，為溺水人員提供自救條件，為搜救人員爭取更多的救援時間。

2.2 利用無人機進行距離測算

在海上搜救過程中，搜救時間至關重要。系統(tǒng)在識別出海上救援環(huán)境后，利用圖像傳感器將圖像傳輸回系統(tǒng)，以便提取海上搜救特征，精準定位搜救位置。在此過程中，考慮到圖像識別效果，將圖像傳感器的分辨率設計成760 px×500 px，可以提高圖像傳輸精度，便于系統(tǒng)對圖像所在區(qū)域的特征進行提取。在確定施救區(qū)域后，本文利用無人機技術進行距離測算，測算公式如下：

(1)

式(1)中，Zc為施救區(qū)域與搜救人員的距離；k0為施救區(qū)域的視距；s1為搜救人員所在位置的視距；d為施救區(qū)域與搜救人員直射路徑的矢量和。在測算出施救區(qū)域與搜救區(qū)域的距離后，搜救人員可以對無人機進行遙控作業(yè)，對于觸礁導致的人員溺水事故，可以利用無人機將救生圈等小型救援物資送到施救區(qū)域中，使待救人員可以先進行自救，最大限度地保證人身安全[7]。

2.3 實現海上搜救的精準識別

為了實現海上搜救的精準識別，系統(tǒng)可以對海上搜救的影響因素進行分析，并使用無人機開展海上救援。一般情況下，在離岸較遠的海上開展搜救時，無人機使用時間較長、抗風性能好，系統(tǒng)可以將無人機與海上搜救系統(tǒng)相融合，使其可以實現海上搜救的協(xié)同作業(yè)[8]。本文設計的海上搜救系統(tǒng)具有人機交互、協(xié)作，以及視覺識別等功能，通過圖像傳感器將視覺信息進行傳輸，使無人機可以準確地定位施救位置。通過系統(tǒng)與無人機的交互與協(xié)作，便于搜救人員在海上實現快速調動、快速救援的目標。海上搜救的具體流程如圖1所示。

圖1 海上搜救流程

如圖1所示，系統(tǒng)對圖像傳感器中的圖像進行接收；將圖像進行識別與處理；提取出圖像中施救區(qū)域的特征，并對施救區(qū)域進行精準定位，從而實現海上救援。在此過程中，識別時間至關重要，只有縮短圖像識別時間，才能為后續(xù)救援提供保障。

3 系統(tǒng)測試

由于海上搜救實驗具有較多的影響因素，沒有專業(yè)的搜救人員很難完成，因此筆者在空曠的實驗室以100:1的比例，模擬出一個海上環(huán)境，每隔10 cm放置一艘待搜救的漁船，最大限度地還原海上救援環(huán)境。在此環(huán)境下，使用本文設計的系統(tǒng)進行海上搜救與識別，并將傳統(tǒng)海上搜救系統(tǒng)與本文設計的海上搜救系統(tǒng)進行對比，驗證兩者搜救與識別效果，具體測試過程及結果如下。

3.1 測試過程

一般情況下，海上搜救需要對多個目標進行搜救，側向精度需要在10°以內，才能滿足海上搜救需求。為了保證本文設計的系統(tǒng)可以正常運行，對系統(tǒng)的硬件進行調試。首先，對無人機進行路徑規(guī)劃，安排搜救人員處于固定位置，使無人機按照規(guī)劃的路徑飛行，并保持飛行高度不低于2 m，飛行速度為20 cm/s，保證無人機可以正常使用。

將系統(tǒng)的圖像傳感器與飛行控制器的硬件進行安裝，如果圖像傳感器傳輸回的圖像與無人機飛行區(qū)域環(huán)境圖像一致，說明圖像傳感器可以正常使用；如果圖像不一致，說明該硬件傳輸圖像存在延時，將其進行調整，直至兩者的圖像重合。

在此基礎上，對飛行控制器進行調試，飛行控制器需要進行兩方面的調試，一方面，調試PXJVGH部分，只要無人機可以正常飛行，即保證PXJVGH部分正常；另一方面，調試PX8GIBG部分，模擬出海上風雨環(huán)境，對無人機進行沖擊，當PXJVGH不能控制無人機時，使用PX8GIBG進行強制召回，如果可以召回，則表示PX8GIBG部分可以正常使用，如果不可以召回，則表示PX8GIBG部分不能正常使用，需要繼續(xù)調試。在PXJVGH與PX8GIBG部分均調試完成后，即可保證系統(tǒng)的硬件可以正常使用。最后，本文對系統(tǒng)的軟件進行調試，軟件調試成功會出現如圖2的登錄界面，如果未出現登錄界面，則需要繼續(xù)調試。

圖2 系統(tǒng)登錄界面

系統(tǒng)在硬件與軟件調試完成后，操作人員需要輸入自己的用戶名與密碼，保證系統(tǒng)數據的保密性。當輸入用戶名與密碼完成后，可以點擊圖像識別模塊、距離測算模塊、提取特征模塊，以及二次識別模塊中的任意模塊，保證系統(tǒng)可以精準識別海上需要搜救的人員或物資。

3.2 測試結果

在上述測試環(huán)境下，將傳統(tǒng)海上搜救系統(tǒng)與本文設計的海上搜救系統(tǒng)進行對比，驗證兩者的搜救識別效果，測試結果如表1所示。

表1 測試結果

如表1所示，為了區(qū)別測試區(qū)域，本文將測試區(qū)域進行編號，分別為MXHL11-88。在相同的測試條件下，傳統(tǒng)海上搜救系統(tǒng)的識別時間較長，最長的圖像識別時間在MXHL55區(qū)域，為0.698 ms；最短的圖像識別時間在MXHL88區(qū)域，為0.285 ms，無法保證海上搜救效果，影響實際救援時間。而本文設計的海上搜救系統(tǒng)的圖像識別時間較短，最長的圖像識別時間在MXHL44區(qū)域，僅為0.064 ms；最短的圖像識別時間在MXHL11區(qū)域，僅為0.025 ms，可以保證海上搜救效果，為救援提供最快的時間保障，符合本文研究目的。

4 結語

近年來，海上運輸事業(yè)蓬勃發(fā)展，海上船只增加，形成海上運輸產業(yè)鏈，為我國的經濟發(fā)展提供了條件。但是，由于海上環(huán)境較為復雜，經常出現風雨交加的環(huán)境，海流變得更加湍急，人們在船只上的生命安全與財產安全受到了嚴重的威脅。除此之外，海上運輸鏈的形成，經常出現海上船只擁堵的現象，造成海上觸礁、擱淺、碰撞等災害頻發(fā)，造成重大的人身傷亡與財產損失。為了保證海上出行人員的安全，海上搜救系統(tǒng)的設計勢在必行。傳統(tǒng)海上搜救系統(tǒng)圖像識別效果較差，識別時間較長，影響人員的實際搜救效果。本文摒棄傳統(tǒng)系統(tǒng)的缺點，利用無人機設計海上搜救系統(tǒng)，旨在提高圖像識別效果，為海上搜救提供便捷條件。