基于機器視覺的水上救援裝置設計

趙澤鑫，丁 暢，高興宇，馮釗杰，陳以石，馬詩晏

（桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林 541004）

0 引言

近年來，由于暴雨、風暴潮等自然因素引起江河湖海的水量急劇增長，多處區域頻發洪水，而且隨著人類在水域上活動的增加，如何進行高效、可靠的抗險救援已經成為重要的研究課題。目前，發達國家水上救援已經從救援繩、救生圈等簡單裝備發展到水上救援轉運系統[1]，如專用救生艇、無人機[2]、水上救援機器人[3]等先進設備。隨著發達國家水上救援裝備更新換代，水上救援效果也不斷得到檢驗。目前現代的水上救援活動已經不能離開先進救援裝備，救援裝備更是不斷向無人化、信息化、智能化方向發展，如水上無人機、無人巡視系統及水上救援機器人等。中國從1949年新中國成立以來，水上救援發展至今仍未能擺脫技術落后、研發規劃不充足、研發人才短缺等問題[4]。當前，趙嘉厚等[5]提出了基于物聯網的伺服式近岸水上救援系統，該系統通過救援手環、伺服救援裝置以及管理監護終端組成，但該救援裝置沒有圖像的自動識別功能。熊林林等[6]提出一種新型水上救援拋投彈的設計方法，通過空中拋投的方式進行水上救援，該設計思路具備救援及時的優勢，但對落水人員的定位精度及救援的可靠性欠佳。裴林等[2]提出的旋翼無人機水上救援方案時效性強，但靠近和救起的可靠性不能保證。綜上，提升水上救援裝置的高可靠性、大負載能力、長時間續航里程是關鍵技術，當前的國內研究無論從機械結構還是技術方案層面都缺乏較為系統而完整的設計。

本研究重點關注了水上待救援目標的自動化識別與救援的問題，提出一種基于機器視覺的水上救援裝置設計方案，設計有水上圖像數據信息實時采集、傳輸與處理的功能，設計有圖像傳感器與控制電路的協同機制，兼顧了水上救援的時效性與可靠性。

1 裝置的總體設計

該裝置由總控系統、攝像頭、推進器、機械臂、傳送裝置五個部分組成，裝置整體如圖1所示。其中總控系統由電源模塊、圖像處理模塊、微控制器、電機驅動器四部分組成，其中，電源模塊與圖像處理模塊是總控系統中最為重要且復雜的部分。

圖1 裝置整體

傳送裝置如圖2所示，包括傳送帶電機、傳送帶與撈網。其中傳送帶所使用的材料為強力型尼龍片基帶，采用帶網孔設計，在被落水人員傳送時將被救人員身上滴下的液體經由網孔帶出裝置，防止傳送帶表面打滑。在救援過程中，對有自主意識的落水人員，撈網電機會將撈網下降至水平面，落實人員可爬上撈網由傳送帶回到總控系統上的救生平臺；對于已無自主意識的落水人員，救援裝置會根據落水人員在攝像區域的坐標進行位置調整，使裝置正對落水人員，此時撈網電機會將撈網降低至落水人員身下，接著升起撈網將落水人員輕輕放置在傳送帶上，傳送帶將其運送至救生平臺。

圖2 傳送裝置設計方案

2 裝置的總控系統設計

2.1 電源模塊

電源模塊分為兩部分，第一部分使用TPS54302-DDCR電源芯片將直流24 V轉為直流5 V，并以此電壓作為攝像頭以及圖像處理器的供電電壓，此電路具有反饋控制關斷的特點，當反饋電壓出現變化即降壓后的直流5 V發生變化時，電源芯片會及時關斷從而對其所供電的外設起到保護的作用，該電路圖如圖3所示，圖3中的Uin1=24 V，Uout1=5 V；第二部分使用TLV62569電源芯片將電源模塊第一部分降壓后的直流5 V降壓成直流3.3 V，并以此電壓為微控制器供電電壓，該電源芯片為開關電源芯片，當反饋電壓即微控制器供電電壓發生改變時，該電源芯片會及時關斷從而達到對微控制器的實時保護，其電路如圖4所示。圖4中Uin2=Uout1=5V，Uout2=3.3V。

圖3 24 V轉5 V電路

圖4 5 V轉3.3 V電路

在24 V轉5 V電路設計中，采用的降壓芯片為TPS54302。TPS54302是一款容壓差較高的降壓轉換器[7]，有效電壓輸入范圍為4.5 V～28 V，其最大輸出電流可達3 A。該芯片包含2個集成開關MOS并且擁有內部回路補償。TPS54302芯片的各管腳功能如下：

（1）GND功能：低側NFET的接地引腳、源極端子以及控制器電路的接地端子。

（2）SW功能：高側NFET和低側NFET之間的開關節點連接。

（3）VIN功能：輸入電壓電源引腳。

（4）FB功能：轉換器反饋輸入。

（5）EN功能：使能引腳。

（6）BOOT功能：高側NFET柵極驅動電路電源輸入

根據TPS54302數據手冊，如需開啟此芯片且輸出5 V電壓，必須使得使能電壓大于1.2 V，且其反饋電壓Vfb等于0.6 V，在本電路中開啟電壓VEN計算式、反饋電壓Vfb計算結果分別為：

在5 V轉3.3 V電路設計中，所用到的電源芯片為TLV62569。TLV62569是一款DC-DC同步電壓轉換器。TLV62569最大輸出電流可達2 A。TLV62569芯片的各管腳功能如下所示：

（1）EN功能：使能引腳。

（2）GND功能：低側NFET的接地引腳、源極端子以及控制器電路的接地端子。

（3）SW功能：高側NFET和低側NFET之間的開關節點連接。

（4）VIN功能：輸入電壓電源引腳。

（5）FB功能：轉換器反饋輸入。

在大負載條件下，TLV62569能夠自動工作在PWM工作模式下；在小負荷狀況下，該芯片自行開啟節能模式。因此該芯片得以保證在所有負荷電流范圍內一直保持著高效的工作狀態。另外，在其外部需要增加一個滑動變阻器，通過調整滑動變阻器的阻值進而起到調整輸出電壓信號的作用。該電源控制器芯片內部結構具有軟啟動電路可限制晶片在開啟期間產生的浪涌電流[8]。

根據TLV62569數據手冊，如需開啟此芯片且輸出3.3 V電壓，則需要滿足其使能開啟電壓大于1.2 V，且反饋電壓Vfb等于0.6 V。

在本電路設計中，其使能開啟電壓VEN與反饋電壓Vfb的計算公式、結果分別為式（3）和式（4）

2.2 圖像處理器

該裝置搭載的圖像處理器為STM32H743II處理器，圖像處理器外接一個高清攝像頭以保證采集圖像的清晰度，STM32H743II主時鐘頻率可達到480 MHz，可以實現快速進行圖像實時處理，保證救援的時效性；一個SPI總線傳輸數據時，可以達到100 Mbs的速度，允許將圖像流數據[9]傳送至LCD顯示屏與微控制器，便于查看被救人員當前的狀態，且該處理器帶有紅外熱成像模組，便于夜間進行救援工作。

處理器以開發板形式置于裝置。開發板使用模塊+底板的設計方式，具有整潔、小巧的特點，板載Type-C接口和USB-UART電路，可以直接通過USB Type-C線連接電腦進行開發，配置128Mbit Flash、LCD、DVP、Micro SD卡等接口，功能十分強大，能夠更好地支持水上救援裝置進行快速的圖像處理運算。

該圖像處理器內含的算法是基于R-CNN的目標檢測算法，以水上救援模型使用的圖像處理器為例，整體工作流程如圖5所示。

圖5 R-CNN目標檢測流程

圖像處理器實時采集攝像頭回傳的數據，通過選擇性搜索的方法大致生成2000個候選區域，每個候選區域都會被調整成固定大小（227像素×227像素）的圖像并入1個CNN[10]模型中，通過5個卷積層和2個全連接層進行前向傳播，最后得到1個4096維度特征向量，被送入1個多類別SVM分類器中，通過快速分析處理從而預測出候選區域中所含物體的屬于每個類的概率值。當預測檢測目標屬于人體的概率達到設定值時，圖形處理器會發送特定命令識別語句至微控制器，經由微控制器判斷后對其他外設做出相應命令，從而達到救援的目的。上述中預測目標概率在本方案設計中，閾值默認為0.8。當閾值小于0.8時，圖像中形似人體的信息會對處理器分析產生干擾；當閾值大于0.8時，處理器會丟失掉一些較為模糊的人體目標；實驗結果證明，當閾值取為0.8時較為合理，處理器的分析效果最佳。

2.3 系統控制原理

該裝置的總控系統采用意法半導體公司生產的STM32F407VGT6芯片作為核心控制器。總體控制原理如圖6所示。其中的STM32F407VGT6型號芯片是基于ARMCortex-M3內核的32位微控制器。其時鐘頻率為72 MHz，便于快速處理分析攝像頭回傳數據，保證救援的時效性，該芯片多達112個快速I/O端口，滿足了總控系統下接多外設的需求，其內置閃存程序存儲器和512 K容量的FLASH及64 K容量的SRAM，便于存儲水上救援的實時畫面。

圖6 系統控制原理

該裝置在工作過程中攝像頭實時回傳所拍圖像，經由圖像處理器分析處理后回傳至微控制器，由微控制器進行判斷，如識別到需要進行救援的對象，處理器會發送信號至下接外設，從而對落水人員進行救援。

為驗證裝置可靠性，對裝置總體性能進行了1次實驗。在本次實驗中，利用3D打印的人體模型代替落水人員。首先將該救援裝置放入湖中，啟動裝置，裝置進入巡航模式如圖7（a），接著將人體模型拋入湖中，裝置發現落水疑似目標并向其駛進，在靠近疑似目標后，利用裝置搭載的機械臂將攝像頭推進至疑似目標前方，由攝像頭將目標及附近圖像傳送至圖像處理器，經過圖像處理器的快速處理分析得到疑似目標為落水人員的結果并且返回落水人員在圖像中的坐標值，總控系統接收到結果后配合圖像處理器返回的坐標值對裝置整體進行細微調節從而使得落水人員處于撈網正中央，細調結束后，裝置啟動撈網與傳送帶如圖7（b），落水人員通過傳送帶傳送至裝置的救生平臺，最后裝置返航，將落水人員運送至湖邊，至此實驗結束。在本次實驗中，裝置巡航以及返航共用時23 s，目標識別以及裝置位置細微調節用時2 s（目標識別用時1 s不到），利用撈網以及傳送帶將落水人員傳送至救生平臺用時15 s，整個救援過程用時僅40 s，實驗結果表明，該裝置穩定性好，且功能效果突出。

圖7 裝置工作

3 結語

本文針對傳統水上救援裝置存在的缺點設計了一種基于機器視覺的水上救援裝置，該裝置具有控制系統完善、環境適應性強、續航能力強以及功耗低的特點，綜上所述該裝置模型滿足了水上救援的需求，對提高水上應急救援數字化、集成化、智能化有一定的借鑒意義，且具有較高的應用價值。