嵌入式船舶人員落水搜救控制系統(tǒng)的設計與研究

蔡紅梅

(集寧師范學院 計算機系，內(nèi)蒙古 烏蘭察布012000)

0 引 言

現(xiàn)代水上和海上航運的繁榮，對海上和內(nèi)河航運過程中人員落水搜救提出了更高要求。水上搜救是指國家或者部門針對船舶落水事故做出的搜尋、救援等工作。落水人員的搜救是一個技術性很強的系統(tǒng)工程，需要對海上搜救系統(tǒng)加大研發(fā)投入。當前艦載式落水人員的搜救系統(tǒng)主要由落水人員的視覺定位系統(tǒng)組成，通過定位能在接到求救信號后第一時間定位到落水人員盡可能準確的位置，縮小搜救范圍，縮短救助時間，提高落水人員的生存概率［1-3］。

隨著計算機視覺采集系統(tǒng)研究的深入，當前艦載搜集系統(tǒng)主要基于計算機視覺系統(tǒng)分析，引入人工智能、模式識別和圖像處理和水動力學等學科知識，實現(xiàn)對落水人員的控制系統(tǒng)設計。系統(tǒng)主要包括落水人員的相關特征數(shù)據(jù)分析和采集、圖像分析系統(tǒng)和嵌入式搜救系統(tǒng)等，由此設計人員落水搜救系統(tǒng)，提高船舶水上事故的導致人員落水后的救援能力。當前的落水搜救系統(tǒng)主要采用紅外和人眼識別［4］，搜索效率不高，針對這一問題，本文對傳統(tǒng)艦載式落水人員搜救系統(tǒng)進行改進設計。

1 總體設計與圖像特征數(shù)據(jù)采集

1.1 艦載式搜救系統(tǒng)的總體設計

嵌入式人員落水搜救系統(tǒng)是通過對水下壓力、落水人員的視覺特征等物理特性，實現(xiàn)對落水人員的準確檢測。本文提出基于嵌入式遙感視覺定位和激光通信的落水人員搜救特征提取方法，該控制系統(tǒng)采用嵌入式Linux 操作系統(tǒng)設計，基于亮點模型衍射的方法實現(xiàn)視覺穿透，實現(xiàn)落水人員的視覺圖像特征采集，系統(tǒng)總體設計流程如圖1所示。

圖1 落水人員控制系統(tǒng)總體設計Fig.1 Overall design of the control system for the ship drowning persons

落水人員的搜救閃爍探頭輸出的電脈沖信號進行落水人員的視覺特征和落水部位的水位壓力等物理特征進行檢測，首先通過高速峰值檢測器進行峰值檢測，一旦檢測到脈沖峰值，表示可能存在落水人員，就通過后面的峰值保持器將峰值保持住，然后通過低速A/D 將峰值電壓進行量化，轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，把該數(shù)字信號輸入到嵌入式控制系統(tǒng)中，進行數(shù)據(jù)分析［5］。通過嵌入式遙感視覺定位，實現(xiàn)落水人員的視覺定位，把脈沖幅度通過激光通信上輸入到檢測系統(tǒng)中，每個數(shù)字信號對應單片機內(nèi)存中的一個地址，稱為一道，每收集到一個脈沖，就在相應的道值上加1，由此實現(xiàn)海上搜救。

本文對落水人員搜救系統(tǒng)的設計主要包括特征數(shù)據(jù)采集和圖像處理算法設計部分，作為系統(tǒng)的核心控制算法;另外還包括系統(tǒng)的硬件設計部分。

1.2 主要搜救算法的設計

落水人員特征數(shù)據(jù)采集包括圖像數(shù)據(jù)采集和水上物理信息采集，本文提出一種基于嵌入式遙感視覺定位方法，基于亮點模型衍射的方法實現(xiàn)視覺穿透，進行圖像特征數(shù)據(jù)采集，采用Huygens-Fresnel 原理［6］，結(jié)合Fraunhofer 圓孔衍射算法，設計了海水湍流信道模型，提高激光通信在海水中的穿透力和衍射能力，為定位落水人員提供準確的數(shù)據(jù)基礎。

首先構(gòu)建海水散射模型，本文采用Gamma -Gamma分布的方法構(gòu)建海水散射物理模型，采用Fraunhofer 圓孔衍射，進行落水人員的視覺特征提取，F(xiàn)raunhofer 圓孔遙感衍射光路圖如圖2所示。

圖2 Fraunhofer 圓孔遙感衍射光路圖Fig.2 Fraunhofer hole diffraction optical remote sensing

采用激光在海水中衍射的方法實現(xiàn)視覺穿透，搜尋落水人員的目標信息，海水散射模型表達式為:

式中:I(x)為海水散射強度;J(x)為海水中進行遙感定位光線強度;A為海水湍流光子密度成分;t(x)為激光在海水中的穿透率，落水人員的數(shù)據(jù)信號采集和追蹤過程中，特征數(shù)據(jù)和采集信號的感知雙向。也就是說，由于受周圍環(huán)境的影響，采用無線射頻設備技術，往往會采集到含有大量噪聲的原始數(shù)據(jù)。對此，本文采用激光通信進行圖像視覺傳輸，激光在海水中的穿透波長系數(shù)為:

其中，ai為激光在海水中的視覺穿透亮點衍射系數(shù)，通過式(2)，構(gòu)建激光通信對RFID 數(shù)據(jù)濾波模型，進行圖像特征提純，對RFID 數(shù)據(jù)進行過濾，只保留第一個被輸出的標簽數(shù)據(jù)，通過過濾后的RFID數(shù)據(jù)需要保持原來的采集順序。基于亮點模型衍射的方法實現(xiàn)視覺穿透，由此得到落水人員目標定位優(yōu)化函數(shù)表示為:

（2）預裂面開挖后的不平整度應≤15cm。預裂面不平整度通常是指預裂孔所形成預裂面的凹凸程度，其是衡量鉆孔和爆破參數(shù)合理性的重要指標，可依此驗證、調(diào)整設計數(shù)據(jù)。

式中:φ(·)為激光波長核空間映射函數(shù)，wTφ(xi)，落水人員圖像的散射模型表達式為:

式中，θ0為濾波器的方向;δθ為高斯函數(shù)的標準偏差。在視覺特征采集信道中，ηm(x，y)為紅外遙感特征隨落水人員動態(tài)分布變換的光斑強度。通過上述分析，實現(xiàn)了落水人員特征數(shù)據(jù)采集，為進行落水人員的搜索控制系統(tǒng)設計提供數(shù)據(jù)輸入。

2 艦載式嵌入式搜救系統(tǒng)硬件設計

在上述進行嵌入式人員搜救視覺定位和激光通信的基礎上，采用嵌入式的設計方法進行系統(tǒng)設計，系統(tǒng)主要由硬件模塊和軟件模塊構(gòu)成。該系統(tǒng)采用嵌入式Linux 操作系統(tǒng)設計，實現(xiàn)人員落水人員的視覺圖像特征采集，在上述進行軟件模塊設計的基礎上，進行硬件模塊設計，整個嵌入式落水人員搜救系統(tǒng)硬件系統(tǒng)部分為5個子模塊:傳感器系統(tǒng)、AD 采集模塊、ARM 主控系統(tǒng)模塊、控制顯示模塊，供電系統(tǒng)［7-10］。系統(tǒng)硬件模塊設計如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件模塊設計框圖Fig.3 Block diagram of hardware module of system

其中，傳感器模塊包括絕壓傳感器、差壓傳感器和圖像數(shù)據(jù)特征傳感器。AD 采集芯片負責采集將經(jīng)過搜救控制信號調(diào)理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并傳給主控系統(tǒng)進行后級的數(shù)字處理。ARM 系統(tǒng)模塊的核心是ARM 嵌入式微處理器，進行嵌入式搜救控制，包括SDRAM，F(xiàn)LASH，NorFLASH 等。顯示模塊實現(xiàn)對落水人員目標定位數(shù)據(jù)的存儲和圖像顯示。

濾波電路中使用的運算放大器同樣為AD8034，為了優(yōu)化圖像定位精度，設計二階低通濾波器，電路如圖4所示。

圖4 搜救系統(tǒng)二階低通濾波器Fig.4 Two order low-pass filter

低通濾波器電阻選用4個200 kΩ的貼片電阻，截止頻率為:

在此基礎上設計AD 系統(tǒng)，由信號接入、電源設計、控制電路3 部分組成，由于S3C2440的SPI接口被LCD控制接口和復位鍵的接口占用，采用嵌入式Linux，得到落水人員搜救的AD 數(shù)據(jù)特征采樣電路如圖5所示。

圖5 落水人員搜救的AD 數(shù)據(jù)特征采樣電路Fig.5 AD data feature sampling circuit for drowning personnel search and rescue

進行搜救控制模塊設計，搜救控制模塊核心是ARM控制器，由控制寄存器/顯存、LCDDMA、LPC3600、VIDPRCS，落水人員的搜救控制模塊電路如圖6所示。

落水人員的搜救控制模塊采用Linux 內(nèi)核信，號接入DDATA3 (第1 腳)通過10 kΩ 電阻上拉到3.3 V，使SD 卡上電后自動進入SD 模式。本接口中該引腳用于卡上電后的模式選擇。設備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)與硬件直接對話，其中:

SDCMD (第2 腳)為命令響應線，SDCLK (第5 腳)為時鐘輸入信號。

圖6 落水人員的搜救控制模塊電路Fig.6 Rescue and control module circuit for ship drowning personnel

DAT0～ DAT2 (第 7、8、9 引 腳) 加 上SDDATA3 組成4 位數(shù)據(jù)線。

EINT16 (第11 腳)為卡插入檢測信號。保證輸入的穩(wěn)定性，除VDD、GND 外的引腳均通過10 kΩ 上拉到3.3 V。

最后進行系統(tǒng)電源供電，系統(tǒng)的輸入電源中有一路為3.3 V，因此無需額外芯片來產(chǎn)生，采用10 μF和0.1 μF的電容并聯(lián)來進行電源濾波，為了減小接線電感，采用0402的小封裝，再并聯(lián)一個10 μF 電容，用于儲能，防止電壓突變，采用0805 封裝。搜救系統(tǒng)的電源供電模塊電路如圖7所示。

圖7 搜救系統(tǒng)的電源供電模塊電路Fig.7 Power supply module circuit for rescue control system

通過上述設計，完成了嵌入式人員落水搜救系統(tǒng)的設計，最后進行系統(tǒng)仿真實驗，測試本文設計的系統(tǒng)在提高搜救控制性能方面的優(yōu)越性。

3 仿真實驗與性能測試

為了測試本文設計的嵌入式人員落水搜救系統(tǒng)的性能，進行仿真實驗。實驗中，首先進行系統(tǒng)調(diào)試，調(diào)試過程使用的儀器儀表如下:

1)Tektronix TX3 JTAG 電路;

2)Agilent EEPROM 33220A 函數(shù)信號發(fā)生器;

3)INSTEK PST3202 可編程電源;

4)Agilent 混合示波器。

落水人員的視覺特征收發(fā)信號和轉(zhuǎn)換信號進行獨立的Gamma 校正;16 位Zoom Video 口;支持硬件光標，并可對光標進行透明度控制;芯片自動對內(nèi)部當前未工作的模塊進行關閉操作，最大可能地節(jié)省功耗;另外，M9 對外提供了很好的外部接口，其中包括PCI 總線接口，而顯示圖形板中的CPU 模塊中，由于內(nèi)嵌了PCI 總線控制器，這樣可以方便地和M9通信，能夠很好地滿足波束指向性分析和應用研究，本文設計搜救系統(tǒng)的工作指標參數(shù)見表1。

表1 工作指標參數(shù)Tab.1 Acoustic array working parameters

根據(jù)上述仿真環(huán)境設計，進行落水人員搜救系統(tǒng)的信號采集，分析系統(tǒng)輸出的電流電壓和落水區(qū)域的差壓壓力和絕壓壓力，得到數(shù)據(jù)采集結(jié)果如圖8所示。

圖8 落水人員搜救系統(tǒng)的信號采集Fig.8 The signal acquisition of the rescue and control system of the ship drowning person

從圖可見，采用本文設計的系統(tǒng)進行落水人員所在水域的相關物理特征數(shù)據(jù)采集，能較好地反應落水區(qū)域的水域特征，便于實現(xiàn)對人員的判斷和定位，在此基礎上進行遙感視覺定位和激光通信，基于亮點模型衍射的方法實現(xiàn)視覺穿透，實現(xiàn)人員落水人員的視覺圖像特征采集，再結(jié)合本文設計的硬件系統(tǒng)實現(xiàn)對落水人員的位置信息熱點跟蹤，得到仿真結(jié)果如圖9所示，圖中A 區(qū)域部分即為落水人員的所在位置區(qū)域，分析可見，采用本文算法能準確實現(xiàn)對落水人員的視覺定位和特征提取，實現(xiàn)搜救智能控制，提高搜救效率。

圖9 落水人員搜救熱點定位結(jié)果Fig.9 The hot spot location results of the rescue of the ship drowning persons

4 結(jié) 語

基于計算機視覺系統(tǒng)分析，引入人工智能、模式識別和圖像處理和水動力學等學科知識，實現(xiàn)對落水人員的控制系統(tǒng)設計，系統(tǒng)主要包括落水人員的相關特征數(shù)據(jù)分析和采集、圖像分析系統(tǒng)和嵌入式搜救系統(tǒng)等，提高船舶水上事故導致人員落水后的救援能力。本文提出一種基于嵌入式遙感視覺定位和激光通信的落水人員搜救特征提取方法，并采用嵌入式系統(tǒng)設計進行搜救系統(tǒng)實現(xiàn)，整個嵌入式落水人員搜救系統(tǒng)硬件系統(tǒng)部分為5個子模塊:傳感器系統(tǒng)、AD 采集模塊、ARM 主控系統(tǒng)模塊、控制顯示模塊，供電系統(tǒng)。本文完成了整個系統(tǒng)的軟件算法設計和硬件電路設計，仿真實驗結(jié)果表明，采用本文系統(tǒng)設計能有效實現(xiàn)對落水人員所在水域的相關物理特征數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)對人員的判斷和定位，準確實現(xiàn)對落水人員的視覺定位和特征提取，提高搜救效率。

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