溺水快速救援系統(tǒng)研究

代麗華

摘要：現(xiàn)階段，隨著社會的發(fā)展，現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展也突飛猛進。研究表明，在我國尤其是水運居多的南方地區(qū)，因溺水導(dǎo)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(shè)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(tǒng)通過操控?zé)o人機對救生設(shè)備進行攜帶、釋放，以高效快速的方式協(xié)助完成溺水救援的過程。

關(guān)鍵詞：溺水;快速救援;系統(tǒng)研究

引言

介紹了水上救援的特點及無人機救援的現(xiàn)狀，通過分析無人機救援的技術(shù)背景，闡述了溺水快速救援系統(tǒng)的工作原理，指出無人機的GPS全球定位系統(tǒng)和圖像語義分割自識別系統(tǒng)，使得無人機救援系統(tǒng)的速度更快，可廣泛應(yīng)用于溺水救援。

1無人機救援的技術(shù)背景

技術(shù)是發(fā)展的主要動力，無人機技術(shù)發(fā)展得愈發(fā)成熟，就溺水救援系統(tǒng)而言，最重要的技術(shù)支持為準(zhǔn)確定位技術(shù)和航拍攝影技術(shù)。準(zhǔn)確定位技術(shù)主要應(yīng)用的是GPS全球定位系統(tǒng)，在GPS觀測中，地面接收機將接收到衛(wèi)星從高空傳回的數(shù)據(jù)，利用預(yù)設(shè)的距離公式計算地面位置的準(zhǔn)確坐標(biāo)（X，X，Z）。在溺水救援過程中，無人機利用自身的攝像技術(shù)對擬拍攝的景象進行拍攝，而后將圖像發(fā)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(jīng)常發(fā)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(yán)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（semanticsegmentation）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(biāo)注。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(xiàn)溺水者。溺水者檢測采用背景幀差法進行，但傳統(tǒng)的背景幀差法主要是直接比較前后兩幀圖像對應(yīng)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。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(jié)果進行修正。結(jié)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(xiàn)對溺水者的檢測。實驗發(fā)現(xiàn)，風(fēng)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(yīng)設(shè)置，使無人機能夠更加平穩(wěn)地飛行，研究發(fā)現(xiàn)，在6級以下的風(fēng)力條件下，無人機可以正常執(zhí)行飛行任務(wù)。此外，無人機的載重一般在10kg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(tǒng)具有其他海上搜救設(shè)備不擁有的優(yōu)點：1）隨時性。通常，無法直接救援的溺水現(xiàn)場的特點是水情復(fù)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(tǒng)可以隨時監(jiān)測水上情況，一旦發(fā)現(xiàn)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(shù)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(fā)生4min～6min的黃金救援期內(nèi)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(fēng)險。

2水上救援現(xiàn)狀分析

2.1水上救援的特點

溺水情況主要發(fā)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(qū)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0.4m/s的水域，例如人工水池、游泳池和農(nóng)村地區(qū)的河灣等，人工水池和游泳池的特點是環(huán)境較好，救援較方便，而農(nóng)村的河灣等水域的特點是水質(zhì)渾濁，水底情況復(fù)雜，救援情況難以預(yù)估，施救難度較大。

2.2無人機救援的現(xiàn)狀

無人機作為一種便捷又高效的圖像輸送機器被廣泛應(yīng)用于航拍中，近年來，由于其航拍圖像清晰以及準(zhǔn)確的GPS定位系統(tǒng)，無人機的應(yīng)用范圍越來越廣，比如利用無人機調(diào)查交通量、噴灑農(nóng)藥等，在救援中，無人機同樣發(fā)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(yōu)點在于可快速獲得待救援現(xiàn)場情況，以便做出及時、準(zhǔn)確的應(yīng)急措施。

2.3無人機在海上救援過程中的現(xiàn)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(xù)航無人機和可攜帶救援物資的地面效應(yīng)無人機，本文主要討論可攜帶物資無人機的救援情況。

3溺水快速救援系統(tǒng)工作原理

3.1整體系統(tǒng)工作原理

無人機上配備救生設(shè)備及相機系統(tǒng)，在溺水現(xiàn)象發(fā)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(shè)備快速飛行至被救援者身邊，通過感應(yīng)人體紅外線的方式，選擇適當(dāng)?shù)母叨群臀恢脤⒕壬O(shè)備進行釋放，為提高救援的安全性，遙控器還設(shè)置了手動釋放的功能，防止因傳感器出現(xiàn)故障或失靈而影響救援。

3.2控制系統(tǒng)工作原理

控制系統(tǒng)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(shè)置對應(yīng)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(xiàn)對無人機前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、上升、下降等的動作控制，以及對救生設(shè)備的抓取和釋放等一系列操作。在發(fā)射時，當(dāng)按下矩陣鍵盤不同的按鍵時，單片機對信號進行調(diào)制，使其產(chǎn)生相應(yīng)的二進制控制脈沖，為了避免控制脈沖直接發(fā)射出去造成受到干擾和傳播距離短的問題，將脈沖調(diào)制為40Hz的載波信號，經(jīng)由放大器放大，再由紅外發(fā)光二極管發(fā)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(yīng)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(diào)為相應(yīng)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(yōu)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(fù)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(chǎn)生浮力，以救援溺水人員。

結(jié)語

無人機的GPS全球定位系統(tǒng)和圖像語義分割自識別系統(tǒng)，使得無人機救援系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)自動駕駛。因此，該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于溺水救援。

參考文獻：

[1]邵薇.人員落水事故不同救援方法探討[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2018（9）：72-76.

[2]李雅坤.警用無人機在高速公路救援中的系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)設(shè)計，2018（7）：157-158.

[3]趙德燦.無人機在海上搜救中的應(yīng)用[J].中國水運，2018（6）：29-30.

[4]毛澤兵，龍詩東，余盛，等.一種水上救援裝置的設(shè)計[J].機械，2011，38（2）：60-62.