無(wú)人機(jī)在傷員搜救中的應(yīng)用及研究進(jìn)展

朱明明 雷濤 夏娟娟 李釗 張林媛 王健琪 路國(guó)華

1空軍軍醫(yī)大學(xué)軍事生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系，西安710032；2西寧聯(lián)勤保障中心藥品儀器監(jiān)督檢驗(yàn)站，蘭州730050

0 引 言

我國(guó)是世界上自然災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，每年因自然災(zāi)害、事故災(zāi)害造成的人員傷亡逾百萬(wàn)[1]，自然災(zāi)難種類繁多，給人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大危害。洪水、滑坡、地震等大型自然災(zāi)害發(fā)生后，通往救援現(xiàn)場(chǎng)的道路通常已被毀壞，不具備大規(guī)模人員進(jìn)入的條件；且存在受災(zāi)面積廣闊、環(huán)境復(fù)雜、搜索范圍大、人員分布不確定、人員特征不明顯等情況。然而由于救護(hù)人員數(shù)量有限，采用傳統(tǒng)的地毯式搜尋已經(jīng)無(wú)法快速并準(zhǔn)確搜索到遇險(xiǎn)人員。有許多幸存者很可能錯(cuò)過(guò)國(guó)際公認(rèn)的黃金救援“72 小時(shí)”，且受傷后的“黃金救援時(shí)間”僅為1 h，在戰(zhàn)場(chǎng)傷員搜救中更是有“白金10 分鐘，黃金1 小時(shí)”的救治理念[2-4]。根據(jù)總后衛(wèi)生部《戰(zhàn)時(shí)衛(wèi)生勤務(wù)學(xué)總論》研究表明，陸地各種傷員受傷后因未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)而死亡人數(shù)占死亡總數(shù)的76.2%，如快速找到傷員，可使傷員死亡率降低2/3。因此如何快速有效地搜尋傷員已成為應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援面臨的首要問(wèn)題，也是降低失蹤及死亡率的首要因素。傷員搜尋更是以人為本的重要體現(xiàn)，是平時(shí)保群眾安危、戰(zhàn)時(shí)保戰(zhàn)斗力的重要保障。

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的日趨成熟，易操縱、成本低、立即響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，使無(wú)人機(jī)在救援活動(dòng)中得到廣泛應(yīng)用。救援無(wú)人機(jī)是信息技術(shù)與智能制造相結(jié)合的產(chǎn)物，在緊急救援事件中其能快速深入災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)、獲取現(xiàn)場(chǎng)影像數(shù)據(jù)、定位傷員情況，可在大型突發(fā)性災(zāi)難中提供多方位的幫助，從而完成災(zāi)情勘察、物資運(yùn)輸、應(yīng)急通訊等任務(wù)。目前，常見(jiàn)無(wú)人機(jī)按動(dòng)力可分為固定翼、撲翼、多旋翼和混合動(dòng)力設(shè)計(jì)[5]。固定翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力需求最少，但需要更高的初始速度，且無(wú)法懸停在某個(gè)地方，也無(wú)法保持低速；與固定翼無(wú)人機(jī)不同，撲翼無(wú)人機(jī)可在大風(fēng)條件下支持穩(wěn)定飛行。固定翼和撲翼常綜合使用，撲翼產(chǎn)生升力，固定翼產(chǎn)生推進(jìn)力，提高了整體效率和空氣動(dòng)力學(xué)平衡；多旋翼無(wú)人機(jī)可垂直起降且可懸停，為監(jiān)視和監(jiān)視的理想選擇，但需要更多的功耗，其載荷力受到限制。這些設(shè)計(jì)通常具有模塊化和可擴(kuò)展性，具有可重配置的有效負(fù)載和地面控制選項(xiàng)。有效載荷包括：遙感設(shè)備（如帶有彩色、紅外、多光譜和高光譜的攝像機(jī)），合成孔徑雷達(dá)（SAR），測(cè)距雷達(dá)（LiDAR），測(cè)量傳感器（氣體，顆粒物和氣象），通信設(shè)備（接收，傳輸和中繼）和貨物。載荷需依據(jù)搜素目標(biāo)進(jìn)行選擇，根據(jù)搜尋目標(biāo)的狀態(tài)可分為有源目標(biāo)和無(wú)源目標(biāo)。

1 有源目標(biāo)搜尋

有源目標(biāo)是指?jìng)麊T隨身攜帶可對(duì)外發(fā)射信號(hào)的設(shè)備，信源可提供傷員的位置信息和生命檢測(cè)等信息，此時(shí)的搜尋主要是針對(duì)信源的搜索，大大提高了識(shí)別的精度和范圍。

1.1 智能手機(jī)

隨著科技發(fā)展和人們生活水平的提高，智能手機(jī)在國(guó)內(nèi)迅速普及，當(dāng)災(zāi)害發(fā)生后，幸存者首先傾向于使用手機(jī)進(jìn)行求救[6]；但在地震、洪水、泥石流等自然災(zāi)害事件中常伴有通信中斷的現(xiàn)象，災(zāi)害發(fā)生后通信基站被毀通信網(wǎng)絡(luò)中斷，使災(zāi)區(qū)與外界隔絕形成“孤島”，給受災(zāi)群眾帶來(lái)巨大的心理壓力，可造成悲觀恐慌情緒蔓延。通信中斷也使災(zāi)區(qū)信息難以快速傳達(dá)至應(yīng)急救援中心，使決策者難以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)災(zāi)區(qū)情況作出正確的判斷?；謴?fù)通信是首要任務(wù)，然而重新搭建手機(jī)基站至少需一周或以上時(shí)間才能完全恢復(fù)，使用無(wú)人機(jī)搭載小型基站覆蓋整個(gè)區(qū)域至少需要1 d 的時(shí)間[7]。梁魏等[8]針對(duì)地震災(zāi)區(qū)通信中斷問(wèn)題，提出利用智能手機(jī)自帶的WIFI和藍(lán)牙功能與無(wú)人機(jī)構(gòu)建災(zāi)區(qū)mesh 網(wǎng)絡(luò)，可在無(wú)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下在災(zāi)后1 h 構(gòu)建災(zāi)區(qū)多用戶鏈接網(wǎng)絡(luò)，以無(wú)人機(jī)為球心，半徑70 m，搜集此區(qū)域內(nèi)的共享災(zāi)情信息，智能手機(jī)用戶可將災(zāi)情和自身情況通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行共享完成部分災(zāi)區(qū)自救和互救，最后將這些信息傳輸至應(yīng)急指揮中心。

目前在用的災(zāi)后無(wú)線網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)方案，一般采用多架長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)搭載通訊基站均勻覆蓋整個(gè)災(zāi)區(qū)[9]，以達(dá)到快速恢復(fù)通信的目的。然而在此方案中，未關(guān)注大多數(shù)手機(jī)用戶所處的位置以提供必要的網(wǎng)路覆蓋。在人員聚集區(qū)域，超出上限的用戶會(huì)導(dǎo)致基站信息堵塞無(wú)法接入可用網(wǎng)絡(luò)，且參考信號(hào)接收功率（reference signal receivcing power，RSRP）較低會(huì)導(dǎo)致手機(jī)不斷去搜索新的基站網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)搜索過(guò)程將產(chǎn)生極大的功耗，消耗大量寶貴的手機(jī)電量，導(dǎo)致通信恢復(fù)后，手機(jī)因電量問(wèn)題無(wú)法取得聯(lián)系。針對(duì)此問(wèn)題，Alsaeedy 等[10]提出了一種新的基于智能手機(jī)的無(wú)人機(jī)搜救框架，可在災(zāi)難發(fā)生后生成直觀的危機(jī)分布圖，顯示潛在的幸存者分布，提供各區(qū)域包含幸存者數(shù)量等信息為傷員搜救進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分和管理，并提供必要的射頻信號(hào)覆蓋，另外還可提供基于智能手機(jī)的受災(zāi)地區(qū)態(tài)勢(shì)感知。Sawalmeh 等[11]進(jìn)一步研究了無(wú)人機(jī)作為空中基站在較小和較大覆蓋范圍內(nèi)為用戶提供無(wú)線覆蓋的高效三維布局問(wèn)題。而針對(duì)常規(guī)多輸入多輸出通信系統(tǒng)中信道串?dāng)_和頻譜稀缺的限制，Hu 等[12]提出一種基于無(wú)人機(jī)的空對(duì)地?zé)o線電渦旋網(wǎng)絡(luò)，其利用渦旋光束的空間分布特征優(yōu)化頻譜效率，在多數(shù)據(jù)傳輸且多用戶環(huán)境下，這種正交傳輸技術(shù)可大大提高通信性能。Avanzato 等[13]通過(guò)移動(dòng)終端與基站之間距離不同時(shí)而RSRP 不同的原理，提出使用無(wú)人機(jī)-豪微微蜂窩系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)移動(dòng)終端的RSRP 進(jìn)行測(cè)算和3D 分析，最終達(dá)到以大約1 m 的精度定位可能存在的移動(dòng)終端。

此類方法成本較低，定位精度較高，傳輸信息較豐富；但需具備良好穩(wěn)定的手機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)，而手機(jī)本身較為脆弱，存在受到撞擊、雨水浸泡、高溫等惡劣條件下較難幸存及續(xù)航時(shí)間短等問(wèn)題，且傳輸信息受手機(jī)使用者的主觀影響較大。

1.2 有源信標(biāo)

智能穿戴設(shè)備可實(shí)時(shí)采集生理參數(shù)（如血壓、體溫、血氧、心率等）。此類設(shè)備可進(jìn)行超低功耗設(shè)計(jì)，傳輸距離較近，一般需配備電臺(tái)以完成信號(hào)的發(fā)射?？纱┐骷夹g(shù)已在喜馬拉雅山的嚴(yán)酷環(huán)境中成功地進(jìn)行了試驗(yàn)，以監(jiān)測(cè)基本的生理參數(shù)和地理位置[14]。李源等[15]設(shè)計(jì)了一款有體征監(jiān)測(cè)功能的無(wú)人機(jī)野外搜救系統(tǒng)，其采用IMEC 公司的ECG 體征監(jiān)測(cè)終端（需在人體胸部貼電極），使用藍(lán)牙模塊采集ECG 信號(hào)，再通過(guò)LoRa 低功耗遠(yuǎn)距離無(wú)線通信技術(shù)最遠(yuǎn)可傳輸約2 km，低功耗模式最長(zhǎng)可工作7 d，此設(shè)備需手動(dòng)開(kāi)啟。馮逸飛等[16]設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)海上搜救系統(tǒng)，需佩戴單兵信標(biāo)機(jī)和智能手表來(lái)進(jìn)行體征采集和GPS 定位，該信標(biāo)機(jī)可在遇到海水時(shí)自動(dòng)激活，也可由無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程激活。為降低功耗延長(zhǎng)工作時(shí)間，此類設(shè)備平時(shí)處于休眠模式，直到手動(dòng)開(kāi)啟或無(wú)線開(kāi)啟之后才進(jìn)入生命體征監(jiān)測(cè)和信號(hào)收發(fā)模式，提供傷員生命體征的實(shí)時(shí)反饋，使搜救隊(duì)為傷員救治做好準(zhǔn)備。帶有生命體征監(jiān)測(cè)功能的設(shè)備大都需要貼身穿著，雖然薄膜材料發(fā)展迅速，但仍對(duì)人體運(yùn)動(dòng)能力有所束縛，易使人體產(chǎn)生不適感，尤其是戰(zhàn)時(shí)對(duì)士兵戰(zhàn)斗力有所影響；且大多數(shù)設(shè)備需手動(dòng)開(kāi)啟，在許多突發(fā)事件中，傷員來(lái)不及開(kāi)啟就陷入昏迷或休克狀態(tài)；具有無(wú)線傳輸開(kāi)啟功能的設(shè)備易被敵方偵測(cè)或干擾。Silvagni 等[17]提出了一種用于山區(qū)救援行動(dòng)的多用途無(wú)人機(jī)，可在有源搜索與無(wú)源搜索之間切換，使用信標(biāo)進(jìn)行大致范圍確定，然后利用熱像儀與可見(jiàn)光相機(jī)對(duì)人體生命特征進(jìn)行精確搜索，從而減輕傷員負(fù)擔(dān)。

2 無(wú)源目標(biāo)搜尋

當(dāng)傷員未攜帶有源設(shè)備或有源設(shè)備破損、電量耗盡無(wú)法使用時(shí)就需以人體生命特征作為監(jiān)測(cè)目標(biāo)，如體溫、呼吸心跳、呼救聲、人體輪廓等標(biāo)志。

2.1 機(jī)載視覺(jué)

目前，最常用的空中搜尋方法就是依靠人體視覺(jué)，此時(shí)較大的視野范圍可提高搜尋效率，加之災(zāi)害發(fā)生地經(jīng)常伴隨交通障礙，使地面搜尋效率較低。目前大多采用搜救人員乘坐直升機(jī)進(jìn)行目視搜尋的方法，搜尋發(fā)現(xiàn)概率與飛行高度、速度和搜尋人員視力、年齡個(gè)人因素等有關(guān)，受主觀影響較大，且當(dāng)觀察距離超過(guò)某一距離時(shí)發(fā)現(xiàn)概率接近于零。此外，人眼長(zhǎng)時(shí)間觀察顯示屏容易造成視覺(jué)疲勞，導(dǎo)致在搜尋過(guò)程中有可能遺漏重要信息[18]。由此提出利用無(wú)人機(jī)云臺(tái)系統(tǒng)搭載高清相機(jī)將視頻信號(hào)回傳給地面站，搜尋人員通過(guò)觀察圖傳顯示畫面搜尋傷員，并通過(guò)人體目標(biāo)識(shí)別算法增加發(fā)現(xiàn)概率。

目前，主流的人體檢測(cè)算法是HOG 特征結(jié)合SVM 分類器的思路[19]。在搜尋階段常用的算法還有Harris 角點(diǎn)檢測(cè)算法、SIFT 算法。de Oliveira 等[20]開(kāi)發(fā)并評(píng)估了用于自動(dòng)人體檢測(cè)系統(tǒng)的多種模式識(shí)別系統(tǒng)。整個(gè)識(shí)別系統(tǒng)包括圖像獲取、檢測(cè)和分割、特征提取、分類和后處理。對(duì)于分割和檢測(cè)算法，使用顯著圖和熱圖像處理；在特征提取和分類中，采用HOG+SVM，LBP 級(jí)聯(lián)，Haar 級(jí)聯(lián)和兩個(gè)CNN 架構(gòu)。結(jié)果表明，CNN 是最佳技術(shù)，準(zhǔn)確度為99.7%；其次是HOG+SVM，準(zhǔn)確率為92.3%。在部分遮擋的情況下，CNN 的靈敏度為71.1%。

機(jī)載視覺(jué)與人工智能相結(jié)合更是為救援無(wú)人機(jī)提供了自主化解決方案。Sun 等[21]研究開(kāi)發(fā)了一種基于相機(jī)的多合一目標(biāo)檢測(cè)和定位系統(tǒng)，并將其集成到完全自主的固定翼無(wú)人機(jī)中，可用于實(shí)時(shí)目標(biāo)識(shí)別，也可進(jìn)行目標(biāo)后識(shí)別和定位以及航空?qǐng)D像收集，以用于進(jìn)一步的地圖繪制應(yīng)用。Lygouras 等[22]將無(wú)人機(jī)機(jī)載視覺(jué)與深度學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合用于遇險(xiǎn)游泳者的搜救，結(jié)合GNSS 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)能完全以無(wú)人監(jiān)督的方式執(zhí)行關(guān)鍵的救生操作，并確保救生器墜落的精度。然而，無(wú)人機(jī)在視覺(jué)跟蹤目標(biāo)時(shí)，由于縱橫比變化、視點(diǎn)變化、快速運(yùn)動(dòng)、尺度變化等，可能會(huì)帶來(lái)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和圖像不穩(wěn)定，易造成目標(biāo)丟失。針對(duì)此問(wèn)題，Xue 等[23]提出了一種高效的無(wú)人機(jī)視頻目標(biāo)跟蹤方法，同時(shí)捕捉梯度信息和顏色特征來(lái)構(gòu)造融合特征，根據(jù)穩(wěn)定性函數(shù)，提出了一種高置信度的模型修正策略。此外，在野外中搜救任務(wù)由于復(fù)雜且不友好的野外環(huán)境可能造成操作上的延時(shí)，導(dǎo)致傷員二次傷害。為解決此類問(wèn)題，AL-Kaff 等[24]提出一種基于從機(jī)載視覺(jué)捕獲的顏色和深度數(shù)據(jù)的人體檢測(cè)方法，提出了從骨骼姿態(tài)計(jì)算數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和視覺(jué)外觀測(cè)量的方案，使得多人的跟蹤對(duì)目標(biāo)物體的角度的縮放、平移和旋轉(zhuǎn)不變性，以保持無(wú)人機(jī)與被檢測(cè)傷員的安全距離。

雖然機(jī)載視覺(jué)信息的深入開(kāi)發(fā)研究大大提高了搜素的精度和自主性，然而這種高清攝像頭拍攝觀察方法完全依賴于環(huán)境中的可見(jiàn)光，在夜晚或光線較暗的環(huán)境下仍存在較大的制約。

2.2 紅外視覺(jué)

紅外是電磁波的一種，屬于不可見(jiàn)光區(qū)域，其波長(zhǎng)范圍為760 nm～1 mm。由于在空氣中傳播過(guò)程中易被水蒸氣、二氧化碳等吸收，僅有3 個(gè)“大氣窗口”。0.9～2.5 μm 的高溫測(cè)量區(qū)，一般應(yīng)用于工業(yè)中的高溫金屬測(cè)量[25]；波段為3～5 μm、8～14 μm 的低溫區(qū)屬地表目標(biāo)生命區(qū)。紅外熱成像儀是將目標(biāo)物體的紅外輻射能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再將電信號(hào)進(jìn)行放大、偽彩處理，從而成為人眼可識(shí)別的熱紅外影像[26]。利用無(wú)人機(jī)紅外載荷獲取紅外光譜影像進(jìn)行傷員搜尋已得到廣泛應(yīng)用，紅外視覺(jué)彌補(bǔ)了可見(jiàn)光易受光照變化影響的問(wèn)題，熱圖像特別適合目標(biāo)物體溫度恒定的應(yīng)用，通過(guò)紅外熱成像儀拍攝圖像，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別人體后，將圖像回傳至FPV 眼鏡中，F(xiàn)PV 擁有第一視角視野開(kāi)闊的優(yōu)點(diǎn)，比傳統(tǒng)第三視角更易于發(fā)現(xiàn)傷員[27]。通過(guò)使用熱圖像，可解決人們檢測(cè)和識(shí)別中的傳統(tǒng)問(wèn)題，如低對(duì)比度、人群聚集、視覺(jué)條件的變化等。且熱圖像的分割過(guò)程無(wú)需太多的處理時(shí)間，特別適合于嵌入式應(yīng)用。利用紅外人體檢測(cè)算法可實(shí)現(xiàn)在高遮擋性環(huán)境下的傷員搜尋，HOG+SVM 是最經(jīng)典有效的人體目標(biāo)檢測(cè)方法[28]；但OpenCV 提供的SVM 分類器是以可見(jiàn)光成像為模型訓(xùn)練得來(lái)，并不適用于紅外人體目標(biāo)檢測(cè)，需采用紅外數(shù)據(jù)對(duì)SVM 分類器進(jìn)行訓(xùn)練，以提高分類器的準(zhǔn)確性。另有一種方法是采用圖像融合技術(shù)將可見(jiàn)光圖像信息添加到紅外圖像中形成融合圖像[29]，僅在檢測(cè)過(guò)程中使用熱圖像。在分類步驟之前，熱圖像被用于檢測(cè)感興區(qū)域，而分類步驟又是在RGB 圖像上執(zhí)行。

同樣，紅外熱成像技術(shù)也存在其固有的弊端：①圖像對(duì)比度低，分辨細(xì)節(jié)能力較差，如在野外無(wú)人機(jī)搭載紅外熱成像載荷進(jìn)行傷員搜尋時(shí)，飛行高度大于60 m 左右時(shí)僅能區(qū)分動(dòng)物與非動(dòng)物，無(wú)法判斷是遇險(xiǎn)傷員還是野生動(dòng)物。②受外部環(huán)境溫度影響較大，如在溫度高于30 ℃的環(huán)境中或傷員周圍熱源較多時(shí)，使用熱像儀無(wú)法檢測(cè)到人的熱信號(hào)，尤其是戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境影響較大。③價(jià)格貴，成本高。

2.3 多光譜技術(shù)

光譜技術(shù)可將成像信息從可見(jiàn)光拓展到300～1 100 nm 波段之間，通過(guò)目標(biāo)與背景光譜特性曲線之間的差別，可提取特征將目標(biāo)識(shí)別出來(lái)[30]。光譜成像儀根據(jù)分辨率的不同，可分為多光譜和高光譜，多光譜一般選擇其中6～10 個(gè)特征光譜進(jìn)行數(shù)據(jù)處理識(shí)別目標(biāo)；高光譜數(shù)據(jù)體量大、冗余度高，包含的信息豐富，但需要的探測(cè)器數(shù)量也更多，使數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性變差[31]。目前以美國(guó)為首的多國(guó)已研制并發(fā)射了覆蓋可見(jiàn)光到熱紅外光譜范圍的多光譜成像衛(wèi)星，主要以美國(guó)的Landsat 系列和MODIS 為代表。此類儀器在國(guó)土資源、環(huán)境監(jiān)測(cè)、城市遙感、海洋監(jiān)管等發(fā)面具有較高應(yīng)用價(jià)值。無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)的比較有兩個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)，即無(wú)人機(jī)采集數(shù)據(jù)的靈活快速，可達(dá)到實(shí)時(shí)反應(yīng)的目的；其次，不受云層覆蓋的影響，衛(wèi)星在云層覆蓋時(shí)無(wú)法采集數(shù)據(jù)，且無(wú)人機(jī)載多光譜具有更高的空間分辨率，可達(dá)到厘米級(jí)?；诙喙庾V探測(cè)的目標(biāo)識(shí)別技術(shù)，因其具有能對(duì)抗偽裝目標(biāo)、抗干擾性、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，已逐步應(yīng)用于軍事領(lǐng)域[32]。尤其在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，其周圍熱源干擾較大，且戰(zhàn)士著迷彩偽裝色，熱成像和可見(jiàn)光均難以識(shí)別的情況下，多光譜技術(shù)具有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

使用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行傷員搜救具有低成本、高速實(shí)時(shí)易于獲取等優(yōu)勢(shì)；但由于無(wú)人機(jī)飛行高度低、攝像機(jī)視場(chǎng)角度小等原因，可造成單幅圖像覆蓋面積小，需采集多幅圖像進(jìn)行拼接以獲取全景圖像。此外，高空的風(fēng)速對(duì)無(wú)人機(jī)攝像平臺(tái)影響較大，相鄰的圖像會(huì)出現(xiàn)圖像重疊不規(guī)則、曝光不均勻等問(wèn)題，易出現(xiàn)重影、模糊、錯(cuò)位和顏色不一致的拼接圖像。針對(duì)此問(wèn)題，Zhang 等[33]提出了一種改進(jìn)的動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法來(lái)搜索最佳接縫線來(lái)完成無(wú)人機(jī)圖像拼接，此方法對(duì)圖像旋轉(zhuǎn)具有不變性，優(yōu)于OpenCV 方法。

2.4 聲音信息

在野外搜救活動(dòng)中，當(dāng)機(jī)載視覺(jué)無(wú)法提供足夠的信息時(shí)，無(wú)人機(jī)可利用聲音信息來(lái)彌補(bǔ)視覺(jué)信息的不足。針對(duì)4 個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題——麥克風(fēng)陣列的防水性、組裝效率、無(wú)線通信的可靠性以及操作員的可視化工具，Hoshiba 等[34]開(kāi)發(fā)了一種用于室外聲源定位的球形麥克風(fēng)陣列系統(tǒng)（SMAS），該系統(tǒng)由一個(gè)12 通道的麥克風(fēng)陣列包括一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的球形體。通過(guò)使用帶涂層的麥克風(fēng)和簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，可確保防水性和組裝效率；其次，改變天線和通信協(xié)議以獲得可靠的無(wú)線通信；為提高吞吐量，將地面站的天線更改為八木天線；為避免降低吞吐量，將通信協(xié)議從TCP 更改為UDP；并開(kāi)發(fā)了針對(duì)無(wú)人機(jī)操作員的直觀可視化工具。通過(guò)整合以上改進(jìn)，構(gòu)建了麥克風(fēng)陣列系統(tǒng)。

2.5 雷達(dá)監(jiān)測(cè)

目前，主要應(yīng)用于災(zāi)害搜救的雷達(dá)設(shè)備有激光測(cè)距雷達(dá)（LiDAR）、合成孔徑雷達(dá)（SAR）及微型生物雷達(dá)。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)是一種常用的地形掃描技術(shù)，依靠發(fā)射紅外和近紅外波段快速獲取高精度、高密度的地形信息，由于LiDAR 點(diǎn)云包含了地形中的所有表面特征[35]，因此通過(guò)分離地面點(diǎn)可生成數(shù)字地形模型，獲取地物三維信息的變化可直接反應(yīng)災(zāi)害的嚴(yán)重程度[36]，為應(yīng)急救援和決策指揮提供可靠數(shù)據(jù)支撐。合成孔徑雷達(dá)具有全天候?qū)崟r(shí)高分辨成像與識(shí)別，SAR 在無(wú)人機(jī)上的應(yīng)用,有效地提高了無(wú)人機(jī)的偵察能力, 使其在遙感遙測(cè)、地質(zhì)勘探、災(zāi)情監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)和軍事偵察中得到了很好的應(yīng)用。微型生物雷達(dá)探測(cè)儀載荷能將傷員的微弱生命體征信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路實(shí)時(shí)發(fā)送至地面站，通過(guò)該手段可有效做到傷員的傷情感知，為進(jìn)一步救援提供指導(dǎo)[37]。微型生物雷達(dá)采用連續(xù)波體制，工作頻率為24 GHz。利用振蕩器產(chǎn)生正弦信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大之后，將信號(hào)分成兩路，一路用于天線將信號(hào)輻射出去，另一路用于和接收到的信號(hào)混頻。雷達(dá)的接收天線接收回波信號(hào)，通過(guò)低噪聲放大器和發(fā)送信號(hào)進(jìn)行混頻用于消除載波信號(hào)。混頻后的信號(hào)再通過(guò)放大器、低通濾波、放大、高通濾波、放大后被采樣，最后DSP 芯片對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理和識(shí)別[38]。

3 目標(biāo)救援

3.1 救援物資投送

在搜尋確定傷員位置后，無(wú)人機(jī)可向地面站傳輸高清影像，確認(rèn)人員信息和精確位置，實(shí)時(shí)判斷傷員傷情，并為地面搜救人員提供路徑規(guī)劃。當(dāng)?shù)孛婢仍藛T距離傷員較遠(yuǎn)時(shí)，無(wú)人機(jī)可向傷員位置投送必要的急救器材和生命維持藥物，利用傷員自救，控制傷情延長(zhǎng)生存時(shí)間，為搜救贏得時(shí)間。目前此類無(wú)人機(jī)已廣泛應(yīng)用于落水人員搜救，向落水人員拋投救生圈等設(shè)備。溺水時(shí)間是評(píng)估預(yù)后的最有力預(yù)測(cè)指標(biāo)，快速提供漂浮設(shè)備減少落水人員溺水時(shí)間至關(guān)重要。利用無(wú)人機(jī)可快速定位溺水者位置并提供漂浮裝置。Claesson 等[39]研究證明，與傳統(tǒng)的搜索方相比，無(wú)人駕駛飛機(jī)可在海灘上更早提供水下受害者的位置，使溺水受害者更快接受心肺復(fù)蘇。Seguin 等[40]研究表明，無(wú)人機(jī)可定位模擬受害者，識(shí)別他們且放下救生圈所花費(fèi)的時(shí)間并未因天氣條件而改變。無(wú)人機(jī)不僅是目擊者和紐帶，而且還可參與溺水的生存鏈。因此，在救援行動(dòng)中增加無(wú)人機(jī)可提高急救的質(zhì)量和速度，同時(shí)使救生員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的海況。

在急診醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)已被用于向那些心臟驟停的患者提供自動(dòng)體外除顫器（AED）。美國(guó)鹽湖縣采用無(wú)人機(jī)可在1 min 內(nèi)到達(dá)患者事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)，滿足至少90%的AED 休克治療需求，同時(shí)將實(shí)施成本降至最低[41]。Fakhrulddin 等[42]設(shè)計(jì)了一套使用無(wú)人機(jī)為心臟病老年患者提供急救物資的急救系統(tǒng)，使用無(wú)人機(jī)將急救箱運(yùn)送給老年患者的平均時(shí)間可節(jié)省105 s。Wen 等[43]研究了在緊急情況下無(wú)人機(jī)的多目標(biāo)血液供應(yīng)問(wèn)題，包括在運(yùn)輸過(guò)程中維護(hù)供血溫度模型，在多個(gè)站點(diǎn)需要血液的情況下無(wú)人機(jī)路線計(jì)劃以及承載能力。無(wú)人機(jī)有助于加快藥物輸送過(guò)程，從而改善患者護(hù)理水平；然而當(dāng)前的系統(tǒng)仍然充滿諸如高碰撞率、空域法規(guī)和傷害控制之類的問(wèn)題。

3.2 遠(yuǎn)程醫(yī)療協(xié)助

當(dāng)救援人員到達(dá)傷員位置，在傷員傷情較重時(shí)，為避免搬運(yùn)過(guò)程中的二次傷害，需緊急處理傷情。此時(shí)，可采用遠(yuǎn)程醫(yī)療協(xié)助的方式，進(jìn)行應(yīng)急診治操作。救援現(xiàn)場(chǎng)醫(yī)務(wù)人員攜帶1 080 P 視頻、音頻傳輸頭盔[44]，利用前置高清圖像傳感器與后方有關(guān)專家進(jìn)行遠(yuǎn)程會(huì)診。攝像設(shè)備和無(wú)線傳輸設(shè)備一體化設(shè)計(jì)，無(wú)人機(jī)可作為通信中繼搭建頭盔與后方醫(yī)院之間進(jìn)行信息傳輸。Harnett 等[45]演示了使用無(wú)人機(jī)在外科醫(yī)生和機(jī)器人之間建立無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)以執(zhí)行遠(yuǎn)程手術(shù)。在此研究中，外科醫(yī)生和機(jī)器人被放置在相距100 m 的帳篷中。外科醫(yī)生能成功地操縱機(jī)械臂進(jìn)行模擬手術(shù)操作的練習(xí)。最近，通訊型無(wú)人機(jī)也被應(yīng)用于執(zhí)行患者的術(shù)前和術(shù)后評(píng)估以及在偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行某些外科手術(shù)的遠(yuǎn)程指導(dǎo)。

3.3 傷員后送

無(wú)人機(jī)進(jìn)行傷員后送主要優(yōu)勢(shì)在于可節(jié)約寶貴的飛行人員和醫(yī)務(wù)人員資源，去除駕駛艙和相關(guān)救生裝備，大大降低了飛機(jī)的自重和成本，能夠進(jìn)一步縮小飛機(jī)的體積，增加機(jī)動(dòng)靈活性。此類無(wú)人機(jī)主要應(yīng)用于救援隊(duì)和后方醫(yī)院之間，先經(jīng)過(guò)必要的創(chuàng)傷急救手術(shù)后，將傷員后送到更專業(yè)的后方醫(yī)院。無(wú)人機(jī)按照動(dòng)力結(jié)構(gòu)可分為常規(guī)旋翼式、多旋翼式、涵道風(fēng)扇式和復(fù)合式等類型。由于需要進(jìn)行空中緊急后送的傷員大都是急重癥傷員，在運(yùn)輸途中需醫(yī)護(hù)人員陪同，且不宜受到劇烈顛簸，有關(guān)飛行對(duì)患者健康和安全的生理影響仍然缺乏具體的準(zhǔn)則和標(biāo)準(zhǔn)。目前無(wú)人機(jī)飛行的穩(wěn)定性和安全性尚需進(jìn)一步的論證，因此許多用于傷員后送的無(wú)人機(jī)多為概念機(jī)。已開(kāi)始服役的有以色列的“鸕鶿”無(wú)人機(jī)[46]、美軍的“K-MAX”和“DP-14 HAWK”無(wú)人機(jī)。未來(lái)的后送無(wú)人機(jī)應(yīng)能進(jìn)入常規(guī)飛機(jī)無(wú)法進(jìn)入的區(qū)域并快速轉(zhuǎn)移[47]，使受傷人員從高強(qiáng)度，高威脅，偏遠(yuǎn)和嚴(yán)峻地區(qū)迅速撤離，直接進(jìn)入?？漆t(yī)療區(qū)。當(dāng)無(wú)人機(jī)載有傷員時(shí)，返回途中仍存在大量問(wèn)題，因?yàn)闊o(wú)論是由于敵對(duì)行動(dòng)或空域擁擠等其他原因，都存在明顯導(dǎo)致傷情惡化的風(fēng)險(xiǎn)。最重要的是在沒(méi)有專業(yè)醫(yī)療人員的情況下將重傷人員放入飛行平臺(tái)以及在高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境中運(yùn)送的安全性問(wèn)題，盡管使用無(wú)人機(jī)無(wú)疑可減少飛行員和醫(yī)務(wù)人員的風(fēng)險(xiǎn)，但對(duì)于傷員來(lái)說(shuō)，這種風(fēng)險(xiǎn)仍然非?，F(xiàn)實(shí)。

4 展 望

從搜尋目標(biāo)來(lái)看，有源目標(biāo)雖然識(shí)別精度高且范圍廣，但搜尋對(duì)象需佩帶輔助裝置，現(xiàn)有穿戴式救生裝備主要存在增加身體載荷、穿戴裝置使用不便、電磁兼容不確定性等不足。無(wú)源目標(biāo)搜尋利用人體生命特征進(jìn)行搜索從而減輕傷員負(fù)擔(dān)，但機(jī)載視覺(jué)與多光譜完全依賴于環(huán)境中的可見(jiàn)光，在夜晚或光線較暗的環(huán)境下存在較大的制約；熱紅外成像技術(shù)分辨率較差，受環(huán)境溫度影響較大；聲音檢測(cè)更是對(duì)環(huán)境噪聲要求嚴(yán)格；生命雷達(dá)信號(hào)微弱及檢測(cè)距離近等缺點(diǎn)，給傷員搜尋工作帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。未來(lái)傷員搜尋技術(shù)應(yīng)注重?zé)o源無(wú)約束式的搜尋方式，搜尋、生命監(jiān)測(cè)、通訊一體化，從而實(shí)現(xiàn)多技術(shù)的融合，高度無(wú)人化智能化，增加傷員搜尋的能力和效率。在目標(biāo)救治中，目前應(yīng)用最廣的是救援物資投送，然而當(dāng)前的系統(tǒng)仍然充滿諸如高碰撞率、空域法規(guī)、傷害控制、噪音污染之類的問(wèn)題。遠(yuǎn)程醫(yī)療協(xié)助為遠(yuǎn)程會(huì)診搭建了較為完美的應(yīng)用平臺(tái)。對(duì)于后送無(wú)人機(jī)而言，存在的挑戰(zhàn)主要是戰(zhàn)場(chǎng)空域管理、網(wǎng)絡(luò)攻擊安全，在運(yùn)輸過(guò)程中需提供適當(dāng)護(hù)理級(jí)別的決策以滿足最終用戶的可接受性。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突