一種無人化傷員生命信息感知系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹育森 李釗 雷濤 朱明明 夏娟娟 張林媛 王健琪 路國華

0 引言

自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭(zhēng)等復(fù)雜環(huán)境給傷員搜尋提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)，大范圍的遇險(xiǎn)區(qū)域使傷員搜尋效率低下，從而錯(cuò)失傷員的最佳救援時(shí)間。另外，如果救援人員能夠及時(shí)獲取傷員的位置信息及生命狀態(tài)對(duì)提升救援效果至關(guān)重要[1]。

現(xiàn)階段傷員搜尋裝備主要包括單兵搜尋裝備和傷員搜尋無人機(jī)。常見的單兵搜尋裝備有胸帶式、腕帶式以及手持式的搜尋終端[2-3]，主要監(jiān)測(cè)的生命體征包括呼吸、心率、血氧等。這類裝備存在以下幾點(diǎn)不足：一是需要提前配發(fā)，而且容易造成使用人員行動(dòng)上的不方便；二是當(dāng)這些設(shè)備受到撞擊、火燒等損壞后會(huì)降低傷員生命信息采集精度；三是搜救端工作站使用汽車作為通信中轉(zhuǎn)載體，部署救援方案時(shí)機(jī)動(dòng)性較差[4]。為解決穿戴式技術(shù)的局限性，研究人員通過無人機(jī)搭載多種傳感器對(duì)大面積遇險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行傷員搜尋，可有效提升傷員搜尋的效率[5-8]。

近年來，空軍軍醫(yī)大學(xué)研制出我軍首臺(tái)傷員搜尋無人機(jī)，融合紅外熱像儀、可見光相機(jī)和激光測(cè)距，可實(shí)現(xiàn)搜尋區(qū)域內(nèi)地面?zhèn)窝b傷員(傷員掩藏于草叢或叢林中)和遇險(xiǎn)飛行員的快速、準(zhǔn)確搜尋。但當(dāng)無人機(jī)發(fā)現(xiàn)傷員目標(biāo)后，還需及時(shí)獲取傷員傷情，這對(duì)傷員后續(xù)救援、后送轉(zhuǎn)運(yùn)也極為重要。針對(duì)以上提出的問題，本研究擬研發(fā)一種基于LoRa、無人機(jī)數(shù)傳和生物雷達(dá)的無人化傷員生命信息感知系統(tǒng)，創(chuàng)新性地結(jié)合非接觸式生命感知、遠(yuǎn)距離無線通信以及無人機(jī)靈活部署等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，降低胸帶式、頭戴式以及手持式等搜救裝備在使用上的不便，減少因外界因素干擾對(duì)傷員信息采集產(chǎn)生的誤差，解決在搜救過程中應(yīng)滿足的速度快、覆蓋廣、通信距離遠(yuǎn)、部署靈活等特性的問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在傷員生命信息感知過程中需要解決的兩個(gè)重要問題分別為：傷員信息的獲取、信息的遠(yuǎn)距離傳輸。為此，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)采用模塊化，分別由生命感知終端、空中通信端和地面站處理端3個(gè)模塊組成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 傷員感知系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Figure 1 General design of casualty awareness system

生命感知終端采用生物雷達(dá)非接觸式的采集傷員呼吸信號(hào)，在目標(biāo)點(diǎn)處拋投多個(gè)集成GPS、生物雷達(dá)和通信模塊的生命感知終端(圖2)，對(duì)傷員信息進(jìn)行采集?？罩型ㄐ哦?圖3)搭載于無人機(jī)上，采用地面組網(wǎng)以及空中通信中轉(zhuǎn)的方式擴(kuò)大傷員感知范圍。地面站處理端負(fù)責(zé)傷員生命信息和位置信息等數(shù)據(jù)的可視化處理、大數(shù)據(jù)分析、傷情等級(jí)評(píng)估等操作，為搜尋人員提供有效的救援依據(jù)。

圖2 生命感知終端Figure 2 Life aware terminal

傷員感知系統(tǒng)的工作流程為：當(dāng)救援人員實(shí)施救援時(shí)，使用無人機(jī)將多個(gè)生命感知終端投送于待檢測(cè)區(qū)域，采用LoRa模塊多發(fā)一收的工作模式進(jìn)行組網(wǎng)通信，將多個(gè)終端的信息發(fā)送至空中通信端?？罩型ㄐ哦舜钶d于無人機(jī)上，負(fù)責(zé)將傷員信息(呼吸數(shù)據(jù)、位置信息、LoRa通信質(zhì)量、定位衛(wèi)星質(zhì)量)傳輸至無人機(jī)進(jìn)行中繼，并由無人機(jī)數(shù)傳模塊遠(yuǎn)距離傳輸至地面站處理端，對(duì)感知終端節(jié)點(diǎn)分布、工作狀態(tài)、傷員呼吸信號(hào)、LoRa通信質(zhì)量、衛(wèi)星定位質(zhì)量做出分析和實(shí)時(shí)反饋。

針對(duì)以上提出的設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)當(dāng)前需要實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵性能指標(biāo)有兩個(gè)：一是傷員信息的準(zhǔn)確采集，對(duì)于傷員的呼吸數(shù)據(jù)能夠做到實(shí)時(shí)且準(zhǔn)確的反饋；二是結(jié)合LoRa與無人機(jī)數(shù)傳，將傷員信息的通信傳輸范圍擴(kuò)大，從而實(shí)現(xiàn)傷員生命信息的遠(yuǎn)距離感知。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 生命感知終端

生命感知終端集成了生物雷達(dá)傳感器、STM32單片機(jī)及LoRa模塊、GPS/北斗雙模定位模塊[9]。當(dāng)搜尋無人機(jī)發(fā)現(xiàn)疑似傷員目標(biāo)，定點(diǎn)拋投多個(gè)傷員感知終端于目標(biāo)傷員區(qū)域，采集傷員呼吸信號(hào)，實(shí)時(shí)發(fā)送至空中通信端，生命感知終端實(shí)物圖如圖2所示。

其中，生物雷達(dá)傳感器(型號(hào)為JC122-3.3UA6)可以發(fā)射不對(duì)稱的寬波束信號(hào)，當(dāng)正常人呼吸時(shí)，胸腔會(huì)對(duì)雷達(dá)傳感器發(fā)射出來的微波進(jìn)行反射產(chǎn)生回波信號(hào)，經(jīng)過放大與濾波即可得到較為理想的波形，通過觀察這個(gè)波形可以判斷傷員的生理狀況[10-12]。利用生物雷達(dá)具有較廣的感知范圍(水平角度：±40°，垂直角度：±16°)的特性，通過在傷員目標(biāo)的不同角度及距離進(jìn)行拋投多個(gè)生命感知終端，實(shí)施傷員呼吸信號(hào)的檢測(cè)。

2.2 空中通信端

空中通信端搭載于無人機(jī)上，負(fù)責(zé)將生命感知終端和地面站處理端進(jìn)行上下連接，采用LoRa及無人機(jī)數(shù)傳將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，首先生命感知終端在檢測(cè)到生命信號(hào)后自主報(bào)警同時(shí)將傷員生命信息傳輸至空中通信端，后由無線電發(fā)送機(jī)傳輸至地面站處理端，空中通信端實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 空中通信端Figure 3 Air communication terminal

LoRa無線通信模塊(型號(hào)為SX1278)負(fù)責(zé)搭建地面采集與空中轉(zhuǎn)發(fā)的通信鏈路。LoRa模塊分為發(fā)送端與接收端，位于無人機(jī)上的LoRa接收模塊經(jīng)配置后可以與相同信道、速率上的多個(gè)LoRa發(fā)送模塊建立通信網(wǎng)絡(luò)，完成與地面的LoRa發(fā)送模塊對(duì)傷員信息的傳遞[13-15]。

LoRa配置流程圖如圖4所示。配置成功后，可將LoRa的配置信息及傳感器的初始化信息打印出來(圖5)。另外，也可通過觀察黃色的LED燈來進(jìn)行判斷LoRa是否配置成功，LoRa模塊配置成功后黃色的LED燈會(huì)閃爍兩次然后滅掉。無人機(jī)數(shù)據(jù)模塊通過串口通信的方式獲取LoRa接收到的傷員信息，并將其通過無線電轉(zhuǎn)發(fā)至地面站端。

圖4 LoRa配置流程圖Figure 4 LoRa configuration flowchart

圖5 LoRa配置信息打印Figure 5 LoRa configuration information print

2.3 地面站處理端

地面站處理端由信號(hào)接收裝置及軟件系統(tǒng)組成，傷員感知系統(tǒng)軟件界面如圖6、圖7所示，感知終端采集概覽頁面主要包括終端總數(shù)統(tǒng)計(jì)、各區(qū)域終端分布統(tǒng)計(jì)，各區(qū)域終端工作狀態(tài)統(tǒng)計(jì)以及感知終端可視化分布圖。在一次搜尋任務(wù)中通過將搜尋區(qū)域分為多個(gè)分區(qū)的形式進(jìn)行傷員的總體感知，終端工作狀態(tài)分為定位成功、定位失敗、正常檢測(cè)、異常檢測(cè)。其中異常檢測(cè)表示該節(jié)點(diǎn)定位成功且有生命體征的檢測(cè)。通過可視化地圖對(duì)多個(gè)異常檢測(cè)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行不同顏色的標(biāo)記。

圖6 系統(tǒng)軟件主界面圖Figure 6 Main interface diagram of system software

圖7 感知終端節(jié)點(diǎn)信息圖Figure 7 Perceive terminal node information graph

如圖7所示，通過點(diǎn)擊地圖上的異常檢測(cè)節(jié)點(diǎn)觀察節(jié)點(diǎn)屬性，實(shí)現(xiàn)傷員呼吸信號(hào)、位置信息、衛(wèi)星質(zhì)量及LoRa通信質(zhì)量的總體概覽，以更好地規(guī)劃傷員搜尋方案，以最短的時(shí)間對(duì)有效救援目標(biāo)實(shí)現(xiàn)緊急救治。傷員感知系統(tǒng)采用大數(shù)據(jù)可視化的解決方案，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)傷員信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以使得后勤救援人員能夠更有效地掌握救援目標(biāo)信息，靈活調(diào)動(dòng)救援隊(duì)伍。

3 系統(tǒng)性能測(cè)試

本系統(tǒng)完成了生命感知終端及空中通信端樣機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)的基本功能包括：人體呼吸信號(hào)的采集、遠(yuǎn)距離傳輸以及多個(gè)傷員終端的LoRa組網(wǎng)功能。主要測(cè)試結(jié)果如下。

(1) 生命信息的準(zhǔn)確采集。在平躺者的受試者周圍分別放置多個(gè)感知終端，測(cè)定在不同呼吸強(qiáng)度下的呼吸數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果表明與實(shí)際呼吸狀況無差異，正在通過設(shè)計(jì)各種躺臥姿勢(shì)下呼吸狀況的差異完善檢測(cè)效果。如圖8所示，較為規(guī)律部分的波形為檢測(cè)到呼吸信號(hào)的波形，后者為未檢測(cè)到生命信號(hào)的波形。將生物雷達(dá)模塊放置人體胸腔前1 m的位置進(jìn)行檢測(cè)，逐次增加0.5 m。經(jīng)測(cè)試，生物雷達(dá)檢測(cè)人體呼吸信號(hào)的有效距離可達(dá)3 m以上。

圖8 呼吸波形顯示Figure 8 Breathing waveform display

(2) LoRa結(jié)合無人機(jī)數(shù)傳有效擴(kuò)大通信范圍，通信質(zhì)量穩(wěn)定。在較為空曠的場(chǎng)外環(huán)境下測(cè)試系統(tǒng)最大通信距離。其中，LoRa通信距離為L1(圖9)，無人機(jī)數(shù)傳模塊與遙控器的空中通信距離為L2(圖10)，系統(tǒng)通信距離L=L1+L2。經(jīng)過多組測(cè)試結(jié)果分析得出結(jié)論：系統(tǒng)最大通信距離L最大可達(dá)3 km以上。

圖9 LoRa傳輸距離Figure 9 LoRa transmission distance

圖10 無人機(jī)數(shù)傳通信距離Figure 10 Air communication distance

測(cè)試步驟如下。

① 將數(shù)傳模塊與遙控器的位置固定，保持L2不變，改變LoRa發(fā)送端與接收端之間的距離。逐次增加L1，分別測(cè)試1 000 m、1 500 m、1 600 m時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度與丟包率，其中1 500 m時(shí)通信穩(wěn)定，無數(shù)據(jù)丟失，1 500 m時(shí)丟包率為5%，1 600 m時(shí)大于50%。

② 將LoRa接收端與發(fā)送端位置固定，保持L1不變，改變T12接收機(jī)與遙控器之間的距離。逐次增加L2，在1 500 m時(shí)通信質(zhì)量穩(wěn)定。在后續(xù)的不同環(huán)境下的測(cè)試過程中將完善通信協(xié)議，提升系統(tǒng)無線通信抗干擾性。

4 討論

4.1 傷情感知數(shù)據(jù)有待挖掘

在感知傷員的測(cè)試過程中，使用生物雷達(dá)可以有效地感知到生命體的存在，但尚未通過數(shù)據(jù)分析判定傷情等級(jí)。對(duì)傷員傷情的等級(jí)加以判定將使感知結(jié)果更加精細(xì)，為救援任務(wù)提供有效的依據(jù)。在后續(xù)的研究中將結(jié)合深度學(xué)習(xí)，掌握不同呼吸狀況下的內(nèi)在規(guī)律，自主對(duì)傷情等級(jí)做出判定。

4.2 拋投感知終端需改進(jìn)

在設(shè)計(jì)拋投感知終端時(shí)，外部包裝采用較為柔軟的泡沫材料以緩沖墜落的沖擊，但對(duì)于較為復(fù)雜的環(huán)境，如草地、水面、泥沼等環(huán)境尚未進(jìn)行測(cè)試，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中將對(duì)感知終端的抗摔性、防水、穩(wěn)定著陸等性能做進(jìn)一步優(yōu)化。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)結(jié)合生物雷達(dá)、LoRa及無人機(jī)數(shù)傳的模式，創(chuàng)新了搜尋通信方式，實(shí)現(xiàn)了傷員呼吸信號(hào)的檢測(cè)和遠(yuǎn)距離傳輸。采用地空結(jié)合的搜尋方式快速部署，靈活執(zhí)行救援任務(wù)，達(dá)到及時(shí)獲取傷員呼吸信號(hào)等信息的目的。本系統(tǒng)為救援方案的規(guī)劃提供有力依據(jù)，降低傷員搜尋難度，有效提高了傷員搜尋效率。傷員搜尋與無人機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的結(jié)合，將顛覆傳統(tǒng)的搜尋方式。非接觸式傷員感知系統(tǒng)也將不斷改進(jìn)，為新時(shí)代智能化傷員搜尋奠定基礎(chǔ)。