基于多元人物識別定位的智能救生圈

趙袁 魏靜怡 董洪友

摘? 要：因每年落水者的人數不斷增加，設計以無人機搭載救生圈，利用人體紅外感應和人臉識別定位落水者大致位置，再通過超聲波、激光測距協同控制救生圈調整營救方向，最后采用GPS的自動規劃路徑進行返航。提供一種人機協同，精準施救，自動返航的水面救援裝置，從而大大提高救援的安全性和效率。

關鍵詞：救生圈;無人機;超聲波;激光測距;人體工學;GPS自動返航

中圖分類號：TP391.4? ?? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）09-0029-02

Abstract： Due to the increasing number of people who fall into the water every year， the design uses a UAV to carry a lifebuoy， uses human infrared induction and face recognition to locate the approximate position of the person who falls into the water， and then adjusts the rescue direction through ultrasonic and laser ranging. Finally it uses the automatic planning path of GPS to return. The utility model provides a water surface rescue device with man-machine cooperation， accurate rescue and automatic return， thus greatly improving the safety and efficiency of the rescue.

Keywords： lifebuoy; UAV; ultrasonic; laser ranging; ergonomics; GPS automatic return

1 研究背景

1.1 溺水事故背景

據我國衛生部的不完全估計，全國每年約有6萬人死于溺水，相當于每天150多人溺水死亡。若統計自殺、他殺、自然災害（臺風、洪水）、航運災害等因素導致的溺亡事件，則溺水死亡總數將增加50%。另據世界衛生組織統計，中國溺亡人數約占世衛組織西太平洋區域總溺亡人數的80%?？梢?，溺水死亡嚴重威脅到我國人民的生命財產安全。炎夏季更是溺水事件的高發季節，而城市河流、公園湖泊、郊區水庫以及海濱場所是溺水事件的高發場所。

1.2 傳統救援方式

（1）依靠人力的救援

缺點：施救者的死亡比例高，施救風險較大。主要由于以下兩點：

a.施救者短時間體力消耗過度而虛脫，從而喪失救援能力而溺水。

b.溺水人溺水時的求生本能和恐慌心理，其掙扎拉拽等動作嚴重干擾并束縛了施救者施救過程，造成施救者救援失敗甚至溺亡。

綜上分析可知，缺乏便捷迅速的水面救援裝置是夏季溺水事件高發的主要原因之一。

（2）簡單救生圈、救生衣等小型典型救生裝置

缺點：救援速度慢，貽誤救援時機，且容易消耗救援人員的體力。

（3）救援沖鋒舟、皮筏艇等大型救生產品

缺點：a.價格較貴，導致救援設備數量難以擴大，使得在危急時期無法迅速征調救援設備，貽誤救援時機。

b.當出現救援距離遠等問題時，此類設備機動性緩慢，極易耽誤救援時間。

2 總體設計

2.1 具體救援思路與步驟

救援設備采用救生圈+無人機相結合的救援方式：

（1）無人機作為救生圈的載具，負責落水者位置識別、救生圈的投放、同時負責救生圈的路徑的規劃與導航。

（2）救生圈作為救援的執行機構，負責進行自動救援。

2.1.1 投放救生圈、目標定位

（1）在救援前，無人機搭載救生圈，兩者通過電磁鐵相連，到達溺水事故地點且接觸水面后，電磁鐵斷電，此時救生圈即可以進行尋人搜救。當救援距離較近時，船上人員可以直接利用遙控器進行救援，安全可靠性高;若當遇到大霧等視野不便的情況，則可以啟動自動搜救模式。

（2）救生圈上攜帶人臉識別攝像頭，通過人臉識別目標面部表情與特征，進而判斷目標是否為溺水者，從而排除非人體目標與非溺水者目標。

（3）人體的穩定相較于湖面的水溫要高，因此人體紅外特征明顯，故采用人體紅外感應模塊。

2.1.2 方向確定、目標確認

（1）超聲波陣列的模糊定向：救生圈投放后，救生圈頭部的超聲波陣列可以快速掃描湖面，通過測得的不同方向上距離的差異來確定目標的大致方向。

（2）激光測距的精確定向：由于超聲波屬于開放式信號波，在同一距離上不同方向的物體具有相同的檢測結果，無法精確定位方向，此時利用激光測距方向性強，通過確定大致方向，可以進一步準確判斷落水者的方向。

（3）人體的穩定相較于湖面的水溫要高，因此人體紅外特征明顯，故采用人體紅外感應模塊。

2.1.3 GPS返航路徑自動規劃

（1）無人機拋下救生圈之前，無人機先在空中拍下俯視圖照片，通過圖像分析來識別落水人的大概位置，在此位置投放救生圈。

（2）救生圈自動根據人體紅外識別、激光測距、超聲波測距來判斷落水者方向，并在救生圈駛向落水者過程中不斷修正方向，當救生圈到達落水者位置時，救生圈上的GPS就可以確定落水人在湖中的具體經緯坐標，并將坐標發給無人機。

（3）此時無人機開始自動規劃一個離落水人最近的岸邊坐標，并通過無線通信發給救生圈，救生圈在自帶的地圖中根據自己的位置坐標進行移動，并不斷通過地磁傳感器來糾正移動方向，到達指定位置。

2.2 救生圈外觀設計

2.2.1 低阻力的外形

（1）傳統救生圈缺點

傳統的救生圈一般都是中間鏤空設計，這種形狀加動力裝置比較困難，而且在救人的過程中，阻力比較大，從而消耗救援人員和溺水者體力。

（2）創新點

a.行進阻力?。罕菊n題設計的新型救生圈采用A型結構設計，在A字的兩個腿端增加兩個噴水推進器。前端下半部分為前傾型首，以減小行駛中的阻力。A字橫杠往前的上半部分為微凹型，人趴在上面時，救生圈受力均勻。

b.抓附摩擦力大：采用了搪塑材料，觸感柔軟，在A字的橫杠外側有兩個把手，采用牛皮外表，而且內側紋路還可以增大摩擦，溺水者抓住把手的時候更加省力安全。

2.2.2 浮力大小自適應調整

（1）傳統救生圈缺點

傳統救生圈的大小都是固定的，這就導致在救人的時候出現很多弊端。

（2）創新點

自動調節浮力大?。罕菊n題在A字型下端兩側內側都裝上了氣墊設計，身材體型不同的人趴在上面，氣墊會根據負重與受力的變化自動調節浮力。

2.2.3 船體不分底與頂

救生圈的上下兩面都具有進水口且上面的模塊均為防水設計，如若發生救生圈傾翻情況，仍可以進行正常返航。

2.2.4 合理的顏色涂料

眾所周知，視覺是人對外界最重要的探知方式，海上大部分情況主要是陽光和月光環境，因此救生圈顏色的肉眼可辨識度在營救時有著很大的影響。

創新點：救生圈設計的主體顏色是橙黃色。

a.對鯊魚具有警告作用：當落水事故發生時，溺水者極易受到海里鯊魚的襲擊。根據大量經驗和研究調研，鯊魚最懼怕橙黃色，故將救生圈主體做成橙黃色，降低鯊魚攻擊的概率。

b.肉眼可辨識度高：橙黃色能見度高，明亮刺眼，可以強烈地刺激救援人員的視神經。在很多危險的場合，也使用這樣的救援和警示裝置。

2.3 理論模塊技術支持

2.3.1 RCWL-1601超聲波測距模塊

RCWL-1601是一款3V-5.5V供電，軟件完全兼容HC-SR04的開放式超聲波測距模塊。無鉛工藝2cm超小盲區，典型4.5m最遠測距，2.2mA超低工作電流;其性能優于HC-SR04，為此我們采用了RCWL-1601模塊。

2.3.2 激光測距模塊

VL53L0X飛行時間測距傳感器是新一代激光測距模塊， VL53L0X是完全集成的傳感器，配有嵌入式紅外，人眼安全激光，先進的濾波器和高速光子探測陣列，測量距離更長，速度和精度更高。VL53L0X的感測能力可以支持各種功能，包括各種創新用戶界面的手勢感測或接近檢測，掃地機器人、服務性機器人的障礙物探測與防撞系統，家電感應面版、筆記本電腦的用戶存在檢測或電源開關監控器，以及無人機和物聯網（I0T）產品等。

3 結束語

本課題通過無人機搭載救生圈，通過人體紅外特征和人臉識別的落水者位置定位，超聲波、激光測距協同控制的落水者方向糾正和GPS的自動返航路徑規劃。綜上所述，本課題優點在于提供一種人機協同，精準施救，自動返航的水面救援裝置，從而大大提高救援的安全性和效率?？紤]到水上搜救的環境比較惡劣，水中隨機分布的障礙物和太陽光線與溫度等干擾元素，克服以上困難依舊是我們目前的難點與挑戰。這就要求我們在機器學習的方面進行不斷完善。由于機器學習技術方面尚存在不足，主要集中于如何區分人和動物，學習如何避開障礙物，而識別到人的時候能迅速靠過去。為了能做到精準施救，我們還有很大的進步空間，包括如何優化算法從而增加游泳圈的響應速度。在自動尋人等方面，我們還可以繼續改進方案，通過不斷完善技術，繼續降低操作的難度，加快施救的速度。

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