多源信息融合的無人機海上搜救系統(tǒng)的研究與實現

作者 顧禹¹ 申家齊² 徐家晨¹ 王天真¹ 1. 上海海事大學 物流工程學院(上海201306) 2.上海海事大學 信息工程學院(上海201306) 

　　摘要：介紹了一種基于四旋翼飛行器簡單、快速地搜尋海上落水者的系統(tǒng)。該系統(tǒng)由三部分組成：海事救援無人機、智能可穿戴設備和監(jiān)控中心。海事救援無人機和智能可穿戴設備均采用Cortex-M4內核的XMC4700處理器。當人員落水時，智能可穿戴設備會不斷向外界發(fā)送佩戴者的位置信息和生命體征。海事救援無人機能按照預定軌跡飛行，同時利用機載攝像頭實時搜索落水者并將圖像傳送至監(jiān)控中心。無人機還能在飛行的過程中不斷搜索附近是否有智能可穿戴設備的信號，若有，則將所得信息發(fā)送至監(jiān)控中心同時飛向該位置并在人的指揮下投擲下救生物品。監(jiān)控中心集中顯示已知落水者和無人機的所有信息，并提供快捷的按鈕命令供救援人員實現集中控制。

　　關鍵詞：四旋翼;飛行器;海上搜救;處理器

　　*2017-2018年度“英飛凌杯”全國高校無人機創(chuàng)新設計應用大賽“三等獎’’

　　0引言

　　四旋翼飛行器具有體積小、重量輕、靈活度高、成本低等特點，適用多種空間場所，可以在任何小平臺上靈活起降。它方便攜帶，低空飛行性好，可在復雜環(huán)境下快速執(zhí)行搜索、投遞任務。基于四旋翼飛行器的海上搜救系統(tǒng)能有效快速地對大片海域進行搜尋，因此能有效減少搜救時間，提高搜救效率，提升落水者的生還幾率，有著廣闊的應用前景。該技術得到很多專家們的高度關注，成為當前該領域下最活躍的研究方向之一。

　　1系統(tǒng)整體方案

　　系統(tǒng)整體功能框圖如圖1所示。該系統(tǒng)由三部分組成：海事救援無人機、智能可穿戴設備(以智能監(jiān)測手環(huán)為例)和監(jiān)控中心。智能監(jiān)測手環(huán)上配有GPS模塊、心率監(jiān)測模塊、體溫監(jiān)測模塊和通信模塊，實現不斷向外界發(fā)送位置坐標和生命體征的功能。四旋翼飛行器借助DJIN3飛行控制器實現無人機的平穩(wěn)飛行;無人機以Infineon(英飛凌)公司XMC4700單片機為核心，由圖像識別模塊、通信模塊、投擲模塊等幾部分構成。飛行過程中，圖像識別模塊不斷判斷圖像中是否有落水人員，并將結果發(fā)送給XMC4700單片機，XMC4700根據所得圖像信息、手環(huán)信息和接收到的監(jiān)控中心命令控制DJIN3實現自主飛行。當無人機發(fā)現落水者時，監(jiān)控中心大屏幕上會用紅框將落水者框出，救援人員確認后向無人機發(fā)出投擲救援物品的命令，無人機飛行到落水者上空投擲下救生物品。同時，監(jiān)控中心還會根據無人機發(fā)回的落水者生命體征等信息，自動與醫(yī)療中心聯系。

　　2無人機硬件系統(tǒng)設計

　　四旋翼飛行器以XMC4700為主控制器，該芯片是一款基于ARMCortex-M4內核的工業(yè)微控制器，主頻可達120MHz，為四旋翼對指令響應的即時性提供了保障。為提高在較大重量負載時四旋翼的穩(wěn)定性與抗風性，電子調速器使用了Infineon的iMOTIONIRMCF183，利用其MCE電機控制引擎，可以為電機設定詳細的參數和輸出曲線，保證電機在環(huán)境惡劣時能夠快速反應?；趯λ男眢w積、續(xù)航時間的考量，氣壓計采用了InfineonDSP310，特點是精度高、耗電量低、體積小巧、易用安裝。障礙物的距離測量采用了InfineonDistance2GO，這是一款24GHz雷達傳感器，相比超聲波、紅外等測距方案，雷達測量更精準，還可以捕獲目標的移動速度、角度和方向，優(yōu)化無人機的運動決策。

　　3無人機搜救過程

　　四旋翼飛行器控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

　　3.1總體方案

　　四旋翼機載處理器XMC4700通過UART從DJIN3飛行控制器獲取飛行數據，XMC4700通過UART與雷達Distance2go模塊通信獲取障礙物信息，通過I2C與氣壓計DPS310通信獲取氣壓信息并轉換為高度信息，通過UART與圖像處理單元通信獲取落水者位置信息通過無線串口獲取監(jiān)控中心指令和智能手環(huán)發(fā)出的落水者信息。XMC4700在進行數據融合后，通過UART向DJIN3發(fā)送飛行指令，DJIN3通過iMotion電調控制電機使飛機按照指令飛行。當無人機接收到監(jiān)控中心的釋放救援物品指令時通過PWM控制投擲器上的舵機，從而打開插銷使救援物品落下。

　　3.2像數據處理部分

　　硬件部分可以使用機載計算平臺進行計算，也可以將圖像通過5.8GHz圖傳模塊傳輸至地面站上位機進行分析，起到冗余備份的功能。兩種方式分析過程總體上一致。

　　在搜救的第一階段，無人機在較高高度飛行，對海面進行大面積粗略搜索。在這一階段，我們使用OpenCV自帶的人上半身Haar特征分類器對于圖像進行分析，該分類器使用Haar-like特征進行檢測，使用積分圖(IntegralImage)對Haarlike特征求值進行加速，使用AdaBoost算法對分類效果進行提升，使用篩選時級聯把分類器級聯到一起以提高準確率。該分類器可幫助我們查找圖像源中符合人上半身頭肩的圖像特征，并標注其位置，結合無人機當前GPS坐標可計算出通過視覺方式識別出的落水者坐標。該坐標用于與落水者手環(huán)發(fā)回的坐標進行比對，當兩者匹配，即可進入搜救第二階段。

　　在搜救的第二階段，無人機降低飛行高度，在第一階段確定的坐標附近區(qū)域進行低空搜救。此時對于攝像頭采集到的圖像使用OpenCV自帶的人臉Haar特征分類器對于圖像進行分析，并將圖像中的人臉分離出來。再將人臉圖像與PCA方法訓練的人臉庫中的模型比較，輸出數據庫中匹配度最高的人員編號。該結果隨后會與溺水人員手環(huán)發(fā)回的設備id進行比對以確定溺水者身份。其中，本系統(tǒng)主要運用了特征臉方法(Eigenface)對于人臉進行識別，特征臉方法是從圖5智能監(jiān)測手環(huán)系統(tǒng)框圖圖6上位機界面PCA導出的一種人臉識別和描述技術。就是將包含人臉的圖像區(qū)域看作是一種隨機向量，使用PCA算法通過求數據集的協(xié)方差矩陣最大的特征值對應的特征向量，從而找到數據方差最大的幾個方向，達到對數據降維的效果，并找到數據中最明顯的特征，即主成分。PCA算法的流程如圖3所示。經過多重的確認之后，救援系統(tǒng)基本上可以確定溺水人員的身份，并會將信息比對融合結果回傳至監(jiān)控中心主控制終端，經過人工審核之后無人機便會飛向溺水人員坐標投擲救援物品。

　　4智能監(jiān)測手環(huán)的制作

　　在該系統(tǒng)中智能監(jiān)測手環(huán)用以XMC4700開發(fā)板為核心的簡易裝置來代替，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。u-blox公司的6MGPS模塊通過UART將數據包發(fā)送到XMC4700開發(fā)板上，XMC4700對數據包解包之后得到落水者的經緯度數據，再結合心率數據和體溫數據一同通過無線串口向外發(fā)送，直至無人機接收到。

　　5監(jiān)控中心上位機的制作

　　VisualStudio是一個功能強大的開發(fā)工具集，可以快速開發(fā)各種應用。該項目通過在VisualStudio中新建一個Windows窗體應用(.NETFramework)項目并利用其工具箱便可快速開發(fā)出如圖4所示的上位機。上位機中內置落水者搜索功能。通過調用EmguCV庫或AForge庫可以實現基于哈爾模型的人臉檢測和基于PCA的人臉識別功能。

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本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2019年第1期第79頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處