一种智能化无人艇搜救系统及搜救方法

摘要

本发明涉及一种智能化无人艇搜救系统及搜救方法，包括位于救援中心的主控台、无人艇本体、定位模块、导航模块、搜寻模块、救援模块和控制处理台，所述主控台用于接收事故地点和救援事件，定位模块和导航模块用于导航无人艇到事故地点，搜寻模块用于在事故地点搜寻事故人员，救援模块用于搭载事故人员返回无人艇，本发明在执行海上救援任务时，灵活性高，实时性强，在事故地点附近能够自主定位导航，进行救援目标搜索，降低了救援的人工成本，提高了救援速度。

说明书

技术领域

本发明属于海上搜救领域，尤其是涉及一种智能化的搜救无人艇及搜救方法。

背景技术

随着国家的不断发展，海洋开发利用日渐需要，与此同时海上航运量也不断增大，海上活动呈现多元化、高密度的趋势。海洋捕捞、石油开发、近岸工程建设以及船舶大型化交织在一起，海上交通安全形势面临着严峻的挑战，海难事故不断增加，因此海上救援技术的发展也是不可或缺的。能否在短时间内发现落水目标，并实时展开救援，是衡量海上救援技术的重要标准之一。

传统的海上救援方法包括大型船舶搜救，空中搜救等，其救援调用成本高，耗时长。搜救区域和搜救路线依赖人为规划与指挥，救援工作缺乏系统性。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种智能化无人艇搜救系统及搜救方法，能够实现对于失事船只上的人员进行广范围高效率的搜救。

本发明提供的一种智能化无人艇搜救系统，包括位于主控台、无人艇本体、定位模块、导航模块、搜寻模块、救援模块和控制处理台，所述主控台设置在救援中心，所述定位模块、导航模块、搜寻模块、救援模块和控制处理台均设置在无人艇本体上，控制处理台与定位模块、导航模块以及搜寻模块通信，协作实现定位、导航和搜寻功能；所述主控台用于接收事故地点和救援事件，定位模块和导航模块用于导航无人艇到事故地点，搜寻模块用于在事故地点搜寻事故人员，救援模块用于搭载事故人员返回无人艇。

所述的搜寻模块包括第二双目相机、激光雷达、协同无人机和信息处理模块；所述第二双目相机通过固定框架设置在无人艇本体上设，且可任意角度旋转；所述激光雷达设置在无人艇本体前端，通过向周围发射激光束获取点云数据，构建实时3D环境，配合第二双目相机自主扫描；所述协同无人机设置在无人艇本体后端的平台内，用于收到主控台指令升空，对海面漂浮物进行图像识别，若获取事故人员的图像数据，则将数据传输到主控台；所述信息处理模块用于关联处理第二双目相机，激光雷达,无人机的图像采集与协同的点云数据；所述协同无人机搭载单目相机，具备图像识别与数据传输功能的多旋翼抗风无人机。

优选的，所述救援模块为小型搜救艇；小型搜救艇上设置有搜救艇控制机箱和电磁铁，电磁铁设置在小型搜救艇侧边的外表面，小型搜救艇通过电磁铁与无人艇本体连接，搜救艇控制机箱用于控制电磁铁的通断电。

优选的，小型搜救艇上还设置有光学心率传感器，光学心率传感器采用光电容积脉搏法测量心率，以绿光为光源；测得事故人员心率情况。

优选的，所述定位模块包括GPS模块、第一惯性传感器IMU和电子地图，采用GPS定位、惯性定位和电子地图匹配定位的复合定位方法。

优选的，所述导航模块包括第一双目相机和第二惯性传感器IMU，通过第一双目相机、第二惯性传感器IMU和控制处理台协作实现导航。

一种智能化无人艇搜救系统的搜救方法，包括如下步骤：

步骤1,通过定位模块对无人艇进行定位。

步骤2，通过导航模块导航无人艇去向事故地点。

步骤3，无人艇到达事故地点附近，通过搜寻模块对事故人员进行搜寻。

步骤4，无人艇靠近事故人员，通过救援模块搭载事故人员到达无人艇，与无人艇一起返回救援中心。

对比现有技术，本发明所构思的技术方案具有以下优点：本发明在执行海上救援任务时，灵活性高，实时性强，在事故地点附近能够自主定位导航，进行救援目标搜索，降低了救援的人工成本，提高了救援速度；本发明基于复合定位以及视觉-惯性-平面PnP算法进行导航规划，定位精度高，导航性能好；通过融合双目相机与激光雷达的优点，提高了目标搜寻的能力，同时配合协同无人机，扩大了搜救范围。通过小型搜救艇上的光学心率传感器，实时反馈事故人员的心率健康情况，传回主控台，考虑事故人员情况的不同，确定救助的优先级，以达到重者先治的效果。

附图说明

图1是本发明的一种智能化无人艇搜救系统的结构图。

图2是本发明的无人艇本体及各模块设置示意图。

图3是本发明的导航模块工作流程图。

图4是本发明的小型搜救艇俯视结构示意图。

图5是本发明搜救方法的工作流程图。

其中，1、无人艇本体；2、第二惯性传感器IMU；3、GPS模块；4、控制处理台；5、激光雷达、6、第二双目相机；7、协同无人机停留区；8、小型搜救艇；9、光学心率传感器；10、搜救艇控制机箱；11、电磁铁。

具体实施方式

以下结合附图和具体实例对本发明的实施作进一步详细的描述：

当海上事故发生时，主控台接收到救援任务，派遣搜救无人艇到规定海域，对事故人员进行救援，所述的事故人员可以是指落水人员。

如图1所示，本发明提供的一种智能化无人艇搜救系统，包括位于救援中心的主控台、无人艇本体1、定位模块、导航模块、搜寻模块、救援模块和控制处理台4，所述定位模块、导航模块、搜寻模块、救援模块和控制处理台4均设置在无人艇本体1上，控制处理台4与定位模块、导航模块以及搜寻模块通信，协作实现定位、导航和搜寻功能；所述主控台用于接收事故地点和救援事件，定位模块和导航模块用于导航无人艇到事故地点，搜寻模块用于在事故地点搜寻事故人员，救援模块用于搭载事故人员返回无人艇。

如图2所示，所述的搜寻模块包括第二双目相机6、激光雷达5、协同无人机和信息处理模块；所述第二双目相机6通过固定框架设置在无人艇本体1上设，且可任意角度旋转；所述激光雷达5设置在无人艇本体1前端，通过向周围发射激光束获取点云数据，构建实时3D环境，配合第二双目相机6自主扫描；所述协同无人机设置在无人艇本体1后端的平台内，在无人艇本体1后端的平台内有用于协同无人机停留的协同无人机停留区7，协同无人机收到主控台指令升空，对海面漂浮物进行图像识别，若获取事故人员的图像数据，则将数据传输到主控台；所述信息处理模块用于关联处理双目相机，激光雷达5,无人机的图像采集与协同的点云数据；所述协同无人机搭载单目相机，具备图像识别与数据传输功能的多旋翼抗风无人机。

如图4所示，所述救援模块为小型搜救艇8；小型搜救艇8上设置有搜救艇控制机箱10和电磁铁11，电磁铁11设置在小型搜救艇8侧边的外表面，小型搜救艇8通过电磁铁11与无人艇本体1连接，搜救艇控制机箱10用于控制电磁铁11的通断电。

小型搜救艇8上还设置有光学心率传感器9，光学心率传感器9采用光电容积脉搏法测量心率，以绿光为光源；事故人员根据光学心率传感器9指示标志，将手指按制定位置放好。Led绿光射向皮肤，透过皮肤组织反射回的光被光敏传感器接受并转化为电信号，得到的电信号分为直流DC信号和交流AC信号。根据血液流动性的特点提取AC信号。将得到的AC信号用低通滤波法进行滤波处理；

Y(n)＝αX(n)+(1-α)Y(n-1)

式中α是滤波系数，X(n)是本次采样值；Y(n-1)是上次滤波输出值；Y(n)是本次滤波输出值。

对滤波后的信号采用傅里叶变换法用算法进行频域分析，根据所采样的数据作出频域图，频域图中所示的明显峰值，就是所求的心率的固有频率在进行，实时反复求取平均值，

所述定位模块包括GPS模块3、第一惯性传感器IMU和电子地图，采用GPS定位、惯性定位和电子地图匹配定位的复合定位方法。

所述导航模块包括第一双目相机和第二惯性传感器IMU2，通过第一双目相机、第二惯性传感器IMU2和控制处理台4协作实现导航。

如图5所示，一种智能化无人艇搜救系统的搜救方法，包括如下步骤：

步骤1,通过定位模块对无人艇进行定位。

步骤2，通过导航模块导航无人艇去向事故地点。

步骤3，无人艇到达事故地点附近，通过搜寻模块对事故人员进行搜寻。

步骤4，无人艇靠近事故人员，通过救援模块搭载事故人员到达无人艇，与无人艇一起返回救援中心。

其中步骤1中，通过定位模块对无人艇进行定位，具体包括如下步骤：

步骤1.1，通过GPS模块3，使用天线搜索卫星向地表发射的电波，解算代码后输出定位结果。

步骤1.2，利用第一惯性传感器IMU，测量传感器第一惯性传感器IMU本体的角速度和加速度，完成搜救无人艇的轨迹估算，得出定位结果。

步骤1.3，GPS模块3和第一惯性传感器IMU采用松耦合的方式，基于卡尔曼滤波的传感器融合技术，融合GPS模块3和第一惯性传感器IMU的定位数据。利用GPS用来修正第一惯性传感器IMU的长时间的漂移问题；同时，第一惯性传感器IMU可以弥补GPS更新率低，定位不够精准的缺陷。

步骤1.4，基于GPS模块3和第一惯性传感器IMU融合后的定位数据，将其与控制处理台4的电子地图中定位数据进行对比，互相纠正以获得更加精准的定位数据。

步骤2中，通过导航模块导航无人艇去向事故地点，所述导航模块包括第一双目相机和第二惯性传感器IMU2，如图3所示，具体导航方法步骤如下：

步骤2.1，根据第一双目相机输入的在线图像帧和对应的第二惯性传感器IMU2的测量数据，进行特征的追踪和惯性测量数据的预积分，并使用视觉-惯性-平面PnP算法实时输出当前帧的位姿。

步骤2.2，第一双目相机输入的在线图像帧作为当前帧将被送入到滑动窗口，同时会进行关键帧的评估和三角测量，再对当前帧是否为关键帧进行判定。

如果滑动窗口的最后一帧被判定为关键帧，则使用重投影一致性来扩展平面，进行滑窗优化管理，并且在执行滑窗优化管理时，使用无结构的平面距离约束项来约束平面上的三维点。在完成滑窗优化管理后，系统将进行新平面检测，扩充已有的平面地图。

如果滑动窗口的最后一帧未被判定为关键帧，则跳转至新平面检测环节，重复步骤2.1和2.2，扩充已有的平面地图，完成环境地图创建。

完成无人艇的自身定位及环境地图的创建后，由主控台使用地图对无人艇进行行驶路径规划，完成导航控制。

步骤3中，无人艇到达事故地点附近，通过搜寻模块对事故人员进行搜寻，具体的搜寻方法包括如下步骤：

步骤3.1，无人艇在事故地点附近自主航行。

步骤3.2，无人艇在自主航行的同时，激光雷达5通过向周围发射激光束获取点云数据，构建实时3D环境，配合第二双目相机自主扫描，进一步对点云数据进行修正,进一步确认目标。

步骤3.3，初步锁定事故人员后，控制处理台4基于图片处理识别确定事故人员，并利用修正的点云数据提取出事故人员的坐标，配合第二双目相机6的观测，持续更新事故人员的坐标，并实时将事故人员坐标传至控制处理台4。

步骤3.4，协同无人机在航行途中按主控台指令升空，对海面漂浮物进行图像识别，若获取事故人员图像数据，则将数据传输到主控台。

步骤4中，无人艇靠近事故人员，通过救援模块搭载事故人员到达无人艇，与无人艇一起返回救援中心，具体包括如下步骤：

步骤4.1，搜寻模块成功识别出事故人员，并传递位置信息，无人艇根据位置信息靠近事故人员。

步骤4.2，断开电磁铁11的电源，小型搜救艇8与无人艇分离。

步骤4.3，事故人乘坐上小型搜救艇8。

步骤4.4，无人艇通激光雷达和第二双目相机配合搜寻并靠近小型搜救艇8，通过电磁铁11，小型搜救艇8与无人艇吸引靠拢，跟随无人艇驶向主控台所在的救援中心。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。