基于无人机的海上搜救识别系统设计

王睿麟

(烟台大学，山东 烟台 264003)

0 引言

如今，海洋经济发展迅速，从事海洋产业的人员越来越多。由于海洋气候条件较为复杂，很容易受到寒潮、大雾、台风等环境的影响，并出现船只搁浅、碰撞、触礁等事故，造成人员伤亡与财产损失[1]。为了减少海上船只的事故，海上搜救系统应运而生。传统海上搜救系统侧重于搜救，通过救援队的望远镜或红外识别装置，对人员进行搜救，但是，红外识别装置经常会识别到海洋中的生物，影响人员救援时间[2]。除此之外，识别装置仅可以识别人员，缺乏对于其他物资的识别能力，无法有效保证生命财产安全。

无人机是一种通过旋翼马达与控制主板控制的设备，在无人机上安装摄像头后，可以通过人工控制或系统控制，对无人机所到之处的图像进行拍摄[3]。为了对出现事故的船只进行精准定位，通过船只的自动识别装置，将船只的失事信息传递给搜救系统，提高海上搜救效果，本文利用无人机，设计了海上搜救识别系统，旨在提高图像识别效果，为海上搜救提供便捷条件。

1 硬件设计

无人机需要具有一定的机械强度，保证无人机在海上可以平稳飞行。为了保证无人机的机械强度，无人机需要具有适当的负载能力，因此，将海上搜救的无人机机身重量设定为2.5 kg，电机型号选用YEJZF160，机架为500 mm的碳纤维材质，并使用6 200 mA/h的超大续航电池，保证海上搜救的高效性[4]。

1.1 图像传感器

本文设计了图像传感器的硬件，考虑到图像传感器是在系统中起到图像采集功能的硬件，因此，将图像传感器的重量设计成201g，尺寸为150.42 mm×32.68 mm×32.68 mm。为了保证图像传输质量，将传感器的传输帧率设置为120FPS，使图像分辨率在760 px×500 px，最大限度地保证图像识别效果。此外，海上搜救时间较长，不能进行短时间的材料补充，因此，将图像传感器的工作电压设置为3.0 V，每小时消耗的能量仅为2.76 W，保证图像传感器的续航能力。将图像传感器的CPU设置为256 GB，可以支持图像的加速传输，为海上搜救行动提供时间保障。

1.2 飞行控制器

飞行控制器选用Pixhawk型号进行无人机的飞行控制。此型号的飞行控制器由PXJVGH与PX8GIBG两个部分组成，其中PXJVGH为系统主控环节，可以通过系统对图像传感器传回的图像进行识别，随后控制无人机向定位方向飞行[5]。PX8GIBG是系统的辅助控制环节，由于海上搜救环境较为复杂，遇上雷雨天气，直接影响无人机的图像识别效果与控制效果，如果出现无人机失控的现象，可以通过PX8GIBG进行召回，保证无人机的安全使用。因此，PX8GIBG中存在较多的STLHJG124信号，可以对无人机传达相关姿态指令，通过PWM的系统控制与强制控制两个环节，可以保证无人机的正常使用。除此之外，飞行控制器可以将图像传感器中的图像进行初步分析与处理，并通过nRFL12HGD与系统进行无线通信，将无人机当前飞行图像与无人机的飞行轨迹传输回系统，最大限度地保证系统识别效果，为海上搜救的下一步行动提供条件。

2 软件设计

2.1 识别海上搜救环境

海上搜救环境较为复杂，普通的救援方式费时费力，影响海上救援效果。海洋环境特有的高盐、高湿、强风，以及复杂海况，再加上特殊天气对通信网络限制等问题，使海上救援成为难题[6]。由于无人机小巧、轻便的特点，可以适应各种气象条件，因此，无人机可以广泛应用于搜救行动。基于此，本文利用无人机设计海上搜救系统。由于海上环境较为恶劣，会出现较多的风雨交加的场景，影响船只的行进与无人机的使用。因此，本文将无人机进行改造，使其可以在风雨环境下平稳地运行。在保证系统的硬件正常使用的条件下，本文对海上搜救环境进行识别。在海滩溺水急救的过程中，系统需要对溺水人员的位置进行精准定位，并利用无人机携带小型救生圈，为溺水人员提供自救条件，为搜救人员争取更多的救援时间。

2.2 利用无人机进行距离测算

在海上搜救过程中，搜救时间至关重要。系统在识别出海上救援环境后，利用图像传感器将图像传输回系统，以便提取海上搜救特征，精准定位搜救位置。在此过程中，考虑到图像识别效果，将图像传感器的分辨率设计成760 px×500 px，可以提高图像传输精度，便于系统对图像所在区域的特征进行提取。在确定施救区域后，本文利用无人机技术进行距离测算，测算公式如下：

(1)

式(1)中，Zc为施救区域与搜救人员的距离；k0为施救区域的视距；s1为搜救人员所在位置的视距；d为施救区域与搜救人员直射路径的矢量和。在测算出施救区域与搜救区域的距离后，搜救人员可以对无人机进行遥控作业，对于触礁导致的人员溺水事故，可以利用无人机将救生圈等小型救援物资送到施救区域中，使待救人员可以先进行自救，最大限度地保证人身安全[7]。

2.3 实现海上搜救的精准识别

为了实现海上搜救的精准识别，系统可以对海上搜救的影响因素进行分析，并使用无人机开展海上救援。一般情况下，在离岸较远的海上开展搜救时，无人机使用时间较长、抗风性能好，系统可以将无人机与海上搜救系统相融合，使其可以实现海上搜救的协同作业[8]。本文设计的海上搜救系统具有人机交互、协作，以及视觉识别等功能，通过图像传感器将视觉信息进行传输，使无人机可以准确地定位施救位置。通过系统与无人机的交互与协作，便于搜救人员在海上实现快速调动、快速救援的目标。海上搜救的具体流程如图1所示。

图1 海上搜救流程

如图1所示，系统对图像传感器中的图像进行接收；将图像进行识别与处理；提取出图像中施救区域的特征，并对施救区域进行精准定位，从而实现海上救援。在此过程中，识别时间至关重要，只有缩短图像识别时间，才能为后续救援提供保障。

3 系统测试

由于海上搜救实验具有较多的影响因素，没有专业的搜救人员很难完成，因此笔者在空旷的实验室以100:1的比例，模拟出一个海上环境，每隔10 cm放置一艘待搜救的渔船，最大限度地还原海上救援环境。在此环境下，使用本文设计的系统进行海上搜救与识别，并将传统海上搜救系统与本文设计的海上搜救系统进行对比，验证两者搜救与识别效果，具体测试过程及结果如下。

3.1 测试过程

一般情况下，海上搜救需要对多个目标进行搜救，侧向精度需要在10°以内，才能满足海上搜救需求。为了保证本文设计的系统可以正常运行，对系统的硬件进行调试。首先，对无人机进行路径规划，安排搜救人员处于固定位置，使无人机按照规划的路径飞行，并保持飞行高度不低于2 m，飞行速度为20 cm/s，保证无人机可以正常使用。

将系统的图像传感器与飞行控制器的硬件进行安装，如果图像传感器传输回的图像与无人机飞行区域环境图像一致，说明图像传感器可以正常使用；如果图像不一致，说明该硬件传输图像存在延时，将其进行调整，直至两者的图像重合。

在此基础上，对飞行控制器进行调试，飞行控制器需要进行两方面的调试，一方面，调试PXJVGH部分，只要无人机可以正常飞行，即保证PXJVGH部分正常；另一方面，调试PX8GIBG部分，模拟出海上风雨环境，对无人机进行冲击，当PXJVGH不能控制无人机时，使用PX8GIBG进行强制召回，如果可以召回，则表示PX8GIBG部分可以正常使用，如果不可以召回，则表示PX8GIBG部分不能正常使用，需要继续调试。在PXJVGH与PX8GIBG部分均调试完成后，即可保证系统的硬件可以正常使用。最后，本文对系统的软件进行调试，软件调试成功会出现如图2的登录界面，如果未出现登录界面，则需要继续调试。

图2 系统登录界面

系统在硬件与软件调试完成后，操作人员需要输入自己的用户名与密码，保证系统数据的保密性。当输入用户名与密码完成后，可以点击图像识别模块、距离测算模块、提取特征模块，以及二次识别模块中的任意模块，保证系统可以精准识别海上需要搜救的人员或物资。

3.2 测试结果

在上述测试环境下，将传统海上搜救系统与本文设计的海上搜救系统进行对比，验证两者的搜救识别效果，测试结果如表1所示。

表1 测试结果

如表1所示，为了区别测试区域，本文将测试区域进行编号，分别为MXHL11-88。在相同的测试条件下，传统海上搜救系统的识别时间较长，最长的图像识别时间在MXHL55区域，为0.698 ms；最短的图像识别时间在MXHL88区域，为0.285 ms，无法保证海上搜救效果，影响实际救援时间。而本文设计的海上搜救系统的图像识别时间较短，最长的图像识别时间在MXHL44区域，仅为0.064 ms；最短的图像识别时间在MXHL11区域，仅为0.025 ms，可以保证海上搜救效果，为救援提供最快的时间保障，符合本文研究目的。

4 结语

近年来，海上运输事业蓬勃发展，海上船只增加，形成海上运输产业链，为我国的经济发展提供了条件。但是，由于海上环境较为复杂，经常出现风雨交加的环境，海流变得更加湍急，人们在船只上的生命安全与财产安全受到了严重的威胁。除此之外，海上运输链的形成，经常出现海上船只拥堵的现象，造成海上触礁、搁浅、碰撞等灾害频发，造成重大的人身伤亡与财产损失。为了保证海上出行人员的安全，海上搜救系统的设计势在必行。传统海上搜救系统图像识别效果较差，识别时间较长，影响人员的实际搜救效果。本文摒弃传统系统的缺点，利用无人机设计海上搜救系统，旨在提高图像识别效果，为海上搜救提供便捷条件。