基于多元人物识别定位的智能救生圈
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摘 要：因每年落水者的人数不断增加，设计以无人机搭载救生圈，利用人体红外感应和人脸识别定位落水者大致位置，再通过超声波、激光测距协同控制救生圈调整营救方向，最后采用GPS的自动规划路径进行返航。提供一种人机协同，精准施救，自动返航的水面救援装置，从而大大提高救援的安全性和效率。
关键词：救生圈;无人机;超声波;激光测距;人体工学;GPS自动返航
中图分类号：TP391.4 文献标志码：A 文章编号：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
据我国卫生部的不完全估计，全国每年约有6万人死于溺水，相当于每天150多人溺水死亡。若统计自杀、他杀、自然灾害（台风、洪水）、航运灾害等因素导致的溺亡事件，则溺水死亡总数将增加50%。另据世界卫生组织统计，中国溺亡人数约占世卫组织西太平洋区域总溺亡人数的80%。可见，溺水死亡严重威胁到我国人民的生命财产安全。炎夏季更是溺水事件的高发季节，而城市河流、公园湖泊、郊区水库以及海滨场所是溺水事件的高发场所。
1.2 传统救援方式
（1）依靠人力的救援
缺点：施救者的死亡比例高，施救风险较大。主要由于以下两点：
a.施救者短时间体力消耗过度而虚脱，从而丧失救援能力而溺水。
b.溺水人溺水时的求生本能和恐慌心理，其挣扎拉拽等动作严重干扰并束缚了施救者施救过程，造成施救者救援失败甚至溺亡。
综上分析可知，缺乏便捷迅速的水面救援装置是夏季溺水事件高发的主要原因之一。
（2）简单救生圈、救生衣等小型典型救生装置
缺点：救援速度慢，贻误救援时机，且容易消耗救援人员的体力。
（3）救援冲锋舟、皮筏艇等大型救生产品
缺点：a.价格较贵，导致救援设备数量难以扩大，使得在危急时期无法迅速征调救援设备，贻误救援时机。
b.当出现救援距离远等问题时，此类设备机动性缓慢，极易耽误救援时间。
2 总体设计
2.1 具体救援思路与步骤
救援设备采用救生圈+无人机相结合的救援方式：
（1）无人机作为救生圈的载具，负责落水者位置识别、救生圈的投放、同时负责救生圈的路径的规划与导航。
（2）救生圈作为救援的执行机构，负责进行自动救援。
2.1.1 投放救生圈、目标定位
（1）在救援前，无人机搭载救生圈，两者通过电磁铁相连，到达溺水事故地点且接触水面后，电磁铁断电，此时救生圈即可以进行寻人搜救。当救援距离较近时，船上人员可以直接利用遥控器进行救援，安全可靠性高;若当遇到大雾等视野不便的情况，则可以启动自动搜救模式。
（2）救生圈上携带人脸识别摄像头，通过人脸识别目标面部表情与特征，进而判断目标是否为溺水者，从而排除非人体目标与非溺水者目标。
（3）人体的稳定相较于湖面的水温要高，因此人体红外特征明显，故采用人体红外感应模块。
2.1.2 方向确定、目标确认
（1）超声波阵列的模糊定向：救生圈投放后，救生圈头部的超声波阵列可以快速扫描湖面，通过测得的不同方向上距离的差异来确定目标的大致方向。
（2）激光测距的精确定向：由于超声波属于开放式信号波，在同一距离上不同方向的物体具有相同的检测结果，无法精确定位方向，此时利用激光测距方向性强，通过确定大致方向，可以进一步准确判断落水者的方向。
（3）人体的稳定相较于湖面的水温要高，因此人体红外特征明显，故采用人体红外感应模块。
2.1.3 GPS返航路径自动规划
（1）无人机抛下救生圈之前，无人机先在空中拍下俯視图照片，通过图像分析来识别落水人的大概位置，在此位置投放救生圈。
（2）救生圈自动根据人体红外识别、激光测距、超声波测距来判断落水者方向，并在救生圈驶向落水者过程中不断修正方向，当救生圈到达落水者位置时，救生圈上的GPS就可以确定落水人在湖中的具体经纬坐标，并将坐标发给无人机。 （3）此时无人机开始自动规划一个离落水人最近的岸边坐标，并通过无线通信发给救生圈，救生圈在自带的地图中根据自己的位置坐标进行移动，并不断通过地磁传感器来纠正移动方向，到达指定位置。
2.2 救生圈外观设计
2.2.1 低阻力的外形
（1）传统救生圈缺点
传统的救生圈一般都是中间镂空设计，这种形状加动力装置比较困难，而且在救人的过程中，阻力比較大，从而消耗救援人员和溺水者体力。
（2）创新点
a.行进阻力小：本课题设计的新型救生圈采用A型结构设计，在A字的两个腿端增加两个喷水推进器。前端下半部分为前倾型首，以减小行驶中的阻力。A字横杠往前的上半部分为微凹型，人趴在上面时，救生圈受力均匀。
b.抓附摩擦力大：采用了搪塑材料，触感柔软，在A字的横杠外侧有两个把手，采用牛皮外表，而且内侧纹路还可以增大摩擦，溺水者抓住把手的时候更加省力安全。
2.2.2 浮力大小自适应调整
（1）传统救生圈缺点
传统救生圈的大小都是固定的，这就导致在救人的时候出现很多弊端。
（2）创新点
自动调节浮力大小：本课题在A字型下端两侧内侧都装上了气垫设计，身材体型不同的人趴在上面，气垫会根据负重与受力的变化自动调节浮力。
2.2.3 船体不分底与顶
救生圈的上下两面都具有进水口且上面的模块均为防水设计，如若发生救生圈倾翻情况，仍可以进行正常返航。
2.2.4 合理的颜色涂料
众所周知，视觉是人对外界最重要的探知方式，海上大部分情况主要是阳光和月光环境，因此救生圈颜色的肉眼可辨识度在营救时有着很大的影响。
创新点：救生圈设计的主体颜色是橙黄色。
a.对鲨鱼具有警告作用：当落水事故发生时，溺水者极易受到海里鲨鱼的袭击。根据大量经验和研究调研，鲨鱼最惧怕橙黄色，故将救生圈主体做成橙黄色，降低鲨鱼攻击的概率。
b.肉眼可辨识度高：橙黄色能见度高，明亮刺眼，可以强烈地刺激救援人员的视神经。在很多危险的场合，也使用这样的救援和警示装置。
2.3 理论模块技术支持
2.3.1 RCWL-1601超声波测距模块
RCWL-1601是一款3V-5.5V供电，软件完全兼容HC-SR04的开放式超声波测距模块。无铅工艺2cm超小盲区，典型4.5m最远测距，2.2mA超低工作电流;其性能优于HC-SR04，为此我们采用了RCWL-1601模块。
2.3.2 激光测距模块
VL53L0X飞行时间测距传感器是新一代激光测距模块， VL53L0X是完全集成的传感器，配有嵌入式红外，人眼安全激光，先进的滤波器和高速光子探测阵列，测量距离更长，速度和精度更高。VL53L0X的感测能力可以支持各种功能，包括各种创新用户界面的手势感测或接近检测，扫地机器人、服务性机器人的障碍物探测与防撞系统，家电感应面版、笔记本电脑的用户存在检测或电源开关监控器，以及无人机和物联网（I0T）产品等。
3 结束语
本课题通过无人机搭载救生圈，通过人体红外特征和人脸识别的落水者位置定位，超声波、激光测距协同控制的落水者方向纠正和GPS的自动返航路径规划。综上所述，本课题优点在于提供一种人机协同，精准施救，自动返航的水面救援装置，从而大大提高救援的安全性和效率。考虑到水上搜救的环境比较恶劣，水中随机分布的障碍物和太阳光线与温度等干扰元素，克服以上困难依旧是我们目前的难点与挑战。这就要求我们在机器学习的方面进行不断完善。由于机器学习技术方面尚存在不足，主要集中于如何区分人和动物，学习如何避开障碍物，而识别到人的时候能迅速靠过去。为了能做到精准施救，我们还有很大的进步空间，包括如何优化算法从而增加游泳圈的响应速度。在自动寻人等方面，我们还可以继续改进方案，通过不断完善技术，继续降低操作的难度，加快施救的速度。
参考文献：
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