蔡紅梅

(集寧師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)系，內(nèi)蒙古 烏蘭察布012000)

0 引 言

現(xiàn)代水上和海上航運(yùn)的繁榮，對(duì)海上和內(nèi)河航運(yùn)過(guò)程中人員落水搜救提出了更高要求。水上搜救是指國(guó)家或者部門(mén)針對(duì)船舶落水事故做出的搜尋、救援等工作。落水人員的搜救是一個(gè)技術(shù)性很強(qiáng)的系統(tǒng)工程，需要對(duì)海上搜救系統(tǒng)加大研發(fā)投入。當(dāng)前艦載式落水人員的搜救系統(tǒng)主要由落水人員的視覺(jué)定位系統(tǒng)組成，通過(guò)定位能在接到求救信號(hào)后第一時(shí)間定位到落水人員盡可能準(zhǔn)確的位置，縮小搜救范圍，縮短救助時(shí)間，提高落水人員的生存概率［1-3］。

隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)采集系統(tǒng)研究的深入，當(dāng)前艦載搜集系統(tǒng)主要基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)分析，引入人工智能、模式識(shí)別和圖像處理和水動(dòng)力學(xué)等學(xué)科知識(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)落水人員的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要包括落水人員的相關(guān)特征數(shù)據(jù)分析和采集、圖像分析系統(tǒng)和嵌入式搜救系統(tǒng)等，由此設(shè)計(jì)人員落水搜救系統(tǒng)，提高船舶水上事故的導(dǎo)致人員落水后的救援能力。當(dāng)前的落水搜救系統(tǒng)主要采用紅外和人眼識(shí)別［4］，搜索效率不高，針對(duì)這一問(wèn)題，本文對(duì)傳統(tǒng)艦載式落水人員搜救系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 總體設(shè)計(jì)與圖像特征數(shù)據(jù)采集

1.1 艦載式搜救系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

嵌入式人員落水搜救系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)水下壓力、落水人員的視覺(jué)特征等物理特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)落水人員的準(zhǔn)確檢測(cè)。本文提出基于嵌入式遙感視覺(jué)定位和激光通信的落水人員搜救特征提取方法，該控制系統(tǒng)采用嵌入式Linux 操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基于亮點(diǎn)模型衍射的方法實(shí)現(xiàn)視覺(jué)穿透，實(shí)現(xiàn)落水人員的視覺(jué)圖像特征采集，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 落水人員控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig.1 Overall design of the control system for the ship drowning persons

落水人員的搜救閃爍探頭輸出的電脈沖信號(hào)進(jìn)行落水人員的視覺(jué)特征和落水部位的水位壓力等物理特征進(jìn)行檢測(cè)，首先通過(guò)高速峰值檢測(cè)器進(jìn)行峰值檢測(cè)，一旦檢測(cè)到脈沖峰值，表示可能存在落水人員，就通過(guò)后面的峰值保持器將峰值保持住，然后通過(guò)低速A/D 將峰值電壓進(jìn)行量化，轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，把該數(shù)字信號(hào)輸入到嵌入式控制系統(tǒng)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析［5］。通過(guò)嵌入式遙感視覺(jué)定位，實(shí)現(xiàn)落水人員的視覺(jué)定位，把脈沖幅度通過(guò)激光通信上輸入到檢測(cè)系統(tǒng)中，每個(gè)數(shù)字信號(hào)對(duì)應(yīng)單片機(jī)內(nèi)存中的一個(gè)地址，稱(chēng)為一道，每收集到一個(gè)脈沖，就在相應(yīng)的道值上加1，由此實(shí)現(xiàn)海上搜救。

本文對(duì)落水人員搜救系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括特征數(shù)據(jù)采集和圖像處理算法設(shè)計(jì)部分，作為系統(tǒng)的核心控制算法;另外還包括系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分。

1.2 主要搜救算法的設(shè)計(jì)

落水人員特征數(shù)據(jù)采集包括圖像數(shù)據(jù)采集和水上物理信息采集，本文提出一種基于嵌入式遙感視覺(jué)定位方法，基于亮點(diǎn)模型衍射的方法實(shí)現(xiàn)視覺(jué)穿透，進(jìn)行圖像特征數(shù)據(jù)采集，采用Huygens-Fresnel 原理［6］，結(jié)合Fraunhofer 圓孔衍射算法，設(shè)計(jì)了海水湍流信道模型，提高激光通信在海水中的穿透力和衍射能力，為定位落水人員提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

首先構(gòu)建海水散射模型，本文采用Gamma -Gamma分布的方法構(gòu)建海水散射物理模型，采用Fraunhofer 圓孔衍射，進(jìn)行落水人員的視覺(jué)特征提取，F(xiàn)raunhofer 圓孔遙感衍射光路圖如圖2所示。

圖2 Fraunhofer 圓孔遙感衍射光路圖Fig.2 Fraunhofer hole diffraction optical remote sensing

采用激光在海水中衍射的方法實(shí)現(xiàn)視覺(jué)穿透，搜尋落水人員的目標(biāo)信息，海水散射模型表達(dá)式為:

式中:I(x)為海水散射強(qiáng)度;J(x)為海水中進(jìn)行遙感定位光線強(qiáng)度;A為海水湍流光子密度成分;t(x)為激光在海水中的穿透率，落水人員的數(shù)據(jù)信號(hào)采集和追蹤過(guò)程中，特征數(shù)據(jù)和采集信號(hào)的感知雙向。也就是說(shuō)，由于受周?chē)h(huán)境的影響，采用無(wú)線射頻設(shè)備技術(shù)，往往會(huì)采集到含有大量噪聲的原始數(shù)據(jù)。對(duì)此，本文采用激光通信進(jìn)行圖像視覺(jué)傳輸，激光在海水中的穿透波長(zhǎng)系數(shù)為:

其中，ai為激光在海水中的視覺(jué)穿透亮點(diǎn)衍射系數(shù)，通過(guò)式(2)，構(gòu)建激光通信對(duì)RFID 數(shù)據(jù)濾波模型，進(jìn)行圖像特征提純，對(duì)RFID 數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，只保留第一個(gè)被輸出的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，通過(guò)過(guò)濾后的RFID數(shù)據(jù)需要保持原來(lái)的采集順序?；诹咙c(diǎn)模型衍射的方法實(shí)現(xiàn)視覺(jué)穿透，由此得到落水人員目標(biāo)定位優(yōu)化函數(shù)表示為:

（2）預(yù)裂面開(kāi)挖后的不平整度應(yīng)≤15cm。預(yù)裂面不平整度通常是指預(yù)裂孔所形成預(yù)裂面的凹凸程度，其是衡量鉆孔和爆破參數(shù)合理性的重要指標(biāo)，可依此驗(yàn)證、調(diào)整設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

式中:φ(·)為激光波長(zhǎng)核空間映射函數(shù)，wTφ(xi)，落水人員圖像的散射模型表達(dá)式為:

式中，θ0為濾波器的方向;δθ為高斯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。在視覺(jué)特征采集信道中，ηm(x，y)為紅外遙感特征隨落水人員動(dòng)態(tài)分布變換的光斑強(qiáng)度。通過(guò)上述分析，實(shí)現(xiàn)了落水人員特征數(shù)據(jù)采集，為進(jìn)行落水人員的搜索控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)輸入。

2 艦載式嵌入式搜救系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在上述進(jìn)行嵌入式人員搜救視覺(jué)定位和激光通信的基礎(chǔ)上，采用嵌入式的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要由硬件模塊和軟件模塊構(gòu)成。該系統(tǒng)采用嵌入式Linux 操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)人員落水人員的視覺(jué)圖像特征采集，在上述進(jìn)行軟件模塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行硬件模塊設(shè)計(jì)，整個(gè)嵌入式落水人員搜救系統(tǒng)硬件系統(tǒng)部分為5個(gè)子模塊:傳感器系統(tǒng)、AD 采集模塊、ARM 主控系統(tǒng)模塊、控制顯示模塊，供電系統(tǒng)［7-10］。系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)框圖Fig.3 Block diagram of hardware module of system

其中，傳感器模塊包括絕壓傳感器、差壓傳感器和圖像數(shù)據(jù)特征傳感器。AD 采集芯片負(fù)責(zé)采集將經(jīng)過(guò)搜救控制信號(hào)調(diào)理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并傳給主控系統(tǒng)進(jìn)行后級(jí)的數(shù)字處理。ARM 系統(tǒng)模塊的核心是ARM 嵌入式微處理器，進(jìn)行嵌入式搜救控制，包括SDRAM，F(xiàn)LASH，NorFLASH 等。顯示模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)落水人員目標(biāo)定位數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和圖像顯示。

濾波電路中使用的運(yùn)算放大器同樣為AD8034，為了優(yōu)化圖像定位精度，設(shè)計(jì)二階低通濾波器，電路如圖4所示。

圖4 搜救系統(tǒng)二階低通濾波器Fig.4 Two order low-pass filter

低通濾波器電阻選用4個(gè)200 kΩ的貼片電阻，截止頻率為:

在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)AD 系統(tǒng)，由信號(hào)接入、電源設(shè)計(jì)、控制電路3 部分組成，由于S3C2440的SPI接口被LCD控制接口和復(fù)位鍵的接口占用，采用嵌入式Linux，得到落水人員搜救的AD 數(shù)據(jù)特征采樣電路如圖5所示。

圖5 落水人員搜救的AD 數(shù)據(jù)特征采樣電路Fig.5 AD data feature sampling circuit for drowning personnel search and rescue

進(jìn)行搜救控制模塊設(shè)計(jì)，搜救控制模塊核心是ARM控制器，由控制寄存器/顯存、LCDDMA、LPC3600、VIDPRCS，落水人員的搜救控制模塊電路如圖6所示。

落水人員的搜救控制模塊采用Linux 內(nèi)核信，號(hào)接入DDATA3 (第1 腳)通過(guò)10 kΩ 電阻上拉到3.3 V，使SD 卡上電后自動(dòng)進(jìn)入SD 模式。本接口中該引腳用于卡上電后的模式選擇。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)與硬件直接對(duì)話，其中:

SDCMD (第2 腳)為命令響應(yīng)線，SDCLK (第5 腳)為時(shí)鐘輸入信號(hào)。

圖6 落水人員的搜救控制模塊電路Fig.6 Rescue and control module circuit for ship drowning personnel

DAT0～ DAT2 (第 7、8、9 引 腳) 加 上SDDATA3 組成4 位數(shù)據(jù)線。

EINT16 (第11 腳)為卡插入檢測(cè)信號(hào)。保證輸入的穩(wěn)定性，除VDD、GND 外的引腳均通過(guò)10 kΩ 上拉到3.3 V。

最后進(jìn)行系統(tǒng)電源供電，系統(tǒng)的輸入電源中有一路為3.3 V，因此無(wú)需額外芯片來(lái)產(chǎn)生，采用10 μF和0.1 μF的電容并聯(lián)來(lái)進(jìn)行電源濾波，為了減小接線電感，采用0402的小封裝，再并聯(lián)一個(gè)10 μF 電容，用于儲(chǔ)能，防止電壓突變，采用0805 封裝。搜救系統(tǒng)的電源供電模塊電路如圖7所示。

圖7 搜救系統(tǒng)的電源供電模塊電路Fig.7 Power supply module circuit for rescue control system

通過(guò)上述設(shè)計(jì)，完成了嵌入式人員落水搜救系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)，測(cè)試本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在提高搜救控制性能方面的優(yōu)越性。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與性能測(cè)試

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的嵌入式人員落水搜救系統(tǒng)的性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，首先進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，調(diào)試過(guò)程使用的儀器儀表如下:

1)Tektronix TX3 JTAG 電路;

2)Agilent EEPROM 33220A 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器;

3)INSTEK PST3202 可編程電源;

4)Agilent 混合示波器。

落水人員的視覺(jué)特征收發(fā)信號(hào)和轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)行獨(dú)立的Gamma 校正;16 位Zoom Video 口;支持硬件光標(biāo)，并可對(duì)光標(biāo)進(jìn)行透明度控制;芯片自動(dòng)對(duì)內(nèi)部當(dāng)前未工作的模塊進(jìn)行關(guān)閉操作，最大可能地節(jié)省功耗;另外，M9 對(duì)外提供了很好的外部接口，其中包括PCI 總線接口，而顯示圖形板中的CPU 模塊中，由于內(nèi)嵌了PCI 總線控制器，這樣可以方便地和M9通信，能夠很好地滿(mǎn)足波束指向性分析和應(yīng)用研究，本文設(shè)計(jì)搜救系統(tǒng)的工作指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 工作指標(biāo)參數(shù)Tab.1 Acoustic array working parameters

根據(jù)上述仿真環(huán)境設(shè)計(jì)，進(jìn)行落水人員搜救系統(tǒng)的信號(hào)采集，分析系統(tǒng)輸出的電流電壓和落水區(qū)域的差壓壓力和絕壓壓力，得到數(shù)據(jù)采集結(jié)果如圖8所示。

圖8 落水人員搜救系統(tǒng)的信號(hào)采集Fig.8 The signal acquisition of the rescue and control system of the ship drowning person

從圖可見(jiàn)，采用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行落水人員所在水域的相關(guān)物理特征數(shù)據(jù)采集，能較好地反應(yīng)落水區(qū)域的水域特征，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)人員的判斷和定位，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行遙感視覺(jué)定位和激光通信，基于亮點(diǎn)模型衍射的方法實(shí)現(xiàn)視覺(jué)穿透，實(shí)現(xiàn)人員落水人員的視覺(jué)圖像特征采集，再結(jié)合本文設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)落水人員的位置信息熱點(diǎn)跟蹤，得到仿真結(jié)果如圖9所示，圖中A 區(qū)域部分即為落水人員的所在位置區(qū)域，分析可見(jiàn)，采用本文算法能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)落水人員的視覺(jué)定位和特征提取，實(shí)現(xiàn)搜救智能控制，提高搜救效率。

圖9 落水人員搜救熱點(diǎn)定位結(jié)果Fig.9 The hot spot location results of the rescue of the ship drowning persons

4 結(jié) 語(yǔ)

基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)分析，引入人工智能、模式識(shí)別和圖像處理和水動(dòng)力學(xué)等學(xué)科知識(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)落水人員的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要包括落水人員的相關(guān)特征數(shù)據(jù)分析和采集、圖像分析系統(tǒng)和嵌入式搜救系統(tǒng)等，提高船舶水上事故導(dǎo)致人員落水后的救援能力。本文提出一種基于嵌入式遙感視覺(jué)定位和激光通信的落水人員搜救特征提取方法，并采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行搜救系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)嵌入式落水人員搜救系統(tǒng)硬件系統(tǒng)部分為5個(gè)子模塊:傳感器系統(tǒng)、AD 采集模塊、ARM 主控系統(tǒng)模塊、控制顯示模塊，供電系統(tǒng)。本文完成了整個(gè)系統(tǒng)的軟件算法設(shè)計(jì)和硬件電路設(shè)計(jì)，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)落水人員所在水域的相關(guān)物理特征數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員的判斷和定位，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)落水人員的視覺(jué)定位和特征提取，提高搜救效率。

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