李一鳴楊中原王冰冰

（1.鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院，河南鄭州 450000；2.鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州 450000；3.鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院，河南鄭州 450000）

水上自動(dòng)救援智能機(jī)器人

李一鳴1楊中原2王冰冰3

（1.鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院，河南鄭州 450000；2.鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州 450000；3.鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院，河南鄭州 450000）

據(jù)世界衛(wèi)生組織的實(shí)況報(bào)道，2015年全世界不完全統(tǒng)計(jì)有37.2萬人死于溺水，使溺水成為全球一個(gè)主要的公共衛(wèi)生問題。但傳統(tǒng)的溺水救援以低效、高代價(jià)的人工救援為主，目前市場(chǎng)上并沒有水上自動(dòng)救援智能機(jī)器人。本文詳細(xì)介紹水上自動(dòng)救援智能機(jī)器人，此機(jī)器人填補(bǔ)了自動(dòng)救援史的空白。

溺水；自動(dòng)救援；機(jī)器人

1 水上自動(dòng)救援智能機(jī)器人簡介

水上自動(dòng)救援智能機(jī)器人由監(jiān)測(cè)主體、無人自動(dòng)巡航搜救船、救生圈及接收端APP四部分組成。集落水探測(cè)、落水警報(bào)、語音提示呼救、救援、GPS定位、無線GPS和圖像傳輸、自發(fā)電和電力儲(chǔ)存以及信息收集功能于一體，采用懸浮燈塔式設(shè)計(jì)使之能在水面上固定。設(shè)立于危險(xiǎn)水域，檢測(cè)到有人進(jìn)入該區(qū)域，裝置將自動(dòng)發(fā)出警報(bào)（前方處于深水區(qū)請(qǐng)勿進(jìn)入），防止發(fā)生事故。檢測(cè)到有人落水，該裝置通過紅外傳感與聲音傳感技術(shù)發(fā)現(xiàn)落水或溺水者，并通過超聲波距離傳感器對(duì)落水者進(jìn)行方位與距離計(jì)算，將信息進(jìn)行整合處理后由無線模塊發(fā)送至無人自動(dòng)巡航搜救船，啟動(dòng)救援裝置將救生圈送至落水者處使之自救；期間，裝置發(fā)出警報(bào)（前方深水區(qū)有人落水了）高音提示周圍人有人落水。同時(shí)，落水警報(bào)響起啟動(dòng)此裝置將落水者的經(jīng)緯度及實(shí)時(shí)視頻信息自動(dòng)發(fā)送到接收端，盡最大可能給溺水者提供及時(shí)有效的自救和他救。

2 水上自動(dòng)救援智能機(jī)器人技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)

2.1 落水監(jiān)測(cè)

此裝置前后安有2個(gè)紅外傳感器、聲音傳感器。相比傳統(tǒng)的檢測(cè)手段，該套系統(tǒng)創(chuàng)新性采用紅外檢測(cè)與聲波監(jiān)測(cè)交互處理數(shù)據(jù)信息并配合實(shí)時(shí)圖像圖傳技術(shù)來對(duì)裝置周圍環(huán)境信息進(jìn)行無死角監(jiān)測(cè)，并有效克服了其他檢測(cè)技術(shù)在極端環(huán)境下的監(jiān)測(cè)盲點(diǎn)問題。此套裝置采用的創(chuàng)新性算法處理下的交互傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)水平上較傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了跨越式進(jìn)步，對(duì)落水者的情況進(jìn)行及時(shí)有效的監(jiān)測(cè)。

2.2 語音提示呼救播報(bào)

語音提示包括危險(xiǎn)水域禁止進(jìn)入和危險(xiǎn)水域有人落水2種提示音，通過擴(kuò)音器在野外水域高音傳輸，提醒周圍人事故的發(fā)生以進(jìn)行及時(shí)的救援。前者由置于裝置前方的紅外傳感器控制，對(duì)于在江河湖泊等禁止游泳戲水水域?qū)?huì)對(duì)靠近該區(qū)域人員進(jìn)行警報(bào)提示，將有效防止落水溺水事故發(fā)生。后者由置于裝置后方的紅外傳感器及聲音傳感器共同控制。語音提示系統(tǒng)會(huì)將有人落水的信息進(jìn)行放大并以語音形式傳遞，使之能對(duì)落水者進(jìn)行快速救援，為落水者的生命安全提供保障。置于裝置后的傳感器通過無線發(fā)射模塊同時(shí)控制落語音提示呼救播報(bào)開關(guān)、無人自動(dòng)巡航搜救船開關(guān)以及傳向安防室的無線經(jīng)緯度及無線圖像傳輸?shù)拈_關(guān)。

2.3 無線經(jīng)緯度信息傳輸

無線傳輸系統(tǒng)是系統(tǒng)中重要的一部分，其傳輸性能直接影響傳輸質(zhì)量［1］。GPS+GPRS的定位監(jiān)控系統(tǒng)，GPS經(jīng)緯度數(shù)據(jù)通過GPRS無線傳輸?shù)街付ǖ姆?wù)器上，并通過Google地圖進(jìn)行精確定位。GPRS開關(guān)啟動(dòng)時(shí)，此裝置會(huì)同時(shí)向指定的手機(jī)號(hào)發(fā)送經(jīng)緯度信息，請(qǐng)求救援。

2.4 無線圖像采集及傳輸

攝像頭無線GPRS圖像采集及傳輸系統(tǒng)主要采用STM32+GPRS+OV2640+SD+EEPROM技術(shù)。此裝置使用的CMOS攝像模塊，將優(yōu)質(zhì)VGA的CMOS影像傳感器與高度集成的影像處理器、嵌入式電源和高質(zhì)量的透鏡組結(jié)合在一起，輸出事故發(fā)生當(dāng)時(shí)的圖像資料，從而接收APP調(diào)取圖像資料進(jìn)行最及時(shí)有效的救援。

2.5 落水者的自救

2.5.1 熱釋電紅外線傳感器對(duì)人體的定位。將舵機(jī)安裝在舵機(jī)固定架中，舵機(jī)轉(zhuǎn)軸上的舵機(jī)機(jī)臂與支架底面連接，支架中部2個(gè)孔中分別垂直安裝有熱釋電紅外線傳感器，2個(gè)熱釋電紅外線傳感器外分別安裝有菲涅爾透鏡，位于上部的菲涅爾透鏡外安裝遮蓋罩。2個(gè)熱釋電紅外線傳感器通過各自的熱釋電紅外線傳感器電路經(jīng)電路模塊與單片機(jī)連接。舵機(jī)帶動(dòng)傳感器轉(zhuǎn)動(dòng),探測(cè)活動(dòng)和靜止的人體。使用2個(gè)傳感器，通過對(duì)其一傳感器的遮蓋，改變其探測(cè)角度，可實(shí)現(xiàn)精確定位。兩探測(cè)角度不同的傳感器相互配合，實(shí)現(xiàn)防干擾功能。通過對(duì)人體左右兩側(cè)邊緣的識(shí)別，判斷探測(cè)區(qū)域內(nèi)為單人或雙人，還可獲得人體中心的橫向位置。

2.5.2 超聲波測(cè)距。超聲波測(cè)距在使用中不受光強(qiáng)度，被測(cè)物體色彩等因素的影響，價(jià)值信息處理簡單、速度快、成本低、在機(jī)器人避障和定位方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用［2］。

2.5.3 監(jiān)測(cè)主體與無人自動(dòng)巡航救援船之間遠(yuǎn)距離無線通訊。監(jiān)測(cè)主體與無人自動(dòng)巡航救援船采用大功率833MHz無線模塊交換信息，通信范圍至3 000m，完全適應(yīng)實(shí)際需求。采用最先進(jìn)的LORA擴(kuò)頻技術(shù)，同時(shí)使用FEC前向糾錯(cuò)算法，能主動(dòng)糾正被干擾的數(shù)據(jù)包采用自編啟動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)救援的全自動(dòng)化。

2.6 太陽能電池供電及電能的儲(chǔ)存

采用SYPO-120W多晶硅太陽能電池板與DC-DC升穩(wěn)壓模塊加上NPP-85AH太陽能系統(tǒng)專用蓄電池與太陽能控制器CM30多組套件相配合保證整套裝置用電需求。晴天時(shí)電池蓄電，晚上或陽光不足時(shí)放電。

3 水上自動(dòng)救援智能機(jī)器人創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)

3.1 救援系統(tǒng)

此套裝置采用了立體化救援，集成了自主救援、專業(yè)消防救援與人道救援等傳統(tǒng)救援方式、將最大可能保證溺水者的生命安全。

3.2 無人自動(dòng)巡航搜救船

一是熱釋電紅外線傳感器對(duì)人體的定位。在對(duì)人體目標(biāo)探測(cè)上，紅外輻射會(huì)根據(jù)本身輻射量和反射兩部分組成，具有極高的監(jiān)測(cè)精度［3］。具體如2.5.1所述。二是監(jiān)測(cè)主體與無人自動(dòng)巡航救援船之間遠(yuǎn)距離無線通訊，具體如2.5.3所述。三是系統(tǒng)開發(fā)相應(yīng)的手機(jī)和電腦軟件。通過GPRS無線傳輸使安防人員可以實(shí)時(shí)獲知哪片領(lǐng)域有人落水及時(shí)監(jiān)察到現(xiàn)場(chǎng)情況，從而調(diào)配最及時(shí)的外部救援力量。此裝置不僅可以自啟動(dòng)救援，也可以由計(jì)算機(jī)上位機(jī)遠(yuǎn)程控制各部分開關(guān)，使得系統(tǒng)的可靠性和工作準(zhǔn)確性明顯提高。

4 水上自動(dòng)救援智能機(jī)器人的應(yīng)用

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國每年約有6萬人因溺水死亡，其中不包括死于洪水或船舶事故者。本裝置的需求之大、應(yīng)用之廣可見一斑。在城市內(nèi)公園濕地水域危險(xiǎn)地段、河流危險(xiǎn)水域、湖泊游泳溺水事故頻發(fā)地段、水上樂園、海邊浴場(chǎng)和水庫等各種危險(xiǎn)水域都能運(yùn)用該裝置，來保證生命的安全。目前市場(chǎng)上還沒有同類產(chǎn)品出現(xiàn)，所以目前存在的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系為“無”。

5 水上自動(dòng)救援智能機(jī)器人在我國的發(fā)展概況

目前我國搜救停留在人員監(jiān)視的層次，最常見的是雇傭救生員。但是該方式存在不確定性，無法做到時(shí)時(shí)刻刻進(jìn)行監(jiān)督。我國目前還沒有提供非人力搜救的企業(yè)和公司，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)僅有勞動(dòng)人員。該裝置拯救生命的社會(huì)意義、制造時(shí)低廉的成本，以及裝置本身的全智能化自動(dòng)化等脫穎而出的優(yōu)點(diǎn)，不僅使該裝置有巨大的實(shí)用價(jià)值，而且還有著較為深遠(yuǎn)的研發(fā)前景。水上自動(dòng)救援智能機(jī)器人最終會(huì)發(fā)展為全自動(dòng)、機(jī)械化、程序化的落水監(jiān)控和救援體系。隨著產(chǎn)品的推廣逐漸走向私有企業(yè)甚至千家萬戶，將會(huì)成為遍布危險(xiǎn)水域家喻戶曉的自動(dòng)化救生裝置。

［1］張鵬，周冬梅.數(shù)字圖像采集和無線傳輸系統(tǒng)的研究［J］.中國新通信，2015（13）：24.

［2］趙海鳴，卜英勇，王紀(jì)嬋.一種高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)的研制［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2006（3）：62-65.

［3］宣益民，洪宇平，韓玉閣.橋梁紅外熱特征分析［J］.紅外技術(shù)，2000（4）：10-14.

Automatic Rescue Intelligent Robot on Water

Li Yiming1Yang Zhongyuan2Wang Bingbing3
（1.School of Physics Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450000；2.School of Mechanical Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 4500000；3.College of Information Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450000）

According to the WHO report,in 2015,372 thousand people died from drowning in the world,which makes drowning a major public health problem in the world.However,the traditional rescue of drowning is mainly based on artificial rescue with low efficiency,high cost,and there is no such intelligent rescue robot on the water.This paper introduced in detail the automatic rescue robot on water,which fills the blank of the automatic rescue history.

drowning；automatic rescue；robot

TP242

A

1003-5168（2017）04-0106-02

2017-03-20

李一鳴（1996-），女，本科在讀，智能機(jī)器人；楊中原（1995-），男，本科在讀，智能機(jī)器人；王冰冰（1995-），男，本科在讀，智能機(jī)器人。