CN108663686A - 一种基于激光雷达的游泳池溺水监控装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于激光雷达的游泳池溺水监控装置及方法，包括多个多线激光雷达、上下俯仰机构、计算机系统、通讯及控制模块、溺水报警装置，其中计算机系统包括数据处理单元、数据存储单元、溺水识别模块、报警单元。多线激光雷达安装在上下俯仰机构内。本装置的工作步骤为：数据处理单元提取出游泳者点云数据；数据存储单元将提取出的游泳者溺水姿态的点簇存入到溺水姿态数据库中，并将游泳者姿态的点簇传送给姿态识别单元；溺水识别模块将待识别的姿态点簇数据输入到训练好的神经网络，完成游泳者姿态的识别；当识别到溺水姿态时，报警单元用来显示溺水者的坐标位置并向通讯及控制模块发出报警指令；通讯及控制模块控制溺水报警装置发出警报声。

Description

一种基于激光雷达的游泳池溺水监控装置及方法

技术领域

本发明专利涉及游泳监控领域，特别涉及一种基于激光雷达的游泳池智能溺水监控系统及方法。

背景技术

当前，随着时代的进步和人民生活水平的提高，游泳这种适合大众的体育运动变得越来越受欢迎。游泳馆的数量逐渐增多，然而救生员的数量与实际需求相差很远。因此，随之而来的溺水问题变得越来越严重。初学者因为没有做好热身运动，会出现在水中抽筋和呼吸不畅导致失去平衡，也可能由于疾病或者相互碰撞而造成溺水现象。

为了解决有效的溺水问题，国内外提出了很多溺水装置。发明专利“一种游泳智能监测装置”(授权公布号：CN 101188745 B)，该装置通过监测游泳者在游泳时运动的不同剧烈程度和脉搏变化不同，以及游泳者所处不同深度周围水压不同的原理，根据监测游泳者脉搏频率以及水压情况参数进行监测。然而该系统需要游泳者携带此监控装置，这种装置的安装、使用和维护的耗资巨大，对游泳者也不方便。发明专利“一种基于视频的游泳池溺水事件检测方法”(申请公布号：CN 106022230 A)，该装置通过安装在检测在水面上方的摄像头对游泳池进行实时监控，自动检测发现溺水者，然而该装置无法及时发现水下的游泳者的情况。

本发明所采用的技术方案不会对游泳者有任何的限制，以及更加稳定的检测效果，相对于其他溺水监控系统，具有更高的准确性，且易于安装维护。

发明内容

为了解决上述的问题，本发明的目的在于提高监控系统的反应时间和效率。现提供一种基于激光雷达的游泳池溺水监控系统及方法。

为实现本发明所述的内容，本发明提供了一种基于激光雷达的游泳池溺水监控系统及方法，包括多个多线激光雷达、上下俯仰机构、计算机系统、通讯及控制模块、溺水报警装置，其中计算机系统包括数据处理单元、数据存储单元、溺水识别模块、报警单元，所述多线激光雷达与通讯及处理模块同时与计算机系统通过电气相连，所述通讯及控制模块与溺水报警装置通过电气连接。

本发明所述的包括多个上下俯仰机构，分别安装在游泳池周围，所述多线激光雷达安装在上下俯仰机构内，用来实现采集游泳池内的三维点云数据，并将所获得的点云数据点传送给计算机系统。

为判别是否存在游泳者出现溺水的现象，其工作步骤是：

步骤1)多线激光雷达持续扫描游泳池采集三维点云数据，并将三维数据与上下俯仰机构持续俯仰运动的俯仰角信息一起传送给计算机系统；

步骤2)计算机系统中的数据处理单元接收并过滤周围的噪声数据点，分割并提取出属于游泳者姿态的三维点云数据，完成对游泳者溺水姿态的提取识别以及分析得到对应游泳者的位置信息；

步骤3)计算机系统中的数据存储单元接收并将游泳者姿态的三维点云数据存入到数据库，并将姿态点云数据传送给溺水识别模块；

步骤4)计算机系统的溺水识别模块将待识别的游泳者的姿态点云数据输入给训练好的神经网络，最终完成对游泳者是否溺水的识别；

步骤5)计算机系统的报警单元会显示溺水者的坐标位置并向通讯及控制模块发出报警指令；

步骤6)通讯及控制模块根据报警指令控制溺水报警装置发出警报声。

本发明，步骤2)的处理算法是一种优化的聚类算法。由于激光雷达获取的是一个个的数据点，而在游泳者的检测中，当出现多个游泳者很接近时，会将多个游泳者的数据点聚成一类，而无法对游泳者进行行为分析。所以需要将感兴趣的目标点与背景区别处理，再通过数据分割处理将数据分组，每组表示一个物体。再通过聚类的判断规则识别出游泳者。

本发明是一种基于激光雷达的游泳池溺水监控系统及方法，该装置不易受环境影响，不会对游泳者有任何的限制，相对于其他溺水监控系统，具有更高的准确性和稳定性。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明各模块和子模块之间的连接示意图。

附图中，1是多线激光雷达，2是计算机系统，3是通讯及控制模块， 4是报警装置，5是数据处理单元，6是数据存储单元，7是溺水识别模块，8是报警单元。

具体实施方式

如图1所示，本具体实施例包括多线激光雷达1、计算机系统2、通讯及控制模块3、报警装置4，其中计算机系统包括数据处理单元5、数据存储单元6、溺水识别模块7、报警单元8。所述多线激光雷达1与通讯及处理模块3同时与计算机系统2通过电气相连，所述通讯及控制模块3与溺水报警装置4通过电气连接。

本具体实施例中的4个上下俯仰机构，分别安装在游泳池的四边的池壁中间，本具体实施例的4个多线激光雷达1分别安装在上下俯仰机构内，在短边的中间安装的两个多线激光雷之间间距为50m，在长边的中间安装的两个激光雷达之间间距为25m，多线激光雷达1安装在游泳池水面高度20cm以上。

本具体实施例中，在VC6.0开发平台上用C++语言开发得到计算机系统软件。多线激光雷达1的调试和参数设置通过Terminal端口进行，由SOPAS_ET软件通过以太网和计算机系统2连接。

本具体实施例的多线激光雷达1是美国Velodyne三维激光雷达32 线激光雷达HDL-32E。其中计算机系统2为一台工业控制计算机，具体型号为研华IPC-610L。

本具体实施例中，多线激光雷达1工作时，此时角分辨率是0.1mard，距离分辨率是0.5m以及速度分辨率在5m/s，扫描范围为180°，选择0.25 分度进行扫描。

本具体实施例中，通讯及处理模块3的具体型号是STM32F103ZET6，计算机系统2通过I/O口与STM32F103ZET6连接，计算机系统2与报警装置通过VGA线接口连接。

本具体实施例为实现针对是否存在游泳者溺水，包含如下工作步骤：

步骤1)多线激光雷达1持续扫描游泳池采集三维点云数据，并将三维数据与上下俯仰机构持续俯仰运动的俯仰角信息一起传送给计算机系统；

步骤2)计算机系统中的数据处理单元5接收并过滤周围的噪声数据点，分割并提取出属于游泳者姿态的三维点云数据，完成对游泳者姿态的提取识别以及分析得到对应游泳者的位置信息；

步骤3)计算机系统中的数据存储单元6接收并将游泳者姿态的三维点云数据存入到数据库，并将姿态点云数据传送给溺水识别模块；

步骤4)计算机系统的溺水识别模块7将待识别的游泳者的姿态点云数据输入给训练好的神经网络，最终完成对游泳者是否溺水的识别；

步骤5)计算机系统的报警单元8会显示溺水者的坐标位置并向通讯及控制模块3发出报警指令；

步骤6)通讯及控制模块3根据报警指令控制溺水报警装置4发出警报声。

本具体实施例中，由于在游泳池内存在大量的背景点云数据，为了分割出游泳者的点簇，采用根据激光采集点的数据特征而优化的 DBSCAN算法进行聚类，主要步骤如下：

1)将所有点标记为unvisited；

2)随机取unvisited的点为p，并标记为visited；

3)判断第k个采集点P_k是否为核心点，由于激光采集点为扇形扫描面上的点，距离越远的点属于同一物体的可能性越小，所以只考虑P_k的周围点与P_k的距离，如果点p距离小于ε的点的个数大于MinPts，则p 为核心点，可以继续步骤4)，否则执行步骤2)

4)p为核心点时，建簇C，将p添加到C，并将P_N定义为点p的ε- 领域内点的集合。

5)对于P_N中点q，重复步骤6)至P_N为空；

6)如果q的标记为unvisited，首先将其标记为visited，然后判断q是否为核心点，如果q是核心的，将q的ε-领域内的点添加到P_N，如果q不是任何簇的成员，则将p添加至C；

7)输出簇C；

8)重复步骤2)到步骤7)至所有点标记为visited。

本具体实施中通过计算P_(k-MinPts)到P_(k+MinPts)范围内的点到P_k的距离，分离出了不同的游泳者的姿态点云数据，并在不影响聚类效果的同时也减少了计算的时间，提升了聚类的速度。

本具体实施例中，由于游泳池内有大量的游泳者，会产生大量的图像数据，所以采用一种改进型的Canny算法提高运算速度，该算法采用行列滤波器分解并行处理的方法，即把的二维滤波模板分解为两个一维的行列滤波器：

其中：

h₁(x)＝xh₂(x)，h₁(y)＝yh₂(y) (8)

k为常数。

应当理解的是，以上所述仅为本发明的示例性描述，并非对本发明任何形式上的限制。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于激光雷达的游泳池溺水监控装置及方法，包括多个多线激光雷达、上下俯仰机构、计算机系统、通讯及控制模块、溺水报警装置，其中计算机系统包括数据处理单元、数据存储单元、溺水识别模块、报警单元，所述多线激光雷达安装在上下俯仰机构内，所述多线激光雷达与通讯及处理模块同时与计算机系统通过电气相连，所述通讯及控制模块与溺水报警装置通过电气连接，所述上下俯仰机构分别安装在游泳池的四边池壁。本装置为准确判断是否有人在游泳池溺水，执行如下步骤：

步骤1)多线激光雷达持续扫描游泳池采集三维点云数据，并将三维数据与上下俯仰机构持续俯仰运动的俯仰角信息一起传送给计算机系统；

步骤2)计算机系统中的数据处理单元接收并过滤周围的噪声数据点，分割并提取出属于游泳者姿态的三维点云数据，完成对游泳者姿态的提取识别以及分析得到对应游泳者的位置信息；

步骤3)计算机系统中的数据存储单元接收并将游泳者姿态的三维点云数据存入到数据库，并将姿态点云数据传送给溺水识别模块；

步骤4)计算机系统的溺水识别模块将待识别的游泳者的姿态点云数据输入给训练好的神经网络，最终完成对游泳者是否溺水的识别；

步骤5)计算机系统的报警单元会显示溺水者的坐标位置并向通讯及控制模块发出报警指令；

步骤6)通讯及控制模块根据报警指令控制溺水报警装置发出警报声。