CN109460063A - 一种无人机搜救系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无人机技术领域，公开了一种无人机搜救系统，以提高无人机搜救工作的高效性和确定性；本发明的系统包括：无人机端和与无人机端通讯连接的控制中心；无人机端包括无人机、安装在无人机上的定位模块、声音采集模块以及分别与定位模块和声音采集模块相连的计算单元，计算单元用于根据接收的来自于定位模块的定位信息和来自于声音采集模块的音频信息判断是否有受困者，并将判断结果发送给控制中心；还用于接收来自于控制中心的指令调整无人机的飞行轨迹；控制中心包括PC机和安装在PC机上的显示屏，PC机用于接收来自于计算单元的判断结果，并通过显示屏进行显示，PC机还用于产生控制无人机飞行的指令。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种无人机搜救系统及其方法。
背景技术
随着国家现代化步伐的进一步加快，城市的人口密度进一步增加，在城市中也会发生一些突发的人为或自然的灾害，这些灾害往往导致了严重的人员伤亡发生，如何在发生灾害后进行及时有效的救援尤为重要。传统的人力搜救方案的耗费大、效率低，已经越来越不适合复杂的搜救场景，由于无人机具备体积小、可升空、搜救范围大等特点，可以在灾后的复杂地形和环境中进行搜救，故可以把无人机应用到灾后的搜救工作中，节省人力物力的同时大大提升搜救效率提升了灾后被困人员的幸存率。
在现有的无人机搜救系统中，往往是一个操作人员操作一个单独的无人机进行搜救，在无人机上搭载摄像头，操作人员从无人机的摄像头传输回来的图像中辨别是否有被困人员，从而达到识别被困人员并确定被困人员的具体位置的效果。但是这种搜救系统容易受到外界环境的干扰，在操作人员进行识别的时候如果被困人员被遮挡，那么操作人员就不能进行正常的识别并确定位置，另外，每个操作人员只能操作一台无人机，假如待搜救面积很大，那么单单使用一台无人机进行搜救就会大大增长搜救时间，这给搜救工作带来了很大的不确定性，降低了搜救的效率。此外,单个无人机对于大面积的待搜救区域搜索的适应性能很低，而实际的搜救工作常需要往复搜索，对无人机的性能要求很高，在大面积搜救工作中，难度大大提升，同时没有自适应特性，不能根据搜救区域的变化，合理完成传感器的动态调整以获得优质的待处理信息，因此不能最优化覆盖所有的待搜救区域。
因此，搜救工作的不确定性和低效率情况，成为一个急需解决的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种无人机搜救系统及其方法，以提高无人机搜救工作的高效性和确定性。
为实现上述目的，本发明提供了一种无人机搜救系统，包括：无人机端和与所述无人机端通讯连接的控制中心；
所述无人机端包括无人机、安装在所述无人机上的定位模块、声音采集模块以及分别与所述定位模块和所述声音采集模块相连的计算单元，所述计算单元用于根据接收的来自于所述定位模块的定位信息和来自于所述声音采集模块的音频信息判断是否有受困者，并将判断结果发送给所述控制中心；还用于接收来自于所述控制中心的指令调整无人机的飞行轨迹；
所述控制中心包括PC机和安装在所述PC机上的显示屏，所述PC机用于接收来自于计算单元的判断结果，并通过所述显示屏进行显示，所述PC机还用于产生控制无人机飞行的指令。
优选地，所述无人机包括至少2个，且每个无人机上还安装有用于与其它无人机进行通信的通信模块。
优选地，所述通信模块为Zigbee通信模块。
优选地，所述定位模块为GPS定位模块，所述声音采集模块为麦克风阵列设备。
优选地，所述无人机上还安装有与所述计算单元相连用于播放语音的广播。
优选地，所述无人机上还安装有与所述计算单元相连用于采集待搜救区域的视频信息的摄像模块。
优选地，所述无人机端和所述控制中心都还包括有用于进行通信的双向4G模块。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种应用于上述无人机搜救系统的方法，包括以下步骤：
S1：控制无人机飞行在待搜救区域，定位模块实时采集所述无人机的位置信息发送给计算单元，声音采集模块实时采集待搜救区域的声音信息发送给计算单元；
S2：计算单元接收所述位置信息和所述声音信息，将所述位置信息和所述声音信息进行融合匹配，并采用智能声波算法检测所述声音信息中是否有呼救声，当检测到有呼救声时，将与该呼救声对应的位置信息发送给PC机；
S3：PC机接收包括呼救声的声音信息和相对应的位置信息且通过显示屏进行显示，并供用户设置包括飞行轨迹的指令发送给计算单元以调整无人机的飞行轨迹。
优选地，所述无人机端还设有与所述计算单元相连用于采集待搜救区域的视频信息的摄像模块，所述摄像模块将采集的视频信息发送给PC机，PC机通过显示屏显示视频信息包含的视频画面。
优选地，所述计算单元将所述位置信息和所述声音信息进行融合匹配之前还包括步骤：将声音信息进行预处理，所述预处理包括将所述声音信息进行模数转换并对转换结果进行傅里叶变换、带通滤波器滤波、带阻滤波器滤波、以及傅里叶反变换。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种无人机搜救系统及方法，包括无人机端和与无人机端通讯连接的控制中心，其中，无人机端包括无人机、安装在无人机上的定位模块、声音采集模块以及分别与定位模块和声音采集模块相连的计算单元，计算单元用于根据接收的来自于定位模块的定位信息和来自于声音采集模块的音频信息判断是否有受困者，并将判断结果发送给控制中心；还用于接收来自于控制中心的指令调整无人机的飞行轨迹；控制中心包括PC机和安装在PC机上的显示屏，PC机用于接收来自于计算单元的判断结果，并通过显示屏进行显示，PC机还用于产生控制无人机飞行的指令；本发明的搜救系统可以快速且有效地发现待救援人员，可以提高无人机搜救工作的确定性和高效性，且该搜救系统对灾区环境不稳定的抗干扰性能强。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的无人机搜救系统框架示意图；
图2是本发明优选实施例的无人机组通信情况示意图；
图3是本发明优选实施例的麦克风阵列布置情况示意图；
图4是本发明优选实施例的无人机搜救方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而仅仅是为了便于对相应零部件进行区别。同样，“一个”或者“一”等类似词语不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
实施例1
参见图1，本实施例提供一种无人机搜救系统，包括：无人机端和与无人机端通讯连接的控制中心；
无人机端包括无人机、安装在无人机上的定位模块、声音采集模块以及分别与定位模块和声音采集模块相连的计算单元，计算单元用于根据接收的来自于定位模块的定位信息和来自于声音采集模块的音频信息判断是否有受困者，并将判断结果发送给控制中心；还用于接收来自于控制中心的指令调整无人机的飞行轨迹；
控制中心包括PC机和安装在PC机上的显示屏，PC机用于接收来自于计算单元的判断结果，并通过显示屏进行显示，PC机还用于产生控制无人机飞行的指令。
上述的无人机搜救系统可以快速且有效地发现带救援人员，可以提高无人机搜救工作的确定性和高效性。
作为本实施例优选的实施方式，控制中心还包括有基站。
优选地，本实施例中，无人机采用双电池供电，可以为无人机提供更长的续航时间，实现更长时间的搜救。但本发明并不仅限于此，应当说明的是，无人机还可以采用达到延长续航时间的三电池供电等方式进行供电。
作为本实施例优选的实施方式，无人机端包括至少2个无人机，且每个无人机上还安装有用于与其它无人机进行通信的通信模块。本实施例中，无人机端的无人机设有3个，如图2所示，每个无人机上还安装有用于与其它无人机进行组网通信的通信模块。但本发明并不对无人机的个数做限定，即在无人机端设定的无人机的个数还可以为4个、5个或者其他的多个。应当指明的是，本发明中所指的多个为至少2个。需要说明的是，本发明中在无人机端设有多个无人机，且每个无人机上还安装有用于与其它无人机进行组网通信的通信模块，可以实现无人机组对待搜救区域实现协同覆盖控制以更快速准确的完成搜救任务。具体地，利用无人机之间的组网通信，可以获得无人机之间的信息包括位置、速度及其他无人机的在搜救过程中产生的相关信息，根据无人机编队算法，实现无人机的编队控制，同时，每个无人机覆盖一定的搜索区域，在覆盖搜索的情况下，协作搜索某个较大的覆盖区域，克服了单个无人机搜索区域狭窄，需要专业人员进行无人机路径操控等致使搜救效率较低的缺陷，无人机覆盖控制能很好的自动高效完成对待搜救区域的覆盖搜索，完成大范围的快速高效的搜救工作和当地信息监测，极大提高了搜救工作的效率。
此外，无人机之间进行组网通信实现无人机之间的信息共享，可以有效躲避障碍物等信息，及时感知环境的变化状况，避免出现无人机在快速搜救中出现相互碰撞的情况，可以加强该搜救系统对环境变换的鲁棒性能，且本发明中采用的多个无人机的协同的覆盖控制，还可以增强多无人机搜救装置对灾区不稳定环境的抗干扰能力。
优选地，本实施例中安装在无人机上的通信模块为Zigbee通信模块，本实施例中采用的3个无人机的计算单元之间通过Zigbee通信模块进行组网通信，需要说明的是，采用组网通信可以方便无人机实时获取无人机组之间的信息，且不占用无人机与主控中心之间的通信资源，可以减少信息传播延时，能实现对无人机组更有效的控制。当检测到有多个呼救者时，用户通过控制中心的PC机设置包括飞行轨迹的指令发送给相应无人机的计算单元以调整每一个无人机的飞行轨迹，实现多个无人机之间的合作搜救，从根本上提升了无人机搜救的效率，提升了被困人员的灾后幸存率。进一步能提高了搜救速度和准确性。
作为本实施例优选的实施方式，定位模块为GPS定位模块，声音采集模块为麦克风阵列设备。需要说明的是，在实际使用时，GPS定位模块包括两个，其中的一个安放在一个已知坐标位置，本实施例中，将主控中心的基站作为已知坐标位置。另外一个安放在需要实时输出坐标的无人机上。具体地，通过基站的GPS获得主控中心的位置信息，通过无人机上的GPS获得无人机的实时位置信息，并将二者做差分计算，得到无人机与主控中心之间的相对位置信息，可以实现对无人机的精准定位。且本实施例中采用高精度RTK GPS模块，能够实时获取无人机的厘米级精度的位置信息，能实现更精准的定位，进而更快速地搜寻到被困人员的位置。
本实施例中，如图3所示，麦克风阵列按照设定的间隔45度的角度在八个方向上均匀排列绕成一个完整的圆，可以对声音信息进行完整的检测，避免出现有遮挡物或者其他不可避免的情况而遗漏声音信息。其中，每一个角度上都有一个麦克风传感器，且每个麦克风传感器都实时检测所处环境的声音信息，并将该声音信息发送给计算单元。需要说明的是，本发明并不对麦克风阵列的设定角度和个数做限定，不一定按照设定的间隔45度的角度设定八个麦克风传感器，还可以设定其余个数的麦克风传感器，在设定麦克风传感器的个数和相邻两个传感器之间的角度时，只要能达到进行声音信息的检测即可。优选地，本实施例中计算单元采用树莓派微型计算机，该树莓派微型计算机采用智能声波检测算法(RNN循环神经网络算法)对声音信息进行分析。若检测到有呼救声时，进一步检测该呼救声的强度，并根据该强度分析呼救者与无人机的相对位置，可以更准确的得到呼救者的位置信息。本实施例中，树莓派微型计算机采用1.4GHz 64位的4核ARM Cortex-A53，该计算机的数据处理性能高，能快速的实行智能声波检测算法。
作为本实施例优选的实施方式，无人机上还安装有与计算单元相连用于播放语音的广播。该广播中播放语音信息提醒待救者进行呼救。优选地，本实施例中采用功率范围30～60w的大功率广播设备，可以使广播语音在更大的范围内传播，起到更好的提醒作用。
作为本实施例优选的实施方式，无人机上还安装有与计算单元相连用于采集待搜救区域的视频信息的摄像模块。摄像模块将采集的视频信息发送给PC机，PC机通过显示屏显示视频信息包含的视频画面，声音信息与视频信息互为补充，共同作为参考搜救信号，从而完成对被困人员精确定位，以达到更有效搜救效果，进一步提高灾后被困人员幸存率。本实施例中，摄像模块采用型号为DS-2CD3T86FWDV2-I3S的摄像头，该摄像头的清晰度为4K，有效距离为10～30m，可以让用户更清楚更直观的掌握待搜救区域的具体情况，为搜救工作带来更多的便利性。
作为本实施例优选的实施方式，无人机端和控制中心都还包括有用于进行通信的双向4G模块。在具体工作中，无人机端通过双向4G模块将无人机的计算单元的判断结果和相应的声音信息、视频信息以及位置信息发送给控制中心，以保持与控制中心的实时通信，控制中心的PC机接收该判断结果和相应的声音信息、视频信息以及位置信息，通过显示屏进行显示，便于用户及时对呼救者进行营救。此外，若用户需要对呼救者的位置进行进一步确认，可以通过PC机设置包括飞行轨迹的指令，并通过4G模块发送给计算单元以调整无人机的飞行轨迹，可以实现对呼救者的更精准的定位，进一步提高搜救速度。本实施例中，采用型号为USR-LTE-7S4的4G模块，传送文件下行速率最高可以达到150Mbps,上行速率最高可以达到50Mbps。
实施例2
参见图4，与上述实施例相对应地，本实施例提供一种应用于上述无人机搜救系统的方法，包括以下步骤：
S1：控制无人机飞行在待搜救区域，定位模块实时采集无人机的位置信息发送给计算单元，声音采集模块实时采集待搜救区域的声音信息发送给计算单元；
S2：计算单元接收位置信息和声音信息，将位置信息和声音信息进行融合匹配，并采用智能声波算法检测声音信息中是否有呼救声，当检测到有呼救声时，将与该呼救声对应的位置信息发送给PC机；
S3：PC机接收包括呼救声的声音信息和相对应的位置信息且通过显示屏进行显示，并供用户设置包括飞行轨迹的指令发送给计算单元以调整无人机的飞行轨迹。
作为本实施例优选的实施方式，计算单元将位置信息和声音信息进行融合匹配之前还包括步骤：将声音信息进行预处理，预处理包括将声音信息进行模数转换并对转换结果进行傅里叶变换、带通滤波器滤波、带阻滤波器滤波、以及傅里叶反变换。
具体地，在进行预处理时，首先使用数字频域带通滤波器对变换到频率的原始信号进行滤波，由于人的声音一般在50HZ-700HZ范围内，所以使用50HZ-700HZ的频域带通滤波器就能大部分滤除外界环境的干扰，从而降低智能声波算法的识别难度，提升智能声波检测的准确率。然后使用频域带阻滤波器对进行初步滤波的信号再次进行滤波，在四旋翼上还搭载了大功率广播设备用来提示被困人员主动发出求救信号，所以高精度低噪声麦克风阵列同样也会检测到广播设备的音频信号，而这部分音频信号的频率范围也在50HZ-700HZ，所以使用带阻滤波器来滤除这部分频率恒定的信号，最终获得只有人呼救声音的频域音频信号。最后使用快速傅里叶反变换把处理完的频域信号重新转换到时域。再将预处理后的信息输入智能声波检测算法中。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种无人机搜救系统，其特征在于，包括：无人机端和与所述无人机端通讯连接的控制中心；
所述无人机端包括无人机、安装在所述无人机上的定位模块、声音采集模块以及分别与所述定位模块和所述声音采集模块相连的计算单元，所述计算单元用于根据接收的来自于所述定位模块的定位信息和来自于所述声音采集模块的音频信息判断是否有受困者，并将判断结果发送给所述控制中心；还用于接收来自于所述控制中心的指令调整无人机的飞行轨迹；
所述控制中心包括PC机和安装在所述PC机上的显示屏，所述PC机用于接收来自于计算单元的判断结果，并通过所述显示屏进行显示，所述PC机还用于产生控制无人机飞行的指令。
2.根据权利要求1所述的无人机搜救系统，其特征在于，所述无人机包括至少2个，且每个无人机上还安装有用于与其它无人机进行通信的通信模块。
3.根据权利要求1所述的无人机搜救系统，其特征在于，所述通信模块为Zigbee通信模块。
4.根据权利要求1所述的无人机搜救系统，其特征在于，所述定位模块为GPS定位模块，所述声音采集模块为麦克风阵列设备。
5.根据权利要求1所述的无人机搜救系统，其特征在于，所述无人机上还安装有与所述计算单元相连用于播放语音的广播。
6.根据权利要求1所述的无人机搜救系统，其特征在于，所述无人机上还安装有与所述计算单元相连用于采集待搜救区域的视频信息的摄像模块。
7.根据权利要求1所述的无人机搜救系统，其特征在于，所述无人机端和所述控制中心都还包括有用于进行通信的双向4G模块。
8.一种应用于上述权利要求1-7任一所述无人机搜救系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：控制无人机飞行在待搜救区域，定位模块实时采集所述无人机的位置信息发送给计算单元，声音采集模块实时采集待搜救区域的声音信息发送给计算单元；
S2：计算单元接收所述位置信息和所述声音信息，将所述位置信息和所述声音信息进行融合匹配，并采用智能声波算法检测所述声音信息中是否有呼救声，当检测到有呼救声时，将与该呼救声对应的位置信息发送给PC机；
S3：PC机接收包括呼救声的声音信息和相对应的位置信息且通过显示屏进行显示，并供用户设置包括飞行轨迹的指令发送给计算单元以调整无人机的飞行轨迹。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述无人机端还设有与所述计算单元相连用于采集待搜救区域的视频信息的摄像模块，所述摄像模块将采集的视频信息发送给PC机，PC机通过显示屏显示视频信息包含的视频画面。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述计算单元将所述位置信息和所述声音信息进行融合匹配之前还包括步骤：将声音信息进行预处理，所述预处理包括将所述声音信息进行模数转换并对转换结果进行傅里叶变换、带通滤波器滤波、带阻滤波器滤波、以及傅里叶反变换。
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