CN110109480A - 一种基于多传感器融合的无人机巡查搜救系统及搜救方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于多传感器融合的无人机巡查搜救系统及搜救方法，系统包括信号发射器、无人机搜救系统和地面救援中心，信号发射器设置于可穿戴手环上，用于发送救援点位置信息，无人机搜救系统和地面救援中心用于确定人员位置与人员信息、记录地形、确定救援路线，本发明中无人机的飞行子控制系统由四旋翼自主无人机、图像及数量采集处理模块、信号传输模块、地形分析与路线规划模块组成，能在自主化巡检作业中做出快速反应并实时的采集分析图像信息。采用图像处理进行自动人体识别，将识别到的信息与数据库进行数据匹配，确定是否已搜索到目标人员并同时确定被困人员数量。

Description

一种基于多传感器融合的无人机巡查搜救系统及搜救方法

技术领域

本发明涉及室外救援无人机系统，具体涉及一种基于多传感器融合的无人机巡查搜救系统及搜救方法。

背景技术

随着生活水平的不断提高，人们越来越多的接近自然，体会自然，然而，一旦地处深山陷入困境，由于救援不便，使得很多人因错过黄金救援时间而失去宝贵的生命。救援人员如何在人员在野外遭遇危险时以最快的速度赶到事故现场，并通过一些措施维持人员生命，是一个研究方向。传统的搜救方式为消防人员定点逐个搜查，具有危险性高、人力物力成本高、效率低下等缺点。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提出一种基于多传感器融合的无人机巡查搜救系统及搜救方法，可以快速完成起飞，搜寻和营救工作。

技术方案：根据本发明的第一方面，提供一种基于多传感器融合的无人机巡查搜救系统，所述搜救系统包括：无人机子系统、手环子系统和救援指挥中心，各子系统通过HTTP网络协议或者卫星进行通信，其中无人机子系统由携带救援物品的多旋翼无人机构成，该无人机包括飞行控制单元、图传单元、信号搜寻单元、图像处理单元、导航单元，所述飞行控制单元用于规划到救援点之间的飞行路线，控制无人机的起飞及飞行动作，所述图传单元用于获取沿途高清图像并传输至救援指挥中心和图像处理单元，所述信号搜寻单元用于搜寻手环子系统发出的求救信号，所述图像处理单元用于识别场景图像中是否有被困人员，所述导航单元用于无人机的定位和导航；

手环子系统包括GPS定位模块，语音处理模块和信号发射器，所述GPS定位模块用于获取当前位置坐标，所述语音处理模块用于将被困人员的呼救语音转化为信号数据，所述信号发射器用于将当前GPS坐标点、人员语音信号发送给救援指挥中心；

救援指挥中心包括图传接收器、信号接收器、数据分析模块，所述图传接收器用于接收无人机传输的图传信息，所述信号接收器用于接收被困人员的语音信号，所述数据分析模块用于根据接收的信息检查库内无人机空闲情况，针对不同的求救情况安排无人机前去救援。

进一步地，所述无人机子系统还包括避障单元，所述避障单元包括超声波和激光雷达，用于实时探测无人机飞行过程中周围物体的距离。

进一步地，所述无人机子系统图传单元所使用工作频段为3.5Ghz的无线接入设备。

进一步地，所述手环子系统信号发送器为zigbee模块。

根据本发明的第二方面，提供基于上述无人机巡查搜救系统的搜救方法，所述方法包括以下步骤：

(1)手环子系统向救援指挥中心发送救援请求，救援指挥中心收到请求后指派无人机前往救援；

(2)无人机收到起飞信号后，对自身进行起飞检查，同时确定目标点GPS坐标和起飞高度；

(3)由无人机自主完成路径规划，向目标点自主飞行，沿途采集道路环境信息传回地面救援指挥中心；

(4)无人机对沿途障碍物自主避障，到达指定坐标点时开启配对搜寻，对目标手环进行匹配；

(5)匹配成功后更新目标点坐标，无人机向新GPS坐标点前进，同时降低飞行高度，开启人形识别，对范围内的人员进行搜寻；

(6)在人员周围进行择地降落，同时投放救援物品；

(7)完成本次任务，向救援指挥中心发送任务请求，请求下一次任务或进入待命状态。

进一步地，所述步骤(4)中无人机的自主避障过程包括：

(a)在飞行过程中开启激光雷达和超声波，对雷达采集的相位信息和距离信息进行融合，实时建立飞行过程中的周围环境模型，感知外围环境；

(b)当无人机周围出现障碍点时，判断障碍点的相对位置和距离，判断障碍物体积的大小，并控制减速；

(c)计算障碍点之间的间距，判断是否可以穿过，若可以则继续飞行，若不可，则向救援指挥中心发送攀升或者避让请求，

(d)救援指挥中心判断无人机遇到的障碍物属于横向山体还是纵向山体，对于横向山体，进行攀升许可，无人机进行上升作业避让山体；对于纵向山体进行避让许可，由无人机对山体进行环绕，绕至背面继续作业；

(e)当无人机到达救援地点之后，由超声波对向下的高度进行采集并和GPS模块获取的高度进行对比，判断向下是否具有障碍物，当无障碍物时，对该区域实施地毯式搜索，搜寻待救援人员；当下方区域存在障碍物时，无人机进行手环匹配，更新待救援人员GPS坐标。

有益效果：

1、本发明提高了救援效率，提供了一种基于多传感器融合的人机结合的高效救援方式，摆脱了传统人工救援方式的低效率，同时保障了救援人员的安全，缩短了救援时间，通过无人机高速飞行，可以在最快时间内到达救援地点与待救援人员沟通，同时，无人机携带的救援物品也可以在最快的时间内向待救援人员提供帮助，同时，无人机系统携带的图传系统将路程中的道路和地面环境传送回救援中心，为救援人员制定计划提供了重要的依据，提高了救援的效率，保障了救援人员的安全。同时本系统并不仅仅局限于陆地救援，在海上也可以发挥出系统的功能。

2、本发明克服了传统野外无人机无法在自主飞行中避障的缺点，实现了无人机在自主导航的同时又可以保障自身的安全，传统无人机在自主路线规划上只有单一的高度设置，一旦遇到地势起伏较大，山体较多的地方，不具有环境感知能力，无法自主提升高度，除非在一开始提高飞行高度，但是由于无人机飞行越高，意味着飞行所消耗的电量越大，所以需要一种可以实现在规划完路径以后可以自主避障的无人机，本发明提出的多传感器融合技术，融合激光雷达和超声波数据，将数据用于实时感知周围环境，具有完美避障的效果。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为系统工作总体示意图；

图3为无人机子系统工作示意图；

图4为手环子系统工作示意图；

图5为地面救援平台示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。应当了解，以下提供的实施例仅是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的技术构思，本发明还可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。

本发明提出一种用于野外巡查搜救的无人机系统，能以无人驾驶无人机向救援人员位置提供最快捷的救援物品，同时将救援途中的地形传送回指挥中心，以便救援人员以最快的时间根据救援地的地形特征和附近的环境制定救援路线。智能巡查搜救无人机系统采用模块化设计，将大系统下分为不同的子系统，参照图1，系统分为：救援手环、无人机搜救系统和地面指挥系统。各系统独立设计不相干扰，各系统间的通信通过网络或者卫星进行通信，在网络信号优良的地方优先使用4G信号进行通信，在信号较差的位置，使用卫星保持无人机和救援中心、被困游客之间的通信。

无人机搜救系统包括动力单元、供电单元、飞行控制单元、图传单元、信号搜寻单元、图像处理单元和导航单元，同时无人机将携带一定重量的补给物，以便给待救援人员应急。救援手环包括GPS定位系统，语音处理系统和信号发射器；地面指挥系统包括无人机图传接收器、信号发射系统的接收装置和数据处理模块。

供电单元包含锂电池和电源处理模块，锂电池电量足够无人机飞行20分钟以上，通过电源处理模块平衡整个无人机的电力，在保障完成任务的情况下，节省电量，以便应对突发情况。

动力单元包含无刷电机、电子调速计和分电板，无刷电机作为整个无人机的动力来源，其性能的好坏直接影响到机身的平稳，无刷电机相比于有刷电机，在提供更大动力的同时可以节省电量。电子调速计为电机的直接控制器件，其一方面接受来自飞行控制单元的控制信号，一方面通过信号对电压进行调整，这样就可以通过控制电源输出不同的电压，达到控制电机转速调整飞机的目的。分电板的作用主要是将电流进行引导，将电源进行分流，将电源处理模块输出的均匀电压分成多路，给电调供电，用于控制电机的转速。

飞行控制单元包含磁力计、三轴陀螺仪、加速度计和距离传感器及其外围电路，磁力计测试磁场强度和方向，测量出当前设备与四个方向的夹角；加速度计用来感知任意方向的加速度；三轴陀螺仪用来感知和维持方向，当传感器获得数据之后，传送给主控芯片，芯片将数据进行滤波和融合后便可以得到飞机的欧拉角，即：Pitch、Roll、Yaw。得到飞机三个轴向的角度之后便可以通过这些数据控制四个电机的转速来保持飞机的平稳，通过空气动力学原理，飞机便可以完成旋转、前进、起飞等基本操作，达到完成任务的目的。同时飞行控制单元具有路径规划功能，当飞机开机后，自动读取救援点，规划两点之间的直线路径，和飞行高度，其中飞行高度随地形高度灵活改变。由无人机上安装的向下的超声波和激光雷达，实时探测无人机周围的距离，一旦出现障碍物，就上升高度，保障自身安全。激光雷达为单线激光雷达。

导航单元采用GPS模块，其中GPS模块集成了RF射频芯片、基带芯片和核心CPU，并加上外围电路。GPS模块利用GPS定位卫星，在景区范围内进行定位和导航。导航系统测量出已知位置的卫星到无人机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据计算出具体位置。

图传单元包含高清摄像头和信号发射器，摄像头采集到的高清视频通过信号发射器传送给救援中心，用来指定救援路线和救援计划。为了保证传输图像的清晰度和传输图像的可靠性，采用3.5GHz无线接入系统。其优点为工作频段相对较低，电波自由空间损耗小，传播雨衰性能好，接入速率足够高，且设备成本相对较低。使系统具有相对良好的覆盖能力，通常达到5km～10km。

图像处理单元包含主控板、图像处理芯片和高清摄像头，高清摄像头负责收集周围图像数据，当无人机到达指定区域后，将图传单元摄像头拍摄到的图像数据通过USB协议传输到图像处理芯片，通过芯片处理得到场景中是否有待救援人员，同时将人员标记在图像中传送回救援指挥中心，同时，无人机在确定其位置后飞行至目标人员上空慢慢降低高度，在其周围降落，投放救援物品。

信号搜寻单元包含可自动搜索并匹配主机zigbee模块的从机zigbee模块，其作用为搜寻待救援人员手环求救信号，一旦收到求救信号，启动识别任务，在目标区域附近进行人员搜索。

救援手环作为发现人员的标志，其具有长时间待机、不间断刷新和发送GPS信号、时间显示、语音输入、救援按键等功能。手环具备GPS定位系统和信号发送系统(zigbee模块)，其中GPS系统用于当前人员当前位置，信号发送系统将当前GPS坐标点、人员语音信号发送给救援中心数据分析系统；同时，信号发送系统的zigbee模块具有自动搜索附近相同模块并匹配的功能，同时，救援手环上的模块工作在主机模式，会制动匹周围的从机，当救援按键被按下的时候，便启动该匹配动能，此时，手环将通过zigbee模块自动搜索匹配周围救援无人机上的从机zigbee模块，一旦匹配成功，将当前的GPS坐标点发送给无人机系统，替换此时的无人机目标终点。手环的语音处理单元包括语音信号采集单元和语音信号编码单元。

救援中心数据分析系统是作为景区人员管理手环和无人机的管理系统，综合园区内手环的位置，在景区地图上实时显示。当出现求救情况时，接收求救手环的GPS数据并实时跟踪，同时，检查库内无人机空闲情况，针对不同的求救等级，安排不同的无人机前去救援。整个过程从接收求救信号到派遣飞机，处理时间缩短，可以在最快的时间内掌握求救者的状况。

参照图2-图5，所述救援系统的救援流程包括以下步骤：

(1)被困者按下手环上的紧急救援按钮，可选择性的输入语音信息，手环就会收集此时的自身编号、GPS坐标和语音信息通过信号发射器发送给救援中心；

(2)救援中心收到来自手环端的求救信号，数据处理模块对信号进行解析，分析出发送端的手环编号、GPS坐标点和语音信息，对救援人员进行通知，同时针对不同遇险等级，派出不同类型的救援无人机，向无人机系统发送起飞指令；

(3)无人机收到开机指令后进行传感器自检，同时，将救援点的GPS坐标点输入到系统中进行最短路径规划和起飞高度确认，当自检完成后，自行起飞，向目标点飞行；

(4)在飞行过程中图传设施将沿途的道路植被情况反馈到救援中心系统中，供救援人员进行救援规划；

(5)在飞行过程中，由主控板开启激光雷达和超声波，感知外围环境，处理过程如下：

a.激光雷达作为感知四周环境的主要数据来源，对雷达采集的相位信息和距离信息进行融合，实时建立起无人机飞行过程中的周围环境模型，进行感知；

b.一旦在无人机周围出现障碍点，首先判断障碍点的相对位置飞机具体方向和距离，判断障碍物体积的大小，适当减速，以获取更多的障碍物信息；

c.由主控板判断点的间距，判断是否可以穿过，若可以则继续飞行，若不可，则向救援中心发送攀升或者避让请求；

(6)救援中心判断无人机遇到的障碍物属于横向山体还是纵向山体，对于横向山体，进行攀升许可，无人机进行上升作业避让山体；对于纵向山体进行避让许可，由无人机对山体进行环绕，绕至背面继续作业；

(7)当无人机到达救援地点之后，由向下的超声波对向下的高度进行采集并和GPS获取的高度进行对比，判断向下是否具有障碍物，当无障碍物时，对该区域实施地毯式搜索，搜寻待救援人员；当下方区域存在树木等障碍物时，考虑到人员隐蔽情况，由无人机进行手环匹配，再此更新待救援人员GPS坐标；

(8)在等待救援到达期间，救援手环一直搜索周围的匹配信号，以便向无人机刷新被困人员坐标；

(9)当无人机到达指定坐标点附近时，搜索手环信号，搜索成功进行配对，与手环进行通信，请求准确的GPS点坐标；若到达指定GPS点却没有搜寻到手环信号，由飞机向救援中心进行请求在此获取新的GPS点；

(10)当无人机确定救援人员就在附近时，由系统开启图像处理系统，进行人形监测，具体流程为：

a.由无人机主动降低到合适的高度，若遇到丰富植被情况，则可由救援中心人员远程控制进行安全降落；

b.待飞机降落到地面5m左右时，由系统对GPS点周围半径100米的范围内进行区域规划，同时开启图像处理，对规划范围内的区域进行人员搜寻；

c.一旦发现救援人员，便在其周围择地降落，同时投放救援物品；

(11)无人机向救援中心发送任务完成指令，同时，由图传设备对待救援人员进行信息采集，确定当前人员情况，传送回救援指挥中心，供人员进行救援规划，若遇紧急情况，可由救援指挥人员通过无人机上携带的扬声器对待救援人员进行指导，缓解困境。

作为本系统的优化方案，GPS定点可采用RTK技术提高位置精度；摄像头可更换或携带红外摄像头，以获得更具参考性的数据和克服更加恶劣的天气对普通相机造成的影响的能力；可采用深度相机对沿途出现的山体进行感知，通过深度相机，对山体进行建模，判断视野内山体的横向和纵向宽度。

本发明公开的一种智能无人机巡查搜救系统，分析了当前机器人行业中，无人机的角色，结合无人机的特性，综合各个传感器，运用传感器融合技术对数据进行融合处理，将结果用于控制以最终达到零失误完成任务的目的，对于景区维护、灾后救援都有极其重要的意义。

以上所述，仅为本发明专利中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于多传感器融合的无人机野外巡查搜救系统，其特征在于，所述搜救系统包括：无人机子系统、手环子系统和救援指挥中心，各子系统通过HTTP网络协议或者卫星进行通信，其中无人机子系统由携带救援物品的多旋翼无人机构成，该无人机包括飞行控制单元、图传单元、信号搜寻单元、图像处理单元、导航单元，所述飞行控制单元用于规划到救援点之间的飞行路线，控制无人机的起飞及飞行动作，所述图传单元用于获取沿途高清图像并传输至救援指挥中心和图像处理单元，所述信号搜寻单元用于搜寻手环子系统发出的求救信号，所述图像处理单元用于识别场景图像中是否有被困人员，所述导航单元用于无人机的定位和导航；

手环子系统包括GPS定位模块，语音处理模块和信号发射器，所述GPS定位模块用于获取当前位置坐标，所述语音处理模块用于将被困人员的呼救语音转化为信号数据，所述信号发射器用于将当前GPS坐标点、人员语音信号发送给救援指挥中心；

救援指挥中心包括图传接收器、信号接收器、数据分析模块，所述图传接收器用于接收无人机传输的图传信息，所述信号接收器用于接收被困人员的语音信号，所述数据分析模块用于根据接收的信息检查库内无人机空闲情况，针对不同的求救情况安排无人机前去救援。

2.根据权利要求1所述的无人机野外巡查搜救系统，其特征在于，所述无人机子系统还包括避障单元，所述避障单元包括超声波和激光雷达，用于实时探测无人机飞行过程中周围物体的距离。

3.根据权利要求1所述的无人机野外巡查搜救系统，其特征在于，所述无人机子系统图传单元所使用工作频段为3.5Ghz的无线接入设备。

4.根据权利要求1所述的无人机野外巡查搜救系统，其特征在于，所述图像处理单元包含主控板、图像处理芯片和高清摄像头，高清摄像头收集周围图像数据，当无人机到达指定区域后，将图传单元摄像头拍摄到的图像数据通过USB协议传输到图像处理芯片，通过芯片处理得到场景中是否有待救援人员，同时将人员标记在图像中传送回救援指挥中心。

5.根据权利要求1所述的无人机野外巡查搜救系统，其特征在于，所述手环子系统信号发送器为zigbee模块。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的无人机巡查搜救系统的搜救方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)手环子系统向救援指挥中心发送救援请求，救援指挥中心收到请求后指派无人机前往救援；

(2)无人机收到起飞信号后，对自身进行起飞检查，同时确定目标点GPS坐标和起飞高度；

(3)由无人机自主完成路径规划，向目标点自主飞行，沿途采集道路环境信息传回地面救援指挥中心；

(4)无人机对沿途障碍物自主避障，到达指定坐标点时开启配对搜寻，对目标手环进行匹配；

(5)匹配成功后更新目标点坐标，无人机向新GPS坐标点前进，同时降低飞行高度，开启人形识别，对范围内的人员进行搜寻；

(6)在人员周围进行择地降落，同时投放救援物品；

(7)完成本次任务，向救援指挥中心发送任务请求，请求下一次任务或进入待命状态。

7.根据权利要求6所述的无人机巡查搜救系统的搜救方法，其特征在于，所述步骤(4)中无人机的自主避障过程包括：

(a)在飞行过程中开启激光雷达和超声波，对雷达采集的相位信息和距离信息进行融合，实时建立飞行过程中的周围环境模型，感知外围环境；

(b)当无人机周围出现障碍点时，判断障碍点的相对位置和距离，判断障碍物体积的大小，并控制减速；

(c)计算障碍点之间的间距，判断是否可以穿过，若可以则继续飞行，若不可，则向救援指挥中心发送攀升或者避让请求，

(d)救援指挥中心判断无人机遇到的障碍物属于横向山体还是纵向山体，对于横向山体，进行攀升许可，无人机进行上升作业避让山体；对于纵向山体进行避让许可，由无人机对山体进行环绕，绕至背面继续作业；

(e)当无人机到达救援地点之后，由超声波对向下的高度进行采集并和GPS模块获取的高度进行对比，判断向下是否具有障碍物，当无障碍物时，对该区域实施地毯式搜索，搜寻待救援人员；当下方区域存在障碍物时，无人机进行手环匹配，更新待救援人员GPS坐标。