CN112297028A - 一种水上u型智能救生机器人控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水上U型智能救生机器人控制方法，应用于自动控制技术领域，包括如下具体步骤：获取水上图像数据，其中所述水上图像数据为时序数据；构建人体行为识别模型，利用所述水上图像数据获取第一特征，并对所述第一特征进行运动跟踪；利用所述人体行为识别模型判断行为人是否处于危险中；若判断为危险，中央控制器进行定位，并获取最优路径，同时启动电机驱动器，根据所述最优路径导引到指定位置。与现有技术中的救生机器人相比，自动化程度更高，不仅能够根据水上图像数据自动实施救助，而且能够通过遥控控制本发明的救生机器人应用于复杂海域内的海洋测绘、污染治理和海事监管等方面任务。
Description
技术领域
本发明涉及机器人控制技术领域，更具体的说是涉及一种水上U型智能救生机器人控制系统及方法。
背景技术
水上救援机器人是一种新型的消防救援装备，能够通过遥控快速抵达落水人员身边实施救助，广泛配备于水上船只以及消防救援部门，目前市面上相关产品为人为投放入水，通过远程遥控机器人行进，智能化程度不高。在船只上配备的救生设备较为简单，抛投器、传统救生圈等，在救援时都有抛投距离有限，且抛投不准的问题。
因此，如何提供一种自动定位，智能救人的水上U型智能救生机器人控制系统及方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种水上U型智能救生机器人控制系统及方法，本发明采用人体行为识别模型识别水上图像数据中的行为人是否处于危险状态，只需判断处于危险状态，中央控制器便能够自动确定最优路径，以最短时间内施救，最大的保证了求救者的生命财产安全。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种水上U型智能救生机器人控制方法，包括如下具体步骤：
获取水上图像数据，其中所述水上图像数据为时序数据；
构建人体行为识别模型，利用所述水上图像数据获取第一特征，并对所述第一特征进行运动跟踪；
利用所述人体行为识别模型判断行为人是否处于危险中；
若判断为危险，中央控制器进行定位，并获取最优路径，同时启动电机驱动器，根据所述最优路径导引到指定位置。
优选的，在上述的一种水上U型智能救生机器人控制方法中，将所述水上图像数据中的行为人胸口位置定义为质心；其中所述质心、头部、左胳膊、右胳膊和下肢定义为所述第一特征；根据所述水上图像数据上每一帧中所述第一特征输入所述人体行为识别模型中判断行为人的行为。
优选的，在上述的一种水上U型智能救生机器人控制方法中，所述运动追踪中，根据在当前帧中搜索目标的第一特征；
进一步，在下一帧数据中搜索第一特征；
匹配连续两帧中第一特征的子特征；判断对应子特征的活动范围与门限值比较，若大于门限值，则异常；若小于门限值或异常，则与历史数据进行比对；
判断是否处于危险。
优选的，在上述的一种水上U型智能救生机器人控制方法中，获取最优路径的具体步骤包括：
预设所述水上图像数据获取处与行为人之间的连线为第一路径；
在所述第一路径上行动时，根据所述水上U型智能救生机器人的受力情况进行修正路径，得到最优路径。
优选的，在上述的一种水上U型智能救生机器人控制方法中，根据所述最优路径导引到指定位置，所述中央控制器控制所述电机驱动器驱动电机产生最大转速，并调整航向角度。
一种水上U型智能救生机器人控制系统，包括：中央控制器、图像采集模块、电源模块和动力模块；其中，所述图像采集模块获取水上图像数据，并将所述水上图像数据发送给所述中央控制器进行处理，所述中央控制器根据处理结果控制所述动力模块启停；所述电源模块分别为所述中央控制器、所述图像采集模块和所述动力模块供电。
优选的，在上述的一种水上U型智能救生机器人控制系统中，所述中央控制器包括：数据输入单元、路径确定单元、特征提取单元、运动跟踪单元、危险判断单元和控制指令发送单元；
其中，所述数据输入单元，将所述图像采集模块获取的水上图像数据发送给所述数据输入单元；
所述特征提取单元，用于将所述水上图像数据每一帧中的第一特征进行提取；
所述运动跟踪单元，根据连续两帧中提取的第一特征，预测行为人的行为；
危险判断单元，匹配连续两帧中第一特征的子特征；判断对应子特征的活动范围与门限值比较，若大于门限值，则异常；若小于门限值或异常，则与历史数据进行比对；
所述路径确定单元，规划最优路径，并发送给控制指令发送单元；
控制指令发送单元，用于向动力模块发送控制命令。
优选的，在上述的一种水上U型智能救生机器人控制方法中，还包括：无线接收模块，所述无线接收模块与所述中央控制器电性连接。
优选的，在上述的一种水上U型智能救生机器人控制方法中，还包括：无线发送模块所述无线发送模块安装在行为人身上；其中所述无线发送模块内置有水浸传感器；所述水浸传感器激活所述无线发送模块向所述无线接收模块发送信息。
优选的，在上述的一种水上U型智能救生机器人控制方法中，还包括：拓展接口模块，其中所述拓展接口模块与所述中央控制器电性连接。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种水上U型智能救生机器人控制系统及方法，本发明采用人体行为识别模型识别水上图像数据中的行为人是否处于危险状态，只需判断处于危险状态，中央控制器便能够自动确定最优路径，以最短时间内施救，最大的保证了求救者的生命财产安全。与现有技术中的救生机器人相比，自动化程度更高，不仅能够根据水上图像数据自动实施救助，而且能够通过遥控控制本发明的救生机器人应用于复杂海域内的海洋测绘、污染治理和海事监管等方面任务。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的人体表征示意图；
图3为本发明的系统框图；
图4为本发明的中央控制器的系统框图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例中公开了一种水上U型智能救生机器人控制方法，如图1 所示，包括如下具体步骤：
获取水上图像数据，其中水上图像数据为时序数据；
构建人体行为识别模型，利用水上图像数据获取第一特征，并对第一特征进行运动跟踪；
利用人体行为识别模型判断行为人是否处于危险中；
若判断为危险，中央控制器进行定位，并获取最优路径，同时启动电机驱动器，根据最优路径导引到指定位置。
通过上述的技术方案，不仅可以构建人体行为识别模型，还可以构建神经网络模型，利用历史数据对神经网络模型进行训练，通过将训练好的神经网络模型内输入水上图像数据，对图像进行识别，并识别遇到危险的图像标注识别标签，每一帧数据中均有上述识别标签，则判断有危险发生。
为了进一步优化上述技术方案，如图2所示，将水上图像数据中的行为人胸口位置定义为质心；其中质心、头部、左胳膊、右胳膊和下肢定义为第一特征；根据水上图像数据上每一帧中第一特征输入人体行为识别模型中判断行为人的行为。
每一帧中均显示质心处于水平面以下，判断处于危险；
连续帧中第一特征的每个子特征变化规律，均处与预设门限值内则判断未发生危险，例如质心的上下变化，在蛙泳时，质心处于水平面上下发生变化的。
为了进一步优化上述技术方案，运动追踪中，根据在当前帧中搜索目标的第一特征；
进一步，在下一帧数据中搜索第一特征；
匹配连续两帧中第一特征的子特征；判断对应子特征的活动范围与门限值比较，若大于门限值，则异常；若小于门限值或异常，则与历史数据进行比对；
判断是否处于危险。
例如，下肢子特征垂直向下，左胳膊子特征和右胳膊子特征无规律向上伸，并拍打水平面，人在水中受浮力影响下肢子特征不能是垂直向下的，并且根据连续帧内同一子特征的连续性无规律，判断遇到危险。
为了进一步优化上述技术方案，获取最优路径的具体步骤包括：
预设水上图像数据获取处与行为人之间的连线为第一路径；
在第一路径上行动时，根据水上U型智能救生机器人的受力情况进行修正路径，得到最优路径。
进一步，根据无限分割的思想，将水上U型智能救生机器人产生的推力与水流的阻力，根据平行四边形法则，不断修正路径，获取最优路径。
为了进一步优化上述技术方案，根据最优路径导引到指定位置，中央控制器控制电机驱动器驱动电机产生最大转速，并调整航向角度。
因为最优路径的确定是根据水上U型智能救生机器人受力情况确定的，要想最短时间施救，电机必须要产生最大转速，所以调整航向角度，则能最大程度上保证最优路径的确定。
一种水上U型智能救生机器人控制系统，如图3所示，包括：中央控制器、图像采集模块、电源模块和动力模块；其中，图像采集模块获取水上图像数据，并将水上图像数据发送给中央控制器进行处理，中央控制器根据处理结果控制动力模块启停；电源模块分别为中央控制器、图像采集模块和动力模块供电。
为了进一步优化上述技术方案，如图4所示，中央控制器包括：数据输入单元、路径确定单元、特征提取单元、运动跟踪单元、危险判断单元和控制指令发送单元；
其中，数据输入单元，将图像采集模块获取的水上图像数据发送给数据输入单元；
特征提取单元，用于将水上图像数据每一帧中的第一特征进行提取；
运动跟踪单元，根据连续两帧中提取的第一特征，预测行为人的行为；
危险判断单元，匹配连续两帧中第一特征的子特征；判断对应子特征的活动范围与门限值比较，若大于门限值，则异常；若小于门限值或异常，则与历史数据进行比对；
路径确定单元，规划最优路径，并发送给控制指令发送单元；
控制指令发送单元，用于向动力模块发送控制命令。
为了进一步优化上述技术方案，还包括：无线接收模块，无线接收模块与中央控制器电性连接。
为了进一步优化上述技术方案，还包括：无线发送模块无线发送模块安装在行为人身上；其中无线发送模块内置有水浸传感器；水浸传感器激活无线发送模块向无线接收模块发送信息。
为了进一步优化上述技术方案，还包括：拓展接口模块，其中拓展接口模块与中央控制器电性连接。
进一步，无线接收模块在接收到外部发送的指令之后，将指令传送给中央控制器进行处理，中央控制器控制电机及图像采集模块执行相应的操作。同时，图像采集模块将采集到的水上图像数据通过中央控制器进行编码，之后将图像信息发送给远端操作台。另外，中央控制器预留了调试接口和通信串口，便于调试和扩展。
其中外部发送指令包括通过遥控装置控制航向指令，拍摄指令等。
中央控制器选择STM32F105RCT6系列，工作频率为72兆赫，具有高速嵌入式存储器(闪存高达256千字节，SRAM 64千字节)，以及广泛的增强 I/O和连接到两条APB总线的外围设备。所有设备都提供两个12位ADC、四个通用16位定时器和一个PWM定时器，以及标准和高级通信接口：最多两个CS、三个SPL、两个12SS5接口、一个USB OTG FS和两个CAN以太网可在STM32F105RCT6X上使用STM32F105XX和STM32F105RCT6连接线系列在-40～+105℃温度下工作。
电源模块选用可充电锂电池(50V 10Ah)，采用稳压芯片将电源分3路分别对中央控制单片机、无线传输模块和电机模块进行单独供电，避免电机等模块的强电流干扰中央控制单片机。
图像采集模块选用高清USB云台摄像头，能兼容IMX322星光级低照度。控制系统不仅可以获取摄像头的图像数据，同时也可以控制摄像头的云台动作，增大摄像区域面积。
无线接收模块选用LORA无线数传电台，能实现2KM远距离抗干扰串口透传，支持232和485两种通讯协议，可自由在2者之间进行切换，支持9-28V 宽电压供电。该设备具有尺寸小、通讯速率快、误码率低、操作简单的特点。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种水上U型智能救生机器人控制方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
获取水上图像数据，其中所述水上图像数据为时序数据；
构建人体行为识别模型，利用所述水上图像数据获取第一特征，并对所述第一特征进行运动跟踪；
利用所述人体行为识别模型判断行为人是否处于危险中；
若判断为危险，中央控制器进行定位，并获取最优路径，同时启动电机驱动器，根据所述最优路径导引到指定位置。
2.根据权利要求1所述的一种水上U型智能救生机器人控制方法，其特征在于，将所述水上图像数据中的行为人胸口位置定义为质心；其中所述质心、头部、左胳膊、右胳膊和下肢定义为所述第一特征；根据所述水上图像数据上每一帧中所述第一特征输入所述人体行为识别模型中判断行为人的行为。
3.根据权利要求1所述的一种水上U型智能救生机器人控制方法，其特征在于，所述运动追踪中，根据在当前帧中搜索目标的第一特征；
进一步，在下一帧数据中搜索第一特征；
匹配连续两帧中第一特征的子特征；判断对应子特征的活动范围与门限值比较，若大于门限值，则异常；若小于门限值或异常，则与历史数据进行比对；
判断是否处于危险。
4.根据权利要求1所述的一种水上U型智能救生机器人控制方法，其特征在于，获取最优路径的具体步骤包括：
预设所述水上图像数据获取处与行为人之间的连线为第一路径；
在所述第一路径上行动时，根据所述水上U型智能救生机器人的受力情况进行修正路径，得到最优路径。
5.根据权利要求1所述的一种水上U型智能救生机器人控制方法，其特征在于，根据所述最优路径导引到指定位置，所述中央控制器控制所述电机驱动器驱动电机产生最大转速，并调整航向角度。
6.一种水上U型智能救生机器人控制系统，其特征在于，包括：中央控制器、图像采集模块、电源模块和动力模块；其中，所述图像采集模块获取水上图像数据，并将所述水上图像数据发送给所述中央控制器进行处理，所述中央控制器根据处理结果控制所述动力模块启停；所述电源模块分别为所述中央控制器、所述图像采集模块和所述动力模块供电。
7.根据权利要求6所述的一种水上U型智能救生机器人控制系统，其特征在于，所述中央控制器包括：数据输入单元、路径确定单元、特征提取单元、运动跟踪单元、危险判断单元和控制指令发送单元；
其中，所述数据输入单元，将所述图像采集模块获取的水上图像数据发送给所述数据输入单元；
所述特征提取单元，用于将所述水上图像数据每一帧中的第一特征进行提取；
所述运动跟踪单元，根据连续两帧中提取的第一特征，预测行为人的行为；
所述危险判断单元，匹配连续两帧中第一特征的子特征；判断对应子特征的活动范围与门限值比较，若大于门限值，则异常；若小于门限值或异常，则与历史数据进行比对；
所述路径确定单元，规划最优路径，并发送给控制指令发送单元；
控制指令发送单元，用于向动力模块发送控制命令。
8.根据权利要求6所述的一种水上U型智能救生机器人控制系统，其特征在于，还包括：无线接收模块，所述无线接收模块与所述中央控制器电性连接。
9.根据权利要求8所述的一种水上U型智能救生机器人控制系统，其特征在于，还包括：无线发送模块；所述无线发送模块安装在行为人身上；其中所述无线发送模块内置有水浸传感器；所述水浸传感器激活所述无线发送模块向所述无线接收模块发送信息。
10.根据权利要求6所述的一种水上U型智能救生机器人控制系统，其特征在于，还包括：拓展接口模块，其中所述拓展接口模块与所述中央控制器电性连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210202 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |