CN114019996A - 受困人员搜救系统及搜救方法 - Google Patents
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Abstract
受困人员搜救系统及搜救方法，涉及灾后人员搜救技术领域。受困人员搜救系统，包括四旋翼飞行器、单片机、PC机、毫米波雷达和遥控器；四旋翼飞行器包括机架、无刷电机、螺旋桨、毫米波雷达及飞行控制单元；单片机的信号输入端口分别与毫米波雷达和遥控器通信连接，单片机的信号输出端口分别与PC机和飞行控制单元的控制芯片通信连接。一种受困人员搜救方法，基于受困人员搜救系统，步骤如下：1，覆盖式快速搜索；2，针对疑似目标悬停检测。本发明采用四旋翼飞行器作为机载平台，在目标区域上空进行移动或悬停，并通过毫米波雷达获取下方的人体目标定位与识别信息，为灾害发生区域的人员搜救提供了有效的数据支撑。
Description
技术领域
本发明涉及灾后人员搜救技术领域，特别是一种受困人员搜救系统及搜救方法。
背景技术
在2008年发生的5.12汶川特大地震共计造成了69227人遇难、17923人失踪、374643人不同程度受伤、1993万人失去住所，受灾总人口达4625万人。由于建筑被摧毁，道路被阻塞，搜救人员只能从灾区外围进入各区域或空降然后进行搜救。但是该搜救模式人力投入大，搜救人员在废墟中行走比较困难，救援效率低，导致许多灾民没能支撑到救援到来的时刻。
近年来，无人机技术得到了巨大的发展，无人机应用在了许多实际工程和民生领域。无人机的优点有制造成本低、机动性强、飞行半径大和维护简单。目前用于定位搜救的无人机设备都是搭载红外传感器或光学摄像头进行人体目标识别检测。红外检测具有灵敏度高、反应速率快、实现方便等优点，光学摄像头则具有高分辨率、实现简单的优势。
但是，上述方案依旧存在一些缺陷难以解决，如红外探测距离较近、容易受各种热源和阳光源干扰、在环境温度和人体温度接近时人体的红外辐射容易被遮挡，探测的准确度和灵敏度明显下降。而光学摄像头因为其不具有穿透性而无法探测被遮挡物体、容易受恶劣环境（雨、雪、大雾）的影响。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，而提供一种受困人员搜救系统，它解决了现有的用于定位搜救的无人机设备可靠性较差的问题。
本发明的技术方案是：受困人员搜救系统，包括四旋翼飞行器、单片机、PC机和遥控器；
四旋翼飞行器包括机架、无刷电机、螺旋桨、毫米波雷达及飞行控制单元；机架上端设有呈“十”字形分布的四根等长的支杆，下端设有起落架；四个无刷电机分别固定安装在每根支杆的末端；四个螺旋桨分别安装在四个无刷电机的机轴上；毫米波雷达安装在机架上，其探测方向朝向机架正下方，其内部包含2根发射天线和4根接收天线组成的天线阵列；飞行控制单元安装在机架上，飞行控制单员包括控制芯片、惯性测量模块、电池、电机驱动模块及电压稳压模块；控制芯片与惯性测量模块电连接；电池通过电机驱动模块与无刷电机电连接，从而为无刷电机供电，电池通过电压稳压模块与控制芯片电连接，从而为控制芯片供电；控制芯片、电机驱动模块、电池、电压稳压模块依次电性连接并形成PID闭环；
单片机上设有信号输入端口和信号输出端口，单片机的信号输入端口分别与毫米波雷达和遥控器通信连接，单片机的信号输出端口分别与PC机和飞行控制单元的控制芯片通信连接；遥控器用于控制四旋翼飞行器的飞行姿态，PC机用于显示基于毫米波雷达获取的实时雷达图。
本发明进一步的技术方案是：毫米波雷达内部包含多阶RC滤波器。
本发明更进一步的技术方案是：四旋翼飞行器还包括地图获取模块；地图获取模块包括里程计、加速度传感器及摄像头；里程计、加速度传感器及摄像头均固定安装在机架上，摄像头用于获取四旋翼飞行器下方地面的视野；地图获取模块与PC机通信连接。
本发明的技术方案是：受困人员搜救方法，应用于上述的受困人员搜救系统，步骤如下：
S01，覆盖式快速搜索：
四旋翼飞行器接到搜救任务后，全速飞行前往目标区域，即将到达目标区域的边界时，四旋翼飞行器减速飞行并降低飞行高度，到达目标区域的边界后，毫米波雷达开始工作，搜寻目标区域内的受困人员；四旋翼飞行器在目标区域的飞行路线呈蛇形盘管状的路线，从而实现毫米波雷达的探测路径将目标区域全覆盖；四旋翼飞行器在飞行过程中同步执行以下操作：
a、毫米波雷达获取的检测数据通过无线网络传输至单片机，再通过数据线传输至PC机上，通过PC机显示实时雷达图；
b、通过里程计、加速度传感器和摄像头综合获取环境信息，由PC机通过拓展卡尔曼滤波算法进行多传感器数据融合，从而获得环境地图，通过多传感器数据融合的结果计算出四旋翼飞行器当前的位置坐标、姿态角和行进速度；
本步骤中，四旋翼飞行器的飞行速度为3-4m/s，飞行高度为8-10m；
S02，针对疑似目标悬停检测：
a、四旋翼飞行器在飞行途中，毫米波雷达14一直在持续检测，检测效果会存在一定的误判率，有可能将与人体回波信息相似的其它动物或物体误判为受困人员，此状态下搜寻到的受困人员均称为“疑似目标”；
b、当搜寻到“疑似目标”后，四旋翼飞行器进一步降低高度，移动至目标正上方，保持悬停，再通过毫米波雷达进行检测，从而准确判断“疑似目标”是否为受困人员；
c、若非受困人员，则四旋翼飞行器抬升飞行高度至8-10m，沿既定的路线继续飞行检测；若为受困人员，则将目标的坐标通过单片机上传至PC机，并持续追踪目标，直至救援人员前来施救；
本步骤中，四旋翼飞行器悬停高度为5m。
本发明进一步的技术方案是：毫米波雷达杂波抑制方法如下：毫米波雷达接收到的回波中，除人体信息之外的障碍物、动物、地面、花草树木的信息均称为杂波；杂波集中出现在回波中的零频附近和整数倍脉冲重复频率处；将直流置零以滤除零频附近的杂波；通过多阶RC滤波器滤除整数倍脉冲频率杂波时，所述的多阶RC滤波器在任意整数倍脉冲重复频率处具有高阻带，能够有效过滤整数倍脉冲重复频率处的杂波，而其它任意频段是通带，让有效目标的信息通过。
本发明再进一步的技术方案是：受困人员定位算法如下：将“受困人员”简称为“目标”；通过毫米波雷达检测到目标后，得到目标的距离和多普勒速度信息，但想要实现定位还需要得到目标角度信息，即目标回波信号的入射角；具体做法是进行3D-FFT 运算：首先对各个接收天线接收到的回波信号进行2D-FFT运算，即进行距离维和多普勒维的傅里叶变换，得到距离-多普勒信息矩阵；然后将距离-多普勒矩阵组合成一个三维矩阵，并沿着接收天线的方向进行 3D-FFT 处理，即角度维FFT，即可得到目标回波信号的方位角；最后结合毫米波雷达与目标的距离S和目标方位角，计算得到目标在雷达坐标系中的二维坐标，实现对目标的定位
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、采用四旋翼飞行器作为机载平台，在目标区域上空进行移动或悬停，并通过毫米波雷达获取下方的人体目标定位与识别信息，通过PC机实时显示雷达图，为灾害发生区域的人员搜救提供了有效的数据支撑。
2、毫米波雷达传感器(型号为IWR1642)的工作频率为76-81GhZ(对应波长为4mm)，并且能产生4GHz的连续线性调频脉冲，能检测精确到厘米级别的目标。相比于现有的红外检测及光学摄像头的方案，具有分辨率高和抗干扰能力强(具有穿透烟、雾、灰尘的能力)的优点，适用时段更广泛(具有全天候和全天时的检测能力)，适用场景更广泛(可适用于地震、火灾、走失场景中的人员搜索)。
以下结合图和实施例对本发明作进一步描述。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2本发明中各部件的电连接及通信连接关系示意图；
图3为自适应互补滤波姿态估计算法框图。
说明：图2中部件之间的虚线连线表示通过无线网络通信连接，部件之间的粗实线连接表示通过导线或信号线通信连接。
具体实施方式
实施例1：
如图1-2所示，受困人员搜救系统，包括四旋翼飞行器、单片机2、PC机3和遥控器4。
四旋翼飞行器包括机架11、无刷电机12、螺旋桨13、毫米波雷达14及飞行控制单元15。机架11上端设有呈“十”字形分布的四根等长的支杆111，下端设有起落架112。四个无刷电机12分别固定安装在每根支杆111的末端。四个螺旋桨13分别安装在四个无刷电机12的机轴上。毫米波雷达14安装在机架11上，其探测方向朝向机架11正下方，毫米波雷达14内部包含2根发射天线和4根接收天线组成的天线阵列，天线阵列用于人体目标定位，具体用于获取人体目标的角度信息(即目标回波信号的入射角)。飞行控制单元15安装在机架11上，飞行控制单元15包括控制芯片151(型号为STM32F103C8T6)、惯性测量模块152(型号为InvenSense公司生产的MPU6050)、电池153、电机驱动模块154和电压稳压模块155。控制芯片151与惯性测量模块152电连接。电池153通过电机驱动模块154与无刷电机12电连接，从而为无刷电机12供电，电池153通过电压稳压模块155与控制芯片151电连接，从而为控制芯片151供电。控制芯片151、电机驱动模块154、电池153、电压稳压模块155依次电性连接并形成PID闭环。
单片机2(型号为STM32F103)上设有信号输入端口和信号输出端口，单片机2的信号输入端口通过无线通讯模块与毫米波雷达14通信连接，通过数据线与遥控器4通信连接，单片机2的信号输出端口通过数据线与PC机3通信连接，通过无线通讯模块和飞行控制单元15的控制芯片151通信连接，遥控器4用于控制四旋翼飞行器的飞行姿态，PC机3用于显示基于毫米波雷达14获取的实时雷达图。
优选，惯性测量模块152集成加速度计、陀螺仪和可编程低通滤波器。
优选，毫米波雷达14内部包含多阶RC滤波器，多阶RC滤波器用于滤除毫米波雷达接收信号中的杂波。
优选，四旋翼飞行器还包括地图获取模块16。地图获取模块16包括里程计161、加速度传感器162及摄像头163。里程计161、加速度传感器162及摄像头163均固定安装在机架11上，摄像头163用于获取四旋翼飞行器下方地面的视野；地图获取模块16与PC机3通信连接。
关于人体目标定位算法设计：
由于实际情况中存在不理想的情况，多个目标之间会产生干扰，也就是所谓的目标遮蔽效应。为了减弱目标遮蔽带来的影响，我们采用了OS(统计有序)-CFAR 作为解决方案，来进行人体目标检测。
通过毫米波雷达检测到目标后，可以得到目标的距离和多普勒速度信息，但想要实现定位还需要得到目标角度信息，即目标回波信号的入射角。具体做法是进行3D-FFT 运算：首先对各个接收天线接收到的回波信号进行2D-FFT运算，即进行距离维和多普勒维的傅里叶变换，得到距离-多普勒信息矩阵。然后将距离-多普勒矩阵组合成一个三维矩阵，并沿着接收天线的方向进行 3D-FFT 处理，即角度维FFT。即可得到目标回波信号的方位角。最后结合毫米波雷达与目标的距离S和目标方位角，可以计算得到目标在雷达坐标系中的二维坐标，实现对人体目标的定位。
关于毫米波雷达杂波抑制设计：
毫米波雷达接收到的回波中，除人体信息之外的障碍物、动物、地面、花草树木的信息均称为杂波。杂波抑制包含外部滤波和内部滤波两个方面。在通常情况下，杂波集中出现在零频附近和整数倍脉冲重复频率处。滤除零频附近的杂波时，只需要将直流置零即可。滤除整数倍脉冲频率杂波时，通过多阶RC滤波器实现，多阶RC滤波器的特点是在任意整数倍脉冲重复频率处具有高阻带，能够有效过滤整数倍脉冲重复频率处的杂波，而其它任意频段是通带，让有效目标的信息通过。
关于四旋翼飞行器的自主悬停算法设计：
自主悬停的实现采用了自适应互补滤波姿态估计算法，互补滤波姿态估计算法是一种基于四元数微分方程的算法。参看图3，具体是利用加速度计测量的重力加速度g与当前姿态四元数q所组成的三维向量，求向量积误差eq，再将向量积误差eq经过自适应补偿系数调整后，与陀螺仪输出ω进行互补滤波得到本次姿态四元数q。自适应补偿系数调整是根据陀螺仪频率响应的截止角速度，分段调整姿态误差补偿系数的权重。
一种受困人员搜救方法，基于上述的受困人员搜救系统，步骤如下：
S01，覆盖式快速搜索：
四旋翼飞行器接到搜救任务后，全速飞行前往目标区域，即将到达目标区域的边界时，四旋翼飞行器减速飞行并降低飞行高度，到达目标区域的边界后，毫米波雷达开始工作，搜寻目标区域内的受困人员；四旋翼飞行器在目标区域的飞行路线呈蛇形盘管状的路线，从而实现毫米波雷达的探测路径将目标区域全覆盖；四旋翼飞行器在飞行过程中同步执行以下操作：
a、毫米波雷达获取的检测数据通过无线网络传输至单片机，再通过数据线传输至PC机上，通过PC机显示实时雷达图；
b、通过里程计、加速度传感器和摄像头综合获取环境信息，由PC机通过拓展卡尔曼滤波算法进行多传感器数据融合，从而获得环境地图，通过多传感器数据融合的结果计算出四旋翼飞行器当前的位置坐标、姿态角和行进速度。
本步骤中，四旋翼飞行器的飞行速度为3-4m/s，飞行高度为8-10m。
S02，针对疑似目标悬停检测：
a、四旋翼飞行器在飞行途中，毫米波雷达14一直在持续检测，检测效果会存在一定的误判率，有可能将与人体回波信息相似的其它动物或物体误判为受困人员，此状态下搜寻到的受困人员均称为“疑似目标”；
b、当搜寻到“疑似目标”后，四旋翼飞行器进一步降低高度，移动至目标正上方，保持悬停，再通过毫米波雷达进行检测，从而准确判断“疑似目标”是否为受困人员；
c、若非受困人员，则四旋翼飞行器抬升飞行高度至8-10m，沿既定的路线继续飞行检测；若为受困人员，则将目标的坐标通过单片机上传至PC机，并持续定位追踪目标，直至救援人员前来施救。
本步骤中，四旋翼飞行器悬停高度为5m。
Claims (6)
1.受困人员搜救系统，其特征是：包括四旋翼飞行器、单片机、PC机、毫米波雷达和遥控器；
四旋翼飞行器包括机架、无刷电机、螺旋桨、毫米波雷达及飞行控制单元；机架上端设有呈“十”字形分布的四根等长的支杆，下端设有起落架；四个无刷电机分别固定安装在每根支杆的末端；四个螺旋桨分别安装在四个无刷电机的机轴上；毫米波雷达安装在机架上，其探测方向朝向机架正下方，其内部包含2根发射天线和4根接收天线组成的天线阵列；飞行控制单元安装在机架上，飞行控制单员包括控制芯片、惯性测量模块、电池、电机驱动模块及电压稳压模块；控制芯片与惯性测量模块电连接；电池通过电机驱动模块与无刷电机电连接，从而为无刷电机供电，电池通过电压稳压模块与控制芯片电连接，从而为控制芯片供电；控制芯片、电机驱动模块、电池、电压稳压模块依次电性连接并形成PID闭环；
单片机上设有信号输入端口和信号输出端口，单片机的信号输入端口分别与毫米波雷达和遥控器通信连接，单片机的信号输出端口分别与PC机和飞行控制单元的控制芯片通信连接；遥控器用于控制四旋翼飞行器的飞行姿态，PC机用于显示基于毫米波雷达获取的实时雷达图。
2.如权利要求1所述的受困人员搜救系统，其特征是：毫米波雷达内部包含多阶RC滤波器。
3.如权利要求2所述的受困人员搜救系统，其特征是：四旋翼飞行器还包括地图获取模块；地图获取模块包括里程计、加速度传感器及摄像头；里程计、加速度传感器及摄像头均固定安装在机架上，摄像头用于获取四旋翼飞行器下方地面的视野；地图获取模块与PC机通信连接。
4.一种受困人员搜救方法，基于权利要求3所述的受困人员搜救系统，其特征是，步骤如下：
S01，覆盖式快速搜索：
四旋翼飞行器接到搜救任务后，全速飞行前往目标区域，即将到达目标区域的边界时，四旋翼飞行器减速飞行并降低飞行高度，到达目标区域的边界后，毫米波雷达开始工作，搜寻目标区域内的受困人员；四旋翼飞行器在目标区域的飞行路线呈蛇形盘管状的路线，从而实现毫米波雷达的探测路径将目标区域全覆盖；四旋翼飞行器在飞行过程中同步执行以下操作：
a、毫米波雷达获取的检测数据通过无线网络传输至单片机，再通过数据线传输至PC机上，通过PC机显示实时雷达图；
b、通过里程计、加速度传感器和摄像头综合获取环境信息，由PC机通过拓展卡尔曼滤波算法进行多传感器数据融合，从而获得环境地图，通过多传感器数据融合的结果计算出四旋翼飞行器当前的位置坐标、姿态角和行进速度；
本步骤中，四旋翼飞行器的飞行速度为3-4m/s，飞行高度为8-10m；
S02，针对疑似目标悬停检测：
a、四旋翼飞行器在飞行途中，毫米波雷达14一直在持续检测，检测效果会存在一定的误判率，有可能将与人体回波信息相似的其它动物或物体误判为受困人员，此状态下搜寻到的受困人员均称为“疑似目标”；
b、当搜寻到“疑似目标”后，四旋翼飞行器进一步降低高度，移动至目标正上方，保持悬停，再通过毫米波雷达进行检测，从而准确判断“疑似目标”是否为受困人员；
c、若非受困人员，则四旋翼飞行器抬升飞行高度至8-10m，沿既定的路线继续飞行检测；若为受困人员，则将目标的坐标通过单片机上传至PC机，并持续定位追踪目标，直至救援人员前来施救；
本步骤中，四旋翼飞行器悬停高度为5m。
5.如权利要求4所述的受困人员搜救方法，其特征是：毫米波雷达杂波抑制方法如下：毫米波雷达接收到的回波中，除人体信息之外的障碍物、动物、地面、花草树木的信息均称为杂波；杂波集中出现在回波中的零频附近和整数倍脉冲重复频率处；将直流置零以滤除零频附近的杂波；通过多阶RC滤波器滤除整数倍脉冲频率杂波时，所述的多阶RC滤波器在任意整数倍脉冲重复频率处具有高阻带，能够有效过滤整数倍脉冲重复频率处的杂波，而其它任意频段是通带，让有效目标的信息通过。
6.如权利要求5所述的受困人员搜救方法，其特征是：受困人员定位算法如下：将“受困人员”简称为“目标”；通过毫米波雷达检测到目标后，得到目标的距离和多普勒速度信息，但想要实现定位还需要得到目标角度信息，即目标回波信号的入射角；具体做法是进行3D-FFT 运算：首先对各个接收天线接收到的回波信号进行2D-FFT运算，即进行距离维和多普勒维的傅里叶变换，得到距离-多普勒信息矩阵；然后将距离-多普勒矩阵组合成一个三维矩阵，并沿着接收天线的方向进行 3D-FFT 处理，即角度维FFT，即可得到目标回波信号的方位角；最后结合毫米波雷达与目标的距离S和目标方位角，计算得到目标在雷达坐标系中的二维坐标，实现对目标的定位。
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