CN210377785U - 一种游泳池防溺水智能识别与定位装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种游泳池防溺水智能识别与定位装置，它涉及预警设备领域，它包括泳帽、定位装置、工业相机、视觉控制器，所述的定位装置嵌入装配于泳帽的内部一侧，所述的工业相机设于游泳池的四周，且均与视觉控制器连接，上述组件中相互间通过特定的装配连接关系，构成一种游泳池防溺水智能识别与定位装置的整体。与现有的防溺水技术相比，防溺水智能识别与定位装置将人工智能技术引入防溺水辅助设备，实现了对游泳者的智能监控和危险判定。

Description

一种游泳池防溺水智能识别与定位装置

技术领域：

本实用新型涉及一种游泳池防溺水智能识别与定位装置，属于预警设备技术领域。

背景技术：

在游泳池游泳的过程中，传统的防溺水手段是在区域内增加相应数量的救生员、或者游泳者在游泳时佩戴游泳圈、跟屁虫或充气手环；这些传统方法的缺点是救生员的素质良莠不齐、容易走神，游泳圈、跟屁虫和充气手环携带不方便，存在设备破损等潜在风险。

近年来，越来越多的新型水上救生设备产品得到研发与生产，这些水上救生设备由于融合了现代化信息技术，产品能够通过相关信息传输和数据分析手段，准确掌握人员的救生需求，具有较高的市场应用价值；总体而言，随着水上救生设备行业发展水平的不断提高，产品的技术含量和市场应用价值都在不断得到提升，新型水上救生设备也将更加智能化、信息化、高效化。

传统的非智能化防溺水产品都需要游泳人员携带充气装置，而新型智能化设备往往需要游泳人员携带传感器，这类产品大大降低了人员在游泳过程中的快乐体验；另外，尽管救生员可以在一定程度上确保游泳人员在不携带设备的情况，安全得到保障；但是，当救生员与他人聊天，或者注意力不够集中时，游泳者的安全风险就会大大增加。

目前，与本发明同类的产品有的利用水下摄像机，对水下状态进行实时监控，这类产品不仅成本高，而且容易侵犯游泳者的个人隐私，有的产品使用水对射频信号的隔断效应，定时查询游泳人员随身携带的无线节点的通信状态，如果信号通信过程中断的时间一个预先设定的时间间隔，服务器判断该人员发生溺水危险，还有的产品通过安装在游泳人员脖子、或者手腕上的压力传感器，判断当前水压是否超过设定的阈值，从而决定是否开启设备上的充气气囊，后两类产品预警原则过于简单，导致误报发生非常频繁；值得一提的是，这三个同类产品还有一个共同的缺点是“事后预警”，容易导致救生员错过对遇险人员进行救援。

实用新型内容：

针对上述问题，本实用新型要解决的技术问题是提供一种利用深度学习、机器视觉方法防止游泳池溺水事件发生的智能识别与定位装置，包括泳帽和置于泳帽内侧的定位装置，还包括固定安装在游泳池四周的多个工业相机，以及一个可移动放置的视觉控制器，根据游泳池的建筑规模，通过调整不同位置的工业相机的空间位姿，完成对池面的全区域覆盖，工业相机实时采集视频数据，数据通过千兆网线经过路由器传送至视觉控制器后，由机器视觉控制程序对视频数据进行视觉分析，视觉控制程序的主体是一个经过训练后的深度学习模型，该数学模型学习了人在溺水时的关键视觉特征，能够对任意的输入图像，输出图像中经过人脸识别区域中所对应的危险溺水系数，当危险溺水系数大于设定的阈值后，与视觉控制器连接的定位装置的指示灯会做出适当的预警判断，该设备操作简单，维护方便，性能可靠，对潜在的游泳溺水事故进行智能预警。

本实用新型的一种游泳池防溺水智能识别与定位装置，它包括泳帽、定位装置、工业相机、视觉控制器，所述的泳帽在人游泳时，佩戴于游泳者的头部，起到保护人体头发和支撑连接其他零部件的作用，所述的定位装置嵌入装配于泳帽的内部一侧，用于对游泳者的位置定位，所述的工业相机设于游泳池的四周，且均与视觉控制器连接，使得所有工业相机的成像区域的并集完全覆盖游泳池的整个水面，可以完成整个游泳池水面的图像数据采集，所述的视觉控制器为防溺水智能识别与定位装置的控制系统，用于对采集回来的图像信息进行识别分析，从而对整个游泳池进行监控，上述组件中相互间通过特定的装配连接关系，构成一种游泳池防溺水智能识别与定位装置的整体。

作为优选，所述的泳帽在人游泳时，佩戴于游泳者的头部，起到保护人体头发和支撑连接其他零部件的作用，泳帽包括泳帽本体和色环，所述的泳帽本体为泳帽的基体，呈半球状，材质为软质适合头部佩戴的材质，具体材质不限，都在本专利保护的范围内，所述的色环由多个环形的色圈组成，其色圈的颜色不一，具体个数、颜色和位置不限，都在本专利的保护范围内，环绕印制或粘附或缝合在泳帽靠近泳帽帽口的下端外侧，为一系列的视觉编码图案，多个色圈按照不同位置的组合方式为工业相机提供了特征视觉识别图案，色圈优选颜色为黑色、蓝色、紫色、黄色、红色。

作为优选，所述的定位装置嵌入装配于泳帽的内部一侧，用于对游泳者的位置定位，通过上位机软件的硬件模块配置功能，每个定位装置可以与色环组成的视觉编码一一对应，形成多种的编码方式，定位装置包括底座、上盖和电路板，所述的底座为定位装置的基体，起到支撑连接其他零部件的作用，底座下部设有一环形凹槽，用于与上盖的凸槽卡合，形成可靠的装配关系，使底座和上盖不会脱落，通过底座和上盖装配时粘上密封胶，可以使定位装置的整体形成有效的防水密封，底座上端内侧还设有个数不限的定位筋，使电路板装配后卡合在定位筋上不会发生窜动，所述的上盖内侧设有凸槽，用于与底座的凹槽卡合，上盖上侧设有开关位，通过按下开关位，可以对定位装置进行起停，所述的电路板装设于底座上，电路板包括基板、开关、指示灯、电池，所述的基板为电路板的基体，其他电子元器件均焊接在基板上，所述的开关设于基板的上端，通过按下开关，可以对电路板进行起停，所述的指示灯优选为VLED灯珠，通过电路板的控制逻辑，可以对指示灯进行亮灭，所述的电池设于电路板的下方，可以对电路板进行供电。

作为优选，所述的工业相机设于游泳池的四周，使得所有工业相机的成像区域的并集完全覆盖游泳池的整个水面，可以完成整个游泳池水面的图像数据采集，具体数量不限，均在本专利的保护范围内，优选为CCD相机，可以根据实际游泳池的规模和大小，在不同位置区间设置多个工业相机，对于室内游泳池，工业相机可固定在墙面；对于室外游泳池，工业相机需要增加相应的辅助固定装置进行固定，通过调整工业相机的空间位姿，使得所有工业相机的成像区域的并集完全覆盖游泳池的整个水面，为了确保后续目标检测的准确率，视觉配置方案中的工业相机分辨率和镜头焦距的选型要根据待检测目标的尺寸和相机的工作距离进行计算。

作为优选，所述的视觉控制器为防溺水智能识别与定位装置的控制系统，用于对采集回来的图像信息进行识别分析，从而对整个游泳池进行监控，其提供基于深度学习模型的人员危险溺水系数计算的硬件平台，为了满足防溺水智能识别与定位装置预警的实时性指标，视觉控制器必须使用可支持深度学习模型的GPU处理器。

本实用新型的有益效果：

1、与现有的防溺水技术相比，防溺水智能识别与定位装置将人工智能技术引入防溺水辅助设备，实现了对游泳者的智能监控和危险判定；

2、救生员无需携带任何辅助设备装置，只需要观察游泳者的泳帽状态即可对游泳者进行状态监控；

3、防溺水智能识别与定位装置将防溺水预警等级从“事后预警”提升至“事前（中）预警”；

4、防溺水智能识别与定位装置利用机器学习和计算机视觉算法，对游泳池潜在的溺水风险，并对风险源进行视觉定位；

5、定位装置体积小巧，便于携带，置于泳帽的内侧， 不影响游泳者佩戴泳帽。

附图说明：

为了易于说明，本实用新型由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为本实用新型的布局图；

图2为本实用新型的泳帽图；

图3为本实用新型中定位装置的结构示意图；

图4为本实用新型中定位装置的俯视图；

图5为图4的A-A向剖视图；

图6为本实用新型中底座的结构示意图；

图7为本实用新型中上盖的结构示意图；

图8为本实用新型中电路板的结构示意图；

图9为本实用新型的控制原理图；

图10为本实用新型的视觉配置方案图。

1-泳帽；11-泳帽本体；12-色环；121-色圈；2-定位装置；21-底座；211-凹槽；22-上盖；221-凸槽；222-开关位；23-电路板；231-基板；232-开关；233-指示灯；234-电池；3-工业相机；4-视觉控制器。

具体实施方式：

如图1-图10所示，本具体实施方式采用以下技术方案：它包括泳帽1、定位装置2、工业相机3、视觉控制器4，所述的泳帽1在人游泳时，佩戴于游泳者的头部，起到保护人体头发和支撑连接其他零部件的作用，所述的定位装置2嵌入装配于泳帽1的内部一侧，用于对游泳者的位置定位，所述的工业相机3设于游泳池的四周，且均与视觉控制器4连接，使得所有工业相机的成像区域的并集完全覆盖游泳池的整个水面，可以完成整个游泳池水面的图像数据采集，所述的视觉控制器4为防溺水智能识别与定位装置的控制系统，用于对采集回来的图像信息进行识别分析，从而对整个游泳池进行监控，上述组件中相互间通过特定的装配连接关系，构成一种游泳池防溺水智能识别与定位装置的整体。

其中，所述的泳帽1在人游泳时，佩戴于游泳者的头部，起到保护人体头发和支撑连接其他零部件的作用，泳帽1包括泳帽本体11和色环12，所述的泳帽本体11为泳帽1的基体，呈半球状，材质为软质适合头部佩戴的材质，具体材质不限，都在本专利保护的范围内，所述的色环12由多个环形的色圈121组成，其色圈121的颜色不一，具体个数、颜色和位置不限，都在本专利的保护范围内，环绕印制或粘附或缝合在泳帽靠近泳帽1帽口的下端外侧，为一系列的视觉编码图案，多个色圈121按照不同位置的组合方式为工业相机3提供了特征视觉识别图案，色圈121优选颜色为黑色、蓝色、紫色、黄色、红色；所述的定位装置2嵌入装配于泳帽1的内部一侧，用于对游泳者的位置定位，通过上位机软件的硬件模块配置功能，每个定位装置2可以与色环12组成的视觉编码一一对应，形成多种的编码方式，定位装置2包括底座21、上盖22和电路板23，所述的底座21为定位装置2的基体，起到支撑连接其他零部件的作用，底座21下部设有一环形凹槽211，用于与上盖22的凸槽221卡合，形成可靠的装配关系，使底座21和上盖22不会脱落，通过底座21和上盖22装配时粘上密封胶，可以使定位装置2的整体形成有效的防水密封，底座21上端内侧还设有个数不限的定位筋212，使电路板23装配后卡合在定位筋212上不会发生窜动，所述的上盖22内侧设有凸槽221，用于与底座21的凹槽211卡合，上盖22上侧设有开关位222，通过按下开关位222，可以对定位装置2进行起停，所述的电路板23装设于底座21上，电路板23包括基板231、开关232、指示灯233、电池234，所述的基板231为电路板23的基体，其他电子元器件均焊接在基板231上，所述的开关232设于基板231的上端，通过按下开关232，可以对电路板23进行起停，所述的指示灯233优选为VLED灯珠，通过电路板23的控制逻辑，可以对指示灯233进行亮灭，所述的电池234设于电路板23的下方，可以对电路板23进行供电；所述的工业相机3设于游泳池的四周，使得所有工业相机的成像区域的并集完全覆盖游泳池的整个水面，可以完成整个游泳池水面的图像数据采集，具体数量不限，均在本专利的保护范围内，优选为CCD相机，可以根据实际游泳池的规模和大小，在不同位置区间设置多个工业相机3，对于室内游泳池，工业相机3可固定在墙面；对于室外游泳池，工业相机3需要增加相应的辅助固定装置进行固定，通过调整工业相机3的空间位姿，使得所有工业相机3的成像区域的并集完全覆盖游泳池的整个水面，为了确保后续目标检测的准确率，视觉配置方案中的工业相机3分辨率和镜头焦距的选型要根据待检测目标的尺寸和相机的工作距离进行计算；所述的视觉控制器4为防溺水智能识别与定位装置的控制系统，用于对采集回来的图像信息进行识别分析，从而对整个游泳池进行监控，其提供基于深度学习模型的人员危险溺水系数计算的硬件平台，为了满足防溺水智能识别与定位装置预警的实时性指标，视觉控制器4必须使用可支持深度学习模型的GPU处理器。

本具体实施方式在工作时，把定位装置2放置在泳帽1内设定的位置，游泳者佩戴泳帽1后在游泳池内游泳，工业相机3完成整个游泳池水面的图像数据采集，然后把采集回来的图像信号传输到视觉控制器4进行图像的识别分析，视觉控制器4首先对工业相机3采集回来的图像完成人脸定位，然后对定位的图像区域进行视觉编码分析，即该区域图案的编码解码，计算该图像区域人脸特征的危险溺水系数，并将系数转换为可传递的检测信号，判断目前是处于安全或危险状态，然后实时把信号发送给与视觉编码所对应的智能泳帽的定位装置2，完成该定位装置2上的指示灯233的置位或复位功能，从而提醒救生员需要关注游泳池中可能处于危险状态的人员。

本具体实施方式的技术方案包括的软件模块有视觉目标检测和视觉目标定位，视觉目标检测的主体程序是经典的深度学习Faster RCNN神经网络模型，该模型的优点是将特征提取、候选区域生成、目标分类和窗口回归四个模块统一到一个深度网络框架之内，本实用新型中的特征提取模块采用5层的ZF网络和16层的VGG-16网络，最后一层为Conv +ReLu层，输出的特征的大小为51*39*256，候选区域生成模块将特征通道图像中的每一个点看作候选区域的中心，区域窗口的尺寸大小以及长宽比各选择3种，即每个中心点有9个候选窗口，目标分类模块输出的是每个中心点的9个候选窗口区域的溺水危险系统，最后的窗口回归模块计算输出每个候选窗口的平移，以及缩放参数。

本具体实施方式的视觉目标定位检测模块依赖本实用新型使用独立设计的视觉编码方案，编码一共120种标签，满足常规游泳池满负载游泳人员的数量需求，每个游泳人员的游泳帽表面均印有唯一的Tag标签；定位过程包括三个部分，即线段检测、正方形检测和单应性及外估计，首先，计算每个像素的梯度方向和大小，通过聚类将梯度大小方向相似的聚集到一起；然后，在找到直线段后，下一步就是检测正方形，整个过程转化为一个递归的、深度为4的深度优先搜索，第一层依次把每条线段作为起始线段，第二层至第四层找和这个起始线段终点（默认每条线段都是逆时针方向）足够近的线段，通过调整阈值来增加最闭合区域和分割误差的鲁棒性；最后，利用Direct Linear Transform（DLT）算法计算单应性矩阵；另外，为了计算标签相对相机的位置和旋转方向，计算过程预先已知相机的焦距和标签的物理大小。

本具体实施方式与现有的防溺水技术相比，防溺水智能识别与定位装置将人工智能技术引入防溺水辅助设备，实现了对游泳者的智能监控和危险判定；救生员无需携带任何辅助设备装置，只需要观察游泳者的泳帽状态即可对游泳者进行状态监控；防溺水智能识别与定位装置将防溺水预警等级从“事后预警”提升至“事前（中）预警”；防溺水智能识别与定位装置利用机器学习和计算机视觉算法，对游泳池潜在的溺水风险，并对风险源进行视觉定位；定位装置体积小巧，便于携带，置于泳帽的内侧，不影响游泳者佩戴泳帽。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种游泳池防溺水智能识别与定位装置，其特征在于：它包括泳帽(1)、定位装置(2)、工业相机(3)、视觉控制器(4)，所述的定位装置(2)嵌入装配于泳帽(1)的内部一侧，所述的工业相机(3)设于游泳池的四周，且均与视觉控制器(4)连接，上述组件中相互间通过特定的装配连接关系，构成一种游泳池防溺水智能识别与定位装置的整体。

2.根据权利要求1所述的一种游泳池防溺水智能识别与定位装置，其特征在于：所述的泳帽(1)包括泳帽本体(11)和色环(12)，所述的泳帽本体(11)为泳帽(1)的基体，呈半球状，材质为软质适合头部佩戴的材质，所述的色环(12)由多个环形的色圈(121)组成，环绕印制或粘附或缝合在泳帽靠近泳帽(1)帽口的下端外侧，为一系列的视觉编码图案。

3.根据权利要求1所述的一种游泳池防溺水智能识别与定位装置，其特征在于：所述的定位装置(2)包括底座(21)、上盖(22)和电路板(23)，所述的底座(21)为定位装置(2)的基体，底座(21)下部设有一环形凹槽(211)，与上盖(22)的凸槽(221)卡合，底座(21)上端内侧还设有个数不限的定位筋(212)，所述的上盖(22)内侧设有凸槽(221)，与底座(21)的凹槽(211)卡合，上盖(22)上侧设有开关位(222)，所述的电路板(23)装设于底座(21)上，电路板(23)包括基板(231)、开关(232)、指示灯(233)、电池(234)，所述的基板(231)为电路板(23)的基体，其他电子元器件均焊接在基板(231)上，所述的开关(232)设于基板(231)的上端，所述的电池(234)设于电路板(23)的下方。

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